Differenze tra le versioni di "Piroelettricità"

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[[File:Pyrosensor.jpg|thumb|sensore piroeletttrico]]
La '''piroelettricità''' (o '''effetto piroelettrico''') è l'effetto per cui si forma un temporaneo accumulo di [[carica elettrica|cariche elettriche]] di segno opposto (e quindi di una [[differenza di potenziale]]) sulle facce opposte di certi cristalli in risposta ad un cambiamento di [[temperatura]].
La '''piroelettricità''' può essere descritta come la proprietà di certi materiali di generare una temporanea differenza di potenziale tra gli estremi quando sono scaldati o raffreddati. I materiali piroelettrici sono isolanti e l'effetto dipende dalla variazione di [[polarizzazione elettrica]] con la temperatura<ref>Ashcroft, N. W. & Mermin, N. D. Solid State Physics. (1976) pp. 554-555
 
</ref>. Molto semplicemente si ha che il cambiamento di temperatura modifica leggermente la posizione di alcuni atomi nella struttura cristallina, e di conseguenza cambia la polarizzazione elettrica del materiale.
LaSi '''piroelettricità'''ha (o '''effetto piroelettrico''') è l'effetto per cui si formaquindi un temporaneo accumulo di [[carica elettrica|cariche elettriche]] di segno opposto (eda quindicui dideriva unala [[differenza di potenziale]]) sulle facce opposte di certi cristalli in risposta ad un cambiamento di [[temperatura]].
L'accumulo avviene su facce ortogonali rispetto ad un [[asse di simmetria]] noto come asse termico. La faccia che viene caricata positivamente viene chiamata "polo analogo", mentre la faccia opposta è detta "polo antilogo".
 
L'effetto non è permanente, in quanto se la variazione di temperatura rimane costante, si ha che le cariche libere nell'aria annullano la differenza di potenziale o semplicemente la corrente di perdita dovuta alla debole conducibilità del cristallo annulla la differenza di potenziale.
Tutti i cristalli che sono piroelettrici sono anche [[piezoelettrico|piezoelettrici]], e alcuni sono [[ferroelettricità|ferroelettrici]].
 
Tale proprietà è attualmente utilizzata per fabbricare [[sensori]] molto comuni per la rivelazione di [[radiazione infrarossa]]<ref>Erik Bründermann, Heinz-Wilhelm Hübers, Maurice FitzGerald Kimmitt, ''Terahertz Techniques'', Springer,pp 185-190, (2012)</ref>.
Esistono due tipi di piroelettricità:
* la piroelettricità primaria che si ottiene riscaldando il cristallo impedendone però la dilatazione termica
* la piroelettricità secondaria che si ottiene riscaldando il cristallo senza impedirne la dilatazione termica
 
Il nome piroelettricità viene dalla combinazione di due parole greche ''πυρος'', che vuol dire fuoco, ed ''ἤλεκτρον'', che vuol dire ambra da cui elettricità.
Esiste anche una piroelettricità inversa: quando ad un cristallo si applica una [[differenza di potenziale]] si avrà una variazione di temperatura del cristallo stesso.
 
Esiste anche una piroelettricità inversa: quando adtra le superfici di un cristallo polare si applica una [[differenza di potenziale]] si avrà una variazione di temperatura del cristallo stesso.
Questo effetto si manifesta solo in cristalli che hanno una [[polarizzazione elettrica|polarizzazione]] permanente; la [[struttura cristallina]] predominante per questi materiali è quella delle [[perovskiti]].
 
==Spiegazione==
Il primo minerale in cui è stato osservato questo fenomeno, fin dall'antichità, è la [[tormalina]].
Se gli stati energetici di un cristallo si possono rappresentare come i vertici di un triangolo
<ref>{{cite book|last1=Buchanan|first1=Relva C.|title=Ceramic Materials for Electronics: Third Edition, Revised and Expanded|date=2004|publisher=Marcel Dekker, Inc.|location=Cincinnati, Ohio|isbn=978-0-8247-4028-3|page=217|edition=Third|url=https://books.google.com/?id=bLRf2I9jtgsC&pg=PA216&lpg=PA216&dq=piezoelectric+pyroelectric+triangle#v=onepage&q=piezoelectric%20pyroelectric%20triangle&f=false|accessdate=10 November 2015}}</ref> che sono rispettivamente l'[[Energia cinetica|energia cinetica]], quella elettrica e la [[energia termica|termica]]. Il lato tra il vertice elettrico e termico rappresenta l'effetto piroelettrico (non produce energia cinetica). Mentre il lato tra il vertice cinetico ed elettrico rappresenta l'[[effetto piezoelettrico]]. Il lato tra i vertici termico e cinetico è la semplice dilatazione termica.
 
Le cariche piroelettriche si sviluppano nelle facce opposte di cristalli asimmetrici. A meno che il materiale sia [[ferroelettricità|ferroelettrico]] la direzione del campo elettrico all'interno ha direzione costante nel suo interno. Tutti i materiali conosciuti che sono piroelettrici sono anche [[piezoelettricità|piezoelettrici]]. Nonostante che siano piroelettrici alcuni materiali, scoperti di recente, come il nitruro di boro alluminio o il nitruro di boro gallio, hanno una risposta piezoelettrica nulla lungo l'asse c (asse termico) per alcune composizioni<ref>{{Cite journal|title=Wurtzite BAlN and BGaN alloys for heterointerface polarization engineering|journal = Applied Physics Letters|volume = 111|issue = 22|pages = 222106|last=Liu|first=Kaikai|doi=10.1063/1.5008451|year = 2017|url = http://repository.kaust.edu.sa/kaust/handle/10754/626289|hdl = 10754/626289|hdl-access = free}}</ref>. Vi è da agggiungere che esistono materiali che sono piezoelettrici senza essere piroelettrici.
 
I materiali piroelettrici sono principalmente duri e cristallini, tuttavia, può essere ottenuta la piroelettricità anche con materiali soffici come gli [[Elettrete|elettreti]] costituiti da polimeri sintetici <ref>{{cita pubblicazione
|data=2018
| rivista = Soft Matter
| titolo = Designing Soft Pyroelectric and Electrocaloric Materials Using Electrets
| autore1 = F. Darbaniyan
| autore2 = P. Sharma
}}</ref>. Gli elettreti sono l'equivalente elettrico dei magneti.
Il rapporto tra la variazione del modulo del vettore polarizzazione e la variazione di temperatura è detto coefficiente piroelettrico<ref>{{cita pubblicazione| autore = Dragan Damjanovic | anno = 1998 | titolo = Ferroelectric, dielectric and piezoelectric properties of ferroelectric thin films and ceramics | rivista = Rep. Prog. Phys. | volume = 61 | pp = 1267–1324 | doi = 10.1088/0034-4885/61/9/002 }}</ref>.
:<math>
p = \frac{\partial |P_{S}|} {\partial T}
</math>
dove <math>p</math> è il coefficiente piroelettrico, <math>\vec P</math> è il vettore polarizzazione, <math>S</math> è la superficie normale al vettore stesso.
Nel [[sistema internazionale]] <math>p</math> si misura in Cm<sup>−2</sup>K<sup>−1</sup>.
 
Il coefficiente totale piroelettrico
misurato a sforzo costante è la somma del coefficiente piroelettrico a deformazione costante (effetto primario piroelettrico) e il contributo piezoelettrico dovuto alla dilatazione termica (effetto secondario piroelettrico). Sotto circostanze normali anche i materiali polari, non hanno un momento di dipolo elettrico netto a differenza del dipolo magnetico proprio dei magneti permanenti. Ciò avviene in quanto le cariche libere che si formano sulla superficie sono nel tempo neutralizzate o dalle cariche libere della atmosfera o dalla [[conduttività elettrica]] del materiale che non è mai nulla. Quindi i cristalli polari rivelano la loro natura quando in qualche maniera viene perturbato lo stato in maniera momentanea e quindi si generano delle cariche superficiali temporanee.
 
La polarizzazione spontanea dipende dalla temperatura, per cui un mezzo di indagine idoneo è cambiare la temperatura del cristallo che determina l'accumulo di cariche sulle superfici: questo è esattamente l'effetto piroelettrico. Poiché tutti i cristalli polari sono piroelettrici, spessp le 10 classi di cristalli polari sono dette classi piroelettriche.
 
 
== Storia ==
Nel 314 a. C. [[Teofrasto]] parla per la prima volta della piroelettricità notando che la [[tormalina]] attrae segatura o paglia
quando viene scaldata<ref>Earle R. Caley and John F.C. Richards, ''Theophrastus: On Stones'' (Columbus, Ohio: Ohio State University, 1956)</ref>.
 
Nel 1707 Johann Georg Schmidt riscopre le proprietà della tormalina, ma nota in più che tale minerale attrae la cenere calda, non quella fredda<ref>Johann Georg Schmidt, ''Curiöse Speculationes bey Schalflosen Nächten'' (Chemnitz and Leipzig): Conrad Stössen, 1707), p. 269-270. </ref>.
 
Nel 1717 Louis Lémery notò che frammenti di materiale isolante erano prima attratti dalla tormalina, ma poi respinti una volta entrati in contatto (caricandosi con la carica eguale si aveva la repulsione elettrostatica)<ref>"Diverse observations de la physique generale," ''Histoire de l'Académie des Sciences'' (1717); [http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k5426516z/f16.image vedere pagine 7-8]</ref>.
 
In 1747 [[Linneo]] fu il primo che collego il fenomeno alla elettricità (chiamò la tormalina ''Lapidem Electricum'' (pietra elettrica)<ref>Carl von Linné (, ''Flora Zeylanica: Sistens Plantas Indicas Zeylonae Insulae'' (Stoccolma , Svezia: Laurentii Salvii, 1747), [https://books.google.com/books?id=f0Y-AAAAcAAJ&pg=PA8#v=onepage&q&f=false pagina 8]</ref>. Anche se bisogna agggiungere che la cosa fu provata solo nel 1756 da Franz Ulrich Theodor Aepinus
<ref>Aepinus (1756) "Memoire concernant quelques nouvelles experiences électriques remarquables" , ''Histoire de l'Académie royale des sciences et des belles lettres'' (Berlin), vol. 12, [https://books.google.com/books?id=mZgDAAAAMAAJ&pg=PA105#v=onepage&q&f=false pagine 105-121]</ref>.
 
Nel 1824 David Brewster diede all'effetto il nome che diamo oggi<ref>{{cite journal| url = https://books.google.com/books?id=dkQEAAAAYAAJ&pg=PA208| pages = 208–215 | first = David | last = Brewster | title = Observations of the pyro-electricity of minerals |journal = The Edinburgh Journal of Science | volume = 1 | year = 1824 }}</ref> .
 
Nel 1878 [[William Thomson, I barone Kelvin|lord Kelvin]] sviluppò la teoria alla base della piroelettricità <ref>William Thomson (1878) "On the thermoelastic, thermomagnetic and pyroelectric properties of matter," ''Philosophical Magazine'', series 5, vol. 5, [https://books.google.com/books?id=A5YOAAAAIAAJ&pg=PA4#v=onepage&q&f=false pagine 4 - 26]</ref>. Ma anche bisogna menzionare l'importante contributo del 1897 di Woldemar Voigt
<ref>W. Voigt (1897) "Versuch zur Bestimmung des wahren specifischen electrischen Momentes eines Turmalins" (Experiment to determine the true specific electric moment of a tourmaline), ''Annalen der Physik'', vol. 60, [https://books.google.com/books?id=iX0EAAAAYAAJ&pg=PA368#v=onepage&q&f=false pagine 368 - 375]</ref>.
 
== Classi di cristalli ==
Vi sono 32 [[Classe_di_simmetria|classi di strutture cristalline]] basate sul numero degli assi di rotazione e sui piani di riflessione che lasciano immutata la struttura cristallina attorno ad un punto. Delle trentadue classi, ventuno non sono simmetriche attorno al centro e tra queste venti sono piezoelettriche, le rimanenti non lo sono essendo cubiche di classe 432. Dieci delle 20 classi piezoelettriche sono polari, cioè posseggono una polarizzazione spontanea, avendo un dipolo elettrico nella loro cella unitaria e quindi sono piroelettrici. Se questo dipolo può essere invertito mediante un campo elettrico, il materiale è anche [[ferroelettricità|ferroelettrico]]. La polarizzazione elettrostatica si sviluppa in qualsiasi materiale dielettrico quanto viene immerso in un campo elettrico, ma solo le sostanze che hanno una naturale separazione delle cariche in assenza di campo sono chiamati materiali polari. Se un materiale sia o meno polare dipende solo dalla struttura cristallina. Solo 10 tra le 32 classi di simmetria puntuale sono polari e quindi piroelettriche:
 
Classi di cristalli piezoelettrici: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m
 
Classi di cristalli piroelettrici: 1, 2, m, mm2, 3, 3m, 4, 4mm, 6, 6mm
 
===Effetti correlati===
 
Due effetti che sono collegati fortemente alla piroelettricità sono la [[ferroelettricità]] e la [[piezoelettricità]]. Normalmente i materiali sono praticamente neutri a livello macroscopico, tuttavia, le cariche positive e negative, che costituiscono il materiale, sono non necessariamente distribuite in maniera simmetrica; se la somma della carica per la distanza di tutti gli elementi della cella di base non sono nulli la cella ha un momento di dipolo elettrico (una grandezza vettoriale). Il momento di dipolo elettrico per unità di volume è definito come [[Polarizzazione elettrica| vettore polarizzazione elettrica]]. Se questo momento di dipolo cambia per effetto della temperatura, del campo elettrico applicato o per la pressione, il materiale è rispettivamente piroelettrico, ferroelettrico o piezoelettrico.
 
L'effetto ferroelettrico si ha nei materiali che posseggono una polarizzazione elettrica in assenza di un campo esterno applicato e la cui poloarizzazione può essere invertita se il campo elettrico esterno, di opportuna intensità, viene invertito. Poiché tutti i materiali ferroelettrici hanno una polarizzazione spontanea sono anche piroelettrici, ma non è vero il contrario vi sono materiali piroelettrici che non sono ferroelettrici.
 
L'effetto piezoelettrico si manifesta in cristalli (tali come il quarzo o la ceramica) per cui appare una differenza di potenziale ai capi del materiale quando viene compresso. In maniera simile all'effetto piroelettrico, il fenomeno è dovuto alla struttura asimmetrica del cristallo che permette agli ioni a muoversi più facilmente in una direzione rispetto ad un altra. Come la pressione è applicata, i due lati del cristallo si caricano in maniera opposta, e di conseguenza si sviluppa una caduta di potenziale attraverso il cristallo.
 
La piroelettricità non deve essere confusa con la [[termoelettricità]], nel caso della piroelettricità se viene cambiata la temperatura di tutto il cristallo si manifesta una temporanea differenza di potenziale, al contrario nel caso della termoelettricità una parte del dispositivo è tenuto ad una temperatura diversa da una altra parte e si sviluppa una differenza di potenziale permanente fino a quando rimane la differenza di temperatura. Entrambi effetti convertono cambiamenti di temperatura in differenza di potenziale, ma l'effetto piroelettrico converte cambiamenti di temperatura ''temporali'' in differenza di potenziale, mentre l'effetto termoelettrico converte cambiamenti di temperatura ''spaziali'' in potenziali elettrici.
 
==Note==
<references/>
 
== Voci correlate ==
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