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Piroelectricidad

Componentes internos de un sensor piroeléctrico La piroelectricidad (del griego: pyr (πυρ), "fuego" y electricidad ) es una propiedad de ciertos cristales que están naturalmente...

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Componentes internos de un sensor piroeléctrico

La piroelectricidad (del griego: pyr (πυρ), "fuego" y electricidad ) es una propiedad de ciertos cristales que están naturalmente polarizados eléctricamente y, como resultado, contienen grandes campos eléctricos. [ 1 ] La piroelectricidad puede describirse como la capacidad de ciertos materiales para generar un voltaje temporal cuando se calientan o enfrían. [ 2 ] [ 3 ] El cambio de temperatura modifica ligeramente las posiciones de los átomos dentro de la estructura cristalina , de modo que cambia la polarización del material. Este cambio de polarización da lugar a un voltaje a través del cristal. Si la temperatura se mantiene constante en su nuevo valor, el voltaje piroeléctrico desaparece gradualmente debido a la corriente de fuga . La fuga puede deberse al movimiento de electrones a través del cristal, al movimiento de iones a través del aire o a la fuga de corriente a través de un voltímetro conectado a través del cristal. [ 3 ] [ 4 ]

Explicación

La carga piroeléctrica en los minerales se desarrolla en las caras opuestas de los cristales asimétricos. La dirección de propagación de la carga suele ser constante en todo el material piroeléctrico, pero en algunos materiales, esta dirección puede modificarse mediante un campo eléctrico cercano. Se dice que estos materiales presentan ferroelectricidad .

Todos los materiales piroeléctricos conocidos son también piezoeléctricos , pero no todos los cristales piezoeléctricos son piroeléctricos. [ 5 ] A pesar de ser piroeléctricos, materiales novedosos como el nitruro de boro y aluminio (BAlN) y el nitruro de boro y galio (BGaN) tienen una respuesta piezoeléctrica nula para la deformación a lo largo del eje c en ciertas composiciones, [ 6 ] siendo ambas propiedades estrechamente relacionadas. Sin embargo, cabe señalar que algunos materiales piezoeléctricos tienen una simetría cristalina que no permite la piroelectricidad.

Los materiales piroeléctricos son en su mayoría duros y cristalinos; sin embargo, se puede lograr piroelectricidad blanda utilizando electretos . [ 7 ]

La piroelectricidad se mide como el cambio en la polarización neta (un vector) proporcional a un cambio de temperatura. El coeficiente piroeléctrico total medido a tensión constante es la suma de los coeficientes piroeléctricos a deformación constante (efecto piroeléctrico primario) y la contribución piezoeléctrica debida a la expansión térmica (efecto piroeléctrico secundario). En circunstancias normales, incluso los materiales polares no presentan un momento dipolar neto . En consecuencia, no existen equivalentes dipolares eléctricos de los imanes de barra, ya que el momento dipolar intrínseco se neutraliza mediante la carga eléctrica "libre" que se acumula en la superficie por conducción interna o proveniente de la atmósfera. Los cristales polares solo revelan su naturaleza cuando se ven perturbados de alguna manera que altera momentáneamente el equilibrio con la carga superficial compensatoria.

La polarización espontánea depende de la temperatura, por lo que una buena sonda de perturbación es un cambio de temperatura que induce un flujo de carga hacia y desde las superficies. Este es el efecto piroeléctrico. Todos los cristales polares son piroeléctricos, por lo que las 10 clases de cristales polares a veces se denominan clases piroeléctricas. Los materiales piroeléctricos pueden utilizarse como detectores de radiación infrarroja y de longitud de onda milimétrica.

Un electreto es el equivalente eléctrico de un imán permanente.

Descripción matemática

El coeficiente piroeléctrico puede describirse como el cambio en el vector de polarización espontánea con la temperatura: [ 8 ]pagi=∂PAGS,i∂T{\displaystyle p_{i}={\frac {\partial P_{S,i}}{\partial T}}} donde p i (Cm −2 K −1 ) es el vector del coeficiente piroeléctrico.

Historia

El primer registro del efecto piroeléctrico lo hizo Johann Georg Schmidt en 1707 , quien observó que la turmalina [caliente] podía atraer las cenizas de las brasas calientes o ardientes, como un imán atrae el hierro, pero también repeliéndolas de nuevo [después del contacto] [ 9 ] . En 1717, Louis Lemery notó, al igual que Schmidt, que pequeños fragmentos de material no conductor eran atraídos primero por la turmalina, pero luego repelidos por ella al entrar en contacto con la piedra [ 10 ] . En 1747, Linneo relacionó por primera vez el fenómeno con la electricidad (llamó a la turmalina Lapidem Electricum , «la piedra eléctrica») [ 11 ] , aunque esto no fue demostrado hasta 1756 por Franz Ulrich Theodor Aepinus [ 12 ] .

La investigación sobre la piroelectricidad se perfeccionó en el siglo XIX. En 1824, Sir David Brewster le dio al efecto el nombre que tiene hoy. [ 13 ] Tanto William Thomson en 1878 [ 14 ] como Woldemar Voigt en 1897 [ 15 ] contribuyeron al desarrollo de una teoría sobre los procesos que subyacen a la piroelectricidad. Pierre Curie y su hermano, Jacques Curie , estudiaron la piroelectricidad en la década de 1880, lo que los llevó al descubrimiento de algunos de los mecanismos que subyacen a la piezoelectricidad. [ 16 ]

Se atribuye erróneamente a Teofrasto (c. 314 a. C.) el primer registro de piroelectricidad. Esta idea errónea surgió poco después del descubrimiento de las propiedades piroeléctricas de la turmalina , lo que llevó a los mineralogistas de la época a asociar con ella la legendaria piedra Lyngurium . [ 17 ] En la obra de Teofrasto, el Lyngurium se describe como similar al ámbar , sin especificar ninguna propiedad piroeléctrica. [ 18 ]

Clases de cristal

Todas las estructuras cristalinas pertenecen a una de las treinta y dos clases cristalinas según el número de ejes de rotación y planos de reflexión que poseen y que no alteran su estructura ( grupos puntuales ). De las treinta y dos clases cristalinas, veintiuna son no centrosimétricas (no tienen centro de simetría ). De estas veintiuna, veinte presentan piezoelectricidad directa , siendo la restante la clase cúbica 432. Diez de estas veinte clases piezoeléctricas son polares, es decir, poseen polarización espontánea, con un dipolo en su celda unitaria, y presentan piroelectricidad. Si este dipolo puede invertirse mediante la aplicación de un campo eléctrico, se dice que el material es ferroeléctrico . Cualquier material dieléctrico desarrolla polarización dieléctrica (electrostática) al aplicarle un campo eléctrico, pero una sustancia que presenta esta separación de carga natural incluso en ausencia de campo se denomina material polar. La polaridad de un material está determinada únicamente por su estructura cristalina. Solo 10 de los 32 grupos puntuales son polares. Todos los cristales polares son piroeléctricos, por lo que las diez clases de cristales polares a veces se denominan clases piroeléctricas.

Clases de cristales piezoeléctricos: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m

Piroeléctrico: 1, 2, m, mm2, 3, 3m, 4, 4mm, 6, 6mm

Dos efectos estrechamente relacionados con la piroelectricidad son la ferroelectricidad y la piezoelectricidad . Normalmente, los materiales son prácticamente neutros eléctricamente a nivel macroscópico. Sin embargo, las cargas positivas y negativas que los componen no necesariamente se distribuyen de forma simétrica. Si la suma de la carga multiplicada por la distancia para todos los elementos de la celda básica es distinta de cero, la celda tendrá un momento dipolar eléctrico (una magnitud vectorial). El momento dipolar por unidad de volumen se define como la polarización dieléctrica. Si este momento dipolar cambia con la aplicación de cambios de temperatura, un campo eléctrico o una presión, el material es piroeléctrico, ferroeléctrico o piezoeléctrico, respectivamente.

El efecto ferroeléctrico se manifiesta en materiales que poseen una polarización eléctrica en ausencia de un campo eléctrico externo, de manera que dicha polarización puede invertirse al invertir el campo eléctrico. Dado que todos los materiales ferroeléctricos presentan una polarización espontánea, también son piroeléctricos (pero no todos los materiales piroeléctricos son ferroeléctricos).

El efecto piezoeléctrico se manifiesta en cristales (como el cuarzo o la cerámica) en los que aparece una tensión eléctrica al aplicar presión. Al igual que el efecto piroeléctrico, este fenómeno se debe a la estructura asimétrica de los cristales, que permite que los iones se muevan con mayor facilidad a lo largo de un eje que de los demás. Al aplicar presión, cada lado del cristal adquiere una carga opuesta, lo que produce una caída de tensión en su superficie.

La piroelectricidad no debe confundirse con la termoelectricidad : en una demostración típica de piroelectricidad, se cambia la temperatura de todo el cristal, lo que genera una tensión transitoria. En una demostración típica de termoelectricidad, una parte del dispositivo se mantiene a una temperatura y la otra a una diferente, lo que genera una tensión permanente mientras exista una diferencia de temperatura. Ambos efectos convierten el cambio de temperatura en potencial eléctrico, pero el efecto piroeléctrico convierte el cambio de temperatura en función del tiempo en potencial eléctrico, mientras que el efecto termoeléctrico convierte el cambio de temperatura con la posición en potencial eléctrico.

Materiales piroeléctricos

Aunque se han desarrollado materiales piroeléctricos artificiales, el efecto se descubrió por primera vez en minerales como la turmalina . El efecto piroeléctrico también está presente en huesos y tendones . [ 19 ]

El ejemplo más importante es el nitruro de galio , un semiconductor. [ 20 ] Los grandes campos eléctricos en este material son perjudiciales en los diodos emisores de luz (LED), pero útiles para la producción de transistores de potencia.

Se han logrado avances en la creación de materiales piroeléctricos artificiales, generalmente en forma de película delgada, utilizando nitruro de galio ( GaN ) , nitrato de cesio ( CsNO3 ) , fluoruros de polivinilo , derivados de fenilpiridina , sulfato de triglicina dopado con L-alanina deuterada, niobato de litio y ftalocianina de cobalto . El tantalato de litio ( LiTaO3 ) es un cristal que exhibe propiedades piezoeléctricas y piroeléctricas, el cual se ha utilizado para crear fusión nuclear a pequeña escala (" fusión piroeléctrica "). [ 21 ] Recientemente, se han descubierto propiedades piroeléctricas y piezoeléctricas en óxido de hafnio dopado ( HfO2 ), un material estándar en la fabricación de CMOS . [ 22 ] Las cerámicas ferroeléctricas también pueden mostrar propiedades piroeléctricas. [ 23 ]

Aplicaciones

Los materiales piroeléctricos, que generan cargas eléctricas en respuesta a las fluctuaciones de temperatura, tienen diversas aplicaciones debido a su capacidad para convertir la energía térmica en electricidad o detectar cambios térmicos. Entre las aplicaciones clave se incluyen:

sensores de calor

Cambios muy pequeños de temperatura pueden producir un potencial piroeléctrico. Los sensores infrarrojos pasivos suelen diseñarse con materiales piroeléctricos, ya que el calor de una persona o un animal a varios metros de distancia es suficiente para generar un voltaje. [ 24 ]

  • Sensores térmicos : Los detectores infrarrojos, las alarmas contra incendios, los sensores de gas y los sensores de movimiento utilizan una alta sensibilidad a la tensión/corriente. Los materiales a base de plomo (por ejemplo, PMN-PT) destacan en este caso debido a sus excelentes parámetros de rendimiento (FoM). [ 25 ] [ 26 ]
  • Monitoreo ambiental : Detección de cambios de temperatura en procesos químicos o sistemas respiratorios (por ejemplo, sensores de respiración autoalimentados). [ 26 ]

Captación de energía y generación de energía

Un dispositivo piroeléctrico puede calentarse y enfriarse repetidamente (de forma análoga a un motor térmico ) para generar energía eléctrica utilizable. Un ejemplo de motor térmico es el movimiento de los pistones en un motor de combustión interna como el que se encuentra en un automóvil de gasolina. [ 27 ] [ 26 ]

Un grupo calculó que un piroeléctrico en un ciclo Ericsson podría alcanzar el 50% de la eficiencia de Carnot , [ 28 ] [ 29 ] mientras que otro estudio encontró un material que, en teoría, podría alcanzar el 84-92% de la eficiencia de Carnot [ 30 ] (estos valores de eficiencia son para el piroeléctrico en sí, ignorando las pérdidas por calentamiento y enfriamiento del sustrato , otras pérdidas por transferencia de calor y todas las demás pérdidas en otras partes del sistema).

Entre las posibles ventajas de los generadores piroeléctricos para la generación de electricidad (en comparación con el motor térmico convencional más el generador eléctrico ) se incluyen:

  • Aprovechamiento de la energía a partir del calor residual: [ 31 ] [ 32 ] [ 26 ]
    • Recuperación de calor residual : Aprovechamiento de la energía térmica de baja calidad procedente de procesos industriales, sistemas automotrices y electrodomésticos mediante cerámicas con plomo (p. ej., PZT, PMN-PT), cerámicas sin plomo (p. ej., BNT-BT, KNN) y polímeros (p. ej., PVDF-TrFE). El ciclo de Olsen es un método termodinámico destacado para la conversión eficiente de energía.
  • Equipos menos voluminosos: [ 26 ]
    • Dispositivos flexibles y portátiles : Los polímeros flexibles (por ejemplo, PVDF) y los materiales compuestos alimentan la electrónica portátil/implantable aprovechando el calor corporal o los cambios de temperatura ambiente. Algunos ejemplos son los sensores autoalimentados y los nanogeneradores que producen densidades de potencia de μW a mW/ cm³ .
  • Menos piezas móviles. [ 33 ]

Aunque se han presentado algunas patentes para un dispositivo de este tipo, [ 34 ] estos generadores no parecen estar ni cerca de la comercialización.

Fusión nuclear

Los materiales piroeléctricos se han utilizado para generar los grandes campos eléctricos necesarios para dirigir los iones de deuterio en un proceso de fusión nuclear . Esto se conoce como fusión piroeléctrica .

Desafíos y direcciones futuras

A pesar de sus prometedoras aplicaciones, los materiales piroeléctricos se enfrentan a varios desafíos que deben abordarse para una mayor adopción. Una limitación clave es la compensación entre los coeficientes piroeléctricos, las propiedades dieléctricas y la estabilidad térmica, lo que afecta al rendimiento y la eficiencia generales. Además, la eficiencia de la recolección de energía piroeléctrica depende en gran medida de las rápidas fluctuaciones de temperatura, lo que dificulta lograr una salida de potencia constante en aplicaciones prácticas. La integración en diseños flexibles y biocompatibles para dispositivos portátiles y miniaturizados también sigue siendo un obstáculo importante. La investigación actual tiene como objetivo mejorar los factores de mérito (FoM), optimizar las transiciones de fase cerca de los límites morfotrópicos y desarrollar sistemas híbridos que combinen la piroelectricidad con otros mecanismos de recolección de energía para aplicaciones multifuncionales. A pesar de estos desafíos, la versatilidad de los materiales piroeléctricos los posiciona como componentes críticos para soluciones de energía sostenible y tecnologías de sensores de próxima generación. [ 32 ] [ 26 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Ashcroft, NW y Mermin, ND Física del estado sólido. (Cengage Learning, 1976).
  2. ↑ Charles Kittel-8.ª edición. 2016. Introducción a la física del estado sólido .
  3. 1 2 Webster, John G (1999). Manual de medición, instrumentación y sensores . CRC Press. págs. 32–113 . ISBN  978-0-8493-8347-2.
  4. ↑ En este artículo, el término "voltaje" se usa en el sentido cotidiano, es decir, lo que mide un voltímetro . En realidad, se trata del potencial electroquímico , no del potencial electrostático ( potencial galvánico ).
  5. ↑ "3.1: Piroelectricidad" . Engineering LibreTexts . 24 de marzo de 2020. Consultado el 27 de mayo de 2026 .
  6. ↑ Liu, Kaikai (2017). "Aleaciones de wurtzita BAlN y BGaN para ingeniería de polarización de heterointerfaces" . Applied Physics Letters . 111 (22) 222106. Bibcode : 2017ApPhL.111v2106L . doi : 10.1063/1.5008451 . hdl : 10754/626289 .
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  9. ↑ Johann Georg Schmidt, Curiöse Speculationes bey Schlaf-losen Nächten [Curiosas especulaciones durante las noches de insomnio] (Chemnitz y Leipzig (Alemania): Conrad Stössen, 1707), páginas 269-270. Una traducción al inglés del pasaje relevante aparece en: Sidney B. Lang, Sourcebook of Pyroelectricity , vol. 2 (Nueva York, Nueva York: Gordon and Breach, 1974), página 96 .
  10. ^ "Diversas observaciones de la physique generale", Histoire de l'Académie des Sciences (1717); consulte las páginas 7-8 .
  11. ↑ Carl von Linné ("Linnaeus"), Flora Zeylanica: Sistens Plantas Indicas Zeylonae Insulae [Flora de Ceilán: compuesta por plantas indias de la isla de Ceilán] (Estocolmo ("Holmiae"), Suecia: Laurentii Salvii, 1747), página 8. Una traducción del pasaje correspondiente aparece en Lang (1974), página 103.
  12. ^ Aepinus (1756) "Memoire concernant quelques nouvelles experiments électriques remarquables" [Memoria sobre algunos experimentos eléctricos nuevos y notables], Histoire de l'Académie royale des sciences et des belles lettres (Berlín), vol. 12, páginas 105-121 .
  13. ↑ Brewster, David (1824). "Observaciones de la piroelectricidad de los minerales" . The Edinburgh Journal of Science . 1 : 208–215 .
  14. ↑ William Thomson (1878) "Sobre las propiedades termoelásticas, termomagnéticas y piroeléctricas de la materia", Philosophical Magazine , serie 5, vol. 5, páginas 4 - 26 .
  15. ↑ W. Voigt (1897) "Versuch zur Bestimmung des wahren specifischen electrischen Momentes eines Turmalins" (Experimento para determinar el verdadero momento eléctrico específico de una turmalina), Annalen der Physik , vol. 60, páginas 368 - 375 .
  16. ^ Jacques Curie y Pierre Curie, "Développement par listening de l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclinées", Bulletin de la Société Minéralogique de France, vol. 3 (4), 90-93, 1880.
  17. ↑ Earle R. Caley y John FC Richards, Theophrastus: On Stones (Columbus, Ohio: Ohio State University, 1956), página 110, línea 12 del comentario: «Watson identifica el lyngounon de Teofrasto con la turmalina, pero evidentemente su opinión se basa en parte en las atractivas propiedades de la turmalina calentada, descubiertas recientemente. Esta identificación es repetida por varios autores posteriores. Por ejemplo, Dana afirma que el lyncurium es el nombre antiguo de la turmalina común. Sin embargo, la ausencia de turmalina entre los ejemplos conservados de gemas antiguas contradice claramente esta opinión».
  18. ↑ Earle R. Caley y John FC Richards, Theophrastus: On Stones (Columbus, Ohio: Ohio State University, 1956), página 51, párrafo 28 del texto original: "Es [ el esmeralda ] notable por sus poderes, al igual que el lingourion [es decir, la piedra de orina de lince]... Tiene poder de atracción, al igual que el ámbar, y algunos dicen que no solo atrae paja y trozos de madera, sino también cobre y hierro, si las piezas son delgadas, como solía explicar Diocles."
  19. ↑ LANG, SIDNEY B. (noviembre de 1966). "Efecto piroeléctrico en hueso y tendón". Nature . 212 (5063): 704– 705. Bibcode : 1966Natur.212..704L . doi : 10.1038/212704a0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 4205482 .  
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  • Detectores piroeléctricos para aplicaciones de THz WiredSense
  • Detectores infrarrojos piroeléctricos DIAS infrarrojos
  • Paquete de enseñanza y aprendizaje de DoITPoMS: "Materiales piroeléctricos"
  • tantalato de litio (LiTaO3)
  • tantalato de litio (LiTaO3)
  • Detección láser con tantalato de litio. Archivado el 3 de marzo de 2016 en Wayback Machine.
  • Propiedades ópticas y dieléctricas de Sr(x)Ba(1-x)Nb(2)O(6)
  • Propiedades dieléctricas y eléctricas del Ce,Mn:SBN
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