Piroelektrizitate

Piroelektrizitatea (pyr (sua) eta electricity hitz grekoetatik eratorria) material batzuek, tenperatura-aldaketen ondorioz, behin-behineko potentzial diferentziak eratzeko duten ahalmena da  . Prozesu horretan, eremu elektrikoak sortzen dira . Hain zuzen, hozte edo berotzearen ondorioz, material kristalinoko atomoen posizioak aldatu egiten dira eta translokazio horien ondorioz eraldatu egiten da materialaren polarizazioa, aipatutako potentzial aldeak agerraraziz. Geroago, tenperaturak konstante badirau, tentsio piroelektrikoa desagertuz joango da, korrontearen ihesengatik ("ihes" hauek hainbat kasua izan ditzakete: elektroiak kristalean zehar mugitzea, ioiak airean higitzea edota korrontea materialari konektaturiko voltametro batetik pasaraztea)  .

Azalpena 
Piroelektrizitatea triangelu baten aldeetako bat bezala har daiteke . Triangeluaren erpinak kristalaren energia-egoerak dira (zinetikoa, elektrikoa eta termikoa). Energia termiko eta elektrikoaren arteko aldea efektu piroelektrikoa da eta energia zinetiko nulua sortzen du; erpin zinetikoa eta elektrikoa lotzen dituen aldea, ordea, efektu piezoelektrikoa da eta ez du berorik sortzen.

Mineraletan, karga piroelektrikoa kristal asimetrikoen kontrako aurpegietan garatzen da eta karga hori norabide berean hedatuko da beti kristalean zehar, salbuespenak salbuespen (material batzuk eremu elektriko baten eraginpean kokatzen badira, elektrizitatearen propagazioaren norabidea kontrola daiteke. Fenomeno honi ferroelektrizitate deritzo). Material piroelektriko guztiak piezoelektriko ere badira, boro eta aluminio nitruroa (BAlN) eta boro eta galio nitruroa (BGaN) izan ezik, konposizio konkretuetan  . Aipatzekoa da material piezoelektrikoak ez direla beti piroelektrikoak izango, horretarako kristalen simetria saihestu beharra baitago.

Material piroelektrikoak kristalinoak eta gogorrak izan ohi dira, halere, piroelektrizitate ahula lor daiteke elektretoak (iman iraunkorren baliokide elektrikoak) erabiliz  .

Piroelektrizitatea neurtzen da tenperatura-aldaketarekiko proportzionala den polarizazio osoaren aldaketa gisa. Halaber, koefiziente piroelektriko osoa, esfortzu konstantepean, ondokoen batura da: deformazio konstantepeko koefiziente piroelektrikoena (efektu piroelektriko primarioa) eta hedapen termikoaren ondoriozko kontribuzio piezoelektrikoarena (efektu piroelektriko sekundarioa).

Baldintza normaletan, material polarrek ez dute momentu dipolar netorik erakusten. Hori gertatzen da materialaren momentu dipolar intrintsekoa gainazalean metatzen karga elektriko "askeak"deuseztatzen duelako. Fenomeno hori barne-eroankortasunak zein inguruko atmosferak era dezakete. Beraz, kristal polarren natura ikusteko, gainazalean eratutako oreka nolabait asaldatu beharra dago, esaterako, tenperatura-aldaketak erabiliz. Horiei esker, kargen-fluxua eragiten da gainazaletik eta gainazalera eta, hori da, hain zuzen ere, efektu piroelektrikoa (tenperaturaren menpeko bat-bateko polarizazioa). Kristal polar guztiak piroelektrikoak dira, hori dela eta, batzuetan "kristal piroelektriko" deritze.

Historia 
Efektu piroelektrikoarentzako lehen erreferentzia historikoa Theophrastus-ek egin zuen, K.a. 314. urtean. Bere idatzietan deskribatzen da turmalina (lyngourion gisa deitua) berotzen bazen, zerrakina edota lasto-aleak erakar zitzakeela  . 1707an. Johann Georg Schmidt-ek turmalinaren propietate horiek berraurkitu zituen, mineralak errauts beroak erakar zitzakeela konturatu baitzen, baina ez hotz zeudenak . Era berean, turmalinak material ez-eroaleen zatiak erakartzen zituen, baina bere gainazala ukitu bezain pronto, mineralak aldaratu egiten zituen zatiok. Efektu hau Louis Lemery-k behatu zuen 1717an  . Halere, fenomeno hau ez zen 1747ra arte elektrizitatearekin lotu; urte horretan, Carl Linnaeus-ek Lapidem Electricum ("harri elektriko") deitu zion turmalinari . Linnaeus-en proposamena Franz Ulrich Theodor Aepinus-ek frogatu zuen 1756an [erreferentzia behar da].

XIX. mendean, piroelektrizitatearen inguruko ikerketak sofistikatu egin ziren. 1824an Sir David Brewster-ek gaur egun erabiltzen den "piroelektrizitate" izena eman zion fenomenoari . Gero, piroelektrizitatea azaltzeko prozesuen teoria garatu zen, William Thomsom-en (1878an) eta Woldemar Voigt-en (1897an)  eskutik. Azkenik, 1880ko hamarkadan, Jacques eta Pierre Curie anaiek piroelektrizitatea ikertzen jarraitu zuten eta, hortik abiatuta, piezoelektrizitatearen hastapenak agertuko ziren. [erreferentzia behar da]

Kristal motak 
Egitura kristalino guztiak 32 kristal-moten barruan daude. Sailkapen hori kristal-egitura aldatu barik uzten duten biraketa-ardatzetan eta islapen-planoetan oinarritzen diren talde puntualen araberakoa da. 32 motetatik, 21ek ez dute simetria-zentrorik eta, 21 horien artean, hogeik efektu piezoelektrikoa erakusten dute (salbuespena 432 talde kubikoa da). Piezoelektriko horien erdia polarrak dira, ondorioz, piroelektrikoak ere bai. Materialaren polartasuna bere egitura kristalinoak ezartzen du:

 Kristal-mota piezoelektrikoak: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m

 Kristal-mota piroelektrikoak (polarrak): 1, 2, m, mm2, 3, 3m, 4, 4mm, 6, 6mm

Erlazionatutako efektuak 
Ferroelektrizitatea eta piezoelektrizitatea piroelektrizitatearekin lotura estua dute. Normalean, materialak elektrikoki neutroak dira eskala makroskopikoan, baina horrek ez du esan nahi materiala osatzen duten kargak simetrikoki banatuta daudenik. Egitura kristalinoaren gelaxka-unitateko elementu guztien kargen batura bider distantzia nulua ez bada, gelaxkak momentu dipolar elektrikoa izango du. Ostera, momentu hori bolumen-unitateko egiten bada, polarizazio dielektrikoa lortuko da. Orduan, polarizazio hori tenperaturaren, presioaren edo kanpo-eremu elektrikoaren menpekoa bada, materiala, hurrenez hurren, piroelektrikoa, piezoelektrikoa edota ferroelektrikoa izango da.

Berezko polarizazio elektrikoa duen materiala, inolako kanpo-eremu elektrikorik aplikatu gabe; eta polarizazioa eremu elektriko batekin inberti badaiteke, orduan materiala ferroelektrikoa izango da. Material hauek bat-batean polariza daitezke, ondorioz, piroelektrikoak ere badira, baina piroelektriko guztiak ez dira ferroelektriko.

Material baten gainean presioa aplikatzean potentzial-diferentzia agertzen bada, piezoelektrikoa izango da. Hauen adibide kuartzoa edo zeramika dira. Bai efektu piezoelektrikoan bai piroelektrikoan, tentsio elektrikoa agertuko da materialaren egitura asimetrikoari esker, zeinak ioien mugimendua norabide zehatzean erraztuko duen. Presioa egiten denean, kristalaren alde bakoitza kontrako zeinuko kargez metatuko dira, potentzial-diferentzia eratuz egituran zehar.

Piroelektrizitatea ez litzateke termoelektrizitatearekin nahastu behar:

 Piroelektrizitatean, kristal osoa berotzen ala hozten da eta, horren ondorioz, behin-behineko potentzial-diferentzia sortzen da kristalean zehar.

 Termoelektrizitatean, kristalaren bi gune tenperatura ezberdinetara eramaten dira, ondorioz, potentzial-diferentzia eratuko da bi guneen artean, tenperatura-aldeak jarraitzen duen bezainbeste iraungo duena. Horregatik, "tentsio iraunkor" deritzo.

Bi kasuetan, tenperatura-aldaketak eragiten du potentzial elektrikoa, baina efektu piroelektrikoan eman dadin, tenperatura-aldaketak denboran zeharrekoa izan behar du; termoelektrikoan, berriz, tenperatura-aldaketak posizioarekiko izan behar du.

Materialak 
Efektu piroelektrikoa turmalina bezalako mineraletan aurkitu zen lehenengo aldiz. hezur eta tendoietan ere ematen da eta, gaur egun, material piroelektriko artifizialak eratu dira. Adibiderik esanguratsuena galio nitruroarena (GaN) da. Erdieroale honetako eremu elektriko handiak oso erabilgarriak dira transistoreetan. Bestelako material artifizialak zesio nitratoa (CsNO3), polibinil fluoruroak, fenilpiridinaren eratorriak eta litio tantalatoa (LiTaO3) dira, denak geruza meheetan. Aipatzekoa da azken horrek hala propietate piroelektrikoak nola piezoelektrikoak dituela eta eskala txikiko fusio nuklearrak ("fusio piroelektrikoa") egiteko erabili dela.

Aplikazioak

Bero-sentsoreak 

Potentzial piroelektrikoa eratzeko behar diren tenperatura-aldaketak oso txikiak dira. Hori aprobetxatuz, sentsore infragorri pasiboak material piroelektrikoekin egiten dira, giza- eta animalia-beroa nahikoa baita elektrizitatea sortu eta sentsorea aktibatzeko distantzia ez oso luzeetan [erreferentzia behar da].

Energia-ekoizpena 
Material piroelektrikoa etengabe berotu eta hoztu daiteke energia elektriko erabilgarria ekoizteko. Ikerketa ezberdinek aurkitu dute material piroelektrikoek Ericsson ziklo batean Carnot eraginkortasunaren %50 lor dezaketela  ; eta teorikoki eraginkortasun horren %84-92 lor zitekeela  . Bi kasuetan, etekinen kalkuluan prozesuan eman daitezkeen galerak ez dira kontuan hartu. Sorgailu piroelektrikoek hainbat abantaila dituzte sorgailu konbentzionalekin (bero-motorea eta sorgailu elektrikoa) konparatuz: ekipo arinagoak behar dira, tenperatura baxuagoetan lan egin daiteke eta atal mugikor gutxiago dago  . Hala eta guztiz ere, zenbait patente agertu diren arren  , sorgailu piezoelektrikoen merkaturatzea urrun dago oraindik.

Fusio nuklearra 
Fusio nuklearrean, deuterio ioiak gidatzeko eremu elektriko handiak behar dira, bada, eremu horiek sortzeko material piroelektrikoak erabiltzen dira. Honi "fusio piroelektriko" deritzo.

Erreferentziak

Kanpo estekak 

Elektromagnetismoa
Energia
Fenomeno elektrikoak