Kluczowa różnica między piezoelektrycznymi piroelektrykami a ferroelektrykami polega na tym, że efekt piezoelektryczny polega na wytwarzaniu ładunku powierzchniowego w odpowiedzi na przyłożenie zewnętrznego naprężenia do materiału, ale efektem piroelektrycznym jest zmiana spontanicznej polaryzacji materiał w odpowiedzi na zmianę temperatury. Natomiast efektem ferroelektrycznym jest zmiana ładunku powierzchniowego w odpowiedzi na zmianę polaryzacji spontanicznej.
Piezoelektryczny, piroelektryczny i ferroelektryczny to trzy terminy, których używamy do opisania właściwości elektrycznych materiałów stałych. Te trzy efekty różnią się od siebie w zależności od wyświetlanych odpowiedzi na podstawie zmian wprowadzonych w ich innych właściwościach.
Co to jest piezoelektryczny?
Piezoelektryczny odnosi się do właściwości pewnych materiałów stałych, w których materiały te mogą gromadzić ładunek elektryczny po przyłożeniu naprężenia mechanicznego. Innymi słowy, odnosi się do elektryczności wynikającej z ciśnienia i ciepła utajonego. Termin ten pochodzi z języka greckiego, gdzie piezin oznacza ściskanie lub prasę, a elektron oznacza bursztyn (wczesne źródło ładunku elektrycznego). Ta właściwość nazywa się piezoelektrycznością, a materiały wykazujące tę właściwość obejmują kryształy, niektóre materiały ceramiczne i materię biologiczną, taką jak kości, DNA i różne białka.
Zazwyczaj efekt piezoelektryczny może prowadzić do liniowego oddziaływania elektromechanicznego między stanami mechanicznymi i elektrycznymi w materiałach krystalicznych bez symetrii inwersji. Co więcej, efekt ten jest odwracalny, ponieważ materiały, które mogą wykazywać efekt piezoelektryczny, mogą również wykazywać odwrotność tego efektu (jest to generowanie naprężenia mechanicznego pochodzącego z przyłożonego pola elektrycznego).
Rysunek 01: Generowanie napięcia przez dysk piezoelektryczny po odkształceniu
Charakter efektu piezoelektrycznego jest bardzo podobny do elektrycznego momentu dipolowego w ciałach stałych. Możemy łatwo obliczyć gęstość dipolową lub polaryzację, sumując momenty dipolowe na objętość krystalograficznej komórki elementarnej. Zwykle sąsiednie dipole mają tendencję do wyrównywania się w regionach zwanych domenami Weissa. Ten proces wyrównywania nazywany jest biegunowaniem, w którym silne pole elektryczne jest przykładane do materiałów w podwyższonych temperaturach. Jednak wszystkie materiały piezoelektryczne nie mogą być biegunowe.
Co to jest piroelektryk?
Piroelektryk oznacza, że właściwość niektórych kryształów ma duże pole elektryczne ze względu na naturalną polaryzację elektryczną. Innymi słowy, jest to zdolność niektórych ciał stałych do generowania chwilowego napięcia podczas ogrzewania lub chłodzenia. Termin ten wywodzi się z greckiego znaczenia; pyr oznacza „ogień” i „elektryczność”. Zmiany warunków temperaturowych mogą nieznacznie modyfikować położenie atomów w strukturze krystalicznej, co zmienia polaryzację materiału. Ta zmiana polaryzacji może spowodować wzrost napięcia na krysztale. Jednak pole piezoelektryczne, które raz narasta, powoli zanika z powodu prądu upływowego. Ten wyciek występuje z powodu ruchu elektronów przez kryształ, ruchu jonów w powietrzu i prądu przepływającego przez woltomierz przymocowany do kryształu.
Rysunek 02: Czujnik piroelektryczny
Zjawisko piroelektryczne występuje z powodu stanów energii elektrycznej i cieplnej, które nie wytwarzają wartości energii kinetycznej. Natomiast efekt piezoelektryczny występuje dzięki energii kinetycznej i elektrycznej, która nie wytwarza ciepła. Materiały piroelektryczne są twarde i kryształowe. Ale mogą istnieć również miękkie materiały, które są wytwarzane przy użyciu elektretów.
Co to jest ferroelektryk?
Ferroelektryk odnosi się do właściwości pewnych materiałów o spontanicznej polaryzacji elektrycznej, która jest odwracalna poprzez zastosowanie zewnętrznych pól elektrycznych. Zazwyczaj wszystkie materiały ferroelektryczne są piroelektryczne, ale mają one dodatkową właściwość odwracalnej naturalnej polaryzacji elektrycznej. Termin ferroelektryk pochodzi od ferromagnetyzmu, który został odkryty przed odkryciem ferroelektryczności.
Ten rodzaj materiału jest przydatny w produkcji kondensatorów ze względu na ich nieliniowy charakter. Zazwyczaj kondensatory te zawierają parę elektrod, które nakładają warstwę materiału ferroelektrycznego. Ponadto spontaniczna polaryzacja materiałów ferroelektrycznych implikuje efekt histerezy, który możemy wykorzystać w funkcji pamięci. Ponadto kondensatory ferroelektryczne są przydatne do wytwarzania pamięci ferroelektrycznej.
Jaka jest różnica między piroelektrykiem piezoelektrycznym a ferroelektrykiem?
Pojęcia efekt piezoelektryczny, piroelektryczny i ferroelektryczny odnoszą się do właściwości elektrycznych materiałów stałych. Kluczowa różnica między piezoelektrycznymi piroelektrykami a ferroelektrykami polega na tym, że efektem piezoelektrycznym jest generowanie ładunku powierzchniowego w odpowiedzi na przyłożenie zewnętrznego naprężenia do materiału. Tymczasem efekt piroelektryczny to zmiana spontanicznej polaryzacji materiału w odpowiedzi na zmianę temperatury. Natomiast efektem ferroelektrycznym jest zmiana polaryzacji spontanicznej, która powoduje zmianę ładunku powierzchniowego.
Poniższa infografika przedstawia różnice między piezoelektrycznymi piroelektrykami i ferroelektrykami w formie tabelarycznej do porównania.
Podsumowanie – Piezoelektryczne kontra piroelektryczne kontra ferroelektryczne
Efekt piezoelektryczny to generowanie ładunku powierzchniowego w odpowiedzi na przyłożenie zewnętrznego naprężenia do materiału, podczas gdy efekt piroelektryczny to zmiana spontanicznej polaryzacji materiału w odpowiedzi na zmianę temperatury. Efekt ferroelektryczny to zmiana ładunku powierzchniowego w odpowiedzi na zmianę polaryzacji spontanicznej. Jest to więc kluczowa różnica między piezoelektrycznymi piroelektrykami a ferroelektrykami.
