Qué es un material piroeléctrico : Análisis matemático y sus aplicaciones

Un material dieléctrico es un aislante eléctrico, que tiene la capacidad de detener el flujo de corriente a través de él. Se clasifican en materiales centro simétricos y materiales piezoeléctricos, además los piezoeléctricos se clasifican en no piroeléctricos y piroeléctricos, los piroeléctricos se clasifican además en no ferroeléctricos y ferroeléctricos. En este artículo se especifica el material piroeléctrico. Fue descubierto a principios del siglo XX por un científico griego. El nombre de piroelectricidad deriva del griego, donde piro significa fuego y electricidad. Es una propiedad general de ciertos cristales que se polarizan para obtener un gran campo eléctrico. Estos materiales piroeléctricos son de naturaleza dura y cristalina.

¿Qué es un material piroeléctrico?

La piroelectricidad o material piroeléctrico es una respuesta eléctrica del dieléctrico polar con un cambio de temperatura. Si la temperatura cambia, provoca el movimiento de los átomos desde su posición neutra, por lo que la polarización del material cambia, y observamos una tensión a través del material. Este efecto es temporal, ahora supongamos que la temperatura se mantiene constante en su nuevo valor. La tensión piroeléctrica se vuelve nula debido a la corriente de fuga. Así pues, dentro de estos mismos límites de temperatura, las cargas desarrolladas por efecto del calentamiento o del enfriamiento son iguales y opuestas.

Los materiales piroeléctricos presentan una polarización espontánea, es decir, una polarización en ausencia de campo eléctrico, que no puede modificarse ni invertirse al aplicar el campo eléctrico, como sí ocurre en los materiales ferroeléctricos. De ahí que todos los materiales piroeléctricos sean también piezoeléctricos. Los materiales piezoeléctricos tienen un determinado tipo de cristal piezoeléctrico que no permite la piroelectricidad. Por lo tanto, el efecto piroeléctrico tiene lugar por debajo de la temperatura de curie de 1070 grados F, así que cuando el material se calienta por encima de la temperatura de curie de 1070 grados F los átomos vuelven a sus posiciones de equilibrio. Así pues, el efecto electrocalórico se considera un inverso físico del efecto piroeléctrico.

Lista de materiales piroeléctricos

A continuación se enumeran algunos de los materiales piroeléctricos

• Turmalina
• nitruro de galio
• nitrato de cesio (CsNO3)
• fluoruros de polivinilo
• derivados de fenilpiridina
• ftalocianina de cobalto
• Tantalita de litio (LiTaO3).

Comparación entre la piroelectricidad y la termoelectricidad

El efecto electrocalórico es el fenómeno en el que el material muestra el cambio de temperatura reversible sobre el campo eléctrico aplicado. Por tanto, la piroelectricidad es diferente de la termoelectricidad. El pirocristal cambia de temperatura de un grado a otro, lo que da lugar a una tensión temporal a través del cristal.

Mientras que en el caso de la termoelectricidad, los dos extremos del dispositivo están sometidos a dos temperaturas diferentes, lo que da lugar a una tensión permanente en el dispositivo que resulta de la diferencia de temperatura.

Diferencia entre materiales piezoeléctricos, piroeléctricos y ferroeléctricos

Estas son las diferencias entre los materiales piezoeléctricos, piroeléctricos y ferroeléctricos

Parámetros	Piezoeléctrico	Piroeléctrico	Ferroeléctrico
Función	Los materiales piezoeléctricos generan electricidad cuando se aplica una tensión mecánica.	Los materiales piroeléctricos generan potencial eléctrico cuando se calientan o se enfrían.	El material ferroeléctrico presenta una polarización eléctrica incluso en ausencia de campo eléctrico.
Ejemplos	Cuarzo, cristal, amonio, fosfato	Cristal de cuarzo, Amonio, Fosfato.	Niobita de litio, Titanita de bario
Propiedades	No es centrosimétrico, Dieléctrico no polar, Presencia de efecto piezoeléctrico donde P= dσ.	Son de polarización unidireccional, no centrosimétricos, Presenta piroelectricidad cuando T >= Tc	Son fácilmente polarizables, Presentan histéresis dieléctrica, Son de naturaleza piro y piezoeléctrica.
Aplicaciones	Actúa como un transductor, Se utiliza en los micrófonos, Genera ondas ultrasónicas.	Detectores de IR, Tubos de imagen, Elementos sensores de temperatura.	Transductores ultrasónicos Son transductores de presión Actúa como un dispositivo de memoria como una memoria de acceso aleatorio.

Análisis matemático del material piroeléctrico

Un trozo fino de un material piroeléctrico es un electrodo y está conectado a un amplificador de alta impedancia, un transistor de efecto de campo (FET), como se muestra a continuación. Sea la corriente piroeléctrica la que genere la tensión V a través de la admitancia eléctrica Ye. Un amplificador de tensión de ganancia unitaria acopla la fuente de corriente de alta impedancia a una baja impedancia de entrada siguiendo el circuito. Si p' es una componente del coeficiente piroeléctrico p la ortogonal a la superficie del electrodo de área A. La corriente generada es independiente del grosor, ya que la corriente está asociada a la carga superficial no limitada.

Donde,

Carga Q = p' A Δ T........ 1

Corriente piroeléctrica ip = Ap'dT/dt ........ 2

Tensión piroeléctrica V=i/УE ......... 3

Donde la admitancia eléctrica УE = GA + GE + jw CA + CE .......4

Conductancia de derivación y muestra GA, GE

Condensancia de derivación y de muestra CA, CE

La capacidad equivalente del dieléctrico es C = €σa/Ad ......5

Energía almacenada E = ½ p2€σAhΔT2 .......6

d = espesor del material; €σ = constante de permitividad en tensión, A = área de protección, p' = componente del coeficiente piroeléctrico p.

Si se aplica un campo eléctrico E a un material, el desplazamiento dieléctrico total d, que es una carga por unidad de superficie de la placa, en las dos caras de un material piroeléctrico es

d= E s +€ E007

donde € es la permitividad del vacío y Es es la polarización espontánea de la densidad de volumen del momento dipolar eléctrico.

Efecto del coeficiente piroeléctrico con la temperatura

A partir del análisis anterior, el coeficiente piroeléctrico tiene un efecto de la temperatura

• El coeficiente piroeléctrico aumenta con el incremento de la temperatura
• Depende del orden de la transición de fase y es mayor para las transiciones de segundo orden
• Tc es la temperatura de curie en la que aumenta el material piroeléctrico.

Ventajas de los materiales piroeléctricos

Las ventajas de los materiales piroeléctricos son

- No contaminan
- El coste de mantenimiento es menor
- Respuesta de muy alta frecuencia

Desventajas Material piroeléctrico

La desventaja de los materiales piroeléctricos es

- Requieren un cable de alta impedancia
- Los movimientos estáticos no se pueden medir fácilmente.

Aplicaciones

Las aplicaciones de los materiales piroeléctricos son

- Detectores de movimiento basados en PIR
- Radiometría
- Convertidor piroeléctrico de energía solar
- Detección y protección de la fauna salvaje
- Termómetro a distancia PIR
- Detector de incendios
- Diagnóstico por láser.

Preguntas frecuentes

1). ¿Qué son los cristales piroeléctricos?

Los cristales piroeléctricos son materiales que producen electricidad cuando aumenta la temperatura del cristal.

2). ¿Todos los ferroeléctricos son piezoeléctricos?

Sí, todos los ferroeléctricos son piezoeléctricos, pero no todos los piezoeléctricos son ferroeléctricos.

3). ¿Es el cuarzo un piroeléctrico?

Sí, el cuarzo es un cristal piroeléctrico.

4). ¿Qué es un pirosensor?

El piro sensor también se denomina piro detector o detector térmico. Cuando se produce un pequeño cambio de temperatura, se desarrolla una carga en la superficie del cristal que es la corriente eléctrica necesaria.

5). ¿Pueden los cristales almacenar datos?

Sí, los cristales pueden almacenar datos.

6). ¿Influye el fondo térmico en el efecto piroeléctrico?

No, el fondo térmico no influye en el efecto piroeléctrico.

Por tanto, el piroelectricidad es una propiedad de ciertos cristales que presentan polarización, donde se genera una respuesta eléctrica con el cambio de temperatura. El efecto piroeléctrico tiene lugar por debajo de los 1070 grados F que es la temperatura de curie. Requieren un cable de alta impedancia para su funcionamiento que proporciona una buena respuesta en frecuencia. Aquí tienes una pregunta, ¿cuál es la función del material piroeléctrico?