Nøgleforskellen mellem piezoelektrisk pyroelektrisk og ferroelektrisk er, at den piezoelektriske effekt er genereringen af en overfladeladning som reaktion på påføringen af ekstern spænding på et materiale, men den pyroelektriske effekt er ændringen i den spontane polarisering af en materiale som reaktion på en temperaturændring. Hvorimod den ferroelektriske effekt er en ændring i overfladeladningen som reaktion på ændringen i den spontane polarisation.
Piezoelektrisk, pyroelektrisk og ferroelektrisk er tre udtryk, vi bruger til at beskrive de elektriske egenskaber af faste materialer. Disse tre effekter er forskellige i forhold til de svar, de viser baseret på ændringerne i deres andre egenskaber.
Hvad er piezoelektrisk?
Piezoelektrisk refererer til egenskaben af visse faste materialer, hvor disse materialer kan akkumulere den elektriske ladning ved påføring af mekanisk belastning. Med andre ord refererer det til elektriciteten som følge af tryk og latent varme. Dette udtryk stammer fra græsk, hvor piezin betyder klem eller tryk og elektron betyder rav (en tidlig kilde til elektrisk ladning). Denne egenskab kaldes piezoelektricitet, og materialerne, der viser denne egenskab, omfatter krystaller, visse keramik og biologiske stoffer såsom knogler, DNA og forskellige proteiner.
Den piezoelektriske effekt kan typisk føre til den lineære elektromekaniske interaktion mellem de mekaniske og elektriske tilstande i krystallinske materialer uden inversionssymmetri. Desuden er denne effekt reversibel, da materialer, der kan udvise piezoelektrisk effekt, også kan udvise det modsatte af effekten (det er genereringen af en mekanisk belastning, der kommer fra et påført elektrisk felt).
Figur 01: Generering af en spænding ved hjælp af en piezoelektrisk disk ved deformation
Karten af den piezoelektriske effekt er tæt på den af det elektriske dipolmoment i faste stoffer. Vi kan nemt beregne dipoldensitet eller polarisation ved at opsummere dipolmomenterne pr. volumen af den krystallografiske enhedscelle. Norm alt har tilstødende dipoler en tendens til at tilpasse sig i regioner med navnet Weiss-domæner. Denne tilpasningsproces kaldes poling, hvor et stærkt elektrisk felt påføres på tværs af materialerne ved forhøjede temperaturer. Alle piezoelektriske materialer kan dog ikke poleres.
Hvad er pyroelektrisk?
Pyroelektrisk betyder, at visse krystallers egenskaber har et stort elektrisk felt på grund af naturlig elektrisk polarisering. Med andre ord er det visse faste stoffers evne til at generere en midlertidig spænding ved opvarmning eller afkøling. Dette udtryk stammer fra den græske betydning; pyr betyder "ild" og "elektricitet". Ændringer i temperaturforhold kan ændre atomernes positioner i krystalstrukturen lidt, og det ændrer materialets polarisering. Denne ændring i polarisering kan give anledning til en spænding over krystallen. Det piezoelektriske felt, der engang opbygges, forsvinder dog langsomt på grund af lækstrøm. Denne lækage opstår på grund af bevægelse af elektroner gennem krystallen, bevægelse af ioner gennem luften og strøm, der lækker gennem et voltmeter, der er fastgjort på tværs af krystallen.
Figur 02: En pyroelektrisk sensor
Pyroelektrisk effekt opstår på grund af elektriske og termiske energitilstande, der ikke producerer en kinetisk energiværdi. I modsætning hertil opstår piezoelektrisk effekt på grund af kinetisk energi og elektrisk energi, der ikke producerer varme. Pyroelektriske materialer er hårde og krystaller. Men der kan også være nogle bløde materialer, der er fremstillet ved brug af elektreter.
Hvad er ferroelektrisk?
Ferroelektrisk refererer til egenskaben af visse materialer med en spontan elektrisk polarisering, der er reversibel gennem påføring af eksterne elektriske felter. Norm alt er alle ferroelektriske materialer pyroelektriske, men det har en yderligere egenskab med reversibel naturlig elektrisk polarisering. Udtrykket ferroelektrisk kommer fra ferromagnetisme, som blev opdaget før opdagelsen af ferroelektricitet.
Denne type materiale er nyttig til fremstilling af kondensatorer på grund af deres ikke-lineære natur. Typisk indeholder disse kondensatorer et par elektroder, der indlejrer et lag ferroelektrisk materiale. Desuden indebærer den spontane polarisering af ferroelektriske materialer en hystereseeffekt, hvor vi kan bruge den i hukommelsesfunktion. Derudover er ferroelektriske kondensatorer nyttige til fremstilling af ferroelektrisk RAM.
Hvad er forskellen mellem piezoelektrisk pyroelektrisk og ferroelektrisk?
Begreberne piezoelektrisk, pyroelektrisk og ferroelektrisk effekt henviser til de elektriske egenskaber af faste materialer. Den vigtigste forskel mellem piezoelektrisk pyroelektrisk og ferroelektrisk er, at den piezoelektriske effekt er genereringen af en overfladeladning som reaktion på påføringen af ekstern spænding på et materiale. I mellemtiden er den pyroelektriske effekt ændringen i den spontane polarisering af et materiale som reaktion på en ændring i temperatur. Hvorimod den ferroelektriske effekt er ændringen i den spontane polarisering, som resulterer i en ændring i overfladeladningen.
Den følgende infografik præsenterer forskellene mellem piezoelektrisk pyroelektrisk og ferroelektrisk i tabelform til sammenligning side om side.
Opsummering – Piezoelektrisk vs pyroelektrisk vs ferroelektrisk
Den piezoelektriske effekt er genereringen af en overfladeladning som reaktion på påføringen af ekstern spænding på materialet, mens den pyroelektriske effekt er ændringen i den spontane polarisering af et materiale som reaktion på en temperaturændring. Den ferroelektriske effekt er en ændring i overfladeladningen som reaktion på ændringen i spontan polarisering. Dette er således den vigtigste forskel mellem piezoelektrisk pyroelektrisk og ferroelektrisk.
