Η βασική διαφορά μεταξύ του πιεζοηλεκτρικού πυροηλεκτρικού και του σιδηροηλεκτρικού είναι ότι το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η δημιουργία ενός επιφανειακού φορτίου ως απόκριση στην εφαρμογή εξωτερικής τάσης σε ένα υλικό, αλλά, το πυροηλεκτρικό φαινόμενο είναι η αλλαγή στην αυθόρμητη πόλωση ενός υλικό ως απόκριση σε αλλαγή θερμοκρασίας. Ενώ, το σιδηροηλεκτρικό φαινόμενο είναι μια αλλαγή στο επιφανειακό φορτίο ως απόκριση στην αλλαγή στην αυθόρμητη πόλωση.
Πιεζοηλεκτρικό, πυροηλεκτρικό και σιδηροηλεκτρικό είναι τρεις όροι που χρησιμοποιούμε για να περιγράψουμε τις ηλεκτρικές ιδιότητες των στερεών υλικών. Αυτά τα τρία εφέ διαφέρουν μεταξύ τους ανάλογα με τις απαντήσεις που εμφανίζουν με βάση τις αλλαγές που έγιναν στις άλλες ιδιότητές τους.
Τι είναι το πιεζοηλεκτρικό;
Το Πιεζοηλεκτρικό αναφέρεται στην ιδιότητα ορισμένων στερεών υλικών όπου αυτά τα υλικά μπορούν να συσσωρεύσουν το ηλεκτρικό φορτίο κατά την εφαρμογή μηχανικής καταπόνησης. Με άλλα λόγια, αναφέρεται στον ηλεκτρισμό που προκύπτει από την πίεση και τη λανθάνουσα θερμότητα. Αυτός ο όρος προέρχεται από τα ελληνικά, όπου piezin σημαίνει συμπίεση ή πίεση και elektron σημαίνει κεχριμπάρι (πρώιμη πηγή ηλεκτρικού φορτίου). Αυτή η ιδιότητα ονομάζεται πιεζοηλεκτρισμός και τα υλικά που δείχνουν αυτήν την ιδιότητα περιλαμβάνουν κρυστάλλους, ορισμένα κεραμικά και βιολογική ύλη όπως οστά, DNA και διάφορες πρωτεΐνες.
Τυπικά, το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο μπορεί να οδηγήσει στη γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ της μηχανικής και της ηλεκτρικής κατάστασης σε κρυσταλλικά υλικά που δεν έχουν συμμετρία αντιστροφής. Επιπλέον, αυτό το φαινόμενο είναι αναστρέψιμο καθώς τα υλικά που μπορούν να επιδείξουν πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα μπορούν επίσης να εμφανίσουν το αντίστροφο του φαινομένου (είναι η δημιουργία μιας μηχανικής καταπόνησης που προέρχεται από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο).
Εικόνα 01: Δημιουργία τάσης από πιεζοηλεκτρικό δίσκο κατά την παραμόρφωση
Η φύση του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου είναι πολύ παρόμοια με αυτή της ηλεκτρικής διπολικής ροπής στα στερεά. Μπορούμε εύκολα να υπολογίσουμε την πυκνότητα ή την πόλωση του διπόλου αθροίζοντας τις διπολικές ροπές ανά όγκο της κρυσταλλογραφικής μονάδας κυψέλης. Συνήθως, τα γειτονικά δίπολα τείνουν να ευθυγραμμίζονται σε περιοχές που ονομάζονται τομείς Weiss. Αυτή η διαδικασία ευθυγράμμισης ονομάζεται πόλωση όπου ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο εφαρμόζεται στα υλικά σε υψηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, όλα τα πιεζοηλεκτρικά υλικά δεν μπορούν να πολωθούν.
Τι είναι το πυροηλεκτρικό;
Πυροηλεκτρικό σημαίνει ότι η ιδιότητα ορισμένων κρυστάλλων έχει μεγάλο ηλεκτρικό πεδίο λόγω της φυσικής ηλεκτρικής πόλωσης. Με άλλα λόγια, είναι η ικανότητα ορισμένων στερεών να παράγουν μια προσωρινή τάση κατά τη θέρμανση ή την ψύξη. Αυτός ο όρος προέρχεται από την ελληνική έννοια. pyr σημαίνει «φωτιά» και «ηλεκτρισμός». Οι αλλαγές στις συνθήκες θερμοκρασίας μπορούν να τροποποιήσουν ελαφρώς τις θέσεις των ατόμων εντός της κρυσταλλικής δομής και αλλάζουν την πόλωση του υλικού. Αυτή η αλλαγή στην πόλωση μπορεί να προκαλέσει μια τάση κατά μήκος του κρυστάλλου. Ωστόσο, το πιεζοηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται σιγά σιγά εξαφανίζεται λόγω ρεύματος διαρροής. Αυτή η διαρροή συμβαίνει λόγω της κίνησης ηλεκτρονίων μέσω του κρυστάλλου, της κίνησης των ιόντων μέσω του αέρα και του ρεύματος που διαρρέει μέσω ενός βολτόμετρου που είναι προσαρτημένο κατά μήκος του κρυστάλλου.
Εικόνα 02: Ένας πυροηλεκτρικός αισθητήρας
Το πυροηλεκτρικό φαινόμενο συμβαίνει λόγω καταστάσεων ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας που δεν παράγουν τιμή κινητικής ενέργειας. Αντίθετα, το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο συμβαίνει λόγω της κινητικής ενέργειας και της ηλεκτρικής ενέργειας που δεν παράγει θερμότητα. Τα πυροηλεκτρικά υλικά είναι σκληρά και κρύσταλλοι. Αλλά μπορεί να υπάρχουν και μερικά μαλακά υλικά που κατασκευάζονται με τη χρήση ηλεκτρικών.
Τι είναι το Ferroelectric;
Το Σιδηροηλεκτρικό αναφέρεται στην ιδιότητα ορισμένων υλικών που έχουν μια αυθόρμητη ηλεκτρική πόλωση που είναι αναστρέψιμη μέσω της εφαρμογής εξωτερικών ηλεκτρικών πεδίων. Συνήθως, όλα τα σιδηροηλεκτρικά υλικά είναι πυροηλεκτρικά, αλλά έχουν μια πρόσθετη ιδιότητα της αναστρέψιμης φυσικής ηλεκτρικής πόλωσης. Ο όρος σιδηροηλεκτρικός προέρχεται από τον σιδηρομαγνητισμό, ο οποίος ανακαλύφθηκε πριν από την ανακάλυψη του σιδηροηλεκτρισμού.
Αυτό το είδος υλικού είναι χρήσιμο στην κατασκευή πυκνωτών λόγω της μη γραμμικής φύσης τους. Συνήθως, αυτοί οι πυκνωτές περιέχουν ένα ζεύγος ηλεκτροδίων που συγκεντρώνουν ένα στρώμα σιδηροηλεκτρικού υλικού. Επιπλέον, η αυθόρμητη πόλωση των σιδηροηλεκτρικών υλικών συνεπάγεται ένα φαινόμενο υστέρησης όπου μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε στη λειτουργία μνήμης. Επιπλέον, οι σιδηροηλεκτρικοί πυκνωτές είναι χρήσιμοι για την κατασκευή σιδηροηλεκτρικής μνήμης RAM.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ του πιεζοηλεκτρικού πυροηλεκτρικού και του σιδηροηλεκτρικού;
Οι όροι πιεζοηλεκτρικό, πυροηλεκτρικό και σιδηροηλεκτρικό φαινόμενο αναφέρονται στις ηλεκτρικές ιδιότητες των στερεών υλικών. Η βασική διαφορά μεταξύ του πιεζοηλεκτρικού πυροηλεκτρικού και του σιδηροηλεκτρικού είναι ότι το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η δημιουργία ενός επιφανειακού φορτίου ως απόκριση στην εφαρμογή εξωτερικής τάσης σε ένα υλικό. Εν τω μεταξύ, το πυροηλεκτρικό φαινόμενο είναι η αλλαγή στην αυθόρμητη πόλωση ενός υλικού ως απόκριση σε μια αλλαγή στη θερμοκρασία. Ενώ, το σιδηροηλεκτρικό φαινόμενο είναι η αλλαγή στην αυθόρμητη πόλωση που οδηγεί σε αλλαγή στο επιφανειακό φορτίο.
Το παρακάτω infographic παρουσιάζει τις διαφορές μεταξύ του πιεζοηλεκτρικού πυροηλεκτρικού και του σιδηροηλεκτρικού σε μορφή πίνακα για σύγκριση δίπλα-δίπλα.
Σύνοψη – Piezoelectric vs Pyroelectric vs Ferroelectric
Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η δημιουργία ενός επιφανειακού φορτίου ως απόκριση στην εφαρμογή εξωτερικής τάσης στο υλικό, ενώ το πυροηλεκτρικό φαινόμενο είναι η αλλαγή στην αυθόρμητη πόλωση ενός υλικού ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας. Το σιδηροηλεκτρικό φαινόμενο είναι μια αλλαγή στο επιφανειακό φορτίο ως απόκριση στην αλλαγή στην αυθόρμητη πόλωση. Επομένως, αυτή είναι η βασική διαφορά μεταξύ του πιεζοηλεκτρικού πυροηλεκτρικού και του σιδηροηλεκτρικού.
