Der Hauptunterschied zwischen piezoelektrischen Pyroelektrika und Ferroelektrika besteht darin, dass der piezoelektrische Effekt die Erzeugung einer Oberflächenladung als Reaktion auf das Aufbringen äußerer Spannungen auf ein Material ist, der pyroelektrische Effekt jedoch die Änderung der spontanen Polarisation von a ist Material als Reaktion auf eine Temperaturänderung. Während der ferroelektrische Effekt eine Änderung der Oberflächenladung als Reaktion auf die Änderung der spontanen Polarisation ist.
Piezoelektrisch, pyroelektrisch und ferroelektrisch sind drei Begriffe, die wir verwenden, um die elektrischen Eigenschaften fester Materialien zu beschreiben. Diese drei Effekte unterscheiden sich je nach den Reaktionen, die sie basierend auf den Änderungen ihrer anderen Eigenschaften anzeigen.
Was ist Piezoelektrik?
Piezoelektrisch bezieht sich auf die Eigenschaft bestimmter fester Materialien, bei denen diese Materialien bei Anwendung mechanischer Spannung elektrische Ladung ansammeln können. Mit anderen Worten, es bezieht sich auf die Elektrizität, die aus Druck und latenter Wärme entsteht. Dieser Begriff stammt aus dem Griechischen, wo Piezin Quetschen oder Drücken bedeutet und Elektron Bernstein bedeutet (eine frühe Quelle elektrischer Ladung). Diese Eigenschaft wird Piezoelektrizität genannt, und die Materialien, die diese Eigenschaft aufweisen, umfassen Kristalle, bestimmte Keramiken und biologische Materie wie Knochen, DNA und verschiedene Proteine.
Typischerweise kann der piezoelektrische Effekt zu einer linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen den mechanischen und elektrischen Zuständen in kristallinen Materialien ohne Inversionssymmetrie führen. Darüber hinaus ist dieser Effekt reversibel, da Materialien, die einen piezoelektrischen Effekt zeigen können, auch die Umkehrung des Effekts zeigen können (es ist die Erzeugung einer mechanischen Spannung, die von einem angelegten elektrischen Feld herrührt).
Abbildung 01: Erzeugung einer Spannung durch eine piezoelektrische Scheibe bei Verformung
Die Natur des piezoelektrischen Effekts ist der des elektrischen Dipolmoments in Festkörpern sehr ähnlich. Wir können die Dipoldichte oder Polarisation leicht berechnen, indem wir die Dipolmomente pro Volumen der kristallographischen Einheitszelle aufsummieren. Normalerweise neigen benachbarte Dipole dazu, sich in Regionen auszurichten, die als Weiss-Domänen bezeichnet werden. Dieser Ausrichtungsprozess wird als Polung bezeichnet, bei der bei erhöhten Temperaturen ein starkes elektrisches Feld über die Materialien angelegt wird. Allerdings können nicht alle piezoelektrischen Materialien gepolt werden.
Was ist Pyroelektrik?
Pyroelektrisch bedeutet, dass bestimmte Kristalle aufgrund der natürlichen elektrischen Polarisation ein großes elektrisches Feld haben. Mit anderen Worten, es ist die Fähigkeit bestimmter Feststoffe, beim Erhitzen oder Abkühlen eine vorübergehende Spannung zu erzeugen. Dieser Begriff stammt aus der griechischen Bedeutung; pyr bedeutet „Feuer“und „Elektrizität“. Änderungen der Temperaturbedingungen können die Positionen der Atome innerhalb der Kristallstruktur leicht verändern und die Polarisation des Materials ändern. Diese Polarisationsänderung kann zu einer Spannung über dem Kristall führen. Das einmal aufgebaute piezoelektrische Feld verschwindet jedoch langsam aufgrund von Leckströmen. Dieses Leck tritt aufgrund der Bewegung von Elektronen durch den Kristall, der Bewegung von Ionen durch die Luft und des Stromlecks durch ein Voltmeter auf, das über dem Kristall angebracht ist.
Abbildung 02: Ein pyroelektrischer Sensor
Der pyroelektrische Effekt tritt aufgrund von elektrischen und thermischen Energiezuständen auf, die keinen kinetischen Energiewert erzeugen. Im Gegensatz dazu tritt der piezoelektrische Effekt aufgrund von kinetischer Energie und elektrischer Energie auf, die keine Wärme erzeugt. Pyroelektrische Materialien sind hart und kristallin. Aber es kann auch einige weiche Materialien geben, die durch die Verwendung von Elektreten hergestellt werden.
Was ist ferroelektrisch?
Ferroelektrisch bezieht sich auf die Eigenschaft bestimmter Materialien mit einer spontanen elektrischen Polarisation, die durch das Anlegen externer elektrischer Felder umkehrbar ist. Normalerweise sind alle ferroelektrischen Materialien pyroelektrisch, aber es hat eine zusätzliche Eigenschaft der reversiblen natürlichen elektrischen Polarisation. Der Begriff Ferroelektrikum kommt vom Ferromagnetismus, der vor der Entdeckung der Ferroelektrizität entdeckt wurde.
Diese Art von Material ist wegen ihrer nichtlinearen Natur bei der Herstellung von Kondensatoren nützlich. Typischerweise enth alten diese Kondensatoren ein Paar Elektroden, die eine Schicht aus ferroelektrischem Material einschließen. Darüber hinaus impliziert die spontane Polarisation von ferroelektrischen Materialien einen Hystereseeffekt, wo wir ihn in der Speicherfunktion verwenden können. Darüber hinaus sind ferroelektrische Kondensatoren nützlich bei der Herstellung von ferroelektrischem RAM.
Was ist der Unterschied zwischen piezoelektrischem Pyroelektrikum und Ferroelektrikum?
Die Begriffe piezoelektrischer, pyroelektrischer und ferroelektrischer Effekt beziehen sich auf die elektrischen Eigenschaften fester Materialien. Der Hauptunterschied zwischen piezoelektrischen Pyroelektrika und Ferroelektrika besteht darin, dass der piezoelektrische Effekt die Erzeugung einer Oberflächenladung als Reaktion auf das Aufbringen einer äußeren Spannung auf ein Material ist. Der pyroelektrische Effekt hingegen ist die Änderung der spontanen Polarisation eines Materials als Reaktion auf eine Temperaturänderung. Während der ferroelektrische Effekt die Änderung der spontanen Polarisation ist, die zu einer Änderung der Oberflächenladung führt.
Die folgende Infografik zeigt die Unterschiede zwischen piezoelektrischen Pyroelektrika und Ferroelektrika in tabellarischer Form zum direkten Vergleich.
Zusammenfassung – Piezoelektrik vs. Pyroelektrik vs. Ferroelektrik
Der piezoelektrische Effekt ist die Erzeugung einer Oberflächenladung als Reaktion auf das Aufbringen äußerer Spannungen auf das Material, während der pyroelektrische Effekt die Änderung der spontanen Polarisation eines Materials als Reaktion auf eine Temperaturänderung ist. Der ferroelektrische Effekt ist eine Änderung der Oberflächenladung als Reaktion auf die Änderung der spontanen Polarisation. Dies ist also der Hauptunterschied zwischen piezoelektrischen Pyroelektrika und Ferroelektrika.
