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Piroelettricità

Che cosa è la piroelettricità?

Vuoi sapere che cos'è la piroelettricità?

Vuoi sapere cosa succede ai cristalli piroelettrici quando vengono sottoposti a un cambiamento di temperatura?

Vuoi sapere qual è la condizione necessaria affinché un cristallo dimostri piroelettricità?

Se si continua con la lettura dell'articolo; non solo risponderemo alle domande che ti sei posto ma vedremo anche che cos'è e cosa comporta la piroelettricità inversa.

Con il termine di piroelettricità (o effetto piroelettrico) si intende lo stato di polarizzazione elettrica che insorge - sulle facce opposte di certi cristalli - in seguito a variazioni di temperatura.

Infatti, alcuni tipi di cristalli, sottoposti ad un riscaldamento e quindi ad un cambiamento di temperatura, tendono a creare spontaneamente una differenza di potenziale (d.d.p.) per accumulo temporaneo di cariche elettriche di segno opposto sulle facce parallele.

La faccia del cristallo che assume carica positiva è detta "polo analogo", mentre la faccia che assume carica negativa è detta "polo antilogo".

Piroelettricità

Rappresentazione schematica del fenomeno della piroelettricità. A sinistra del cristallo si ha il "polo analogo" e a destra il "polo antilogo".

La polarizzazione ΔP (momento di dipolo per unità di volume) che accompagna una variazione (uniforme e abbastanza piccola) di temperatura ΔT, è proporzionale a tale variazione; poiché ΔP è un vettore, questa proporzionalità si esprime con le tre relazioni:

ΔPi = pi · ΔT (i = x, y, z)

in cui:

  • le ΔPi rappresentano le componenti del vettore polarizzazione in una terna di assi cartesiani;
  • i coefficienti pi sono detti coefficienti piroelettrici.

Quando si ha piroelettricità?

Condizione necessaria e sufficiente perché si abbia piroelettricità è l'esistenza di un unico asse di polarizzazione, cioè di una direzione privilegiata per l'orientazione dei momenti elettrici delle molecole; solo 10 delle 32 classi cristalline si trovano in queste condizioni.

Tutti i cristalli che mostrano piroelettricità sono piezoelettrici, e alcuni di questi sono anche ferroelettrici.

Quali cristalli presentano piroelettricità?

Fra i cristalli che presentano il fenomeno vi sono la tormalina (che è anche il primo minerale in cui è stato osservata piroelettricità*), l'acido tartarico, il solfato di litio e sodio, e lo zucchero di canna.

* la scoperta delle capacità piroelettriche della tormalina risale al 1824 grazie agli studi di D. Brewster che ne osservò e documentò il fenomeno; la piroelettricità era però probabilmente nota già nell'antica Grecia.

Tormalina

La tormalina è un minerale che mostra piroelettricità.

Tipi di piroelettricità

Si conoscono due tipi di piroelettricità:

1) la piroelettricità primaria, che si manifesta quando il cristallo è mantenuto a volume costante, in modo che non si verifichino fenomeni di dilatazione termica (in altre parole il cristallo viene riscaldato ma allo stesso tempo ne viene impedita la dilatazione termica);

2) la piroelettricità secondaria, che si manifesta quando non vengono esercitate azioni meccaniche, ed è una conseguenza della dilatazione termica (il cristallo viene riscaldato ma allo stesso tempo non viene impedita la dilatazione termica).

I coefficienti piroelettrici variano come T2 (dove T è la temperatura assoluta) nell'effetto primario, come T4 nell'effetto secondario. Questo dimostra come l'effetto secondario sia molto maggiore di quello primario (benché a basse temperature possa avvenire il contrario).

L'entità dell'effetto piroelettrico dipende dalle condizioni sperimentali; per cristalli piroelettrici tipici (ad esempio la tormalina) variazioni di temperatura di un grado producono, a temperatura ambiente, polarizzazioni dell'ordine dei 10-9 C/cm2.

Effetto elettrocalorico lineare

L'effetto piroelettrico ha un inverso, detto effetto elettrocalorico lineare o piroelettricità inversa: quando lo stato di polarizzazione permanente è alterato dall'applicazione di un campo elettrico esterno ΔE, il cristallo subisce una variazione di temperatura ΔT.

Le variazioni di temperatura sono dell'ordine di grandezza di 0,01 °C; tale fenomeno, tipico dei perovskiti (ossidi misti di due metalli, con formula chimica generale ABO3, in cui A e B sono i due metalli), si manifesta unicamente - come si è già detto - in cristalli che hanno una polarizzazione permanente.

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