Sähkökalorinen vaikutus

Epäsuorat mittaukset perustuvat Maxwellin suhteeseen arvioida sähkökalorivaikutus. Mittaamalla pyroelektrinen kerroin ulkoisen sähkökentän funktiona voidaan ennustaa sähkökalorinen aktiivisuus.

Yhtälö

Elektrokalorivaikutuksen tutkimiseksi suurin osa tutkimuksista perustuu Maxwellin suhteen teoreettiseen laskentaan arvon arvioimiseksi . ΔT{\ displaystyle \ Delta T}

Maxwellin suhde johtuu kahdesta toiminnasta (entropia (S), lämpötila (T)) ja ( polarisaatio (P), sähkökenttä (E)) [Line and Glass, 1977]

(∂S/∂E)T=(∂P/∂T)E{\ displaystyle {(\ osittainen S / \ osittainen E)} _ {T} = {(\ osittainen P / \ osittainen T)} _ {E}}

Kulta,

(∂T/∂E)S=T/vs.s,E(∂P/∂T)E{\ displaystyle {(\ osittainen T / \ osittainen E)} _ {S} = T / c_ {p, E} {(\ osittainen P / \ osittainen T)} _ {E}}

Nyt sähkökaloristen materiaalien adiabaattisen lämpötilan vaihtelun ilmaisu voidaan saada:

ΔT=-TV/vs.s,E∫E1E2(∂P/∂T)EdE{\ displaystyle \ Delta T = -TV / c_ {p, E} \ int _ {E_ {1}} ^ {E_ {2}} (\ osittainen P / \ osittainen T) _ {E} dE}

c on materiaalin lämpö- tai lämpökapasiteetti ja V sen tilavuus .

Edellä esitetyn yhtälön mukaan suuren vaihtelun saavuttamiseksi dielektrisellä materiaalilla on oltava huomattava pyroelektrinen kerroin suhteellisen korkealla kentällä määrätyllä lämpötila-alueella. Vaihesiirtymälämpötilassa on suuri ferrosähköisen materiaalin pyroelektrinen kerroin. Siksi tämä vaikutus voi siirtää siirtymälämpötilaa ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. ΔT{\ displaystyle \ Delta T}

Vastavuoroinen vaikutus: pyroelektrisyys

Pyrosähköinen vaikutus voidaan kuvata kiteen spontaanin polarisaation lämpötilariippuvuutena . Tämä on vaihtelu kiteen polarisaatiossa, kun sen lämpötila vaihtelee.

Materiaalilla on oltava nollasta poikkeava spontaani polarisaatio ja se on edullisesti suunnattava kohtisuoraan elektrodien pintaan .

Pieni lämpötilan muutos aiheuttaa muutoksen polarisaatiossa . Jos tämä lämpötilan vaihtelu tapahtuu ajan myötä , polarisaatio vaihtelee ajan myötä. Tila kuormat kompensoidaan vapaa kuormien läsnä materiaalissa. Tämä varauksen siirtymä tuottaa virran, pyrosähköisen virran. Meillä on vastaava pyroelektrinen virta . dT{\ displaystyle \ mathrm {d} T}dP{\ displaystyle \ mathrm {d} P}dt{\ displaystyle dt}dP/dt{\ displaystyle \ mathrm {d} P / \ mathrm {d} t}i{\ displaystyle i}

i=(dP/dt)=(dP/dT)(dT/dt){\ displaystyle i = (\ mathrm {d} P / \ mathrm {d} t) = (\ mathrm {d} P / \ mathrm {d} T) (\ mathrm {d} T / \ mathrm {d} t )}

Pyroelektrinen kerroin kuvaa polarisaatiovektorin muutoksia vastauksena lämpötilan muutokseen:

si=∂PS,i∂T{\ displaystyle p_ {i} = {\ frac {\ osittainen P_ {S, i}} {\ osittainen T}}}

missä p i (Cm -2 K -1 ) on pyrroelektrisen kertoimen vektori.

Pienille vaihteluille , voidaan pitää vakiona tässä lämpötilassa. Siten virta riippuu vain lämpötilan muutosnopeudesta. Jos jälkimmäinen on korkea, virta i voidaan havaita. ΔT{\ displaystyle \ Delta T}dP/dT{\ displaystyle \ mathrm {d} P / \ mathrm {d} T}

Sovellukset

Kobeco ja Kurtschatov havaitsivat ECE: n ensin ferrosähköisissä materiaaleissa Seignette-suola tai Rochelle-suola. Vaikka tämä vaikutus havaittiin jo vuonna 1930, vasta 1960-luvulla hänen työnsä tehostui. Ferrosähköisten materiaalien (keramiikka) ja yksikiteiden ECE: tä tutkittiin, mutta ne hylättiin, koska lämpötilan vaihtelut pysyivät liian matalina ( keramiikan ja yksittäisten kiteiden osalta) hyödyntämisen huomioon ottamiseksi. Vuonna 2006 Michenko et ai. ECE ovat löytäneet "giant" ( ) on ohut kerros PbZr 0,95 Ti 0,05 O 3  on 300 nm valmistetaan sooli-geeli- sähkökentässä ajan 222  ° C: ssa . Tämä löytö elvytti tämän kentän ja sai aikaan lukuisia tutkimuksia, joissa tutkittiin korkean sähkökentän vaikutusta muiden ferrosähköisten materiaalien pyroelektriseen vasteeseen. Ensimmäiset teokset liittyvät PZT: hen, ja vaikka tämä seos etsii edelleen muita perovskiittikiteitä, ovat myös mielenkiintoisia, erityisesti PbMg 1/3 Nb 2/3 O 3 -x PbTiO 3 , BTO, BaTiO 3 - SrTiO 3 ja SrBi 2 Ta 2 O 9 -oksidikerrosta . ΔT<2K{\ displaystyle \ Delta T <2K}ΔT<1K{\ displaystyle \ Delta T <1K}ΔT=12K{\ displaystyle \ Delta T = 12K}780kV/vs.m{\ displaystyle 780kV / cm}

Katso myös

• Magnetokalorinen vaikutus
• Pyroelektrisyys

Viitteet

1. L. Zhang, M. Bao, Q. Zheng, L. Tian ja J. Du. AIP Advances 6, 035220 (2016)
2. Y. Zhang, Y. Yang, X. Xu, L. Hou, Z. Ren, X. Li ja G. Wilde. J. Phys. Appl. 49 (2016)
3. (in) Sähkökaloriset materiaalit: New Generation of Coolers , vol.  34, Springer Berlin Heidelberg, kokoonpano  "Tekniset materiaalit",2014( ISBN  978-3-642-40263-0 ja 978-3-642-40264-7 , DOI  10.1007 / 978-3-642-40264-7 , lue verkossa )
4. Gaël SEBALD , "  Sähkökaloriset materiaalit  " , viite: TIP510WEB - "Fysikaalis-kemialliset vakiot" ,10. toukokuuta 2016(käytetty 10. kesäkuuta 2020 )
5. (in) Matjaz Valant , "  Sähkökaloriset materiaalit tulevaa kiinteän tilan jäähdytystekniikkaa varten  " , Progress in Materials Science , voi.  57, n °  6,Heinäkuu 2012, s.  980–1009 ( DOI  10.1016 / j.pmatsci.2012.02.001 , luettu verkossa , käytetty 10. kesäkuuta 2020 )
6. SBLang, Sourcebook of pyroelectricity, Gordon and Breach science publishers, Lontoo, 1974, 584
7. D. Damjanovic Rep. Prog. Phys. 61, 1267 - 1324 (1998).
8. P.Kobeco, IVKurtchatov, Rochellen suolakiteen dielektriset ominaisuudet, Z. Phys. 66 (1930), 192–205.
9. PD Thacher, Elektrokaloriset vaikutukset joissakin ferroelektrisissä ja antiferroelektrisissä Pb (Zr, Ti) O 3 -yhdisteissä, J. Appl. Phys. 39 (1968), 1996.
10. WN KTa O 3 : n laittomat, spesifiset lämpö- ja sähkökaloriset ominaisuudet matalissa lämpötiloissa, Phys. Ilm. B 16 (1977), 433.
11. BA Tuttle ja DA Payne, Mikrorakenteen vaikutukset Pb (Zr, Sn, Ti) O 3 -keramiikan sähkökalorisiin ominaisuuksiin, Ferroelectrics 37 , (1981), 603.
12. S. Mischenko, Q. Zhang, JF Scott, RW Whatmore, ja ND Mathur, giant electrocaloric vaikutus thin-film PbZr 0,95 Ti 0,05 O 3 , Science 311 , (2006), 1270.
13. S Prosandeev, minä Ponomareva, L Bellaiche. Ensimmäisten periaatteiden mukainen sähkökalorinen vaikutus irtotavarana ja matalaulotteinen ferroelektroniikka, Phys Rev B 7 , (2008).
14. J Karthik, LW Martin, Polydomain epitaxial Pb: n (Zr (1-x) , Ti (x) ) O (3) ohutkalvojen pyroelektriset ominaisuudet , Phys Rev B 84 (2011).
15. A Mischenko, Q Zhang, R Whatmore, J Scott, N Mathur, jättiläinen sähkökalorinen vaikutus ohutkalvorelaksorissa ferrosähköinen 0,9PbMg 1/3 Nb 2/3 O 3 - 0,1 PbTiO 3 lähellä huoneenlämpötilaa, Appl Phys Lett 89 ( 2006).
16. Hagberg J, Uusimaki A, Jantunen H, Elektrokaloriset ominaisuudet reaktiivisessa sintratussa 0,87Pb (Mg (1/3) Nb (2/3) ) O (3) –0,13PbTiO (3) . Appl Phys Lett 92 (2008).
17. H Cao, Z Li, Elektrokalorivaikutus BaTiO 3 -ohutkalvoissa, J Appl Phys 106 (2009).
18. G Akcay, S Alpay, J Mantese, G Rossetti, Sisäisen sähkökalorisen vaikutuksen suuruus ferrosähköisissä perovskiittiohutkalvoissa suurilla sähkökentillä, Appl Phys Lett 90 (2007).
19. JH Qiu, Q Jiang. Ferrosähköisten kaksikerroksisten ohutkalvojen elektrokalorisen vaikutuksen orientointiriippuvuus, Solid State Commun 149 (2009), 1549–1552.
20. H Chen, TL Ren, XM Wu, Y Yang, LT Liu, Giant electrocaloric effect in lyijytön ohutkalvo strontium-vismuttitantaliitti, Appl Phys Lett 94 (2009).