화력

Pyroelectricity
열전도와 혼동하지 말 것, 다른 메커니즘을 가진 다른 열 효과.
열전센서

화전(火電, 전기라는 뜻의 그리스어 pyr에서 fyr, 전기라는 뜻의 두 단어로부터)은 전기적으로 자연적으로 양극화되어 그 결과 큰 전기장을 포함하고 있는 어떤 결정체의 성질이다.[1] 열전도는 특정 재료가 가열되거나 냉각될 때 임시 전압을 발생시키는 능력이라고 설명할 수 있다.[2][3] 온도의 변화는 결정구조 내에서 원자의 위치를 약간 수정하여 물질의 양극화가 변하게 한다. 이러한 양극화 변화는 결정체를 가로지르는 전압을 발생시킨다. 온도가 새로운 값으로 일정하게 유지되면 누전 전류로 인해 화력전압이 점차 사라진다. 이 누출은 전자가 결정체를 통해 이동하거나, 이온이 공기를 통해 이동하거나, 결정체를 가로질러 부착된 전압계를 통해 전류가 누출되기 때문일 수 있다.[3][4]

설명

열전도는 삼각형의 한 면으로 시각화할 수 있으며,[5] 각 모서리는 결정에서 에너지 상태를 나타낸다: 운동 에너지, 전기 에너지, 열 에너지. 전기와 열 코너 사이의 측면은 열전 효과를 나타내며 운동 에너지를 생성하지 않는다. 운동코너와 전기코너 사이의 측면은 압전 효과를 나타내며 열을 발생시키지 않는다.

광물의 화전하 는 비대칭 결정의 반대편 면에 발생한다. 전하의 전파 경향이 있는 방향은 보통 화력 물질 전체에 걸쳐 일정하지만, 일부 물질에서는 가까운 전기장에 의해 이 방향을 변경할 수 있다. 이 물질들은 강전력을 나타낸다고 한다. 알려진 모든 화력 물질은 압전 물질이기도 하다. 화력발전임에도 불구하고 BALN(Boron Alumine Nitride)과 질화 붕소 갈륨(BGaN)과 같은 새로운 재료는 특정 구성물에서 c축을 따라 변형된 피에조전반응이 0으로 나타나며 두 [6]특성은 밀접하게 연관되어 있다. 그러나 일부 압전 물질은 화전성을 허용하지 않는 결정 대칭을 가지고 있다는 점에 유의한다.

화력발전소재는 대부분 딱딱하고 결정체가 딱딱하지만 전기레트를 사용하면 부드러운 화력을 얻을 수 있다.[7]

열전도는 온도 변화에 비례하는 순 양극화(벡터)의 변화로 측정된다. 일정 응력에서 측정한 총 화력계수는 일정한 변형률에서의 화력계수(1차 화력효과)와 열팽창에 의한 압전 기여도(2차 화력효과)의 합이다. 정상적인 상황에서는 극성 물질도 순 쌍극자 모멘트를 표시하지 않는다. 그 결과 내인성 쌍극자 모멘트는 내부 전도에 의해 또는 주변 대기에서 표면에 쌓이는 "자유" 전하에 의해 중화되기 때문에 막대 자석의 전기 쌍극자 등가물이 없다. 극성 결정체는 보상 표면 전하와 균형을 순간적으로 뒤틀리는 어떤 방식으로 변했을 때에만 그 본질을 드러낸다.

자발적 양극화는 온도에 따라 달라지기 때문에 양호한 섭동 탐침은 표면으로 전하의 흐름을 유도하는 온도 변화다. 이것이 화력효과다. 모든 극성 결정체는 화력(火力)이기 때문에 10개의 극성 결정 계급을 화력계급이라고 부르기도 한다. 화력소재는 적외선 및 밀리미터 파장 방사선 검출기로 사용할 수 있다.

전기레트는 영구 자석의 전기적 등가물이다.

수학적 설명

열전 계수는 온도에 따른 자발적 양극화 벡터의 변화로 설명될 수 있다.[8]

여기서 pi(CmK−2−1)는 화력계수의 벡터다.

역사

열전 효과에 대한 첫 번째 언급은 테오프라투스(C. 314 BC)가 쓴 글에서 찾을 수 있는데, 그는 린구리온인 투르말린이 가열할 때 톱밥이나 짚조각을 끌어들일 수 있다고 언급했다.[9] 투르말린의 재산은 1707년 요한 게오르크 슈미트에 의해 재발견되었는데, 그는 이 돌이 차가운 재가 아닌 뜨거운 재만을 끌어당긴다고 언급했다.[10] 1717년 루이스 레메리는 슈미트가 그랬던 것처럼 작은 비전도성 물질 조각들이 처음에는 토르말린에 끌리다가 일단 돌에 닿으면 그것에 의해 밀려난다는 것을 알아차렸다.[11] 1747년 리나에우스는 처음 이 현상을 전기(그는 투르말린 라피뎀 일렉트릭룸이라 불렀다, "전기석"[12]이라고 불렀지만, 이는 프란츠 울리히 테오도르 에이피누스에 의해 1756년에 이르러서야 증명되었다.[13]

화력발전에 대한 연구는 19세기에 더욱 정교해졌다. 1824년에 David Brewster경은 오늘날의 이름을 붙였다.[14] 1878년[15] 윌리엄 톰슨과 1897년[16] 월드마르 보이그트는 둘 다 화력 발전 과정에 대한 이론을 개발하는 데 도움을 주었다. 피에르 퀴리와 그의 형인 자크 퀴리는 1880년대에 화력을 연구하여 압전성의 이면에 있는 메커니즘의 일부를 발견하게 되었다.[17]

크리스탈 클래스

모든 결정 구조는 결정 구조를 변경하지 않고 그대로 두는 회전 축과 그들이 보유한 반사면의 수에 근거한 32개의 결정 등급 중 하나에 속한다(포인트 그룹). 32개의 결정계급 중 21개는 비대칭(대칭 중심은 갖지 않음)이다. 이 21개 중 20개는 직접 압전기를 전시하고, 나머지 하나는 입방 등급 432이다. 이 20개의 압전계급 중 10개는 극성이며 즉, 자연발생적인 양극화를 가지고 있고, 단위세포에 쌍극이 있으며, 화전성을 나타낸다. 만일 이 쌍극자를 전기장의 응용으로 되돌릴 수 있다면, 그 물질은 강전이라고 한다. 어떤 유전물질이라도 전기장을 적용하면 유전 양극화(전극학)가 발생하지만, 전장이 없어도 이렇게 자연적인 전하 분리가 있는 물질을 극성 물질이라고 한다. 물질이 극성인지 아닌지는 오로지 결정 구조에 의해 결정된다. 32점대 그룹 중 극성인 그룹은 10개뿐이다. 모든 극성 결정체는 화력(火力)이기 때문에 10개의 극성 결정 계급을 화력계급이라고 부르기도 한다.

압전 결정 클래스: 1, 2, m, 222, mm2, 4, 4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m

화력: 1, 2, m, mm2, 3, 3m, 4, 4mm, 6, 6mm

관련 효과

화력과 밀접한 관련이 있는 두 가지 효과는 강전력과 압전이다. 일반적으로 물질은 거시적 수준에서 거의 전기적으로 중립적이다. 그러나 물질을 구성하는 양전하와 음전하가 반드시 대칭적으로 분포되는 것은 아니다. 기본 셀의 모든 요소에 대한 충전 시간 거리의 합이 0이 아닐 경우, 셀은 전기 쌍극자 모멘트(벡터 수량)를 가질 것이다. 단위 부피당 쌍극자 모멘트는 유전 양극화로 정의된다. 이 쌍극자 모멘트가 적용된 온도 변화, 가해진 전기장 또는 가해진 압력의 효과에 따라 변화한다면, 재료는 각각 화력, 강력 또는 압전이다.

강전효과는 전장이 뒤바뀌면 양극화가 역전될 수 있도록 외부에 응용된 전장이 없을 때 전극이 있는 물질에 의해 나타난다. 모든 강전소재는 자발적인 양극화를 나타내기 때문에 모든 강전소재는 또한 화전소재다(그러나 모든 화전소재가 강전소재는 아니다).

압전 효과는 결정(쿼트 또는 세라믹 등)에 의해 나타나며, 이 결정에는 압력을 가할 때 재료 전체에 걸쳐 전기 전압이 나타난다. 열전 효과와 유사하게, 이온은 다른 축보다 한 축을 따라 더 쉽게 이동할 수 있는 결정의 비대칭 구조 때문이다. 압력이 가해질 때 결정의 각 면은 반대 전하를 띠게 되어 결정 전체에서 전압 강하가 발생한다.

안 된다 혼동해서는열전도와 열전도를. 전형적인 화력증진에서는 한 온도에서 다른 온도로 수정 전체가 바뀌며 그 결과는 수정 전체에 걸쳐 일시적인 전압으로 나타난다. 일반적인 열전력의 시연에서 기기의 한 부분은 한 온도로, 다른 한 부분은 다른 온도로 유지되며, 그 결과는 온도 차이가 있는 한 장치에 걸쳐 영구적인 전압이 된다. 두 가지 효과 모두 온도 변화를 전위로 전환하지만, 화력 효과는 시간의 경과에 따른 온도 변화를 전위로 변환하는 반면, 열전 효과는 위치에 따른 온도 변화를 전위로 변환한다.

열전소재

인공 화력소재가 설계됐지만 그 효과는 투르말린 등 광물에서 처음 발견됐다. 열전 효과는 뼈와 힘줄에서도 나타난다.

가장 중요한 예는 반도체인 질화 갈륨이다.[18] 이 재료의 큰 전기장은 발광 다이오드(LED)에 해롭지만 동력 트랜지스터 생산에 유용하다.

질화 갈륨(GaN), 질산 세슘(CsNO3), 폴리비닐 플루오르화, 페닐피리딘의 유도체, 코발트 프탈로시아닌을 사용하여 보통 박막 형태의 인공 화전 물질을 만드는 데 진전이 있었다. 리튬 탄탈레이트(LiTaO3)는 압전 성질과 화력 성질을 모두 보여주는 결정체로, 소규모 핵융합("화력 핵융합")[19]을 만드는 데 사용되어 왔다. 최근 CMOS 제조의 표준물질인 도핑하프니움옥사이드(HfO2)에서 화력 및 압전 특성이 발견되고 있다.[20]

적용들

열 센서

아주 작은 온도 변화는 화력전위를 발생시킬 수 있다. 수동적 적외선 센서는 몇 피트 떨어진 곳에서 사람 또는 동물의 열이 전압을 발생시키기에 충분하기 때문에 화력 물질을 중심으로 설계되는 경우가 많다.[citation needed]

발전

열전기는 사용 가능한 전력을 발생시키기 위해 반복적으로 가열되고 냉각될 수 있다(열 엔진과 아날로그). 한 그룹는 동안 다른 공부하는, 이론에서, 카르노 efficiency[23](이런 효율성을 값을 위한 자체 초전과 기질에 냉방 난방으로 인해 손실을 무시하고 다른 열 전달 손실의 84-92%까지 도달할 수 있는 재료를 찾았고는 에릭슨 사이클에 초전 카르노 efficiency,[21][22]의 50%에 도달할 수 있는가를 계산했다., 그리고 모든 발음하는 o시스템 내 다른 곳에서의 손실). (기존의 열 엔진과 전기 발전기와 비교했을 때) 전기를 발생시키는 화력 발전기의 가능한 장점은 잠재적으로 낮은 작동 온도, 부피가 큰 장비 및 움직이는 부품 수를 줄이는 것이다.[24] 그러한 장치에 대해 특허가 몇 건 출원되었지만,[25] 그러한 발전기는 상용화에 가까운 곳에 있는 것으로 보이지 않는다.

핵융합

주요 기사: 열전 융해

열전 물질은 핵융합 과정에서 중수소 이온을 조종하는데 필요한 큰 전기장을 생성하는데 사용되어 왔다. 이것은 화력 핵융합이라고 알려져 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ 애쉬크로프트, N. W. & Mermin, N. D. 솔리드 스테이트 물리학. (Cengage Learning, 1976).
  2. ^ 찰스 키텔 8판 2016 솔리드 스테이트 물리학 소개.
  3. ^ a b Webster, John G (1999). The measurement, instrumentation, and sensors handbook. pp. 32–113. ISBN 978-0-8493-8347-2.
  4. ^ 이 글에서 "전압"이라는 용어는 일상적 의미, 즉 전압계가 무엇을 측정하는지에서 사용된다. 이것은 사실 정전위(갈바니 전위)가 아니라 전기화학전위다.
  5. ^ Buchanan, Relva C. (2004). Ceramic Materials for Electronics: Third Edition, Revised and Expanded (Third ed.). Cincinnati, Ohio: Marcel Dekker, Inc. p. 217. ISBN 978-0-8247-4028-3. Retrieved 10 November 2015.
  6. ^ Liu, Kaikai (2017). "Wurtzite BAlN and BGaN alloys for heterointerface polarization engineering". Applied Physics Letters. 111 (22): 222106. Bibcode:2017ApPhL.111v2106L. doi:10.1063/1.5008451. hdl:10754/626289.
  7. ^ Darbaniyan, F.; Sharma, P. (2018). "Designing Soft Pyroelectric and Electrocaloric Materials Using Electrets". Soft Matter. 15 (2): 262–277. Bibcode:2019SMat...15..262D. doi:10.1039/C8SM02003E. PMID 30543261. S2CID 56145736.
  8. ^ Damjanovic, Dragan (1998). "Ferroelectric, dielectric and piezoelectric properties of ferroelectric thin films and ceramics". Rep. Prog. Phys. 61 (9): 1267–1324. Bibcode:1998RPPh...61.1267D. doi:10.1088/0034-4885/61/9/002.
  9. ^ Earle R. 케일리와 존 FC 리차드, 테오프라스토스: 온 스톤즈(콜럼버스, 오하이오 주) 오하이오 주립대, 1956년), 원문 51쪽 28항: "그것은 [스마라그도스]의 힘으로는 놀랄 만한 것이며, 린구리온[즉, 링구린석]도 그렇다 … 호박처럼 끌어당기는 힘을 가지고 있으며, 어떤 사람들은 조각들이 디옥처럼 얇으면 빨대와 나뭇조각뿐 아니라 구리와 쇠도 끌어당긴다고 말한다. 설명하곤 했다."
  10. ^ Johann Georg Schmidt, Curiöse Tusseses Bey Schalflosen Néchten [잠 못 이루는 밤들 동안의 놀라운 추측들] (Chemnitz and Leipzig (독일): 콘래드 스토센, 1707페이지) 269-270페이지. 관련 구절의 영문 번역이 시드니 B에 나온다. Lang, Pyroelectricity의 소스 북, vol. 2 (뉴욕, 뉴욕: Gordon and Breach, 1974), 96페이지.
  11. ^ "체격의 생성에 따른 다중 관측," 히스토아르 드 l'Academie des Science (1717); 7-8페이지를 참조하라.
  12. ^ 칼 폰 린네("리네우스"), 플로라 자일라니카: 시스텐스 플랜타스 인디카스 자일로나에 인슐레 [실론 플로라: 실론 섬의 인도 식물로 구성되어 있다](스톡홀름("홀미애"), 스웨덴:로렌티 살비이, 1747), 8페이지. 관련 구절의 번역은 103페이지의 Lang(1974년)에 나온다.
  13. ^ Aepinus (1756) "메모이어 관련 퀼키 누벨레스는 렉트리키 재혼을 경험한다"[몇 가지 주목할 만한 새로운 전기 실험에 관한 기억, 히스토이어 드 l'Academie Royale des science et des belles retres (베를린), 제12권 105-121페이지.
  14. ^ Brewster, David (1824). "Observations of the pyro-electricity of minerals". The Edinburgh Journal of Science. 1: 208–215.
  15. ^ 윌리엄 톰슨 (1878) "물질의 열탄성, 열자성, 화력 특성에 관하여," 철학적 잡지, 시리즈 5, 5권, 4-26쪽.
  16. ^ W. Voigt(1897) "Versuch sur Bestimung des wahren specififischen celectrischen momentes eines Turmalins" (Tourmaline의 진정한 특정 전기 모멘트를 결정하기 위한 실험), Annalen der Phykik, vol. 60, 368 - 375.
  17. ^ 자크 퀴리 & 피에르 퀴리, "Dévelopment par compression de l'électricité polaire dans lescrista hémiédres ac faces acceptes", Bulletin de la Societé Minélogique de France, 제3권, 90-93, 1880.
  18. ^ 질화 갈륨(GaN): 물리학, 기기, 기술. 2015. CRC 프레스. 10월 16일
  19. ^ Naranjo, B.; Gimzewski, J.K.; Putterman, S. (2005). "Observation of nuclear fusion driven by a pyroelectric crystal". Nature. 434 (7037): 1115–1117. Bibcode:2005Natur.434.1115N. doi:10.1038/nature03575. ISSN 0028-0836. PMID 15858570. S2CID 4407334.
  20. ^ Mart, C.; Kämpfe, T.; Hoffmann, R.; Eßlinger, S.; Kirbach, S.; Kühnel, K.; Czernohorsky, M.; Eng, L.M.; Weinreich, W. (2020). "Piezoelectric Response of Polycrystalline Silicon‐Doped Hafnium Oxide Thin Films Determined by Rapid Temperature Cycles". Advanced Electronic Materials. 6 (3): 1901015. doi:10.1002/aelm.201901015.
  21. ^ Sebald, Gael; Pruvost, Sebastien; Guyomar, Daniel (2008). "Energy harvesting based on Ericsson pyroelectric cycles in a relaxor ferroelectric ceramic" (PDF). Smart Materials and Structures. 17 (1): 015012. Bibcode:2008SMaS...17a5012S. doi:10.1088/0964-1726/17/01/015012.
  22. ^ Sebald, Gael; Guyomar, Daniel; Agbossou, Amen (2009). "On thermoelectric and pyroelectric energy harvesting". Smart Materials and Structures. 18 (12): 125006. Bibcode:2009SMaS...18l5006S. doi:10.1088/0964-1726/18/12/125006.
  23. ^ Olsen, Randall B.; Evans, Diane (1983). "Pyroelectric energy conversion: Hysteresis loss and temperature sensitivity of a ferroelectric material". Journal of Applied Physics. 54 (10): 5941–5944. Bibcode:1983JAP....54.5941O. doi:10.1063/1.331769.
  24. ^ Kouchachvili, L; Ikura, M (2007). "Pyroelectric conversion—Effects of P(VDF–TrFE) preconditioning on power conversion". Journal of Electrostatics. 65 (3): 182–188. doi:10.1016/j.elstat.2006.07.014.
  25. ^ 예를 들면 다음과 같다. 미국 특허 4647836, 미국 특허 6528898, 미국 특허 5644184

외부 링크