焦電気 – 発見、物理的基礎、および応用
発見の歴史
伝説によると、焦電気の最初の記録は紀元前 314 年に古代ギリシャの哲学者で植物学者のテオフラストスによって作成されました。これらの記録によると、テオフラストスはかつて、鉱物トルマリンの結晶が加熱されると灰やわらの破片を引き寄せ始めることに気づきました。ずっと後の 1707 年に、ドイツの彫刻家ヨハン シュミットによって焦電気現象が再発見されました。
焦電気の発見は、有名な古代ギリシャの哲学者で旅行者のミレトスのタレスによるものであるという別のバージョンがあり、このバージョンによれば、焦電気は紀元前 6 世紀初頭に発見されました。北東諸国を旅行したタレスは、鉱物と天文学についてメモをとりました。
こすった琥珀がストローや下に引き寄せられる能力を調査することで、摩擦による帯電現象を科学的に解釈することができました。プラトンは後にティマイオスとの対話の中でこの話を説明します。プラトンの後、すでに 10 世紀には、ペルシャの哲学者アル・ビルーニが著書『鉱物学』の中で、ガーネット結晶の同様の特性について説明しました。
結晶の焦電性と他の同様の電気現象との関係は、フランツ・エピナスとヨハン・ヴィルケが特定の材料が互いにこすり合うときの分極の研究を始めた 1757 年に証明され、発展しました。
127 年後、ドイツの物理学者アウグスト クントは、トルマリンの結晶を加熱し、鉛丹と硫黄の粉末を混合したものをふるいにかけるという鮮やかな実験を披露します。硫黄はプラスに帯電し、鉛丹はマイナスに帯電し、その結果、トルマリン結晶の片面が赤〜オレンジ色に染まり、もう片面は明るい黄色がかった灰色に覆われます。その後、アウグスト・クンド氏がトルマリンを冷却すると、結晶の「極性」が変わり、色が入れ替わりました。聴衆は大喜びでした。
この現象の本質は、トルマリン結晶の温度がわずか 1 度変化すると、結晶内に 1 センチメートルあたり約 400 ボルトの電場が現れるということです。トルマリンは、他の焦電体と同様に、 圧電 (ちなみに、すべての圧電体が焦電体であるわけではありません)。
物理的基礎
物理的には、焦電気現象は、結晶の温度変化による結晶内での電場の出現として定義されます。温度変化は、直接加熱、摩擦、または放射線によって引き起こされる可能性があります。これらの結晶には、外部の影響がない場合に自発的（自発的）分極を有する誘電体が含まれています。
自発分極は、それが作り出す電場が、周囲の空気や結晶の大部分によって結晶にかかる自由電荷の電場によって相殺されるため、通常は気づかれません。結晶の温度が変化すると、自発分極の大きさも変化し、自由電荷による補償が起こる前に電場の出現が観察されます。
焦電体の自発分極の変化は、温度変化だけでなく、機械的変形によっても開始されることがあります。そのため、すべての焦電体も圧電体ですが、すべての圧電体が焦電体であるわけではありません。自発分極、つまり結晶内部の負と正の電荷の重心の不一致は、結晶の自然な対称性が低いことで説明されます。
焦電気の応用
今日、焦電体は、放射線受信器や検出器、温度計などの一部として、さまざまな目的の感知デバイスとして使用されています。これらのデバイスはすべて、焦電体の重要な特性を利用しています。つまり、サンプルに作用するあらゆる種類の放射線によって、サンプルの温度が変化し、それに対応して分極が変化します。この場合、サンプルの表面が導電性の電極で覆われ、これらの電極がワイヤで測定回路に接続されていると、この回路に電流が流れます。
そして、焦電コンバーターの入力に何らかの種類の放射線の流れがあり、焦電体の温度の変動を引き起こす場合（周期性は、放射線強度の人為的な変調などによって得られます）、電流は次のようになります。出力で取得され、これも特定の周波数で変化します。
焦電放射線検出器の利点には、検出される放射線の周波数が無限に広いこと、高感度、高速性、熱安定性が含まれます。赤外領域での焦電受信機の使用は特に有望です。
これらは、低出力の熱エネルギーの流れの検出、短レーザーパルスの出力と形状の測定、および高感度の非接触および接触温度測定（マイクロ度精度）の問題を実際に解決します。
今日、焦電体を使用して熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する可能性が真剣に議論されています。放射エネルギーの交流の流れにより、焦電素子の外部回路に交流が発生します。このようなデバイスの効率は既存のエネルギー変換方法よりも低いですが、それでも一部の特殊な用途では、この変換方法は十分に許容できます。
焦電効果を利用して赤外線イメージング システム (ナイト ビジョンなど) における放射線の空間分布を視覚化するというすでに使用されている可能性は、特に有望です。焦電ターゲットを備えた熱伝達テレビ管である焦電ビジコンを作成しました。
暖かい物体の画像がターゲットに投影され、その上に対応する電荷のレリーフが構築され、走査電子ビームによって読み取られます。電子ビーム電流によって生成される電圧は、スクリーン上の物体の画像を描くビームの明るさを制御します。