Piroeletricidade

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Piroeletricidade (do grego pyr, fogo, e eletricidade) é a capacidade de alguns materiais de gerarem temporariamente um potencial elétrico quando aquecidos ou arrefecidos. A mudança de temperatura modifica ligeiramente as posições dos átomos na estrutura cristalina, de tal modo que a polarização do material é alterada. Esta alteração da polarização dá origem a um potencial elétrico temporário, que desaparece após o tempo de relaxação dielétrica.[1]

A piroeletricidade não deve ser confundida com termoeletricidade, onde um perfil térmico fixo, não-uniforme, dá origem a uma diferença de potencial elétrico permanente.

Explicação[editar | editar código-fonte]

A piroelericidade pode ser visualizada como um dos lados de um triângulo, no qual cada vértice representa estados de energia do cristal: energia cinética, elétrica e térmica. O lado entre os vértices elétrico e térmico representa o efeito piroelétrico e não produz energia cinética. O lado entre os vértices cinético e elétrico representa o efeito piezoelétrico e não produz calor.

Embora tenham sido concebidos materiais piroelétricos artificiais, este efeito foi inicialmente descoberto em minerais como a turmalina. O efeito piroelétrico está também presente nos ossos e tendões.

A carga piroelétrica nos minerais desenvolve-se nas faces opostas de cristais assimétricos. A direção para a qual tende a propagação da carga é usualmente constante ao longo do material piroelétrico, mas em alguns materiais esta direção pode ser alterada por um campo elétrico próximo. Estes materiais dizem-se ferroelétricos. Todos os materiais piroelétricos são também piezoelétricos. Note-se contudo, que alguns materiais piezoelétricos têm uma simetria cristalina que não permite a piroeletricidade.

História[editar | editar código-fonte]

A primeira referência ao efeito piroelétrico encontra-se nos escritos de Teofrasto em 314 a.C., que notou que a turmalina atraía palhas e cinzas quando aquecida. As propriedades da turmalina foram redescobertas em 1707 por Johann Georg Schmidt, que reparou nas propriedades atrativas do mineral quando aquecido. A piroeletricidade foi descrita pela primeira vez - apesar de não ter sido assim designada - por Louis Lemery em 1717. Em 1747 Lineu associou pela primeira vez o fenómeno à eletricidade, o que só veio a ser demonstrado por Franz Ulrich Theodor Aepinus, em 1756.

O estudo da piroeletricidade tornou-se mais sofisticado no século XIX. Em 1824 David Brewster deu ao efeito o nome que hoje tem. Tanto William Thomson em 1878, como Woldemar Voigt em 1897, ajudaram a desenvolver uma teoria para os processos por detrás da piroeletricidade. Pierre Curie e o seu irmão, Jacques Curie, estudaram a piroeletricidade na década de 1880, o que conduziu à descoberta de alguns dos mecanismos por detrás da piezoeletricidade.

Classes cristalinas piroelétricas[editar | editar código-fonte]

As estruturas cristalinas podem ser divididas em 32 classes, ou grupos pontuais, segundo o número de eixos rotacionais e planos de reflexão que exibem e que mantém a estrutura do cristal piroelétrico. Entre as 32 classes de cristais, vinte e uma são não-centrossimétricas (não têm centro de simetria). Destas vinte e uma, vinte exibem piezoeletricidade direta, sendo a restante a classe cúbica 432. Dez destas vinte classes piezoelétricas são polares, i.e., exibem uma polarização espontânea, tendo um dipolo na sua célula unitária, e exibem piroeletricidade. Todos os cristais polares são piroelétricos.

Classes de cristal piezoelétricas: 1, 2, m, 222, mm2, 4, -4, 422, 4mm, -42m, 3, 32, 3m, 6, -6, 622, 6mm, -62m, 23, -43m

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

Desenvolvimentos recentes[editar | editar código-fonte]

Têm sido feitos progressos na criação de materiais piroelétricos artificiais, usualmente na forma de uma película fina, a partir de nitreto de gálio (GaN), nitrato de césio (CsNO3), fluoretos de polivinila, derivados de fenilpirazina, e ftalocianina de cobalto (ver cristal piroelétrico). O tantalato de lítio (LiTaO3) é um cristal que exibe tanto propriedades piezoelétricas como piroelétricas que tem sido usado para criar fusão nuclear em pequena escala ("fusão piroelétrica").[2]

Descrição matemática[editar | editar código-fonte]

O coeficiente piroelétrico pode ser descrito como a variação do vetor de polarização espontânea com a temperatura[3] :


p_i = \frac{\partial P_{S,i}} {\partial T}

em que pi (Cm-2K-1) é o vetor do coeficiente piroelétrico.

Geração de energia[editar | editar código-fonte]

Um material piroelétrico pode ser repetidamente aquecido e arrefecido (de forma análoga a uma máquina térmica) para gerar energia elétrica utilizável. Um grupo calculou que a piroeletricidade num ciclo de Ericsson poderia atingir uma eficiência de Carnot igual a 50%,[4] enquanto um outro estudo descobriu um material que poderia em teoria atingir uma eficiência de 84 a 92%[5] (estes valores de eficiências são para a piroeletricidade propriamente dita, ignorando perdas no aquecimento e arrefecimento do substrato, outras perdas por transferência de calor, e todas as restantes perdas noutras partes do sistema). Entre as possíveis vantagens dos geradores piroelétricos na geração de eletricidade (quando comparada com o motor convencional mais gerador elétrico), incluem temperaturas de funcionamento potencialmente menores, equipamento menos volumoso, e menos partes móveis.[6] Embora tenham sido aceitas algumas patentes para um tal aparelho,[7] a sua comercialização não parece estar próxima.

Ver também[editar | editar código-fonte]

Ligações externas[editar | editar código-fonte]

Referências[editar | editar código-fonte]

  1. Estritamente, a diferença de potencial elétrico ao longo do cristal pode não chegar a zero; porém, a diferença de potencial eletroquímico atinge esse valor. O potencial eletroquímico é o que é realmente medido por um voltímetro (devido ao fenómeno dos potenciais de contato), bem como o necessário para realizar trabalho.
  2. Nature
  3. Damjanovic, Dragan, 1998, Ferroelectric, dielectric and piezoelectric properties of ferroelectric thin films and ceramics, Rep. Prog. Phys. 61, 1267–1324.
  4. Free PDF, DOI link 1 (subscription only), DOI link 2 (subscription only)
  5. DOI:10.1063/1.331769
  6. DOI:10.1016/j.elstat.2006.07.014
  7. Por exemplo: US Patent 4647836, US Patent 6528898, US Patent 5644184
  • Lang, Sidney B., 2005, "Pyroelectricity: From Ancient Curiosity to Modern Imaging Tool," Physics Today, Vol 58, p.31 [1]
  • Gautschi, Gustav, 2002, Piezoelectric Sensorics, Springer, ISBN 3-540-42259-5 [2]