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焦電気(「第2版 MARUZEN 物理学大辞典」)

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焦電気(「第2版 MARUZEN 物理学大辞典」)

焦電気

ある種の結晶に見られる温度変化により電気的極性が現れる性質。ある種の誘電的(電気伝導性のない)結晶では、 一様な温度変化儺によって、電気分極(単位体積あたりの双極子モーメント)儕が現れる。微小な変化儺に対し、 分極ベクトルの成分儕iは式(1)で与えられる。
i=Σpi儺 (i=x,y,z)   (1)


この焦電気効果は、対称心を欠き、極性方向(すなわち極性軸)をもつ結晶だけに現れる。 この条件は32種類の結晶点群のうち10種が満たしている。焦電気結晶の典型的な例として、 電気石、硫酸リチウム−水和物、焦糖、強誘電性チタン酸バリウムがあげられる。 (→結晶構造、誘電体物質、誘電体の分極)

焦電気結晶は本来固有の、言い換えれば永久的な電気分極をもっていると考えられる。 結晶が一定温度に保たれているときは、この分極は表面には現れない。それは、周囲及び結晶 を伝わって表面に到達した自由電荷により、打ち消されてしまうからである。しかし、結晶の 温度が変わると永久分極は変化し、その変化分が焦電気として表面に現れる。電場により分極が 反転する強誘電体と呼ばれる特別な焦電気結晶を別にすると、永久分極の大きさを決めることは 容易でない。(→強誘電体)


大きさ
焦電効果の大きさは、その結晶の熱膨張が束縛されているか、あるいは機械的に自由であるかと いうことに依存する。束縛結晶では、一次の焦電気効果がみられ、自由結晶では一次効果に二次 効果が重なって起こる。二次効果は熱膨張により引き起こされる圧電分極と考えられる。 一般に二次効果は一次効果よりかなり大きい。加熱が一様でない場合には、自発分極をもたせない 圧電結晶も温度勾配、およびそれに対応する一様でない応力とひずみにより分極を生ずる。 この現象は三次、あるいは偽の焦電気と呼ばれる。その理由は極性方向をもたない非焦電気結晶 にも起こりうるからである。(→圧電気)
電気石のような典型的な焦電気結晶では、室温における1℃の温度変化により、約10-5C/m2の分極 が生ずる。温度一定の条件で同じ大きさの分極を生じさせるには、約70kV/cmの外部電場の印加が 必要となる。焦電気効果は強誘電体では非常に大きく、特にキュリー点付近の温度では、それが 顕著になる。焦電気効果は、レーザー用焦電熱量計や高感度の赤外検出器などの応用がある。 焦電気係数を誘電率で割った性能指数は、たとえば硫酸グリシンのような強誘電体で高い値を示す。 熱的な応答時間については、2μsあるいはそれ以下の時間が報告されている。

逆効果
熱力学的考察により、焦電気効果はその逆効果として線形な電気熱量効果をもつことが示される。 外部印加電場僞により永久分極が変化すると式(2)で示される温度変化儺が生じる。
ここで、ρは密度、cpは定圧比熱、ρiは焦電気係数、Tは絶対温度である。 典型的な焦電気体にみられる温度変化は0.01℃程度の大きさである。

〜以下略〜



[参考文献]
「ロングマン物理学辞典」(清水忠雄 清水文子 監訳) P.488〜489(株式会社朝倉書店 1998年2月10日初版第1刷発行)
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