Chaleur et électrons
La pyroélectricité concerne la génération de charges électriques à partir de variations de température dans un matériau.
On évitera de confondre avec la thermoélectricité qui concerne les gradients de température c'est-à-dire des variations de température spatiale au même instant. La pyroélectricité concerne un bloc qui change de température, c'est plutôt temporel, ceci dit il peut y avoir des sous-blocs à des températures différentes, il faut ensuite agréger tout ça.
Lorsque qu'un bloc de matériau pyroélectrique change de température, un paquet de charges, proportionnel au changement de température, est créé. Comme souvent ces matériaux sont isolants, le paquet de charges se retrouve aux bords, et met un certain temps à disparaitre dans les résistances de fuite.
Il faut une certaine asymétrie pour que les charges apparaissent. Soit :
- le cristal est asymétrique, et les charges s'orienteront suivant la structure
- ou il faut appliquer une polarisation initiale pour orienter les molécules
La variation de polarisation et la variation de température sont liées par le coefficient pyroélectrique γ :
Une surface S de matériau pyroélectrique ayant une épaisseur e subissant une variation de température ΔT génèrera une charge ΔQ égale à :
Remarquez que cela ne dépend pas de l'épaisseur.
Cette charge apparait aux bornes du condensateur Cn formé par le matériau pyroélectrique (ajoutez d'éventuelles capacités parasites) :
Cette fois, la capacité dépend de l'épaisseur e, la tension générée est donc dépendante de l'épaisseur.
On notera qu'une augmentation de température donnera des charges inversées par rapport à une baisse de température. Le phénomène est symétrique.
Tous les matériaux pyroélectriques sont aussi piézoélectriques.
En effet, un changement de température provoque une dilatation/contraction du matériau, et donc engendre des variations de pression, surtout si le matériau est spatialement contraint. Ceci rend difficile la séparation des effets.
La ferroélectricité est également impliquée quand on a affaire à de la pyroélectricité.
Effet électrocalorique & magnétocalorique
L'effet électrocalorique est l'effet inverse : en soumettant un matériau pyroélectrique à un champ électrique (electrocalorics), il peut absorber ou relâcher de l'entropie, autrement dit absorber ou relâcher de la chaleur.
On utilise parfois le même terme si on applique autre chose qu'un champ électrique.
- Si c'est un champ magnétique, vaut mieux parler d'effet magnétocalorique.
- Si c'est une action mécanique, on parle de mechanocalorics, qu'on subdivise en :
- elastocalorics : si l'action mécanique est uniaxial
- barocalorics : s'il s'agit de l'action d'une pression
On peut s'en servir pour effectuer une machine thermique.
Sauf que le rendement de cette technique est trop faible pour être intéressante à exploiter. Jusqu'à ce que certains chercheurs exhibent un effet électrocalorique géant enfin géant, faut voir.
Matériaux pyroélectriques
Comme il faut des structures asymétriques, l'étude de l'organisation des mailles cristallines a permis de prédire les effets pyroélectriques pour certaines classes de cristaux. À commencer par la tourmaline, par là où cet effet a été découvert.
Sinon, certains matériaux sans organisation initiale peuvent voir leurs molécules orientées par l'application d'un champ électrique (tension de polarisation) suffisamment intense. Ces matériaux présentent alors une température de Curie au-delà de laquelle l'orientation est perdue, ainsi que les propriétés pyroélectriques.
Applications
Une lentille de Fresnel dirige les rayons infrarouges vers le capteur.
Notez que cela détecte un mouvement, pas la présence.
- Détection de chaleur, ou plus exactement, détection de variation de chaleur. Mais si, vous les connaissez, ce sont ces détecteurs qui ne marchent que si on bouge (ne les mettez pas dans les toilettes ou vous vous retrouverez subrepticement dans le noir). Très utiles pour les alarmes. Appelés PIR sensors pour Passive Infrared Sensors. Généralement, on dépose à la surface un corps noir, histoire d'absorber l'énergie et chauffer le matériau pyro, souvent du PVDF.
- Caméras infrarouges non refroidies. Avec un chopper devant la caméra pour provoquer les alternances rien/scène pour induire une variation de température.
- Capteur d'empreintes digitales. Ce fut la technologie derrière le projet FingerChip, qui utilisait du PVDF-TrFE. Et aussi le projet PYCSEL.
- Générateur d'électricité à partir de cycles chaud-froid : potentiellement possible, mais en pratique, aucun produit.
- [2019] Pyroelectric Energy Conversion and Its Applications—Flexible Energy Harvesters and Sensors / Thakre et al.
Fusion nucléaire pyroélectrique
Suffisante pour déclencher une fusion de deux ions deutérium en un hélium-3 et un neutron.
Mais c'est peu utile, à part pour servir de source de neutrons car l'énergie à injecter est bien supérieure à l'énergie collectée...
- [2005] Observation of nuclear fusion driven by a pyroelectric crystal / Naranjo et al. dans Nature
- Pocket-Sized Nuclear Fusion
La page suivante s'intéresse à la thermoélectricité pour continuer sur les effets concernant la chaleur.
Mais vous devriez aussi jeter un œil à la piézoélectricité, car lorsqu'un changement de température se produit dans un matériau, il se dilate/contracte et un stress mécanique se produit.