Электрокалорический эффект – эффект обратный пироэлектрическому, состоящий в изменении температуры Т кристалла на величину ∆Т при приложении к нему электрического поля Е. Электрокалорический эффект возможен в кристаллах, принадлежащих к 10 точечным группам симметрии.

Необходимость этого эффекта является следствием прямого пироэлекрического эффекта и законов термодинамики. Действительно, напишем термодинамическое соотношение du=TdS+EdP для единицы объема кристалла, предполагая, что во время процесса объем сохраняется неизменным. (E - напряженность поля, P - поляризация). Из этого соотношения следует

Отсюда

Между величинами S,T и E при постоянном объеме имеется функциональная связь, а поэтому

Вводя далее удельную теплоемкость при постоянном объеме и напряженности электрического поля:

Тогда получаем формулу, устанавливающую связь между прямым пироэлектрическим и электрокалорическим эффектами:

Электрокалорический эффект описывается выражением

 

где коэффициент q=dT/dE. Существует и квадратичный электрокалорический эффект, когда изменение температуры ~ E².
 

 

 

 

 

В последнее время ученые проводят активные исследования охлаждающих свойств тонких пленок. Цель проводимых экспериментов – сокращение экологически опасных химических соединений типа хлорфторуглеродов в охлаждающих устройствах и разработка более эффективных методов охлаждения. Тонкие пленки охлаждаются, когда снимается приложенное к ним электрическое поле, – это явление носит название электрокалорического эффекта. Перовскит представляет собой окись, содержащую свинец, цирконий и титан (PZT). Измеряя поляризацию электромагнитной волны в тонких пленках из перовскита при различных температурах, ученые установили, что материал остывает на 1200C при снятии приложенного напряжения в 25 В (электрическое поле – 776 кВ/см), т.е. эффективность охлаждения составляет 0,48 К/В.
Эффект наиболее выражен при температуре 2220C, что в настоящее время исключает его практическое применение. Однако ученые планируют усовершенствовать технологию и в недалеком будущем уже использовать тонкие электрокалорические пленки в качестве охлаждающих материалов в компьютерных микросхемах и в биотехнологических системах – в частности, в сенсорах и микроэлектромеханических и инфракрасных системах формирования изображений. Новая технология охлаждения может также найти применение в автомобильной и космической промышленности, в кондиционерах и бытовых холодильных устройствах.
В настоящее время авторы исследования работают над снижением рабочей температуры PZT-пленок с 2220C до комнатной температуры путем введения различных примесей, а также ведут поиск новых электрокалорических материалов, не содержащих свинец.
 

Пироэлектрический коэффициент γ пироэлектриков таков, что ∆Т, как правило, оказывается малой величиной. Например, для кристалла турмалина электрическое поле Е~10⁵ В/м приводит к охлаждению или нагреванию (в зависимости от направления поля относительно поля спонтанной поляризации) лишь на 5*10^-5 К. В сегнетоэлектриках в области фазового перехода q и γ на несколько порядков выше, поэтому ∆Т может составлять доли единицы и даже 1 К. при этом, однако, зависимость ∆Т(Е) при больших Е перестает быть линейной.