Piezoelectricitate, piezoelectricitate - fizica fenomenului, tipuri, proprietăți și aplicații

Piezoelectrice Se evidențiază dielectricii efect piezoelectric.

Fenomenul piezoelectricității a fost descoperit și studiat în 1880-1881 de către celebrii fizicieni francezi Pierre și Paul-Jacques Curie.

De mai bine de 40 de ani, piezoelectricitatea nu și-a găsit aplicație practică, rămânând proprietatea laboratoarelor de fizică. Abia în timpul Primului Război Mondial, omul de știință francez Paul Langevin a folosit acest fenomen pentru a genera vibrații ultrasonice în apă dintr-o placă de cuarț în scopul amplasării subacvatice („sonor”).

După aceea, un număr de fizicieni au devenit interesați de studiul proprietăților piezoelectrice ale cuarțului și ale altor cristale și aplicațiile lor practice. Printre numeroasele lor lucrări au fost câteva aplicații foarte importante.

De exemplu, în 1915 S.Butterworth a arătat că placa de cuarț ca sistem mecanic unidimensional, care este excitat din cauza interacțiunii dintre un câmp electric și sarcini electrice, poate fi reprezentată ca un circuit electric echivalent cu capacitatea, inductanța și rezistor conectate în serie.

Introducând o placă de cuarț ca circuit oscilator, Butterworth a fost primul care a propus un circuit echivalent pentru un rezonator de cuarț, care stă la baza tuturor lucrărilor teoretice ulterioare. de la rezonatoare de cuarț.

Efectul piezoelectric este direct și invers. Efectul piezoelectric direct se caracterizează prin polarizarea electrică a dielectricului, care are loc datorită acțiunii unui stres mecanic extern asupra acestuia, în timp ce sarcina indusă pe suprafața dielectricului este proporțională cu solicitarea mecanică aplicată:

Cu efectul piezoelectric invers, fenomenul se manifestă invers - dielectricul își schimbă dimensiunile sub acțiunea unui câmp electric extern aplicat acestuia, în timp ce mărimea deformației mecanice (deformația relativă) va fi proporțională cu rezistența câmpul electric aplicat probei:

Factorul de proporționalitate în ambele cazuri este piezomodulus d. Pentru același piezoelectric, piezomodulii pentru efectul piezoelectric direct (dpr) și invers (drev) sunt egali unul cu celălalt. Astfel, piezoelectricii sunt un tip de traductoare electromecanice reversibile.

Efect piezoelectric longitudinal și transversal

Efectul piezoelectric, în funcție de tipul probei, poate fi longitudinal sau transversal.În cazul efectului piezoelectric longitudinal, sarcinile ca răspuns la deformare sau deformare ca răspuns la un câmp electric extern sunt generate în aceeași direcție cu acțiunea de inițiere. Cu efectul piezoelectric transversal, apariția sarcinilor sau direcția de deformare va fi perpendiculară pe direcția efectului care le provoacă.

Dacă un câmp electric alternativ începe să acționeze asupra unui piezoelectric, atunci va apărea în el o deformare alternativă cu aceeași frecvență. Daca efectul piezoelectric este longitudinal, atunci deformatiile vor avea caracter de compresie si tensiune in directia campului electric aplicat, iar daca este transversal, atunci se vor observa unde transversale.

Dacă frecvența câmpului electric alternativ aplicat este egală cu frecvența de rezonanță a piezoelectricului, atunci amplitudinea deformației mecanice va fi maximă. Frecvența de rezonanță a probei poate fi determinată prin formula (V este viteza de propagare a undelor mecanice, h este grosimea probei):

Cea mai importantă caracteristică a materialului piezoelectric este coeficientul de cuplare electromecanic, care indică raportul dintre forța vibrațiilor mecanice Pa și puterea electrică Pe consumată la excitarea lor prin impactul asupra probei. Acest coeficient ia de obicei o valoare în intervalul de la 0,01 la 0,3.

Piezoelectricele sunt caracterizate printr-o structură cristalină a unui material cu o legătură covalentă sau ionică fără centru de simetrie. Materialele cu conductivitate scăzută, în care există purtători de sarcină liberi neglijabili, se disting prin caracteristici piezoelectrice ridicate.Piezoelectricele includ toți feroelectricii, precum și o mulțime de materiale cunoscute, inclusiv modificarea cristalină a cuarțului.

Piezoelectrice cu un singur cristal

Această clasă de piezoelectrice include feroelectrice ionice și cuarț cristalin (beta-quartz SiO2).

Un singur cristal de cuarț beta are forma unei prisme hexagonale cu două piramide pe laturi. Să evidențiem aici câteva direcții cristalografice. Axa Z trece prin vârfurile piramidelor și este axa optică a cristalului. Dacă o placă este tăiată dintr-un astfel de cristal într-o direcție perpendiculară pe axa dată (Z), atunci efectul piezoelectric nu poate fi atins.

Desenați axele X prin vârfurile hexagonului, există trei astfel de axe X. Dacă tăiați plăcile perpendicular pe axele X, atunci obținem o probă cu cel mai bun efect piezoelectric. Acesta este motivul pentru care axele X sunt numite axe electrice în cuarț. Toate cele trei axe Y desenate perpendicular pe laturile cristalului de cuarț sunt axe mecanice.

Acest tip de cuarț aparține piezoelectricilor slabi, coeficientul său de cuplare electromecanic este în intervalul de la 0,05 la 0,1.

Cuarțul cristalin a avut cea mai mare aplicabilitate datorită capacității sale de a menține proprietățile piezoelectrice la temperaturi de până la 573 ° C. Rezonatoarele piezoelectrice de cuarț nu sunt altceva decât plăci plan-paralele cu electrozi atașați la ele. Astfel de elemente se disting printr-o frecvență de rezonanță naturală pronunțată.

Niobitul de litiu (LiNbO3) este un material piezoelectric utilizat pe scară largă în legătură cu feroelectricii ionici (împreună cu tantalat de litiu LiTaO3 și germanatul de bismut Bi12GeO20).Feroelectricii ionici sunt precoaceți într-un câmp electric puternic la o temperatură sub punctul Curie pentru a le aduce într-o stare cu un singur domeniu. Astfel de materiale au coeficienți de cuplare electromecanic mai mari (până la 0,3).

Sulfura de cadmiu CdS, oxidul de zinc ZnO, sulfura de zinc ZnS, seleniura de cadmiu CdSe, arseniura de galiu GaAs etc. Sunt exemple de compuși de tip semiconductor cu o legătură ionic-covalentă. Acestea sunt așa-numiții semiconductori piezo.

Pe baza acestor feroelectrici dipol, se obțin și tartrat de etilendiamină C6H14N8O8, turmalină, monocristale de sare Rochelle, sulfat de litiu Li2SO4H2O — piezoelectrici.

Piezoelectrice policristaline

Ceramica feroelectrică aparține piezoelectricilor policristalini. Pentru a conferi proprietăți piezoelectrice ceramicii feroelectrice, astfel de ceramică trebuie polarizate timp de o oră într-un câmp electric puternic (cu o putere de 2 până la 4 MV/m) la o temperatură de 100 până la 150 ° C, astfel încât după această expunere , polarizarea rămâne în ea, ceea ce face posibilă obținerea unui efect piezoelectric. Astfel, se obțin ceramică piezoelectrică robustă cu coeficienți de cuplare piezoelectric de la 0,2 la 0,4.

Elementele piezoelectrice de forma ceruta sunt realizate din piezoceramica pentru a obtine apoi vibratii mecanice de natura ceruta (longitudinale, transversale, incovoiere). Principalii reprezentanți ai piezoceramicelor industriale sunt fabricați pe bază de titanat de bariu, calciu, plumb, zirconat-titanat de plumb și niobat de plumb de bariu.

Piezoelectrice polimerice

Filmele polimerice (de exemplu, fluorură de poliviniliden) sunt întinse cu 100-400%, apoi polarizate într-un câmp electric, iar apoi electrozii sunt aplicați prin metalizare. Astfel, se obțin elemente piezoelectrice de film cu un coeficient de cuplare electromecanic de ordinul 0,16.

Aplicarea piezoelectricilor

Elementele piezoelectrice separate și interconectate pot fi găsite sub formă de dispozitive de inginerie radio gata făcute - traductoare piezoelectrice cu electrozi atașați la ele.

Astfel de dispozitive, realizate din cuarț, ceramică piezoelectrică sau piezoelectrice ionice, sunt folosite pentru a genera, transforma și filtra semnale electrice. Din cristalul de cuarț este tăiată o placă plan-paralelă, electrozii sunt atașați - se obține un rezonator.

Frecvența și factorul Q ale rezonatorului depind de unghiul față de axele cristalografice la care placa este tăiată. De obicei, în domeniul de frecvență radio de până la 50 MHz, factorul Q al unor astfel de rezonatoare ajunge la 100 000. În plus, traductoarele piezoelectrice sunt utilizate pe scară largă ca transformatoare piezoelectrice cu impedanță de intrare mare, pentru o gamă de frecvență de obicei largă.

În ceea ce privește factorul de calitate și frecvența, cuarțul depășește piezoelectricii ionici, capabili să funcționeze la frecvențe de până la 1 GHz. Cele mai subțiri plăci de tantalat de litiu sunt folosite ca emițători și receptoare de vibrații ultrasonice cu o frecvență de 0,02 până la 1 GHz, în rezonatoare, filtre, linii de întârziere ale undelor acustice de suprafață.

Filmele subțiri de semiconductori piezoelectrici depuse pe substraturi dielectrice sunt utilizate în traductoarele interdigitale (aici electrozi variabili sunt utilizați pentru a excita undele acustice de suprafață).

Traductoarele piezoelectrice de joasă frecvență sunt realizate pe baza feroelectricilor dipol: microfoane miniaturale, difuzoare, pickup-uri, senzori de presiune, deformare, vibrații, accelerație, emițători de ultrasunete.