Piezoelektryki, piezoelektryczność - fizyka zjawiska, rodzaje, właściwości i zastosowania

Piezoelektryki Dielektryki są podświetlone efekt piezoelektryczny.

Zjawisko piezoelektryczności zostało odkryte i zbadane w latach 1880-1881 przez słynnych francuskich fizyków Pierre'a i Paula-Jacquesa Curie.

Przez ponad 40 lat piezoelektryczność nie znalazła praktycznego zastosowania, pozostając własnością laboratoriów fizycznych. Dopiero podczas I wojny światowej francuski naukowiec Paul Langevin wykorzystał to zjawisko do generowania ultradźwiękowych drgań w wodzie z płytki kwarcowej w celu lokalizacji podwodnej („sonda”).

Następnie wielu fizyków zainteresowało się badaniem właściwości piezoelektrycznych kwarcu i niektórych innych kryształów oraz ich praktycznymi zastosowaniami. Wśród wielu ich prac było kilka bardzo ważnych aplikacji.

Na przykład w 1915 r.Butterworth wykazał, że płytkę kwarcową jako jednowymiarowy układ mechaniczny, który jest wzbudzany w wyniku oddziaływania pola elektrycznego z ładunkami elektrycznymi, można przedstawić jako równoważny obwód elektryczny z pojemnością, indukcyjnością i rezystorem połączonymi szeregowo.

Wprowadzając płytkę kwarcową jako obwód oscylatora, Butterworth jako pierwszy zaproponował równoważny obwód dla rezonatora kwarcowego, który jest podstawą wszystkich późniejszych prac teoretycznych. z rezonatorów kwarcowych.

Efekt piezoelektryczny jest bezpośredni i odwrotny. Bezpośredni efekt piezoelektryczny charakteryzuje się polaryzacją elektryczną dielektryka, która zachodzi w wyniku działania na niego zewnętrznego naprężenia mechanicznego, podczas gdy ładunek indukowany na powierzchni dielektryka jest proporcjonalny do przyłożonego naprężenia mechanicznego:

Przy odwrotnym efekcie piezoelektrycznym zjawisko objawia się odwrotnie — dielektryk zmienia swoje wymiary pod wpływem przyłożonego do niego zewnętrznego pola elektrycznego, natomiast wielkość odkształcenia mechanicznego (odkształcenia względnego) będzie proporcjonalna do siły pole elektryczne przyłożone do próbki:

Współczynnikiem proporcjonalności w obu przypadkach jest moduł piezoelektryczny d. Dla tego samego efektu piezoelektrycznego moduły piezoelektryczne dla bezpośredniego (dpr) i odwrotnego (drev) efektu piezoelektrycznego są sobie równe. Zatem piezoelektryki są rodzajem odwracalnych przetworników elektromechanicznych.

Wzdłużny i poprzeczny efekt piezoelektryczny

Efekt piezoelektryczny, w zależności od rodzaju próbki, może być podłużny lub poprzeczny.W przypadku podłużnego efektu piezoelektrycznego, ładunki w odpowiedzi na odkształcenie lub naprężenie w odpowiedzi na zewnętrzne pole elektryczne są generowane w tym samym kierunku co działanie inicjujące. Przy poprzecznym efekcie piezoelektrycznym pojawienie się ładunków lub kierunek odkształcenia będzie prostopadły do ​​kierunku efektu, który je wywołuje.

Jeśli zmienne pole elektryczne zacznie działać na piezoelektryk, pojawi się w nim przemienne odkształcenie o tej samej częstotliwości. Jeśli efekt piezoelektryczny jest podłużny, to odkształcenia będą miały charakter ściskania i rozciągania w kierunku przyłożonego pola elektrycznego, a jeśli poprzeczny, to będą obserwowane fale poprzeczne.

Jeśli częstotliwość przyłożonego zmiennego pola elektrycznego jest równa częstotliwości rezonansowej piezoelektryka, wówczas amplituda odkształcenia mechanicznego będzie maksymalna. Częstotliwość rezonansową próbki można określić za pomocą wzoru (V to prędkość propagacji fal mechanicznych, h to grubość próbki):

Najważniejszą cechą materiału piezoelektrycznego jest współczynnik sprzężenia elektromechanicznego, który wskazuje stosunek siły drgań mechanicznych Pa do mocy elektrycznej Pe zużytej na ich wzbudzenie poprzez uderzenie w próbkę. Współczynnik ten zwykle przyjmuje wartość z przedziału od 0,01 do 0,3.

Piezoelektryki charakteryzują się strukturą krystaliczną materiału z wiązaniem kowalencyjnym lub jonowym bez środka symetrii. Materiały o niskim przewodnictwie, w których występują znikome nośniki ładunku swobodnego, wyróżniają się wysokimi właściwościami piezoelektrycznymi.Piezoelektryki obejmują wszystkie ferroelektryki, a także bogactwo znanych materiałów, w tym krystaliczną modyfikację kwarcu.

Piezoelektryki monokrystaliczne

Ta klasa piezoelektryków obejmuje ferroelektryki jonowe i kwarc krystaliczny (beta-kwarc SiO2).

Pojedynczy kryształ kwarcu beta ma kształt graniastosłupa sześciokątnego z dwoma ostrosłupami po bokach. Podkreślmy tutaj kilka kierunków krystalograficznych. Oś Z przechodzi przez wierzchołki piramid i jest osią optyczną kryształu. Jeśli płytka zostanie wycięta z takiego kryształu w kierunku prostopadłym do danej osi (Z), to nie można uzyskać efektu piezoelektrycznego.

Narysuj osie X przez wierzchołki sześciokąta, takich osi X są trzy. Jeśli przetniemy płytki prostopadle do osi X, otrzymamy próbkę o najlepszym efekcie piezoelektrycznym. Dlatego osie X nazywane są osiami elektrycznymi w kwarcu. Wszystkie trzy osie Y poprowadzone prostopadle do boków kryształu kwarcu są osiami mechanicznymi.

Ten rodzaj kwarcu należy do słabych piezoelektryków, jego współczynnik sprzężenia elektromechanicznego mieści się w przedziale od 0,05 do 0,1.

Kwarc krystaliczny miał największe zastosowanie ze względu na jego zdolność do utrzymywania właściwości piezoelektrycznych w temperaturach do 573 ° C. Kwarcowe rezonatory piezoelektryczne to nic innego jak płasko-równoległe płytki z przymocowanymi do nich elektrodami. Takie elementy wyróżniają się wyraźną naturalną częstotliwością rezonansową.

Niobit litu (LiNbO3) jest szeroko stosowanym materiałem piezoelektrycznym spokrewnionym z ferroelektrykami jonowymi (obok tantalanu litu LiTaO3 i germanianu bizmutu Bi12GeO20).Ferroelektryki jonowe są wstępnie wyżarzane w silnym polu elektrycznym w temperaturze poniżej punktu Curie, aby doprowadzić je do stanu jednodomenowego. Takie materiały mają wyższe współczynniki sprzężenia elektromechanicznego (do 0,3).

Siarczek kadmu CdS, tlenek cynku ZnO, siarczek cynku ZnS, selenek kadmu CdSe, arsenek galu GaAs itp. Są przykładami związków typu półprzewodnikowego z wiązaniem jonowo-kowalencyjnym. Są to tak zwane półprzewodniki piezoelektryczne.

Na bazie tych dipolowych ferroelektryków, winianu etylenodiaminy C6H14N8O8, turmalinu, monokryształów soli Rochelle, siarczanu litu Li2SO4H2O — piezoelektryki są również otrzymywane.

Piezoelektryki polikrystaliczne

Ceramika ferroelektryczna należy do piezoelektryków polikrystalicznych. W celu nadania ceramice ferroelektrycznej właściwości piezoelektrycznych, ceramikę taką należy spolaryzować przez jedną godzinę w silnym polu elektrycznym (o natężeniu od 2 do 4 MV/m) w temperaturze od 100 do 150°C, tak aby po tej ekspozycji , pozostaje w nim polaryzacja, co umożliwia uzyskanie efektu piezoelektrycznego. W ten sposób uzyskuje się wytrzymałą ceramikę piezoelektryczną o współczynnikach sprzężenia piezoelektrycznego od 0,2 do 0,4.

Elementy piezoelektryczne o wymaganym kształcie wykonuje się z piezoceramiki w celu uzyskania następnie drgań mechanicznych o wymaganym charakterze (podłużne, poprzeczne, zginające). Główni przedstawiciele piezoceramiki przemysłowej wykonane są na bazie tytanianu baru, wapnia, ołowiu, cyrkonianu-tytanianu ołowiu oraz niobianu baru i ołowiu.

Piezoelektryki polimerowe

Folie polimerowe (np. polifluorek winylidenu) są rozciągane o 100-400%, następnie polaryzowane w polu elektrycznym, a następnie nakładane są elektrody metodą metalizacji. W ten sposób uzyskuje się foliowe elementy piezoelektryczne o współczynniku sprzężenia elektromechanicznego rzędu 0,16.

Zastosowanie piezoelektryków

Oddzielne i połączone ze sobą elementy piezoelektryczne można znaleźć w postaci gotowych urządzeń radiotechnicznych - przetworników piezoelektrycznych z przymocowanymi do nich elektrodami.

Takie urządzenia, wykonane z kwarcu, ceramiki piezoelektrycznej lub piezoelektryków jonowych, służą do generowania, przekształcania i filtrowania sygnałów elektrycznych. Płasko-równoległa płyta jest wycinana z kryształu kwarcu, mocowane są elektrody - uzyskuje się rezonator.

Częstotliwość i współczynnik Q rezonatora zależą od kąta do osi krystalograficznych, pod którymi przecina się płytkę. Zazwyczaj w zakresie częstotliwości radiowych do 50 MHz współczynnik Q takich rezonatorów sięga 100 000. Ponadto przetworniki piezoelektryczne są szeroko stosowane jako transformatory piezoelektryczne o wysokiej impedancji wejściowej, dla typowo szerokiego zakresu częstotliwości.

Pod względem współczynnika jakości i częstotliwości kwarc przewyższa piezoelektryki jonowe, zdolne do pracy na częstotliwościach do 1 GHz. Najcieńsze tantalany litu stosowane są jako nadajniki i odbiorniki drgań ultradźwiękowych o częstotliwości od 0,02 do 1 GHz, w rezonatorach, filtrach, liniach opóźniających powierzchniowe fale akustyczne.

Cienkie warstwy półprzewodników piezoelektrycznych osadzonych na podłożach dielektrycznych są stosowane w przetwornikach międzypalcowych (tutaj elektrody zmienne służą do wzbudzania powierzchniowych fal akustycznych).

Przetworniki piezoelektryczne niskiej częstotliwości wykonywane są na bazie ferroelektryków dipolowych: miniaturowe mikrofony, głośniki, przetworniki, czujniki ciśnienia, deformacji, wibracji, przyspieszenia, emitery ultradźwiękowe.