Piezoelektrik, piezoelektrik - fizik fenomena, jenis, sifat dan aplikasi

Piezoelektrik Dielektrik diserlahkan kesan piezoelektrik.

Fenomena piezoelektrik ditemui dan dikaji pada tahun 1880-1881 oleh ahli fizik Perancis terkenal Pierre dan Paul-Jacques Curie.

Selama lebih daripada 40 tahun, piezoelektrik tidak menemui aplikasi praktikal, kekal sebagai hak milik makmal fizik. Hanya semasa Perang Dunia Pertama, saintis Perancis Paul Langevin menggunakan fenomena ini untuk menghasilkan getaran ultrasonik dalam air dari plat kuarza untuk tujuan lokasi di bawah air ("sounder").

Selepas itu, beberapa ahli fizik mula berminat untuk mengkaji sifat piezoelektrik kuarza dan beberapa kristal lain dan aplikasi praktikalnya. Di antara banyak karya mereka adalah beberapa aplikasi yang sangat penting.

Sebagai contoh, pada tahun 1915 S.Butterworth menunjukkan bahawa plat kuarza sebagai sistem mekanikal satu dimensi, yang teruja kerana interaksi antara medan elektrik dan cas elektrik, boleh diwakili sebagai litar elektrik yang setara dengan kapasiti, kearuhan dan perintang yang disambungkan secara bersiri.

Memperkenalkan plat kuarza sebagai litar pengayun, Butterworth adalah yang pertama mencadangkan litar setara untuk resonator kuarza, yang merupakan asas kepada semua kerja teori berikutnya. daripada resonator kuarza.

Kesan piezoelektrik adalah langsung dan songsang. Kesan piezoelektrik langsung dicirikan oleh polarisasi elektrik dielektrik, yang berlaku disebabkan oleh tindakan tegasan mekanikal luaran ke atasnya, manakala cas yang teraruh pada permukaan dielektrik adalah berkadar dengan tegasan mekanikal yang digunakan:

Dengan kesan piezoelektrik terbalik, fenomena itu menunjukkan dirinya sebaliknya - dielektrik mengubah dimensinya di bawah tindakan medan elektrik luaran yang dikenakan padanya, manakala magnitud ubah bentuk mekanikal (ubah bentuk relatif) akan berkadar dengan kekuatan medan elektrik yang digunakan pada sampel:

Faktor perkadaran dalam kedua-dua kes ialah piezomodulus d. Untuk piezoelektrik yang sama, piezomoduli untuk kesan piezoelektrik langsung (dpr) dan terbalik (drev) adalah sama antara satu sama lain. Oleh itu, piezoelektrik ialah sejenis transduser elektromekanikal boleh balik.

Kesan piezoelektrik membujur dan melintang

Kesan piezoelektrik, bergantung pada jenis sampel, boleh membujur atau melintang.Dalam kes kesan piezoelektrik membujur, cas sebagai tindak balas kepada terikan atau terikan sebagai tindak balas kepada medan elektrik luaran dijana dalam arah yang sama seperti tindakan memulakan. Dengan kesan piezoelektrik melintang, rupa cas atau arah ubah bentuk akan berserenjang dengan arah kesan yang menyebabkannya.

Jika medan elektrik berselang-seli mula bertindak pada piezoelektrik, maka ubah bentuk berselang-seli dengan frekuensi yang sama akan muncul di dalamnya. Sekiranya kesan piezoelektrik adalah membujur, maka ubah bentuk akan mempunyai ciri mampatan dan ketegangan ke arah medan elektrik yang digunakan, dan jika ia melintang, maka gelombang melintang akan diperhatikan.

Jika kekerapan medan elektrik berselang-seli yang digunakan adalah sama dengan frekuensi resonans piezoelektrik, maka amplitud ubah bentuk mekanikal akan menjadi maksimum. Kekerapan resonans sampel boleh ditentukan oleh formula (V ialah kelajuan perambatan gelombang mekanikal, h ialah ketebalan sampel):

Ciri yang paling penting bagi bahan piezoelektrik ialah pekali gandingan elektromekanikal, yang menunjukkan nisbah antara daya getaran mekanikal Pa dan kuasa elektrik Pe yang dibelanjakan untuk pengujaannya melalui kesan pada sampel. Pekali ini biasanya mengambil nilai dalam julat 0.01 hingga 0.3.

Piezoelektrik dicirikan oleh struktur kristal bahan dengan ikatan kovalen atau ion tanpa pusat simetri. Bahan dengan kekonduksian rendah, di mana terdapat pembawa caj percuma yang boleh diabaikan, dibezakan oleh ciri piezoelektrik yang tinggi.Piezoelektrik termasuk semua ferroelektrik, serta banyak bahan yang diketahui, termasuk pengubahsuaian kristal kuarza.

Piezoelektrik kristal tunggal

Kelas piezoelektrik ini termasuk ferroelektrik ionik dan kuarza kristal (beta-kuarza SiO2).

Satu kristal beta kuarza mempunyai bentuk prisma heksagon dengan dua piramid di sisi. Marilah kita menyerlahkan beberapa arah kristalografi di sini. Paksi Z melalui puncak piramid dan merupakan paksi optik kristal. Jika plat dipotong daripada kristal sedemikian dalam arah yang berserenjang dengan paksi yang diberikan (Z), maka kesan piezoelektrik tidak dapat dicapai.

Lukiskan paksi X melalui bucu heksagon, terdapat tiga paksi X sedemikian. Jika anda memotong plat berserenjang dengan paksi X, maka kami mendapat sampel dengan kesan piezoelektrik terbaik. Inilah sebabnya mengapa paksi-X dipanggil paksi elektrik dalam kuarza. Ketiga-tiga paksi Y yang dilukis berserenjang dengan sisi kristal kuarza adalah paksi mekanikal.

Kuarza jenis ini tergolong dalam piezoelektrik yang lemah, pekali gandingan elektromekanikalnya berada dalam julat 0.05 hingga 0.1.

Kuarza kristal mempunyai kebolehgunaan yang paling besar kerana keupayaannya untuk mengekalkan sifat piezoelektrik pada suhu sehingga 573 °C. Resonator piezoelektrik kuarza tidak lebih daripada plat selari satah dengan elektrod yang dilekatkan padanya. Unsur-unsur sedemikian dibezakan oleh frekuensi resonans semula jadi yang jelas.

Litium niobite (LiNbO3) ialah bahan piezoelektrik yang digunakan secara meluas berkaitan dengan ferroelektrik ion (bersama litium tantalat LiTaO3 dan bismut germanate Bi12GeO20).Ferroelektrik ionik pra-anil dalam medan elektrik yang kuat pada suhu di bawah titik Curie untuk membawanya ke dalam keadaan domain tunggal. Bahan sedemikian mempunyai pekali gandingan elektromekanikal yang lebih tinggi (sehingga 0.3).

Kadmium sulfida CdS, zink oksida ZnO, zink sulfida ZnS, kadmium selenida CdSe, galium arsenida GaAs, dsb. Ia adalah contoh sebatian jenis semikonduktor dengan ikatan ionik-kovalen. Ini adalah semikonduktor piezo yang dipanggil.

Berdasarkan feroelektrik dipol ini, ethylenediamine tartrate C6H14N8O8, turmalin, kristal tunggal garam Rochelle, litium sulfat Li2SO4H2O - piezoelektrik juga diperolehi.

Piezoelektrik polihabluran

Seramik feroelektrik tergolong dalam piezoelektrik polihabluran. Untuk memberikan sifat piezoelektrik kepada seramik feroelektrik, seramik tersebut mesti dipolarisasi selama satu jam dalam medan elektrik yang kuat (dengan kekuatan 2 hingga 4 MV / m) pada suhu 100 hingga 150 ° C, supaya selepas pendedahan ini , polarisasi kekal di dalamnya, yang memungkinkan untuk mendapatkan kesan piezoelektrik. Oleh itu, seramik piezoelektrik teguh dengan pekali gandingan piezoelektrik 0.2 hingga 0.4 diperolehi.

Unsur piezoelektrik dalam bentuk yang diperlukan diperbuat daripada piezoceramics untuk mendapatkan getaran mekanikal dari sifat yang diperlukan (membujur, melintang, lentur). Wakil utama piezoceramics industri dibuat berdasarkan barium titanate, kalsium, plumbum, plumbum zirkonat-titanat dan barium plumbum niobate.

Piezoelektrik polimer

Filem polimer (cth. polyvinylidene fluoride) diregangkan sebanyak 100-400%, kemudian dipolarisasi dalam medan elektrik, dan kemudian elektrod digunakan dengan metalisasi. Oleh itu, unsur piezoelektrik filem dengan pekali gandingan elektromekanikal tertib 0.16 diperolehi.

Penggunaan piezoelektrik

Elemen piezoelektrik yang berasingan dan saling berkaitan boleh didapati dalam bentuk peranti kejuruteraan radio siap pakai - transduser piezoelektrik dengan elektrod yang dilekatkan padanya.

Peranti sedemikian, diperbuat daripada kuarza, seramik piezoelektrik, atau piezoelektrik ionik, digunakan untuk menjana, mengubah dan menapis isyarat elektrik. Plat selari satah dipotong dari kristal kuarza, elektrod dipasang - resonator diperolehi.

Kekerapan dan Q-faktor resonator bergantung pada sudut kepada paksi kristalografi di mana plat dipotong. Biasanya, dalam julat frekuensi radio sehingga 50 MHz, faktor Q resonator tersebut mencapai 100,000. Di samping itu, transduser piezoelektrik digunakan secara meluas sebagai pengubah piezoelektrik dengan galangan masukan yang tinggi, untuk julat frekuensi yang biasanya luas.

Dari segi faktor kualiti dan kekerapan, kuarza mengatasi prestasi piezoelektrik ion, mampu beroperasi pada frekuensi sehingga 1 GHz. Plat litium tantalate yang paling nipis digunakan sebagai pemancar dan penerima getaran ultrasonik dengan frekuensi 0.02 hingga 1 GHz, dalam resonator, penapis, garis kelewatan gelombang akustik permukaan.

Filem nipis semikonduktor piezoelektrik yang didepositkan pada substrat dielektrik digunakan dalam transduser interdigital (di sini elektrod boleh ubah digunakan untuk merangsang gelombang akustik permukaan).

Transduser piezoelektrik frekuensi rendah dibuat berdasarkan ferroelektrik dipol: mikrofon kecil, pembesar suara, pikap, sensor untuk tekanan, ubah bentuk, getaran, pecutan, pemancar ultrasonik.