Piezoelektrika, piezoelektricitet - fizika fenomena, vrste, svojstva i primjena

Piezoelektrika Dielektrici su istaknuti piezoelektrični učinak.

Fenomen piezoelektriciteta otkrili su i proučavali 1880.-1881. poznati francuski fizičari Pierre i Paul-Jacques Curie.

Više od 40 godina piezoelektricitet nije pronašao praktičnu primjenu, ostajući vlasništvo fizičkih laboratorija. Tek je tijekom Prvog svjetskog rata francuski znanstvenik Paul Langevin iskoristio ovaj fenomen za generiranje ultrazvučnih vibracija u vodi iz kvarcne ploče za potrebe podvodnog lociranja ("sonder").

Nakon toga niz se fizičara zainteresirao za proučavanje piezoelektričnih svojstava kvarca i nekih drugih kristala i njihovu praktičnu primjenu. Među njihovim brojnim radovima bilo je nekoliko vrlo važnih aplikacija.

Na primjer, 1915. S.Butterworth je pokazao da se kvarcna ploča kao jednodimenzionalni mehanički sustav, koji se pobuđuje međudjelovanjem između električnog polja i električnih naboja, može prikazati kao ekvivalentni električni krug s kapacitivnošću, induktivitetom i otpornikom spojenim u seriju.

Predstavljajući kvarcnu ploču kao oscilatorski krug, Butterworth je prvi predložio ekvivalentni krug za kvarcni rezonator, koji je temelj svih kasnijih teorijskih radova. od kvarcnih rezonatora.

Piezoelektrični učinak je izravan i inverzan. Izravni piezoelektrični učinak karakterizira električna polarizacija dielektrika, koja nastaje djelovanjem vanjskog mehaničkog naprezanja na njega, dok je naboj induciran na površini dielektrika proporcionalan primijenjenom mehaničkom naprezanju:

S obrnutim piezoelektričnim efektom, fenomen se očituje obrnuto - dielektrik mijenja svoje dimenzije pod djelovanjem vanjskog električnog polja koje se na njega primjenjuje, dok će veličina mehaničke deformacije (relativna deformacija) biti proporcionalna jakosti električno polje primijenjeno na uzorak:

Faktor proporcionalnosti u oba slučaja je piezomodulus d. Za isti piezoelektrik, piezomoduli za izravni (dpr) i obrnuti (drev) piezoelektrični učinak međusobno su jednaki. Dakle, piezoelektrici su vrsta reverzibilnih elektromehaničkih pretvarača.

Uzdužni i poprečni piezoelektrični učinak

Piezoelektrični učinak, ovisno o vrsti uzorka, može biti uzdužni ili poprečni.U slučaju longitudinalnog piezoelektričnog učinka, naboji kao odgovor na naprezanje ili naprezanje kao odgovor na vanjsko električno polje generiraju se u istom smjeru kao i inicijalno djelovanje. Kod transverzalnog piezoelektričnog efekta pojava naboja ili smjer deformacije bit će okomit na smjer efekta koji ih uzrokuje.

Ako na piezoelektrik počne djelovati izmjenično električno polje, tada će se u njemu pojaviti izmjenična deformacija iste frekvencije. Ako je piezoelektrični efekt longitudinalan, tada će deformacije imati karakter kompresije i napetosti u smjeru primijenjenog električnog polja, a ako je transverzalan, tada će se uočiti transverzalni valovi.

Ako je frekvencija primijenjenog izmjeničnog električnog polja jednaka rezonantnoj frekvenciji piezoelektrika, tada će amplituda mehaničke deformacije biti najveća. Rezonantna frekvencija uzorka može se odrediti formulom (V je brzina širenja mehaničkih valova, h je debljina uzorka):

Najvažnija karakteristika piezoelektričnog materijala je koeficijent elektromehaničke sprege, koji označava omjer između sile mehaničkih vibracija Pa i električne snage Pe utrošene na njihovo pobuđivanje udarcem o uzorak. Ovaj koeficijent obično ima vrijednost u rasponu od 0,01 do 0,3.

Piezoelektrike karakterizira kristalna struktura materijala s kovalentnom ili ionskom vezom bez središta simetrije. Materijali niske vodljivosti, u kojima ima zanemarivih slobodnih nositelja naboja, odlikuju se visokim piezoelektričnim karakteristikama.Piezoelektrici uključuju sve feroelektrike, kao i mnoštvo poznatih materijala, uključujući kristalnu modifikaciju kvarca.

Monokristalni piezoelektrici

Ova klasa piezoelektrika uključuje ionske feroelektrike i kristalni kvarc (beta-kvarc SiO2).

Monokristal beta kvarca ima oblik šesterokutne prizme s dvije piramide na stranama. Istaknimo ovdje nekoliko kristalografskih pravaca. Os Z prolazi kroz vrhove piramida i optička je os kristala. Ako se iz takvog kristala izreže ploča u smjeru okomitom na zadanu os (Z), tada se ne može postići piezoelektrični efekt.

Nacrtajte osi X kroz vrhove šesterokuta, postoje tri takve osi X. Ako izrežete ploče okomito na osi X, tada ćemo dobiti uzorak s najboljim piezoelektričnim učinkom. Zbog toga se X-osi nazivaju električnim osi u kvarcu. Sve tri Y osi povučene okomito na stranice kvarcnog kristala su mehaničke osi.

Ova vrsta kvarca pripada slabim piezoelektricima, njegov koeficijent elektromehaničke sprege je u rasponu od 0,05 do 0,1.

Kristalni kvarc je imao najveću primjenjivost zbog svoje sposobnosti održavanja piezoelektričnih svojstava na temperaturama do 573 ° C. Kvarcni piezoelektrični rezonatori nisu ništa više od planparalelnih ploča s elektrodama pričvršćenim na njih. Takvi elementi odlikuju se izraženom prirodnom frekvencijom rezonancije.

Litijev niobit (LiNbO3) široko je korišten piezoelektrični materijal povezan s ionskim feroelektricima (zajedno s litijevim tantalatom LiTaO3 i bizmutovim germanatom Bi12GeO20).Ionski feroelektrici prethodno se žare u jakom električnom polju na temperaturi ispod Curiejeve točke kako bi se doveli u stanje s jednom domenom. Takvi materijali imaju veće koeficijente elektromehaničke sprege (do 0,3).

Kadmijev sulfid CdS, cink oksid ZnO, cink sulfid ZnS, kadmijev selenid CdSe, galijev arsenid GaAs itd. Oni su primjeri spojeva tipa poluvodiča s ionsko-kovalentnom vezom. To su takozvani piezo poluvodiči.

Na temelju ovih dipolnih feroelektrika dobivaju se i etilendiamin tartarat C6H14N8O8, turmalin, monokristali Rochelleove soli, litijev sulfat Li2SO4H2O — piezoelektrici.

Polikristalni piezoelektrici

Feroelektrična keramika spada u polikristalne piezoelektrike. Kako bi se feroelektričnoj keramici prenijela piezoelektrična svojstva, takva se keramika mora polarizirati jedan sat u jakom električnom polju (jačine 2 do 4 MV/m) na temperaturi od 100 do 150 °C, tako da nakon ovog izlaganja , u njemu ostaje polarizacija, što omogućuje postizanje piezoelektričnog učinka. Tako se dobiva robusna piezoelektrična keramika s koeficijentima piezoelektrične sprege od 0,2 do 0,4.

Piezoelektrični elementi traženog oblika izrađuju se od piezokeramike kako bi se potom dobile mehaničke vibracije tražene prirode (uzdužne, poprečne, savojne). Glavni predstavnici industrijske piezokeramike izrađeni su na bazi barij-titanata, kalcija, olova, olovo-cirkonat-titanata i barij-olovo-niobata.

Polimerni piezoelektrici

Polimerni filmovi (npr. poliviniliden fluorid) rastežu se za 100-400%, zatim polariziraju u električnom polju, a zatim se elektrode nanose metalizacijom. Tako se dobivaju filmski piezoelektrični elementi s elektromehaničkim koeficijentom sprege reda veličine 0,16.

Primjena piezoelektrika

Odvojeni i međusobno povezani piezoelektrični elementi mogu se naći u obliku gotovih radiotehničkih uređaja - piezoelektričnih pretvarača s elektrodama pričvršćenim na njih.

Takvi uređaji, izrađeni od kvarca, piezoelektrične keramike ili ionskih piezoelektrika, koriste se za generiranje, transformaciju i filtriranje električnih signala. Planparalelna ploča izrezana je iz kristala kvarca, pričvršćene su elektrode - dobiva se rezonator.

Frekvencija i Q-faktor rezonatora ovise o kutu prema kristalografskim osima pod kojima je ploča izrezana. Tipično, u radiofrekvencijskom području do 50 MHz, Q faktor takvih rezonatora doseže 100 000. Osim toga, piezoelektrični pretvornici naširoko se koriste kao piezoelektrični transformatori s visokom ulaznom impedancijom, za tipično široki frekvencijski raspon.

Što se tiče faktora kvalitete i frekvencije, kvarc nadmašuje ionske piezoelektrike, koji mogu raditi na frekvencijama do 1 GHz. Najtanje ploče litij tantalata koriste se kao emiteri i prijamnici ultrazvučnih vibracija frekvencije od 0,02 do 1 GHz, u rezonatorima, filterima, linijama kašnjenja površinskih akustičnih valova.

Tanki filmovi piezoelektričnih poluvodiča naneseni na dielektrične podloge koriste se u interdigitalnim pretvornicima (ovdje se koriste promjenjive elektrode za pobuđivanje površinskih akustičnih valova).

Na bazi dipolnih feroelektrika izrađuju se niskofrekventni piezoelektrični pretvarači: minijaturni mikrofoni, zvučnici, senzori za tlak, deformacije, vibracije, ubrzanje, ultrazvučni emiteri.