Пиезоелектрици, пиезоелектрици - физика феномена, врсте, својства и примена

Пиезоелектрика Диелектрици су истакнути пиезоелектрични ефекат.

Феномен пиезоелектричности су открили и проучавали 1880-1881. године познати француски физичари Пјер и Пол-Жак Кири.

Више од 40 година пиезоелектрицитет није нашао практичну примену, остајући власништво лабораторија физике. Тек током Првог светског рата француски научник Пол Ланжевен је искористио овај феномен да генерише ултразвучне вибрације у води са кварцне плоче у сврху подводног лоцирања („сондер”).

Након тога, један број физичара се заинтересовао за проучавање пиезоелектричних својстава кварца и неких других кристала и њихову практичну примену. Међу њиховим бројним радовима било је неколико веома важних апликација.

На пример, 1915. С.Батерворт је показао да се кварцна плоча као једнодимензионални механички систем, који се побуђује услед интеракције између електричног поља и електричних наелектрисања, може представити као еквивалентно електрично коло са серијски повезаним капацитетом, индуктивношћу и отпорником.

Уводећи кварцну плочу као осцилаторно коло, Батерворт је први предложио еквивалентно коло за кварцни резонатор, што је основа свих наредних теоријских радова. од кварцних резонатора.

Пиезоелектрични ефекат је директан и инверзан. Директни пиезоелектрични ефекат карактерише електрична поларизација диелектрика, која настаје услед дејства спољашњег механичког напрезања на њега, док је наелектрисање индуковано на површини диелектрика пропорционално примењеном механичком напрезању:

Са обрнутим пиезоелектричним ефектом, појава се манифестује обрнуто — диелектрик мења своје димензије под дејством спољашњег електричног поља примењеног на њега, док ће величина механичке деформације (релативне деформације) бити пропорционална јачини електрично поље примењено на узорак:

Фактор пропорционалности у оба случаја је пиезомодулус д. За исти пиезоелектрик, пиезомодули за директни (дпр) и реверзни (древ) пиезоелектрични ефекат су међусобно једнаки. Дакле, пиезоелектрици су врста реверзибилних електромеханичких претварача.

Уздужни и попречни пиезоелектрични ефекат

Пиезоелектрични ефекат, у зависности од врсте узорка, може бити уздужни или попречни.У случају уздужног пиезоелектричног ефекта, наелектрисања као одговор на напрезање или напрезање као одговор на спољашње електрично поље се генеришу у истом смеру као и иницијално дејство. Код попречног пиезоелектричног ефекта, појава наелектрисања или правац деформације биће окомита на смер ефекта који их изазива.

Ако на пиезоелектрик почне да делује наизменично електрично поље, онда ће се у њему појавити наизменична деформација са истом фреквенцијом. Ако је пиезоелектрични ефекат уздужан, онда ће деформације имати карактер компресије и затезања у правцу примењеног електричног поља, а ако је попречно, онда ће се посматрати попречни таласи.

Ако је фреквенција примењеног наизменичног електричног поља једнака резонантној фреквенцији пиезоелектрика, онда ће амплитуда механичке деформације бити максимална. Резонантна фреквенција узорка се може одредити по формули (В је брзина простирања механичких таласа, х је дебљина узорка):

Најважнија карактеристика пиезоелектричног материјала је коефицијент електромеханичке спреге, који показује однос између силе механичких вибрација Па и електричне снаге Пе утрошене на њихово побуђивање ударом о узорак. Овај коефицијент обично има вредност у опсегу од 0,01 до 0,3.

Пиезоелектрике карактерише кристална структура материјала са ковалентном или јонском везом без центра симетрије. Материјали са ниском проводљивошћу, у којима постоје занемарљиви слободни носиоци наелектрисања, одликују се високим пиезоелектричним карактеристикама.Пиезоелектрици укључују све фероелектрике, као и мноштво познатих материјала, укључујући кристалну модификацију кварца.

Монокристални пиезоелектрици

Ова класа пиезоелектрика укључује јонске фероелектрике и кристални кварц (бета-кварц СиО2).

Појединачни кристал бета кварца има облик хексагоналне призме са две пирамиде на странама. Истакнимо овде неколико кристалографских праваца. Оса З пролази кроз врхове пирамида и оптичка је оса кристала. Ако се од таквог кристала одсече плоча у правцу управном на дату осу (З), онда се не може постићи пиезоелектрични ефекат.

Провуците осе Кс кроз врхове шестоугла, постоје три такве осе Кс. Ако исечете плоче окомито на осе Кс, онда добијамо узорак са најбољим пиезоелектричним ефектом. Због тога се Кс-осе у кварцу називају електричне осе. Све три И осе повучене окомито на стране кристала кварца су механичке осе.

Овај тип кварца припада слабим пиезоелектрицима, његов коефицијент електромеханичког спрезања је у опсегу од 0,05 до 0,1.

Кристални кварц је имао највећу применљивост због своје способности да одржи пиезоелектрична својства на температурама до 573 ° Ц. Кварцни пиезоелектрични резонатори нису ништа друго до равни паралелне плоче са електродама причвршћеним за њих. Такве елементе одликује изражена природна резонантна фреквенција.

Литијум ниобит (ЛиНбО3) је широко коришћен пиезоелектрични материјал који се односи на јонске фероелектрике (заједно са литијум танталатом ЛиТаО3 и бизмут германатом Би12ГеО20).Јонски фероелектрици су претходно жарени у јаком електричном пољу на температури испод Киријеве тачке да би се довели у једнодомено стање. Такви материјали имају веће коефицијенте електромеханичке спреге (до 0,3).

Кадмијум сулфид ЦдС, цинк оксид ЗнО, цинк сулфид ЗнС, кадмијум селенид ЦдСе, галијум арсенид ГаАс, итд. Они су примери једињења типа полупроводника са јонско-ковалентном везом. То су такозвани пиезо полупроводници.

На основу ових диполних фероелектрика добијају се и етилендиамин тартарат Ц6Х14Н8О8, турмалин, монокристали Рошелове соли, литијум сулфат Ли2СО4Х2О — пиезоелектрици.

Поликристални пиезоелектрици

Фероелектрична керамика спада у поликристалне пиезоелектрике. Да би се фероелектричној керамици дала пиезоелектрична својства, таква керамика мора бити поларизована један сат у јаком електричном пољу (јачине 2 до 4 МВ/м) на температури од 100 до 150 °Ц, тако да након овог излагања , у њему остаје поларизација, што омогућава добијање пиезоелектричног ефекта. Тако се добија робусна пиезоелектрична керамика са коефицијентима пиезоелектричне спреге од 0,2 до 0,4.

Пиезоелектрични елементи потребног облика израђују се од пиезокерамике како би се потом добиле механичке вибрације потребне природе (уздужне, попречне, савијајуће). Главни представници индустријске пиезокерамике израђују се на бази баријум титаната, калцијума, олова, оловног цирконата-титаната и баријум оловног ниобата.

Полимерни пиезоелектрици

Полимерни филмови (нпр. поливинилиден флуорид) се растежу за 100-400%, затим поларизују у електричном пољу, а затим се метализацијом наносе електроде. Тако се добијају филмски пиезоелектрични елементи са електромеханичким коефицијентом спреге реда 0,16.

Примена пиезоелектрика

Одвојени и међусобно повезани пиезоелектрични елементи могу се наћи у облику готових радиотехничких уређаја - пиезоелектричних претварача са причвршћеним електродама.

Такви уређаји, направљени од кварца, пиезоелектричне керамике или јонског пиезоелектрика, користе се за генерисање, трансформацију и филтрирање електричних сигнала. Од кварцног кристала се исече равно-паралелна плоча, прикаче се електроде - добија се резонатор.

Фреквенција и К-фактор резонатора зависе од угла у односу на кристалографске осе под којима је плоча пресечена. Типично, у опсегу радио фреквенција до 50 МХз, К фактор таквих резонатора достиже 100 000. Поред тога, пиезоелектрични претварачи се широко користе као пиезоелектрични трансформатори са високом улазном импедансом, за типично широк опсег фреквенција.

У погледу фактора квалитета и фреквенције, кварц надмашује јонске пиезоелектрике, способне да раде на фреквенцијама до 1 ГХз. Најтање литијум-танталат плоче се користе као емитери и пријемници ултразвучних вибрација са фреквенцијом од 0,02 до 1 ГХз, у резонаторима, филтерима, линијама кашњења површинских акустичних таласа.

Танки филмови пиезоелектричних полупроводника нанесених на диелектричне подлоге се користе у интердигиталним претварачима (овде се користе променљиве електроде за побуђивање површинских акустичних таласа).

На бази диполних фероелектрика израђују се нискофреквентни пиезоелектрични претварачи: минијатурни микрофони, звучници, пријемници, сензори за притисак, деформације, вибрације, убрзања, ултразвучни емитери.