Piezoelectrics, piezoelectricity - physics ng phenomenon, mga uri, katangian at mga aplikasyon

Piezoelectrics Ang mga dielectric ay naka-highlight epekto ng piezoelectric.

Ang phenomenon ng piezoelectricity ay natuklasan at pinag-aralan noong 1880-1881 ng mga sikat na French physicist na sina Pierre at Paul-Jacques Curie.

Sa loob ng higit sa 40 taon, ang piezoelectricity ay hindi nakahanap ng praktikal na aplikasyon, na nananatiling pag-aari ng mga laboratoryo ng pisika. Sa panahon lamang ng Unang Digmaang Pandaigdig na ginamit ng siyentipikong Pranses na si Paul Langevin ang hindi pangkaraniwang bagay na ito upang makabuo ng mga ultrasonic vibrations sa tubig mula sa isang quartz plate para sa layunin ng lokasyon sa ilalim ng tubig ("tunog").

Pagkatapos nito, maraming mga physicist ang naging interesado sa pag-aaral ng mga katangian ng piezoelectric ng quartz at ilang iba pang mga kristal at ang kanilang mga praktikal na aplikasyon. Kabilang sa kanilang maraming mga gawa ay ilang napakahalagang aplikasyon.

Halimbawa, noong 1915 S.Ipinakita ng Butterworth na ang quartz plate bilang isang one-dimensional na mekanikal na sistema, na nasasabik dahil sa pakikipag-ugnayan sa pagitan ng isang electric field at electric charges, ay maaaring katawanin bilang isang katumbas na electric circuit na may capacitance, inductance at risistor na konektado sa serye.

Ipinakilala ang isang quartz plate bilang isang oscillator circuit, si Butterworth ang unang nagmungkahi ng isang katumbas na circuit para sa isang quartz resonator, na siyang batayan ng lahat ng kasunod na teoretikal na gawain. mula sa quartz resonator.

Direkta at kabaligtaran ang epekto ng piezoelectric. Ang direktang piezoelectric effect ay nailalarawan sa pamamagitan ng electrical polarization ng dielectric, na nangyayari dahil sa pagkilos ng isang panlabas na mekanikal na stress dito, habang ang singil na sapilitan sa ibabaw ng dielectric ay proporsyonal sa inilapat na mekanikal na stress:

Gamit ang reverse piezoelectric effect, ang kababalaghan ay nagpapakita mismo sa kabaligtaran - binabago ng dielectric ang mga sukat nito sa ilalim ng pagkilos ng isang panlabas na electric field na inilapat dito, habang ang magnitude ng mechanical deformation (relative deformation) ay magiging proporsyonal sa lakas ng ang electric field na inilapat sa sample:

Ang proporsyonalidad na kadahilanan sa parehong mga kaso ay ang piezomodulus d. Para sa parehong piezoelectric, ang piezomoduli para sa direktang (dpr) at reverse (drev) piezoelectric na epekto ay katumbas ng bawat isa. Kaya, ang piezoelectrics ay isang uri ng nababaligtad na electromechanical transducers.

Longitudinal at transverse piezoelectric effect

Ang piezoelectric effect, depende sa uri ng sample, ay maaaring longitudinal o transverse.Sa kaso ng longitudinal na piezoelectric effect, ang mga singil bilang tugon sa strain o strain bilang tugon sa isang panlabas na electric field ay nabuo sa parehong direksyon tulad ng pagsisimula ng aksyon. Gamit ang transverse piezoelectric effect, ang hitsura ng mga singil o ang direksyon ng pagpapapangit ay magiging patayo sa direksyon ng epekto na sanhi ng mga ito.

Kung ang isang alternating electric field ay nagsimulang kumilos sa isang piezoelectric, pagkatapos ay isang alternating deformation na may parehong dalas ay lilitaw dito. Kung ang epekto ng piezoelectric ay pahaba, kung gayon ang mga deformation ay magkakaroon ng katangian ng compression at pag-igting sa direksyon ng inilapat na electric field, at kung ito ay nakahalang, pagkatapos ay ang mga transverse wave ay masusunod.

Kung ang dalas ng inilapat na alternating electric field ay katumbas ng resonance frequency ng piezoelectric, kung gayon ang amplitude ng mechanical deformation ay magiging maximum. Ang dalas ng resonance ng sample ay maaaring matukoy ng formula (V ay ang bilis ng pagpapalaganap ng mga mekanikal na alon, h ang kapal ng sample):

Ang pinakamahalagang katangian ng piezoelectric na materyal ay ang electromechanical coupling coefficient, na nagpapahiwatig ng ratio sa pagitan ng puwersa ng mechanical vibrations Pa at ang electrical power na ginugol ng Pe sa kanilang paggulo sa pamamagitan ng epekto sa sample. Ang koepisyent na ito ay karaniwang tumatagal ng isang halaga sa hanay na 0.01 hanggang 0.3.

Ang piezoelectrics ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang kristal na istraktura ng isang materyal na may isang covalent o ionic bond na walang sentro ng simetrya. Ang mga materyales na may mababang kondaktibiti, kung saan may mga bale-wala na mga carrier ng libreng bayad, ay nakikilala sa pamamagitan ng mataas na mga katangian ng piezoelectric.Kasama sa piezoelectrics ang lahat ng ferroelectrics, pati na rin ang isang kayamanan ng mga kilalang materyales, kabilang ang mala-kristal na pagbabago ng quartz.

Mga solong kristal na piezoelectric

Kasama sa klase ng piezoelectrics ang ionic ferroelectrics at crystalline quartz (beta-quartz SiO2).

Ang isang kristal ng beta quartz ay may hugis ng isang hexagonal prism na may dalawang pyramids sa mga gilid. I-highlight natin ang ilang crystallographic na direksyon dito. Ang Z axis ay dumadaan sa mga tuktok ng mga pyramids at ang optical axis ng kristal. Kung ang isang plato ay pinutol mula sa naturang kristal sa isang direksyon na patayo sa ibinigay na axis (Z), kung gayon ang piezoelectric na epekto ay hindi makakamit.

Iguhit ang X axes sa pamamagitan ng vertices ng hexagon, mayroong tatlong ganoong X axes. Kung pinutol mo ang mga plate na patayo sa X axes, pagkatapos ay makakakuha tayo ng sample na may pinakamahusay na piezoelectric effect. Ito ang dahilan kung bakit ang X-axes ay tinatawag na electric axes sa quartz. Ang lahat ng tatlong Y axes na iginuhit patayo sa mga gilid ng quartz crystal ay mga mechanical axes.

Ang ganitong uri ng kuwarts ay kabilang sa mahinang piezoelectrics, ang electromechanical coupling coefficient nito ay nasa hanay na 0.05 hanggang 0.1.

Ang mala-kristal na kuwarts ay may pinakamalaking kakayahang magamit dahil sa kakayahang mapanatili ang mga katangian ng piezoelectric sa mga temperatura hanggang sa 573 °C. Ang mga quartz piezoelectric resonator ay walang iba kundi ang mga plane-parallel plate na may mga electrodes na nakakabit sa kanila. Ang ganitong mga elemento ay nakikilala sa pamamagitan ng isang binibigkas na natural na dalas ng resonance.

Ang Lithium niobite (LiNbO3) ay isang malawakang ginagamit na piezoelectric na materyal na may kaugnayan sa ion ferroelectrics (kasama ang lithium tantalate LiTaO3 at bismuth germanate Bi12GeO20).Ionic ferroelectrics ay pre-annealed sa isang malakas na electric field sa isang temperatura sa ibaba ng Curie point upang dalhin ang mga ito sa isang solong-domain na estado. Ang ganitong mga materyales ay may mas mataas na coefficients ng electromechanical coupling (hanggang sa 0.3).

Cadmium sulfide CdS, zinc oxide ZnO, zinc sulfide ZnS, cadmium selenide CdSe, gallium arsenide GaAs, atbp. Ang mga ito ay mga halimbawa ng mga semiconductor-type na compound na may ionic-covalent bond. Ito ang mga tinatawag na piezo semiconductors.

Sa batayan ng mga dipole ferroelectric na ito, ang ethylenediamine tartrate C6H14N8O8, tourmaline, solong kristal ng Rochelle salt, lithium sulfate Li2SO4H2O - piezoelectrics ay nakuha din.

Polycrystalline piezoelectrics

Ang mga ferroelectric ceramics ay nabibilang sa polycrystalline piezoelectrics. Upang makapagbigay ng mga katangian ng piezoelectric sa ferroelectric ceramics, ang mga naturang keramika ay dapat na polarized sa loob ng isang oras sa isang malakas na electric field (na may lakas na 2 hanggang 4 MV / m) sa temperatura na 100 hanggang 150 ° C, upang pagkatapos ng pagkakalantad na ito , ang polariseysyon ay nananatili sa loob nito, na ginagawang posible upang makakuha ng piezoelectric effect. Kaya, ang matatag na piezoelectric ceramics na may piezoelectric coupling coefficients na 0.2 hanggang 0.4 ay nakuha.

Ang mga elemento ng piezoelectric ng kinakailangang hugis ay gawa sa piezoceramics upang pagkatapos ay makakuha ng mga mekanikal na panginginig ng boses ng kinakailangang kalikasan (paayon, nakahalang, baluktot). Ang mga pangunahing kinatawan ng pang-industriyang piezoceramics ay ginawa batay sa barium titanate, calcium, lead, lead zirconate-titanate at barium lead niobate.

Mga polymer piezoelectrics

Ang mga polymer film (hal. polyvinylidene fluoride) ay nakaunat ng 100-400%, pagkatapos ay napolarize sa isang electric field, at pagkatapos ay inilalapat ang mga electrodes sa pamamagitan ng metallization. Kaya, ang mga elemento ng piezoelectric ng pelikula na may isang electromechanical coupling coefficient ng pagkakasunud-sunod ng 0.16 ay nakuha.

Application ng piezoelectrics

Ang hiwalay at magkakaugnay na mga elemento ng piezoelectric ay matatagpuan sa anyo ng mga yari na kagamitan sa engineering ng radyo - mga piezoelectric transducers na may mga electrodes na nakakabit sa kanila.

Ang mga naturang device, na gawa sa quartz, piezoelectric ceramics, o ionic piezoelectrics, ay ginagamit upang bumuo, mag-transform, at mag-filter ng mga electrical signal. Ang isang plane-parallel plate ay pinutol mula sa isang kristal na kuwarts, ang mga electrodes ay nakakabit - isang resonator ang nakuha.

Ang dalas at Q-factor ng resonator ay nakasalalay sa anggulo sa mga crystallographic axes kung saan pinutol ang plato. Karaniwan, sa hanay ng dalas ng radyo hanggang sa 50 MHz, ang Q factor ng naturang mga resonator ay umaabot sa 100,000. Bilang karagdagan, ang mga piezoelectric transducers ay malawakang ginagamit bilang mga piezoelectric transformer na may mataas na input impedance, para sa karaniwang malawak na hanay ng frequency.

Sa mga tuntunin ng kalidad na kadahilanan at dalas, ang quartz ay higit na gumaganap ng ion piezoelectrics, na may kakayahang gumana sa mga frequency hanggang sa 1 GHz. Ang thinnest lithium tantalate plates ay ginagamit bilang mga emitters at receiver ng ultrasonic vibrations na may dalas na 0.02 hanggang 1 GHz, sa mga resonator, mga filter, mga linya ng pagkaantala ng mga surface acoustic wave.

Ang mga manipis na pelikula ng piezoelectric semiconductors na idineposito sa mga dielectric na substrate ay ginagamit sa mga interdigital transducers (dito ang mga variable na electrodes ay ginagamit upang pukawin ang mga surface acoustic waves).

Ang mga low-frequency na piezoelectric transducers ay ginawa batay sa dipole ferroelectrics: miniature microphones, loudspeaker, pickups, sensors para sa pressure, deformation, vibration, acceleration, ultrasonic emitters.