Piezoelektromosság, piezoelektromosság - a jelenség fizikája, típusai, tulajdonságai és alkalmazásai

Piezoelektromos A dielektrikumok kiemelve vannak piezoelektromos hatás.

A piezoelektromosság jelenségét 1880-1881-ben a híres francia fizikusok, Pierre és Paul-Jacques Curie fedezték fel és tanulmányozták.

A piezoelektromosság több mint 40 évig nem talált gyakorlati alkalmazásra, a fizikai laboratóriumok tulajdona maradt. Paul Langevin francia tudós csak az első világháború idején használta ezt a jelenséget ultrahangos rezgések létrehozására a vízben egy kvarclemezből víz alatti helymeghatározás ("hangjelző") céljából.

Ezt követően számos fizikus érdeklődött a kvarc és néhány más kristály piezoelektromos tulajdonságainak és gyakorlati alkalmazásaik iránt. Számos munkájuk között volt több nagyon fontos pályázat is.

Például 1915-ben S.Butterworth kimutatta, hogy a kvarclemez, mint egydimenziós mechanikai rendszer, amely az elektromos tér és az elektromos töltések kölcsönhatása miatt gerjesztődik, egy ekvivalens elektromos áramkörként ábrázolható, amelyben a kapacitás, az induktivitás és az ellenállás sorba van kapcsolva.

A kvarclemezt oszcillátor áramkörként bevezetve Butterworth volt az első, aki egy ekvivalens áramkört javasolt a kvarc rezonátorhoz, amely minden további elméleti munka alapja. kvarc rezonátorokból.

A piezoelektromos hatás közvetlen és fordított. A közvetlen piezoelektromos hatást a dielektrikum elektromos polarizációja jellemzi, amely külső mechanikai feszültség hatására jön létre, míg a dielektrikum felületén indukált töltés arányos az alkalmazott mechanikai igénybevétellel:

A fordított piezoelektromos hatásnál a jelenség fordítva is megnyilvánul – a dielektrikum a rá ható külső elektromos tér hatására megváltoztatja a méreteit, míg a mechanikai deformáció (relatív deformáció) nagysága arányos lesz a dielektrikum szilárdságával. a mintára alkalmazott elektromos tér:

Az arányossági tényező mindkét esetben a piezomodulus d. Ugyanazon piezoelektromos esetén a közvetlen (dpr) és a fordított (drev) piezoelektromos hatás piezomodulusai egyenlőek egymással. Így a piezoelektrikumok a reverzibilis elektromechanikus átalakítók egy fajtája.

Longitudinális és keresztirányú piezoelektromos hatás

A piezoelektromos hatás a minta típusától függően lehet hosszanti vagy keresztirányú.A longitudinális piezoelektromos effektus esetén a feszültség hatására vagy a külső elektromos tér hatására kialakuló alakváltozásra adott töltések ugyanabban az irányban jönnek létre, mint az indító hatás. A keresztirányú piezoelektromos hatásnál a töltések megjelenése vagy az alakváltozás iránya merőleges lesz az azokat kiváltó hatás irányára.

Ha egy váltakozó elektromos tér elkezd hatni egy piezoelektromosra, akkor azonos frekvenciájú váltakozó deformáció jelenik meg benne. Ha a piezoelektromos hatás longitudinális, akkor az alakváltozások az alkalmazott elektromos tér irányában kompressziós és feszültségi jellegűek lesznek, ha pedig keresztirányú, akkor keresztirányú hullámokat észlelünk.

Ha az alkalmazott váltakozó elektromos tér frekvenciája megegyezik a piezoelektromos rezonancia frekvenciájával, akkor a mechanikai deformáció amplitúdója maximális lesz. A minta rezonanciafrekvenciája a következő képlettel határozható meg (V a mechanikai hullámok terjedési sebessége, h a minta vastagsága):

A piezoelektromos anyag legfontosabb jellemzője az elektromechanikus csatolási együttható, amely a Pa mechanikai rezgések ereje és a mintára ütés hatására a gerjesztésükre fordított elektromos teljesítmény arányát jelzi. Ez az együttható általában 0,01 és 0,3 közötti értéket vesz fel.

A piezoelektromos elektródákat egy olyan anyag kristályszerkezete jellemzi, amely kovalens vagy ionos kötéssel rendelkezik, szimmetriaközéppont nélkül. Az alacsony vezetőképességű anyagokat, amelyekben elhanyagolható mennyiségű szabad töltéshordozó van, magas piezoelektromos jellemzők jellemzik.A piezoelektromos anyagok közé tartozik az összes ferroelektromos anyag, valamint rengeteg ismert anyag, beleértve a kvarc kristályos módosítását is.

Egykristály piezoelektromos elemek

A piezoelektromos anyagok ebbe az osztályába tartoznak az ionos ferroelektromos anyagok és a kristályos kvarc (béta-kvarc SiO2).

A béta-kvarc egykristálya hatszögletű prizma alakú, két gúlával az oldalán. Kiemeljünk itt néhány krisztallográfiai irányt. A Z tengely a piramisok csúcsain halad át, és a kristály optikai tengelye. Ha egy ilyen kristályból az adott tengelyre (Z) merőleges irányban lemezt vágunk, akkor a piezoelektromos hatás nem érhető el.

Húzzuk át az X tengelyeket a hatszög csúcsain, három ilyen X tengely van, ha az X tengelyekre merőlegesen vágjuk a lemezeket, akkor a legjobb piezoelektromos hatású mintát kapjuk. Ezért nevezik az X-tengelyeket kvarcban elektromos tengelyeknek. A kvarckristály oldalaira merőlegesen megrajzolt három Y tengely mechanikai tengely.

Ez a fajta kvarc a gyenge piezoelektromos anyagok közé tartozik, elektromechanikus csatolási együtthatója 0,05-0,1 tartományba esik.

A kristályos kvarcnak volt a legnagyobb alkalmazhatósága, mivel képes megőrizni a piezoelektromos tulajdonságokat akár 573 °C hőmérsékleten is. Az ilyen elemeket kifejezett természetes rezonancia frekvencia különbözteti meg.

A lítium-niobit (LiNbO3) egy széles körben használt piezoelektromos anyag, amely az ion-ferroelektromos anyagokhoz kapcsolódik (a LiTaO3 lítium-tantaláttal és a Bi12GeO20 bizmutgermanáttal együtt).Az ionos ferroelektromos anyagokat erős elektromos térben előmelegítik a Curie-pont alatti hőmérsékleten, hogy egydoménes állapotba kerüljenek. Az ilyen anyagok elektromechanikus csatolási együtthatója magasabb (legfeljebb 0,3).

Kadmium-szulfid CdS, cink-oxid ZnO, cink-szulfid ZnS, kadmium-szelenid CdSe, gallium-arzenid GaAs stb. Példák az ionos-kovalens kötéssel rendelkező félvezető típusú vegyületekre. Ezek az úgynevezett piezo félvezetők.

Ezen dipólus ferroelektromos anyagok, etilén-diamin-tartarát C6H14N8O8, turmalin, Rochelle-só egykristályai, lítium-szulfát Li2SO4H2O – piezoelektromos anyagok is előállíthatók.

Polikristályos piezoelektromos anyagok

A ferroelektromos kerámiák a polikristályos piezoelektromos anyagok közé tartoznak. A ferroelektromos kerámiák piezoelektromos tulajdonságainak kölcsönzéséhez az ilyen kerámiákat egy órán keresztül erős elektromos térben (2–4 MV/m erősségű) 100–150 °C hőmérsékleten polarizálni kell, hogy az expozíció után , polarizáció marad benne, ami lehetővé teszi piezoelektromos hatás elérését. Így robusztus piezoelektromos kerámiákat kapunk 0,2-0,4 piezoelektromos csatolási együtthatóval.

A kívánt alakú piezoelektromos elemeket piezokerámiából készítik, hogy azután a kívánt jellegű (hosszirányú, keresztirányú, hajlító) mechanikai rezgések keletkezzenek. Az ipari piezokerámia fő képviselői bárium-titanát, kalcium, ólom, ólom-cirkonát-titanát és bárium-ólom-niobát alapúak.

Polimer piezoelektromos anyagok

A polimer fóliákat (pl. polivinilidén-fluorid) 100-400%-ban megnyújtják, majd elektromos térben polarizálják, majd fémezéssel elektródákat visznek fel. Így 0,16 nagyságrendű elektromechanikus csatolási együtthatójú filmes piezoelektromos elemeket kapunk.

Piezoelektromos szerek alkalmazása

Különálló és összekapcsolt piezoelektromos elemek találhatók kész rádiótechnikai eszközök - piezoelektromos átalakítók formájában, amelyekhez elektródák vannak csatlakoztatva.

Az ilyen kvarcból, piezoelektromos kerámiából vagy ionos piezoelektromos anyagokból készült eszközök elektromos jelek generálására, átalakítására és szűrésére szolgálnak. Egy kvarckristályból sík-párhuzamos lemezt vágunk, elektródákat rögzítünk - rezonátort kapunk.

A rezonátor frekvenciája és Q-tényezője a lemez vágási szögétől függ a krisztallográfiai tengelyekhez képest. Jellemzően az 50 MHz-ig terjedő rádiófrekvenciás tartományban az ilyen rezonátorok Q-tényezője eléri a 100 000-et. Ezenkívül a piezoelektromos átalakítókat széles körben használják nagy bemeneti impedanciájú piezoelektromos transzformátorként, jellemzően széles frekvenciatartományban.

Minőségi tényezőt és frekvenciát tekintve a kvarc felülmúlja az ion-piezoelektromos eszközöket, és akár 1 GHz-es frekvencián is képes működni. A legvékonyabb lítium-tantalát lemezeket 0,02-1 GHz frekvenciájú ultrahangos rezgések kibocsátójaként és vevőjeként használják rezonátorokban, szűrőkben, felületi akusztikus hullámok késleltetési vonalaiban.

Az interdigitális jelátalakítókban piezoelektromos félvezetőkből készült vékony filmeket, amelyek dielektromos hordozóra vannak leválasztva, használják (itt változó elektródákat használnak a felületi akusztikus hullámok gerjesztésére).

Az alacsony frekvenciájú piezoelektromos átalakítók dipólus ferroelektromos alapúak: miniatűr mikrofonok, hangszórók, hangszedők, nyomás-, deformáció-, rezgés-, gyorsulás-érzékelők, ultrahangos emitterek.