Piezoelektrik, piezoelektricitet - fænomenets fysik, typer, egenskaber og anvendelser

Piezoelektrik Dielektrikum er fremhævet piezoelektrisk effekt.

Fænomenet piezoelektricitet blev opdaget og undersøgt i 1880-1881 af de berømte franske fysikere Pierre og Paul-Jacques Curie.

I mere end 40 år fandt piezoelektricitet ikke praktisk anvendelse og forblev fysiske laboratoriers ejendom. Det var først under Første Verdenskrig, at den franske videnskabsmand Paul Langevin brugte dette fænomen til at generere ultralydsvibrationer i vand fra en kvartsplade med henblik på undervandsplacering ("ekkolod").

Derefter blev en række fysikere interesserede i studiet af de piezoelektriske egenskaber af kvarts og nogle andre krystaller og deres praktiske anvendelser. Blandt deres mange værker var flere meget vigtige applikationer.

For eksempel i 1915 S.Butterworth viste, at kvartspladen som et endimensionelt mekanisk system, der exciteres på grund af samspillet mellem et elektrisk felt og elektriske ladninger, kan repræsenteres som et ækvivalent elektrisk kredsløb med kapacitans, induktans og modstand forbundet i serie.

Ved at introducere en kvartsplade som et oscillatorkredsløb var Butterworth den første til at foreslå et tilsvarende kredsløb til en kvartsresonator, som er grundlaget for alt efterfølgende teoretisk arbejde. fra kvartsresonatorer.

Den piezoelektriske effekt er direkte og omvendt. Den direkte piezoelektriske effekt er karakteriseret ved den elektriske polarisering af dielektrikumet, som opstår på grund af virkningen af ​​en ekstern mekanisk belastning på det, mens ladningen induceret på overfladen af ​​dielektrikumet er proportional med den påførte mekaniske spænding:

Med den omvendte piezoelektriske effekt manifesterer fænomenet sig omvendt - dielektrikummet ændrer sine dimensioner under påvirkning af et eksternt elektrisk felt påført det, mens størrelsen af ​​den mekaniske deformation (relativ deformation) vil være proportional med styrken af det elektriske felt påført prøven:

Proportionalitetsfaktoren i begge tilfælde er piezomodulus d. For den samme piezoelektriske effekt er piezomodulerne for direkte (dpr) og omvendt (drev) piezoelektrisk effekt lig med hinanden. Således er piezoelektrik en type reversible elektromekaniske transducere.

Langsgående og tværgående piezoelektrisk effekt

Den piezoelektriske effekt, afhængig af prøvetypen, kan være langsgående eller tværgående.I tilfælde af den langsgående piezoelektriske effekt genereres ladninger som reaktion på belastning eller belastning som reaktion på et eksternt elektrisk felt i samme retning som den initierende handling. Med den tværgående piezoelektriske effekt vil udseendet af ladninger eller deformationsretningen være vinkelret på retningen af ​​den effekt, der forårsager dem.

Hvis et vekslende elektrisk felt begynder at virke på et piezoelektrisk, så vil en vekslende deformation med samme frekvens vises i det. Hvis den piezoelektriske effekt er langsgående, vil deformationerne have karakter af kompression og spænding i retning af det påførte elektriske felt, og hvis det er tværgående, vil der blive observeret tværgående bølger.

Hvis frekvensen af ​​det påførte vekslende elektriske felt er lig med resonansfrekvensen af ​​det piezoelektriske, så vil amplituden af ​​den mekaniske deformation være maksimal. Prøvens resonansfrekvens kan bestemmes af formlen (V er udbredelseshastigheden af ​​mekaniske bølger, h er tykkelsen af ​​prøven):

Den vigtigste egenskab ved det piezoelektriske materiale er den elektromekaniske koblingskoefficient, som angiver forholdet mellem kraften af ​​mekaniske vibrationer Pa og den elektriske effekt Pe brugt på deres excitation ved påvirkning af prøven. Denne koefficient tager normalt en værdi i intervallet 0,01 til 0,3.

Piezoelektrik er karakteriseret ved en krystalstruktur af et materiale med en kovalent eller ionisk binding uden et symmetricenter. Materialer med lav ledningsevne, hvor der er ubetydelige gratis ladningsbærere, er kendetegnet ved høje piezoelektriske egenskaber.Piezoelektrik omfatter al ferroelektrik, såvel som et væld af kendte materialer, herunder den krystallinske modifikation af kvarts.

Enkeltkrystal piezoelektrik

Denne klasse af piezoelektrik omfatter ionisk ferroelektrik og krystallinsk kvarts (beta-kvarts SiO2).

En enkelt krystal af beta-kvarts har form som et sekskantet prisme med to pyramider på siderne. Lad os fremhæve et par krystallografiske retninger her. Z-aksen passerer gennem pyramidernes spidser og er krystallens optiske akse. Hvis en plade skæres af en sådan krystal i en retning vinkelret på den givne akse (Z), så kan den piezoelektriske effekt ikke opnås.

Tegn X-akserne gennem sekskantens spidser, der er tre sådanne X-akser Hvis du skærer pladerne vinkelret på X-akserne, så får vi en prøve med den bedste piezoelektriske effekt. Det er derfor, X-akserne kaldes elektriske akser i kvarts. Alle tre Y-akser tegnet vinkelret på siderne af kvartskrystallen er mekaniske akser.

Denne type kvarts tilhører svag piezoelektrik, dens elektromekaniske koblingskoefficient er i intervallet 0,05 til 0,1.

Krystallinsk kvarts har haft den største anvendelighed på grund af dens evne til at opretholde piezoelektriske egenskaber ved temperaturer op til 573 ° C. Quartz piezoelektriske resonatorer er intet andet end planparallelle plader med elektroder fastgjort til dem. Sådanne elementer er kendetegnet ved en udtalt naturlig resonansfrekvens.

Lithiumniobite (LiNbO3) er et meget brugt piezoelektrisk materiale relateret til ionferroelektrik (sammen med lithiumtantalat LiTaO3 og vismutgermanat Bi12GeO20).Ioniske ferroelektriske stoffer forglødes i et stærkt elektrisk felt ved en temperatur under Curie-punktet for at bringe dem i en enkelt-domænetilstand. Sådanne materialer har højere koefficienter for elektromekanisk kobling (op til 0,3).

Cadmiumsulfid CdS, zinkoxid ZnO, zinksulfid ZnS, cadmiumselenid CdSe, galliumarsenid GaAs osv. De er eksempler på forbindelser af halvledertypen med en ionisk-kovalent binding. Det er de såkaldte piezo-halvledere.

På basis af disse dipol-ferroelektriske stoffer opnås også ethylendiamintartrat C6H14N8O8, turmalin, enkeltkrystaller af Rochelle-salt, lithiumsulfat Li2SO4H2O — piezoelektrik.

Polykrystallinsk piezoelektrik

Ferroelektrisk keramik hører til polykrystallinsk piezoelektrik. For at bibringe piezoelektriske egenskaber til ferroelektrisk keramik skal sådanne keramik polariseres i en time i et stærkt elektrisk felt (med en styrke på 2 til 4 MV / m) ved en temperatur på 100 til 150 ° C, således at efter denne eksponering , forbliver polarisering i det, hvilket gør det muligt at opnå en piezoelektrisk effekt. Således opnås robust piezoelektrisk keramik med piezoelektriske koblingskoefficienter på 0,2 til 0,4.

Piezoelektriske elementer af den krævede form er lavet af piezokeramik for derefter at opnå mekaniske vibrationer af den krævede karakter (langsgående, tværgående, bøjning). De vigtigste repræsentanter for industriel piezokeramik er lavet på basis af bariumtitanat, calcium, bly, bly zirconate-titanate og barium blyniobat.

Polymer piezoelektrik

Polymerfilm (f.eks. polyvinylidenfluorid) strækkes med 100-400%, polariseres derefter i et elektrisk felt, hvorefter elektroder påføres ved metallisering. Således opnås filmpiezoelektriske elementer med en elektromekanisk koblingskoefficient i størrelsesordenen 0,16.

Anvendelse af piezoelektrik

Separate og sammenkoblede piezoelektriske elementer kan findes i form af færdige radiotekniske enheder - piezoelektriske transducere med elektroder fastgjort til dem.

Sådanne enheder, lavet af kvarts, piezoelektrisk keramik eller ionisk piezoelektrik, bruges til at generere, transformere og filtrere elektriske signaler. En plan-parallel plade skæres af en kvartskrystal, elektroder er fastgjort - en resonator opnås.

Frekvensen og Q-faktoren for resonatoren afhænger af vinklen til de krystallografiske akser, hvorved pladen skæres. Typisk når Q-faktoren for sådanne resonatorer i radiofrekvensområdet op til 50 MHz 100.000. Desuden er piezoelektriske transducere i vid udstrækning brugt som piezoelektriske transformere med høj indgangsimpedans til et typisk bredt frekvensområde.

Med hensyn til kvalitetsfaktor og frekvens overgår kvarts ion-piezoelektrik, der er i stand til at fungere ved frekvenser op til 1 GHz. De tyndeste lithiumtantalatplader bruges som emittere og modtagere af ultralydsvibrationer med en frekvens på 0,02 til 1 GHz, i resonatorer, filtre, forsinkelseslinjer for akustiske overfladebølger.

Tynde film af piezoelektriske halvledere aflejret på dielektriske substrater bruges i interdigitale transducere (her bruges variable elektroder til at excitere akustiske overfladebølger).

Lavfrekvente piezoelektriske transducere er lavet på basis af dipol ferroelektrik: miniaturemikrofoner, højttalere, pickupper, sensorer til tryk, deformation, vibrationer, acceleration, ultralyds-emittere.