Piezoelèctrics, piezoelectricitat - física del fenomen, tipus, propietats i aplicacions

Piezoelèctrics Es destaquen els dielèctrics efecte piezoelèctric.

El fenomen de la piezoelectricitat va ser descobert i estudiat el 1880-1881 pels famosos físics francesos Pierre i Paul-Jacques Curie.

Durant més de 40 anys, la piezoelectricitat no va trobar aplicació pràctica, sent propietat dels laboratoris de física. Va ser només durant la Primera Guerra Mundial que el científic francès Paul Langevin va utilitzar aquest fenomen per generar vibracions ultrasòniques a l'aigua a partir d'una placa de quars amb el propòsit de localitzar sota l'aigua ("sonda").

Després d'això, diversos físics es van interessar per l'estudi de les propietats piezoelèctriques del quars i alguns altres cristalls i les seves aplicacions pràctiques. Entre les seves nombroses obres hi havia diverses aplicacions molt importants.

Per exemple, el 1915 S.Butterworth va demostrar que la placa de quars com a sistema mecànic unidimensional, que s'excita a causa de la interacció entre un camp elèctric i les càrregues elèctriques, es pot representar com un circuit elèctric equivalent amb capacitat, inductància i resistència connectades en sèrie.

Introduint una placa de quars com a circuit oscil·lador, Butterworth va ser el primer a proposar un circuit equivalent per a un ressonador de quars, que és la base de tots els treballs teòrics posteriors. de ressonadors de quars.

L'efecte piezoelèctric és directe i invers. L'efecte piezoelèctric directe es caracteritza per la polarització elèctrica del dielèctric, que es produeix a causa de l'acció d'una tensió mecànica externa sobre ell, mentre que la càrrega induïda a la superfície del dielèctric és proporcional a la tensió mecànica aplicada:

Amb l'efecte piezoelèctric invers, el fenomen es manifesta al revés: el dielèctric canvia les seves dimensions sota l'acció d'un camp elèctric extern aplicat a ell, mentre que la magnitud de la deformació mecànica (deformació relativa) serà proporcional a la força de el camp elèctric aplicat a la mostra:

El factor de proporcionalitat en ambdós casos és el piezomòdul d. Per al mateix piezoelèctric, els piezomòduls per a l'efecte piezoelèctric directe (dpr) i invers (drev) són iguals entre si. Així, els piezoelèctrics són un tipus de transductors electromecànics reversibles.

Efecte piezoelèctric longitudinal i transversal

L'efecte piezoelèctric, segons el tipus de mostra, pot ser longitudinal o transversal.En el cas de l'efecte piezoelèctric longitudinal, les càrregues en resposta a la tensió o la deformació en resposta a un camp elèctric extern es generen en la mateixa direcció que l'acció inicial. Amb l'efecte piezoelèctric transversal, l'aparició de càrregues o la direcció de deformació serà perpendicular a la direcció de l'efecte que les provoca.

Si un camp elèctric altern comença a actuar sobre un piezoelèctric, hi apareixerà una deformació alterna amb la mateixa freqüència. Si l'efecte piezoelèctric és longitudinal, aleshores les deformacions tindran el caràcter de compressió i tensió en la direcció del camp elèctric aplicat, i si és transversal, s'observaran ones transversals.

Si la freqüència del camp elèctric altern aplicat és igual a la freqüència de ressonància del piezoelèctric, llavors l'amplitud de la deformació mecànica serà màxima. La freqüència de ressonància de la mostra es pot determinar mitjançant la fórmula (V és la velocitat de propagació de les ones mecàniques, h és el gruix de la mostra):

La característica més important del material piezoelèctric és el coeficient d'acoblament electromecànic, que indica la relació entre la força de les vibracions mecàniques Pa i la potència elèctrica Pe gastada en la seva excitació per impacte sobre la mostra. Aquest coeficient sol prendre un valor en el rang de 0,01 a 0,3.

Els piezoelèctrics es caracteritzen per una estructura cristal·lina d'un material amb un enllaç covalent o iònic sense centre de simetria. Els materials amb baixa conductivitat, en els quals hi ha portadors de càrrega lliures insignificants, es distingeixen per altes característiques piezoelèctriques.Els piezoelèctrics inclouen tots els ferroelèctrics, així com una gran quantitat de materials coneguts, inclosa la modificació cristal·lina del quars.

Piezoelèctrics d'un sol cristall

Aquesta classe de piezoelèctrics inclou ferroelèctrics iònics i quars cristal·lí (beta-quars SiO2).

Un sol cristall de quars beta té la forma d'un prisma hexagonal amb dues piràmides als costats. Destaquem aquí algunes direccions cristal·logràfiques. L'eix Z passa pels vèrtexs de les piràmides i és l'eix òptic del cristall. Si es talla una placa d'aquest cristall en una direcció perpendicular a l'eix donat (Z), no es pot aconseguir l'efecte piezoelèctric.

Dibuixa els eixos X a través dels vèrtexs de l'hexàgon, hi ha tres eixos X. Si talleu les plaques perpendiculars als eixos X, obtenim una mostra amb el millor efecte piezoelèctric. És per això que els eixos X s'anomenen eixos elèctrics en quars. Els tres eixos Y dibuixats perpendicularment als costats del cristall de quars són eixos mecànics.

Aquest tipus de quars pertany a piezoelèctrics febles, el seu coeficient d'acoblament electromecànic està en el rang de 0,05 a 0,1.

El quars cristal·lí ha tingut la major aplicabilitat a causa de la seva capacitat per mantenir les propietats piezoelèctriques a temperatures de fins a 573 ° C. Els ressonadors piezoelèctrics de quars no són més que plaques plane-paral·leles amb elèctrodes connectats. Aquests elements es distingeixen per una freqüència de ressonància natural pronunciada.

El niobita de liti (LiNbO3) és un material piezoelèctric molt utilitzat relacionat amb ferroelèctrics iònics (juntament amb el tantalat de liti LiTaO3 i el germanat de bismut Bi12GeO20).Els ferroelèctrics iònics són prerecuits en un camp elèctric fort a una temperatura per sota del punt de Curie per portar-los a un estat d'un sol domini. Aquests materials tenen coeficients d'acoblament electromecànic més elevats (fins a 0,3).

Sulfur de cadmi CdS, òxid de zinc ZnO, sulfur de zinc ZnS, selenur de cadmi CdSe, arsenur de gal·li GaAs, etc. Són exemples de compostos de tipus semiconductors amb un enllaç iònic-covalent. Aquests són els anomenats semiconductors piezoeléctrics.

Sobre la base d'aquests ferroelèctrics dipols, també s'obtenen tartrat d'etilendiamina C6H14N8O8, turmalina, cristalls senzills de sal de Rochelle, sulfat de liti Li2SO4H2O - piezoelèctrics.

Piezoelèctrics policristalins

Les ceràmiques ferroelèctriques pertanyen als piezoelèctrics policristalins. Per tal d'impartir propietats piezoelèctriques a les ceràmiques ferroelèctriques, aquestes ceràmiques s'han de polaritzar durant una hora en un camp elèctric fort (amb una intensitat de 2 a 4 MV/m) a una temperatura de 100 a 150 ° C, de manera que després d'aquesta exposició , hi roman la polarització, que permet obtenir un efecte piezoelèctric. Així, s'obtenen ceràmiques piezoelèctriques robustes amb coeficients d'acoblament piezoelèctrics de 0,2 a 0,4.

Els elements piezoelèctrics de la forma requerida es fabriquen amb piezoceràmica per tal d'obtenir després vibracions mecàniques de la naturalesa requerida (longitudinals, transversals, de flexió). Els principals representants de la piezoceràmica industrial es fan a base de titanat de bari, calci, plom, zirconat-titanat de plom i niobat de plom de bari.

Piezoelèctrics de polímers

Les pel·lícules de polímer (per exemple, fluorur de polivinilidè) s'estiren en un 100-400%, després es polaritzan en un camp elèctric i, a continuació, s'apliquen els elèctrodes per metal·lització. Així, s'obtenen elements piezoelèctrics de pel·lícula amb un coeficient d'acoblament electromecànic de l'ordre de 0,16.

Aplicació de la piezoelèctrica

Es poden trobar elements piezoelèctrics separats i interconnectats en forma de dispositius d'enginyeria de ràdio preparats: transductors piezoelèctrics amb elèctrodes connectats.

Aquests dispositius, fets de quars, ceràmica piezoelèctrica o piezoelèctrics iònics, s'utilitzen per generar, transformar i filtrar senyals elèctrics. Es talla una placa plana paral·lela d'un cristall de quars, s'adjunten elèctrodes: s'obté un ressonador.

La freqüència i el factor Q del ressonador depenen de l'angle dels eixos cristal·logràfics en què es talla la placa. Normalment, en el rang de radiofreqüència de fins a 50 MHz, el factor Q d'aquests ressonadors arriba als 100.000. A més, els transductors piezoelèctrics s'utilitzen àmpliament com a transformadors piezoelèctrics amb una alta impedància d'entrada, per a un rang de freqüències típicament ampli.

Pel que fa al factor de qualitat i freqüència, el quars supera els piezoelèctrics iònics, capaços de funcionar a freqüències de fins a 1 GHz. Les plaques de tantalat de liti més primes s'utilitzen com a emissors i receptors de vibracions ultrasòniques amb una freqüència de 0,02 a 1 GHz, en ressonadors, filtres, línies de retard d'ones acústiques superficials.

Les pel·lícules primes de semiconductors piezoelèctrics dipositats sobre substrats dielèctrics s'utilitzen en transductors interdigitals (aquí s'utilitzen elèctrodes variables per excitar ones acústiques superficials).

Els transductors piezoelèctrics de baixa freqüència es fabriquen a partir de ferroelèctrics dipols: micròfons en miniatura, altaveus, pastilles, sensors de pressió, deformació, vibració, acceleració, emissors d'ultrasons.