Пиезоелектрици, пиезоелектричество — физика на явлението, видове, свойства и приложения
Пиезоелектрици Диелектрици са с подчертан пиезоелектричен ефект.
Явлението пиезоелектричество е открито и проучено през 1880 — 1881 г. известните френски физици Пиер и Пол-Жак Кюри.
Повече от 40 години пиезоелектричеството не намира практическо приложение, като остава собственост на физическите лаборатории. Само по време на Първата световна война френският учен Пол Ланжевен използва това явление, за да генерира ултразвукови вибрации във вода от кварцова плоча за целите на подводно местоположение („ехолот“).
След това редица физици се интересуват от изследването на пиезоелектричните свойства на кварца и някои други кристали и техните практически приложения. Сред многото им творби имаше няколко много важни приложения.
Така например през 1915 г. S. Butterworth показа, че кварцовата плоча като едномерна механична система, която се възбужда поради взаимодействието между електрическо поле и електрически заряди, може да бъде представена като еквивалентна електрическа верига с капацитет, индуктивност и резистор, свързани последователно.
Представяйки кварцова плоча като осцилаторна верига, Бътъруърт е първият, който предлага еквивалентна схема за кварцов резонатор, която е в основата на цялата по -нататъшна теоретична работа. от кварцови резонатори.
Пиезоелектричният ефект е директен и обратен. Директният пиезоелектричен ефект се характеризира с електрическата поляризация на диелектрика, която възниква поради действието на външно механично напрежение върху него, докато зарядът, индуциран върху повърхността на диелектрика, е пропорционален на приложеното механично напрежение:
С обратния пиезоелектричен ефект явлението се проявява обратно — диелектрикът променя размерите си под действието на външно електрическо поле, приложено към него, докато големината на механичната деформация (относителна деформация) ще бъде пропорционална на силата на електрическото поле, приложено към пробата:
Коефициентът на пропорционалност и в двата случая е пиезомодул d. За един и същ пиезоелектрик пиезомодулите за директен (dpr) и обратен (drev) пиезоелектричен ефект са равни помежду си. По този начин пиезоелектриците са вид обратими електромеханични преобразуватели.
Надлъжен и напречен пиезоелектричен ефект
Пиезоелектрическият ефект, в зависимост от вида на пробата, може да бъде надлъжен или напречен. В случай на надлъжния пиезоелектричен ефект, зарядите в отговор на деформация или деформация в отговор на външно електрическо поле се генерират в същата посока като иницииращото действие. С напречния пиезоелектричен ефект появата на заряди или посоката на деформация ще бъде перпендикулярна на посоката на ефекта, който ги причинява.
Ако променливо електрическо поле започне да действа върху пиезоелектрик, тогава в него ще се появи променлива деформация със същата честота. Ако пиезоелектрическият ефект е надлъжен, тогава деформациите ще имат характер на компресия и напрежение по посока на приложеното електрическо поле, а ако е напречен, тогава ще се наблюдават напречни вълни.
Ако честотата на приложеното променливо електрическо поле е равна на резонансната честота на пиезоелектрика, тогава амплитудата на механичната деформация ще бъде максимална. Резонансната честота на пробата може да се определи по формулата (V е скоростта на разпространение на механичните вълни, h е дебелината на пробата):
Най -важната характеристика на пиезоелектричния материал е коефициентът на електромеханично свързване, който показва съотношението между силата на механичните вибрации Pa и електрическата мощност Pe, изразходвана за тяхното възбуждане чрез въздействие върху пробата. Този коефициент обикновено приема стойност в диапазона от 0,01 до 0,3.
Пиезоелектриците се характеризират с кристална структура на материал с ковалентна или йонна връзка без център на симетрия. Материали с ниска проводимост, в които има незначителни свободни носители на заряд, се отличават с високи пиезоелектрични характеристики. Пиезоелектриците включват всички сегнетоелектрици, както и изобилие от известни материали, включително кристалната модификация на кварца.
Монокристални пиезоелектрици
Този клас пиезоелектрици включва йонни фероелектрици и кристален кварц (бета-кварц SiO2).
Монокристал от бета кварц има формата на шестоъгълна призма с две пирамиди отстрани. Нека подчертаем тук няколко кристалографски посоки. Оста Z преминава през върховете на пирамидите и е оптичната ос на кристала. Ако от такъв кристал е изрязана плоча в посока, перпендикулярна на дадената ос (Z), тогава пиезоелектричният ефект не може да бъде постигнат.
Начертайте осите X през върховете на шестоъгълника, има три такива оси X. Ако изрежете плочите перпендикулярно на осите X, тогава получаваме проба с най-добър пиезоелектричен ефект. Ето защо осите X се наричат електрически оси в кварц. И трите оси Y, изтеглени перпендикулярно на страничните страни на кварцовия кристал, са механични оси.
Този тип кварц принадлежи към слабите пиезоелектрици, коефициентът му на електромеханично свързване е в диапазона от 0,05 до 0,1.
Кристалният кварц е имал най -голяма приложимост поради способността си да поддържа пиезоелектрични свойства при температури до 573 ° C. Кварцовите пиезоелектрически резонатори не са нищо повече от плоско-паралелни плочи с прикрепени към тях електроди. Такива елементи се отличават с изразена собствена резонансна честота.
Литиевият ниобит (LiNbO3) е широко използван пиезоелектричен материал, свързан с йонните фероелектрици (заедно с литиевия танталат LiTaO3 и бисмутовия германат Bi12GeO20). Йонните сегнетоелектрици предварително се отгряват в силно електрическо поле при температура под точката на Кюри, за да ги приведат в еднодоменно състояние. Такива материали имат по -високи коефициенти на електромеханично свързване (до 0,3).
Кадмиев сулфид CdS, цинков оксид ZnO, цинков сулфид ZnS, кадмиев селенид CdSe, галиев арсенид GaAs и др. Са примери за съединения от полупроводников тип с йонно-ковалентна връзка. Това са така наречените пиезо полупроводници.
На базата на тези диполни фероелектрици се получават и етилендиамин тартарат C6H14N8O8, турмалин, монокристали на сол от Рошел, литиев сулфат Li2SO4H2O — пиезоелектрици.
Поликристални пиезоелектрици
Сегнетоелектричната керамика принадлежи към поликристални пиезоелектрици. За да се придадат пиезоелектрични свойства на сегнетоелектричната керамика, такава керамика трябва да бъде поляризирана за един час в силно електрическо поле (със сила от 2 до 4 MV / m) при температура от 100 до 150 ° C, така че след това излагане, поляризация остава в него, което прави възможно получаването на пиезоелектричен ефект. Така се получава здрава пиезоелектрична керамика с коефициенти на пиезоелектрично свързване от 0,2 до 0,4.
Пиезоелектричните елементи с необходимата форма са изработени от пиезокерамика, за да се получат след това механични вибрации с необходимата природа (надлъжни, напречни, огъващи се). Основните представители на промишлената пиезокерамика са направени на базата на бариев титанат, калций, олово, оловен цирконат-титанат и бариев оловен ниобат.
Полимерни пиезоелектрици
Полимерните филми (например поливинилиден флуорид) се разтягат със 100-400%, след това се поляризират в електрическо поле и след това се прилагат електроди чрез метализация. Така се получават филмови пиезоелектрични елементи с коефициент на електромеханично свързване от порядъка на 0,16.
Приложение на пиезоелектрици
Отделни и взаимосвързани пиезоелектрични елементи могат да бъдат намерени под формата на готови радиотехнически устройства — пиезоелектрични преобразуватели с приложени към тях електроди.
Такива устройства, направени от кварц, пиезоелектрична керамика или йонни пиезоелектрици, се използват за генериране, трансформиране и филтриране на електрически сигнали. От кварцов кристал се изрязва плоскопаралелна плоча, прикрепят се електроди — получава се резонатор.
Честотата и Q-коефициентът на резонатора зависят от ъгъла спрямо кристалографските оси, при които е изрязана плочата. Обикновено в радиочестотния диапазон до 50 MHz коефициентът на Q на такива резонатори достига 100 000. Освен това пиезоелектричните преобразуватели се използват широко като пиезоелектрични трансформатори с висок входен импеданс, за типично широк честотен диапазон.
По отношение на качествен фактор и честота, кварцът превъзхожда йонните пиезоелектрици, способни да работят на честоти до 1 GHz. Най -тънките литиево -танталатни плочи се използват като излъчватели и приемници на ултразвукови вибрации с честота от 0,02 до 1 GHz, в резонатори, филтри, линии на забавяне на повърхностни акустични вълни.
Тънките филми от пиезоелектрически полупроводници, нанесени върху диелектрични субстрати, се използват в междуцифрени преобразуватели (тук се използват променливи електроди за възбуждане на повърхностни акустични вълни).
Нискочестотните пиезоелектрични преобразуватели са направени на базата на диполни фероелектрици: миниатюрни микрофони, високоговорители, пикапи, сензори за налягане, деформация, вибрации, ускорение, ултразвукови излъчватели.