Pjezoelektrikā, pjezoelektrība - parādības fizika, veidi, īpašības un pielietojums

Pjezoelektriķi Dielektriķi ir izcelti pjezoelektriskais efekts.

Pjezoelektrības fenomenu 1880.-1881.gadā atklāja un pētīja slavenie franču fiziķi Pjērs un Pols Žaks Kirī.

Vairāk nekā 40 gadus pjezoelektrība neatrada praktisku pielietojumu, paliekot fizikas laboratoriju īpašumā. Tikai Pirmā pasaules kara laikā franču zinātnieks Pols Langevins izmantoja šo fenomenu, lai radītu ultraskaņas vibrācijas ūdenī no kvarca plāksnes zemūdens atrašanās vietas noteikšanai ("sound").

Pēc tam vairāki fiziķi sāka interesēties par kvarca un dažu citu kristālu pjezoelektrisko īpašību izpēti un to praktisko pielietojumu. Viņu daudzo darbu vidū bija vairāki ļoti svarīgi pielietojumi.

Piemēram, 1915. gadā S.Batervorts parādīja, ka kvarca plāksni kā viendimensionālu mehānisku sistēmu, kas tiek ierosināta elektriskā lauka un elektrisko lādiņu mijiedarbības dēļ, var attēlot kā līdzvērtīgu elektrisko ķēdi ar virknē savienotu kapacitāti, induktivitāti un rezistoru.

Ieviešot kvarca plāksni kā oscilatora ķēdi, Batervorts bija pirmais, kas ierosināja līdzvērtīgu shēmu kvarca rezonatoram, kas ir visa turpmākā teorētiskā darba pamatā. no kvarca rezonatoriem.

Pjezoelektriskais efekts ir tiešs un apgriezts. Tiešo pjezoelektrisko efektu raksturo dielektriķa elektriskā polarizācija, kas rodas, iedarbojoties uz to ārēja mehāniska sprieguma dēļ, savukārt uz dielektriķa virsmas inducētais lādiņš ir proporcionāls pielietotajam mehāniskajam spriegumam:

Ar reverso pjezoelektrisko efektu parādība izpaužas otrādi — dielektriķis maina savus izmērus tam pieliktā ārēja elektriskā lauka ietekmē, savukārt mehāniskās deformācijas (relatīvās deformācijas) lielums būs proporcionāls dielektriķa stiprumam. paraugam pielietotais elektriskais lauks:

Proporcionalitātes koeficients abos gadījumos ir pjezomodulus d. Vienam un tam pašam pjezoelektriskam pjezomoduli tiešajam (dpr) un reversajam (drev) pjezoelektriskajam efektam ir vienādi. Tādējādi pjezoelektriķi ir atgriezenisku elektromehānisko devēju veids.

Garenvirziena un šķērsvirziena pjezoelektriskais efekts

Pjezoelektriskais efekts atkarībā no parauga veida var būt gareniski vai šķērsvirzienā.Garenvirziena pjezoelektriskā efekta gadījumā lādiņi, reaģējot uz deformāciju vai deformāciju, reaģējot uz ārēju elektrisko lauku, tiek ģenerēti tajā pašā virzienā kā iniciējošā darbība. Ar šķērsvirziena pjezoelektrisko efektu lādiņu izskats vai deformācijas virziens būs perpendikulārs tos izraisošās ietekmes virzienam.

Ja uz pjezoelektrisku sāk darboties mainīgs elektriskais lauks, tad tajā parādīsies mainīga deformācija ar tādu pašu frekvenci. Ja pjezoelektriskais efekts ir garenisks, tad deformācijām būs saspiešanas un spriedzes raksturs iedarbinātā elektriskā lauka virzienā, un, ja tas ir šķērsvirziena, tad tiks novēroti šķērsviļņi.

Ja pielietotā mainīgā elektriskā lauka frekvence ir vienāda ar pjezoelektriskā rezonanses frekvenci, tad mehāniskās deformācijas amplitūda būs maksimāla. Parauga rezonanses frekvenci var noteikt pēc formulas (V ir mehānisko viļņu izplatīšanās ātrums, h ir parauga biezums):

Pjezoelektriskā materiāla svarīgākais raksturlielums ir elektromehāniskā savienojuma koeficients, kas norāda attiecību starp mehānisko vibrāciju spēku Pa un elektrisko jaudu Pe, kas iztērēta to ierosināšanai, iedarbojoties uz paraugu. Šim koeficientam parasti ir vērtība diapazonā no 0,01 līdz 0,3.

Pjezoelektriķiem ir raksturīga materiāla kristāliska struktūra ar kovalentu vai jonu saiti bez simetrijas centra. Materiāli ar zemu vadītspēju, kuros ir nenozīmīgi brīvie lādiņnesēji, izceļas ar augstām pjezoelektriskajām īpašībām.Pjezoelektriskie elementi ietver visus feroelektriskos elementus, kā arī daudzus zināmus materiālus, tostarp kvarca kristālisko modifikāciju.

Viena kristāla pjezoelektriķi

Šajā pjezoelektrisko vielu klasē ietilpst jonu feroelektriskie elementi un kristāliskais kvarcs (beta-kvarca SiO2).

Vienam beta kvarca kristālam ir sešstūra prizmas forma ar divām piramīdām sānos. Izcelsim dažus kristalogrāfiskos virzienus. Z ass iet cauri piramīdu virsotnēm un ir kristāla optiskā ass. Ja no šāda kristāla izgriež plāksni virzienā, kas ir perpendikulārs dotajai asij (Z), tad pjezoelektrisko efektu nevar panākt.

Izvelciet X asis cauri sešstūra virsotnēm, tādas ir trīs asis X. Ja griežat plāksnes perpendikulāri X asīm, tad iegūstam paraugu ar vislabāko pjezoelektrisko efektu. Tāpēc kvarca X-asis sauc par elektriskām asīm. Visas trīs Y asis, kas novilktas perpendikulāri kvarca kristāla malām, ir mehāniskās asis.

Šis kvarca tips pieder pie vājiem pjezoelektriķiem, tā elektromehāniskās sakabes koeficients ir robežās no 0,05 līdz 0,1.

Kristāliskam kvarcam ir bijusi vislielākā pielietojamība, pateicoties tā spējai saglabāt pjezoelektriskās īpašības temperatūrā līdz 573 ° C. Kvarca pjezoelektriskie rezonatori ir nekas vairāk kā plaknes paralēlas plāksnes ar tiem piestiprinātiem elektrodiem. Šādi elementi izceļas ar izteiktu dabiskās rezonanses frekvenci.

Litija niobīts (LiNbO3) ir plaši izmantots pjezoelektrisks materiāls, kas saistīts ar jonu feroelektriķiem (kopā ar litija tantalātu LiTaO3 un bismuta germanātu Bi12GeO20).Jonu feroelektriskie elementi tiek iepriekš atkvēlināti spēcīgā elektriskā laukā temperatūrā, kas ir zemāka par Kirī punktu, lai tie nonāktu viena domēna stāvoklī. Šādiem materiāliem ir augstāki elektromehāniskās sakabes koeficienti (līdz 0,3).

Kadmija sulfīds CdS, cinka oksīds ZnO, cinka sulfīds ZnS, kadmija selenīds CdSe, gallija arsenīds GaAs utt. Tie ir pusvadītāju tipa savienojumu piemēri ar jonu-kovalento saiti. Tie ir tā sauktie pjezo pusvadītāji.

Uz šo dipola feroelektriķu bāzes tiek iegūti arī etilēndiamīna tartrāts C6H14N8O8, turmalīns, Rošela sāls monokristāli, litija sulfāts Li2SO4H2O — pjezoelektriķi.

Polikristāliski pjezoelektriķi

Ferroelektriskā keramika pieder pie polikristāliskiem pjezoelektriskiem materiāliem. Lai feroelektriskajai keramikai piešķirtu pjezoelektriskās īpašības, šāda keramika vienu stundu jāpolarizē spēcīgā elektriskā laukā (ar stiprumu no 2 līdz 4 MV/m) 100 līdz 150 °C temperatūrā, lai pēc šīs iedarbības. , tajā saglabājas polarizācija, kas ļauj iegūt pjezoelektrisko efektu. Tādējādi tiek iegūta izturīga pjezoelektriskā keramika ar pjezoelektrisko savienojuma koeficientu no 0,2 līdz 0,4.

Nepieciešamās formas pjezoelektriskos elementus izgatavo no pjezokeramikas, lai pēc tam iegūtu vajadzīgā rakstura mehāniskās vibrācijas (garenvirziena, šķērsvirziena, lieces). Rūpnieciskās pjezokeramikas galvenie pārstāvji ir izgatavoti uz bārija titanāta, kalcija, svina, svina cirkonāta-titanāta un bārija svina niobāta bāzes.

Polimēru pjezoelektriķi

Polimēru plēves (piemēram, polivinilidēnfluorīds) tiek izstieptas par 100–400%, pēc tam polarizē elektriskajā laukā un pēc tam uzliek elektrodus, izmantojot metalizāciju. Tādējādi tiek iegūti plēves pjezoelektriskie elementi ar elektromehāniskās sakabes koeficientu 0,16.

Pjezoelektriķu pielietojums

Atsevišķi un savstarpēji savienoti pjezoelektriskie elementi ir atrodami gatavu radiotehnikas ierīču veidā - pjezoelektriskie devēji ar tiem piestiprinātiem elektrodiem.

Šādas ierīces, kas izgatavotas no kvarca, pjezoelektriskās keramikas vai jonu pjezoelektriķiem, izmanto elektrisko signālu ģenerēšanai, pārveidošanai un filtrēšanai. No kvarca kristāla izgriež plakanu paralēlu plāksni, pievieno elektrodus - iegūst rezonatoru.

Rezonatora frekvence un Q koeficients ir atkarīgi no leņķa pret kristalogrāfiskajām asīm, pie kurām plāksne tiek sagriezta. Parasti radiofrekvenču diapazonā līdz 50 MHz šādu rezonatoru Q koeficients sasniedz 100 000. Turklāt pjezoelektriskos pārveidotājus plaši izmanto kā pjezoelektriskos transformatorus ar augstu ieejas pretestību, parasti plašam frekvenču diapazonam.

Kvalitātes faktora un frekvences ziņā kvarcs pārspēj jonu pjezoelektriskos elementus, kas spēj darboties frekvencēs līdz 1 GHz. Plānākās litija tantalāta plāksnes tiek izmantotas kā ultraskaņas vibrāciju emitētāji un uztvērēji ar frekvenci no 0,02 līdz 1 GHz, rezonatoros, filtros, virsmas akustisko viļņu aizkaves līnijās.

Plānas pjezoelektrisko pusvadītāju plēves, kas uzklātas uz dielektriskiem substrātiem, tiek izmantotas starppirkstu pārveidotājos (šeit virsmas akustisko viļņu ierosināšanai izmanto mainīgos elektrodus).

Zemfrekvences pjezoelektriskie devēji ir izgatavoti uz dipola feroelektriķu bāzes: miniatūrie mikrofoni, skaļruņi, uztvērēji, spiediena, deformācijas, vibrācijas, paātrinājuma sensori, ultraskaņas izstarotāji.