Piezoelectrice - studopediya

In 1880 frații și P. J. Curie deschis efectul piezoelectric directe - apariția sarcinilor electrostatice tăiat plăci dintr-un cristal de cuarț, sub influența solicitărilor mecanice. Aceste taxe sunt proporționale cu tensiunea mecanică, schimbă semnul lor împreună cu ei dispar după detensionare.

Împreună cu efect piezoelectric direct și efectul piezoelectric invers se observă atunci când un câmp electric apare deformarea mecanică a cristalului, magnitudinea deformării mecanice este direct proporțională cu câmpul electric.

efect piezoelectric Inverse nu trebuie confundat cu electrostriction - dielectrici de deformare sub influența unui câmp electric. Electrostriction se observă atât în ​​dielectrici solide și lichide, în timp ce efectul piezoelectric se observă numai în dielectrici solide cu o structură cristalină specifică. De asemenea, atunci când a observat electrostriction dependență pătratică între intensitatea câmpului și deformare, în timp ce piezoelectric - dependență liniară.

Efectul piezoelectric este observată numai atunci când rețeaua cristalină este asimetric. Centrul cristalin Lipsa de simetrie a rețelei cristaline este o condiție necesară, dar insuficientă pentru apariția efectului piezoelectric.

După cum sa menționat mai sus, taxele piezoelectrice directe pe suprafața unui dielectric este proporțională cu forța aplicată.

În cazul în care Q - cantitatea de încărcare, F - valoarea forței aplicate, d - factor de proporționalitate între taxă și forța aplicată, numită piezomodulus.

Împărțind suma de încărcare și forța aplicată pe zona S, obținem

în cazul în care: QS - densitatea de suprafață de încărcare, P - polarizare, s - subliniază.

Pentru cazul piezoelectric modulului efectului piezoelectric invers se referă amplitudinea deformației relative a cristalului cu câmpul electric

Este important de remarcat că aceste relații sunt calitative doar în natură. Descrierea efectivă a efectului piezoelectric este mult mai dificil. Faptul că stresul mecanic este o cantitate tensor având șase componente independente, în timp ce polarizarea este o mărime vectorială. De aceea piezomodulus stabilirea comunicării între vectorul de polarizare și tensiunilor mecanice este un tensor al treilea rang având 18 componente independente. Forma Ecuația tensor înainte și efectele piezoelectrice inverse ia forma următoare:

unde i = 1,2,3 - componente ale vectorului de polarizare; j = 1,2 ... 6 - componente tensoriale ale tensiunilor mecanice sau deformări.

În plus față de piezoelectric o altă caracteristică importantă a unui piezoelectric electromecanic coeficient de cuplare k. Pătratul a acestui raport este raportul dintre energia mecanică în energie electrică totală primită de la sursa de alimentare.

Este cunoscut un număr mare de substanțe cu proprietăți piezoelectrice, inclusiv - toate feroelectricilor. Cu toate acestea, nu toate materialele piezoelectrice găsit aplicație tehnică.

Una dintre cele mai cunoscute este un singur cristal piezoelectric de cuarț - dioxid de siliciu anhidru cristalizeze un sistem hexagonal din clasa trapetsoedricheskom trigonal. cristale de cuarț clare mari naturale sunt numite piatra de cristal. Cristalele de cuarț pentru a distinge trei axe principale: X - axa care trece prin nodurile secțiunii transversale hexagon (astfel axe 3); Y - axa perpendiculară pe axele secțiunii transversale hexagon (cum ar fi cele trei axe); Z - axa care trece prin vârful cristalului.

tăiat placă de cuarț perpendicular pe axa Z nu au un efect piezoelectric. Cel mai mare efect a fost observat în plăci tăiate perpendicular pe axa X.

cuarț Polished electrozi plați-plane paralele iar suportul este un rezonator piezoelectric, adică un circuit rezervor cu anumite oscilații de frecvență de rezonanță. Frecvența de rezonanță depinde de direcția grosimii plăcii și se taie. Avantajele rezonatoare de cuarț este TGD mic și factor de înaltă calitate mecanică. Datorită înaltă calitate mecanice cristale de cuarț sunt folosite ca un filtru foarte selectiv, precum și pentru generatoarele de stabilizare și frecvența de calibrare. Una dintre cerințele majore pentru astfel de rezonatori este stabilitatea temperaturii frecvenței de rezonanță. Această cerință este tăieri oblice speciale din plăci satisfăcute în ceea ce privește axele principale.

cristale de cuart naturale contin de obicei defecte care reduc valoarea acestora. Prin urmare, cerințele de bază sunt satisfăcute pezotehniki cristale artificiale cultivate din o soluții alcaline bogat în siliciu.

În plus față de cuarț, ca materiale pentru elementele piezoelectrice sunt utilizate pe scară largă tantalate niobat și litiu. Prin natura lor, aceste materiale sunt feroelectricilor. Pentru a conferi proprietăți piezoelectrice produc recoaptă într-un câmp electric puternic, care realizează crearea unui stat cu un singur domeniu.

În mod similar, acesta poate fi transformat într-o stare feroelectrice piezoelectric. feroelectrica polarizată numit piezoceramice. Piezoceramice inainte de monocristale are avantajul că poate fi realizat dintr-un element activ de orice formă și dimensiune. Ca material pentru ceramica piezoelectric este utilizat pe baza soluțiilor solide de titanat de bariu, plumb titanate-zirconat, metaniobate plumb.

Materiale piezoceramice pot fi împărțite în patru grupe funcționale. Materiale Grupul 1 utilizate pentru fabricarea unui element extrem de sensibile, care funcționează în modul, radiații sau vibrații mecanice primesc. Pentru astfel de materiale necesită modul de elasticitate ridicat piezoelectric. Materialele din grupa 2 sunt utilizate pentru fabricarea de generatoare semnale puternice care funcționează în condiții de câmpuri electrice ridicate sau solicitări mecanice ridicate. Pentru astfel de materiale au nevoie de o rezistivitate electrică ridicată. Grupa 3 Materialele utilizate pentru fabricarea elementelor piezoelectrice având o stabilitate crescută a frecvenței de rezonanță, în funcție de temperatură și timp. Materialele din grupa 4 sunt utilizate pentru fabricarea elementelor piezoelectrice ridicate.

Materiale pe bază de titanat de bariu. Cel mai ieftin material este piezoceramice TB-1 (BaTiO3). Absența în componenta volatilă în timpul arderii și ușurința de fabricare a tehnologiei cauza este pe scară largă. O mai mare stabilitate a caracteristicilor de temperatură au o soluție solidă de titanat de bariu și calciu suplimentat cu cobalt (TAC-3) și titanatul de bariu și calciu plumb (TBKS).

Materialele bazate pe soluții solide titanatul - zirconat de plumb. Pe baza acestor soluții solide dezvoltat o serie de materiale piezoelectrice, purtând denumirea convențională PZT (PZT de peste mări). Compoziția acestor materiale se bazează pe o soluție solidă care conține 53-54% din zirconat de plumb și 46-47% din titanat de plumb. Pentru a îmbunătăți caracteristicile soluției vrac aditivii stronțiu titanat sunt introduse, precum și mai mulți oxizi - oxizi de niobiu, lantan, neodim și altele.

Temperatura Curie a acestor materiale peste 250 ° C, și nu au nici o fază de tranziție la temperatură joasă, ceea ce conduce la o stabilitate ridicată a caracteristicilor și constante dielectrice piezoelectrice, comparativ cu ceramică pe bază de titanat de plumb. Tehnologia de producere articole din PZT este complicată de faptul că compoziția PZT include oxid de plumb volatil, care se volatilizează în timpul arderii. Acest lucru conduce la o reproductibilitate slabă a proprietăților, deci ardere preforme piezoelements produse într-o atmosferă de vapori de oxid de plumb.

Materialele pe bază de plumb. Metaniobate Soluțiile solide metaniobates conduc și bariu ((Pb, Ba) NB2 O3), conținând 40-50% metaniobate, bariu, au o temperatură ridicată Curie (peste 250 ° C) a punctului; le lipsește tranzițiile de temperatură joasă. Tehnologia de fabricare de produse sunt mai simple, astfel încât materialele BNS brandurile au proliferat.

Proprietățile unor materiale piezoelectrice sunt prezentate în tabelul 1.

Tabelul 1 Caracteristicile diferitelor piezoceramice.