פיזואלקטריות, פיזואלקטריות - פיזיקה של התופעה, סוגים, מאפיינים ויישומים

פיזואלקטריק דיאלקטריים מודגשים אפקט פיזואלקטרי.

תופעת הפיאזואלקטריות התגלתה ונחקרה בשנים 1880-1881 על ידי הפיזיקאים הצרפתים המפורסמים פייר ופול ז'אק קירי.

במשך יותר מ-40 שנה, פיאזואלקטריות לא מצאה יישום מעשי, ונשארה רכושן של מעבדות פיזיקה. רק במהלך מלחמת העולם הראשונה השתמש המדען הצרפתי פול לנגווין בתופעה זו כדי ליצור רעידות קוליות במים מלוח קוורץ לצורך מיקום תת-מימי ("קולי").

לאחר מכן, מספר פיזיקאים החלו להתעניין בחקר התכונות הפיזואלקטריות של קוורץ וכמה גבישים אחרים והיישומים המעשיים שלהם. בין העבודות הרבות שלהם היו כמה יישומים חשובים מאוד.

לדוגמה, בשנת 1915 S.באטרוורת' הראה כי ניתן לייצג את לוח הקוורץ כמערכת מכנית חד-ממדית, הנרגשת עקב האינטראקציה בין שדה חשמלי למטענים חשמליים, כמעגל חשמלי שווה ערך עם קיבול, השראות ונגד מחוברים בסדרה.

בהציגו לוחית קוורץ כמעגל מתנד, באטרוורת' היה הראשון שהציע מעגל שווה ערך עבור מהוד קוורץ, שהוא הבסיס לכל העבודה התיאורטית שלאחר מכן. מתהודי קוורץ.

האפקט הפיאזואלקטרי הוא ישיר והפוך. האפקט הפיאזואלקטרי הישיר מאופיין בקיטוב החשמלי של הדיאלקטרי, המתרחש עקב פעולת הלחץ המכני החיצוני עליו, בעוד שהמטען המושרה על פני הדיאלקטרי הוא פרופורציונלי למתח המכני המופעל:

עם האפקט הפייזואלקטרי ההפוך, התופעה מתבטאת הפוך - הדיאלקטרי משנה את מימדיו תחת פעולת שדה חשמלי חיצוני המופעל עליו, בעוד שגודל העיוות המכני (דפורמציה יחסי) תהיה פרופורציונלית לחוזק של השדה החשמלי שהופעל על המדגם:

גורם המידתיות בשני המקרים הוא piezomodulus d. עבור אותו פיזואלקטרי, ה-piezomoduli עבור אפקט פיזואלקטרי ישיר (dpr) והפוך (drev) שווים זה לזה. לפיכך, פיזואלקטריים הם סוג של מתמרים אלקטרו-מכאניים הפיכים.

אפקט פיזואלקטרי אורך ורוחב

האפקט הפיאזואלקטרי, בהתאם לסוג המדגם, יכול להיות אורכי או רוחבי.במקרה של האפקט הפיאזואלקטרי האורך, מטענים בתגובה למתח או למתח בתגובה לשדה חשמלי חיצוני נוצרים באותו כיוון של הפעולה היזומה. עם האפקט הפיאזואלקטרי הרוחבי, הופעת המטענים או כיוון העיוות יהיו בניצב לכיוון האפקט הגורם להם.

אם שדה חשמלי מתחלף מתחיל לפעול על פיזואלקטרי, אזי יופיע בו דפורמציה מתחלפת באותו תדר. אם האפקט הפיאזואלקטרי הוא אורכי, אז לעיוותים יהיה אופי של דחיסה ומתח בכיוון השדה החשמלי המופעל, ואם הוא רוחבי, אזי יצפו גלים רוחביים.

אם התדירות של השדה החשמלי לסירוגין המופעל שווה לתדר התהודה של הפיאזואלקטרי, אז המשרעת של העיוות המכאני תהיה מקסימלית. ניתן לקבוע את תדירות התהודה של המדגם על ידי הנוסחה (V היא מהירות ההתפשטות של גלים מכניים, h הוא עובי המדגם):

המאפיין החשוב ביותר של החומר הפיאזואלקטרי הוא מקדם הצימוד האלקטרו-מכני, המציין את היחס בין כוח הרעידות המכניות Pa לבין הכוח החשמלי Pe שהושקע על עירורם על ידי פגיעה במדגם. מקדם זה לוקח בדרך כלל ערך בטווח של 0.01 עד 0.3.

פיזואלקטריה מאופיינת במבנה גבישי של חומר בעל קשר קוולנטי או יוני ללא מרכז סימטריה. חומרים בעלי מוליכות נמוכה, שבהם יש נושאי מטען חינם זניחים, נבדלים על ידי מאפיינים פיזואלקטריים גבוהים.פיזואלקטריים כוללים את כל הפרו-אלקטריות, כמו גם שפע של חומרים ידועים, כולל שינוי גבישי של קוורץ.

פיזואלקטריק קריסטל יחיד

מחלקה זו של פיזואלקטריה כוללת פרואלקטריות יוניות וקוורץ גבישי (בטא-קוורץ SiO2).

גביש יחיד של בטא קוורץ הוא בעל צורה של פריזמה משושה עם שתי פירמידות בצדדים. הבה נדגיש כאן כמה כיוונים קריסטלוגרפיים. ציר Z עובר דרך ראשי הפירמידות והוא הציר האופטי של הגביש. אם צלחת נחתכת מגביש כזה בכיוון מאונך לציר הנתון (Z), אז לא ניתן להשיג את האפקט הפיאזואלקטרי.

צייר את צירי ה-X דרך קודקודי המשושה, ישנם שלושה צירי X כאלה. אם חותכים את הלוחות בניצב לצירי ה-X, אז נקבל דוגמה עם האפקט הפייזואלקטרי הטוב ביותר. זו הסיבה שצירי ה-X נקראים בקוורץ צירים חשמליים. כל שלושת צירי ה-Y המצוירים בניצב לצידי גביש הקוורץ הם צירים מכניים.

סוג זה של קוורץ שייך לפיזואלקטריים חלשים, מקדם הצימוד האלקטרומכני שלו הוא בטווח של 0.05 עד 0.1.

לקוורץ הקריסטלי הייתה הישימות הגדולה ביותר בשל יכולתו לשמור על תכונות פיזואלקטריות בטמפרטורות של עד 573 מעלות צלזיוס. מהודים פיזואלקטריים של קוורץ הם לא יותר מלוחות מקבילים למישור עם אלקטרודות מחוברות אליהם. אלמנטים כאלה נבדלים על ידי תדר תהודה טבעית בולטת.

ליתיום ניובייט (LiNbO3) הוא חומר פיזואלקטרי בשימוש נרחב הקשור לפרואלקטרי יון (יחד עם ליתיום טנטלאט LiTaO3 וביסמוט גרמנאט Bi12GeO20).פרואלקטריות יוניות עוברות חישול מראש בשדה חשמלי חזק בטמפרטורה מתחת לנקודת הקורי כדי להביא אותם למצב של תחום יחיד. לחומרים כאלה יש מקדמים גבוהים יותר של צימוד אלקטרומכני (עד 0.3).

קדמיום גופרתי CdS, תחמוצת אבץ ZnO, אבץ גופרתי ZnS, קדמיום סלניד CdSe, גליום ארסניד GaAs וכו'. הן דוגמאות לתרכובות מסוג מוליכים למחצה עם קשר יוני-קוולנטי. אלה הם מה שנקרא מוליכים למחצה piezo.

על בסיס אלה דיפולים ferroelectrics, ethylenediamine tartrate C6H14N8O8, טורמלין, גבישים בודדים של מלח רושל, ליתיום סולפט Li2SO4H2O - piezoelectrics מתקבלים גם.

פיזואלקטריות פוליקריסטליות

קרמיקה פרו-אלקטרית שייכת לפיזואלקטריות פוליקריסטליות. על מנת להקנות תכונות פיזואלקטריות לקרמיקה פרו-אלקטרית, יש לקטב קרמיקה כזו למשך שעה אחת בשדה חשמלי חזק (בעל חוזק של 2 עד 4 MV/m) בטמפרטורה של 100 עד 150 מעלות צלזיוס, כך שלאחר חשיפה זו , נשאר בו קיטוב, מה שמאפשר להשיג אפקט פיזואלקטרי. כך, מתקבלת קרמיקה פיזואלקטרית חזקה עם מקדמי צימוד פיזואלקטריים של 0.2 עד 0.4.

אלמנטים פיזואלקטריים בעלי הצורה הנדרשת עשויים מפייזוקרמיקה על מנת לקבל תנודות מכניות בעלות האופי הנדרש (אורכי, רוחבי, כיפוף). הנציגים העיקריים של piezoceramics תעשייתי מיוצרים על בסיס בריום טיטנאט, סידן, עופרת, עופרת זירקונט-טיטנאט ובריום עופרת ניובאט.

פיזואלקטריק פולימרי

סרטי פולימרים (למשל פוליווינילידן פלואוריד) נמתחים ב-100-400%, לאחר מכן מקוטבים בשדה חשמלי, ולאחר מכן מיושמים אלקטרודות על ידי מתכת. לפיכך, מתקבלים אלמנטים פיזואלקטריים בסרט עם מקדם צימוד אלקטרומכני בסדר גודל של 0.16.

יישום של פיזואלקטריות

ניתן למצוא אלמנטים פיזואלקטריים נפרדים ומחוברים זה לזה בצורה של מכשירי הנדסת רדיו מוכנים - מתמרים פיזואלקטריים עם אלקטרודות מחוברות אליהם.

מכשירים כאלה, העשויים מקוורץ, קרמיקה פיזואלקטרית או פיזואלקטרית יונית, משמשים להפקה, טרנספורמציה וסינון של אותות חשמליים. צלחת מקבילה למישור נחתכת מגביש קוורץ, אלקטרודות מחוברות - מתקבל תהודה.

התדירות ופקטור ה-Q של המהוד תלויים בזווית לצירים הקריסטלוגרפיים שבהם הצלחת נחתכת. בדרך כלל, בתחום תדרי הרדיו של עד 50 מגה-הרץ, גורם ה-Q של מהודים כאלה מגיע ל-100,000. בנוסף, מתמרים פיזואלקטריים נמצאים בשימוש נרחב כשנאים פיזואלקטריים עם עכבת כניסה גבוהה, עבור טווח תדרים רחב בדרך כלל.

במונחים של גורם איכות ותדר, הקוורץ מתעלה על פיזואלקטריק יונים, המסוגל לפעול בתדרים של עד 1 GHz. לוחות הליטיום טנטלאט הדקים ביותר משמשים כפולטים ומקלטים של רעידות קוליות בתדר של 0.02 עד 1 GHz, במהודים, מסננים, קווי השהייה של גלים אקוסטיים משטחים.

סרטים דקים של מוליכים למחצה פיזואלקטריים המופקדים על מצעים דיאלקטריים משמשים במתמרים בין-דיגיטליים (כאן משתמשים באלקטרודות משתנות כדי לעורר גלים אקוסטיים על פני השטח).

מתמרים פיזואלקטריים בתדר נמוך מיוצרים על בסיס דיפולים פרואלקטריים: מיקרופונים מיניאטוריים, רמקולים, פיקאפים, חיישנים ללחץ, דפורמציה, רטט, תאוצה, פולטים קוליים.