Piezoelettrica, piezoelettricità - fisica del fenomeno, tipi, proprietà e applicazioni

Piezoelettrico I dielettrici sono evidenziati effetto piezoelettrico.

Il fenomeno della piezoelettricità fu scoperto e studiato nel 1880-1881 dai famosi fisici francesi Pierre e Paul-Jacques Curie.

Per più di 40 anni la piezoelettricità non ha trovato applicazione pratica, rimanendo proprietà dei laboratori di fisica. Fu solo durante la prima guerra mondiale che lo scienziato francese Paul Langevin utilizzò questo fenomeno per generare vibrazioni ultrasoniche nell'acqua da una lastra di quarzo allo scopo di localizzare sott'acqua ("ecoscandaglio").

Successivamente, un certo numero di fisici si interessò allo studio delle proprietà piezoelettriche del quarzo e di alcuni altri cristalli e alle loro applicazioni pratiche. Tra i loro numerosi lavori c'erano diverse applicazioni molto importanti.

Ad esempio, nel 1915 S.Butterworth ha dimostrato che la lastra di quarzo come sistema meccanico unidimensionale, che viene eccitato a causa dell'interazione tra un campo elettrico e cariche elettriche, può essere rappresentata come un circuito elettrico equivalente con capacità, induttanza e resistore collegati in serie.

Introducendo una lastra di quarzo come circuito oscillatore, Butterworth fu il primo a proporre un circuito equivalente per un risonatore al quarzo, che è alla base di tutti i successivi lavori teorici. da risonatori al quarzo.

L'effetto piezoelettrico è diretto e inverso. L'effetto piezoelettrico diretto è caratterizzato dalla polarizzazione elettrica del dielettrico, che si verifica per l'azione di una sollecitazione meccanica esterna su di esso, mentre la carica indotta sulla superficie del dielettrico è proporzionale alla sollecitazione meccanica applicata:

Con l'effetto piezoelettrico inverso, il fenomeno si manifesta al contrario: il dielettrico cambia le sue dimensioni sotto l'azione di un campo elettrico esterno ad esso applicato, mentre l'entità della deformazione meccanica (deformazione relativa) sarà proporzionale alla forza di il campo elettrico applicato al campione:

Il fattore di proporzionalità in entrambi i casi è il piezomodulo d. Per lo stesso piezoelettrico, i piezomoduli per effetto piezoelettrico diretto (dpr) e inverso (drev) sono uguali tra loro. Pertanto, i piezoelettrici sono un tipo di trasduttori elettromeccanici reversibili.

Effetto piezoelettrico longitudinale e trasversale

L'effetto piezoelettrico, a seconda del tipo di campione, può essere longitudinale o trasversale.Nel caso dell'effetto piezoelettrico longitudinale, le cariche in risposta alla deformazione o deformazione in risposta a un campo elettrico esterno vengono generate nella stessa direzione dell'azione iniziale. Con l'effetto piezoelettrico trasversale, la comparsa delle cariche o la direzione della deformazione sarà perpendicolare alla direzione dell'effetto che le provoca.

Se un campo elettrico alternato inizia ad agire su un piezoelettrico, in esso apparirà una deformazione alternata con la stessa frequenza. Se l'effetto piezoelettrico è longitudinale, le deformazioni avranno il carattere di compressione e tensione nella direzione del campo elettrico applicato, e se è trasversale, si osserveranno onde trasversali.

Se la frequenza del campo elettrico alternato applicato è uguale alla frequenza di risonanza del piezoelettrico, allora l'ampiezza della deformazione meccanica sarà massima. La frequenza di risonanza del campione può essere determinata dalla formula (V è la velocità di propagazione delle onde meccaniche, h è lo spessore del campione):

La caratteristica più importante del materiale piezoelettrico è il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico, che indica il rapporto tra la forza delle vibrazioni meccaniche Pa e la potenza elettrica Pe spesa per la loro eccitazione per impatto sul campione. Questo coefficiente di solito assume un valore compreso tra 0,01 e 0,3.

I piezoelettrici sono caratterizzati da una struttura cristallina di un materiale con un legame covalente o ionico senza un centro di simmetria. I materiali a bassa conducibilità, in cui sono presenti portatori di carica liberi trascurabili, si distinguono per le elevate caratteristiche piezoelettriche.I piezoelettrici includono tutti i ferroelettrici, nonché una vasta gamma di materiali noti, inclusa la modifica cristallina del quarzo.

Piezoelettrici a cristallo singolo

Questa classe di piezoelettrici comprende i ferroelettrici ionici e il quarzo cristallino (beta-quarzo SiO2).

Un singolo cristallo di quarzo beta ha la forma di un prisma esagonale con ai lati due piramidi. Evidenziamo qui alcune direzioni cristallografiche. L'asse Z passa attraverso i vertici delle piramidi ed è l'asse ottico del cristallo. Se una lastra viene tagliata da un tale cristallo in una direzione perpendicolare all'asse dato (Z), non è possibile ottenere l'effetto piezoelettrico.

Disegna gli assi X attraverso i vertici dell'esagono, ci sono tre di questi assi X. Se tagli le piastre perpendicolarmente agli assi X, otteniamo un campione con il miglior effetto piezoelettrico. Questo è il motivo per cui gli assi X sono chiamati assi elettrici in quarzo. Tutti e tre gli assi Y disegnati perpendicolarmente ai lati del cristallo di quarzo sono assi meccanici.

Questo tipo di quarzo appartiene ai piezoelettrici deboli, il suo coefficiente di accoppiamento elettromeccanico è compreso tra 0,05 e 0,1.

Il quarzo cristallino ha avuto la massima applicabilità grazie alla sua capacità di mantenere le proprietà piezoelettriche a temperature fino a 573 ° C. I risonatori piezoelettrici al quarzo non sono altro che piastre piano-parallele con elettrodi collegati ad esse. Tali elementi si distinguono per una pronunciata frequenza di risonanza naturale.

Il niobite di litio (LiNbO3) è un materiale piezoelettrico ampiamente utilizzato correlato ai ferroelettrici ionici (insieme al tantalato di litio LiTaO3 e al germanato di bismuto Bi12GeO20).I ferroelettrici ionici sono pre-ricotti in un forte campo elettrico a una temperatura inferiore al punto di Curie per portarli in uno stato a dominio singolo. Tali materiali hanno coefficienti più elevati di accoppiamento elettromeccanico (fino a 0,3).

Solfuro di cadmio CdS, ossido di zinco ZnO, solfuro di zinco ZnS, seleniuro di cadmio CdSe, arseniuro di gallio GaAs, ecc. Sono esempi di composti di tipo semiconduttore con un legame ionico-covalente. Questi sono i cosiddetti semiconduttori piezoelettrici.

Sulla base di questi ferroelettrici a dipolo, si ottengono anche tartrato di etilendiammina C6H14N8O8, tormalina, cristalli singoli di sale di Rochelle, solfato di litio Li2SO4H2O - piezoelettrici.

Piezoelettrici policristallini

La ceramica ferroelettrica appartiene ai piezoelettrici policristallini. Per conferire proprietà piezoelettriche alle ceramiche ferroelettriche, tali ceramiche devono essere polarizzate per un'ora in un forte campo elettrico (con un'intensità da 2 a 4 MV / m) a una temperatura compresa tra 100 e 150 ° C, in modo che dopo questa esposizione , la polarizzazione rimane al suo interno, il che consente di ottenere un effetto piezoelettrico. Pertanto, si ottengono robuste ceramiche piezoelettriche con coefficienti di accoppiamento piezoelettrico da 0,2 a 0,4.

Gli elementi piezoelettrici della forma richiesta sono realizzati in piezoceramica per ottenere quindi vibrazioni meccaniche della natura richiesta (longitudinali, trasversali, di flessione). I principali rappresentanti della piezoceramica industriale sono realizzati sulla base di titanato di bario, calcio, piombo, titanato di zirconato di piombo e niobato di piombo di bario.

Piezoelettrici polimerici

I film polimerici (ad esempio il fluoruro di polivinilidene) vengono stirati del 100-400%, quindi polarizzati in un campo elettrico e quindi gli elettrodi vengono applicati mediante metallizzazione. Si ottengono così elementi piezoelettrici a film con un coefficiente di accoppiamento elettromeccanico dell'ordine di 0,16.

Applicazione dei piezoelettrici

Elementi piezoelettrici separati e interconnessi possono essere trovati sotto forma di dispositivi di ingegneria radio già pronti: trasduttori piezoelettrici con elettrodi collegati.

Tali dispositivi, realizzati in quarzo, ceramica piezoelettrica o piezoelettrici ionici, vengono utilizzati per generare, trasformare e filtrare segnali elettrici. Una piastra piano-parallela viene tagliata da un cristallo di quarzo, gli elettrodi sono attaccati: si ottiene un risonatore.

La frequenza e il fattore Q del risonatore dipendono dall'angolo rispetto agli assi cristallografici a cui viene tagliata la lastra. Tipicamente, nella gamma di radiofrequenze fino a 50 MHz, il fattore Q di tali risonatori raggiunge 100.000.Inoltre, i trasduttori piezoelettrici sono ampiamente utilizzati come trasformatori piezoelettrici con elevata impedenza di ingresso, per una gamma di frequenza tipicamente ampia.

In termini di fattore di qualità e frequenza, il quarzo supera i piezoelettrici ionici, in grado di operare a frequenze fino a 1 GHz. Le lastre di tantalato di litio più sottili sono utilizzate come emettitori e ricevitori di vibrazioni ultrasoniche con una frequenza da 0,02 a 1 GHz, in risonatori, filtri, linee di ritardo di onde acustiche di superficie.

Film sottili di semiconduttori piezoelettrici depositati su substrati dielettrici vengono utilizzati nei trasduttori interdigitali (qui vengono utilizzati elettrodi variabili per eccitare le onde acustiche di superficie).

I trasduttori piezoelettrici a bassa frequenza sono realizzati sulla base di ferroelettrici a dipolo: microfoni in miniatura, altoparlanti, pickup, sensori di pressione, deformazione, vibrazione, accelerazione, emettitori di ultrasuoni.