Piëzo-elektriese effek van piëzo-elektriese keramiek

Wanneer die piëso-elektriese keramiek gepolariseer is, is daar 'n sterk residuele veldpolarisasie binne die keramiekmateriaal. Wanneer die keramiekmateriaal aan 'n eksterne krag onderwerp word, veroorsaak die grens van die domein beweeg 'n verandering in die polarisasie-intensiteit wat 'n piëso-elektriese effek tot gevolg het.

 Die gepolariseerde piëso-elektriese keramiek het 'n baie hoë piëso-elektriese koëffisiënt, wat omtrent 'n paar honderd keer dié van 'n kwartskristal is, maar die meganiese sterkte is minderwaardig as dié van 'n kwartskristal.

Piëzokeramiese plaat-omskakelaars is stowwe soos ferro-elektrika, en is kunsmatig vervaardigde polikristallyne piëso-elektriese materiale met 'n domeinstruktuur soortgelyk aan die magnetiese domeinstruktuur van ferromagnetiese materiale. 'n Domein is 'n gebied waarin 'n molekule spontaan vorm. Dit het 'n sekere polarisasierigting, sodat 'n sekere elektriese veld bestaan. In die afwesigheid van 'n eksterne elektriese veld, word die individuele domeine ewekansig op die kristal versprei, en hul polarisasie-effekte word mekaar gekanselleer, sodat die oorspronklike piëso-elektriese keramiek geen interne polarisasie het nie.

Wanneer die voltmeter egter aan die twee elektrodes van die keramiekplaat gekoppel is vir meting, kon die polarisasie wat binne die keramiekplaat bestaan, nie gemeet word nie. Dit is omdat die polarisasie in die piëzokeramiekplaat altyd uitgedruk word in die vorm van 'n elektriese dipoolmoment, dit wil sê, 'n positief gebonde lading vind aan die een kant van die keramiek plaas en 'n negatief gebonde lading vind plaas aan die ander kant. As gevolg van die werking van die gebonde lading, word 'n lading van buite op die elektrode-oppervlak van die keramiekplaat geadsorbeer. Hierdie gratis ladings is gelyk aan die gebonde ladingsteken in die keramiekplaat, wat die effekte van polarisasie binne die keramiekplaat op die buitewêreld beskerm en teëwerk. Daarom kan die voltmeter nie die mate van polarisasie in die keramiekplaat meet nie.

As 'n druk F parallel met die rigting van polarisasie op die keramiekplaat toegepas word, soos in die figuur getoon, sal die keramiekplaat kompressievervorming ondergaan (gestreepte lyn in die figuur), die afstand tussen die positiewe en negatiewe gebonde ladings in die plaat word kleiner, en die polarisasie-intensiteit verander ook. Daarom word 'n deel van die vrye lading wat oorspronklik op die elektrode geadsorbeer is vrygestel, en 'n ladingsverskynsel kom voor. Wanneer die druk verwyder word, keer die keramiekstuk terug na sy oorspronklike toestand (dit is 'n uitsettingsproses), die afstand tussen die positiewe en negatiewe ladings in die film word groter, en die polarisasie-intensiteit word ook groter, sodat sommige vrye ladings op die elektrode geadsorbeer word en laaiverskynsel vind plaas. piëzo-elektriese effek.

Net so, as 'n elektriese veld met dieselfde polarisasierigting van hoëkrag piëzo-keramiek op die keramiekplaat toegepas word, soos in die figuur getoon, aangesien die rigting van die elektriese veld dieselfde is as die rigting van die polarisasie, verhoog die werking van die elektriese veld die polarisasie. Op hierdie tydstip word die afstand tussen die positiewe en negatiewe gebonde ladings in die keramiekplaat ook vergroot, dit wil sê, die keramiekplaat word in die polarisasierigting verleng (gebroke lyn in die figuur). Net so, as die rigting van die toegepaste elektriese veld teenoor die rigting van polarisasie is, word die keramiekplaat verkort in die rigting van polarisasie. Hierdie verskynsel van omskakeling in 'n meganiese effek as gevolg van 'n elektriese effek of 'n oorgang van elektriese energie na meganiese energie is 'n omgekeerde piëso-elektriese effek.

   

Dit kan gesien word dat die piëzo-elektriese keramiek 'n piëso-elektriese effek het as gevolg van die spontane polarisasie binne die keramiek. Nadat die spontane polarisasie aan die polarisasieproses onderwerp is en gedwing is om belyn te word, is die oorblywende polarisasie in die keramiek teenwoordig. As die eksterne aksie (soos die aksie van druk of elektriese veld) die polarisasie kan verander, sal piëzo-keramiek 'n piëso-elektriese effek hê. Daarbenewens kan dit gesien word dat die gepolariseerde ladings in die keramiek gebonde ladings is, dit vry nie ladings nie, en hierdie gebonde ladings kan nie vrylik beweeg nie. Daarom word die ontladings- of laaiverskynsel wat in die keramiek gegenereer word, veroorsaak deur die verandering van die interne polarisasie van die keramiek, wat die vrystelling of aanvulling van die vrye lading op die elektrode-oppervlak veroorsaak.

Wanneer die piëso-elektriese keramiek aan 'n krag Fz in die polarisasierigting (Z-rigting) op die polarisasievlak onderwerp word (dws die krag is loodreg op die polarisasievlak), dan op die twee silwer-bedekte (of goud) polarisasievlakke verskyn, onderskeidelik positiewe en negatiewe ladings, die ladingshoeveelheid Qzz is eweredig aan die krag Fz, dws:

Piëzo-elektriese materiaal:

Piëso-elektriese kristalle, soos kwarts;
Piëso-elektriese keramiek, soos bariumtitanaat, loodsirkonaattitanaat, ens.;
Piëso-elektriese halfgeleiers soos sinksulfied, kadmiumtelluried, en dies meer.
        
Vereistes vir piëso-elektriese materiaal eienskappe:

Die uitstaande voordele van piëzo-elektriese keramiekstroke kwartskristalle is baie stabiel vir werkverrigting, hoë meganiese sterkte en uitstekende isolasie-eienskappe. Kwartsmateriale is egter duur en het 'n baie laer piëso-elektriese koëffisiënt as piëso-elektriese keramiek. Daarom word dit oor die algemeen slegs gebruik in die standaard instrumente of sensors wat hoër vereistes vereis. Omdat kwarts 'n anisotropiese kristal is, verskil die fisiese eienskappe (soos elastisiteit, piëso-elektriese effek, temperatuurkenmerke, ens.) van wafels wat in verskillende rigtings gesny is, baie. Om die kwartssensor te ontwerp, word die gesnyde vorm van die kwarts korrek gekies volgens verskillende toepassingsvereistes.