مقدمة للمواد الكهرضغطية والمعايير التقنية

مادة كهرضغطية سيراميكية هي مواد بلورية تولد جهدًا كهربائيًا بين طرفيها عند الضغط عليها. في عام 1880، اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان بي كوري والأخوة جي كوري أنه عند وضع جسم ثقيل على بلورة كوارتز، فإن بعض أسطح البلورة ستولد شحنات، وتتناسب كمية الشحنة مع الضغط. وتسمى هذه الظاهرة التأثير الكهرضغطية. بعد ذلك مباشرة، اكتشف الأخوان كوري التأثير الكهرضغطي العكسي، أي أن الجسم الكهرضغطي يتشوه تحت تأثير مجال كهربائي خارجي. آلية التأثير الكهروضغطي هي: البلورة ذات الكهرضغطية لديها تناسق منخفض. عندما تتشوه بقوة خارجية، فإن الإزاحة النسبية للأيونات الموجبة والسالبة في خلية الوحدة تجعل مراكز الشحنة الموجبة والسالبة لا تتداخل بعد الآن، مما يؤدي إلى الاستقطاب العياني للبلورة، في حين أن كثافة سطح الشحنة السطحية للبلورة تساوي إسقاط شدة الاستقطاب على الاتجاه الطبيعي للسطح، لذلك عندما تتشوه المادة الكهروضغطية بالضغط، ستظهر شحنات إشارات متعاكسة على طرفي المادة الكهرضغطية. على العكس من ذلك، عندما يتم استقطاب مادة كهرضغطية في مجال كهربائي، تتشوه المادة بسبب إزاحة مركز الشحن.

 

يمكن لمستشعر اللوحة الكهرضغطية توليد مجالات كهربائية بسبب التشوه الميكانيكي، ويمكنه أيضًا توليد تشوه ميكانيكي بسبب عمل المجالات الكهربائية. إن تأثير الاقتران الكهروميكانيكي المتأصل هذا يجعل المواد الكهرضغطية تستخدم على نطاق واسع في الهندسة. على سبيل المثال، تم استخدام المواد الكهرضغطية لصنع الهياكل الذكية. بالإضافة إلى قدرات الدعم الذاتي، تتمتع هذه الهياكل أيضًا بوظائف مثل التشخيص الذاتي، والتكيف الذاتي، والشفاء الذاتي، وستلعب دورًا مهمًا في تصميم الطائرات المستقبلية.

 

المعلمات التقنية للمواد الكهرضغطية:

 

معامل كهرضغطية d33

 

معامل كهرضغطية هو معامل التحويل بلورة سيراميكية كهرضغطية تعمل على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية أو تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية، مما يعكس علاقة الاقتران بين الخواص المرنة والخواص العازلة للمواد الكهرضغطية

 

السماحية الحرة ε T33 (السماحية الحرة)

 

السماحية للعازل عند الانفعال الصفري (أو الثابت)، معبرًا عنها بالفاراد/متر.

 

السماحية النسبية ε Tr3 (السماحية النسبية)

 

إن نسبة ثابت العزل الكهربائي ε T33 إلى ثابت العزل الكهربائي الفراغي ε 0, ε Tr3= ε T33/ ε 0، هي كمية فيزيائية بلا أبعاد.

 

خسارة عازلة (خسارة عازلة)

 

العازل الكهربائي هو الطاقة المفقودة في العازل الكهربائي بسبب عملية استرخاء الاستقطاب الكهربائي وتوصيل التسرب تحت تأثير المجال الكهربائي.

 

زاوية الخسارة tg δ (ظل زاوية الخسارة)

 

تحت تأثير المجال الكهربائي المتناوب الجيبي، يكون التيار المتدفق في عازل مثالي متقدمًا بـ 90 درجة على طور الجهد، ولكن في العينة الخزفية الكهرضغطية، بسبب فقدان الطاقة، تكون زاوية الطور ψ للسلك الحالي أقل من 900، والزاوية التكميلية δ ( δ + ψ = 900) تسمى زاوية الخسارة، وهي كمية فيزيائية بلا أبعاد. عادة ما يستخدم الناس ظل الخسارة tg δ لتمثيل حجم خسارة العزل الكهربائي، والذي يمثل نسبة الطاقة النشطة (طاقة الخسارة) P للعازل الكهربائي إلى القدرة التفاعلية Q . أي: عامل الجودة الكهربائية Qe (عامل الجودة الكهربائية)

 

وتساوي قيمة عامل الجودة الكهربائية المقلوب لقيمة ظل الخسارة للعينة، معبرًا عنها بـ Qe، وهي كمية فيزيائية بلا أبعاد. إذا تم استخدام الدائرة المكافئة المتوازية لتمثيل عينة السيراميك الكهرضغطية في المجال الكهربائي المتناوب، فإن Qe=1/ tg δ = ω CR

 

عامل الجودة الميكانيكية Qm (عامل الجودة الميكانيكية)

 

نسبة الطاقة الميكانيكية المخزنة بواسطة هزاز اللوحة الكهرضغطية عند رنين الطاقة الميكانيكية المفقودة في دورة واحدة بعامل الجودة الميكانيكية. يسمى العلاقة بينه وبين معلمات المذبذب هي: نسبة بواسون

 

تشير نسبة بواسون إلى نسبة الانكماش النسبي الجانبي والاستطالة النسبية الطولية للمادة الصلبة تحت الضغط، وهي كمية فيزيائية بلا أبعاد يعبر عنها بـ δ : δ = - S 12 /S11

 

تردد الرنين المتسلسل fs (تردد الرنين المتسلسل)

 

يُطلق على تردد الرنين لفرع السلسلة في الدائرة المكافئة للهزاز الكهرضغطي اسم تردد الرنين المتسلسل، معبرًا عنه بـ fs ،

تردد الرنين الموازي fp (تردد الرنين الموازي)

 

يسمى تردد الرنين للفرع الموازي في الدائرة المكافئة للهزاز الكهرضغطي بتردد الرنين الموازي، ويمثله fp، أي fp = تردد الرنين fr (تردد الرنين)

 

يُطلق على التردد الأدنى لزوج من الترددات الذي يجعل حساسية الهزاز الكهروضغطي صفرًا، تردد الرنين، ويمثله fr .

 

تردد الرنين العكسي fa (تردد الرنين العكسي)

 

التردد الأعلى لزوج من الترددات الذي يجعل حساسية الهزاز الكهرضغطي صفرًا يسمى التردد المضاد للرنين، معبرًا عنه بـ fa .

 

الحد الأقصى لتردد القبول fm (أقصى تردد للقبول)

 

يسمى التردد عندما يكون دخول الهزاز الكهرضغطي كبيرًا بتردد الدخول الكبير. في هذا الوقت، تكون مقاومة الهزاز صغيرة، لذلك يطلق عليها أيضًا تردد المعاوقة الصغيرة، معبرًا عنها بـ f m.

 

تردد القبول الصغير fn (الحد الأدنى لتردد القبول)

 

التردد الذي يكون فيه دخول الهزاز الكهرضغطي صغيرًا يسمى تردد الدخول الصغير. في هذا الوقت، تكون مقاومة الهزاز كبيرة، لذلك يطلق عليها أيضًا تردد المعاوقة الكبيرة، معبرًا عنها بـ f n.

 

التردد الأساسي

 

يسمى تردد الرنين المنخفض في وضع اهتزاز معين بتردد الملعب، وعادة ما يصبح التردد الأساسي.

 

التردد الزائد (التردد الأساسي)

 

تسمى ترددات الرنين بخلاف التردد الأساسي في وضع اهتزاز معين بترددات النغمة الزائدة.

 

استقرار درجة الحرارة

 

يشير ثبات درجة الحرارة إلى خاصية تغير أداء السيراميك الكهرضغطي مع درجة الحرارة.

 

عند درجة حرارة معينة، عندما تتغير درجة الحرارة بمقدار 1 درجة مئوية، فإن نسبة التغير العددي لتردد معين إلى القيمة العددية للتردد عند درجة الحرارة هذه تسمى معامل درجة الحرارة للتردد TKf.

 

وبالإضافة إلى ذلك، عادة ما يتم استخدام الانجراف النسبي الكبير لوصف استقرار درجة الحرارة لمعلمة معينة.

 

تحول التردد النسبي عند درجة الحرارة الإيجابية= △ fs (درجة حرارة إيجابية كبيرة)/fs(25 ℃ )

 

تحول كبير في التردد النسبي عند درجة الحرارة السلبية= △ fs (درجة حرارة سلبية كبيرة)/fs(25 ℃ )

 

معامل الاقتران الكهروميكانيكي (ELECTRO MECHANICAL COUPLING COEFFICIENT)

 

معامل الاقتران الكهروميكانيكي K هو الجذر التربيعي لنسبة مربع كثافة طاقة التفاعل العازل المرن V122 إلى ناتج كثافة الطاقة المرنة المخزنة V1 وكثافة الطاقة العازلة V2.

 

يستخدم السيراميك الكهرضغطي عادةً معاملات الاقتران الأساسية الخمسة التالية

 

A. معامل الاقتران الكهروميكانيكي المستوي KP (يعكس الاستقطاب والإثارة الكهربائية للقرص الرقيق على طول اتجاه السُمك، وهو معلمة لتأثير الاقتران الكهروميكانيكي أثناء اهتزاز التمدد الشعاعي.)

 

ب. معامل الاقتران الكهروميكانيكي المستعرض K31 (المعلمات التي تعكس تأثير الاقتران الكهروميكانيكي للشريط النحيف على طول استقطاب اتجاه السُمك والإثارة الكهربائية لاهتزاز تمديد الطول.)

 

C. معامل الاقتران الكهروميكانيكي الطولي K33 (معلمة تعكس تأثير الاقتران الكهروميكانيكي للقضيب الرفيع على طول اتجاه الاستقطاب والإثارة الكهربائية لاهتزاز تمديد الطول.)

 

د. معامل الاقتران الكهروميكانيكي KT لتمديد السماكة

 

E. معامل الاقتران الكهروميكانيكي لقص السماكة K15 (يعكس استقطاب اللوحة المستطيلة على طول اتجاه الطول، ويكون اتجاه المجال الكهربائي المثير عموديًا على اتجاه الاستقطاب، ويستخدم كمعلمة لتأثير الاقتران الكهروميكانيكي أثناء اهتزاز قص السماكة.)

 

ثابت الانفعال الكهرضغطي D (ثابت الانفعال الكهرضغطي)

 

ثابت السلالة الكهرضغطية هو نسبة تغير مكون الانفعال SI إلى تغير EI الناتج عن تغير مكون المجال الكهربائي E بشرط أن يكون كل من الإجهاد T ومكون المجال الكهربائي EM (M ≠ I) ثابتين.

 

ثابت الجهد الكهرضغطي G (ثبات الجهد الكهرضغطي)

 

الثابت هو نسبة تغير مكون شدة المجال الكهربائي EI الناتج عن تغير مكون الإجهاد TI إلى تغير TI بشرط أن يكون الإزاحة الكهربائية D ومكون الإجهاد TN (N ≠ I) ثابتين.

 

درجة حرارة كوري TC (درجة حرارة كوري)

 

السيراميك الكهرضغطي له تأثير كهرضغطية فقط ضمن نطاق درجة حرارة معين. لديها درجة حرارة حرجة TC. عندما تكون درجة الحرارة أعلى من TC، يخضع السيراميك الكهرضغطي لمرحلة انتقالية هيكلية. تسمى درجة الحرارة الحرجة TC هذه بدرجة حرارة كوري.

 

استقرار درجة الحرارة (استقرار درجة الحرارة)

 

يشير إلى خصائص أداء محولات الطاقة الخزفية الكهرضغطية التي تتغير مع درجة الحرارة. بشكل عام، هناك طريقتان لوصف استقرار درجة الحرارة: معامل درجة الحرارة أو الانجراف النسبي الكبير.

 

معدل الشيخوخة بعشرة أضعاف (معدل الشيخوخة لكل عقد) Y يمثل معلمة معينة

 

ثابت التردد (FREQUENCY CONSTANT)

 

بالنسبة لأنماط الاهتزاز ذات الطول الشعاعي والعرضي، يكون ثابت التردد هو حاصل ضرب تردد الرنين المتسلسل وبُعد العنصر (القطر أو الطول) الذي يحدد هذا التردد. بالنسبة لسمك الطول الطولي وأوضاع اهتزاز القص الممدد، فإن ثابت التردد هو حاصل ضرب تردد الرنين المتوازي وحجم الهزاز (الطول أو السمك) الذي يحدد هذا التردد، ووحدته: HZ.M