التأثير الكهرضغطي للسيراميك الكهرضغطي

عندما يتم استقطاب السيراميك الكهرضغطي، يكون هناك استقطاب قوي للمجال المتبقي داخل مادة السيراميك. عندما تتعرض المادة الخزفية لقوة خارجية، فإن حدود المجال تتحرك تسبب تغيرا في شدة الاستقطاب وينتج عنها تأثير كهرضغطية.

 يحتوي السيراميك الكهرضغطي المستقطب على معامل كهرضغطية عالي جدًا، وهو حوالي عدة مئات المرات من بلورات الكوارتز، لكن القوة الميكانيكية أقل شأنا من بلورات الكوارتز.

محول الطاقة ذو الألواح الخزفية الانضغاطية عبارة عن مواد مثل المواد الكهروضوئية، وهي عبارة عن مواد كهروضغطية متعددة البلورات مصنعة صناعيًا ولها بنية مجال مشابهة لبنية المجال المغناطيسي للمواد المغناطيسية الحديدية. المجال هو المنطقة التي يتشكل فيها الجزيء تلقائيًا. وله اتجاه استقطاب معين، بحيث يوجد مجال كهربائي معين. في حالة عدم وجود مجال كهربائي خارجي، يتم توزيع المجالات الفردية بشكل عشوائي على البلورة، ويتم إلغاء تأثيرات استقطابها بعضها البعض، وبالتالي فإن السيراميك الكهرضغطي الأصلي ليس له استقطاب داخلي.

ومع ذلك، عندما تم توصيل الفولتميتر بقطبي صفيحة السيراميك للقياس، لا يمكن قياس الاستقطاب الموجود داخل صفيحة السيراميك. وذلك لأن الاستقطاب في صفيحة السيراميك الضغطي يتم التعبير عنه دائمًا على شكل عزم ثنائي القطب الكهربائي، أي أن الشحنة الموجبة تحدث في أحد طرفي السيراميك وتحدث الشحنة السالبة في الطرف الآخر. بسبب عمل الشحنة المقيدة، يتم امتصاص الشحنة من الخارج على سطح القطب الكهربائي للوحة السيراميك. هذه الشحنات الحرة تساوي علامة الشحنة المقيدة الموجودة في لوح السيراميك، والتي تعمل على حماية ومواجهة تأثيرات الاستقطاب داخل لوح السيراميك على العالم الخارجي. ولذلك فإن الفولتميتر لا يستطيع قياس درجة الاستقطاب في صفيحة السيراميك.

إذا تم تطبيق ضغط F موازٍ لاتجاه الاستقطاب على الصفيحة الخزفية، كما هو موضح في الشكل، فإن الصفيحة الخزفية ستخضع لتشوه الضغط (الخط المتقطع في الشكل)، وتصبح المسافة بين الشحنات المقيدة الموجبة والسالبة في الصفيحة أصغر، وتتغير شدة الاستقطاب أيضًا. لذلك، يتم تحرير جزء من الشحنة الحرة الممتزة أصلاً على القطب، وتحدث ظاهرة الشحن. عند إزالة الضغط، تعود قطعة السيراميك إلى حالتها الأصلية (هذه عملية تمدد)، تصبح المسافة بين الشحنات الموجبة والسالبة في الفيلم أكبر، كما تصبح شدة الاستقطاب أكبر أيضًا، بحيث يتم امتصاص بعض الشحنات الحرة على القطب وتحدث ظاهرة الشحن. هذه الظاهرة المتمثلة في التغيير من ميكانيكي إلى كهربائي، أو من ميكانيكي إلى كهربائي، هي التأثير الكهرضغطي الإيجابي.

وبالمثل، إذا تم تطبيق مجال كهربائي له نفس اتجاه الاستقطاب لسيراميك بيزو عالي الطاقة على لوح السيراميك، كما هو موضح في الشكل، نظرًا لأن اتجاه المجال الكهربائي هو نفس اتجاه الاستقطاب، فإن عمل المجال الكهربائي يزيد من الاستقطاب. في هذا الوقت، يتم أيضًا زيادة المسافة بين الشحنات المقيدة الإيجابية والسلبية في لوح السيراميك، أي أن لوح السيراميك ممدود في اتجاه الاستقطاب (الخط المكسور في الشكل). وبالمثل، إذا كان اتجاه المجال الكهربائي المطبق معاكسًا لاتجاه الاستقطاب، يتم تقصير الصفيحة الخزفية في اتجاه الاستقطاب. إن ظاهرة التحول إلى تأثير ميكانيكي بسبب تأثير كهربائي أو التحول من الطاقة الكهربائية إلى الطاقة الميكانيكية هي تأثير كهرضغطية عكسي.

   

يمكن ملاحظة أن السيراميك الكهرضغطي له تأثير كهرضغطية بسبب الاستقطاب التلقائي داخل السيراميك. بعد إخضاع الاستقطاب التلقائي لعملية الاستقطاب وإجباره على الانحياز، يكون الاستقطاب المتبقي موجودًا في السيراميك. إذا كان الإجراء الخارجي (مثل عمل الضغط أو المجال الكهربائي) يمكن أن يغير الاستقطاب، فإن السيراميك الانضغاطي سيكون له تأثير كهرضغطية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن ملاحظة أن الشحنات المستقطبة في السيراميك هي شحنات مقيدة، ولا تحرر شحنات، وهذه الشحنات المقيدة لا يمكنها التحرك بحرية. لذلك، فإن ظاهرة التفريغ أو الشحن المتولدة في السيراميك ناتجة عن تغير الاستقطاب الداخلي للسيراميك، مما يتسبب في إطلاق أو تجديد الشحنة الحرة على سطح القطب.

عندما يتعرض السيراميك الكهرضغطي إلى قوة Fz في اتجاه الاستقطاب (اتجاه Z) على مستوى الاستقطاب (أي تكون القوة متعامدة مع مستوى الاستقطاب)، ثم على مستويي الاستقطاب المطليين بالفضة (أو الذهب)، تظهر شحنات موجبة وسالبة على التوالي، ويتناسب مقدار الشحنة Qzz مع القوة Fz، أي:

المواد الكهرضغطية:

بلورات كهرضغطية، مثل الكوارتز؛
السيراميك الكهرضغطي، مثل تيتانات الباريوم، تيتانات زركونات الرصاص، وما إلى ذلك؛
أشباه الموصلات الكهرضغطية مثل كبريتيد الزنك وتيلوريد الكادميوم وما شابه ذلك.
        
متطلبات خصائص المواد الكهرضغطية:

المزايا البارزة لشرائط الكوارتز الخزفية الكهرضغطية مستقرة جدًا من حيث الأداء والقوة الميكانيكية العالية وخصائص العزل الممتازة. ومع ذلك، فإن مواد الكوارتز غالية الثمن ولها معامل كهرضغطية أقل بكثير من السيراميك الكهرضغطي. لذلك، يتم استخدامه بشكل عام فقط في الأدوات القياسية أو أجهزة الاستشعار التي تتطلب متطلبات أعلى. نظرًا لأن الكوارتز عبارة عن بلورة متباينة الخواص، فإن الخصائص الفيزيائية (مثل المرونة والتأثير الكهرضغطي وخصائص درجة الحرارة وما إلى ذلك) للرقائق المقطوعة في اتجاهات مختلفة تختلف اختلافًا كبيرًا. من أجل تصميم مستشعر الكوارتز، يتم تحديد شكل قطع الكوارتز بشكل صحيح وفقًا لمتطلبات التطبيقات المختلفة.