Piezoelektrický jev piezoelektrické keramiky

Když je piezoelektrická keramika polarizována, dochází k silné polarizaci zbytkového pole uvnitř keramického materiálu. Když je keramický materiál vystaven vnější síle, hranice domény se pohybuje, což způsobuje změnu intenzity polarizace a výsledkem je piezoelektrický jev.

 Polarizovaná piezoelektrická keramika má velmi vysoký piezoelektrický koeficient, který je asi několik setkrát vyšší než u křemenného krystalu, ale mechanická pevnost je nižší než u křemenného krystalu.

Piezokeramické deskové měniče jsou látky, jako jsou feroelektrika, a jsou to uměle vyrobené polykrystalické piezoelektrické materiály, které mají doménovou strukturu podobnou struktuře magnetické domény feromagnetických materiálů. Doména je oblast, ve které se spontánně tvoří molekula. Má určitý směr polarizace, takže existuje určité elektrické pole. Při absenci vnějšího elektrického pole jsou jednotlivé domény na krystalu rozmístěny náhodně a jejich polarizační efekty se vzájemně ruší, takže původní piezoelektrická keramika má nulovou vnitřní polarizaci.

Když byl však voltmetr připojen ke dvěma elektrodám keramické desky pro měření, polarizaci existující uvnitř keramické desky nebylo možné změřit. Je tomu tak proto, že polarizace v piezokeramické desce je vždy vyjádřena ve formě elektrického dipólového momentu, to znamená, že na jednom konci keramiky se vyskytuje kladně vázaný náboj a na druhém konci záporně vázaný náboj. Působením navázaného náboje se na povrchu elektrody keramické desky adsorbuje náboj zvenčí. Tyto volné náboje se rovnají znaku vázaného náboje v keramické desce, který působí tak, že stíní a působí proti účinkům polarizace v keramické desce na vnější svět. Voltmetr proto nemůže změřit stupeň polarizace v keramické desce.

Pokud je na keramickou desku aplikován tlak F rovnoběžný se směrem polarizace, jak je znázorněno na obrázku, keramická deska podstoupí deformaci tlakem (na obrázku přerušovaná čára), vzdálenost mezi kladným a záporným vázaným nábojem v desce se zmenší a intenzita polarizace se také změní. Proto se část volného náboje původně adsorbovaného na elektrodě uvolní a dojde k jevu náboje. Po odstranění tlaku se keramický dílek vrátí do původního stavu (jedná se o proces rozpínání), zvětší se vzdálenost mezi kladným a záporným nábojem ve filmu a také se zvětší intenzita polarizace, takže se na elektrodě adsorbují některé volné náboje a dochází k nabíjecímu jevu. Tento jev přeměny z mechanického na elektrický, nebo z mechanického na elektrický, je pozitivní piezoelektrický jev.

Podobně, pokud je na keramickou desku aplikováno elektrické pole stejného směru polarizace z vysoce výkonné piezokeramiky, jak je znázorněno na obrázku, protože směr elektrického pole je stejný jako směr polarizace, působení elektrického pole polarizaci zvyšuje. V tomto okamžiku se také zvětší vzdálenost mezi kladně a záporně vázanými náboji v keramické desce, to znamená, že keramická deska je prodloužena ve směru polarizace (na obrázku přerušovaná čára). Podobně, pokud je směr aplikovaného elektrického pole opačný ke směru polarizace, keramická deska se zkrátí ve směru polarizace. Tento jev přeměny v mechanický efekt v důsledku elektrického jevu nebo přechodu z elektrické energie na mechanickou energii je inverzní piezoelektrický efekt.

   

Je vidět, že piezoelektrická keramika má piezoelektrický efekt díky spontánní polarizaci uvnitř keramiky. Poté, co je spontánní polarizace podrobena procesu polarizace a nucena k vyrovnání, je v keramice přítomna zbytková polarizace. Pokud vnější působení (jako je působení tlaku nebo elektrického pole) může změnit polarizaci, piezokeramika bude mít piezoelektrický efekt. Navíc je vidět, že polarizované náboje v keramice jsou vázané náboje, neuvolňují náboje a tyto vázané náboje se nemohou volně pohybovat. Proto jev výboje nebo nabíjení generovaný v keramice je způsoben změnou vnitřní polarizace keramiky, která způsobuje uvolnění nebo doplnění volného náboje na povrchu elektrody.

Když je piezoelektrická keramika vystavena síle Fz ve směru polarizace (směr Z) na polarizační rovině (tj. síla je kolmá k polarizační rovině), pak se na dvou postříbřených (nebo zlatých) polarizačních rovinách objeví kladný a záporný náboj, množství náboje Qzz je úměrné síle Fz, tj.

Piezoelektrický materiál:

piezoelektrické krystaly, jako je křemen;
Piezoelektrická keramika, jako je titaničitan barnatý, zirkoničitan olovnatý titanát atd.;
Piezoelektrické polovodiče, jako je sulfid zinečnatý, telurid kadmia a podobně.
        
Požadavky na vlastnosti piezoelektrického materiálu:

Vynikající přednosti piezoelektrických keramických pásků s krystaly křemene jsou velmi stabilní z hlediska výkonu, vysoké mechanické pevnosti a vynikajících izolačních vlastností. Křemenné materiály jsou však drahé a mají mnohem nižší piezoelektrický koeficient než piezoelektrická keramika. Proto se obecně používá pouze ve standardních přístrojích nebo snímačích, které vyžadují vyšší požadavky. Protože křemen je anizotropní krystal, fyzikální vlastnosti (jako je elasticita, piezoelektrický efekt, teplotní charakteristiky atd.) plátků řezaných v různých směrech se velmi liší. Aby bylo možné navrhnout křemenný senzor, je správně zvolen tvar řezu křemene podle různých požadavků aplikace.