Piezoelektrisk effekt af piezoelektrisk keramik

Når den piezoelektriske keramik er polariseret, er der en stærk resterende feltpolarisering inde i det keramiske materiale. Når det keramiske materiale udsættes for en ydre kraft, forårsager grænsen af ​​domænets bevægelser en ændring i polarisationsintensiteten og resulterer i en piezoelektrisk effekt.

 Den polariserede piezoelektriske keramik har en meget høj piezoelektrisk koefficient, som er omkring flere hundrede gange en kvartskrystals, men den mekaniske styrke er ringere end en kvartskrystals.

Piezokeramiske pladetransducere er stoffer såsom ferroelektriske stoffer og er kunstigt fremstillede polykrystallinske piezoelektriske materialer med en domænestruktur svarende til den magnetiske domænestruktur af ferromagnetiske materialer. Et domæne er et område, hvor et molekyle spontant dannes. Det har en bestemt polarisationsretning, så der eksisterer et bestemt elektrisk felt. I fravær af et eksternt elektrisk felt er de enkelte domæner tilfældigt fordelt på krystallen, og deres polarisationseffekter annulleres hinanden, så den originale piezoelektriske keramik har nul intern polarisering.

Men når voltmeteret blev forbundet til de to elektroder på den keramiske plade til måling, kunne polariseringen, der eksisterede inde i den keramiske plade, ikke måles. Dette skyldes, at polariseringen i det piezokeramiske ark altid udtrykkes i form af et elektrisk dipolmoment, det vil sige, at der opstår en positivt bundet ladning i den ene ende af keramikken og en negativt bundet ladning i den anden ende. På grund af virkningen af ​​den bundne ladning adsorberes en ladning udefra på elektrodeoverfladen af ​​den keramiske plade. Disse gratis ladninger er lig med det bundne ladningstegn i den keramiske plade, som virker til at afskærme og modvirke virkningerne af polarisering inde i den keramiske plade på omverdenen. Derfor kan voltmeteret ikke måle graden af ​​polarisering i den keramiske plade.

Hvis der påføres et tryk F parallelt med polarisationsretningen på den keramiske plade, som vist på figuren, vil den keramiske plade gennemgå kompressionsdeformation (stiplet linje i figuren), afstanden mellem de positive og negative bundne ladninger i pladen bliver mindre, og polarisationsintensiteten ændres også. Derfor frigives en del af den frie ladning, der oprindeligt var adsorberet på elektroden, og der opstår et ladningsfænomen. Når trykket fjernes, vender det keramiske stykke tilbage til sin oprindelige tilstand (dette er en ekspansionsproces), afstanden mellem de positive og negative ladninger i filmen bliver større, og polarisationsintensiteten bliver også større, så nogle frie ladninger adsorberes på elektroden, og der opstår opladningsfænomenet. piezoelektrisk effekt.

Tilsvarende, hvis et elektrisk felt med samme polarisationsretning af højeffekt piezokeramik påføres den keramiske plade, som vist på figuren, da retningen af ​​det elektriske felt er den samme som retningen af ​​polarisationen, øger virkningen af ​​det elektriske felt polariseringen. På dette tidspunkt øges afstanden mellem de positive og negative bundne ladninger i det keramiske ark også, det vil sige, at det keramiske ark er forlænget i polarisationsretningen (stiplet linje i figuren). Tilsvarende, hvis retningen af ​​det påførte elektriske felt er modsat polarisationsretningen, forkortes den keramiske plade i polarisationsretningen. Dette fænomen med at blive til en mekanisk effekt på grund af en elektrisk effekt eller en overgang fra elektrisk energi til mekanisk energi er en omvendt piezoelektrisk effekt.

   

Det kan ses, at den piezoelektriske keramik har en piezoelektrisk effekt på grund af den spontane polarisering inde i keramikken. Efter at den spontane polarisering er blevet udsat for polariseringsprocessen og tvunget til at blive justeret, er den resterende polarisering til stede i keramikken. Hvis den ydre påvirkning (såsom påvirkning af tryk eller elektrisk felt) kan ændre polarisationen, vil piezokeramik have en piezoelektrisk effekt. Derudover kan det ses, at de polariserede ladninger i keramikken er bundne ladninger, det frigør ikke ladninger, og disse bundne ladninger kan ikke bevæge sig frit. Derfor er udladnings- eller opladningsfænomenet, der genereres i keramikken, forårsaget af ændringen af ​​den indre polarisering af keramikken, som forårsager frigivelse eller genopfyldning af den frie ladning på elektrodeoverfladen.

Når det piezoelektriske keramik udsættes for en kraft Fz i polarisationsretningen (Z-retningen) på polarisationsplanet (dvs. kraften er vinkelret på polarisationsplanet), så opstår der på de to sølvbelagte (eller guldbelagte) polariseringsplaner, henholdsvis positive og negative ladninger, ladningsmængden Qzz er proportional med kraften Fz, dvs.

Piezoelektrisk materiale:

Piezoelektriske krystaller, såsom kvarts;
Piezoelektrisk keramik, såsom bariumtitanat, blyzirkonattitanat osv.;
Piezoelektriske halvledere såsom zinksulfid, cadmiumtellurid og lignende.
        
Krav til piezoelektriske materialeegenskaber:

De enestående fordele ved piezoelektriske keramiske strimler kvartskrystaller er meget stabile for ydeevne, høj mekanisk styrke og fremragende isoleringsegenskaber. Imidlertid er kvartsmaterialer dyre og har en meget lavere piezoelektrisk koefficient end piezoelektrisk keramik. Derfor bruges det generelt kun i de standardinstrumenter eller sensorer, der kræver højere krav. Fordi kvarts er en anisotrop krystal, varierer de fysiske egenskaber (såsom elasticitet, piezoelektrisk effekt, temperaturegenskaber osv.) af wafere skåret i forskellige retninger meget. For at designe kvartssensoren er kvartsens skårne form valgt korrekt i henhold til forskellige anvendelseskrav.