Pietsosähköisen keramiikan pietsosähköinen vaikutus

Kun pietsosähköinen keramiikka polarisoituu, keraamisen materiaalin sisällä on voimakas jäännöskenttäpolarisaatio. Kun keraamiseen materiaaliin kohdistuu ulkoinen voima, alueen rajan liikkuminen aiheuttaa muutoksen polarisaation intensiteetissä ja tuloksena pietsosähköisen vaikutuksen.

 Polarisoidulla pietsosähköisellä keramiikalla on erittäin korkea pietsosähköinen kerroin, joka on noin useita satoja kertoja kvartsikiteeseen verrattuna, mutta mekaaninen lujuus on huonompi kuin kvartsikiteellä.

Pietsokeraamiset levymuuntimet ovat aineita, kuten ferrosähköisiä aineita, ja ne ovat keinotekoisesti valmistettuja monikiteisiä pietsosähköisiä materiaaleja, joiden domeenirakenne on samanlainen kuin ferromagneettisten materiaalien magneettisen alueen rakenne. Domeeni on alue, jossa molekyyli muodostuu spontaanisti. Sillä on tietty polarisaatiosuunta, joten tietty sähkökenttä on olemassa. Ulkoisen sähkökentän puuttuessa yksittäiset domeenit jakautuvat satunnaisesti kiteelle ja niiden polarisaatiovaikutukset kumoutuvat, joten alkuperäisessä pietsosähköisessä keramiikassa sisäinen polarisaatio on nolla.

Kuitenkin, kun volttimittari oli kytketty keraamisen levyn kahteen elektrodiin mittausta varten, keraamisen levyn sisällä olevaa polarisaatiota ei voitu mitata. Tämä johtuu siitä, että pietsokeramiikkalevyn polarisaatio ilmaistaan ​​aina sähköisenä dipolimomentin muodossa, eli keramiikan toisessa päässä esiintyy positiivisesti sidottu varaus ja toisessa päässä negatiivisesti sidottu varaus. Sidotun varauksen vaikutuksesta keraamisen levyn elektrodipintaan adsorboituu ulkopuolelta tuleva varaus. Nämä vapaat varaukset ovat yhtä suuria kuin keraamisessa levyssä oleva sidottu varausmerkki, joka suojaa ja torjuu keraamisen levyn sisällä tapahtuvan polarisaation vaikutuksia ulkomaailmaan. Siksi volttimittari ei voi mitata keraamisen levyn polarisaatioastetta.

Jos keraamiseen levyyn kohdistetaan kuvan mukaisesti polarisaatiosuunnan suuntainen paine F, keraaminen levy joutuu puristusmuodonmuutokseen (kuvassa katkoviiva), levyssä olevien positiivisten ja negatiivisten sidottujen varausten välinen etäisyys pienenee ja myös polarisaation intensiteetti muuttuu. Siksi osa alun perin elektrodille adsorboituneesta vapaasta varauksesta vapautuu ja syntyy varausilmiö. Kun paine poistetaan, keraaminen pala palaa alkuperäiseen tilaansa (tämä on laajenemisprosessi), kalvon positiivisten ja negatiivisten varausten välinen etäisyys kasvaa ja myös polarisaatiointensiteetti kasvaa, jolloin osa vapaita varauksia adsorboituu elektrodille ja tapahtuu varausilmiö. Tämä ilmiö muuttuu mekaanisesta pietsosähköiseksi tai mekaanisesta sähköiseksi, se on positiivinen vaikutus.

Vastaavasti, jos suurtehoisen pietsokeramiikan saman polarisaatiosuunnan sähkökenttä kohdistetaan keraamiseen levyyn, kuten kuvassa näkyy, koska sähkökentän suunta on sama kuin polarisaation suunta, sähkökentän vaikutus lisää polarisaatiota. Tällöin keraamisen levyn positiivisten ja negatiivisten sidottujen varausten välinen etäisyys myös kasvaa, eli keraaminen levy venyy polarisaatiosuunnassa (katkoviiva kuvassa). Vastaavasti, jos käytetyn sähkökentän suunta on polarisaation suunnan vastainen, keraaminen levy lyhenee polarisaation suuntaan. Tämä ilmiö, jossa mekaaninen vaikutus muuttuu sähköisen vaikutuksen tai siirtymisen sähköenergiasta mekaaniseen energiaan, on käänteinen pietsosähköinen vaikutus.

   

Voidaan nähdä, että pietsosähköisellä keramiikalla on pietsosähköinen vaikutus keramiikan sisällä tapahtuvasta spontaanista polarisaatiosta johtuen. Sen jälkeen kun spontaani polarisaatio on altistettu polarisaatioprosessille ja pakotettu kohdakkain, jäännöspolarisaatio on läsnä keramiikassa. Jos ulkoinen toiminta (kuten paine tai sähkökenttä) voi muuttaa polarisaatiota, pietsokeramiikalla on pietsosähköinen vaikutus. Lisäksi voidaan nähdä, että keramiikan polarisoidut varaukset ovat sidottuja varauksia, se ei vapauta varauksia, eivätkä nämä sidotut varaukset voi liikkua vapaasti. Siksi keramiikassa syntyvä purkaus- tai latausilmiö johtuu keramiikan sisäisen polarisaation muutoksesta, joka aiheuttaa vapaan varauksen vapautumisen tai täydentymisen elektrodin pinnalla.

Kun pietsosähköiseen keramiikkaan kohdistetaan voima Fz polarisaatiosuunnassa (Z-suunta) polarisaatiotasolla (eli voima on kohtisuorassa polarisaatiotasoon nähden), niin kahdella hopeoidulla (tai kullalla) polarisaatiotasolla ilmaantuu vastaavasti positiivisia ja negatiivisia varauksia, varausmäärä Qzz on verrannollinen voimaan Fz, eli:

Pietsosähköinen materiaali:

Pietsosähköiset kiteet, kuten kvartsi;
Pietsosähköinen keramiikka, kuten bariumtitanaatti, lyijysirkonaattititanaatti jne.;
Pietsosähköiset puolijohteet, kuten sinkkisulfidi, kadmiumtelluridi ja vastaavat.
        
Pietsosähköisten materiaalien ominaisuudet:

Pietsosähköisten keraamisten nauhojen kvartsikiteiden erinomaiset edut ovat erittäin vakaita suorituskyvyn, korkean mekaanisen lujuuden ja erinomaisten eristysominaisuuksien suhteen. Kvartsimateriaalit ovat kuitenkin kalliita ja niillä on paljon pienempi pietsosähköinen kerroin kuin pietsosähköisellä keramiikalla. Siksi sitä käytetään yleensä vain tavallisissa laitteissa tai antureissa, jotka vaativat korkeampia vaatimuksia. Koska kvartsi on anisotrooppinen kide, eri suuntiin leikattujen kiekkojen fysikaaliset ominaisuudet (kuten elastisuus, pietsosähköinen vaikutus, lämpötilaominaisuudet jne.) vaihtelevat suuresti. Kvartsianturin suunnittelua varten kvartsin leikkausmuoto valitaan oikein erilaisten sovellusvaatimusten mukaan.