पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव

जब पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक ध्रुवीकृत होता है, तो सिरेमिक सामग्री के अंदर एक मजबूत अवशिष्ट क्षेत्र ध्रुवीकरण होता है। जब सिरेमिक सामग्री किसी बाहरी बल के अधीन होती है, तो डोमेन की सीमा चलती है जिससे ध्रुवीकरण की तीव्रता में बदलाव होता है और परिणामस्वरूप पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव होता है।

 ध्रुवीकृत पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक में बहुत अधिक पीजोइलेक्ट्रिक गुणांक होता है, जो क्वार्ट्ज क्रिस्टल से लगभग कई सौ गुना अधिक होता है, लेकिन यांत्रिक शक्ति क्वार्ट्ज क्रिस्टल से कम होती है।

पीज़ोसेरेमिक प्लेट ट्रांसड्यूसर फेरोइलेक्ट्रिक्स जैसे पदार्थ हैं, और कृत्रिम रूप से निर्मित पॉलीक्रिस्टलाइन पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री हैं जिनकी डोमेन संरचना फेरोमैग्नेटिक सामग्रियों के चुंबकीय डोमेन संरचना के समान होती है। डोमेन एक ऐसा क्षेत्र है जिसमें एक अणु अनायास बनता है। इसकी एक निश्चित ध्रुवीकरण दिशा होती है, जिससे एक निश्चित विद्युत क्षेत्र मौजूद रहता है। बाहरी विद्युत क्षेत्र की अनुपस्थिति में, व्यक्तिगत डोमेन क्रिस्टल पर बेतरतीब ढंग से वितरित होते हैं, और उनके ध्रुवीकरण प्रभाव एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं, इसलिए मूल पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक में शून्य आंतरिक ध्रुवीकरण होता है।

हालाँकि, जब वोल्टमीटर को माप के लिए सिरेमिक शीट के दो इलेक्ट्रोडों से जोड़ा गया, तो सिरेमिक शीट के अंदर मौजूद ध्रुवीकरण को मापा नहीं जा सका। ऐसा इसलिए है क्योंकि पीज़ोसेरेमिक शीट में ध्रुवीकरण हमेशा एक विद्युत द्विध्रुवीय क्षण के रूप में व्यक्त किया जाता है, अर्थात, सिरेमिक के एक छोर पर एक सकारात्मक रूप से बाध्य चार्ज होता है और दूसरे छोर पर एक नकारात्मक रूप से बाध्य चार्ज होता है। बाउंड चार्ज की कार्रवाई के कारण, बाहर से एक चार्ज सिरेमिक शीट की इलेक्ट्रोड सतह पर सोख लिया जाता है। ये मुक्त शुल्क सिरेमिक शीट में बाउंड चार्ज साइन के बराबर हैं, जो बाहरी दुनिया पर सिरेमिक शीट के भीतर ध्रुवीकरण के प्रभावों को ढालने और उनका प्रतिकार करने का कार्य करता है। इसलिए, वोल्टमीटर सिरेमिक शीट में ध्रुवीकरण की डिग्री को माप नहीं सकता है।

यदि ध्रुवीकरण की दिशा के समानांतर एक दबाव F सिरेमिक शीट पर लगाया जाता है, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, तो सिरेमिक शीट संपीड़न विरूपण (आकृति में धराशायी रेखा) से गुजर जाएगी, शीट में सकारात्मक और नकारात्मक बाध्य आवेशों के बीच की दूरी छोटी हो जाती है, और ध्रुवीकरण की तीव्रता भी बदल जाती है। इसलिए, मूल रूप से इलेक्ट्रोड पर अधिशोषित मुक्त चार्ज का एक हिस्सा जारी होता है, और एक चार्ज घटना होती है। जब दबाव हटा दिया जाता है, तो सिरेमिक टुकड़ा अपनी मूल स्थिति में वापस आ जाता है (यह एक विस्तार प्रक्रिया है), फिल्म में सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज के बीच की दूरी बड़ी हो जाती है, और ध्रुवीकरण की तीव्रता भी बड़ी हो जाती है, जिससे कि कुछ मुक्त चार्ज इलेक्ट्रोड पर सोख लिए जाते हैं और चार्जिंग घटना होती है। मैकेनिकल से इलेक्ट्रिकल, या मैकेनिकल से इलेक्ट्रिकल में बदलने की यह घटना, यह सकारात्मक पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव है।

इसी प्रकार, यदि उच्च शक्ति पीजो सिरेमिक के समान ध्रुवीकरण दिशा का एक विद्युत क्षेत्र सिरेमिक शीट पर लगाया जाता है, जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, क्योंकि विद्युत क्षेत्र की दिशा ध्रुवीकरण की दिशा के समान है, विद्युत क्षेत्र की क्रिया ध्रुवीकरण को बढ़ाती है। इस समय, सिरेमिक शीट में सकारात्मक और नकारात्मक बाध्य आवेशों के बीच की दूरी भी बढ़ जाती है, अर्थात, सिरेमिक शीट ध्रुवीकरण दिशा में लम्बी हो जाती है (आकृति में टूटी हुई रेखा)। इसी प्रकार, यदि लागू विद्युत क्षेत्र की दिशा ध्रुवीकरण की दिशा के विपरीत है, तो सिरेमिक शीट ध्रुवीकरण की दिशा में छोटी हो जाती है। विद्युत प्रभाव या विद्युत ऊर्जा से यांत्रिक ऊर्जा में संक्रमण के कारण यांत्रिक प्रभाव में बदलने की यह घटना एक व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव है।

   

यह देखा जा सकता है कि सिरेमिक के अंदर सहज ध्रुवीकरण के कारण पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक में पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव होता है। सहज ध्रुवीकरण को ध्रुवीकरण प्रक्रिया के अधीन करने और संरेखित करने के लिए मजबूर करने के बाद, अवशिष्ट ध्रुवीकरण सिरेमिक में मौजूद होता है। यदि बाहरी क्रिया (जैसे दबाव या विद्युत क्षेत्र की क्रिया) ध्रुवीकरण को बदल सकती है, तो पीजो सिरेमिक में पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव होगा। इसके अलावा, यह देखा जा सकता है कि सिरेमिक में ध्रुवीकृत आवेश बाध्य आवेश हैं, यह मुक्त आवेश नहीं है, और ये बाध्य आवेश स्वतंत्र रूप से नहीं चल सकते हैं। इसलिए, सिरेमिक में उत्पन्न डिस्चार्ज या चार्जिंग घटना सिरेमिक के आंतरिक ध्रुवीकरण में परिवर्तन के कारण होती है, जो इलेक्ट्रोड सतह पर मुक्त चार्ज की रिहाई या पुनःपूर्ति का कारण बनती है।

जब पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक को ध्रुवीकरण तल पर ध्रुवीकरण दिशा (Z दिशा) में एक बल Fz के अधीन किया जाता है (यानी, बल ध्रुवीकरण विमान के लंबवत होता है), तो दो सिल्वर प्लेटेड (या सोना) ध्रुवीकरण विमानों पर क्रमशः सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज दिखाई देते हैं, चार्ज राशि Qzz बल Fz के समानुपाती होती है, अर्थात:

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री:

पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल, जैसे क्वार्ट्ज;
पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक, जैसे बेरियम टाइटेनेट, लेड जिरकोनेट टाइटेनेट, आदि;
पीजोइलेक्ट्रिक अर्धचालक जैसे जिंक सल्फाइड, कैडमियम टेलुराइड, और इसी तरह।
        
पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री गुणों के लिए आवश्यकताएँ:

पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक स्ट्रिप्स क्वार्ट्ज क्रिस्टल के उत्कृष्ट लाभ प्रदर्शन, उच्च यांत्रिक शक्ति और उत्कृष्ट इन्सुलेशन गुणों के लिए बहुत स्थिर हैं। हालाँकि, क्वार्ट्ज सामग्री महंगी हैं और पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक की तुलना में पीजोइलेक्ट्रिक गुणांक बहुत कम है। इसलिए, इसका उपयोग आम तौर पर केवल उन मानक उपकरणों या सेंसरों में किया जाता है जिनके लिए उच्च आवश्यकताओं की आवश्यकता होती है। क्योंकि क्वार्ट्ज एक अनिसोट्रोपिक क्रिस्टल है, विभिन्न दिशाओं में काटे गए वेफर्स के भौतिक गुण (जैसे लोच, पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव, तापमान विशेषताएँ, आदि) बहुत भिन्न होते हैं। क्वार्ट्ज सेंसर को डिजाइन करने के लिए, विभिन्न एप्लिकेशन आवश्यकताओं के अनुसार क्वार्ट्ज के कटे हुए आकार को सही ढंग से चुना जाता है।