Piezoelektrični učinak piezoelektrične keramike

Kada je piezoelektrična keramika polarizirana, unutar keramičkog materijala postoji jaka zaostala polarizacija polja. Kada je keramički materijal podvrgnut vanjskoj sili, granica domene se pomiče što uzrokuje promjenu intenziteta polarizacije i rezultira piezoelektričnim efektom.

 Polarizirana piezoelektrična keramika ima vrlo visok piezoelektrični koeficijent, koji je nekoliko stotina puta veći od kvarcnog kristala, ali je mehanička čvrstoća inferiorna u odnosu na kvarcni kristal.

Piezokeramički pločasti pretvornik su tvari poput feroelektrika i umjetno su proizvedeni polikristalni piezoelektrični materijali koji imaju strukturu domene sličnu strukturi magnetske domene feromagnetskih materijala. Domena je područje u kojem se molekula spontano formira. Ima određeni smjer polarizacije, tako da postoji određeno električno polje. U nedostatku vanjskog električnog polja, pojedinačne domene su nasumično raspoređene na kristalu, a njihovi se polarizacijski učinci međusobno poništavaju, tako da originalna piezoelektrična keramika ima nultu unutarnju polarizaciju.

Međutim, kada je voltmetar spojen na dvije elektrode keramičke ploče za mjerenje, polarizacija unutar keramičke ploče nije se mogla izmjeriti. To je zato što se polarizacija u piezokeramičkoj ploči uvijek izražava u obliku električnog dipolnog momenta, odnosno pozitivno vezan naboj javlja se na jednom kraju keramike, a negativno vezan na drugom kraju. Zbog djelovanja vezanog naboja, naboj izvana adsorbira se na površini elektrode keramičke ploče. Ovi slobodni naboji jednaki su znaku vezanog naboja u keramičkoj ploči, koji djeluje tako da štiti i suzbija učinke polarizacije unutar keramičke ploče na vanjski svijet. Stoga voltmetar ne može mjeriti stupanj polarizacije u keramičkoj ploči.

Ako se na keramičku ploču primijeni tlak F paralelan sa smjerom polarizacije, kao što je prikazano na slici, keramička ploča će doživjeti kompresijsku deformaciju (isprekidana linija na slici), udaljenost između pozitivnih i negativnih vezanih naboja u ploči postaje manja, a mijenja se i intenzitet polarizacije. Zbog toga se dio slobodnog naboja koji je izvorno adsorbirao na elektrodi oslobađa i dolazi do fenomena naboja. Kada se pritisak ukloni, keramički komad se vraća u svoje izvorno stanje (ovo je proces ekspanzije), udaljenost između pozitivnih i negativnih naboja u filmu postaje veća, a intenzitet polarizacije također postaje veći, tako da se neki slobodni naboji adsorbiraju na elektrodi i javlja se fenomen naelektrisanja. Ovaj fenomen promjene iz mehaničkog u električni, ili iz mehaničkog u električni, to je pozitivni piezoelektrični učinak.

Slično, ako se električno polje istog smjera polarizacije kao piezo keramika velike snage primijeni na keramičku ploču, kao što je prikazano na slici, budući da je smjer električnog polja isti kao i smjer polarizacije, djelovanje električnog polja povećava polarizaciju. Pritom se povećava i razmak između pozitivnih i negativnih vezanih naboja u keramičkoj ploči, odnosno keramička pločica se izdužuje u smjeru polarizacije (isprekidana linija na slici). Slično, ako je smjer primijenjenog električnog polja suprotan smjeru polarizacije, keramička ploča se skraćuje u smjeru polarizacije. Ova pojava pretvaranja u mehanički učinak zbog električnog učinka ili prijelaza iz električne energije u mehaničku energiju je inverzni piezoelektrični učinak.

   

Može se vidjeti da piezoelektrična keramika ima piezoelektrični učinak zbog spontane polarizacije unutar keramike. Nakon što se spontana polarizacija podvrgne procesu polarizacije i prisili na poravnanje, u keramici je prisutna zaostala polarizacija. Ako vanjsko djelovanje (kao što je djelovanje pritiska ili električnog polja) može promijeniti polarizaciju, piezo keramika će imati piezoelektrični učinak. Osim toga, može se vidjeti da su polarizirani naboji u keramici vezani naboji, ona ne oslobađa naboje i ti se vezani naboji ne mogu slobodno kretati. Stoga je pojava pražnjenja ili punjenja koja se stvara u keramici uzrokovana promjenom unutarnje polarizacije keramike, što uzrokuje oslobađanje ili obnavljanje slobodnog naboja na površini elektrode.

Kada se piezoelektrična keramika podvrgne sili Fz u smjeru polarizacije (smjer Z) na ravnini polarizacije (tj. sila je okomita na ravninu polarizacije), tada se na dvije posrebrene (ili pozlaćene) ravnine polarizacije pojavljuju pozitivni i negativni naboji, količina naboja Qzz proporcionalna je sili Fz, tj.

Piezoelektrični materijal:

Piezoelektrični kristali, poput kvarca;
Piezoelektrična keramika, kao što je barijev titanat, olovo cirkonat titanat, itd.;
Piezoelektrični poluvodiči kao što su cinkov sulfid, kadmijev telurid i slično.
        
Zahtjevi za svojstva piezoelektričnog materijala:

Izvanredne prednosti piezoelektričnih keramičkih traka kvarcnih kristala su vrlo stabilne izvedbe, visoka mehanička čvrstoća i izvrsna izolacijska svojstva. Međutim, kvarcni materijali su skupi i imaju mnogo manji piezoelektrični koeficijent od piezoelektrične keramike. Stoga se općenito koristi samo u standardnim instrumentima ili senzorima koji zahtijevaju veće zahtjeve. Budući da je kvarc anizotropni kristal, fizikalna svojstva (kao što su elastičnost, piezoelektrični učinak, temperaturne karakteristike itd.) pločica izrezanih u različitim smjerovima uvelike variraju. Kako bi se dizajnirao kvarcni senzor, oblik reza kvarca je ispravno odabran prema različitim zahtjevima primjene.