Effetto piezoelettrico della ceramica piezoelettrica

Quando la ceramica piezoelettrica è polarizzata, all'interno del materiale ceramico è presente una forte polarizzazione del campo residuo. Quando il materiale ceramico è soggetto a una forza esterna, il confine del dominio si sposta causando un cambiamento nell'intensità di polarizzazione e determinando un effetto piezoelettrico.

 La ceramica piezoelettrica polarizzata ha un coefficiente piezoelettrico molto elevato, che è circa diverse centinaia di volte quello di un cristallo di quarzo, ma la resistenza meccanica è inferiore a quella di un cristallo di quarzo.

I trasduttori a piastre piezoceramiche sono sostanze come i ferroelettrici e sono materiali piezoelettrici policristallini fabbricati artificialmente aventi una struttura di dominio simile alla struttura di dominio magnetico dei materiali ferromagnetici. Un dominio è una regione in cui si forma spontaneamente una molecola. Ha una certa direzione di polarizzazione, quindi esiste un certo campo elettrico. In assenza di un campo elettrico esterno, i singoli domini sono distribuiti in modo casuale sul cristallo e i loro effetti di polarizzazione si annullano a vicenda, quindi la ceramica piezoelettrica originale ha polarizzazione interna pari a zero.

Tuttavia, quando il voltmetro veniva collegato ai due elettrodi della lastra ceramica per la misurazione, non era possibile misurare la polarizzazione esistente all'interno della lastra ceramica. Questo perché la polarizzazione nel foglio piezoceramico è sempre espressa sotto forma di momento di dipolo elettrico, ovvero ad un'estremità della ceramica si verifica una carica legata positivamente e all'altra estremità una carica legata negativamente. A causa dell'azione della carica legata, sulla superficie dell'elettrodo della lastra ceramica viene assorbita una carica dall'esterno. Queste cariche libere sono uguali al segno della carica legata nel foglio ceramico, che agisce per schermare e contrastare gli effetti della polarizzazione all'interno del foglio ceramico sul mondo esterno. Pertanto il voltmetro non può misurare il grado di polarizzazione della lastra ceramica.

Se al foglio ceramico viene applicata una pressione F parallela alla direzione di polarizzazione, come mostrato in figura, il foglio ceramico subirà una deformazione di compressione (linea tratteggiata nella figura), la distanza tra le cariche legate positive e negative nel foglio diminuirà e anche l'intensità di polarizzazione cambierà. Pertanto una parte della carica libera originariamente adsorbita sull'elettrodo viene rilasciata e si verifica un fenomeno di carica. Quando la pressione viene rimossa, il pezzo di ceramica ritorna al suo stato originale (questo è un processo di espansione), la distanza tra le cariche positive e negative nella pellicola diventa maggiore e anche l'intensità di polarizzazione diventa maggiore, in modo che alcune cariche libere vengano assorbite sull'elettrodo e si verifichi il fenomeno di carica. Questo fenomeno di passaggio da meccanico a elettrico, o da meccanico a elettrico, è l'effetto piezoelettrico positivo.

Allo stesso modo, se al foglio ceramico viene applicato un campo elettrico con la stessa direzione di polarizzazione della ceramica piezoelettrica ad alta potenza, come mostrato in figura, poiché la direzione del campo elettrico è la stessa della direzione della polarizzazione, l'azione del campo elettrico aumenta la polarizzazione. In questo momento, aumenta anche la distanza tra le cariche legate positive e negative nel foglio ceramico, cioè il foglio ceramico viene allungato nella direzione della polarizzazione (linea tratteggiata nella figura). Allo stesso modo, se la direzione del campo elettrico applicato è opposta alla direzione di polarizzazione, il foglio ceramico viene accorciato nella direzione di polarizzazione. Questo fenomeno di trasformazione in effetto meccanico a causa di un effetto elettrico o di transizione dall'energia elettrica all'energia meccanica è un effetto piezoelettrico inverso.

   

Si può vedere che la ceramica piezoelettrica ha un effetto piezoelettrico dovuto alla polarizzazione spontanea all'interno della ceramica. Dopo che la polarizzazione spontanea è stata sottoposta al processo di polarizzazione e forzata ad essere allineata, nella ceramica è presente la polarizzazione residua. Se l'azione esterna (come l'azione della pressione o del campo elettrico) può modificare la polarizzazione, la ceramica piezoelettrica avrà un effetto piezoelettrico. Inoltre, si può vedere che le cariche polarizzate nella ceramica sono cariche legate, non rilascia cariche e queste cariche legate non possono muoversi liberamente. Pertanto, il fenomeno di scarica o carica generato nella ceramica è causato dal cambiamento della polarizzazione interna della ceramica, che causa il rilascio o il rifornimento della carica libera sulla superficie dell'elettrodo.

Quando la ceramica piezoelettrica è sottoposta ad una forza Fz nella direzione di polarizzazione (direzione Z) sul piano di polarizzazione (cioè la forza è perpendicolare al piano di polarizzazione), allora sui due piani di polarizzazione argentati (o dorati) compaiono rispettivamente cariche positive e negative, la quantità di carica Qzz è proporzionale alla forza Fz, cioè:

Materiale piezoelettrico:

Cristalli piezoelettrici, come quarzo;
Ceramiche piezoelettriche, come titanato di bario, titanato di zirconato di piombo, ecc.;
Semiconduttori piezoelettrici come solfuro di zinco, tellururo di cadmio e simili.
        
Requisiti per le proprietà dei materiali piezoelettrici:

Gli eccezionali vantaggi dei cristalli di quarzo a strisce ceramiche piezoelettriche sono molto stabili in termini di prestazioni, elevata resistenza meccanica ed eccellenti proprietà di isolamento. Tuttavia, i materiali al quarzo sono costosi e hanno un coefficiente piezoelettrico molto più basso rispetto alla ceramica piezoelettrica. Pertanto viene generalmente utilizzato solo negli strumenti standard o nei sensori che richiedono requisiti più elevati. Poiché il quarzo è un cristallo anisotropo, le proprietà fisiche (come elasticità, effetto piezoelettrico, caratteristiche di temperatura, ecc.) dei wafer tagliati in direzioni diverse variano notevolmente. Per progettare il sensore al quarzo, la forma tagliata del quarzo viene selezionata correttamente in base ai diversi requisiti applicativi.