Piezoelektrisk effekt av piezoelektrisk keramikk

Når den piezoelektriske keramikken er polarisert, er det en sterk gjenværende feltpolarisering inne i det keramiske materialet. Når det keramiske materialet utsettes for en ytre kraft, forårsaker grensen til domenets bevegelser en endring i polarisasjonsintensiteten og resulterer i en piezoelektrisk effekt.

 Den polariserte piezoelektriske keramikken har en veldig høy piezoelektrisk koeffisient, som er omtrent flere hundre ganger den for en kvartskrystall, men den mekaniske styrken er dårligere enn en kvartskrystall.

Piezokeramiske platetransdusere er stoffer som ferroelektriske stoffer, og er kunstig fremstilte polykrystallinske piezoelektriske materialer som har en domenestruktur som ligner den magnetiske domenestrukturen til ferromagnetiske materialer. Et domene er en region der et molekyl spontant dannes. Den har en viss polarisasjonsretning, slik at det eksisterer et visst elektrisk felt. I fravær av et eksternt elektrisk felt blir de individuelle domenene tilfeldig fordelt på krystallen, og deres polarisasjonseffekter kanselleres hverandre, slik at den originale piezoelektriske keramikken har null intern polarisering.

Men når voltmeteret ble koblet til de to elektrodene på det keramiske arket for måling, kunne ikke polarisasjonen som fantes inne i det keramiske arket måles. Dette er fordi polarisasjonen i det piezokeramiske arket alltid uttrykkes i form av et elektrisk dipolmoment, det vil si at det oppstår en positivt bundet ladning i den ene enden av keramikken og en negativt bundet ladning oppstår i den andre enden. På grunn av virkningen av den bundne ladningen, adsorberes en ladning fra utsiden på elektrodeoverflaten til det keramiske arket. Disse gratis ladningene er lik det bundne ladningstegnet i det keramiske arket, som virker for å skjerme og motvirke effekten av polarisering i det keramiske arket på omverdenen. Derfor kan ikke voltmeteret måle graden av polarisering i det keramiske arket.

Hvis et trykk F parallelt med polarisasjonsretningen påføres det keramiske arket, som vist på figuren, vil det keramiske arket gjennomgå kompresjonsdeformasjon (stiplet linje i figuren), avstanden mellom de positive og negative bundne ladningene i arket blir mindre, og polarisasjonsintensiteten endres også. Derfor frigjøres en del av den frie ladningen som opprinnelig var adsorbert på elektroden, og et ladningsfenomen oppstår. Når trykket fjernes, går det keramiske stykket tilbake til sin opprinnelige tilstand (dette er en ekspansjonsprosess), avstanden mellom de positive og negative ladningene i filmen blir større, og polarisasjonsintensiteten blir også større, slik at noen frie ladninger blir adsorbert på elektroden og det oppstår ladefenomen. piezoelektrisk effekt.

Tilsvarende, hvis et elektrisk felt med samme polarisasjonsretning av høyeffekt piezokeramikk påføres det keramiske arket, som vist på figuren, siden retningen til det elektriske feltet er den samme som retningen til polarisasjonen, øker virkningen av det elektriske feltet polarisasjonen. På dette tidspunktet økes også avstanden mellom de positive og negative bundne ladningene i det keramiske arket, det vil si at det keramiske arket er forlenget i polarisasjonsretningen (stiplet linje i figuren). Tilsvarende, hvis retningen til det påførte elektriske feltet er motsatt av polarisasjonsretningen, blir det keramiske arket forkortet i polarisasjonsretningen. Dette fenomenet med å bli til en mekanisk effekt på grunn av en elektrisk effekt eller en overgang fra elektrisk energi til mekanisk energi er en omvendt piezoelektrisk effekt.

   

Det kan sees at den piezoelektriske keramikken har en piezoelektrisk effekt på grunn av den spontane polarisasjonen inne i keramikken. Etter at den spontane polarisasjonen er utsatt for polarisasjonsprosessen og tvunget til å bli justert, er den gjenværende polarisasjonen tilstede i keramikken. Hvis den ytre handlingen (som virkningen av trykk eller elektrisk felt) kan endre polarisasjonen, vil piezokeramikk ha en piezoelektrisk effekt. I tillegg kan man se at de polariserte ladningene i keramikken er bundne ladninger, den frigjør ikke ladninger, og disse bundne ladningene kan ikke bevege seg fritt. Derfor er utladnings- eller ladefenomenet generert i keramikken forårsaket av endringen i den indre polarisasjonen av keramikken, som forårsaker frigjøring eller påfyll av den frie ladningen på elektrodeoverflaten.

Når den piezoelektriske keramikken utsettes for en kraft Fz i polarisasjonsretningen (Z-retningen) på polarisasjonsplanet (dvs. kraften er vinkelrett på polarisasjonsplanet), så på de to sølvbelagte (eller gullbelagte) polarisasjonsplanene, vises henholdsvis positive og negative ladninger, ladningsmengden Qzz er proporsjonal med kraften Fz, dvs.

Piezoelektrisk materiale:

Piezoelektriske krystaller, for eksempel kvarts;
Piezoelektrisk keramikk, slik som bariumtitanat, blyzirkonattitanat, etc.;
Piezoelektriske halvledere som sinksulfid, kadmiumtellurid og lignende.
        
Krav til piezoelektriske materialegenskaper:

De enestående fordelene med piezoelektriske keramiske strimler kvartskrystaller er svært stabile for ytelse, høy mekanisk styrke og utmerkede isolasjonsegenskaper. Imidlertid er kvartsmaterialer dyre og har en mye lavere piezoelektrisk koeffisient enn piezoelektrisk keramikk. Derfor brukes den vanligvis bare i standardinstrumenter eller sensorer som krever høyere krav. Fordi kvarts er en anisotropisk krystall, varierer de fysiske egenskapene (som elastisitet, piezoelektrisk effekt, temperaturegenskaper osv.) til wafere som er kuttet i forskjellige retninger. For å designe kvartssensoren, er den kuttede formen på kvartsen riktig valgt i henhold til ulike brukskrav.