Efekt piezoelektryczny ceramiki piezoelektrycznej

Kiedy ceramika piezoelektryczna jest spolaryzowana, wewnątrz materiału ceramicznego występuje silna polaryzacja pola resztkowego. Gdy materiał ceramiczny poddawany jest działaniu siły zewnętrznej, granica domeny przesuwa się, powodując zmianę intensywności polaryzacji i w efekcie efekt piezoelektryczny.

 Spolaryzowana ceramika piezoelektryczna ma bardzo wysoki współczynnik piezoelektryczny, który jest około kilkaset razy większy niż kryształ kwarcu, ale wytrzymałość mechaniczna jest gorsza w porównaniu z kryształem kwarcu.

Przetworniki płytowe piezoceramiczne to substancje, takie jak ferroelektryki, i są to sztucznie wytworzone polikrystaliczne materiały piezoelektryczne o strukturze domeny podobnej do struktury domeny magnetycznej materiałów ferromagnetycznych. Domena to region, w którym spontanicznie tworzy się cząsteczka. Ma określony kierunek polaryzacji, dzięki czemu istnieje określone pole elektryczne. W przypadku braku zewnętrznego pola elektrycznego poszczególne domeny są losowo rozmieszczone na krysztale, a ich efekty polaryzacyjne znoszą się nawzajem, więc oryginalna ceramika piezoelektryczna ma zerową polaryzację wewnętrzną.

Jednakże, gdy woltomierz był podłączony do dwóch elektrod płyty ceramicznej w celu pomiaru, nie można było zmierzyć polaryzacji występującej wewnątrz płyty ceramicznej. Dzieje się tak, ponieważ polaryzacja w arkuszu piezoceramiki jest zawsze wyrażana w postaci elektrycznego momentu dipolowego, to znaczy, że na jednym końcu ceramiki występuje ładunek związany dodatnio, a na drugim końcu ładunek związany ujemnie. W wyniku działania związanego ładunku ładunek z zewnątrz jest adsorbowany na powierzchni elektrody arkusza ceramicznego. Te swobodne ładunki są równe znakowi ładunku związanego w płycie ceramicznej, który działa osłonowo i przeciwdziała skutkom polaryzacji w płycie ceramicznej na świat zewnętrzny. Dlatego woltomierz nie jest w stanie zmierzyć stopnia polaryzacji w płycie ceramicznej.

Jeżeli na płytkę ceramiczną zostanie przyłożone ciśnienie F równoległe do kierunku polaryzacji, jak pokazano na rysunku, płyta ceramiczna ulegnie odkształceniu ściskającemu (linia przerywana na rysunku), odległość pomiędzy dodatnimi i ujemnymi ładunkami związanymi w płycie staje się mniejsza, a także zmienia się intensywność polaryzacji. W związku z tym część swobodnego ładunku pierwotnie zaadsorbowanego na elektrodzie zostaje uwolniona i zachodzi zjawisko ładowania. Po usunięciu nacisku element ceramiczny powraca do swojego pierwotnego stanu (jest to proces rozszerzania), odległość między ładunkami dodatnimi i ujemnymi w folii staje się większa, a intensywność polaryzacji również staje się większa, w wyniku czego część wolnych ładunków jest adsorbowana na elektrodzie i zachodzi zjawisko ładowania. Zjawisko to przejścia z mechanicznego na elektryczne lub z mechanicznego na elektryczne jest dodatnim efektem piezoelektrycznym.

Podobnie, jeśli do arkusza ceramicznego przyłożone zostanie pole elektryczne o tym samym kierunku polaryzacji ceramiki piezoelektrycznej dużej mocy, jak pokazano na rysunku, ponieważ kierunek pola elektrycznego jest taki sam jak kierunek polaryzacji, działanie pola elektrycznego zwiększa polaryzację. W tym czasie zwiększa się także odległość pomiędzy dodatnimi i ujemnymi ładunkami związanymi w płycie ceramicznej, to znaczy płyta ceramiczna ulega wydłużeniu w kierunku polaryzacji (linia przerywana na rysunku). Podobnie, jeśli kierunek przyłożonego pola elektrycznego jest przeciwny do kierunku polaryzacji, płyta ceramiczna ulega skróceniu w kierunku polaryzacji. To zjawisko przekształcania się w efekt mechaniczny w wyniku efektu elektrycznego lub przejścia od energii elektrycznej do energii mechanicznej jest odwrotnym efektem piezoelektrycznym.

   

Można zauważyć, że ceramika piezoelektryczna ma efekt piezoelektryczny ze względu na spontaniczną polaryzację wewnątrz ceramiki. Po tym, jak spontaniczna polaryzacja zostanie poddana procesowi polaryzacji i zmuszona do wyrównania, w materiale ceramicznym występuje polaryzacja resztkowa. Jeśli działanie zewnętrzne (takie jak działanie ciśnienia lub pola elektrycznego) może zmienić polaryzację, ceramika piezoelektryczna będzie miała efekt piezoelektryczny. Ponadto można zauważyć, że spolaryzowane ładunki w ceramice są ładunkami związanymi, nie są to ładunki swobodne i te związane ładunki nie mogą się swobodnie poruszać. Zatem zjawisko wyładowania lub ładowania powstające w ceramice spowodowane jest zmianą wewnętrznej polaryzacji ceramiki, co powoduje uwolnienie lub uzupełnienie swobodnego ładunku na powierzchni elektrody.

Kiedy na ceramikę piezoelektryczną działa siła Fz w kierunku polaryzacji (kierunek Z) w płaszczyźnie polaryzacji (tj. siła jest prostopadła do płaszczyzny polaryzacji), to na dwóch posrebrzanych (lub złoconych) płaszczyznach polaryzacji pojawiają się odpowiednio ładunki dodatnie i ujemne, wielkość ładunku Qzz jest proporcjonalna do siły Fz, tj.:

Materiał piezoelektryczny:

Kryształy piezoelektryczne, takie jak kwarc;
Ceramika piezoelektryczna, taka jak tytanian baru, tytanian cyrkonianu ołowiu itp.;
Półprzewodniki piezoelektryczne, takie jak siarczek cynku, tellurek kadmu i tym podobne.
        
Wymagania dotyczące właściwości materiału piezoelektrycznego:

Wyjątkowe zalety piezoelektrycznych pasków ceramicznych, kryształów kwarcu, to bardzo stabilna wydajność, wysoka wytrzymałość mechaniczna i doskonałe właściwości izolacyjne. Jednakże materiały kwarcowe są drogie i mają znacznie niższy współczynnik piezoelektryczny niż ceramika piezoelektryczna. Dlatego jest powszechnie stosowany tylko w standardowych przyrządach lub czujnikach, które wymagają wyższych wymagań. Ponieważ kwarc jest kryształem anizotropowym, właściwości fizyczne (takie jak elastyczność, efekt piezoelektryczny, charakterystyka temperaturowa itp.) płytek ciętych w różnych kierunkach znacznie się różnią. Aby zaprojektować czujnik kwarcowy, kształt wycięcia kwarcu jest odpowiednio dobierany w zależności od wymagań różnych zastosowań.