Efectul piezoelectric al ceramicii piezoelectrice

Când ceramica piezoelectrică este polarizată, există o polarizare puternică a câmpului rezidual în interiorul materialului ceramic. Când materialul ceramic este supus unei forțe externe, granița domeniului se mișcă determină o modificare a intensității de polarizare și rezultă un efect piezoelectric.

 Ceramica piezoelectrică polarizată are un coeficient piezoelectric foarte mare, care este de aproximativ câteva sute de ori mai mare decât cel al unui cristal de cuarț, dar rezistența mecanică este inferioară celei a unui cristal de cuarț.

Traductorul cu plăci piezoceramice sunt substanțe precum feroelectricele și sunt materiale piezoelectrice policristaline fabricate artificial, având o structură de domeniu similară cu structura domeniului magnetic a materialelor feromagnetice. Un domeniu este o regiune în care se formează spontan o moleculă. Are o anumită direcție de polarizare, astfel încât să existe un anumit câmp electric. În absența unui câmp electric extern, domeniile individuale sunt distribuite aleatoriu pe cristal, iar efectele lor de polarizare sunt anulate reciproc, astfel încât ceramica piezoelectrică originală are polarizare internă zero.

Cu toate acestea, atunci când voltmetrul a fost conectat la cei doi electrozi ai foii ceramice pentru măsurare, polarizarea existentă în interiorul foii ceramice nu a putut fi măsurată. Acest lucru se datorează faptului că polarizarea din foaia piezoceramică este întotdeauna exprimată sub forma unui moment dipol electric, adică o sarcină legată pozitiv apare la un capăt al ceramicii și o sarcină legată negativ la celălalt capăt. Datorită acțiunii sarcinii legate, o sarcină din exterior este adsorbită pe suprafața electrodului foii ceramice. Aceste taxe gratuite sunt egale cu semnul de încărcare legat din placa ceramică, care acționează pentru a proteja și contracara efectele polarizării din interiorul foii ceramice asupra lumii exterioare. Prin urmare, voltmetrul nu poate măsura gradul de polarizare din placa ceramică.

Dacă pe placa ceramică se aplică o presiune F paralelă cu direcția de polarizare, așa cum se arată în figură, placa ceramică va suferi o deformare prin compresie (linia întreruptă în figură), distanța dintre sarcinile legate pozitiv și negativ din foaie devine mai mică, iar intensitatea polarizării se modifică și ea. Prin urmare, o parte din sarcina liberă adsorbită inițial pe electrod este eliberată și are loc un fenomen de încărcare. Când presiunea este îndepărtată, piesa ceramică revine la starea inițială (acesta este un proces de expansiune), distanța dintre sarcinile pozitive și negative din film devine mai mare, iar intensitatea polarizării devine și ea mai mare, astfel încât unele sarcini libere sunt adsorbite pe electrod și are loc un fenomen de încărcare. efect.

În mod similar, dacă pe placa ceramică este aplicat un câmp electric de aceeași direcție de polarizare de ceramică piezoelectrică de mare putere, așa cum se arată în figură, deoarece direcția câmpului electric este aceeași cu direcția de polarizare, acțiunea câmpului electric crește polarizarea. În acest moment, distanța dintre sarcinile legate pozitiv și negativ din foaia ceramică este, de asemenea, crescută, adică foaia ceramică este alungită în direcția de polarizare (linia întreruptă în figură). În mod similar, dacă direcția câmpului electric aplicat este opusă direcției de polarizare, foaia ceramică este scurtată în direcția de polarizare. Acest fenomen de transformare într-un efect mecanic datorită unui efect electric sau trecerii de la energie electrică la energie mecanică este un efect piezoelectric invers.

   

Se poate observa că ceramica piezoelectrică are un efect piezoelectric datorită polarizării spontane din interiorul ceramicii. După ce polarizarea spontană este supusă procesului de polarizare și forțată să fie aliniată, polarizarea reziduală este prezentă în ceramică. Dacă acțiunea externă (cum ar fi acțiunea presiunii sau a câmpului electric) poate schimba polarizarea, ceramica piezoelectrică va avea un efect piezoelectric. În plus, se poate observa că sarcinile polarizate din ceramică sunt sarcini legate, nu eliberează încărcături, iar aceste sarcini legate nu se pot mișca liber. Prin urmare, fenomenul de descărcare sau încărcare generat în ceramică este cauzat de modificarea polarizării interne a ceramicii, care determină eliberarea sau completarea sarcinii libere pe suprafața electrodului.

Când ceramica piezoelectrică este supusă unei forțe Fz în direcția de polarizare (direcția Z) pe planul de polarizare (adică forța este perpendiculară pe planul de polarizare), atunci pe cele două planuri de polarizare placate cu argint (sau aur) apar sarcini pozitive și negative, cantitatea de sarcină Qzz este proporțională cu forța Fz, adică:

Material piezoelectric:

Cristale piezoelectrice, cum ar fi cuarțul;
Ceramica piezoelectrică, cum ar fi titanat de bariu, titanat de zirconat de plumb etc.;
Semiconductori piezoelectrici, cum ar fi sulfura de zinc, telurura de cadmiu și altele asemenea.
        
Cerințe pentru proprietățile materialului piezoelectric:

Avantajele remarcabile ale benzilor ceramice piezoelectrice cu cristale de cuarț sunt foarte stabile pentru performanță, rezistență mecanică ridicată și proprietăți excelente de izolare. Cu toate acestea, materialele de cuarț sunt scumpe și au un coeficient piezoelectric mult mai mic decât ceramica piezoelectrică. Prin urmare, este utilizat în general numai în instrumentele standard sau senzorii care necesită cerințe mai mari. Deoarece cuarțul este un cristal anizotrop, proprietățile fizice (cum ar fi elasticitatea, efectul piezoelectric, caracteristicile temperaturii etc.) ale napolitanelor tăiate în diferite direcții variază foarte mult. Pentru a proiecta senzorul de cuarț, forma tăiată a cuarțului este selectată corect în funcție de cerințele diferitelor aplicații.