П'єзоелектричний ефект п'єзокераміки

Коли п’єзоелектрична кераміка поляризована, всередині керамічного матеріалу виникає сильна поляризація залишкового поля. Коли на керамічний матеріал діє зовнішня сила, межа домену переміщується, спричиняючи зміну інтенсивності поляризації та, як наслідок, п’єзоелектричний ефект.

 Поляризована п'єзоелектрична кераміка має дуже високий п'єзоелектричний коефіцієнт, який приблизно в кілька сотень разів перевищує коефіцієнт кварцового кристала, але механічна міцність поступається кристалу кварцу.

П’єзокерамічні пластинчасті перетворювачі — це такі речовини, як сегнетоелектрики, і штучно виготовлені полікристалічні п’єзоелектричні матеріали, що мають доменну структуру, подібну до магнітної доменної структури феромагнітних матеріалів. Домен — це область, у якій спонтанно утворюється молекула. Він має певний напрямок поляризації, тому існує певне електричне поле. За відсутності зовнішнього електричного поля окремі домени випадково розподіляються на кристалі, а їхні поляризаційні ефекти компенсуються один одним, тому вихідна п’єзоелектрична кераміка має нульову внутрішню поляризацію.

Однак, коли вольтметр був підключений до двох електродів керамічного листа для вимірювання, поляризацію, що існує всередині керамічного листа, неможливо було виміряти. Це пояснюється тим, що поляризація в листі п’єзокераміки завжди виражається у вигляді електричного дипольного моменту, тобто позитивно зв’язаний заряд виникає на одному кінці кераміки, а негативно зв’язаний заряд виникає на іншому кінці. Завдяки дії зв'язаного заряду заряд ззовні адсорбується на поверхні електрода керамічного листа. Ці вільні заряди дорівнюють знаку пов’язаного заряду в керамічному листі, який діє, щоб екранувати та протидіяти впливу поляризації всередині керамічного листа на зовнішній світ. Тому вольтметр не може виміряти ступінь поляризації в керамічному листі.

Якщо до керамічного листа прикладати тиск F, паралельний напрямку поляризації, як показано на малюнку, керамічний лист зазнає деформації стиснення (пунктирна лінія на малюнку), відстань між позитивними та негативними зв’язаними зарядами в листі зменшується, а також змінюється інтенсивність поляризації. Таким чином, частина вільного заряду, спочатку адсорбованого на електроді, вивільняється, і виникає явище заряду. Коли тиск припиняється, керамічний шматок повертається до свого початкового стану (це процес розширення), відстань між позитивними та негативними зарядами в плівці стає більшою, а інтенсивність поляризації також стає більшою, так що деякі вільні заряди адсорбуються на електроді, і виникає явище заряджання. Це явище зміни механічного на електричне або з механічного на електричне, це позитивний п’єзоелектричний ефект.

Подібним чином, якщо електричне поле такого ж напряму поляризації, як і потужна п’єзокераміка, прикладається до керамічного листа, як показано на малюнку, оскільки напрямок електричного поля збігається з напрямком поляризації, дія електричного поля збільшує поляризацію. У цей час також збільшується відстань між позитивним і негативним зв’язаними зарядами в керамічному листі, тобто керамічний лист витягується в напрямку поляризації (пунктирна лінія на малюнку). Подібним чином, якщо напрям прикладеного електричного поля протилежний напрямку поляризації, керамічний лист вкорочується в напрямку поляризації. Це явище переходу в механічний ефект внаслідок електричного ефекту або переходу від електричної енергії до механічної є зворотним п'єзоефектом.

   

Можна побачити, що п’єзоелектрична кераміка має п’єзоелектричний ефект завдяки спонтанній поляризації всередині кераміки. Після того, як спонтанна поляризація піддається процесу поляризації та примусово вирівнюється, залишкова поляризація присутня в кераміці. Якщо зовнішня дія (така як дія тиску або електричного поля) може змінити поляризацію, п’єзокераміка матиме п’єзоелектричний ефект. Крім того, можна побачити, що поляризовані заряди в кераміці є зв’язаними зарядами, вона не звільняє заряди, і ці зв’язані заряди не можуть вільно рухатися. Таким чином, явище розряду або заряду, що виникає в кераміці, викликано зміною внутрішньої поляризації кераміки, що викликає вивільнення або поповнення вільного заряду на поверхні електрода.

Коли на п’єзоелектричну кераміку діє сила Fz у напрямку поляризації (напрямок Z) на площині поляризації (тобто сила перпендикулярна до площини поляризації), тоді на двох посріблених (або позолочених) площинах поляризації з’являються відповідно позитивні та негативні заряди, величина заряду Qzz пропорційна силі Fz, тобто:

П'єзоелектричний матеріал:

П'єзоелектричні кристали, такі як кварц;
П'єзоелектрична кераміка, така як титанат барію, титанат цирконат свинцю тощо;
П'єзоелектричні напівпровідники, такі як сульфід цинку, телурид кадмію тощо.
        
Вимоги до властивостей п'єзоелектричних матеріалів:

Видатні переваги п’єзоелектричних керамічних смужкових кварцових кристалів — це дуже стабільна продуктивність, висока механічна міцність і чудові ізоляційні властивості. Однак кварцові матеріали дорогі і мають набагато нижчий п'єзоелектричний коефіцієнт, ніж п'єзоелектрична кераміка. Тому він зазвичай використовується лише в стандартних приладах або датчиках, які вимагають вищих вимог. Оскільки кварц є анізотропним кристалом, фізичні властивості (такі як еластичність, п’єзоелектричний ефект, температурні характеристики тощо) пластин, розрізаних у різних напрямках, сильно відрізняються. Щоб спроектувати кварцовий датчик, форму зрізу кварцу правильно вибирають відповідно до різних вимог застосування.