Piezoeletricidade, piezoeletricidade - física do fenômeno, tipos, propriedades e aplicações

Piezoelétricos Os dielétricos são destacados efeito piezoelétrico.

O fenômeno da piezoeletricidade foi descoberto e estudado em 1880-1881 pelos famosos físicos franceses Pierre e Paul-Jacques Curie.

Por mais de 40 anos, a piezoeletricidade não encontrou aplicação prática, permanecendo como propriedade dos laboratórios de física. Foi apenas durante a Primeira Guerra Mundial que o cientista francês Paul Langevin usou esse fenômeno para gerar vibrações ultrassônicas na água a partir de uma placa de quartzo com o objetivo de localização subaquática ("sonda").

Depois disso, vários físicos se interessaram pelo estudo das propriedades piezoelétricas do quartzo e alguns outros cristais e suas aplicações práticas. Entre seus muitos trabalhos, havia várias aplicações muito importantes.

Por exemplo, em 1915 S.Butterworth mostrou que a placa de quartzo como um sistema mecânico unidimensional, que é excitado pela interação entre um campo elétrico e cargas elétricas, pode ser representada como um circuito elétrico equivalente com capacitância, indutância e resistor ligados em série.

Apresentando uma placa de quartzo como um circuito oscilador, Butterworth foi o primeiro a propor um circuito equivalente para um ressonador de quartzo, que é a base de todos os trabalhos teóricos subsequentes. de ressonadores de quartzo.

O efeito piezoelétrico é direto e inverso. O efeito piezoelétrico direto é caracterizado pela polarização elétrica do dielétrico, que ocorre devido à ação de uma tensão mecânica externa sobre ele, enquanto a carga induzida na superfície do dielétrico é proporcional à tensão mecânica aplicada:

Com o efeito piezoelétrico reverso, o fenômeno se manifesta ao contrário — o dielétrico muda suas dimensões sob a ação de um campo elétrico externo aplicado a ele, enquanto a magnitude da deformação mecânica (deformação relativa) será proporcional à força de o campo elétrico aplicado à amostra:

O fator de proporcionalidade em ambos os casos é o piezomódulo d. Para o mesmo piezoelétrico, os piezomoduli para efeito piezoelétrico direto (dpr) e reverso (drev) são iguais entre si. Assim, os piezelétricos são um tipo de transdutores eletromecânicos reversíveis.

Efeito piezelétrico longitudinal e transversal

O efeito piezoelétrico, dependendo do tipo de amostra, pode ser longitudinal ou transversal.No caso do efeito piezoelétrico longitudinal, as cargas em resposta à deformação ou deformação em resposta a um campo elétrico externo são geradas na mesma direção da ação inicial. Com o efeito piezoelétrico transversal, o aparecimento de cargas ou a direção da deformação será perpendicular à direção do efeito que as causa.

Se um campo elétrico alternado começar a atuar em um piezoelétrico, uma deformação alternada com a mesma frequência aparecerá nele. Se o efeito piezoelétrico for longitudinal, as deformações terão o caráter de compressão e tensão na direção do campo elétrico aplicado e, se for transversal, serão observadas ondas transversais.

Se a frequência do campo elétrico alternado aplicado for igual à frequência de ressonância do piezoelétrico, a amplitude da deformação mecânica será máxima. A frequência de ressonância da amostra pode ser determinada pela fórmula (V é a velocidade de propagação das ondas mecânicas, h é a espessura da amostra):

A característica mais importante do material piezelétrico é o coeficiente de acoplamento eletromecânico, que indica a relação entre a força das vibrações mecânicas Pa e a potência elétrica Pe gasta em sua excitação por impacto na amostra. Esse coeficiente geralmente assume um valor na faixa de 0,01 a 0,3.

Os piezelétricos são caracterizados por uma estrutura cristalina de um material com uma ligação covalente ou iônica sem um centro de simetria. Materiais com baixa condutividade, nos quais existem portadores de carga livre desprezíveis, distinguem-se por altas características piezoelétricas.Os piezoelétricos incluem todos os ferroelétricos, bem como uma grande variedade de materiais conhecidos, incluindo a modificação cristalina do quartzo.

Piezoelétricos de cristal único

Esta classe de piezelétricos inclui ferroelétricos iônicos e quartzo cristalino (beta-quartzo SiO2).

Um único cristal de quartzo beta tem a forma de um prisma hexagonal com duas pirâmides nas laterais. Vamos destacar algumas direções cristalográficas aqui. O eixo Z passa pelos vértices das pirâmides e é o eixo óptico do cristal. Se uma placa for cortada de tal cristal em uma direção perpendicular ao eixo dado (Z), então o efeito piezoelétrico não pode ser alcançado.

Desenhe os eixos X através dos vértices do hexágono, existem três desses eixos X. Se você cortar as placas perpendicularmente aos eixos X, obteremos uma amostra com o melhor efeito piezoelétrico. É por isso que os eixos X são chamados de eixos elétricos em quartzo. Todos os três eixos Y desenhados perpendicularmente aos lados do cristal de quartzo são eixos mecânicos.

Este tipo de quartzo pertence a piezoelétricos fracos, seu coeficiente de acoplamento eletromecânico está na faixa de 0,05 a 0,1.

O quartzo cristalino tem tido a maior aplicabilidade devido à sua capacidade de manter as propriedades piezoelétricas em temperaturas de até 573 ° C. Os ressonadores piezoelétricos de quartzo nada mais são do que placas planas paralelas com eletrodos presos a elas. Tais elementos são distinguidos por uma frequência de ressonância natural pronunciada.

O niobito de lítio (LiNbO3) é um material piezoelétrico amplamente utilizado relacionado a íons ferroelétricos (juntamente com o tantalato de lítio LiTaO3 e o germanato de bismuto Bi12GeO20).Os ferroelétricos iônicos são pré-recozidos em um forte campo elétrico a uma temperatura abaixo do ponto Curie para trazê-los para um estado de domínio único. Tais materiais têm coeficientes de acoplamento eletromecânico mais altos (até 0,3).

Sulfeto de cádmio CdS, óxido de zinco ZnO, sulfeto de zinco ZnS, seleneto de cádmio CdSe, arsenieto de gálio GaAs, etc. Eles são exemplos de compostos do tipo semicondutor com ligação iônica-covalente. Estes são os chamados semicondutores piezo.

Com base nesses ferroelétricos dipolo, tartarato de etilenodiamina C6H14N8O8, turmalina, cristais únicos de sal de Rochelle, sulfato de lítio Li2SO4H2O — piezoelétricos também são obtidos.

Piezoelétricos policristalinos

As cerâmicas ferroelétricas pertencem aos piezoelétricos policristalinos. A fim de conferir propriedades piezoelétricas às cerâmicas ferroelétricas, tais cerâmicas devem ser polarizadas por uma hora em um forte campo elétrico (com força de 2 a 4 MV / m) a uma temperatura de 100 a 150 ° C, para que após esta exposição , a polarização permanece nele, o que permite obter um efeito piezoelétrico. Assim, são obtidas cerâmicas piezoelétricas robustas com coeficientes de acoplamento piezoelétrico de 0,2 a 0,4.

Os elementos piezelétricos da forma desejada são feitos de piezocerâmica para então obter vibrações mecânicas da natureza desejada (longitudinal, transversal, flexão). Os principais representantes da piezocerâmica industrial são feitos à base de titanato de bário, cálcio, chumbo, zirconato de chumbo-titanato e niobato de chumbo de bário.

Polímeros piezoelétricos

Filmes de polímero (por exemplo, fluoreto de polivinilideno) são esticados em 100-400%, depois polarizados em um campo elétrico e, em seguida, eletrodos são aplicados por metalização. Assim, obtêm-se elementos piezelétricos de filme com coeficiente de acoplamento eletromecânico da ordem de 0,16.

Aplicação de piezelétricos

Elementos piezoelétricos separados e interconectados podem ser encontrados na forma de dispositivos de engenharia de rádio prontos - transdutores piezoelétricos com eletrodos conectados a eles.

Tais dispositivos, feitos de quartzo, cerâmica piezoelétrica ou piezelétricos iônicos, são usados ​​para gerar, transformar e filtrar sinais elétricos. Uma placa plana paralela é cortada de um cristal de quartzo, eletrodos são conectados - um ressonador é obtido.

A frequência e o fator Q do ressonador dependem do ângulo dos eixos cristalográficos nos quais a placa é cortada. Normalmente, na faixa de radiofrequência de até 50 MHz, o fator Q desses ressonadores atinge 100.000. Além disso, os transdutores piezoelétricos são amplamente usados ​​como transformadores piezoelétricos com alta impedância de entrada, para uma faixa de frequência tipicamente ampla.

Em termos de fator de qualidade e frequência, o quartzo supera os piezoelétricos de íons, capazes de operar em frequências de até 1 GHz. As placas de tantalato de lítio mais finas são usadas como emissores e receptores de vibrações ultrassônicas com frequência de 0,02 a 1 GHz, em ressonadores, filtros, linhas de atraso de ondas acústicas de superfície.

Filmes finos de semicondutores piezelétricos depositados em substratos dielétricos são usados ​​em transdutores interdigitais (aqui eletrodos variáveis ​​são usados ​​para excitar ondas acústicas de superfície).

Os transdutores piezoelétricos de baixa frequência são feitos com base em ferroelétricos dipolo: microfones em miniatura, alto-falantes, captadores, sensores de pressão, deformação, vibração, aceleração, emissores ultrassônicos.