Hiện tượng, dạng, tính chất và ứng dụng của áp điện - vật lý

áp điện Điện môi được đánh dấu hiệu ứng áp điện.

Hiện tượng áp điện được phát hiện và nghiên cứu vào năm 1880-1881 bởi các nhà vật lý nổi tiếng người Pháp Pierre và Paul-Jacques Curie.

Trong hơn 40 năm, áp điện không tìm thấy ứng dụng thực tế, vẫn là tài sản của các phòng thí nghiệm vật lý. Chỉ trong Chiến tranh thế giới thứ nhất, nhà khoa học người Pháp Paul Langevin đã sử dụng hiện tượng này để tạo ra các rung động siêu âm trong nước từ một tấm thạch anh với mục đích định vị dưới nước ("máy đo âm thanh").

Sau đó, một số nhà vật lý bắt đầu quan tâm đến việc nghiên cứu tính chất áp điện của thạch anh và một số tinh thể khác cũng như ứng dụng thực tế của chúng. Trong số nhiều tác phẩm của họ có một số ứng dụng rất quan trọng.

Ví dụ, vào năm 1915 S.Butterworth đã chỉ ra rằng tấm thạch anh là một hệ cơ học một chiều, được kích thích do tương tác giữa điện trường và điện tích, có thể được biểu diễn dưới dạng một mạch điện tương đương có điện dung, điện cảm và điện trở mắc nối tiếp.

Giới thiệu một tấm thạch anh làm mạch dao động, Butterworth là người đầu tiên đề xuất một mạch tương đương cho bộ cộng hưởng thạch anh, đây là cơ sở của tất cả các công trình lý thuyết tiếp theo. từ bộ cộng hưởng thạch anh.

Hiệu ứng áp điện là trực tiếp và nghịch đảo. Hiệu ứng áp điện trực tiếp được đặc trưng bởi sự phân cực điện của chất điện môi, xảy ra do tác động của ứng suất cơ học bên ngoài lên nó, trong khi điện tích gây ra trên bề mặt của chất điện môi tỷ lệ với ứng suất cơ học đặt vào:

Với hiệu ứng áp điện ngược, hiện tượng biểu hiện theo cách khác - chất điện môi thay đổi kích thước của nó dưới tác động của điện trường ngoài tác dụng lên nó, trong khi cường độ biến dạng cơ học (biến dạng tương đối) sẽ tỷ lệ thuận với cường độ của điện trường đặt vào mẫu:

Hệ số tỷ lệ trong cả hai trường hợp là piezomodulus d. Đối với cùng một áp điện, các áp điện cho hiệu ứng áp điện trực tiếp (dpr) và ngược (drev) bằng nhau. Do đó, áp điện là một loại đầu dò điện cơ thuận nghịch.

Hiệu ứng áp điện dọc và ngang

Hiệu ứng áp điện, tùy thuộc vào loại mẫu, có thể là dọc hoặc ngang.Trong trường hợp hiệu ứng áp điện dọc, các điện tích phản ứng với biến dạng hoặc biến dạng phản ứng với điện trường bên ngoài được tạo ra theo cùng hướng với tác động ban đầu. Với hiệu ứng áp điện ngang, sự xuất hiện của các điện tích hoặc hướng biến dạng sẽ vuông góc với hướng của tác dụng gây ra chúng.

Nếu một điện trường xoay chiều bắt đầu tác động lên một áp điện, thì một biến dạng xen kẽ có cùng tần số sẽ xuất hiện trong đó. Nếu hiệu ứng áp điện là dọc, thì các biến dạng sẽ có đặc tính nén và căng theo hướng của điện trường ứng dụng, và nếu nó là ngang, thì sẽ quan sát thấy sóng ngang.

Nếu tần số của điện trường xoay chiều được áp dụng bằng tần số cộng hưởng của áp điện, thì biên độ của biến dạng cơ học sẽ là cực đại. Tần số cộng hưởng của mẫu có thể được xác định theo công thức (V là tốc độ lan truyền của sóng cơ học, h là độ dày của mẫu):

Đặc tính quan trọng nhất của vật liệu áp điện là hệ số liên kết cơ điện, cho biết tỷ lệ giữa lực rung cơ học Pa và năng lượng điện Pe dành cho sự kích thích của chúng khi tác động lên mẫu. Hệ số này thường lấy giá trị trong khoảng 0,01 đến 0,3.

Áp điện được đặc trưng bởi cấu trúc tinh thể của vật liệu có liên kết cộng hóa trị hoặc liên kết ion không có tâm đối xứng. Các vật liệu có độ dẫn điện thấp, trong đó có các hạt mang điện tự do không đáng kể, được phân biệt bằng các đặc tính áp điện cao.Áp điện bao gồm tất cả các chất sắt điện, cũng như vô số vật liệu đã biết, bao gồm cả sự biến đổi tinh thể của thạch anh.

Áp điện đơn tinh thể

Lớp áp điện này bao gồm sắt điện ion và thạch anh kết tinh (beta-quartz SiO2).

Một tinh thể thạch anh beta có hình lăng trụ lục giác với hai kim tự tháp ở hai bên. Hãy để chúng tôi làm nổi bật một vài hướng tinh thể ở đây. Trục Z đi qua các đỉnh của kim tự tháp và là trục quang học của tinh thể. Nếu một tấm được cắt từ một tinh thể như vậy theo hướng vuông góc với trục đã cho (Z), thì không thể đạt được hiệu ứng áp điện.

Vẽ các trục X đi qua các đỉnh của hình lục giác, có ba trục X như vậy, nếu cắt các tấm vuông góc với các trục X thì ta được mẫu có hiệu ứng áp điện tốt nhất. Đây là lý do tại sao trục X được gọi là trục điện trong thạch anh. Cả ba trục Y được vẽ vuông góc với các mặt của tinh thể thạch anh đều là trục cơ học.

Loại thạch anh này thuộc loại áp điện yếu, hệ số ghép nối điện cơ của nó nằm trong khoảng 0,05 đến 0,1.

Thạch anh kết tinh có khả năng ứng dụng lớn nhất do khả năng duy trì các đặc tính áp điện ở nhiệt độ lên tới 573 ° C. Bộ cộng hưởng áp điện thạch anh không gì khác hơn là các tấm song song phẳng có gắn các điện cực vào chúng. Các yếu tố như vậy được phân biệt bởi tần số cộng hưởng tự nhiên rõ rệt.

Liti niobit (LiNbO3) là một vật liệu áp điện được sử dụng rộng rãi liên quan đến sắt điện ion (cùng với liti tantalat LiTaO3 và bismuth germanate Bi12GeO20).Các chất sắt điện ion được ủ trước trong một điện trường mạnh ở nhiệt độ dưới điểm Curie để đưa chúng vào trạng thái một miền. Những vật liệu như vậy có hệ số ghép điện cơ cao hơn (lên tới 0,3).

Cadmium sulfua CdS, kẽm oxit ZnO, kẽm sulfua ZnS, cadmium selenua CdSe, gali arsenua GaAs, v.v. Chúng là những ví dụ về các hợp chất loại bán dẫn có liên kết cộng hóa trị ion. Đây là cái gọi là chất bán dẫn áp điện.

Trên cơ sở các chất sắt điện lưỡng cực này, ethylenediamine tartrate C6H14N8O8, tourmaline, các tinh thể muối Rochelle đơn, lithium sulfat Li2SO4H2O - cũng thu được các chất áp điện.

Áp điện đa tinh thể

Gốm sắt điện thuộc về áp điện đa tinh thể. Để truyền các đặc tính áp điện cho gốm sắt điện, gốm như vậy phải được phân cực trong một giờ trong điện trường mạnh (cường độ từ 2 đến 4 MV / m) ở nhiệt độ 100 đến 150 ° C, để sau lần tiếp xúc này , sự phân cực vẫn còn trong nó, điều này có thể tạo ra hiệu ứng áp điện. Do đó, thu được gốm áp điện bền với hệ số ghép áp điện từ 0,2 đến 0,4.

Các phần tử áp điện có hình dạng yêu cầu được làm bằng gốm áp điện để sau đó thu được các rung động cơ học có tính chất cần thiết (dọc, ngang, uốn). Các đại diện chính của gốm áp điện công nghiệp được làm trên cơ sở bari titanat, canxi, chì, chì zirconate-titanate và bari chì niobat.

áp điện polyme

Màng polyme (ví dụ: polyvinylidene florua) được kéo dài 100-400%, sau đó được phân cực trong điện trường, sau đó các điện cực được áp dụng bằng quá trình kim loại hóa. Do đó, thu được các phần tử áp điện màng có hệ số ghép điện cơ ở mức 0,16.

Ứng dụng của áp điện

Các phần tử áp điện riêng biệt và liên kết với nhau có thể được tìm thấy dưới dạng các thiết bị kỹ thuật vô tuyến chế tạo sẵn - bộ chuyển đổi áp điện có gắn các điện cực vào chúng.

Các thiết bị như vậy, làm bằng thạch anh, gốm áp điện hoặc áp điện ion, được sử dụng để tạo, biến đổi và lọc tín hiệu điện. Một tấm phẳng song song được cắt từ tinh thể thạch anh, các điện cực được gắn vào - thu được một bộ cộng hưởng.

Tần số và hệ số Q của bộ cộng hưởng phụ thuộc vào góc của các trục tinh thể mà tại đó tấm bị cắt. Thông thường, trong dải tần số vô tuyến lên đến 50 MHz, hệ số Q của các bộ cộng hưởng như vậy đạt tới 100.000.

Xét về yếu tố chất lượng và tần số, thạch anh vượt trội hơn so với áp điện ion, có khả năng hoạt động ở tần số lên tới 1 GHz. Các tấm tantalate lithium mỏng nhất được sử dụng làm bộ phát và bộ thu rung động siêu âm với tần số 0,02 đến 1 GHz, trong bộ cộng hưởng, bộ lọc, vạch trễ của sóng âm bề mặt.

Các màng mỏng của chất bán dẫn áp điện lắng đọng trên các chất điện môi được sử dụng trong các đầu dò kỹ thuật số (ở đây các điện cực biến đổi được sử dụng để kích thích sóng âm bề mặt).

Đầu dò áp điện tần số thấp được chế tạo trên cơ sở sắt điện lưỡng cực: micrô thu nhỏ, loa, bộ thu, cảm biến áp suất, biến dạng, độ rung, gia tốc, bộ phát siêu âm.