Piezoelectricidad, piezoelectricidad - física del fenómeno, tipos, propiedades y aplicaciones
Piezoeléctricos Los dieléctricos están resaltados efecto piezoeléctrico.
El fenómeno de la piezoelectricidad fue descubierto y estudiado en 1880-1881 por los famosos físicos franceses Pierre y Paul-Jacques Curie.
Durante más de 40 años, la piezoelectricidad no encontró aplicación práctica, siendo propiedad de los laboratorios de física. Fue solo durante la Primera Guerra Mundial que el científico francés Paul Langevin utilizó este fenómeno para generar vibraciones ultrasónicas en el agua a partir de una placa de cuarzo con el propósito de ubicarla bajo el agua ("sonda").
Después de eso, varios físicos se interesaron en el estudio de las propiedades piezoeléctricas del cuarzo y algunos otros cristales y sus aplicaciones prácticas. Entre sus muchos trabajos hubo varias aplicaciones muy importantes.
Por ejemplo, en 1915 S.Butterworth demostró que la placa de cuarzo como sistema mecánico unidimensional, que se excita debido a la interacción entre un campo eléctrico y cargas eléctricas, se puede representar como un circuito eléctrico equivalente con capacitancia, inductancia y resistencia conectadas en serie.
Al introducir una placa de cuarzo como circuito oscilador, Butterworth fue el primero en proponer un circuito equivalente para un resonador de cuarzo, que es la base de todo el trabajo teórico posterior. de resonadores de cuarzo.
El efecto piezoeléctrico es directo e inverso. El efecto piezoeléctrico directo se caracteriza por la polarización eléctrica del dieléctrico, que se produce por la acción de un esfuerzo mecánico externo sobre él, mientras que la carga inducida en la superficie del dieléctrico es proporcional al esfuerzo mecánico aplicado:
Con el efecto piezoeléctrico inverso, el fenómeno se manifiesta al revés: el dieléctrico cambia sus dimensiones bajo la acción de un campo eléctrico externo que se le aplica, mientras que la magnitud de la deformación mecánica (deformación relativa) será proporcional a la fuerza de el campo eléctrico aplicado a la muestra:
El factor de proporcionalidad en ambos casos es el piezomódulo d. Para el mismo piezoeléctrico, los piezomódulos para el efecto piezoeléctrico directo (dpr) e inverso (drev) son iguales entre sí. Así, los piezoeléctricos son un tipo de transductores electromecánicos reversibles.
Efecto piezoeléctrico longitudinal y transversal
El efecto piezoeléctrico, dependiendo del tipo de muestra, puede ser longitudinal o transversal.En el caso del efecto piezoeléctrico longitudinal, las cargas en respuesta a la deformación o la deformación en respuesta a un campo eléctrico externo se generan en la misma dirección que la acción iniciadora. Con el efecto piezoeléctrico transversal, la aparición de cargas o la dirección de deformación será perpendicular a la dirección del efecto que las provoca.
Si un campo eléctrico alterno comienza a actuar sobre un piezoeléctrico, aparecerá una deformación alterna con la misma frecuencia. Si el efecto piezoeléctrico es longitudinal, entonces las deformaciones tendrán el carácter de compresión y tensión en la dirección del campo eléctrico aplicado, y si es transversal, entonces se observarán ondas transversales.
Si la frecuencia del campo eléctrico alterno aplicado es igual a la frecuencia de resonancia del piezoeléctrico, entonces la amplitud de la deformación mecánica será máxima. La frecuencia de resonancia de la muestra se puede determinar mediante la fórmula (V es la velocidad de propagación de las ondas mecánicas, h es el espesor de la muestra):
La característica más importante del material piezoeléctrico es el coeficiente de acoplamiento electromecánico, que indica la relación entre la fuerza de las vibraciones mecánicas Pa y la potencia eléctrica Pe gastada en su excitación por impacto sobre la muestra. Este coeficiente suele tomar un valor en el rango de 0,01 a 0,3.
Los piezoeléctricos se caracterizan por una estructura cristalina de un material con un enlace covalente o iónico sin centro de simetría. Los materiales con baja conductividad, en los que hay portadores de carga libres insignificantes, se distinguen por sus altas características piezoeléctricas.Los piezoeléctricos incluyen todos los ferroeléctricos, así como una gran cantidad de materiales conocidos, incluida la modificación cristalina del cuarzo.
Piezoeléctricos de cristal único
Esta clase de piezoeléctricos incluye ferroeléctricos iónicos y cuarzo cristalino (beta-cuarzo SiO2).
Un solo cristal de cuarzo beta tiene la forma de un prisma hexagonal con dos pirámides a los lados. Destaquemos algunas direcciones cristalográficas aquí. El eje Z pasa por los vértices de las pirámides y es el eje óptico del cristal. Si se corta una placa de dicho cristal en una dirección perpendicular al eje dado (Z), entonces no se puede lograr el efecto piezoeléctrico.
Dibuje los ejes X a través de los vértices del hexágono, hay tres ejes X. Si corta las placas perpendiculares a los ejes X, obtenemos una muestra con el mejor efecto piezoeléctrico. Es por eso que los ejes X se llaman ejes eléctricos en cuarzo. Los tres ejes Y dibujados perpendicularmente a los lados del cristal de cuarzo son ejes mecánicos.
Este tipo de cuarzo pertenece a los piezoeléctricos débiles, su coeficiente de acoplamiento electromecánico está en el rango de 0,05 a 0,1.
El cuarzo cristalino ha tenido la mayor aplicabilidad debido a su capacidad para mantener las propiedades piezoeléctricas a temperaturas de hasta 573 ° C. Los resonadores piezoeléctricos de cuarzo no son más que placas plano-paralelas con electrodos adjuntos. Dichos elementos se distinguen por una frecuencia de resonancia natural pronunciada.
La niobita de litio (LiNbO3) es un material piezoeléctrico ampliamente utilizado relacionado con la ferroelectricidad iónica (junto con el tantalato de litio LiTaO3 y el germanato de bismuto Bi12GeO20).Los ferroeléctricos iónicos se recocen previamente en un fuerte campo eléctrico a una temperatura por debajo del punto de Curie para llevarlos a un estado de dominio único. Dichos materiales tienen coeficientes de acoplamiento electromecánico más altos (hasta 0,3).
Sulfuro de cadmio CdS, óxido de zinc ZnO, sulfuro de zinc ZnS, seleniuro de cadmio CdSe, arseniuro de galio GaAs, etc. Son ejemplos de compuestos de tipo semiconductor con enlace iónico-covalente. Estos son los llamados semiconductores piezoeléctricos.
Sobre la base de estos dipolos ferroeléctricos, también se obtienen etilendiamina tartrato C6H14N8O8, turmalina, monocristales de sal de Rochelle, sulfato de litio Li2SO4H2O — piezoeléctricos.
Piezoeléctricos policristalinos
Las cerámicas ferroeléctricas pertenecen a los piezoeléctricos policristalinos. Para impartir propiedades piezoeléctricas a las cerámicas ferroeléctricas, dichas cerámicas deben polarizarse durante una hora en un campo eléctrico intenso (con una intensidad de 2 a 4 MV/m) a una temperatura de 100 a 150 °C, de modo que después de esta exposición , la polarización permanece en él, lo que permite obtener un efecto piezoeléctrico. Así, se obtienen cerámicas piezoeléctricas robustas con coeficientes de acoplamiento piezoeléctricos de 0,2 a 0,4.
Los elementos piezoeléctricos de la forma requerida se fabrican con piezocerámica para luego obtener vibraciones mecánicas de la naturaleza requerida (longitudinal, transversal, de flexión). Los principales representantes de la piezocerámica industrial se fabrican a base de titanato de bario, calcio, plomo, zirconato-titanato de plomo y niobato de plomo y bario.
Piezoeléctricos de polímero
Las películas de polímero (p. ej., fluoruro de polivinilideno) se estiran entre un 100 y un 400 %, luego se polarizan en un campo eléctrico y luego se aplican electrodos por metalización. Se obtienen así elementos piezoeléctricos de película con un coeficiente de acoplamiento electromecánico del orden de 0,16.
Aplicación de piezoeléctricos.
Se pueden encontrar elementos piezoeléctricos separados e interconectados en forma de dispositivos de ingeniería de radio listos para usar: transductores piezoeléctricos con electrodos adjuntos.
Dichos dispositivos, hechos de cuarzo, cerámica piezoeléctrica o piezoeléctricos iónicos, se utilizan para generar, transformar y filtrar señales eléctricas. Se corta una placa plana paralela de un cristal de cuarzo, se unen electrodos y se obtiene un resonador.
La frecuencia y el factor Q del resonador dependen del ángulo de los ejes cristalográficos en los que se corta la placa. Por lo general, en el rango de radiofrecuencia de hasta 50 MHz, el factor Q de tales resonadores alcanza los 100 000. Además, los transductores piezoeléctricos se usan ampliamente como transformadores piezoeléctricos con alta impedancia de entrada, para un rango de frecuencia típicamente amplio.
En términos de factor de calidad y frecuencia, el cuarzo supera a los piezoeléctricos de iones, capaces de operar a frecuencias de hasta 1 GHz. Las placas de tantalato de litio más delgadas se utilizan como emisores y receptores de vibraciones ultrasónicas con una frecuencia de 0,02 a 1 GHz, en resonadores, filtros, líneas de retardo de ondas acústicas superficiales.
Las películas delgadas de semiconductores piezoeléctricos depositados sobre sustratos dieléctricos se usan en transductores interdigitales (aquí se usan electrodos variables para excitar ondas acústicas superficiales).
Los transductores piezoeléctricos de baja frecuencia se fabrican sobre la base de ferroeléctricos dipolares: micrófonos en miniatura, altavoces, pastillas, sensores de presión, deformación, vibración, aceleración, emisores ultrasónicos.