Zjawisko piezoelektryczne 

- zastosowania

 

 

Zjawisko piezoelektryczne - 

definicja:

Zjawisko piezoelektryczne zostało odkryte w 

1880 roku przez Piotra i Jakuba Curie, 

występuje w anizotropowych ośrodkach 

dielektrycznych. Przez efekt piezoelektryczny 

rozumiemy oddziaływanie pomiędzy 

wielkościami elektrycznymi i mechanicznymi. 

Oddziaływanie to może być opisane przez 

liniową zależność pomiędzy dielektrycznymi i 

sprężystymi własnościami materiału:

 

 

gdzie: D – indukcja elektryczna,

E – natężenie pola elektrycznego,

T – naprężenie,

ε – przenikalność elektryczna

S – odkształcenie,

s – podatność (odwrotność modułu 

 

                  Younga),

d – współczynnik piezoelektryczny.

D

=dT ε

T

E

1

S

=s

E

T

dE

2

Zjawisko piezoelektryczne - 

definicja:

 

 

Zjawisko piezoelektryczne - 

definicja:

Równanie (1) opisuje efekt piezoelektryczny prosty. Tutaj 

rozpatrujemy D jako jako zmienną zależną, zauważmy, 

że istnieje tutaj zwykły człon ε

T

E, który jest słuszny dla 

przypadku liniowego dielektryka i opisuje polaryzację 

materiału odprężonego) oprócz członu opisującego 

wzrost polaryzacji wskutek udziału energii mechanicznej. 

Podobnie równanie (2) opisuje efekt piezoelektryczny 

odwrotny, tj. odkształcenie spowodowane abo elastyczną 

odpowiedzią na naprężenie lub wskutek przemieszczenia 

sie ładunków indukowanego przez przyłożone pole 

elektryczne. 

 

 

Proste efekt piezoelektryczny

Proste zjawisko piezoelektryczne polega 

na indukowaniu ładunków elektrycznych Q 
   na  powierzchni  dielektryka  (polaryzacji) 
pod  działaniem  naprężeń  mechanicznych 
(naprężeń zewnętrznych). 

C

=G

 

 

Proste zjawisko piezoelektryczne 

●

S – powierzchnia elektrod

●

d – moduł 
piezoelektryczny,

●

 σ – naprężenie (stosunek 
siły F działającej na 

powierzchnię S do 
wielkości tej powierzchni). 

Jednostka naprężenia jest 
N/m

2

Q

=S⋅d⋅

=

F

S

Q

=d⋅F

[C ]=

[

C

N

]

⋅[ N ]

 

 

Odwrotne zjawisko piezoelektryczne 

Odwrotne zjawisko piezoelektryczne 

polega na deformacji piezoelektryka pod 

wpływem zewnętrznego pola elektrycznego: 

 

 

Odwrotne zjawisko piezoelektryczne 

l=d⋅E

[m]=[m]⋅

[

m

V

]

●

Δl deformacja względna 

(stosunek zmiany 

rozmiaru ciała do 

rozmiaru początkowego)

●

d moduł 

piezoelektryczny

●

E natężenie pola 

elektrycznego

 

 

Podstawy fizyczne

Właściwości piezoelektryczne wykazują dielektryki 

nieliniowe – ferroelektryki. W dielektrykach 

nieliniowych przenikalność elektryczna zależy od 

wartości natężenia pola  elektrycznego, w którym 

umieszczono dielektryk:   

                                        

Wektor indukcji elektrycznej będzie również 

złożoną funkcją wektora E

ε

= f



E



=ε



E



D=ε



E



⋅E

 

 

Właściwości fizyczne ferroelektryków

●

  Ferroelektryk  to  taki  dielektryk  w  którym  istnieje 

polaryzacja  nawet  wtedy  gdy  natężenie  zewnętrznego 

pola  elektrycznego  jest  równe  zeru  (polaryzacja  ta 

nazywana  jest  polaryzacją  spontaniczną)  a  kierunek  tej 

polaryzacji 

można 

zmienić 

zewnętrznym 

polem 

elektrycznym

●

 Ferroelektryki mają zazwyczaj bardzo duże 

przenikalności dielektryczne

●

 Każdy ferroelektryk jest piezoelektrykiem (ale nie 

odwrotnie).

●

 Przykłady materiałów:BaTiO

3

, PZT, PbTiO

3

, PbZRO

3

, 

KnbO

3

, 

LiTaO

3

, 

LiNbO

3

 

 

METODY BADANIA I ZASTOSOWANIA 

ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO 

Metody badania własności piezoelektrycznych 

materiałów można podzielić na statyczne, 

kwazistatyczne i dynamiczne. 

 

 

METODY BADANIA I ZASTOSOWANIA 

ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO 

Metody statyczne polegają na bezpośrednim 

pomiarze ładunków piezoelektrycznych 

indukowanych na powierzchniach kryształu pod 

wpływem zewnętrznych naprężeń 

mechanicznych, lub na pomiarze odkształcenia 

kryształu pod wpływem zewnętrznego pola 

elektrycznego. 

 

 

METODY BADANIA I ZASTOSOWANIA 

ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO 

Metody kwazistatyczne polegają na pomiarze 

deformacji kryształu pod wpływem periodycznie 

zmiennego pola elektrycznego (odwrotne zjawisko 

piezoelektryczne) lub pomiarze ładunku 

generowanego na powierzchni kryształu pod 

wpływem zmiennych naprężeń mechanicznych 

(zjawisko proste) o częstości znacznie mniejszej 

od częstości rezonansowych badanych próbek. 

 

 

METODY BADANIA I ZASTOSOWANIA 

ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO 

Metody dynamiczne polegają na pomiarze 

częstości rezonansowych i anty rezonansowych 

drgań własnych płytek wyciętych z materiałów 

piezoelektrycznych (kryształów, ceramik lub folii) 

oraz wyznaczaniu parametrów zastępczych 

obwodów elektrycznych tych próbek. 

 

 

Zastosowanie

Czujniki:

●

ciśnienia 

●

zapłonu w silnikach spalinowych

●

zderzeń 

●

przepływu 

●

ruchu – zastosowania medyczne i 

przemysłowe

●

wskaźniki poziomu cieczy

●

przyspieszenia

 

 

Zastosowanie

Przetworniki małej mocy

odkształcenia, przemieszczenia – kilka mm, F→1-10N

●

systemy wtrysku w drukarkach 

atramentowych atramentowych

●

czytniki pisma Braille'a

●

przepływu powietrza

 

 

Zastosowanie

Przetworniki dużej mocy

odkształcenia, przemieszczenia do 0.15 mm  F→1-10N

●

systemy wtrysku paliwa – silniki Diesla i 

benzynowe

●

zawory hydrauliczne

●

aktywne tłumiki w ogranicznikach maszyn

 

 

Zastosowanie

Generatory napięcia

●

zapalarki gazu

●

zapalniczki papierosów

●

lampy błyskowe

●

zapalniki do materiałów wybuchowych

●

ogniwa, baterie

 

 

Zastosowanie

Silniki

●

obrotowe z falową powierzchnia

●

liniowe

●

skrętne, wibracyjne

 

 

Zastosowanie

Inne

●

linie opóźniające TV, Video

●

rezonatory, filtry radiowe, TV i 

telekomunikacyjne

●

inwertery, transformatory

●

przyrządy piroelektryczne

●

przyciski klawiatury

●

detektory ultradźwiękowe

●

brzęczki, alarmy w zegarkach, zabawkach

●

mikrofony

●

mikromanipulatory (skaningowy mikroskop 

tunelowy)

 

 

Dziękuję za uwagę