Prosty i odwrotny efekt piezoelektryczny

Prosty elekt piezoelektryczny – polega na pojawieniu się w piezoelektryku polaryzacji spowodowanej działaniem zewnętrznych naprężeń.

Q=d F gdzie d-moduł piezoelektryczny Es-odkształcenie względne

Odwrotny efekt piezoelektryczny – polega na pojawieniu się naprężeń i zmianie wymiarów pod wpływem działania zewnętrznego pola elektrycznego elektrycznego w piezoelektryku.

S-odkształcenie względne

Zjawisko elektrostrykcji, piezoelektryczne i piroelektryczne

Zjawisko elektrostrykcji – jest zjawiskiem polegającym na zmianie wymiarów materiału pod wpływem pola elektrycznego (napięcia). Zjawisko to charakteryzuje się tym, że zmiana wymiarów zachodzi w jednym kierunku, niezależnie od kierunku przyłożonego pola elektrycznego (zjawisko proste).

Dipole w materiałach elektrostrykcyjnych ułożone są w sposób przypadkowy. Wpływa to przy znacznej liczbie dipoli na uśrednienie wypadkowej wartości polaryzacji do zera. Z powyższego powodu zachodzi konieczność polaryzowania materiałów elektrostrykcyjnych.

Zjawisko elektrostrykcji wpływa negatywnie na wiele zjawisk (destabilizuje częstotliwość lasera)

Występuje w kryształach, które posiadają oś symetrii (Si, diament)

J eśli kryształ posiada środek symetrii to będzie on obecny nawet po odkształceniu.

Siła działa tylko na masy punktowe, indukowane są antyrównoległe dipole neutralizujące się wzajemnie. Zjawisko odwrotne do elektrostrykcji nie istnieje!

Zjawisko piezoelektryczne – zjawisko fizyczne polegające na mechanicznej deformacji kryształu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego (zjawisko piezoelektryczne odwrotne), a także: na powstawaniu na przeciwległych ścianach kryształów ładunków elektrycznych przeciwnego znaku w wyniku deformacji kryształu (zjawisko piezoelektryczne proste).

Piezoelektryczność występuje w tych kryształach, które nie mają swojego środka symetrii, np. w kryształach kwarcu. Materiały takie nazywane są piezoelektrykami.

Makroskopowa deformacja kryształu powoduje przesuniecie względem siebie jonów dodatnich i ujemnych - na powierzchni kryształu pojawiają się ładunki.

Zjawisko odwrotne - przyłożenie pola elektrycznego powoduje zmianę geometrycznych rozmiarów kryształu.

Zjawisko piroelektryczne - generowanie ładunku na powierzchni dielektryka pod wpływem zmian temperatury

<- polaryzacja spontaniczna

(sól Rochelle, ZnO, Gan, AIN, turmalin, LiNbO₃, BaTiO₃, PZT, PDFC poliflorek winidylenu)

Równania teorii zjawisk piezoelelektrycznych

d – moduł piezoelektryczny

ε^T – przenikalność elektryczna piezoelektryka przy stałym naprężeniu – próbka swobodna (ω -> 0 ), brak naprężeń lub naprężenia stałego T=0

ε^S – przenikalność elektryczna piezoelektryka przy stałym odkształceniu - próbka zamocowana (ω>> ω_re), nie może zmieniać swoich wymiarów pod wpływem przyłożonego napięcia elektrycznego S=0

s^E, s^T – współczynnik podatności mechanicznej przy stałym polu elektrycznym i indukcji elektrycznej - próbka zwarta, rozwarta elektrycznie

Ilość parametrów opisujących piezoelektryk 12:

Definicje parametrów materiałowych:

C^E, c^D [N/m²] – moduł sprężystości przy stałym polu elektrycznym, indukcji elektrycznej, próbka zwarta, rozwarta elektrycznie (36 wsp)

e [C/m²] – stała piezoelektryczna (18 wsp)

g [Vm/N], [m²/C] – stała piezoelektryczna napięciowa (9 wsp)

h [V/m] – współczynnik elektrostrykcji (9 wsp)

β^T, β^S – odwrotność przenikalności elektrycznej (1/ε^T, 1/ε^S) przy stałym naprężeniu, odkształceniu.

Metody pomiaru piezoelektryków

metody statyczne-pomiar wsp. piezoelektrycznych *stałej ładunkowej i *napięciowej

pomiary dynamiczne *pomiar przenikalności elektrycznej , pomiar wsp. Sprzężenia elektromechanicznego , wyznaczanie wsp. sprężystości

Ad. Metody statyczne: moduł piezoelekt.

S tała napięciowa: gdzie: Działamy na kondensator w którym jest piezoelektryk siłą F3. Mierzymy napięcie na kondensatorze i wyznaczamy moduł piez.

Do wyznaczenia modułów spr. ,oraz wsp.sprężystości wykorzystujemy wyznaczone oraz i podstawiając do odpowiednich wzorów.

Charakterystyki częstotliwościowe rezonatorów piezoelektrycznych

Pobudzenie napięciowe:

Pobudzenie prądowe:

Transformatory piezoelektryczne, rodzaje i podstawowe parametry

Tr. P. stanowi znaczne ulepszenie dotychczas i nadal stosowanych tr. elektromagnetycznych. Jest mniejszy, lżejszy i cieńszy. Prosty w montażu i tani.

Rodzaje:

Parametry:

Częstotliwość pracy

Sprawność:

Wzmocnienie tranzystora nieobciążonego: