Piezoelektrische Wirkung der piezoelektrischen Keramik

Wenn die piezoelektrische Keramik polarisiert ist, gibt es im Keramikmaterial eine starke Restfeldpolarisation. Wenn das Keramikmaterial einer externen Kraft ausgesetzt ist, verursacht die Grenze der Domäne eine Änderung der Polarisationsintensität und führt zu einem piezoelektrischen Effekt.

Die polarisierte piezoelektrische Keramik hat einen sehr hohen piezoelektrischen Koeffizienten, der etwa mehrere hundertmal so hoch ist wie ein Quarzkristall, aber die mechanische Festigkeit ist der eines Quarzkristalls unterlegen.

Piezocerama -Plattenwandler sind Substanzen wie ferroelektrik und sind künstlich polykristalline piezoelektrische Materialien mit einer Domänenstruktur hergestellt, die der magnetischen Domänenstruktur ferromagnetischer Materialien ähnelt. Eine Domäne ist eine Region, in der sich spontan ein Molekül bildet. Es hat eine bestimmte Polarisationsrichtung, so dass ein bestimmtes elektrisches Feld existiert. In Abwesenheit eines externen elektrischen Feldes sind die einzelnen Domänen zufällig auf den Kristall verteilt, und ihre Polarisationseffekte werden sich gegenseitig aufgehoben, sodass die ursprüngliche piezoelektrische Keramik keine interne Polarisation aufweist.

Wenn der Voltmeter jedoch zur Messung an die beiden Elektroden des Keramikblatts angeschlossen wurde, konnte die in der Keramikblatt bestehende Polarisation nicht gemessen werden. Dies liegt daran, dass die Polarisation im Piezoceramics -Blatt immer in Form eines elektrischen Dipolmoments ausgedrückt wird, dh eine positiv gebundene Ladung tritt an einem Ende der Keramik auf und eine negativ gebundene Ladung tritt am anderen Ende auf. Aufgrund der Wirkung der gebundenen Ladung wird eine Ladung von außen auf der Elektrodenoberfläche des Keramikblatts adsorbiert. Diese freien Gebühren entsprechen dem gebundenen Ladungszeichen im Keramikblatt, das den Auswirkungen der Polarisation innerhalb des Keramikblatts auf der Außenwelt abschirmt und entgegenwirkt. Daher kann der Voltmeter den Polarisationsgrad im Keramikblatt nicht messen.

Wenn ein Druck f parallel zur Polarisationsrichtung auf das Keramikblatt ausgeübt wird, wie in der Abbildung gezeigt, wird das Keramikblatt eine Kompressionsdeformation (gestrichelte Linie in der Abbildung) durchlaufen, der Abstand zwischen den positiven und negativen gebundenen Ladungen in der Blatt wird kleiner und die Polarisationsintensität ändert sich auch. Daher wird ein Teil der freien Ladung, die ursprünglich an der Elektrode adsorbiert wurde, freigesetzt, und es tritt ein Ladungsphänomen auf. Wenn der Druck entfernt wird, kehrt das Keramikstück in seinen ursprünglichen Zustand zurück (dies ist ein Expansionsprozess), der Abstand zwischen den positiven und negativen Ladungen im Film wird größer und die Polarisationsintensität wird ebenfalls größer, so dass einige freie Ladungen sind An der Elektrode und dem Ladungsphänomen tritt auf. Dieses Phänomen des Wechsels von mechanisch zu elektrisch oder von mechanisch zu elektrisch ist es der positive piezoelektrische Effekt.

In ähnlicher Weise, wenn ein elektrisches Feld derselben Polarisationsrichtung von Piezo -Keramik mit hoher Leistung auf das Keramikblatt aufgetragen wird, wie in der Abbildung gezeigt, da die Richtung des elektrischen Feldes die gleiche Richtung der Polarisation entspricht Feld erhöht die Polarisation. Zu diesem Zeitpunkt wird auch der Abstand zwischen den positiven und negativen gebundenen Ladungen im Keramikblatt erhöht, dh das Keramikblatt in der Polarisationsrichtung (zerbrochene Linie in der Abbildung). Wenn die Richtung des angelegten elektrischen Feldes der Polarisationsrichtung entgegengesetzt ist, wird das Keramikblatt in Polarisationsrichtung verkürzt. Dieses Phänomen des Umverdrehens in einen mechanischen Effekt aufgrund eines elektrischen Effekts oder eines Übergangs von elektrischer Energie zu mechanischer Energie ist ein inverser piezoelektrischer Effekt.

Es ist ersichtlich, dass die piezoelektrische Keramik aufgrund der spontanen Polarisation innerhalb der Keramik einen piezoelektrischen Effekt hat. Nachdem die spontane Polarisation dem Polarisationsprozess ausgesetzt und zur Ausrichtung gezwungen wird, ist die Restpolarisation in der Keramik vorhanden. Wenn die externe Wirkung (wie die Wirkung von Druck oder elektrischem Feld) die Polarisation ändern kann, hat die Piezokeramik einen piezoelektrischen Effekt. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass die polarisierten Gebühren in der Keramik gebundene Gebühren sind, sie keine Gebühren befreit, und diese gebundenen Gebühren können sich nicht frei bewegen. Daher wird das in der Keramik erzeugte Entladungs- oder Ladungsphänomen durch die Änderung der inneren Polarisation der Keramik verursacht, wodurch die Freigabe oder Auffüllung der freien Ladung auf der Elektrodenoberfläche führt.

Wenn die piezoelektrische Keramik in der Polarisationsrichtung (Z -Richtung) in der Polarisationsebene (dh die Kraft senkrecht zur Polarisationsebene) ausgesetzt ist und negative Ladungen erscheinen, der Ladungsbetrag QZZ ist proportional zur Kraft FZ, dh:

Piezoelektrisches Material:

Piezoelektrische Kristalle wie Quarz;
Piezoelektrische Keramik wie Bariumtitanat, Bleizirkonat -Titanat usw.;
Piezoelektrische Halbleiter wie Zinksulfid, Cadmium Tellurid und dergleichen.

Anforderungen an piezoelektrische Materialeigenschaften:

Die herausragenden Vorteile von piezoelektrischen Keramikstreifen Quarzkristallen sind sehr stabil für Leistung, hohe mechanische Festigkeit und hervorragende Isolationseigenschaften. Quarzmaterialien sind jedoch teuer und haben einen viel niedrigeren piezoelektrischen Koeffizienten als eine piezoelektrische Keramik. Daher wird es im Allgemeinen nur in den Standardinstrumenten oder -sensoren verwendet, die höhere Anforderungen erfordern. Da Quarz ein anisotropen Kristall ist, variieren die physikalischen Eigenschaften (wie Elastizität, piezoelektrischer Effekt, Temperatureigenschaften usw.) der in unterschiedlichen Richtungen geschnittenen Wafer stark. Um den Quarzsensor zu entwerfen, wird die Schnittform des Quarzs nach verschiedenen Anwendungsanforderungen korrekt ausgewählt.