Piezoelektryki Ryszard J. Barczyński, 2011 Politechnika Gdańska, Wydział FTiMS, Katedra Fizyki Ciała Stałego Materiały dydaktyczne do użytku wewnętrznego
Piezoelektryki Jakub Curie Piotr Curie W 1880 Piotr i Jakub Curie stwierdzili, że na powierzchni niektórych kryształów poddanych działaniu zewnętrznych napręże ń mechanicznych indukuj ą si ę ładunki elektryczne. Zjawisko to nazwano zjawiskiem piezoelektrycznym.
Piezoelektryki W rok później Gabriel Lippman wykaza ł teoretycznie możliwo ść istnienia zjawiska odwrotnego, a bracia Curie potwierdzili doświadczalnie fakt deformowania si ę kryształów piezoelektrycznych w zewnętrznym polu elektrycznym.
Struktura piezoelektryków Znane s ą wyniki bada ń około tysiąca kryształów o własnościach piezoelektrycznych. Tylko kilka z nich znajduje szerokie zastosowanie praktyczne.
Struktura piezoelektryków Charakterystyczn ą cech ą kryształów piezoelektrycznych jest brak środka symetrii ich struktury krystalicznej. Materia ł pokazany na rysunku obok ma struktur ę o trzykrotnej osi symetrii. Pod wpływem zewnętrznego naprężenia w krysztale pojawia si ę polaryzacja. Suma momentów dipolowych przy każ dym wierzchołku nie jest ju ż równa zeru.
Piezoelektryki Właściwości piezoelektryczne wykazuj ą między innymi kryształy kwarcu, winianu sodowo-potasowego (soli Seignette'a), turmalinu, fosforanów potasu i amonu. Tytanian baru i jego związki izomorficzne znajduj ą zastosowanie w postaci ceramiki. Polimer poli(fluorku winylidenu) (PVF 2 ) wykazuje efekt piezoelektryczny kilkakrotnie silniejszy ni ż krystaliczny kwarc.
Piezoelektryki Fizyczne wyjaśnienie powstawania polaryzacji elektrycznej w kwarcu pod wpływem naprężenia. Si + dodatni jon krzemu, O 2 ujemny jon tlenu.
Własności piezoelektryczne kryształów wykorzystuje si ę zarówno w doświadczalnych badaniach fizycznych, chemicznych i biologicznych, jak i w różnych urządzeniach przeznaczonych do użytku praktycznego. Pierwszym przykładem takiego wykorzystania jest sonar, po raz pierwszy zbudowany w trakcie I wojny światowej. We Francji w 1917 Paul Langevin ze współpracownikami wynaleźli ultradźwiękowy detektor okrętów podwodnych. Składa ł si ę on z piezoelektrycznego nadajnika, zbudowanego z kryształów kwarcu wklekonych pomiędzy dwie płyty, oraz hydrofonu do odbioru sydnału echa. Przez pomiar czasu pomiędzy sygnałem i echem można było określi ć odległo ść do podwodnych obiektów.
Zastosowania piezoelektryków Przykładem zastosowania piezoelektryków w aparaturze naukowo badawczej może być układ pozycjonujący igłę w mikroskopie tunelowym (STM) Obraz STM powierzchni grafitu
Silnik piezoelektryczny (USM)
Kryształy piezoelektryczne pracują zarówno jako przetworniki sygnału elektrycznego na mechaniczny, jak i mechanicznego na elektryczny. Rysunek obok przedstawia przetwornik służący do pomiaru siły. Buduje si ę równie ż podobne przetworniki do pomiaru ciśnienia i przyspieszenia, a także elementy tensometryczne.
Piezoelektryczne mikropompy s ą elementami drukarek atramentowych Większe urządzenia mog ą służyć do bardzo precyzyjnego dawkowania płynów.
Bardzo klasycznym zastosowaniem piezoelektryków s ą przetworniki elektroakustyczne. Mikrofony
Bardzo klasycznym zastosowaniem piezoelektryków s ą przetworniki elektroakustyczne. Gramofon krystaliczny (już tylko ciekawostka...) Głośniki
Bardzo klasycznym zastosowaniem piezoelektryków s ą przetworniki elektroakustyczne - równie ż w zakresie ultradźwięków. Brzęczyk dentystyczny... Brzęczyk sygnalizacyjny
W zakresie akustycznym jak i ultradźwięków stosuje się przetworniki piezoelektryczne w urzą dzeniach hydrolokacyjnych. Przetworniki turmalinowe stosuje si ę do pomiaru ciśnie ń hydrostatycznych.
Transformatory piezoelektryczne mog ą by ć źródłami wysokiego napięcia.
Kwarc i ceramiki z tytanianu baru stosowane są równie ż do stabilizacji częstotliwości drga ń generatorów. Poprzez odpowiednie wycinanie fragmentu kryształu można otrzyma ć rezonatory kwarcowe o bardzo wielkiej stabilności częstotliwości drga ń.
Rezonatory kwarcowe
Bardziej złożone układy kryształów wykorzystuje si ę do budowy filtrów elektrycznych. Poniżej przedstawiono filtr kwarcowy i jego schemat zastępczy.
Bardzo nowoczesnym zastosowaniem rezonatorów na kryszta ach ł piezoelektrycznych jest budowa czujników biochemicznych.