nargol68
عضو جدید
مقدمه
اثر پیزو الکتریک ، قابلیت بعضی مواد است برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی. تولیداختلاف پتانسیل الکتریکی در برخیبلورهای نارسانامثل کوارتز تحت کشش یا فشار. علامت پتانسیلهای دو وجه بلور در دو حالت فشردگی یا کشیدگی معکوس هم ارزند و هر چه میزان فشار کشش بیشتر باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده بیشتر است. اثر معکوس پیزو الکتریک نیز در این معنی تغییر شکل آنها بر اثر اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو وجه روبروی آنهاست. اگر دو وجه روبرویی در یک هر یک از این بلورها را به اختلاف پتانسیل متناوب الکترکی وصل کنیم، تغییر شکل متناوبی در آن رخ میدهد و به ارتعاش در میآید. شرط ضروري براي پيزوالکتريک بودن يک کريستال، عدم وجود تقارن مرکزي در ساختار کريستالي است.
ترکيبات سرب-زيرکنات-تيتانات PZT باساختار پروسکايت، ZnO و کوارتز مثالهايي از مواد پيزوالکتريک هستند.
سیر تحولی و رشد
اثر پیزوالکترکی چنانچه گفته شد توانایی برخی موادمیباشد که برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی مکانیکی است، این اثر را برادران کوری ،پییر و ژاک کوری، در دهه 1880 کشف کردند. موادی که این پدیده را از خود بروز میدهند مواد پیزو الکتریکی نامیده میشوند. اثر پیزوالکترکی در انواع بسیاری از مواد از جمله تک بلورها ،سرامیکها ، بسپارها و مواد مرکب دیده میشوند. فعالیت پیزوالکتریکی در اکسیدهای نسوز بس بلوردر تیتانیوم باریوم (BT) کشف شد و در دهه 1950 اثرهای پیزوالکتریکی درمحلول جامدتیتانات زیرکونات سرب (PbT) کشف شد.
اثر مستقیم و معکوس پیزو الکتریک
وقتی مادهای پیزو الکترکی تحت تأثیرمکانیکی (به صورت انبساط یا انقباض) قرار میگیرد، مقداری بار الکتریکی در سطح آن ظاهر میشود. این بار به تولیدمیدان الکتریکی و پتانسیل متناظر با آن میانجامد. برعکس ، در پی اعمال میدانی الکتریکی ، با مقادیر گرانش مکانیکی روبرو میشویم. اثر اول به اثر سیستم و اثر دوم به اثر معکوس موسوم است. جهت گیری (قطعیت) و مقادیر بار و پتانسیل ایجاد شده اثرمستقیم ، به جهت و بزرگی نیروی اعمال شده نیست به بعضی جهتهای بلور شناختی ماده بستگی دارد.
وقتی نیروی مکانیکی ناپدید میشود، بار تولید شده نیز از بین میرود و وقتی جهت کرنش وارونه شود قطبیت نیز وارونه میشود. بدین ترتیب در پاسخ به کرنش نوسان کننده با ولتاژی نوسانی روبرو میشویم که جهت و اندازه کرنشی ایجاد شده از طریق اثر معکوس نیز بستگی به جهت و اندازه میدان الکتریکی اعمال شده دارد. شدت اثرهای مستقیم و معکوس در هر مادهای با ثابت پیزوالکتریکی آنdمشخصمیشود. نسخه دیگر شدت این اثر برای هر ماده ، ثابت جفت شدگی الکترومکانیکیkاست. مربع این ثابت برابر است با کسری از انرژی مکانیکی که میتواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود، یا نسبت انرژِی الکتریکی به انرژی مکانیکی.
کاربرد اثر مستقیم پیزو الکتریک
اثر مستقیم در وسایل راه اندازی و اثر غیرمستقیم در دریاچهها مورد بهره برداری قرار میگیرد. به عنوان مثال ، از مواد پیزوالکتریک برای تولید و آشکارسازیامواج صوتی در هوا (دربلندگوها ،میکروفونها) یا در آب استفاده میشود. درسونارها ، ماهی یابها و عمق یابها از تأخیر زمانی بین تولید تپ صوتی در دریافت علامت باز تابیده آنرا برای اندازه گیری فاصله تا جسم ورود استفاده میکنند. این روش همچنین با استفاده ازامواج فراصوتی با بسامدهای زیاد (بیشتر از 20KHz )در تصویرگیری پزشکی و بررسی غیرتخریبی مواد در تشخیص شکستگیهای و نقصهای داخلی نیز بکار میرود.
کاربرد امواج فراصوتی در مواد پیزو الکتریک
به علت تضعیف اندک امواجفراصوتی در بیشتر مواد جامدات و مایعات ، میتوان از این امواج برای کاوش در اعماق بسیاری از مواد استفاده کرد. از امواج فراصوتی برابر تمییز کردن و صیقل دادن نیزبهره گیری میشود. از تشدید بلورهای پیزو الکتریک در حال ارتعاش ، برای کنترل دقیق بسامد در رادیوها و ساعتها هم استفاده میشود. امواج فراصوتی سطحی در موادپیزوالکتریک را درپردازندههای سیگنال قیاسی، مانند صافیهای نوار گذار و صافیهای تراکم تپ ، بکار میگیرند. مواد پیزو الکتریک ، همچنین در شتاب سنجها و وسایل استقرار دقیق مولدهای شب در فندکهای اجاق گاز مورد استفاده قرارمیگیرند.
کاربرد پیزوالکتریکها ردههای مختلف است:
1- به عنوان مبدل انرژی نوسانی به انرژی الکتریکی (کنترل تهییج، شتابسنج ...)
2- به عنوان مبدل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی (در دیسکهای صوتی، میکروفون، بلندگو وزنگ اخبار و ...)
3- در دریافت و انتقال امواج التراسونیک (پروب امواج التراسونیک، سنسورهای AE و کنترل امواج التراسونیک)
4- در تولید ولتاژ وجرقه با ولتاژ بالا (جرقهزن) و کاربردهای دیگر (ماشین آلات برقی، وسایل پزشکی وخانگی،
بیوسنسورها و....)
وابستگی مواد پیزوالکتریک به دما
موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارنداثرات پیزو الکتریک (پیدایش بارا لکتریکی بر اثر گرمایش یکنواخت) و فرو الکتریک(تغییر جهت دو قطبی بر اثر میدان الکتریکی) نیز از خود بروز میدهند. چون گشتاور دوقطبی دائمی ممکن است حداقل دو جهت داشته باشد واکنشهای داخلی با ترکیب این جهت گیریمتفاوت ممکن است به حداقل برسد. معمولا حوزههایی (ناحیههایی که در آنها تمام دوقطبیها در جهت خاصی سمتگیری میکنند) با جهت گیریهای دو قطبی متفاوت تشکیل خواهندشد. موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند معمولا در دماهایی به ساختار تقارنی بالاتر که فاقد گشتاور دو قطبی دائمی است گذر میکنند. این دما رانقطه کوریمینامند، وقتی دما به طرف نقطه کوری افزایش مییابد، به شدت اثر پیزو الکتریک مییابد.
وجود اثر پیزو الکتریک در تک بلور
اثر پیزو الکتریک در انواع بسیاری ازمواد ، از جمله تک بلورها ، سرامیکها ، بسپارها و مواد مرکب دیده میشود. کوارتزیکی از متداولترین مواد پیزو الکتریک تک بلور است و پایداری دمایی بسیار خوبی دارد. ثابت پیزو الکتریک آنd = 2.3X10-12و ثابت جفت شدگی آن k = 0 , 1 است. سال 1958 ،شاهد ظهور فرآیندی صنعتی برای ساختن بلورهای کوارتز بود. در موادی که تک بلورهستند، گشتاورهای دو قطبی که به جهتهای بلوری وابستهاند جهات مشخصی دارند.
در مواد بس دانهای (یا بیس بلور) ، محورهای بلور شناختی دانههای متفاوت بطور گستردهای جهت دیگری شده است و دو قطبیها اثر یکدیگر را خنثی میکنند،مگر اینکه با اعمال میدانی الکتریکی برای همسو کردن دو قطبیها قطبیتی در ماده ایجادشده باشد. عمل ایجاد قطبیت را همچنین میتوان با اعمال میدان الکتریکی در دمایی بالاتر از نقطه کوری و سرد کردن مجدد و رساندن آن به نقطه کوری تا در جهت خاصی همسوشوند.
اثر پیزو الکتریک ، قابلیت بعضی مواد است برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی. تولیداختلاف پتانسیل الکتریکی در برخیبلورهای نارسانامثل کوارتز تحت کشش یا فشار. علامت پتانسیلهای دو وجه بلور در دو حالت فشردگی یا کشیدگی معکوس هم ارزند و هر چه میزان فشار کشش بیشتر باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده بیشتر است. اثر معکوس پیزو الکتریک نیز در این معنی تغییر شکل آنها بر اثر اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو وجه روبروی آنهاست. اگر دو وجه روبرویی در یک هر یک از این بلورها را به اختلاف پتانسیل متناوب الکترکی وصل کنیم، تغییر شکل متناوبی در آن رخ میدهد و به ارتعاش در میآید. شرط ضروري براي پيزوالکتريک بودن يک کريستال، عدم وجود تقارن مرکزي در ساختار کريستالي است.
ترکيبات سرب-زيرکنات-تيتانات PZT باساختار پروسکايت، ZnO و کوارتز مثالهايي از مواد پيزوالکتريک هستند.
سیر تحولی و رشد
اثر پیزوالکترکی چنانچه گفته شد توانایی برخی موادمیباشد که برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی مکانیکی است، این اثر را برادران کوری ،پییر و ژاک کوری، در دهه 1880 کشف کردند. موادی که این پدیده را از خود بروز میدهند مواد پیزو الکتریکی نامیده میشوند. اثر پیزوالکترکی در انواع بسیاری از مواد از جمله تک بلورها ،سرامیکها ، بسپارها و مواد مرکب دیده میشوند. فعالیت پیزوالکتریکی در اکسیدهای نسوز بس بلوردر تیتانیوم باریوم (BT) کشف شد و در دهه 1950 اثرهای پیزوالکتریکی درمحلول جامدتیتانات زیرکونات سرب (PbT) کشف شد.
اثر مستقیم و معکوس پیزو الکتریک
وقتی مادهای پیزو الکترکی تحت تأثیرمکانیکی (به صورت انبساط یا انقباض) قرار میگیرد، مقداری بار الکتریکی در سطح آن ظاهر میشود. این بار به تولیدمیدان الکتریکی و پتانسیل متناظر با آن میانجامد. برعکس ، در پی اعمال میدانی الکتریکی ، با مقادیر گرانش مکانیکی روبرو میشویم. اثر اول به اثر سیستم و اثر دوم به اثر معکوس موسوم است. جهت گیری (قطعیت) و مقادیر بار و پتانسیل ایجاد شده اثرمستقیم ، به جهت و بزرگی نیروی اعمال شده نیست به بعضی جهتهای بلور شناختی ماده بستگی دارد.
وقتی نیروی مکانیکی ناپدید میشود، بار تولید شده نیز از بین میرود و وقتی جهت کرنش وارونه شود قطبیت نیز وارونه میشود. بدین ترتیب در پاسخ به کرنش نوسان کننده با ولتاژی نوسانی روبرو میشویم که جهت و اندازه کرنشی ایجاد شده از طریق اثر معکوس نیز بستگی به جهت و اندازه میدان الکتریکی اعمال شده دارد. شدت اثرهای مستقیم و معکوس در هر مادهای با ثابت پیزوالکتریکی آنdمشخصمیشود. نسخه دیگر شدت این اثر برای هر ماده ، ثابت جفت شدگی الکترومکانیکیkاست. مربع این ثابت برابر است با کسری از انرژی مکانیکی که میتواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود، یا نسبت انرژِی الکتریکی به انرژی مکانیکی.
کاربرد اثر مستقیم پیزو الکتریک
اثر مستقیم در وسایل راه اندازی و اثر غیرمستقیم در دریاچهها مورد بهره برداری قرار میگیرد. به عنوان مثال ، از مواد پیزوالکتریک برای تولید و آشکارسازیامواج صوتی در هوا (دربلندگوها ،میکروفونها) یا در آب استفاده میشود. درسونارها ، ماهی یابها و عمق یابها از تأخیر زمانی بین تولید تپ صوتی در دریافت علامت باز تابیده آنرا برای اندازه گیری فاصله تا جسم ورود استفاده میکنند. این روش همچنین با استفاده ازامواج فراصوتی با بسامدهای زیاد (بیشتر از 20KHz )در تصویرگیری پزشکی و بررسی غیرتخریبی مواد در تشخیص شکستگیهای و نقصهای داخلی نیز بکار میرود.
کاربرد امواج فراصوتی در مواد پیزو الکتریک
به علت تضعیف اندک امواجفراصوتی در بیشتر مواد جامدات و مایعات ، میتوان از این امواج برای کاوش در اعماق بسیاری از مواد استفاده کرد. از امواج فراصوتی برابر تمییز کردن و صیقل دادن نیزبهره گیری میشود. از تشدید بلورهای پیزو الکتریک در حال ارتعاش ، برای کنترل دقیق بسامد در رادیوها و ساعتها هم استفاده میشود. امواج فراصوتی سطحی در موادپیزوالکتریک را درپردازندههای سیگنال قیاسی، مانند صافیهای نوار گذار و صافیهای تراکم تپ ، بکار میگیرند. مواد پیزو الکتریک ، همچنین در شتاب سنجها و وسایل استقرار دقیق مولدهای شب در فندکهای اجاق گاز مورد استفاده قرارمیگیرند.
کاربرد پیزوالکتریکها ردههای مختلف است:
1- به عنوان مبدل انرژی نوسانی به انرژی الکتریکی (کنترل تهییج، شتابسنج ...)
2- به عنوان مبدل انرژی صوتی به انرژی الکتریکی (در دیسکهای صوتی، میکروفون، بلندگو وزنگ اخبار و ...)
3- در دریافت و انتقال امواج التراسونیک (پروب امواج التراسونیک، سنسورهای AE و کنترل امواج التراسونیک)
4- در تولید ولتاژ وجرقه با ولتاژ بالا (جرقهزن) و کاربردهای دیگر (ماشین آلات برقی، وسایل پزشکی وخانگی،
بیوسنسورها و....)
وابستگی مواد پیزوالکتریک به دما
موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارنداثرات پیزو الکتریک (پیدایش بارا لکتریکی بر اثر گرمایش یکنواخت) و فرو الکتریک(تغییر جهت دو قطبی بر اثر میدان الکتریکی) نیز از خود بروز میدهند. چون گشتاور دوقطبی دائمی ممکن است حداقل دو جهت داشته باشد واکنشهای داخلی با ترکیب این جهت گیریمتفاوت ممکن است به حداقل برسد. معمولا حوزههایی (ناحیههایی که در آنها تمام دوقطبیها در جهت خاصی سمتگیری میکنند) با جهت گیریهای دو قطبی متفاوت تشکیل خواهندشد. موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند معمولا در دماهایی به ساختار تقارنی بالاتر که فاقد گشتاور دو قطبی دائمی است گذر میکنند. این دما رانقطه کوریمینامند، وقتی دما به طرف نقطه کوری افزایش مییابد، به شدت اثر پیزو الکتریک مییابد.
وجود اثر پیزو الکتریک در تک بلور
اثر پیزو الکتریک در انواع بسیاری ازمواد ، از جمله تک بلورها ، سرامیکها ، بسپارها و مواد مرکب دیده میشود. کوارتزیکی از متداولترین مواد پیزو الکتریک تک بلور است و پایداری دمایی بسیار خوبی دارد. ثابت پیزو الکتریک آنd = 2.3X10-12و ثابت جفت شدگی آن k = 0 , 1 است. سال 1958 ،شاهد ظهور فرآیندی صنعتی برای ساختن بلورهای کوارتز بود. در موادی که تک بلورهستند، گشتاورهای دو قطبی که به جهتهای بلوری وابستهاند جهات مشخصی دارند.
در مواد بس دانهای (یا بیس بلور) ، محورهای بلور شناختی دانههای متفاوت بطور گستردهای جهت دیگری شده است و دو قطبیها اثر یکدیگر را خنثی میکنند،مگر اینکه با اعمال میدانی الکتریکی برای همسو کردن دو قطبیها قطبیتی در ماده ایجادشده باشد. عمل ایجاد قطبیت را همچنین میتوان با اعمال میدان الکتریکی در دمایی بالاتر از نقطه کوری و سرد کردن مجدد و رساندن آن به نقطه کوری تا در جهت خاصی همسوشوند.
آخرین ویرایش: