تحقیق مقاله پیزو الکتریک

چکیده:

یکی از ویژگی‌های غیر معمولی که بعضی سرامیک‌ ها ذخیره می‌کنند پدیده‌ی پیزوالکتریک است یا لغت تحت‌الفظی آن جریان ناشی از فشار: با اعمال نیروی خارجی دو قطبی‌ها تحریک می‌شوند و میدان الکتریکی ایجاد می‌شود. وارون کردن اثر نیرو (مثلاً از کششی به فشاری) جهت میدان را معکوس می‌کند.

پیزوالکتریسیته توسط پیروژاک کوری در سال 1892 کشف گردید و از واژه یونانی Piezin به معنی "فشار" مشتق می­شود. اعمال فشار به برخی کریستال­ها مانند کوارتز یا برخی سرامیک­ها الکتریسیته تولید می­­کند. فشار یا تنش مکانیکی وارد شده به برخی کریستال­ها باعث جابه­جایی دو قطبی­های ایجاد شده و پدید آمدن میدان الکتریکی می­شود. آرایش یون­های مثبت و منفی، تعیین­کننده ایجاد یا عدم ایجاد اثر پیزوالکتریسیته است. به همین دلیل اثر پیزوالکتریسیته یا ایجاد جریان الکتریسیته القایی توسط وارد کردن فشار، در مواد کریستالی ا?نیزوتروپ رخ می­دهد؛ یعنی در آن دسته از کریستال­هایی که مرکز تقارن ندارند. زیرا در کریستال­های متقارن هیچ ترکیبی از تنش­های یکنواخت نمی­تواند سبب جدا شدن بارهای الکتریکی شود .

اگر یک ماده به عنوان مثال یک سرامیک، پیزوالکتریک باشد، وقتی تحت تاثیر فشار قرار می­گیرد در سطح آن بار الکتریکی تولید می­شود؛ یا وقتی در میدان الکتریکی قرار می­گیرد تغییر شکل مکانیکی می­یابد. میزان بار الکتریکی یا تغییر شکل مکانیکی به ترکیب ماده بستگی دارد. در ساختمان این سرامیک­ها موادی نظیر: اکسید سرب، تیتانیا، زیرکونیا و غیره وجود دارند که بسته به نوع کاربرد این مواد با نسبت­های مختلف با هم مخلوط می­شوند. با تغییر ترکیب و ابعاد قطعات می­توان پیزوسرامیک­ها را برای کاربردهای مختلف طراحی کرد.

 از مواد پیزوالکتریک در مبدل‌ها و وسایلی که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند یا برعکس استفاده می‌شود. کاربردهای نام‌آشنایی از جمله پیکاپ گرامافون، میکروفون‌ها، مولدهای ماوراء صوت و حسگرهای سونار از خاصیت پیزوالکتریک استفاده می‌کنند. در پیکاپ گرامافون همچنان که قلم شیارهای رکورد را می‌پیماید یک اختلاف فشار به ماده‌ی پیزوالکتریک موجود در پیکاپ وارد می‌شود که نهایتاً به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود. این سیگنال قبل از ورود به بلندگو تقویت می‌شود. خاصیت پیزوالکتریک یک ویژگی مواد کریستالی دارای ساختار پیچیده‌ی بدون تقارن است. رفتار پیزوالکتریک یک پلی‌کریستال بوسیله‌ی گرم کردن بالاتر از دمای کوری و سپس خنک کردن تا دمای اتاق در مجاورت میدان الکتریکی قوی بهبود می‌یابد.

مقدمه

 پیزوالکتریک باری است که در مواد جامد مشخصی به علت فشار مکانیکی انباشته می‌شود (مخصوصاً در کریستال‌ها، بعضی سرامیک‌ها و اجسام زیستی مانند استخوان، DNA و پروتئین‌های مختلف). لغت پیزوالکتریک یعنی الکتریسیته‌ی ناشی از فشار که از لغت یونانی به معنای فشردن گرفته شده و الکتریک نماد عنبر است (یک منبع قدیمی جریان الکتریکی).

اثر پیزوالکتریک از ارتباط خطی بین حالت مکانیکی و الکتریکی در مواد بلورین و شفاف بدون تقارن مرکزی درک می‌شود.

 اثر پیزوالکتریک یک فرآیند قابل برگشت است؛ موادی که به طور مستقیم اثر پیزوالکتریک (تولید داخلی بار الکتریکی به دلیل اعمال نیروی مکانیکی) را انباشته می‌کنند اثر پیزوالکتریک معکوس (تولید داخلی نیروی مکانیکی در اثر اعمال میدان الکتریکی) را نیز انباشته می‌کنند.

 به عنوان مثال سرامیک‌های PZT (Pb[ZrxTi۱-x]O۳ ۰≤x≤۱) اگر به اندازه ۰.۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل دهند نیروی پیزوالکتریک قابل اندازه‌گیری تولید خواهند کرد. برعکس اگر میدان الکتریکی به آن‌ها اعمال شود به اندازه ۰.۱ درصد از ابعادشان تغییر شکل خواهند داد. پیزوالکتریک استفاده‌های مفیدی دارد از جمله تولید و ردیابی صوت، تولید ولتاژهای بالا، تولید فرکانس الکترونیکی، میکروبالانس‌ها (ترازوهای بسیار دقیق) و متمرکز کردن اشعه‌های نور در مقیاس بسیار بزرگ. این پدیده همچنین بنیانی برای بسیاری از تکنیک‌های علمی و سودمند در مقیاس اتمی است؛ بررسی میکروسکوپی مثل STM، AFM، MTA SNOM و ... همچنین استفاده‌های روزمره به عنوان منبع احتراق برای سیگار.

اثر پیزو الکتریک ، قابلیت بعضی مواد است برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی. تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در برخی بلورهای نارسانا مثل کوارتز تحت کشش یا فشار. علامت پتانسیل های 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.

سیر تحولی و رشد

اثر پیزوالکترکی چنانچه گفته شد توانایی برخی مواد می‌باشد 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 الکترکی 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 بلور در تیتانیوم باریوم (BT) کشف شد و در دهه 1950 اثرهای پیزوالکتریکی درمحلول جامد تیتانات زیرکونات سرب (PbT) کشف شد.

اثر مستقیم و معکوس پیزو الکتریک

وقتی ماده‌ای پیزو الکترکی تحت تأثیر مکانیکی (به صورت انبساط یا انقباض) قرار می‌گیرد، مقداری بار الکتریکی در سطح آن ظاهر می‌شود. این بار به تولید میدان 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 اثر مستقیم ، 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 الکترکی اعمال شده دارد. شدت اثرهای مستقیم و معکوس در هر ماده‌ای با ثابت پیزوالکتریکی آن d مشخص می‌شود. نسخه دیگر شدت این اثر برای هر ماده ، ثابت جفت شدگی الکترومکانیکی k است. 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 غیر مستقیم در دریاچه‌ها مورد بهره برداری قرار می‌گیرد. به عنوان مثال ، از مواد پیزو الکتریک برای تولید و آشکارسازی امواج صوتی در هوا (در بلندگوها ، میکروفونها) یا در آب استفاده می‌شود. در سونارها ، 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 از امواج فراصوتی با بسامدهای زیاد (بیشتر از 20KHz) در تصویرگیری پزشکی و بررسی غیر تخریبی مواد در تشخیص شکستگیهای و نقصهای داخلی نیز بکار می‌رود.

کاربرد امواج فراصوتی در مواد پیزو الکتریک

به علت تضعیف اندک امواج فراصوتی 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 نیز بهره 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 مواد پیزوالکتریک را در پردازنده‌های 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 قرار می‌گیرند.

ارتباط اثر پیزو الکتریک با ساختار مولکولی مواد

اثر پیزو الکتریک با ساختار مواد ارتباط دارد. وقتی مرکز بارهای مثبت ماده اندکی از مرکز بارهای منفی فاصله بگیرد، یک دو قطبی حاصل می‌شود، این پدیده در موادی رخ می‌دهد که ساختار بلوری آنها نامتقارن است. در بعضی مواد با گشتاور دو قطبی دائمی روبرو می‌شویم که نتیجه‌ای از عدم تقارن ذاتی در ساختار بلوری است. ولی در مواد دیگر برای ایجاد گشتاور دو قطبی باید کرنشی مکانیکی پدید آورد. از سی و دو بلور ، بیست و یک عدد از آنها فاقد مرکز تقارنند. بیست عدد از آنها خاصیت پیزو الکتریسیته از خود بروز می‌دهند. ده تای دیگر برای نشان دادن گشتاور دو قطبی نیاز به کرنش مکانیکی دارند. وقتی فاصله بین بارهای مثبت و منفی بر اثر کرنش مکانیکی نغییر کند میدان الکتریکی ناشی از دو قطبی تغییر می‌کند و بار روی الکترود تغییر می‌کند. این فاصله را همچنین می‌توان با اعمال میدان الکتریکی تغییر داد که به پیدایش کرنشی مکانیکی منجر می‌شود.