الكهربائية الانضغاطية والكهرباء الانضغاطية - فيزياء الظاهرة وأنواعها وخصائصها وتطبيقاتها

كهرضغطية يتم تمييز العوازل تأثير كهرضغطية.

تم اكتشاف ظاهرة الكهرباء الانضغاطية ودراستها في 1880-1881 من قبل الفيزيائيين الفرنسيين المشهورين بيير وبول جاك كوري.

لأكثر من 40 عامًا ، لم تجد الكهرباء الانضغاطية تطبيقًا عمليًا ، وظلت ملكًا لمختبرات الفيزياء. فقط خلال الحرب العالمية الأولى استخدم العالم الفرنسي بول لانجفين هذه الظاهرة لتوليد اهتزازات فوق صوتية في الماء من صفيحة كوارتز لغرض تحديد الموقع تحت الماء ("أسلم").

بعد ذلك ، أصبح عدد من الفيزيائيين مهتمين بدراسة الخواص الكهرضغطية للكوارتز وبعض البلورات الأخرى وتطبيقاتها العملية. من بين العديد من أعمالهم كانت هناك عدة تطبيقات مهمة للغاية.

على سبيل المثال ، في عام 1915 ، قام S.أوضح بتروورث أن لوحة الكوارتز كنظام ميكانيكي أحادي البعد ، والذي يكون متحمسًا بسبب التفاعل بين المجال الكهربائي والشحنات الكهربائية ، يمكن تمثيله كدائرة كهربائية مكافئة مع السعة والتحريض والمقاومة المتصلة في سلسلة.

عند تقديم لوحة كوارتز كدائرة مذبذب ، كان بتروورث أول من اقترح دائرة مكافئة لمرنان كوارتز ، وهو أساس كل الأعمال النظرية اللاحقة. من رنانات الكوارتز.

التأثير الكهروإجهادي مباشر وعكسي. يتميز التأثير الكهربي الانضغاطي المباشر بالاستقطاب الكهربائي للعازل ، والذي يحدث بسبب تأثير ضغط ميكانيكي خارجي عليه ، بينما تتناسب الشحنة المستحثة على سطح العازل مع الضغط الميكانيكي المطبق:

مع التأثير الكهروضغطي العكسي ، تتجلى الظاهرة في الاتجاه المعاكس - يغير العازل أبعاده تحت تأثير مجال كهربائي خارجي مطبق عليه ، في حين أن حجم التشوه الميكانيكي (التشوه النسبي) سيكون متناسبًا مع قوة المجال الكهربائي المطبق على العينة:

عامل التناسب في كلتا الحالتين هو piezomodulus d. بالنسبة لنفس الكهروضغطية ، فإن المعادلات الانضغاطية للتأثير الكهروإجهادي المباشر (dpr) والعكس (drev) متساوية مع بعضها البعض. وبالتالي ، فإن الكهروإجهادية هي نوع من محولات الطاقة الكهروميكانيكية العكسية.

التأثير الكهروإجهادي الطولي والعرضي

يمكن أن يكون التأثير الكهرضغطية ، اعتمادًا على نوع العينة ، طوليًا أو عرضيًا.في حالة التأثير الكهروإجهادي الطولي ، يتم إنشاء الشحنات استجابة للإجهاد أو الإجهاد استجابةً لمجال كهربائي خارجي في نفس اتجاه إجراء البدء. مع التأثير الكهروضغطي المستعرض ، سيكون ظهور الشحنات أو اتجاه التشوه عموديًا على اتجاه التأثير الذي يسببها.

إذا بدأ مجال كهربائي متناوب في العمل على كهرضغطية ، فسيظهر فيه تشوه متناوب بنفس التردد. إذا كان التأثير الكهروإجهادي طوليًا ، فإن التشوهات سيكون لها طابع الضغط والتوتر في اتجاه المجال الكهربائي المطبق ، وإذا كان عرضيًا ، فسيتم ملاحظة الموجات المستعرضة.

إذا كان تردد المجال الكهربائي المطبق يساوي تردد الرنين للكهرباء الانضغاطية ، فإن سعة التشوه الميكانيكي ستكون بحد أقصى. يمكن تحديد تردد الرنين للعينة من خلال الصيغة (V هي سرعة انتشار الموجات الميكانيكية ، h هي سماكة العينة):

إن أهم ما يميز المادة الكهروإجهادية هو معامل الاقتران الكهروميكانيكي ، والذي يشير إلى النسبة بين قوة الاهتزازات الميكانيكية Pa والقوة الكهربائية التي تنفقها Pe على الإثارة من خلال التأثير على العينة. عادة ما يأخذ هذا المعامل قيمة في النطاق من 0.01 إلى 0.3.

تتميز الكهرباء الانضغاطية ببنية بلورية لمادة ذات رابطة تساهمية أو أيونية بدون مركز تناظر. تتميز المواد ذات الموصلية المنخفضة ، حيث توجد ناقلات شحن مجانية ضئيلة ، بخصائص كهرضغطية عالية.تشمل الكهرباء الانضغاطية جميع المواد الفيروكهربائية ، بالإضافة إلى ثروة من المواد المعروفة ، بما في ذلك التعديل البلوري للكوارتز.

بلورة واحدة كهرضغطية

تشتمل هذه الفئة من الكهروإجهادية على المواد الكهروإجهادية الأيونية والكوارتز البلوري (بيتا-كوارتز SiO2).

بلورة واحدة من كوارتز بيتا لها شكل منشور سداسي مع هرمين على الجانبين. دعونا نلقي الضوء على بعض الاتجاهات البلورية هنا. يمر المحور Z عبر قمم الأهرامات وهو المحور البصري للبلورة. إذا تم قطع صفيحة من مثل هذه البلورة في اتجاه عمودي على المحور المحدد (Z) ، فلا يمكن تحقيق التأثير الكهروإجهادي.

ارسم محاور X عبر رؤوس الشكل السداسي ، فهناك ثلاثة محاور X. إذا قمت بقص الألواح بشكل متعامد مع محاور X ، فإننا نحصل على عينة ذات أفضل تأثير كهرضغطية. هذا هو سبب تسمية المحاور X بالمحاور الكهربائية في الكوارتز. جميع محاور Y الثلاثة المرسومة بشكل عمودي على جوانب بلورة الكوارتز هي محاور ميكانيكية.

ينتمي هذا النوع من الكوارتز إلى أجهزة كهرضغطية ضعيفة ، ويتراوح معامل اقترانها الكهروميكانيكي من 0.05 إلى 0.1.

يتمتع الكوارتز البلوري بأكبر قدر من التطبيقات نظرًا لقدرته على الحفاظ على الخصائص الكهرضغطية عند درجات حرارة تصل إلى 573 درجة مئوية.الرنانات الكهرضغطية الكوارتز ليست أكثر من لوحات متوازية مع أقطاب كهربائية متصلة بها. تتميز هذه العناصر بتردد رنين طبيعي واضح.

الليثيوم النيوبيت (LiNbO3) هو مادة كهرضغطية مستخدمة على نطاق واسع تتعلق بالكهرباء الفيروكهربائية الأيونية (جنبًا إلى جنب مع الليثيوم tantalate LiTaO3 و bismuth germanate Bi12GeO20).يتم تلدين المواد الفيروكهربائية الأيونية مسبقًا في مجال كهربائي قوي عند درجة حرارة أقل من نقطة كوري لإحضارها إلى حالة مجال واحد. هذه المواد لها معاملات أعلى من الاقتران الكهروميكانيكي (حتى 0.3).

كبريتيد الكادميوم CdS ، أكسيد الزنك ZnO ، كبريتيد الزنك ZnS ، سيلينيد الكادميوم CdSe ، زرنيخيد الغاليوم GaAs ، إلخ. إنها أمثلة لمركبات من نوع أشباه الموصلات ذات رابطة تساهمية أيونية. هذه هي ما يسمى بأشباه الموصلات بيزو.

على أساس هذه المواد الكهروضوئية ثنائية القطب ، يتم أيضًا الحصول على طرطرات إيثيلين ديامين C6H14N8O8 ، التورمالين ، بلورات مفردة من ملح روشيل ، كبريتات الليثيوم Li2SO4H2O - كهرضغطية.

الكهروضغطية متعدد البلورات

ينتمي السيراميك الكهروحراري إلى الكهروضغطية متعدد البلورات. من أجل نقل خصائص كهرضغطية إلى السيراميك الفيروكهربائي ، يجب استقطاب مثل هذه الخزفيات لمدة ساعة واحدة في مجال كهربائي قوي (بقوة 2 إلى 4 MV / m) عند درجة حرارة 100 إلى 150 درجة مئوية ، بحيث بعد هذا التعرض ، يبقى فيه الاستقطاب ، مما يجعل من الممكن الحصول على تأثير كهرضغطية. وهكذا ، تم الحصول على سيراميك كهرضغطية قوي مع معاملات اقتران كهرضغطية من 0.2 إلى 0.4.

عناصر كهرضغطية للشكل المطلوب مصنوعة من السيراميك البيزو من أجل الحصول على اهتزازات ميكانيكية من الطبيعة المطلوبة (طولية ، عرضية ، ثنية). يتم تصنيع الممثلين الرئيسيين للخزف الصناعي الصناعي على أساس تيتانات الباريوم والكالسيوم والرصاص وزركونات الرصاص والنيوبات الرصاصية.

الكهروضغطية البوليمرية

يتم شد أفلام البوليمر (مثل فلوريد البولي فينيلدين) بنسبة 100-400٪ ، ثم يتم استقطابها في مجال كهربائي ، ثم يتم تطبيق الأقطاب الكهربائية عن طريق المعدن. وهكذا ، يتم الحصول على العناصر الكهروإجهادية للفيلم مع معامل اقتران كهروميكانيكي بترتيب 0.16.

تطبيق الكهربائية الانضغاطية

يمكن العثور على عناصر كهرضغطية منفصلة ومترابطة في شكل أجهزة هندسة راديوية جاهزة - محولات طاقة كهرضغطية مع أقطاب كهربائية متصلة بها.

تُستخدم هذه الأجهزة المصنوعة من الكوارتز أو السيراميك الكهروضغطي أو الكهروضغطية الأيونية لتوليد الإشارات الكهربائية وتحويلها وتصفيتها. يتم قطع لوحة موازية للطائرة من بلورة كوارتز ، ويتم توصيل الأقطاب الكهربائية - يتم الحصول على مرنان.

يعتمد التردد وعامل Q للرنان على زاوية المحاور البلورية التي يتم عندها قطع الصفيحة. نموذجياً ، في مدى الترددات الراديوية حتى 50 ميجاهرتز ، يصل عامل Q لهذه الرنانات إلى 100000. بالإضافة إلى ذلك ، تُستخدم محولات الطاقة الكهرضغطية على نطاق واسع كمحولات كهرضغطية ذات مقاومة عالية للمدخلات ، لنطاق تردد عريض عادةً.

من حيث عامل الجودة والتردد ، يتفوق الكوارتز على الأيونات الكهرضغطية ، القادرة على العمل بترددات تصل إلى 1 جيجاهرتز. تُستخدم أنحف صفائح الليثيوم tantalate كبواعث ومستقبلات للاهتزازات فوق الصوتية بتردد يتراوح من 0.02 إلى 1 جيجاهرتز ، في الرنانات والمرشحات وخطوط تأخير الموجات الصوتية السطحية.

يتم استخدام الأغشية الرقيقة من أشباه الموصلات الكهرضغطية المترسبة على ركائز عازلة للكهرباء في محولات الطاقة بين الأصابع (تستخدم هنا أقطاب كهربائية متغيرة لإثارة الموجات الصوتية السطحية).

يتم تصنيع محولات الطاقة الكهروإجهادية منخفضة التردد على أساس الكهرباء الحديدية ثنائية القطب: الميكروفونات المصغرة ، مكبرات الصوت ، التقاطات ، مستشعرات الضغط ، التشوه ، الاهتزاز ، التسارع ، بواعث الموجات فوق الصوتية.