پیزو الکتریک

پیزو الکتریک در واقع به دسته ای از مواد گفته می شود که در اثر حرکت مکانیکی از خود الکتریسیته تولید کرده و بلعکس در اثر تحریک الکتریکی از خود حرکت مکانیکی ایجاد می کنند. خاصیت پیزوالکتریسیته به گروهی از مواد تعلق دارد که در سال ۱۸۸۰ به وسیله پیروژاکوپ کوری در طی مطالعات آنها بر روی آثار فشار بر روی تولید بار الکتریکی در کریستال های کوارتز، کهربا و نمک راچل (Rochelle salt)، کشف شد. در سال ۱۸۸۱ واژه ی Piezoelectricity توسط w.Hankel برای اولین بار برای نامگذاری این اثرات پیشنهاد شد. البته اثر معکوس این خاصیت توسط Lipmann از قوانین ترمودینامیک استنباط شد. در سه دهه ی بعد، همکاری های فراوانی در انجمن های علمی اروپا در زمینه ی پیزو الکتریسیته انجام شد واژه ی میدان پیزو الکتریسیته بوسیله آنها استفاده شد. البته کارهای انجام شده بر روی رابطه ی میان الکترومکانیکی مختلط با کریستال های پیزوالکتریک در سال ۱۹۱۰ انجام شد و اطلاعات آن به صورت یک مرجع استاندارد است.

به هرحال پیچیدگی علم مربوط به مواد پیزوالکتریک باعث شد که کاربردهای این مواد تا چند سال قبل رشد پیدا نکند. لانگوین ات آل در طی جنگ جهانی اول مبدل التراسونیک پیزو الکتریکی ساخت. موفقیت او باعث ایجاد موقعیت های استفاده از مواد پیزوالکتریک در کاربردهای زیر آبی شد. در سال ۱۹۳۵، Scherrer , Busch خاصیت پیزوالکتریک پتاسیم دی هیدروژن فسفات (KDP) را کشف کردند. خانواده ی پیزوالکتریک های پتاسیم دی هیدروژن فسفات اولین خانواده ی عمده از مواد پیزوالکتریک و فرو الکتریک بود که کشف شده بود. در طی جنگ جهانی دوم، تحقیقات در زمینه ی مواد پیزوالکتریک بوسیله ی آمریکا، شوروی سابق و ژاپن بسط داده شد. محدودیت های ساخت این مواد از تجاری شدن آنها جلوگیری می کرد اما این مسأله نیز پس از کشف باریم تیتانات و سرب زیرکونا تیتانات (PZT) در دهه های ۱۹۴۰، ۱۹۵۰ برطرف شد. این خانواده از مواد خاصیت دی الکتریک و پیزوالکتریک بسیار خوبی داشتند علاوه بر این خانواده قابلیت مناسب شدن و استفاده در کاربردهای خاص را بواسطه ی دپ کردن آنها با عناصر دیگر، دارند. تا این تاریخ، PZT یکی از مواد پیزوالکتریک پر کاربرد است. این نکته قابل توجه است که بیشترین سرامیک های پیزوالکتریک تجاری در دسترس (مانند باریم تیتانات و PZT) ساختاری شبیه به ساختار پرسکیت (Perovskite) با فرمول CaTiO3 دارند.به دلیل انحصار تگنولوژی کریستال هایی که در صنعت ساخت هد استفاده میشود بسیار پیچیده بوده و تنها چند کشور قادر به ساخت این محصولات می باشند که از بزرگترین تولید کنندگان ژاپن و آمریکا و انگلستان می یاشند.

مقدمه

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 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.

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.

 

وابستگی مواد پیزوالکتریک به دما

موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند اثرات 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 دو قطبی دائمی ممکن است حداقل دو جهت داشته باشد واکنشهای داخلی با ترکیب این جهت گیری متفاوت ممکن است به حداقل برسد. معمولا حوزه‌هایی (ناحیه‌هایی که در آنها تمام دو قطبیها در جهت خاصی سمتگیری می‌کنند) با جهت گیریهای دو قطبی متفاوت تشکیل خواهند شد. 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 را نقطه کوری می‌نامند، 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 از مواد ، از جمله تک بلورها ، سرامیکها ، بسپارها و مواد مرکب دیده می‌شود. کوارتز یکی از متداولترین مواد پیزو الکتریک تک بلور است و پایداری دمایی بسیار خوبی دارد. ثابت پیزو الکتریک آن d = 2.3X10-12 و ثابت جفت شدگی آن k = 0 , 1 است. سال 1958 ، شاهد ظهور فرآیندی صنعتی برای ساختن بلورهای کوارتز بود. در موادی که تک بلور هستند، 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 ایجاد شده 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 همسو شوند.