पीझोइलेक्ट्रिक्स, पीझोइलेक्ट्रिक्सिटी - इंद्रियगोचर, प्रकार, गुणधर्म आणि अनुप्रयोगांचे भौतिकशास्त्र

पायझोइलेक्ट्रिक्स डायलेक्ट्रिक्स हायलाइट केले आहेत पायझोइलेक्ट्रिक प्रभाव.

1880-1881 मध्ये प्रसिद्ध फ्रेंच भौतिकशास्त्रज्ञ पियरे आणि पॉल-जॅक क्यूरी यांनी पीझोइलेक्ट्रिकिटीची घटना शोधली आणि अभ्यासली.

40 वर्षांहून अधिक काळ, पीझोइलेक्ट्रिकिटीला व्यावहारिक अनुप्रयोग सापडला नाही, भौतिकशास्त्र प्रयोगशाळांची मालमत्ता शिल्लक आहे. पहिल्या महायुद्धाच्या वेळीच फ्रेंच शास्त्रज्ञ पॉल लॅन्गेव्हिन यांनी पाण्याखालील स्थान ("ध्वनी") च्या उद्देशाने क्वार्ट्ज प्लेटमधून पाण्यात अल्ट्रासोनिक कंपन निर्माण करण्यासाठी या घटनेचा वापर केला.

त्यानंतर, अनेक भौतिकशास्त्रज्ञांना क्वार्ट्ज आणि इतर काही क्रिस्टल्सच्या पिझोइलेक्ट्रिक गुणधर्मांचा आणि त्यांच्या व्यावहारिक उपयोगांच्या अभ्यासात रस निर्माण झाला. त्यांच्या अनेक कामांमध्ये अनेक अतिशय महत्त्वाचे अर्ज होते.

उदाहरणार्थ, 1915 मध्ये एस.बटरवर्थने दाखवून दिले की एक-आयामी यांत्रिक प्रणाली म्हणून क्वार्ट्ज प्लेट, जी विद्युत क्षेत्र आणि विद्युत शुल्क यांच्यातील परस्परसंवादामुळे उत्तेजित होते, समतुल्य विद्युत सर्किट म्हणून कॅपेसिटन्स, इंडक्टन्स आणि रेझिस्टर जोडलेले असते.

ऑसिलेटर सर्किट म्हणून क्वार्ट्ज प्लेटची ओळख करून देत, बटरवर्थ हे क्वार्ट्ज रेझोनेटरसाठी समतुल्य सर्किट प्रस्तावित करणारे पहिले होते, जे त्यानंतरच्या सर्व सैद्धांतिक कार्याचा आधार आहे. क्वार्ट्ज रेझोनेटर्स पासून.

पायझोइलेक्ट्रिक प्रभाव थेट आणि व्यस्त आहे. डायइलेक्ट्रिकच्या विद्युत ध्रुवीकरणाद्वारे डायरेक्ट पीझोइलेक्ट्रिक प्रभाव दर्शविला जातो, जो त्यावर बाह्य यांत्रिक ताणाच्या क्रियेमुळे उद्भवतो, तर डायलेक्ट्रिकच्या पृष्ठभागावर प्रवृत्त केलेले शुल्क लागू यांत्रिक तणावाच्या प्रमाणात असते:

रिव्हर्स पीझोइलेक्ट्रिक इफेक्टसह, घटना उलट्या दिशेने प्रकट होते - डायलेक्ट्रिक बाह्य विद्युत क्षेत्राच्या कृती अंतर्गत त्याचे परिमाण बदलते, तर यांत्रिक विकृती (सापेक्ष विकृती) चे प्रमाण शक्तीच्या प्रमाणात असेल. नमुन्यावर विद्युत क्षेत्र लागू केले:

दोन्ही प्रकरणांमध्ये आनुपातिकता घटक म्हणजे पायझोमोड्युलस डी. त्याच पायझोइलेक्ट्रिकसाठी, डायरेक्ट (डीपीआर) आणि रिव्हर्स (ड्रेव्ह) पायझोइलेक्ट्रिक इफेक्टसाठी पायझोमोडुली एकमेकांशी समान आहेत. अशा प्रकारे, पायझोइलेक्ट्रिक्स हे एक प्रकारचे उलट करण्यायोग्य इलेक्ट्रोमेकॅनिकल ट्रान्सड्यूसर आहेत.

अनुदैर्ध्य आणि ट्रान्सव्हर्स पायझोइलेक्ट्रिक प्रभाव

पिझोइलेक्ट्रिक प्रभाव, नमुन्याच्या प्रकारावर अवलंबून, अनुदैर्ध्य किंवा आडवा असू शकतो.अनुदैर्ध्य पायझोइलेक्ट्रिक प्रभावाच्या बाबतीत, बाह्य विद्युत क्षेत्राच्या प्रतिसादात ताण किंवा ताणाच्या प्रतिसादातील शुल्क प्रारंभिक क्रियेच्या दिशेने तयार केले जातात. ट्रान्सव्हर्स पायझोइलेक्ट्रिक प्रभावासह, शुल्कांचे स्वरूप किंवा विकृतीची दिशा त्यांना कारणीभूत असलेल्या प्रभावाच्या दिशेने लंब असेल.

जर पर्यायी विद्युत क्षेत्र पायझोइलेक्ट्रिकवर कार्य करू लागले, तर त्याच वारंवारतेसह एक पर्यायी विकृती त्यात दिसून येईल. जर पायझोइलेक्ट्रिक प्रभाव रेखांशाचा असेल, तर विकृतींमध्ये लागू केलेल्या विद्युत क्षेत्राच्या दिशेने कॉम्प्रेशन आणि तणावाचे वैशिष्ट्य असेल आणि जर ते आडवा असेल, तर ट्रान्सव्हर्स लाटा दिसून येतील.

जर लागू केलेल्या वैकल्पिक विद्युत क्षेत्राची वारंवारता पीझोइलेक्ट्रिकच्या अनुनाद वारंवारतेच्या बरोबरीची असेल, तर यांत्रिक विकृतीचे मोठेपणा जास्तीत जास्त असेल. नमुन्याची अनुनाद वारंवारता सूत्राद्वारे निर्धारित केली जाऊ शकते (V हा यांत्रिक लहरींच्या प्रसाराचा वेग आहे, h ही नमुन्याची जाडी आहे):

पायझोइलेक्ट्रिक मटेरियलचे सर्वात महत्त्वाचे वैशिष्ट्य म्हणजे इलेक्ट्रोमेकॅनिकल कपलिंग गुणांक, जे यांत्रिक कंपनांचे बल Pa आणि विद्युत शक्ती Pe यांच्यातील गुणोत्तर दर्शवते जे नमुन्यावरील प्रभावाने त्यांच्या उत्तेजनावर खर्च करते. हे गुणांक सहसा 0.01 ते 0.3 च्या श्रेणीतील मूल्य घेते.

पिझोइलेक्ट्रिक्स हे सममितीच्या केंद्राशिवाय सहसंयोजक किंवा आयनिक बंध असलेल्या सामग्रीच्या क्रिस्टल रचनेद्वारे वैशिष्ट्यीकृत आहेत. कमी चालकता असलेली सामग्री, ज्यामध्ये नगण्य मुक्त शुल्क वाहक आहेत, उच्च पीझोइलेक्ट्रिक वैशिष्ट्यांद्वारे ओळखले जातात.पिझोइलेक्ट्रिक्समध्ये सर्व फेरोइलेक्ट्रिक्स, तसेच क्वार्ट्जच्या स्फटिकीय बदलासह ज्ञात साहित्याचा समावेश होतो.

सिंगल क्रिस्टल पायझोइलेक्ट्रिक्स

पायझोइलेक्ट्रिक्सच्या या वर्गामध्ये आयनिक फेरोइलेक्ट्रिक्स आणि क्रिस्टलीय क्वार्ट्ज (बीटा-क्वार्ट्ज SiO2) समाविष्ट आहेत.

बीटा क्वार्ट्जच्या एका क्रिस्टलला षटकोनी प्रिझमचा आकार असतो ज्याच्या बाजूला दोन पिरॅमिड असतात. चला येथे काही क्रिस्टलोग्राफिक दिशानिर्देश हायलाइट करूया. Z अक्ष पिरॅमिडच्या शिखरांमधून जातो आणि क्रिस्टलचा ऑप्टिकल अक्ष आहे. जर अशा स्फटिकापासून प्लेट दिलेल्या अक्षाच्या (Z) लंब दिशेने कापली असेल, तर पायझोइलेक्ट्रिक प्रभाव प्राप्त होऊ शकत नाही.

षटकोनीच्या शिरोबिंदूंमधून X अक्ष काढा, असे तीन X अक्ष आहेत. जर तुम्ही X अक्षांना लंब असलेल्या प्लेट्स कापल्या, तर आम्हाला सर्वोत्तम पायझोइलेक्ट्रिक प्रभावाचा नमुना मिळेल. म्हणूनच क्वार्ट्जमधील एक्स-अक्षांना विद्युत अक्ष म्हणतात. क्वार्ट्ज क्रिस्टलच्या बाजूंना लंब काढलेले तीनही Y अक्ष यांत्रिक अक्ष आहेत.

या प्रकारचे क्वार्ट्ज कमकुवत पीझोइलेक्ट्रिक्सचे आहे, त्याचे इलेक्ट्रोमेकॅनिकल कपलिंग गुणांक 0.05 ते 0.1 च्या श्रेणीत आहे.

573 °C पर्यंत तापमानात पायझोइलेक्ट्रिक गुणधर्म राखण्याच्या क्षमतेमुळे क्रिस्टलीय क्वार्ट्जला सर्वात जास्त लागू होते. क्वार्ट्ज पायझोइलेक्ट्रिक रेझोनेटर हे इलेक्ट्रोड्ससह समांतर प्लेट्सपेक्षा अधिक काही नसतात. अशा घटकांना स्पष्टपणे नैसर्गिक अनुनाद वारंवारता द्वारे ओळखले जाते.

लिथियम niobite (LiNbO3) आयन फेरोइलेक्ट्रिक्स (लिथियम टँटालेट LiTaO3 आणि बिस्मथ जर्मेनेट Bi12GeO20 सोबत) संबंधित मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाणारे पीझोइलेक्ट्रिक सामग्री आहे.आयोनिक फेरोइलेक्ट्रिक्स एकल-डोमेन स्थितीत आणण्यासाठी क्युरी पॉइंटच्या खाली असलेल्या तापमानात मजबूत विद्युत क्षेत्रामध्ये पूर्व-अ‍ॅनिल केलेले असतात. अशा सामग्रीमध्ये इलेक्ट्रोमेकॅनिकल कपलिंगचे उच्च गुणांक असतात (0.3 पर्यंत).

कॅडमियम सल्फाइड CdS, झिंक ऑक्साइड ZnO, झिंक सल्फाइड ZnS, कॅडमियम सेलेनाइड CdSe, गॅलियम आर्सेनाइड GaAs, इ. ते आयनिक-सहसंयोजक बंध असलेल्या अर्धसंवाहक-प्रकार संयुगेची उदाहरणे आहेत. हे तथाकथित पायझो सेमीकंडक्टर आहेत.

या द्विध्रुवीय फेरोइलेक्ट्रिक्सच्या आधारे, इथिलेनेडायमिन टार्ट्रेट C6H14N8O8, टूमलाइन, रॉकेल मीठाचे सिंगल क्रिस्टल्स, लिथियम सल्फेट Li2SO4H2O — पायझोइलेक्ट्रिक्स देखील मिळतात.

पॉलीक्रिस्टलाइन पायझोइलेक्ट्रिक्स

फेरोइलेक्ट्रिक सिरॅमिक्स पॉलीक्रिस्टलाइन पायझोइलेक्ट्रिक्सशी संबंधित आहेत. फेरोइलेक्ट्रिक सिरॅमिक्सला पायझोइलेक्ट्रिक गुणधर्म देण्यासाठी, अशा सिरेमिकचे 100 ते 150 ° से तापमानात मजबूत विद्युत क्षेत्रात (2 ते 4 MV/m शक्तीसह) एक तास ध्रुवीकरण करणे आवश्यक आहे, जेणेकरून या प्रदर्शनानंतर , ध्रुवीकरण त्यामध्ये राहते, ज्यामुळे पायझोइलेक्ट्रिक प्रभाव प्राप्त करणे शक्य होते. अशा प्रकारे, 0.2 ते 0.4 च्या पायझोइलेक्ट्रिक कपलिंग गुणांकांसह मजबूत पायझोइलेक्ट्रिक सिरॅमिक्स प्राप्त केले जातात.

आवश्यक आकाराचे पीझोइलेक्ट्रिक घटक पिझोसेरामिक्सपासून बनविलेले असतात जेणेकरुन आवश्यक निसर्गाचे यांत्रिक कंपन (अनुदैर्ध्य, आडवा, वाकणे) प्राप्त केले जावे. बेरियम टायटॅनेट, कॅल्शियम, शिसे, लीड झिरकोनेट-टायटेनेट आणि बेरियम लीड निओबेटच्या आधारे औद्योगिक पायझोसेरामिक्सचे मुख्य प्रतिनिधी बनवले जातात.

पॉलिमर पायझोइलेक्ट्रिक्स

पॉलिमर फिल्म्स (उदा. पॉलीव्हिनाईलिडीन फ्लोराइड) 100-400% ने ताणल्या जातात, नंतर विद्युत क्षेत्रात ध्रुवीकरण केले जातात आणि नंतर मेटलायझेशनद्वारे इलेक्ट्रोड लागू केले जातात. अशा प्रकारे, 0.16 च्या क्रमाने इलेक्ट्रोमेकॅनिकल कपलिंग गुणांक असलेले फिल्म पायझोइलेक्ट्रिक घटक प्राप्त होतात.

पायझोइलेक्ट्रिक्सचा वापर

विभक्त आणि परस्पर जोडलेले पीझोइलेक्ट्रिक घटक रेडीमेड रेडिओ अभियांत्रिकी उपकरणांच्या स्वरूपात आढळू शकतात - त्यांच्याशी जोडलेले इलेक्ट्रोड असलेले पायझोइलेक्ट्रिक ट्रान्सड्यूसर.

क्वार्ट्ज, पायझोइलेक्ट्रिक सिरॅमिक्स किंवा आयनिक पायझोइलेक्ट्रिक्सपासून बनवलेली अशी उपकरणे इलेक्ट्रिकल सिग्नल तयार करण्यासाठी, परिवर्तन करण्यासाठी आणि फिल्टर करण्यासाठी वापरली जातात. एक प्लेन-समांतर प्लेट क्वार्ट्ज क्रिस्टलमधून कापली जाते, इलेक्ट्रोड जोडलेले असतात - एक रेझोनेटर प्राप्त होतो.

रेझोनेटरची वारंवारता आणि क्यू-फॅक्टर क्रिस्टलोग्राफिक अक्षांच्या कोनावर अवलंबून असतात ज्यावर प्लेट कापली जाते. सामान्यतः, 50 मेगाहर्ट्झ पर्यंतच्या रेडिओ फ्रिक्वेन्सी रेंजमध्ये, अशा रेझोनेटर्सचा क्यू फॅक्टर 100,000 पर्यंत पोहोचतो. या व्यतिरिक्त, पिझोइलेक्ट्रिक ट्रान्सड्यूसरचा वापर मोठ्या प्रमाणात पिझोइलेक्ट्रिक ट्रान्सफॉर्मर म्हणून उच्च इनपुट प्रतिबाधासह, सामान्यत: विस्तृत वारंवारता श्रेणीसाठी केला जातो.

गुणवत्ता घटक आणि वारंवारतेच्या बाबतीत, क्वार्ट्ज आयन पीझोइलेक्ट्रिक्सपेक्षा जास्त कामगिरी करते, 1 GHz पर्यंत फ्रिक्वेन्सीवर कार्य करण्यास सक्षम आहे. सर्वात पातळ लिथियम टँटालेट प्लेट्सचा वापर 0.02 ते 1 GHz च्या वारंवारतेसह अल्ट्रासोनिक कंपनांचे उत्सर्जक आणि रिसीव्हर म्हणून, रेझोनेटर्स, फिल्टर्स, पृष्ठभागाच्या ध्वनिक लहरींच्या विलंब रेषांमध्ये केला जातो.

डायलेक्ट्रिक सब्सट्रेट्सवर जमा केलेल्या पायझोइलेक्ट्रिक सेमीकंडक्टरच्या पातळ फिल्म्स इंटरडिजिटल ट्रान्सड्यूसरमध्ये वापरल्या जातात (येथे व्हेरिएबल इलेक्ट्रोड्सचा वापर पृष्ठभागाच्या ध्वनिक लहरींना उत्तेजित करण्यासाठी केला जातो).

लो-फ्रिक्वेंसी पायझोइलेक्ट्रिक ट्रान्सड्यूसर द्विध्रुवीय फेरोइलेक्ट्रिक्सच्या आधारावर बनवले जातात: लघु मायक्रोफोन, लाउडस्पीकर, पिकअप, दाब, विकृती, कंपन, प्रवेग, अल्ट्रासोनिक उत्सर्जकांसाठी सेन्सर.