Zjawisko piezoelektryczne zostało odkryte przez francuskich fizyków - braci Piotra i Jacques'a Curie w 1880 roku. Samo słowo piezoelektryczność oznacza "elektryczność pochodzącą ze ściskania", a pochodzi z greckich słów πιέζειν (z gr. ściskać) oraz ήλεκτρον (z gr. bursztyn, który w starożytności był źródłem ładunku elektrycznego; oczywiście w antycznej Grecji elektryzowanie bursztynu traktowano jako zjawisko magiczne, nie fizyczne).
Struktura materiału
Efekt piezoelektryczny występuje w praktycznie wszystkich materiałach krystalicznych o niecentrosymetrycznej budowie kryształu. W naturze takimi właściwościami charakteryzują się np. krzem, jednak najczęściej spotyka i stosuje się materiały piezoelektryczne wytworzone sztucznie – rzadziej w postaci kryształu (np. sól Seignette'a), częściej w postaci spolaryzowanej ceramiki piezoelektrycznej o strukturze polikryształu. Ową przewagę w zastosowaniach ceramika zawdzięcza głównie łatwości w formowaniu elementów w dowolne kształty i rozmiary. Najczęściej stosowanymi materiałami ceramicznymi do produkcji elementów piezoelektrycznych są cyrkoniano-tytanian ołowiu (PZT), tytanian baru i tytanian ołowiu.
Ceramiczny materiał piezoelektryczny składa się z małych, losowo spolaryzowanych ziaren. Z tej losowości wynika zerowa wypadkowa polaryzacja całej próbki materiału, co z kolei świadczy o braku właściwości piezoelektrycznych detalu. Dopiero wprowadzenie próbki w stałe pole elektryczne o dużym natężeniu powoduje stałą polaryzację wszystkich ziaren materiału w jednakowym kierunku, zgodnym z kierunkiem pola elektrycznego.
rys. polaryzowanie materiału piezoelektrycznego
Podstawowym elementem budulcowym ceramik piezoelektrycznych są kryształy o strukturze perowskitowej, które są podatne na wtrącenia różnych pierwiastków chemicznych. Dlatego dodając nawet niewielkie ilości domieszek możliwe jest pozyskiwanie wręcz „nieograniczonej” liczby rodzajów kryształów o szerokim wachlarzu właściwości.
rys. struktura perowskitowa kryształu
Podstawy zjawiska
Zjawisko piezoelektryczne zależy od kierunków względnych, które ustala się na podstawie kierunku polaryzacji piezoelementu. Osią referencyjną, o numerze 3, jest oś równoległa do kierunku polaryzacji. Kierunki osi 1 oraz 2 definiowane są według obowiązujących zasad prawostkrętności. Osie 4, 5 oraz 6 oznaczają osie obrotu kolejno wokół osi układu współrzędnego.
rys. konfiguracja kierunków w krysztale piezoelektrycznym
Bazując na ustalonych kierunkach i orientacji elementu piezoelektrycznego określa się jego właściwości, które zależą od kierunku, w którym są mierzone (ceramika piezoelektryczna jest materiałem anizotropowym). Najważniejszymi parametrami opisującymi kompleksowo konkretny materiał czy piezoelement są macierze d (macierz 3x6 opisująca czułość piezoelektryczną) oraz sE (macierz 6x6 podatności elastycznej).
Te macierze wykorzystywane są do określenia zależności odkształcenia S (tensor 6-elementowy) od naprężenia T (tensor 6-elementowy) oraz pola elektrycznego E (vektor 3-elementowy):
S = sE.T +d.E
W powyższym równaniu człon sE.T opisuje podatność mechaniczną elementu, natomiast d.E mówi o samym zjawisku piezoelektrycznym, czyli zniekształceniu piezoelementu zależnym od natężenia pola elektrycznego.
Zjawisko piezoelektryczne
Elementy piezoelektryczne podlegają zjawisku dwukierunkowemu. Obciążając element mechanicznie wzdłuż osi polaryzacji można zaobserwować zjawisko piezoelektryczne proste – na elektrodach piezoelektryka pojawi się ładunek/napięcie. Z kolei przyłożenia napięcia na elektrody spowoduje zniekształcenie mechaniczne piezoelektryka, a w przypadku wstępnego obciążenia elementu – zadziałanie siłą (zjawisko piezoelektryczne odwrotne).
rys. zjawisko piezoelektryczne
Najważniejsze pojęcia
Siła blokująca (Fb; ang. blocking force) i udar swobodny (ΔL; ang. free stroke) są najczęściej stosowanymi wielkościami fizycznymi opisującymi piezoelektryk, na podstawie których można dopasować odpowiedni element do danej aplikacji. Wartości te ustala się po doprowadzeniu maksymalnego napięcia pracy danego piezoelementu:
udar swobodny to maksymalne zniekształcenie mechaniczne (rozciągnięcie lub ściśnięcie) piezoelementu przy danym napięciu bez żadnego mechanicznego obciążenia,
siła blokująca to siła wymagana do przywrócenia pierwotnego kształtu (bez zniekształcenia) piezoelektryka pod maksymalnym napięciem pracy.
W praktyce piezoelektryk pracuje w obszarze określonym przez charakterystykę udar-siła dla zastosowanego napięcia pracy, danego materiału i wymiarów piezoelementu. Maksymalne wykorzystanie elementu (wykonanie maksymalnej pracy) ma miejsce dla połowy wartości siły blokującej i przemieszczenia równego połowie udaru swobodnego.
rys. pole pracy elementu piezoelektrycznego
Współczynnik sprzężenia (k; ang. coupling factor) to bezwymiarowy parametr określający stosunek energii zmagazynowanej w formie deformacji mechanicznej do energii elektrycznej potrzebnej do takiej deformacji.
Temperatura Curie (TC; ang. Curie temperature) to temperatura, w której następuje całkowita i trwała depolaryzacja materiału piezoelektrycznego. Im temperatura pracy piezoelementu jest wyższa i bliższa punktu Curie, tym łatwiej następuje ów proces, dlatego w niektórych zastosowaniach zaleca się zapewnić odpowiednie chłodzenie piezoelementu.
Czułość (d; ang. sensitivity) piezoelektryka to stosunek przemieszczenia (wydłużenia względnego) do natężenia pola elektrycznego.
Miękki i twardy materiał piezoelektryczny (ang. soft/hard ceramics): Polaryzacji ceramiki piezoelektrycznej dokonuje się powyżej temperatury Curie, kiedy to dipole materiału są „mobilne” (ukierunkowane są losowo, jednak możliwa jest ich orientacja). Wprowadzenie rozgrzanego materiału w silne pole elektryczne powoduje ułożenie dipoli wzdłuż linii działającego pola i takie ukierunkowanie jest utrzymane dopóki, dopóty utrzymywane jest pole elektryczne. Jeśli przed usunięciem pola elektrycznego ceramika zostanie ochłodzona poniżej temperatury Curie, jednorodne ukierunkowanie dipoli zostanie utrzymane jedynie z niewielkimi odchyleniami, dzięki czemu materiał będzie wykazywał właściwości piezoelektryczne.
Podziału materiałów piezoelektrycznych na „twarde” i „miękkie” dokonuje się na podstawie wytrzymałości na duże wymuszenia (zarówno elektryczne, jak i mechaniczne), co przekłada się bezpośrednio na łatwość w polaryzacji i depolaryzacji. Twarde piezoelektryki do spolaryzowania wymagają pola elektrycznego o stosunkowo większym natężeniu niż ceramiki miękkie, charakteryzują się one niższą czułością d, jednak zdecydowanie lepiej nadają się do zastosowań dynamicznych (np. w silnikach piezoelektrycznych), gdyż w pracy ciągłej, przy wyższych częstotliwościach i większych obciążeniach, wykazują mniejsze straty cieplne. Piezoelektryki miękkie, charakteryzujące się wyższym współczynnikiem d, w porównaniu do twardych, przy jednakowym wymuszeniu elektrycznym generują większe przemieszczenie.
Wydłużenie względne (ang. strain) to stosunek wydłużenia/skrócenia do wymiaru elementu piezoelektrycznego bez obciążenia.
Histereza (ang. histeresis): Wszystkie materiały piezoelektryczne pracują wzdłuż linii histerezy mechanicznej. Dzieje się tak, ponieważ krzywa wydłużenia względnego podczas ładowania nie pokrywa się z krzywą podczas rozładowywania elementu (dla pozytywnych wartości pola elektrycznego, jak na ryzunku poniżej). Wartość histerezy określana jest jako procentowy stosunek maksymalnej odległości między krzywą ładowania a krzywą rozładowania do maksymalnego wydłużenia względnego; dla materiałów piezoelektrycznych histereza może wynosić od ok. 5% do nawet 20%. Im większą powierzchnię zakreślają krzywe ładowania-rozładowania, tym większe straty cieplne występują podczas przeładowania elementu piezoelektrycznego.
rys. pętla histerezy elementu piezoelektrycznego dla pozytywnych wartości natężenia pola elektrycznego
Kompletna pętla histerezy – dla pełnego zakresu natężeń pola elektrycznego oraz wydłużenia względnego – przedstawiona jest na poniższym rysunku:
rys. pełna pętla histerezy elementu piezoelektrycznego
Stos piezoelektryczny (ang. stack) – w przypadku, gdy parametry pracy i możliwości pojedynczego elementu piezoelektrycznego nie spełniają wymagań aplikacyjnych istnieje możliwość zestawienia i sklejenia kilku do kilkunastu piezoelementów w jeden stos. W aplikacjach, gdzie stos ma działać jako aktuator, piezoelementy łączy się równolegle, aby uzyskać zwielokrotnione przemieszczenie. Zastosowanie stosu jako czujnika nie jest praktykowane, jednak wykorzystuje się stosy w procesie odzyskiwania energii (ang. energy harvesting). W tym przypadku możliwe są dwa połączenia piezoelementów o różnych parametrach wyjściowych, które można dopasować do wymagań aplikacji: szeregowe (mniejszy ładunek, wyższe napięcie) lub równoległe (większy ładunek, niższe napięcie). Obydwie konfiguracje dostarczają jednakową ilość energii według wzoru:
E = 1/2 · Q · U = 1/2 · C · U2
gdzie:
E – energia w [J]
Q – ładunek wygenerowany przez stos w [F]
U – wygenerowany potencjał między elektrodami stosu w [V]
C – pojemność stosu w [C]
rys. stos piezoelektryczny
EC Electronics - elektronika, automatyka, badania nieniszczące i SHM
e-mail: ndt@ecel.pl
Czytaj dalej...
