పైజోఎలెక్ట్రిక్స్, పైజోఎలెక్ట్రిసిటీ - దృగ్విషయం యొక్క భౌతికశాస్త్రం, రకాలు, లక్షణాలు మరియు అప్లికేషన్లు

పైజోఎలెక్ట్రిక్స్ విద్యుద్వాహకాలు హైలైట్ చేయబడ్డాయి పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావం.

పియజోఎలెక్ట్రిసిటీ యొక్క దృగ్విషయం 1880-1881లో ప్రసిద్ధ ఫ్రెంచ్ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు పియరీ మరియు పాల్-జాక్వెస్ క్యూరీచే కనుగొనబడింది మరియు అధ్యయనం చేయబడింది.

40 సంవత్సరాలకు పైగా, పైజోఎలెక్ట్రిసిటీ ఆచరణాత్మక అనువర్తనాన్ని కనుగొనలేదు, భౌతిక ప్రయోగశాలల ఆస్తిగా మిగిలిపోయింది. మొదటి ప్రపంచ యుద్ధం సమయంలో మాత్రమే ఫ్రెంచ్ శాస్త్రవేత్త పాల్ లాంగెవిన్ నీటి అడుగున ప్రదేశం ("సౌండర్") కోసం క్వార్ట్జ్ ప్లేట్ నుండి నీటిలో అల్ట్రాసోనిక్ వైబ్రేషన్‌లను రూపొందించడానికి ఈ దృగ్విషయాన్ని ఉపయోగించాడు.

ఆ తరువాత, అనేకమంది భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు క్వార్ట్జ్ మరియు కొన్ని ఇతర స్ఫటికాల యొక్క పైజోఎలెక్ట్రిక్ లక్షణాలు మరియు వాటి ఆచరణాత్మక అనువర్తనాలను అధ్యయనం చేయడంలో ఆసక్తి కనబరిచారు. వారి అనేక రచనలలో చాలా ముఖ్యమైన అప్లికేషన్లు ఉన్నాయి.

ఉదాహరణకు, 1915లో ఎస్.ఎలక్ట్రిక్ ఫీల్డ్ మరియు ఎలెక్ట్రిక్ ఛార్జీల మధ్య పరస్పర చర్య కారణంగా ఉత్తేజితమయ్యే క్వార్ట్జ్ ప్లేట్ ఒక డైమెన్షనల్ మెకానికల్ సిస్టమ్‌గా, సిరీస్‌లో కనెక్ట్ చేయబడిన కెపాసిటెన్స్, ఇండక్టెన్స్ మరియు రెసిస్టర్‌తో సమానమైన ఎలక్ట్రిక్ సర్క్యూట్‌గా సూచించబడుతుందని బటర్‌వర్త్ చూపించాడు.

క్వార్ట్జ్ ప్లేట్‌ను ఓసిలేటర్ సర్క్యూట్‌గా పరిచయం చేస్తూ, క్వార్ట్జ్ రెసొనేటర్‌కు సమానమైన సర్క్యూట్‌ను ప్రతిపాదించిన మొదటి వ్యక్తి బటర్‌వర్త్, ఇది అన్ని తదుపరి సైద్ధాంతిక పనికి ఆధారం. క్వార్ట్జ్ రెసొనేటర్ల నుండి.

పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావం ప్రత్యక్షంగా మరియు విలోమంగా ఉంటుంది. ప్రత్యక్ష పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావం విద్యుద్వాహకము యొక్క విద్యుత్ ధ్రువణత ద్వారా వర్గీకరించబడుతుంది, ఇది బాహ్య యాంత్రిక ఒత్తిడి చర్య కారణంగా సంభవిస్తుంది, అయితే విద్యుద్వాహకము యొక్క ఉపరితలంపై ప్రేరేపించబడిన ఛార్జ్ అనువర్తిత యాంత్రిక ఒత్తిడికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది:

రివర్స్ పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావంతో, దృగ్విషయం మరొక విధంగా వ్యక్తమవుతుంది - విద్యుద్వాహకము దానికి వర్తించే బాహ్య విద్యుత్ క్షేత్రం యొక్క చర్యలో దాని కొలతలు మారుస్తుంది, అయితే యాంత్రిక వైకల్యం యొక్క పరిమాణం (సాపేక్ష వైకల్యం) బలానికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది. నమూనాకు వర్తించే విద్యుత్ క్షేత్రం:

రెండు సందర్భాల్లోనూ అనుపాత కారకం పైజోమోడ్యులస్ డి. అదే పైజోఎలెక్ట్రిక్ కోసం, డైరెక్ట్ (dpr) మరియు రివర్స్ (drev) పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావం కోసం పైజోమోడ్యులి ఒకదానికొకటి సమానంగా ఉంటాయి. అందువల్ల, పైజోఎలెక్ట్రిక్స్ అనేది ఒక రకమైన రివర్సిబుల్ ఎలక్ట్రోమెకానికల్ ట్రాన్స్‌డ్యూసర్‌లు.

రేఖాంశ మరియు అడ్డంగా ఉండే పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావం

పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావం, నమూనా రకాన్ని బట్టి, రేఖాంశంగా లేదా అడ్డంగా ఉంటుంది.రేఖాంశ పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావం విషయంలో, బాహ్య విద్యుత్ క్షేత్రానికి ప్రతిస్పందనగా స్ట్రెయిన్ లేదా స్ట్రెయిన్‌కు ప్రతిస్పందనగా ఛార్జీలు ప్రారంభ చర్య వలె అదే దిశలో ఉత్పత్తి చేయబడతాయి. విలోమ పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావంతో, ఛార్జీల రూపాన్ని లేదా వైకల్యం యొక్క దిశ వాటిని కలిగించే ప్రభావం యొక్క దిశకు లంబంగా ఉంటుంది.

ఒక ప్రత్యామ్నాయ విద్యుత్ క్షేత్రం పైజోఎలెక్ట్రిక్‌పై పనిచేయడం ప్రారంభిస్తే, అదే పౌనఃపున్యంతో ప్రత్యామ్నాయ వైకల్యం దానిలో కనిపిస్తుంది. పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావం రేఖాంశంగా ఉంటే, అప్పుడు వైకల్యాలు అనువర్తిత విద్యుత్ క్షేత్రం యొక్క దిశలో కుదింపు మరియు ఉద్రిక్తత యొక్క పాత్రను కలిగి ఉంటాయి మరియు అది అడ్డంగా ఉంటే, అప్పుడు విలోమ తరంగాలు గమనించబడతాయి.

అనువర్తిత ఆల్టర్నేటింగ్ ఎలెక్ట్రిక్ ఫీల్డ్ యొక్క ఫ్రీక్వెన్సీ పియజోఎలెక్ట్రిక్ యొక్క ప్రతిధ్వని ఫ్రీక్వెన్సీకి సమానంగా ఉంటే, అప్పుడు యాంత్రిక వైకల్యం యొక్క వ్యాప్తి గరిష్టంగా ఉంటుంది. నమూనా యొక్క ప్రతిధ్వని ఫ్రీక్వెన్సీని ఫార్ములా ద్వారా నిర్ణయించవచ్చు (V అనేది యాంత్రిక తరంగాల వ్యాప్తి వేగం, h అనేది నమూనా యొక్క మందం):

పియజోఎలెక్ట్రిక్ పదార్థం యొక్క అతి ముఖ్యమైన లక్షణం ఎలక్ట్రోమెకానికల్ కప్లింగ్ కోఎఫీషియంట్, ఇది యాంత్రిక కంపనాలు Pa మరియు విద్యుత్ శక్తి పీ యొక్క శక్తి మధ్య నిష్పత్తిని సూచిస్తుంది. ఈ గుణకం సాధారణంగా 0.01 నుండి 0.3 పరిధిలో విలువను తీసుకుంటుంది.

పైజోఎలెక్ట్రిక్స్ అనేది సమరూపత కేంద్రం లేకుండా సమయోజనీయ లేదా అయానిక్ బంధంతో కూడిన పదార్థం యొక్క క్రిస్టల్ నిర్మాణం ద్వారా వర్గీకరించబడుతుంది. తక్కువ వాహకత కలిగిన పదార్థాలు, ఇందులో అతితక్కువ ఉచిత ఛార్జ్ క్యారియర్లు ఉన్నాయి, అధిక పైజోఎలెక్ట్రిక్ లక్షణాలతో విభిన్నంగా ఉంటాయి.పైజోఎలెక్ట్రిక్స్‌లో అన్ని ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్‌లు ఉన్నాయి, అలాగే క్వార్ట్జ్ యొక్క స్ఫటికాకార మార్పుతో సహా తెలిసిన పదార్థాల సంపద.

సింగిల్ క్రిస్టల్ పైజోఎలెక్ట్రిక్స్

పైజోఎలెక్ట్రిక్స్ యొక్క ఈ తరగతిలో అయానిక్ ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్స్ మరియు స్ఫటికాకార క్వార్ట్జ్ (బీటా-క్వార్ట్జ్ SiO2) ఉన్నాయి.

బీటా క్వార్ట్జ్ యొక్క ఒకే క్రిస్టల్ షట్కోణ ప్రిజం ఆకారాన్ని రెండు వైపులా పిరమిడ్‌లతో కలిగి ఉంటుంది. ఇక్కడ కొన్ని స్ఫటికాకార దిశలను హైలైట్ చేద్దాం. Z అక్షం పిరమిడ్ల శిఖరాల గుండా వెళుతుంది మరియు ఇది క్రిస్టల్ యొక్క ఆప్టికల్ అక్షం. ఇచ్చిన అక్షం (Z) కు లంబంగా ఉన్న దిశలో అటువంటి క్రిస్టల్ నుండి ఒక ప్లేట్ కత్తిరించినట్లయితే, అప్పుడు పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావం సాధించబడదు.

షడ్భుజి యొక్క శీర్షాల ద్వారా X అక్షాలను గీయండి, అటువంటి మూడు X అక్షాలు ఉన్నాయి. మీరు X అక్షాలకు లంబంగా ప్లేట్‌లను కత్తిరించినట్లయితే, అప్పుడు మేము ఉత్తమ పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావంతో నమూనాను పొందుతాము. అందుకే X-అక్షాలను క్వార్ట్జ్‌లో విద్యుత్ అక్షాలు అంటారు. క్వార్ట్జ్ క్రిస్టల్ యొక్క భుజాలకు లంబంగా గీసిన మూడు Y అక్షాలు యాంత్రిక అక్షాలు.

ఈ రకమైన క్వార్ట్జ్ బలహీనమైన పైజోఎలెక్ట్రిక్‌లకు చెందినది, దాని ఎలక్ట్రోమెకానికల్ కప్లింగ్ కోఎఫీషియంట్ 0.05 నుండి 0.1 వరకు ఉంటుంది.

573 °C వరకు ఉష్ణోగ్రతల వద్ద పైజోఎలెక్ట్రిక్ లక్షణాలను నిర్వహించగల సామర్థ్యం కారణంగా స్ఫటికాకార క్వార్ట్జ్ గొప్ప అనువర్తితతను కలిగి ఉంది. ఇటువంటి మూలకాలు ఉచ్ఛరించే సహజ ప్రతిధ్వని ఫ్రీక్వెన్సీ ద్వారా వేరు చేయబడతాయి.

లిథియం నియోబైట్ (LiNbO3) అనేది అయాన్ ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్‌లకు సంబంధించిన (లిథియం టాంటాలేట్ LiTaO3 మరియు బిస్మత్ జెర్మేనేట్ Bi12GeO20తో పాటు) విస్తృతంగా ఉపయోగించే పైజోఎలెక్ట్రిక్ పదార్థం.అయానిక్ ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్‌లు వాటిని ఒకే-డొమైన్ స్థితికి తీసుకురావడానికి క్యూరీ పాయింట్ కంటే తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద బలమైన ఎలెక్ట్రిక్ ఫీల్డ్‌లో ముందుగా అనీల్ చేయబడతాయి. ఇటువంటి పదార్థాలు ఎలక్ట్రోమెకానికల్ కలపడం (0.3 వరకు) యొక్క అధిక గుణకాలు కలిగి ఉంటాయి.

కాడ్మియం సల్ఫైడ్ CdS, జింక్ ఆక్సైడ్ ZnO, జింక్ సల్ఫైడ్ ZnS, కాడ్మియం సెలీనైడ్ CdSe, గాలియం ఆర్సెనైడ్ GaAs మొదలైనవి. అవి అయానిక్-సమయోజనీయ బంధంతో సెమీకండక్టర్-రకం సమ్మేళనాలకు ఉదాహరణలు. ఇవి పియెజో సెమీకండక్టర్స్ అని పిలవబడేవి.

ఈ డైపోల్ ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్స్ ఆధారంగా, ఇథిలెనెడియమైన్ టార్ట్రేట్ C6H14N8O8, టూర్మాలిన్, రోషెల్ ఉప్పు యొక్క సింగిల్ స్ఫటికాలు, లిథియం సల్ఫేట్ Li2SO4H2O - పైజోఎలెక్ట్రిక్స్ కూడా పొందబడతాయి.

పాలీక్రిస్టలైన్ పైజోఎలెక్ట్రిక్స్

ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్ సిరామిక్స్ పాలీక్రిస్టలైన్ పైజోఎలెక్ట్రిక్స్‌కు చెందినవి. ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్ సిరామిక్స్‌కు పైజోఎలెక్ట్రిక్ లక్షణాలను అందించడానికి, అటువంటి సిరామిక్‌లను 100 నుండి 150 ° C ఉష్ణోగ్రత వద్ద బలమైన విద్యుత్ క్షేత్రంలో (2 నుండి 4 MV / m బలంతో) ఒక గంట పాటు ధ్రువపరచాలి, తద్వారా ఈ బహిర్గతం తర్వాత , ధ్రువణత దానిలో మిగిలిపోయింది, ఇది పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావాన్ని పొందడం సాధ్యం చేస్తుంది. అందువలన, 0.2 నుండి 0.4 వరకు పైజోఎలెక్ట్రిక్ కప్లింగ్ కోఎఫీషియంట్స్‌తో బలమైన పైజోఎలెక్ట్రిక్ సిరామిక్స్ పొందబడతాయి.

అవసరమైన ఆకృతి యొక్క పైజోఎలెక్ట్రిక్ మూలకాలు పైజోసెరామిక్స్‌తో తయారు చేయబడతాయి, తద్వారా అవసరమైన స్వభావం యొక్క యాంత్రిక కంపనాలు (రేఖాంశ, విలోమ, వంపు) పొందుతాయి. పారిశ్రామిక పైజోసెరామిక్స్ యొక్క ప్రధాన ప్రతినిధులు బేరియం టైటనేట్, కాల్షియం, సీసం, సీసం జిర్కోనేట్-టైటనేట్ మరియు బేరియం లీడ్ నియోబేట్ ఆధారంగా తయారు చేస్తారు.

పాలిమర్ పైజోఎలెక్ట్రిక్స్

పాలిమర్ ఫిల్మ్‌లు (ఉదా. పాలీవినైలిడిన్ ఫ్లోరైడ్) 100-400% విస్తరించి, ఎలక్ట్రిక్ ఫీల్డ్‌లో పోలరైజ్ చేయబడి, ఆపై మెటలైజేషన్ ద్వారా ఎలక్ట్రోడ్‌లు వర్తించబడతాయి. అందువలన, 0.16 ఆర్డర్ యొక్క ఎలక్ట్రోమెకానికల్ కప్లింగ్ కోఎఫీషియంట్తో ఫిల్మ్ పైజోఎలెక్ట్రిక్ ఎలిమెంట్స్ పొందబడతాయి.

పైజోఎలెక్ట్రిక్స్ యొక్క అప్లికేషన్

ప్రత్యేక మరియు ఇంటర్కనెక్టడ్ పైజోఎలెక్ట్రిక్ ఎలిమెంట్లను రెడీమేడ్ రేడియో ఇంజనీరింగ్ పరికరాల రూపంలో కనుగొనవచ్చు - వాటికి జోడించిన ఎలక్ట్రోడ్లతో పైజోఎలెక్ట్రిక్ ట్రాన్స్డ్యూసర్లు.

క్వార్ట్జ్, పైజోఎలెక్ట్రిక్ సిరామిక్స్ లేదా అయానిక్ పైజోఎలెక్ట్రిక్‌లతో తయారు చేయబడిన ఇటువంటి పరికరాలు విద్యుత్ సంకేతాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి, రూపాంతరం చేయడానికి మరియు ఫిల్టర్ చేయడానికి ఉపయోగించబడతాయి. క్వార్ట్జ్ క్రిస్టల్ నుండి విమానం-సమాంతర ప్లేట్ కత్తిరించబడుతుంది, ఎలక్ట్రోడ్లు జతచేయబడతాయి - రెసొనేటర్ పొందబడుతుంది.

రెసొనేటర్ యొక్క ఫ్రీక్వెన్సీ మరియు Q-కారకం ప్లేట్ కట్ చేయబడిన స్ఫటికాకార అక్షాల కోణంపై ఆధారపడి ఉంటుంది. సాధారణంగా, రేడియో ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో 50 MHz వరకు, అటువంటి రెసొనేటర్‌ల Q కారకం 100,000కి చేరుకుంటుంది. అదనంగా, పైజోఎలెక్ట్రిక్ ట్రాన్స్‌డ్యూసర్‌లు సాధారణంగా విస్తృత ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధి కోసం అధిక ఇన్‌పుట్ ఇంపెడెన్స్‌తో పీజోఎలెక్ట్రిక్ ట్రాన్స్‌ఫార్మర్లుగా విస్తృతంగా ఉపయోగించబడతాయి.

నాణ్యత కారకం మరియు ఫ్రీక్వెన్సీ పరంగా, క్వార్ట్జ్ అయాన్ పైజోఎలెక్ట్రిక్‌లను అధిగమిస్తుంది, 1 GHz వరకు పౌనఃపున్యాల వద్ద పనిచేయగలదు. సన్నని లిథియం టాంటాలేట్ ప్లేట్లు 0.02 నుండి 1 GHz ఫ్రీక్వెన్సీతో అల్ట్రాసోనిక్ వైబ్రేషన్‌ల ఉద్గారకాలు మరియు రిసీవర్‌లుగా, రెసొనేటర్‌లలో, ఫిల్టర్‌లలో, ఉపరితల ధ్వని తరంగాల ఆలస్యం లైన్‌లలో ఉపయోగించబడతాయి.

విద్యుద్వాహక ఉపరితలాలపై నిక్షిప్తం చేయబడిన పైజోఎలెక్ట్రిక్ సెమీకండక్టర్స్ యొక్క సన్నని చలనచిత్రాలు ఇంటర్డిజిటల్ ట్రాన్స్‌డ్యూసర్‌లలో ఉపయోగించబడతాయి (ఇక్కడ ఉపరితల ధ్వని తరంగాలను ఉత్తేజపరిచేందుకు వేరియబుల్ ఎలక్ట్రోడ్‌లు ఉపయోగించబడతాయి).

తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ పీజోఎలెక్ట్రిక్ ట్రాన్స్‌డ్యూసర్‌లు డైపోల్ ఫెర్రోఎలెక్ట్రిక్‌ల ఆధారంగా తయారు చేయబడతాయి: సూక్ష్మ మైక్రోఫోన్‌లు, లౌడ్‌స్పీకర్‌లు, పికప్‌లు, ఒత్తిడి కోసం సెన్సార్లు, వైకల్యం, కంపనం, త్వరణం, అల్ట్రాసోనిక్ ఉద్గారకాలు.