Пиезоелектричност е електричниот полнеж кој се собира во одредени цврсти материјали (кристали, одредени керамики, и биолошки материи како коските, ДНК и други белковини) при механички стрес. Зборот пиезоелектричност значи електрична струја која е резултат на притисок. Зборот е изведен од Грчкиот збор „пиезо“ (πιέζω) или пиезин (πιέζειν), што значи притиска, и „електричен“ или „електрон“ (), што значи килибар, антички извор на елекричен полнеж. Пиезоелектричноста била откриена во 1880 од француските физичари Жак и Пјер Кири.
Пиезоелектричниот ефект се толкува како линеарна електромеханичка интеракција помеѓу механичката и електричната состојба на кристалните материјали без инверзна симетрија. Пиезоелектричниот ефект е реверзибилен процес така што материјали кои покажуваат директен пиезоелектричен ефект (внатрешно создавање на електричен полнеж како резултат на применета механичка сила) исто така покажуваат обратен пиезоелектричен ефект (внатрешно создавање на механичко затегање како резултат на применето електрично поле). На пример, кристали на олово цирконат титанат создаваат мерлива пиезоелектричност кога нивната статична структура е деформирана за 0.1% од оригиналната димензија. Обратно, истите кристали ќе ја променат статичната димензија за 0.1% кога надворешно електрично поле ќе се примени на материјалот. Обратниот пиезоелектричен ефект се користи во создавање на ултразвучни бранови.
Пиезоелектричноста има корисни примени, како создавање и детекција на звуци, создавање на високи напони, создавање на електронски честоти, микрорамнотежи, за движење на ултразвучни млазници, и ултрафино фокусирање на оптички системи. Исто така е основа на повеќе научни интрументални техники со атомска резолуција, микроскопи со скенирачки сонди, како STM, AFM, MTA, SNOM... и секојдневни употреби, како систем за палење на запалки, скари на пропан, и кварцни часовници.
Историја
Откритие и рани истражувања Пироелектричниот ефект, со кој се создава електричен потенцијал поради промена на температурата, бил проучуван од Карл Линеј и Франц Епинус во средината на 18 век. Врз основа на ова знаење, Рене Жист Ауи и Антоан Сезар Бекерел го воочиле односот помеѓу механичкиот стрес и електричниот полнеж. Но, резултатите на експериментите кои ги правеле се покажале неодредени.Ерхарт, Жири. Пиезоелектричност и фероелектрични феномени и својства. Претпријатие за физика FP TUL. fp.tul.cz
Првата демонстрација на директниот пиезоелектричен ефект ја направиле Пјер Кири и Жак Кири во 1880 година.Жак и Пјер Кири (1880) "Développement par compression de l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclinées" (Развој, низ компресија, на електрична поларизација кај хемихедрални кристали со закосени лица), Bulletin de la Société minérologique de France, том 3, стр. 90 – 93. Преиздадено од: Жак и Пјер Кири (1880) Développement, par pression, de l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclinées," Comptes rendus ... , том. 91, стр. 294 – 295. Исто така погледни: Жак и Пјер Кири (1880) "Sur l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclinées" (За електрична поларизација кај кристали со закосени лица), Comptes rendus ... , том 91, стр. 383 – 386. Тие ги комбинирале знаењата за пироелектричност со нивното разбирање на кристалните структури кои предизвикуваат пироелектричност за да го предвидат однесувањето на кристалите, и го покажале ефектот користејќи кристали од турмалин, кварц, шеќер и Рошелова сол (натриум калиум тартрат тетрахидрат). Кварцот и Рошеловата сол покажале најголема пиезоелектричност.
Но Пјер и Жак Кири не го предвиделе спротивниот пиезоелектричен ефект. Тој бил математички изведен од основните термодинамички принципи од страна на Габриел Липман во 1881. Пјер и Жак Кири веднаш го потврдиле постоењето на спротивниот ефект,Пјер и Жак Кири (1881) "Contractions et dilatations produites par des tensions dans les cristaux hémièdres à faces inclinées" (Контракции и издолжувања добиени со напон кај хемихедрични кристали со закосени лица), Comptes rendus ... , том 93, стр. 1137 – 1140. и потоа добиле докази за целосната реверзибилност на електро-еласто-механичките деформации кај пиезоелектричните кристали.
Во следните децении, повеќе се работело на тоа да се истражат и дефинираат кристалните структури кои покажуваат пиезоелектричност. Овие истражувања го достигнале својот врв во 1910, со издавањето на Волдемар Војтовиот Учебник за кристална физика (Lehrbuch der Kristallphysik),Волдемар Војт, Lehrbuch der Kristallphysik (Берлин, Германија: Б. Г. Таубнер, 1910). кој ги опишал 20-те природни кристални класи способни за пиезоелектричност, и ги дефинирал пиезоелектричните константи користејќи анализа на тензори.
За време на Првата светска војна и по неа Првата практична примена за пиезоелектрични направи бил сонарот, развиен за време на Првата светска војна во Франција во 1917 година, од Пол Лангевин и неговите соработници, кои развиле ултразвучен детектор за подморници. Детекторот се состои од претворач, направен од тенки кварцни кристали внимателно залепени помеѓу две челични плочи, и хидрофон кој го детектира ехото. Со емитирање на високочестотен пулс од трансдукторот, и мерење на времето потребно за да се слушне ехото, може да се пресмета растојанието до објектот.
Користењето на пиезоелектричноста во сонарот и успехот на тој проект довело до брзо зголемување на интересот за пиезоелектрични направи. Во следните децении биле откриени нови пиезоелектрични материјали и примени за нив.
Пиезоелектричните направи биле користени во многу полиња. Керамички фонографски набои го олесниле дизајнот на грамофоните. Развојот на ултразвучниот претворач овозможил лесно мерење на вискозноста и еластичноста на флуиди и цврсти тела, што довело до развој во истражувањата на материјалите. Со ултразвучните временски рефлектометари, кои праќаат ултразвучен пулс низ материјалот за да измерат рефлекции, можело да се најдат грешки во метални и камени објекти, со што се подобрила структурната сигурност. За време на Втората светска војна и по неа За време на Втората светска војна независни истражувачки групи во САД, Русија и Јапонија откриле нова класа на синтетички материјали, наречени фероелектрици, кои покажувале пиезоелектрични константи многу повисоки од природните материјали. Ова довело до интензивно истражување на бариум титанатот и олово цирконат титанатните материјали со специфични својства за посебни примени.
Еден значаен пример за користењето на пиезоелектрични кристали бил развиен во Бел Телефонските Лаборатории. По Првата светска војна, Фредерик Р. Лек, кој работел во радио телефонијата на претпријатието за инженерство, го развил “АТ кат” кристалот, кој работел на голем температурен интервал. На Лековиот кристал не му биле потребни дополнителните елементи потребни на претходните кристали и затоа можел да се користи на авиони. Ова дозволило да се координираат воздушните војски со помош на авионско радио.
Развојот на пиезоелектричните направи и материјали во САД се одвивало исклучително во компаниите кои се занимавале со тоа, поради воените примени и интересот за обезбедување на профитабилни патенти. Научниците барале материјали со високи перформанси. И покрај напредоците во материјалите и усовршувањето на производствениот процес, американскиот пазар не растел толку брзо како и јапонскиот. Без многу нови примени немало раст на американската пиезоелектрична индустрија.
Јапонските произодители, пак, ги делеле информациите, и брзо ги надминувале техничките проблеми и создавале нови пазари. Во Јапонија, температурно стабилен кристал бил добиен од Исак Кога. Јапонските напори во истражување на материјали довеле до пиезоелектрични материјали слични на американските, но без скапи патентни ограничувања. Големи јапонски пиезоелектрични откритија вклучувале нови дизајни за пиезокерамички филтри за радио и телевизија, делови кои можат да се поврзат директно со електронски кола, и пиезоелектрична запалка, која создава искра за мали мотори со компресија на керамичен диск. Ултразвучни претворачи кои емитираат звучни бранови низ воздухот постоеле некое време, но за првпат биле користени комерцијално кај раните телевизиски далечински управувачи. Овие претворачи сега се монтирани на повеќе автомобили како направи за ехолокација, што му помага на возачот да го одреди растојанието од задниот дел на автомобилот до објекти кои можат да се најдат на неговиот пат. Механизам
Природата на пиезоелектричниот ефект е блиску поврзана со електричните диполни моменти кај цврстите тела. Тие може да се индуцирани за јоните на кристална решетка со асиметричен полнеж (како BaTiO3 и PZT) или може директно да се пренесени од молекуларни групи како кај шеќерот. Диполната густина или поларизација (димензионалност [Cm/м3] ) може лесно да се пресмета за кристалите со сумирање на диполните моменти по волуменот на кристалографските единици. Бидејќи секој дипол е вектор, диполната густина P е векторско поле. Диполи близу еден до друг се израмнуваат во региони наречени Вајсови домени. Домените често се случајно ориентирани, но може да се израмнат користејќи „поларизирање“, процес во кој силно електрично поле се применува на материјалот при висока температура. Не секој пиезоелектричен материјал може да се поларизира.
Од голема важност за пиезоелектричниот ефект е промената на поларизацијата P кога се применува механички стрес. Ова може да биде предизвикано од рекомбинација на околностите кои ги предизвикуваат диполите или со реориентација на молекуларните диполни моменти под влијанието на надворешен стрес. Пиезоелектричноста потоа може да се манифестира како варијација на поларизациската сила, нејзината насока, или двете, а деталите зависат од ориентацијата на P во кристалите, кристалната симетрија и применетиот механички стрес. Промената на P се јавува како варијација на површинската густина на полнежи на кристалните лица, односно како варијација на електричното поле кое се појавува помеѓу лицата, а е предизвикано од промена на диполната густина. На пример, 1 cм3 коцка од кварц со 2 kN (500 lbf) од точно применета сила може да предизвика напон од 12500 V.Сензори: Пиезоелектрични сензори за сила . Machinedesign.com (2008-02-07). Добиено на 2012-05-04.
Пиезоелектрични материјали исто така покажуваат спротивен ефект, наречен „спротивен пиезоелектричен ефект“, каде примената на електрично поле предизвикува механичка деформација на кристалот. Математички опис Линеарна пиезоелектричност е комбиниран ефект од Линеарното електрично однесување на материјалот:
каде D е поместувањето на густината на електричните полнежи (електрично поместување), ε е дозволивост (диелектрична константа за слободно тело), E е јачината на електричното поле, и Хуков закон за линеарни еластични материјали:
каде S е напрегањето, s е согласноста при услови на кратко коло, T е стресот, и .
Овие може да се комбинираат во таканаречени парни равенки, од кои формата напнатост-полнеж е:
Во форма на матрица,
каде е матрицата за директен пиезоелектричен ефект и е матрицата за спротивен пиезоелектричен ефект. E покажува нула, или константно електрично поле; T покажува нула, или константно поле на стрес, и t стои за транспозицијата на матрицата.
Тензорот од трет ред обележува вектори во симетрични матрици. Нема не-специјални непроменливи тензори во однос на ротацијата кои го имаат ова својство, и поради тоа нема изотропни пиезоелектрични материјали.
Напрегање-полнежот за материјал од Четириаголен кристален систем (C4v) (поларизирана пиезоелектрична керамика како четириаголен PZT или BaTiO3) како и шестаголниот кристален систем кој може да се запише како (ANSI IEEE 176):
каде првата равенка го претставува односот за спротивниот пиезоелектричен ефект, а втората за директниот пиезоелектричен ефект.