Piezoelctricitate

Notiuni teoretice:

Efectul piezoelectric a fost descoperit in anul 1880 de catre fratii Pierre si Jacque Curie si pus in evidenta prin aparitia unei diferente de potential electric la capetele unui dielectric sau feroelectric, atunci cand asupra lui actioneaza o forta de compresie mecanica. Diferenta de potential se datoreaza polarizarii electrice a materialului piezoelectric sub actiunea deformatoare a solicitarii mecanice externe. Polarizarea electrica consta in aparitia unor sarcini electrice pe suprafata materialelor piezoelectrice supuse actiunii fortelor de compresie sau de intindere.

Exista doua tipuri de efect piezoelectric:

Ø efectul piezoelectric direct determinat de materialele monocristaline sau policristaline supuse actiunii unei presiuni mecanice genereaza o tensiune electrica;

Ø efectului piezoelectric indirect determinat de materialele monocristaline sau policristaline aflate sub actiunea unui camp electric sufera o deformare mecanica ( distorsiune mecanica numita electrostrictiune ).

Piezoelectricitatea este caracterizata printr-o relatie directa intre cauza si efect.

Pentru structurile cristaline reprezentate bidimensional in planul xOy , lipsa actiunii mecanice exterioare, pune in evidenta polarizarea rezultanta cu valoare nula ca urmare a structurii simetrice a cristalului.

Polarizarea P, indusa in materialul cristalin, este direct proportionala cu solicitarea

(presiunea) mecanica aplicata din exterior conform relatiei , care reprezinta expresia

efectului piezoelectric direct: .

unde:

- tensiunea mecanica se defineste ca forta aplicata pe unitatea de suprafata .

Factorul de proportionalitate d dintre polarizarea P si solicitarea mecanica à a fost

denumit piezomodul, a carui valoare depinde de natura materialului piezoelectric.

Fenomenul piezoelectric are si un efect invers prin aceea ca asigurarea unei polarizari electrice a materialului cristalin determina la acesta o deformare elastica x. Deformarea x este direct proportionala cu polarizarea P prin intermediul unui coeficient piezoelectric g , conform relatiei:

In baza relatiei de legatura dintre polarizare si campul electric care il determina, expresia efectului piezoelectric invers este determinata prin relatia:

Din ultima relatie rezulta expresia piezomodulului d, care depinde de marimea

coeficientului piezoelectric g , permitivitatea electrica absoluta a vidului si permitivitatea electrica a materialului piezoelectric :

Substantele piezoelectrice se impart in doua clase mari:

Ø substante piezoelectrice liniare (dependenta polarizarii electrice P de campul electric aplicat E este liniara).

Ø substante feroelectrice (sub temperatura Curie depenenta polarizarii electrice P de campul electric aplicat E este neliniara, peste o anumita valoare a campului polarizarea ramane constanta, se satureaza). Peste temperatura Curie substanta nu mai este feroelectrica, devine paraelectrica si implicit nu mai prezinta efect piezoelectric. Efectul piezoelectric se manifesta in feroelectrici daca acestia sunt polarizati, adica domeniile in care polarizarea are o orientare bine determinata sunt orientate dupa o singura directie macroscopica, directia campului extern.