Materiale piezoelectrice

1. Introducere

1.1. Clasificarea materialelor dielectrice

Materiale dielectrice- sunt materiale izolatoare care pot fi polarizate prin aplicarea unui camp electric. Sub influenta campului electric aplicat toate materialele dielectrice isi schimb dimensiunile. Acest process are loc datorita deplasarii sarcinilor pozitive si negative din interiorul materialului. Putem considera ca, celula cristalina a materialului dielectric este construita din cationi si anioni, care sunt “conectate” intre ei prin legaturi ionice. La aplicarea campului electric extern, cationi se deplaseaza in directia campului electric, iar anioni se deplaseaza in sens invers, astfel are loc o separarea de sarcini ceea ce duce la o deformarea materialului. Gradul de deformare poate fie nesemnificativa sau foarte mare, acest lucru fiind dependent de natura materialului. Per total sunt 32 de de clase de cristale, dintre care 11 sunt centro-simmetrice( posed un centru de simetrie sau inversie) iar 21 sunt non-centro-simmetrice( nu posed un centru de simmetrie) .

Cand un material dielectric cu centru de simetrie este supus la un camp electric extern, datorita simmetriei( centru de inversie) deplasarile cationilor si anionilor sunt in asa fel incat, extinctie si contractie sunt anulate intre legaturi invecinate si deformarea totala a materialului este nula. Dar, legaturile chimice nu sunt perfect ormonice, si datorita acestui fapt, ca efecte secundare, se va forma mici deformari la celula cristalina. In acest caz, deformarea este proportionala cu patratul campului electric aplicat, deformatia este independenta de directia lui. Acest efect se numeste “efect electrostrictiv”. Efectul anormonic exista in toate materiale dielectrice, din acest motiv, se poate spune ca, toate materialele dielectrice sunt electrostrictive.

Cand materialul dielectric din clasa non-centro-simetricelor( exceptand clasa octaedrelor) se supune campului electric extern, are loc deplasarea asimetrica a ionilor invecinate, astfel ducand la deformea semnificativa a materialului. Deformarea in acest caz fiind direct proportional cu campul electric aplicat. Materialele de acest gen se numesc materiale piezoelectrice. Clasificarea materialelor dielectrice este data in Figura 1.

Figura 1. Clasificarea materialelor dielectrice.

1.2. Efectul piezoelectric

Materiale dielectrice din clasa non-centro-simmetricelor sunt clasificate ca materiale piezoelectrice. Cand aceste materiale sunt supuse unui camp electric extern, au loc deplasarea asimmetrica ale anionilor si ale cationilor care cauzeaza deformarea considerabila a cristalului. In functia de polaritatea campului electric extern aplilcat, deformarea rezultata poate fi de extensie sau de compresie. Acest efect este denumit efect piezoelectric sau mai precis, efect piezoelectric indirect.

Materiale peizoelectrice posed o alta proprietatea unica, cand sunt supusi unei solicitari mecanice, dipoli din cristal sunt orientate in asa fel incat, in cristal se formeaza sarcini negative si positive pe fete opuse care rezulta un camp electric intern in cristal. Aceasta este fix opusul efectului piezoelectric indirect. Jaques si Pierre Curie au observat acest lucru pentru prima data in cristale, si l-au denumit piezoelectricitatea, “piezo” insemnand presiune. Ei au facut primele experimente cu cristale de cuart, turmalina, topaz, zahar de masa. Ei exercitau niste presiuni asupra cristalelor respective si au observat ca se genereaza electricitatea, continuand experimentele, au observat si inversul procesului respectiv, cand aplicau un curent electric extern, cristalele se deformau. Generarea curentului electric prin exercitarea unei solicitari mecanice asupra materialelor piezoelectrice se numeste piezoelectricitatea directa.

Piezolectricitatea directa este prezentata in Figura 2 . Cand materialul piezoelectric este supus unei solicitari la intindere in derectia paralela cu directia de polarizare, se creeaza un curent pozitiv, iar cand materialul este supus unei solicitari la comprimare, se creeaza un curent negativ.