Morosanu Vlad Grupa 4206a

Efect piezoelectric

Proprietate a unor cristale (cum ar fi cuartul) de a dezvolta intre fetele opuse o tensiune electromotoare (voltaj) atunci cand sunt supuse intinderii sau compresiei si reciproc de-a se extinde sau contracta din punct de vedere al dimensiunii atunci cand sunt supuse unei tensiuni electromotoare Oscilatoarele cu cristale piezoelectrice sunt utilizate ca standarde de frecventa (inlocuind de exemplu balansierele de la ceasurile de mana) si la producerea ultrasunetelorProprietatea deosebită a unor materiale feroelectrice este piezoelectricitatea sau efectul piezoelectric Efectul piezoelectric a fost descoperit icircn anul 1880 de către fraţii Pierre şi Jacque Curie şi pus icircn evidenţă prin apariţia unei diferenţe de potenţial electric la capetele unui dielectric sau feroelectric atunci cacircnd asupra lui acţionează o forţă de compresie mecanică Diferenţa de potenţial se datorează polarizării electrice a materialului piezoelectric sub acţiunea deformatoare a solicitării mecanice externe Polarizarea electrică constă icircn apariţia unor sarcini electrice pe suprafaţa materialelor piezoelectrice supuse acţiunii forţelor de compresie sau de icircntindere Materialele monocristaline sau policristaline supuse acţiunii unei presiuni mecanice generează o tensiune electrică acesta este efectul piezoelectric direct iar sub acţiunea unui camp electric suferă o deformare mecanică (distorsiune mecanică numită electrostricţiune) acesta corespunde efectului piezoelectric indirect(Fig 1) Piezoelectricitatea este caracterizată printr-o relaţie directă icircntre cauză şi efect

Fig 1 Efectul piezoelectric a) direct b) invers

Pentru structurile cristaline reprezentate bidimensional icircn planul xOy lipsa acţiunii mecanice exterioare pune icircn evidenţă polarizarea rezultantă cu valoare nulă ca urmare a structurii simetrice a cristaluluiIcircn cazul icircn care se acţionează din exterior asupra cristalului are loc deformarea structurii interne a reţelei (fig2) ionii se deplasează polarizare internă nu mai este icircn echilibru şi are loc polarizarea cristalului prin efect direct deci polarizarea rezultantă este diferită de zeroIcircn figura 2 efectul de polarizare este pus icircn evidenţă prin momentul dipolar al celulelor unitare moment icircncadrat cu linie punctatăPolarizarea P indusă icircn materialul cristalin este direct proporţională cu solicitarea (presiunea) mecanică σ aplicată din exterior conform relaţiei care reprezintă expresia efectului piezoelectric direct P = dσ)Unde tensiunea mecanică σ se defineşte ca forţa aplicată pe unitatea de suprafaţă (σ = FS)

Fig 2 Polarizarea structurilor cristaline prin deformare mecanicăstructură nedeformată b) structură deformată

Fenomenul piezoelectric are şi un efect invers prin aceea că asigurarea unei polarizări electrice a materialului cristalin determină la acesta o deformare elastică x Deformarea x este direct proporţională cu polarizarea P prin intermediul unui coeficient piezoelectric g conform relaţiei Materialele piezoelectrice cunoscute şi utilizate frecvent sunt de natură monocristalină sau de natură policristalină ( structura materialelor policristaline este prezentată icircn paragraful 2)

Pentru materialele monocristaline (fig3 şi fig4) axele sistemului ortogonal sunt denumiteOx ndash axa electrică (trece prin ionii reţelei cristaline)Oy ndash axa mecanicăOz ndash axa optică

Fig 3 Material piezoelectric monocristalin supus tăieturii sub formă de lame

Monocristalele sunt de formă paralelipipedică cu feţele perpendiculare pe cele trei direcţii principale Din acestea se taie mici paralelipipede (fig3) cu unghiuri de icircnclinare diferite faţă de axele sistemului ortogonal icircn funcţie de frecvenţa de oscilaţie electromecanică la care va lucra dispozitivul piezoceramic Pe fiecare suprafaţă a micilor paralelipipede (lamele) obţinute prin tăiere se definesc polarizările Px Py Pz polarizări care apar icircn urma solicitărilor mecanice (σx σy σz şi τx τy τz ) la care este supus monocristalul (fig 4) O solicitare mecanică oarecare se poate defini icircntotdeauna ca rezultantă a şase componente de natură mecanică grupate astfel [25]- 3 eforturi normale x y z avacircnd ca unitate de măsură [Nm]- 3 eforturi de forfecare x y z avacircnd ca unitate de măsură [Nm]

Fig4 Solicitări mecanice principale asupra monocristalelor

Fig5 Efect piezoelectric

Efect piezoelectric

Proprietate a unor cristale (cum ar fi cuartul) de a dezvolta intre fetele opuse o tensiune electromotoare (voltaj) atunci cand sunt supuse intinderii sau compresiei si reciproc de-a se extinde sau contracta din punct de vedere al dimensiunii atunci cand sunt supuse unei tensiuni electromotoare Oscilatoarele cu cristale piezoelectrice sunt utilizate ca standarde de frecventa (inlocuind de exemplu balansierele de la ceasurile de mana) si la producerea ultrasunetelorProprietatea deosebită a unor materiale feroelectrice este piezoelectricitatea sau efectul piezoelectric Efectul piezoelectric a fost descoperit icircn anul 1880 de către fraţii Pierre şi Jacque Curie şi pus icircn evidenţă prin apariţia unei diferenţe de potenţial electric la capetele unui dielectric sau feroelectric atunci cacircnd asupra lui acţionează o forţă de compresie mecanică Diferenţa de potenţial se datorează polarizării electrice a materialului piezoelectric sub acţiunea deformatoare a solicitării mecanice externe Polarizarea electrică constă icircn apariţia unor sarcini electrice pe suprafaţa materialelor piezoelectrice supuse acţiunii forţelor de compresie sau de icircntindere Materialele monocristaline sau policristaline supuse acţiunii unei presiuni mecanice generează o tensiune electrică acesta este efectul piezoelectric direct iar sub acţiunea unui camp electric suferă o deformare mecanică (distorsiune mecanică numită electrostricţiune) acesta corespunde efectului piezoelectric indirect(Fig 1) Piezoelectricitatea este caracterizată printr-o relaţie directă icircntre cauză şi efect

Fig 1 Efectul piezoelectric a) direct b) invers

Pentru structurile cristaline reprezentate bidimensional icircn planul xOy lipsa acţiunii mecanice exterioare pune icircn evidenţă polarizarea rezultantă cu valoare nulă ca urmare a structurii simetrice a cristaluluiIcircn cazul icircn care se acţionează din exterior asupra cristalului are loc deformarea structurii interne a reţelei (fig2) ionii se deplasează polarizare internă nu mai este icircn echilibru şi are loc polarizarea cristalului prin efect direct deci polarizarea rezultantă este diferită de zeroIcircn figura 2 efectul de polarizare este pus icircn evidenţă prin momentul dipolar al celulelor unitare moment icircncadrat cu linie punctatăPolarizarea P indusă icircn materialul cristalin este direct proporţională cu solicitarea (presiunea) mecanică σ aplicată din exterior conform relaţiei care reprezintă expresia efectului piezoelectric direct P = dσ)Unde tensiunea mecanică σ se defineşte ca forţa aplicată pe unitatea de suprafaţă (σ = FS)

Fig 2 Polarizarea structurilor cristaline prin deformare mecanicăstructură nedeformată b) structură deformată

Fenomenul piezoelectric are şi un efect invers prin aceea că asigurarea unei polarizări electrice a materialului cristalin determină la acesta o deformare elastică x Deformarea x este direct proporţională cu polarizarea P prin intermediul unui coeficient piezoelectric g conform relaţiei Materialele piezoelectrice cunoscute şi utilizate frecvent sunt de natură monocristalină sau de natură policristalină ( structura materialelor policristaline este prezentată icircn paragraful 2)

Pentru materialele monocristaline (fig3 şi fig4) axele sistemului ortogonal sunt denumiteOx ndash axa electrică (trece prin ionii reţelei cristaline)Oy ndash axa mecanicăOz ndash axa optică

Fig 3 Material piezoelectric monocristalin supus tăieturii sub formă de lame

Monocristalele sunt de formă paralelipipedică cu feţele perpendiculare pe cele trei direcţii principale Din acestea se taie mici paralelipipede (fig3) cu unghiuri de icircnclinare diferite faţă de axele sistemului ortogonal icircn funcţie de frecvenţa de oscilaţie electromecanică la care va lucra dispozitivul piezoceramic Pe fiecare suprafaţă a micilor paralelipipede (lamele) obţinute prin tăiere se definesc polarizările Px Py Pz polarizări care apar icircn urma solicitărilor mecanice (σx σy σz şi τx τy τz ) la care este supus monocristalul (fig 4) O solicitare mecanică oarecare se poate defini icircntotdeauna ca rezultantă a şase componente de natură mecanică grupate astfel [25]- 3 eforturi normale x y z avacircnd ca unitate de măsură [Nm]- 3 eforturi de forfecare x y z avacircnd ca unitate de măsură [Nm]

Fig4 Solicitări mecanice principale asupra monocristalelor

Fig5 Efect piezoelectric

Pentru structurile cristaline reprezentate bidimensional icircn planul xOy lipsa acţiunii mecanice exterioare pune icircn evidenţă polarizarea rezultantă cu valoare nulă ca urmare a structurii simetrice a cristaluluiIcircn cazul icircn care se acţionează din exterior asupra cristalului are loc deformarea structurii interne a reţelei (fig2) ionii se deplasează polarizare internă nu mai este icircn echilibru şi are loc polarizarea cristalului prin efect direct deci polarizarea rezultantă este diferită de zeroIcircn figura 2 efectul de polarizare este pus icircn evidenţă prin momentul dipolar al celulelor unitare moment icircncadrat cu linie punctatăPolarizarea P indusă icircn materialul cristalin este direct proporţională cu solicitarea (presiunea) mecanică σ aplicată din exterior conform relaţiei care reprezintă expresia efectului piezoelectric direct P = dσ)Unde tensiunea mecanică σ se defineşte ca forţa aplicată pe unitatea de suprafaţă (σ = FS)

Fig 2 Polarizarea structurilor cristaline prin deformare mecanicăstructură nedeformată b) structură deformată

Fenomenul piezoelectric are şi un efect invers prin aceea că asigurarea unei polarizări electrice a materialului cristalin determină la acesta o deformare elastică x Deformarea x este direct proporţională cu polarizarea P prin intermediul unui coeficient piezoelectric g conform relaţiei Materialele piezoelectrice cunoscute şi utilizate frecvent sunt de natură monocristalină sau de natură policristalină ( structura materialelor policristaline este prezentată icircn paragraful 2)

Pentru materialele monocristaline (fig3 şi fig4) axele sistemului ortogonal sunt denumiteOx ndash axa electrică (trece prin ionii reţelei cristaline)Oy ndash axa mecanicăOz ndash axa optică

Fig 3 Material piezoelectric monocristalin supus tăieturii sub formă de lame

Monocristalele sunt de formă paralelipipedică cu feţele perpendiculare pe cele trei direcţii principale Din acestea se taie mici paralelipipede (fig3) cu unghiuri de icircnclinare diferite faţă de axele sistemului ortogonal icircn funcţie de frecvenţa de oscilaţie electromecanică la care va lucra dispozitivul piezoceramic Pe fiecare suprafaţă a micilor paralelipipede (lamele) obţinute prin tăiere se definesc polarizările Px Py Pz polarizări care apar icircn urma solicitărilor mecanice (σx σy σz şi τx τy τz ) la care este supus monocristalul (fig 4) O solicitare mecanică oarecare se poate defini icircntotdeauna ca rezultantă a şase componente de natură mecanică grupate astfel [25]- 3 eforturi normale x y z avacircnd ca unitate de măsură [Nm]- 3 eforturi de forfecare x y z avacircnd ca unitate de măsură [Nm]

Fig4 Solicitări mecanice principale asupra monocristalelor

Fig5 Efect piezoelectric

Pentru materialele monocristaline (fig3 şi fig4) axele sistemului ortogonal sunt denumiteOx ndash axa electrică (trece prin ionii reţelei cristaline)Oy ndash axa mecanicăOz ndash axa optică

Fig 3 Material piezoelectric monocristalin supus tăieturii sub formă de lame

Monocristalele sunt de formă paralelipipedică cu feţele perpendiculare pe cele trei direcţii principale Din acestea se taie mici paralelipipede (fig3) cu unghiuri de icircnclinare diferite faţă de axele sistemului ortogonal icircn funcţie de frecvenţa de oscilaţie electromecanică la care va lucra dispozitivul piezoceramic Pe fiecare suprafaţă a micilor paralelipipede (lamele) obţinute prin tăiere se definesc polarizările Px Py Pz polarizări care apar icircn urma solicitărilor mecanice (σx σy σz şi τx τy τz ) la care este supus monocristalul (fig 4) O solicitare mecanică oarecare se poate defini icircntotdeauna ca rezultantă a şase componente de natură mecanică grupate astfel [25]- 3 eforturi normale x y z avacircnd ca unitate de măsură [Nm]- 3 eforturi de forfecare x y z avacircnd ca unitate de măsură [Nm]

Fig4 Solicitări mecanice principale asupra monocristalelor

Fig5 Efect piezoelectric

Fig4 Solicitări mecanice principale asupra monocristalelor

Fig5 Efect piezoelectric