پیزوالکتریک چیست؟

اثر پيزوالکتريک (Piezoelectric Effect) در سال 1880 توسط پيرکوري کشف شد. او متوجه شد که چنانچه کرنش مکانيکي روي کريستال‌هاي خاص اعمال شود، آنها را به طور الکتريکي پلاريزه مي‌کند در حالي که درجه پلاريزاسيون (Polarization) متناسب با مقدار کرنش است. او همچنين دريافت که اگر اين مواد در ميدان الکتريکي قرار داده شوند، تغيير طول مي‌دهند.

جنس پیزوالکتریک ها

يک گروه مهم از مواد، سراميک‌هاي پيزوالکتريک نظیر PZT (Lead Zirconate Titanate) هستند. این‌ها، موادِ فروالکتريک پلي‌کريستال با ساختار کريستالي، دارای يک ساختار شش وجهي/لوزي شکل خيلي نزديک به ساختار مکعبي هستند. فرمول عمومي آنها به شکل A²+B¹+O^2-₃ است که در آن A يک يون فلزي دو ظرفيتي بزرگ مثل مس يا باريوم، B يک يون فلزي چهارظرفيتي مثل تيتانيوم يا زيرکونيوم، O يون دوظرفيتي اکسيژن است.

موادي مثل PZT را مي‌توان به شکل انبوهي از کريستال‌هاي ريز در نظر گرفت. در بالاي دمايي که به عنوان دماي کيوري (Curie Point) نامگذاري مي‌شود، اين کريستال‌ها ساختار مکعبي ساده دارند. اين ساختار تقارن مرکزي داشته و محل اثر برآيند بار‌هاي مثبت و منفي آن روي هم منطبق است. لذا هيچ دوقطبی (Dipole) در اين مواد وجود ندارد و گفته مي‌شود که اين مواد خاصيت پارالکتريک (Paraelectric) دارند. اما در زير دماي کيوري يک تقارن تتراگونال مي‌گيرند که محل اثر بار‌هاي مثبت و منفي در آن بر هم منطبق نيستند و درنتيجه هر سلول يک دو‌قطبی الکتريکي در داخل خود دارد، که مي‌تواند معکوس شده و نيز با اعمال يک ميدان الکتريکي، به يک جهت مشخص درآيد. از آنجايي که اين خاصيت شباهت فيزيکي به رفتار مغناطيسي مواد فرومغناطيس دارد، به اين مواد فروالکتريک (Ferroelectric) گويند. پلاريزاسيون مواد فروالکتريک هم مثل مواد فرومغناطيس، تا حدودي رفتار هيسترزيس از خود نشان مي‌دهد و مثل ضريب نفوذ‌پذيري مغناطيسي در مواد فرومغناطيس، ثابت‌هاي دي‌الکتريک مواد فروالکتريک خيلي زياد وابسته به دما است.

نواحی ويس (Weiss domain) و پولاریزاسیون پیزوالکتریک ها

دوقطبی‌ها به صورت تصادفی داخل مواد جهت‌گيري نکرده‌اند، بلکه دوقطبی‌هاي مجاور به وسيله هم جهت مي‌يابند و ناحيه‌اي به نام ناحيه ويس (Weiss domain) تشکيل مي‌دهند. در داخل اين ناحيه دوقطبی‌ها همه با هم، ‌هم‌جهت شده و يک پلاريزاسيون به آن ناحيه مي‌دهند. جهت پلاريزاسيون نواحي ويس در يک کريستال، مي‌توانند 90 يا 180 درجه نسبت به هم فرق داشته باشد و چون اين نواحي ويس به صورت پراکنده داخل کريستال توزيع شده‌اند، درکل هيچ پلاريزاسيون و اثر پيزوالکتريکي ديده نمي‌شود.

با قرار دادن سراميک در يک ميدان الکتريکي قوي در دما‌هاي کمي پايين‌تر از نقطه کيوري، اين سراميک داراي پلاريزاسيون در همان جهت ميدان مي‌شود. بر اثر اين ميدان دو‌قطبی‌‌هاي نواحي ويس هم‌جهت با ميدان، در مقابل ساير جهت‌ها تعدادشان بيشتر مي‌شود و طول ماده در جهت ميدان افزايش مي‌يابد. هنگامي که ميدان برداشته شود، دو‌قطبی‌ها تقريبا در همان جهت قفل شده و باقي مي‌مانند و به سراميک تغيير طول دائمي مي‌دهند، يعني آن را ناهمسانگرد (Anisotropic) مي‌کنند. عمليات پلاريته کردن معمولا آخرين عملياتي است که روي PZT ها صورت مي‌گيرد.

ثابت‌هاي پيزوالکتريک

از آنجايي که سراميک‌هاي پيزوالکتريک، ناهمسانگرد هستند، ثابت‌هاي فيزيکي آنها کميت‌هاي تانسوري وابسته به جهت اعمال نيرو يا ميدان الکتريکي، و نيز جهات عمود بر اين جهت هستند. به همين دليل اين کميت‌ها با دو انديس که يکي مربوط به جهت کميت الاستيسيته (مثل تنش يا کرنش) و ديگري مربوط به خاصيت عبور الکتريکي (ميدان الکتريکي يا شارژ الکتريکي) مي‌باشد، نمايانده مي‌شوند. براي نشان دادن کميتي که ثابت نگه داشته مي‌شود، از يک انديس در بالا استفاده مي‌گردد.

مطابق شکل، جهت مثبت پلاريزاسيون، معمولا با جهت مثبت محور Z در مختصات دکارتي منطبق مي‌گردد. چنانچه جهات x، y و z به ترتيب با اعداد 1، 2 و 3 و ممان‌هاي مربوط به اين محور‌ها با 4، 5 و 6 نمايش داده شوند، کميت‌هاي مختلف را مي‌توان بر مبناي اين انديس‌ها مشخص کرد.