પીઝોઈલેક્ટ્રીક્સ, પીઝોઈલેક્ટ્રીસીટી - ઘટના, પ્રકારો, ગુણધર્મો અને કાર્યક્રમોનું ભૌતિકશાસ્ત્ર

પીઝોઇલેક્ટ્રિક્સ ડાઇલેક્ટ્રિક્સ પ્રકાશિત થાય છે પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર.

1880-1881 માં પ્રખ્યાત ફ્રેન્ચ ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ પિયર અને પોલ-જેક ક્યુરી દ્વારા પીઝોઇલેક્ટ્રીસિટીની ઘટનાની શોધ અને અભ્યાસ કરવામાં આવ્યો હતો.

40 થી વધુ વર્ષો સુધી, પીઝોઇલેક્ટ્રીસીટીને વ્યવહારુ ઉપયોગ મળ્યો નથી, ભૌતિકશાસ્ત્રની પ્રયોગશાળાઓની મિલકત બાકી છે. તે પ્રથમ વિશ્વ યુદ્ધ દરમિયાન જ હતું કે ફ્રેન્ચ વૈજ્ઞાનિક પૌલ લેંગેવિને પાણીની અંદર સ્થાન ("સાઉન્ડર") ના હેતુ માટે ક્વાર્ટઝ પ્લેટમાંથી પાણીમાં અલ્ટ્રાસોનિક સ્પંદનો પેદા કરવા માટે આ ઘટનાનો ઉપયોગ કર્યો હતો.

તે પછી, સંખ્યાબંધ ભૌતિકશાસ્ત્રીઓ ક્વાર્ટઝ અને કેટલાક અન્ય સ્ફટિકોના પીઝોઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મો અને તેમના વ્યવહારુ ઉપયોગના અભ્યાસમાં રસ ધરાવતા હતા. તેમના ઘણા કાર્યોમાં ઘણી મહત્વપૂર્ણ એપ્લિકેશનો હતી.

ઉદાહરણ તરીકે, 1915 માં એસ.બટરવર્થે બતાવ્યું કે એક-પરિમાણીય યાંત્રિક પ્રણાલી તરીકે ક્વાર્ટઝ પ્લેટ, જે ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર અને ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જ વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે ઉત્તેજિત થાય છે, તેને શ્રેણીમાં જોડાયેલ કેપેસીટન્સ, ઇન્ડક્ટન્સ અને રેઝિસ્ટર સાથે સમકક્ષ ઇલેક્ટ્રિક સર્કિટ તરીકે રજૂ કરી શકાય છે.

ક્વાર્ટઝ પ્લેટને ઓસિલેટર સર્કિટ તરીકે રજૂ કરતાં, બટરવર્થ એ ક્વાર્ટઝ રેઝોનેટર માટે સમકક્ષ સર્કિટનો પ્રસ્તાવ મૂકનાર સૌપ્રથમ હતો, જે પછીના તમામ સૈદ્ધાંતિક કાર્યનો આધાર છે. ક્વાર્ટઝ રેઝોનેટરમાંથી.

પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર સીધી અને વ્યસ્ત છે. ડાયરેક્ટ પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર ડાઇલેક્ટ્રિકના વિદ્યુત ધ્રુવીકરણ દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે, જે તેના પર બાહ્ય યાંત્રિક તાણની ક્રિયાને કારણે થાય છે, જ્યારે ડાઇલેક્ટ્રિકની સપાટી પર પ્રેરિત ચાર્જ લાગુ યાંત્રિક તાણના પ્રમાણસર છે:

રિવર્સ પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર સાથે, ઘટના બીજી રીતે પ્રગટ થાય છે - ડાઇલેક્ટ્રિક તેના પર લાગુ બાહ્ય ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રની ક્રિયા હેઠળ તેના પરિમાણોને બદલે છે, જ્યારે યાંત્રિક વિરૂપતા (સાપેક્ષ વિરૂપતા) ની તીવ્રતા તેની શક્તિના પ્રમાણસર હશે. નમૂના પર લાગુ ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર:

બંને કિસ્સાઓમાં પ્રમાણસરતા પરિબળ પીઝોમોડ્યુલસ ડી છે. સમાન પીઝોઈલેક્ટ્રીક માટે, ડાયરેક્ટ (ડીપીઆર) અને રિવર્સ (ડ્રેવ) પીઝોઈલેક્ટ્રીક અસર માટે પીઝોમોડુલી એકબીજાની સમાન છે. આમ, પીઝોઇલેક્ટ્રિક્સ એ એક પ્રકારનું ઉલટાવી શકાય તેવું ઇલેક્ટ્રોમિકેનિકલ ટ્રાન્સડ્યુસર છે.

રેખાંશ અને ટ્રાંસવર્સ પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર

પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર, નમૂનાના પ્રકાર પર આધાર રાખીને, રેખાંશ અથવા ટ્રાંસવર્સ હોઈ શકે છે.રેખાંશ પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસરના કિસ્સામાં, બાહ્ય વિદ્યુત ક્ષેત્રના પ્રતિભાવમાં તાણ અથવા તાણના પ્રતિભાવમાં શુલ્ક પ્રારંભિક ક્રિયાની દિશામાં જ ઉત્પન્ન થાય છે. ટ્રાંસવર્સ પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર સાથે, ચાર્જનો દેખાવ અથવા વિરૂપતાની દિશા એ અસરની દિશાને લંબરૂપ હશે જે તેમને કારણ આપે છે.

જો વૈકલ્પિક ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર પીઝોઇલેક્ટ્રિક પર કાર્ય કરવાનું શરૂ કરે છે, તો તે જ આવર્તન સાથે વૈકલ્પિક વિરૂપતા તેમાં દેખાશે. જો પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર રેખાંશ હોય, તો વિકૃતિઓમાં લાગુ ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રની દિશામાં સંકોચન અને તાણનું પાત્ર હશે, અને જો તે ટ્રાંસવર્સ છે, તો ટ્રાંસવર્સ તરંગો જોવામાં આવશે.

જો લાગુ વૈકલ્પિક ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રની આવર્તન પીઝોઇલેક્ટ્રિકની રેઝોનન્સ આવર્તન જેટલી હોય, તો યાંત્રિક વિરૂપતાનું કંપનવિસ્તાર મહત્તમ હશે. નમૂનાની રેઝોનન્સ આવર્તન સૂત્ર દ્વારા નક્કી કરી શકાય છે (V એ યાંત્રિક તરંગોના પ્રસારની ગતિ છે, h એ નમૂનાની જાડાઈ છે):

પીઝોઇલેક્ટ્રિક સામગ્રીની સૌથી મહત્વપૂર્ણ લાક્ષણિકતા એ ઇલેક્ટ્રોમિકેનિકલ કપ્લીંગ ગુણાંક છે, જે નમૂના પર અસર દ્વારા તેમના ઉત્તેજના પર ખર્ચવામાં આવેલ યાંત્રિક સ્પંદનો Pa અને વિદ્યુત શક્તિ Pe વચ્ચેનો ગુણોત્તર દર્શાવે છે. આ ગુણાંક સામાન્ય રીતે 0.01 થી 0.3 ની રેન્જમાં મૂલ્ય લે છે.

પીઝોઇલેક્ટ્રિક્સ સમપ્રમાણતાના કેન્દ્ર વિના સહસંયોજક અથવા આયનીય બોન્ડ સાથે સામગ્રીની સ્ફટિક રચના દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે. ઓછી વાહકતા ધરાવતી સામગ્રી, જેમાં નગણ્ય ફ્રી ચાર્જ કેરિયર્સ હોય છે, તે ઉચ્ચ પીઝોઇલેક્ટ્રિક લાક્ષણિકતાઓ દ્વારા અલગ પડે છે.પીઝોઇલેક્ટ્રિક્સમાં તમામ ફેરોઇલેક્ટ્રિક્સ, તેમજ ક્વાર્ટઝના સ્ફટિકીય ફેરફાર સહિત જાણીતી સામગ્રીનો સમાવેશ થાય છે.

સિંગલ ક્રિસ્ટલ પીઝોઇલેક્ટ્રિક્સ

પીઝોઈલેક્ટ્રીક્સના આ વર્ગમાં આયનીય ફેરોઈલેક્ટ્રીક્સ અને સ્ફટિકીય ક્વાર્ટઝ (બીટા-ક્વાર્ટઝ SiO2)નો સમાવેશ થાય છે.

બીટા ક્વાર્ટઝના સિંગલ ક્રિસ્ટલની બાજુઓ પર બે પિરામિડ સાથે ષટ્કોણ પ્રિઝમનો આકાર હોય છે. ચાલો અહીં થોડા ક્રિસ્ટલોગ્રાફિક દિશાઓ પ્રકાશિત કરીએ. Z અક્ષ પિરામિડના શિખરોમાંથી પસાર થાય છે અને તે ક્રિસ્ટલની ઓપ્ટિકલ અક્ષ છે. જો પ્લેટને આવા સ્ફટિકમાંથી આપેલ ધરી (Z) ની લંબ દિશામાં કાપવામાં આવે, તો પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર પ્રાપ્ત કરી શકાતી નથી.

ષટ્કોણના શિરોબિંદુઓ દ્વારા X અક્ષો દોરો, આવા ત્રણ X અક્ષો છે. જો તમે પ્લેટોને X અક્ષો પર લંબરૂપ કાપી નાખો, તો અમને શ્રેષ્ઠ પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર સાથેનો નમૂનો મળે છે. તેથી જ X-અક્ષોને ક્વાર્ટઝમાં ઇલેક્ટ્રિક અક્ષ કહેવામાં આવે છે. ક્વાર્ટઝ ક્રિસ્ટલની બાજુઓ પર કાટખૂણે દોરેલા ત્રણેય Y અક્ષો યાંત્રિક અક્ષો છે.

આ પ્રકારનું ક્વાર્ટઝ નબળા પીઝોઇલેક્ટ્રિક્સનું છે, તેનું ઇલેક્ટ્રોમિકેનિકલ કપ્લીંગ ગુણાંક 0.05 થી 0.1 ની રેન્જમાં છે.

સ્ફટિકીય ક્વાર્ટઝ 573 °C સુધીના તાપમાને પીઝોઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મો જાળવવાની તેની ક્ષમતાને કારણે સૌથી વધુ લાગુ પડે છે. ક્વાર્ટઝ પીઝોઇલેક્ટ્રિક રેઝોનેટર્સ તેમની સાથે જોડાયેલા ઇલેક્ટ્રોડ સાથે પ્લેન-સમાંતર પ્લેટો કરતાં વધુ કંઈ નથી. આવા તત્વો ઉચ્ચારણ કુદરતી રેઝોનન્સ આવર્તન દ્વારા અલગ પડે છે.

લિથિયમ નિઓબાઇટ (LiNbO3) આયન ફેરોઇલેક્ટ્રિક્સ (લિથિયમ ટેન્ટાલેટ LiTaO3 અને બિસ્મથ જર્મનેટ Bi12GeO20 સાથે) સંબંધિત વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાતી પીઝોઇલેક્ટ્રિક સામગ્રી છે.આયોનિક ફેરોઇલેક્ટ્રિક્સને સિંગલ-ડોમેન સ્થિતિમાં લાવવા માટે ક્યુરી પોઇન્ટથી નીચેના તાપમાને મજબૂત ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડમાં પૂર્વ-એનીલ કરવામાં આવે છે. આવી સામગ્રીમાં ઇલેક્ટ્રોમિકેનિકલ કપ્લિંગ (0.3 સુધી) ના ઉચ્ચ ગુણાંક હોય છે.

કેડમિયમ સલ્ફાઇડ CdS, ઝીંક ઓક્સાઇડ ZnO, ઝીંક સલ્ફાઇડ ZnS, કેડમિયમ સેલેનાઇડ CdSe, ગેલિયમ આર્સેનાઇડ GaAs, વગેરે. તેઓ આયનીય-સહસંયોજક બોન્ડ સાથે સેમિકન્ડક્ટર-પ્રકારના સંયોજનોના ઉદાહરણો છે. આ કહેવાતા પીઝો સેમિકન્ડક્ટર છે.

આ દ્વિધ્રુવીય ફેરોઇલેક્ટ્રિક્સના આધારે, ઇથિલેનેડિયામાઇન ટર્ટ્રેટ C6H14N8O8, ટુરમાલાઇન, રોશેલ મીઠાના સિંગલ ક્રિસ્ટલ્સ, લિથિયમ સલ્ફેટ Li2SO4H2O — પીઝોઇલેક્ટ્રિક્સ પણ મેળવવામાં આવે છે.

પોલીક્રિસ્ટલાઇન પીઝોઇલેક્ટ્રિક્સ

ફેરોઇલેક્ટ્રિક સિરામિક્સ પોલીક્રિસ્ટલાઇન પીઝોઇલેક્ટ્રિક્સથી સંબંધિત છે. ફેરોઇલેક્ટ્રિક સિરામિક્સને પીઝોઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મો આપવા માટે, આવા સિરામિક્સને 100 થી 150 ° સે તાપમાને મજબૂત ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડમાં (2 થી 4 MV / મીટરની તાકાત સાથે) એક કલાક માટે ધ્રુવીકરણ કરવું આવશ્યક છે, જેથી આ એક્સપોઝર પછી , ધ્રુવીકરણ તેમાં રહે છે, જે પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર મેળવવાનું શક્ય બનાવે છે. આમ, 0.2 થી 0.4 ના પીઝોઇલેક્ટ્રિક કપલિંગ ગુણાંક સાથે મજબૂત પીઝોઇલેક્ટ્રિક સિરામિક્સ મેળવવામાં આવે છે.

જરૂરી આકારના પીઝોઇલેક્ટ્રિક તત્વો પીઝોસેરામિક્સથી બનેલા હોય છે જેથી તે જરૂરી પ્રકૃતિના યાંત્રિક સ્પંદનો (રેખાંશ, ટ્રાંસવર્સ, બેન્ડિંગ) મેળવી શકે. ઔદ્યોગિક પીઝોસેરામિક્સના મુખ્ય પ્રતિનિધિઓ બેરિયમ ટાઇટેનેટ, કેલ્શિયમ, લીડ, લીડ ઝિર્કોનેટ-ટાઇટનેટ અને બેરિયમ લીડ નિયોબેટના આધારે બનાવવામાં આવે છે.

પોલિમર પીઝોઇલેક્ટ્રિક્સ

પોલિમર ફિલ્મો (દા.ત. પોલીવિનાલીડીન ફ્લોરાઈડ) 100-400% સુધી ખેંચાય છે, પછી ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડમાં ધ્રુવીકરણ થાય છે, અને પછી ધાતુકરણ દ્વારા ઇલેક્ટ્રોડ્સ લાગુ કરવામાં આવે છે. આમ, 0.16 ના ક્રમના ઇલેક્ટ્રોમિકેનિકલ કપ્લીંગ ગુણાંક સાથે ફિલ્મ પીઝોઇલેક્ટ્રિક તત્વો મેળવવામાં આવે છે.

પીઝોઇલેક્ટ્રિક્સનો ઉપયોગ

અલગ અને એકબીજા સાથે જોડાયેલા પીઝોઇલેક્ટ્રિક તત્વો તૈયાર રેડિયો એન્જિનિયરિંગ ઉપકરણોના સ્વરૂપમાં મળી શકે છે - તેમની સાથે જોડાયેલા ઇલેક્ટ્રોડ્સ સાથે પીઝોઇલેક્ટ્રિક ટ્રાન્સડ્યુસર્સ.

આવા ઉપકરણો, ક્વાર્ટઝ, પીઝોઇલેક્ટ્રિક સિરામિક્સ અથવા આયનીય પીઝોઇલેક્ટ્રિક્સથી બનેલા, વિદ્યુત સંકેતો બનાવવા, પરિવર્તન કરવા અને ફિલ્ટર કરવા માટે વપરાય છે. ક્વાર્ટઝ ક્રિસ્ટલમાંથી પ્લેન-સમાંતર પ્લેટ કાપવામાં આવે છે, ઇલેક્ટ્રોડ્સ જોડાયેલા હોય છે - એક રિઝોનેટર મેળવવામાં આવે છે.

રેઝોનેટરની આવર્તન અને ક્યૂ-ફેક્ટર ક્રિસ્ટલોગ્રાફિક અક્ષોના કોણ પર આધાર રાખે છે કે જેના પર પ્લેટ કાપવામાં આવે છે. સામાન્ય રીતે, 50 MHz સુધીની રેડિયો ફ્રિકવન્સી રેન્જમાં, આવા રેઝોનેટરનું Q પરિબળ 100,000 સુધી પહોંચે છે. વધુમાં, પીઝોઇલેક્ટ્રિક ટ્રાન્સડ્યુસરનો વ્યાપકપણે વ્યાપક આવર્તન શ્રેણી માટે, ઉચ્ચ ઇનપુટ અવબાધ સાથે પીઝોઇલેક્ટ્રિક ટ્રાન્સફોર્મર તરીકે વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે.

ગુણવત્તા પરિબળ અને આવર્તનના સંદર્ભમાં, ક્વાર્ટઝ આયન પીઝોઇલેક્ટ્રિક્સ કરતાં વધુ સારું પ્રદર્શન કરે છે, જે 1 ગીગાહર્ટ્ઝ સુધીની ફ્રીક્વન્સીઝ પર કાર્ય કરવા સક્ષમ છે. સૌથી પાતળી લિથિયમ ટેન્ટાલેટ પ્લેટ્સનો ઉપયોગ 0.02 થી 1 ગીગાહર્ટ્ઝની આવર્તન સાથે અલ્ટ્રાસોનિક સ્પંદનોના ઉત્સર્જક અને રીસીવર તરીકે, રેઝોનેટર, ફિલ્ટર્સ, સપાટીના એકોસ્ટિક તરંગોની વિલંબ રેખાઓમાં થાય છે.

ડાઇઇલેક્ટ્રિક સબસ્ટ્રેટ્સ પર જમા થયેલ પીઝોઇલેક્ટ્રિક સેમિકન્ડક્ટર્સની પાતળી ફિલ્મોનો ઉપયોગ ઇન્ટરડિજિટલ ટ્રાન્સડ્યુસર્સમાં થાય છે (અહીં વેરિયેબલ ઇલેક્ટ્રોડનો ઉપયોગ સપાટીના એકોસ્ટિક તરંગોને ઉત્તેજિત કરવા માટે થાય છે).

ઓછી-આવર્તન પીઝોઇલેક્ટ્રિક ટ્રાન્સડ્યુસર્સ દ્વિધ્રુવી ફેરોઇલેક્ટ્રિક્સના આધારે બનાવવામાં આવે છે: લઘુચિત્ર માઇક્રોફોન, લાઉડસ્પીકર્સ, પિકઅપ્સ, દબાણ માટેના સેન્સર, વિરૂપતા, કંપન, પ્રવેગક, અલ્ટ્રાસોનિક ઉત્સર્જકો.