TRASMETTITORI E RICEVITORI ULTRASUONI

Attualmente, la strumentazione ad ultrasuoni (US) è ​​utilizzata in vari campi della scienza e della tecnologia: il rilevamento dei difetti, la diagnostica medica, lo studio delle proprietà fisiche dei materiali, il controllo delle dimensioni geometriche degli oggetti, ecc. L'elaborazione dei segnali utili è molto facilitato se le onde degli impulsi acustici hanno una determinata caratteristica spazio-temporale. Pertanto, le capacità funzionali e metrologiche più importanti delle apparecchiature ad ultrasuoni per i test non distruttivi sono determinate, di regola, dai parametri dei trasduttori elettromeccanici: emettitori e ricevitori di vibrazioni ultrasoniche. I trasduttori ad ultrasuoni sono dispositivi progettati per convertire le vibrazioni elettriche in vibrazioni meccaniche e viceversa. Vari tipi di trasduttori vengono utilizzati come sensori primari. Secondo il principio di funzionamento, i convertitori sono divisi in gruppi:

– meccanico;

– elettrodinamico;

- elettrostrittivo;

– piezoelettrico;

– magnetodinamico;

- magnetostrittivo, ecc.

I trasduttori piezoelettrici (PT) sono i più utilizzati nei moderni strumenti di rilevamento dei difetti a ultrasuoni.

Effetto piezoelettrico

Sotto l'influenza di sollecitazioni meccaniche o deformazioni, nel cristallo può verificarsi una polarizzazione elettrica, la cui entità e segno dipendono dalla direzione e dal valore della tensione applicata. Questo fenomeno, chiamato effetto piezoelettrico, è alla base dei trasduttori piezoelettrici.

Come materiali per elementi piezoelettrici vengono utilizzati cristalli ionici, nella cui struttura si trovano ioni opposti (cationi e anioni). Per alcuni tipi di simmetria del reticolo cristallino dei cristalli ionici, la loro deformazione porta ad una ridistribuzione spaziale delle cariche elettriche. In altre parole, la natura dell'effetto piezoelettrico è associata a un cambiamento nella posizione degli ioni nel reticolo cristallino di una sostanza. Sotto l'influenza della deformazione, gli ioni si muovono in modo tale che si formino dipoli elettrici e il cristallo si polarizzi (Fig. 1.1).

Se viene applicata una tensione elettrica alternata alle superfici dell'elemento piezoelettrico, il trasduttore, a causa dell'effetto piezoelettrico, genererà vibrazioni meccaniche (comprimere e allungare) con la frequenza della tensione elettrica applicata. Pertanto, il trasduttore piezoelettrico consente di trasformare le vibrazioni elettriche in ultrasuoni (modalità di radiazione) e viceversa, ultrasoniche in elettriche (modalità di ricezione).

Nei trasduttori dei rilevatori di difetti a ultrasuoni, gli elementi piezoelettrici hanno solitamente la forma di piastre parallele al piano. Sulla fig. La Figura 1.2 mostra i vari tipi di deformazione che può subire una lastra. La deformazione tenso-compressiva viene utilizzata per generare o ricevere vibrazioni longitudinali e la deformazione a taglio viene utilizzata per generare o ricevere vibrazioni trasversali.

Da un punto di vista matematico, l'effetto piezoelettrico può essere definito come un insieme di equazioni che mettono in relazione linearmente grandezze meccaniche ed elettriche. Si chiamano i coefficienti di proporzionalità tra queste grandezze coefficienti piezoelettrici (moduli piezoelettrici), che nel caso generale sono tensori di terzo rango. Ciò è dovuto al fatto che, a causa della bassa simmetria della struttura cristallina, qualsiasi piezomateriale è una sostanza anisotropa.

Equazioni piezoelettriche dirette:

Equazioni piezoelettriche inverse:

dov'è il vettore di polarizzazione; è il tensore delle sollecitazioni meccaniche; è il tensore di deformazione relativo; è il vettore dell'intensità del campo elettrico; , , , sono moduli piezoelettrici.

A causa della simmetria negli indici io, k i moduli piezo hanno 18 componenti indipendenti. Le equazioni (1.1–1.8) mostrano lo stato di un campione con proprietà piezoelettriche:

1) campione bloccato meccanico: la deformazione è costante e uguale a zero.

2) campione meccanicamente libero - le sollecitazioni sono pari a zero.

3) stato elettricamente libero (cortocircuito): l'intera superficie è sotto lo stesso potenziale.

4) lo stato elettricamente bloccato (aperto) corrisponde al completo isolamento elettrico del campione, ovvero all'assenza di cariche libere sulla sua superficie.

Riso. 1.1. Posizione degli ioni in un cristallo:

a – non vi è alcuna deformazione, il cristallo è elettricamente neutro;

b - spostamento di cariche per deformazione

Riso. 1.2. Tipi di deformazione delle piastre piezoelettriche:

a – tensione-compressione dello spessore; b - stiramento-compressione in larghezza;

c - spostamento di spessore; d - spostamento in larghezza

In pratica, i coefficienti e sono più spesso implementati. Il coefficiente caratterizza la polarizzazione elettrica. I materiali di grande valore vengono utilizzati nella modalità di ricezione ed emissione, se è necessaria una forte deformazione. I materiali con un grande valore del coefficiente piezoelettrico vengono utilizzati nelle modalità di ricezione ed emissione per creare una grande tensione. Va sottolineato che i moduli piezoelettrici degli effetti piezoelettrici diretti e inversi non sono uguali tra loro. La simmetria del tensore piezoelettrico consente di utilizzare la forma matriciale delle equazioni nei calcoli pratici. In questo caso si introduce la seguente notazione:

E prendi in considerazione le uguaglianze:

La matrice dei moduli piezoelettrici d per i cristalli di quarzo a ha la forma

.

Le righe della matrice caratterizzano la polarizzazione lungo gli assi cristallografici X, Y e Z(rispettivamente righe 1, 2 e 3). Ne consegue dalla matrice di cui sopra che lungo la direzione Z il quarzo è piezoelettricamente neutro. Modulo D 11 caratterizza la deformazione delle piastre piezoelettriche del tipo tensione-compressione, D 14 - deformazione a taglio.

Di maggiore interesse pratico è l'effetto piezoelettrico inverso eccitato in un piezoelettrico da una tensione alternata applicata ad esso. In questo caso, la lastra di quarzo eseguirà oscillazioni meccaniche forzate nel tempo con la variazione del campo esterno. L'ampiezza di queste oscillazioni raggiunge un massimo quando la frequenza del campo elettrico è uguale alla frequenza delle oscillazioni naturali della piastra.

A causa dell'effetto piezoelettrico inverso, possono verificarsi fluttuazioni lungo la lunghezza e lo spessore della piastra. Se trascuriamo le oscillazioni lungo la lunghezza, la frequenza naturale delle principali oscillazioni longitudinali sarà uguale a

, (1.9)

dove ρ è la densità del cristallo, Dalle 11è il modulo di elasticità corrispondente al tipo e all'orientamento delle oscillazioni dati. Tuttavia, questa formula è corretta solo nell'approssimazione dell'assenza di compressione trasversale.

Un piezocristallo è un trasduttore elettromeccanico. Quando viene applicata la tensione, viene immagazzinata una certa quantità di energia elettrica, parte della quale, a causa delle proprietà piezoelettriche del cristallo, viene convertita nell'energia meccanica delle deformazioni elastiche. Il rapporto di queste energie è una misura dell'efficienza di un convertitore elettromeccanico ed è chiamato coefficiente di accoppiamento elettromeccanico K.

Con le fluttuazioni di spessore, l'energia meccanica per unità di volume del cristallo è definita come

, (1.10)

energia elettrica per unità di volume:

Il quadrato del coefficiente di accoppiamento elettromeccanico k2è definito come il rapporto tra l'energia meccanica generata nel cristallo e l'energia elettrica in esso immagazzinata, quindi

. (1.12)

Questo coefficiente mette in relazione il modulo piezoelettrico con i parametri elastici e dielettrici del cristallo, cioè caratterizza al meglio il cristallo come trasduttore elettromeccanico.

Insieme ai trasduttori piezoelettrici, altri fenomeni fisici vengono utilizzati ai fini del controllo ultrasonico, ad esempio l'elettrostrizione. La principale caratteristica distintiva dell'effetto di elettrostrizione è la relazione non lineare tra grandezze elettriche e meccaniche. Semplificata, l'equazione di elettrostrizione può essere scritta nella forma seguente:

dove è il coefficiente di elettrostrizione (di solito è un tensore di quarto rango, ha 81 componenti indipendenti).

Nel 1880, i fratelli Jacques e Pierre Curie scoprirono che quando alcuni cristalli naturali venivano compressi o allungati, sulle facce del cristallo apparivano cariche elettriche. I fratelli chiamavano questo fenomeno "piezoelettricità" (la parola greca "piezo" significa "torchio"), e loro stessi chiamavano tali cristalli cristalli piezoelettrici.

Si è scoperto, effetto piezoelettrico possiedono tormalina, quarzo e altri cristalli naturali, oltre a molti cristalli coltivati ​​artificialmente. Tali cristalli si aggiungono regolarmente all'elenco dei cristalli piezoelettrici già noti.

Quando un tale cristallo piezoelettrico viene allungato o compresso nella direzione desiderata, su alcune delle sue facce sorgono cariche elettriche opposte, che hanno una piccola differenza di potenziale.

Se, tuttavia, su queste facce vengono posizionati elettrodi interconnessi, al momento della compressione o dell'allungamento del cristallo, nel circuito formato dagli elettrodi apparirà un breve impulso elettrico. Questa sarà una manifestazione dell'effetto piezoelettrico. A pressione costante, un tale impulso non si verificherà.

Le proprietà intrinseche di questi cristalli consentono di produrre strumenti precisi e sensibili.

Il cristallo piezoelettrico ha un'elevata elasticità. Quando la forza di deformazione viene rimossa, il cristallo, senza inerzia, ritorna al suo volume e forma originari. Vale la pena fare ancora uno sforzo o cambiare quello già applicato e risponderà immediatamente con un nuovo impulso di corrente. È il miglior registratore di vibrazioni meccaniche molto deboli che lo raggiungono. La forza di corrente nel circuito di un cristallo oscillante è piccola, e questo era un ostacolo al momento della scoperta dell'effetto piezoelettrico da parte dei fratelli Curie.

Nella tecnologia moderna, questo non è un ostacolo, perché la corrente può essere amplificata milioni di volte. Ora sono noti alcuni cristalli che hanno un effetto piezoelettrico molto significativo. E la corrente ricevuta da loro può essere trasmessa su cavi su lunghe distanze anche senza previa amplificazione.

I cristalli piezoelettrici hanno trovato applicazione nel rilevamento di difetti ad ultrasuoni, per rilevare i difetti all'interno dei prodotti in metallo. Nei convertitori elettromeccanici per la stabilizzazione delle radiofrequenze, nei filtri di comunicazione telefonica multicanale, quando si effettuano più conversazioni contemporaneamente su un filo, negli adattatori, in molti campi tecnici, i cristalli piezoelettrici hanno preso la loro posizione incrollabile.

Si è rivelata un'importante proprietà dei cristalli piezoelettrici effetto piezo inverso. Se vengono applicate cariche di segni opposti a determinate facce di un cristallo, i cristalli stessi saranno deformati. Se si impongono vibrazioni elettriche della frequenza del suono su un cristallo, esso inizierà a oscillare con la stessa frequenza e le onde sonore verranno eccitate nell'aria circostante. Quindi lo stesso cristallo può fungere sia da microfono che da altoparlante.

Un'altra caratteristica dei cristalli piezoelettrici li ha resi parte integrante della moderna ingegneria radiofonica. Possedendo una propria frequenza di oscillazioni meccaniche, il cristallo inizia a oscillare in modo particolarmente forte nel momento in cui la frequenza della tensione alternata fornita coincide con esso.

Questa è una manifestazione di risonanza elettromeccanica, sulla base della quale vengono creati stabilizzatori piezoelettrici, grazie ai quali la frequenza viene mantenuta costante nei generatori di oscillazioni continue.

In modo simile, reagiscono anche alle vibrazioni meccaniche, la cui frequenza coincide con la frequenza delle oscillazioni naturali del piezocristallo. Questo permette di creare dispositivi acustici che distinguano da tutti i suoni raggiungendoli solo quelli che servono a determinati scopi.

Per i dispositivi piezo non prendere cristalli interi. I cristalli vengono segati in strati rigorosamente orientati rispetto ai loro assi cristallografici, questi strati vengono quindi utilizzati per realizzare lastre rettangolari o rotonde, che vengono poi macinate a una certa dimensione. Lo spessore delle piastre viene mantenuto con cura, poiché da esso dipende la frequenza di risonanza delle oscillazioni. Vengono chiamate una o più piastre collegate a strati metallici su due ampie superfici elementi piezoelettrici.

Quando un dielettrico è posto in un campo elettrico esterno, sulle cariche delle sue molecole agiscono delle forze che deformano il dielettrico e creano sollecitazioni meccaniche interne. La deformazione del dielettrico è proporzionale al quadrato dell'intensità del campo elettrico. Questo fenomeno è chiamato "elettrostrizione". L'elettrostrizione è dovuta alla polarizzazione dei dielettrici in un campo elettrico e si osserva nei dielettrici solidi, liquidi e gassosi. L'elettrostrizione dovrebbe essere distinta dal cosiddetto effetto piezoelettrico inverso. Con l'effetto piezoelettrico inverso, la deformazione del dielettrico è proporzionale all'intensità del campo elettrico.

Nei mezzi isotropi, inclusi gas e liquidi, l'elettrostrizione si osserva come un cambiamento di densità sotto l'azione di un campo elettrico.

Nei cristalli anisotropi, l'elettrostrizione può essere descritta dalla relazione tra due tensori del 2° rango: il tensore del quadrato dell'intensità del campo elettrico e il tensore della deformazione. La considerazione dell'elettrostrizione in tali cristalli esula dallo scopo di questo corso.

La deformazione di un dielettrico in un campo elettrico esterno uniforme può essere causata da un riorientamento dei dipoli (molecole) e un cambiamento nel momento di dipolo elettrico delle molecole, un cambiamento nell'interazione tra loro. In un campo elettrico esterno disomogeneo, i dipoli (molecole) del dielettrico vengono aspirati (o spinti fuori) nella regione di un campo più forte. Di conseguenza, le forze agiranno sul dielettrico fisso, provocando la deformazione del dielettrico, a seconda del grado di disomogeneità del campo elettrico.

Nella maggior parte dei dielettrici, la polarizzazione appare e scompare con la comparsa e la scomparsa di un campo elettrico esterno.

Tuttavia, alcuni dielettrici cristallini, chiamati (dal nome del rappresentante più importante del sale di Rochelle) ferroelettrici, hanno una serie di proprietà specifiche che consentono loro di essere distinti in un gruppo speciale.

I ferroelettrici includono dielettrici che hanno una polarizzazione spontanea (spontanea) in un determinato intervallo di temperatura anche in assenza di un campo elettrico esterno.

campo elettrico. Il campo elettrico emergente dei domini mantiene l'orientamento dei momenti di dipolo dei domini anche dopo la cessazione del campo elettrico esterno (Fig. 3.11).

Le principali proprietà dei ferroelettrici sono:

a) la loro permittività è molto maggiore dell'unità (e>>1);

b) la costante dielettrica dei ferroelettrici dipende dall'intensità del campo elettrico esterno (Fig. 3.12);

c) in un campo elettrico esterno, i ferroelettrici sono polarizzati alla saturazione, cioè a uno stato tale in cui un'ulteriore variazione dell'intensità del campo elettrico non cambia il vettore di polarizzazione (Fig. 3.13);

d) in un campo elettrico esterno ciclicamente variabile, sono caratterizzati dal fenomeno dell'isteresi, una complessa dipendenza del vettore di polarizzazione dall'intensità del campo elettrico. La variazione del vettore di polarizzazione è in ritardo rispetto alla variazione dell'intensità del campo elettrico (Fig. 3.14);

e) nella loro struttura, i ferroelettrici rappresentano un cluster di regioni di polarizzazione spontanea (domini), i cui momenti di dipolo elettrico hanno orientamenti caotici del vettore P(Fig.3.10, 3.11);

f) quando i ferroelettrici vengono riscaldati ad una certa temperatura T k, caratteristica di ciascun ferroelettrico, perdono tutte le loro proprietà specifiche e si trasformano in normali dielettrici polari. Il punto di transizione di fase dallo stato di un ferroelettrico allo stato di un dielettrico polare è chiamato punto di Curie e la temperatura corrispondente T alla temperatura di Curie. In alcuni casi, ci sono due punti Curie: anche le proprietà ferroelettriche scompaiono con la diminuzione della temperatura. Ci sono relativamente pochi ferroelettrici con due punti Curie. La maggior parte ha solo un punto superiore, chiamato semplicemente punto Curie.

Durante il passaggio del dielettrico dallo stato ferroelettrico allo stato del dielettrico polare, la permittività varia continuamente dal valore corrispondente allo stato ferroelettrico al valore corrispondente allo stato del dielettrico polare.

La legge di variazione della suscettibilità dielettrica c vicino alla temperatura di Curie ha la forma

, (3.28)

dove A è una costante;

T o - Curie - Temperatura di Weiss, prossima alla temperatura T to (nella maggior parte dei casi, invece di T o utilizzare T to, che non introduce errori significativi in ​​c per temperature diverse da T to). La legge espressa dalla formula (3.28) è chiamata legge di Curie-Weiss.

Le proprietà dielettriche dei cristalli non sono le stesse in direzioni diverse, e quindi la loro suscettibilità dielettrica è caratterizzata non dalla suscettività dielettrica scalare c, ma dal tensore di suscettibilità dielettrica c ij . Tuttavia, la dipendenza delle componenti del tensore dalla temperatura ha lo stesso carattere.

Oltre ai ferroelettrici, ci sono numerosi cristalli, sulla cui superficie si formano cariche elettriche durante le deformazioni. Tali cristalli sono chiamati piezoelettrici. Le cariche superficiali che si formano durante la deformazione hanno segni diversi su diverse parti della superficie. I piezoelettrici includono quarzo, tormalina, sale di Rochelle e molti altri.

Solo i cristalli ionici hanno proprietà piezoelettriche. Sotto l'azione di forze esterne, il sottoreticolo cristallino degli ioni positivi si deforma in modo diverso rispetto al sottoreticolo cristallino degli ioni negativi. Di conseguenza, si verifica uno spostamento relativo degli ioni positivi e negativi, che porta alla comparsa della polarizzazione dei cristalli e delle cariche superficiali. La polarizzazione in prima approssimazione è direttamente proporzionale alla deformazione e la deformazione del cristallo, a sua volta, è direttamente proporzionale alla forza. Pertanto, la polarizzazione è direttamente proporzionale alla forza applicata. Tra le facce con carica opposta di un dielettrico deformato sorge una differenza di potenziale, che può essere misurata, e dal suo valore si può trarre una conclusione sull'entità delle deformazioni e delle forze applicate, che trova numerose applicazioni pratiche. Ad esempio, ci sono sensori piezoelettrici per misurare pressioni che cambiano rapidamente. Noti microfoni piezoelettrici, sensori piezoelettrici nell'automazione e nella telemeccanica, ecc.

Oltre all'effetto piezoelettrico diretto, nei piezoelettrici esiste un effetto piezoelettrico inverso. Consiste nel fatto che in un campo elettrico esterno il piezoelettrico si deforma. La sua esistenza deriva dalla presenza di un effetto diretto e dalla legge di conservazione dell'energia. Quando un piezoelettrico viene deformato, il lavoro viene speso per la formazione dell'energia di deformazione elastica e dell'energia del campo elettrico che si forma come risultato dell'effetto piezoelettrico. Pertanto, quando si deforma un piezoelettrico, è necessario vincere una forza aggiuntiva, oltre alla forza elastica del cristallo, che impedisce la deformazione ed è un fattore che causa l'effetto piezoelettrico inverso. Per compensare la forza aggiuntiva, è necessario applicare un campo elettrico esterno opposto a quello che si verifica nell'effetto piezoelettrico. Quindi, per ottenere una certa deformazione di un piezoelettrico sotto l'influenza di un campo elettrico esterno, è necessario che sia uguale, ma opposto al campo che si forma a seguito di una data deformazione per effetto del piezoelettrico diretto effetto. Il meccanismo dell'effetto piezoelettrico inverso è simile al meccanismo dell'effetto piezoelettrico diretto. Sotto l'azione di un campo elettrico esterno, i sottoreticoli cristallini di ioni positivi e negativi si deformano in modi diversi, il che porta alla deformazione dei cristalli.

L'effetto piezoelettrico inverso ha anche numerose applicazioni pratiche, in particolare sono ampiamente utilizzati emettitori di ultrasuoni al quarzo.

In alcuni piezoelettrici, il sottoreticolo di ioni positivi è spostato rispetto al sottoreticolo di ioni negativi in ​​uno stato di equilibrio termodinamico, in conseguenza del quale tali cristalli sono polarizzati in assenza di un campo elettrico esterno. Si chiamano piroelettrici.

Solitamente, la presenza di polarizzazione spontanea è mascherata da cariche superficiali libere che appaiono sulla superficie del cristallo dall'ambiente sotto l'azione di un campo elettrico associato a polarizzazione spontanea. Questo processo continua fino a quando il campo elettrico non è completamente neutralizzato. Tuttavia, quando la temperatura del campione cambia, ad esempio quando viene riscaldata, i sottoreticoli ionici vengono spostati l'uno rispetto all'altro, di conseguenza la polarizzazione spontanea cambia e le cariche elettriche appaiono sulla superficie del cristallo. Il verificarsi di queste cariche è chiamato effetto piroelettrico diretto.

Ogni piroelettrico è un piezoelettrico, ma non tutti i piezoelettrici sono piroelettrici. Ciò è dovuto al fatto che un piroelettrico ha una direzione preferita lungo la quale esiste una polarizzazione spontanea, mentre un piezoelettrico non ha una tale direzione preferita.

Si osserva anche un effetto piroelettrico inverso: una variazione del campo elettrico in un piroelettrico isolato adiabaticamente è accompagnata da una variazione della sua temperatura. La necessità della sua esistenza può essere dimostrata sulla base dell'analisi termodinamica del processo e dimostrata mediante esperimenti. L'effetto piroelettrico inverso è talvolta chiamato effetto elettrocalorico.

Con l'effetto elettrocalorico nei piroelettrici, la variazione di temperatura è proporzionale alla variazione dell'intensità del campo elettrico; in altre sostanze si osserva solo un effetto elettrocalorico quadratico più piccolo.

Esistono dielettrici che mantengono a lungo uno stato polarizzato dopo la rimozione dell'influenza esterna che ha causato la polarizzazione e creano un campo elettrico nello spazio circostante (analoghi elettrici dei magneti permanenti). Tali dielettrici sono chiamati "elettretti".

Se una sostanza le cui molecole hanno un momento di dipolo viene fusa e posta in un forte campo elettrico, le sue molecole si allineeranno parzialmente nella direzione del campo. Quando il fuso viene raffreddato in un campo elettrico e il campo viene successivamente disattivato nella sostanza solidificata, la rotazione delle molecole è difficile e manterranno a lungo il loro orientamento preferito.

Il primo elettrete fu realizzato con questo metodo nel 1922 dal fisico giapponese Yoguchi.

Nella produzione di elettrete, i portatori di carica degli elettrodi o dello spazio interelettrodico possono passare nel dielettrico. I vettori possono anche essere creati artificialmente, ad esempio, mediante irraggiamento con un raggio di elettroni.

Gli elettreti stabili si ottengono con vari metodi:

riscaldamento e poi raffreddamento in un forte campo elettrico (termoelettrico);

illuminazione in un forte campo elettrico (fotoelettrico);

Irradiazione, radiazioni radioattive (radio electrets);

polarizzazione in un forte campo elettrico senza riscaldamento (elettroelettrico) o in un campo magnetico (magnetoelettrico);

quando si solidificano soluzioni organiche in un campo elettrico (crioelettrico);

deformazione meccanica dei polimeri (meccano-elettretti);

attrito (triboelettroliti);

· l'azione del campo di scarica corona (corona electrets).

Tutti gli elettrete hanno una carica superficiale stabile.

Gli electreti sono usati come sorgenti di un campo elettrico costante (microfoni e telefoni electret, sensori di vibrazione, generatori di segnali variabili deboli, elettrometri, voltmetri elettrostatici, ecc.), nonché sensori sensibili nei dispositivi di dosimetria, memoria elettrica; per la produzione di barometri, igrometri e filtri per gas, sensori piezoelettrici, ecc. I fotoelettrici sono utilizzati nell'elettrofotografia.

Ferroelettrico

Dielettrici attivi

Si tratta di materiali organici e inorganici, le cui proprietà possono essere controllate da influenze energetiche esterne e queste influenze possono essere utilizzate per creare elementi funzionali dell'elettronica.

Questi includono materiali ferroelettrici, piezoelettrici, piroelettrici, elettrete, materiali per l'elettronica quantistica, materiali a cristalli liquidi, elettromagneti e acusto-ottici, ecc.

Non esiste un confine netto tra dielettrici passivi e attivi. Lo stesso materiale può svolgere funzioni passive (isolante, substrato, condensatore) e attive dell'elemento trasformante. I requisiti per i dielettrici attivi sono opposti: instabilità delle proprietà e il cambiamento più forte in qualsiasi proprietà sotto l'influenza esterna.

I dielettrici attivi sono spesso classificati in base al tipo di effetti fisici che possono essere utilizzati per controllare le proprietà. Tuttavia, lo stesso materiale può essere sensibile a diversi tipi di influenze energetiche. I più versatili sono i ferroelettrici (sono anche piezoelettrici, piroelettrici, materiali ottici non lineari, ecc.)

Raggruppiamo i dielettrici attivi in ​​base alle loro proprietà più importanti o alla loro specificità.

Queste sono sostanze che hanno una polarizzazione spontanea, la cui direzione può essere cambiata usando un campo elettrico esterno.

In assenza di un campo elettrico, i ferroelettrici hanno una struttura di domini con direzioni diverse dei momenti elettrici dei domini. La polarizzazione totale può essere uguale a 0. Un campo elettrico esterno cambia la direzione dei momenti elettrici, creando l'effetto di una forte polarizzazione. Da qui, e può crescere fino a centinaia di migliaia. La conseguenza della struttura del dominio dei ferroelettrici è la dipendenza non lineare della loro induzione elettrica dalla tensione del campo elettrico e la presenza di isteresi dielettrica (dovuta allo spostamento irreversibile delle pareti del dominio).

Punto B: tutti i domini sono orientati al campo. Fino al punto Un cambiamento reversibile nei muri di dominio, quindi AB - irreversibile

Quando l'intensità del campo viene rimossa, l'induzione non scende a "0", ma assume un certo valore. Quando la polarità cambia, il campo diminuisce rapidamente e cambia direzione. Quando la temperatura aumenta, la struttura del dominio si rompe. La temperatura di transizione di fase è chiamata punto di Curie ferroelettrico. Al punto Curie e è massimo. Per BaTiO 3 T k \u003d 120 o C.

Esistono diverse centinaia di composti con le proprietà dei ferroelettrici: possono essere cristalli ionici e dipoli. La temperatura del punto di Curie varia da 15 K (Pb 2 Nb 2 O 4) a 1483 K (LiNbO 3).

Ionico: BaTiO 3 , PbTiO 3 , KNbO 3 , LiTaO 3 .

Dipolo: sale di Rochelle (NaKC 4 H 4 O 6 4H 2 O), KH 2 PO 4, NaNo 2.

Applicazione dei ferroelettrici:

1. fabbricazione di condensatori di piccola taglia con grande capacità specifica;

2. produzione di amplificatori dielettrici, modulatori;

3. come celle di memoria nella tecnologia informatica;

4. fabbricazione di trasduttori piezoelettrici e piroelettrici.

Per la produzione di condensatori vengono utilizzati materiali ferroceramici (soluzioni solide, miscele di fasi cristalline), che non hanno forti dipendenze dalla temperatura:

Il materiale T-900 è una soluzione solida di SrTiO 3 e Bi 4 Ti 3 O 12 . T k \u003d -140 su C; e 20 o \u003d 900

Materiale CM-1 - BaTiO 3 + ZrO 2 + Bi 2 O 3. e 20 o \u003d 3000 - utilizzato per piccoli condensatori.

Il materiale T-9000 - una soluzione solida di BaTiO 3 - BaZrO 3 e 20 o \u003d 8000 - viene utilizzato per condensatori ad alta tensione.

Per i materiali per varicondi (condensatori non lineari) utilizzati per controllare i parametri dei circuiti elettrici, e varia da 4 a 50 volte (soluzioni solide Ba(Ti, Sn)O 3 , Pb(Ti, Zr, Sn)O 3).

I materiali per le celle di memoria sono ferroelettrici con un ciclo di isteresi rettangolare. Il primo è il solfato di triglicina.

A E = 0, ci sono due stati stabili. Uno viene utilizzato per memorizzare "1" e l'altro "0". La lettura delle informazioni può essere effettuata senza distruggerle: con il metodo ottico o misurando la resistenza di un film semiconduttore depositato su un ferroelettrico. Il tempo di commutazione della cella è di diversi microsecondi (inferiore a quello dei cristalli singoli).

Cristalli elettro-ottici: cambiano l'indice di rifrazione del mezzo sotto l'influenza di un campo elettrico esterno. Se n ~ E, l'effetto elettro-ottico è lineare o effetto Pockels, se n 2 ~ E - quadratico o effetto Kerr.

L'effetto elettro-ottico viene utilizzato per modulare la radiazione laser. I modulatori di luce elettro-ottici sono basati su LiNbO 3 , KH 2 PO 4 , TP Pb(Ti,Zr)O 3 .

Materiali dell'ottica non lineare: utilizzano l'effetto della polarizzazione non lineare del mezzo sotto l'azione di potenti fasci di luce creati dai laser (n dipende dall'onda luminosa). Ciò consente di convertire le frequenze dei segnali ottici (trasformare la radiazione IR in radiazione visibile). KH 2 PO 4, LiNbO 3, LiIO 3, ecc. sono efficaci.

L'effetto piezoelettrico (effetto piezoelettrico) si osserva nei cristalli di alcune sostanze che hanno una certa simmetria. I minerali piezoelettrici più comuni in natura sono quarzo, tormalina, sfalerite e nefelina. Alcuni dielettrici policristallini a struttura ordinata (materiali ceramici e polimeri) hanno un effetto piezoelettrico. Si chiamano dielettrici che esibiscono l'effetto piezoelettricopiezoelettrici.

Riso. uno

Le forze meccaniche esterne, che agiscono in determinate direzioni su un cristallo piezoelettrico, causano non solo deformazioni meccaniche in esso (come in qualsiasi corpo solido), ma anche polarizzazione elettrica, cioè la comparsa di cariche elettriche di segni diversi sulle sue superfici (Fig. 1a, F- forze agenti, P - vettore di polarizzazione elettrica). Con la direzione opposta delle forze meccaniche, i segni delle cariche cambiano(Fig. 1b). Questo fenomeno si chiamaeffetto piezo diretto(Fig. 2a).

Riso. 2

Ma l'effetto piezoelettrico è reversibile. Quando un piezoelettrico è esposto a un campo elettrico della direzione corrispondente, si verificano deformazioni meccaniche in esso (Fig. 1c).Quando la direzione del campo elettrico cambia, le deformazioni cambiano di conseguenza(Fig. 1d). Questo fenomeno è stato nominatoeffetto piezo inverso(Fig. 2b) .

Effetto piezoelettricoè spiegato come segue. Nel reticolo cristallino, a causa della mancata corrispondenza dei centri degli ioni positivi e negativi, c'è una carica elettrica di volume. In assenza di un campo elettrico esterno, questa polarizzazione non si manifesta, poiché è compensata da cariche sulla superficie. Quando il cristallo si deforma, gli ioni positivi e negativi del reticolo vengono spostati l'uno rispetto all'altro e il momento elettrico del cristallo cambia di conseguenza, causando la comparsa di potenziali sulla superficie. È questo cambiamento nel momento elettrico che si manifesta nell'effetto piezoelettrico. L'effetto piezoelettrico dipende non solo dall'entità dell'azione meccanica o elettrica, ma anche dalla natura e direzione delle forze relative agli assi cristallografici del cristallo.

Le deformazioni di un materiale piezoelettrico derivanti dall'effetto piezoelettrico sono insignificanti in valore assoluto. Ad esempio, una lastra di quarzo con uno spessore di 1 mm sotto l'azione di una tensione di 100 V cambia il suo spessore di soli 0,23 micron. L'insignificanza delle deformazioni dei piezoelettrici è spiegata dalla loro rigidità molto elevata.

Gli effetti piezoelettrici diretti e inversi sono lineari e sono descritti da dipendenze lineari che mettono in relazione la polarizzazione elettrica P con lo stress meccanico g:

P=αg (1).

Questa dipendenza è chiamata equazione dell'effetto piezoelettrico diretto. Il coefficiente di proporzionalità α è chiamato modulo piezoelettrico (modulo piezoelettrico). Serve come misura dell'effetto piezoelettrico. L'effetto piezoelettrico inverso è descritto dalla dipendenza

r=αE (2),

dove r - deformazione;

E - intensità del campo elettrico.

Riso. 3

Il piezomodulo α per gli effetti diretti e inversi ha lo stesso valore. Emettitori piezoelettrici non hanno contatti meccanici e sono costituiti da un elemento ceramico fissato su un disco metallico (Fig. 3).La vibrazione del disco è causata dalla tensione applicata ad esso. Una tensione alternata di una certa frequenza crea un segnale acustico. Gli emettitori piezoelettrici non sono soggetti ad usura meccanica degli elementi strutturali, hanno un basso consumo energetico e sono privi di rumore elettrico. Con l'aiuto della piezoceramica è possibile ottenere un volume sonoro significativo. Singoli campioni di trasduttori piezoceramici possono sviluppare pressione sonora a una distanza da 1 m fino a 130 dB (livello di soglia del dolore)

Riso. 4

Gli emettitori piezoelettrici sono disponibili in due versioni:

- convertitori “puri” (senza circuito di controllo) - chiamate piezo;
- emettitori con circuito di controllo (con generatore integrato) - segnalatori.

Affinché i trasduttori del primo tipo generino suoni, sono necessari segnali di controllo generati (un'onda sinusoidale o quadra di una certa frequenza specificata per uno specifico modello di trasduttore). Gli emettitori con un generatore integrato richiedono solo un certo livello di tensione da applicare. Tali dispositivi sono prodotti per tensioni nominali da 1 a 250 V (DC e AC).

Ad esempio, una campana piezoceramica (cicalino piezoelettrico) ZP-1 (Fig. 4)è costituito da due piezoblocchi, la membrana di ciascuno dei quali è realizzata sotto forma di una piastra poco profonda con un diametro esterno di 32 mm. Le piastre sono impilate di fronte e saldate lungo il bordo esterno. Gli elementi piezoelettrici nella campana sono commutati in modo tale che quando viene applicata una tensione alternata, le superfici delle piastre convergono o divergono, ad es. zone di compressione e rarefazione si formano su entrambi i lati della campana. La frequenza di risonanza della chiamata è 2 kHz.

Riso. cinque

Crea una pressione sonora di 75 dB a una distanza di 1 m a una tensione a una frequenza di risonanza di 10 V. Questa campana irradia onde sonore in modo uguale in entrambi i semispazi. Tabella 1vengono forniti i parametri di altri emettitori piezoelettrici, il cui aspetto è mostrato in Fig. 5. In Fig.6 vengono presentate le caratteristiche ampiezza-frequenza degli elementi piezoelettrici: PVA-1- fig.6a e ZP-5 - fig.6b.

Tabella 1 caratteristiche degli emettitori piezoelettrici

Nota: * - progettato per funzionare in modalità auto oscillante.

Riso. 6, le caratteristiche ampiezza-frequenza degli elementi piezoelettrici

A. Kashkarov

La piezoelettricità fu scoperta nel 1880 dai fratelli Jacques e Pierre Curie. Hanno notato che sotto pressione su quarzo o singoli cristalli, si forma una carica elettrica. Questo fenomeno fu poi chiamato effetto piezoelettrico.

Presto i fratelli Curie scoprirono l'effetto piezoelettrico inverso. Ciò è avvenuto dopo l'applicazione di un campo elettrico al materiale o al cristallo, che ha provocato la deformazione meccanica dell'oggetto.

Il termine piezoelettricità deriva dalla parola greca "piezo" che significa compressione. Vale la pena notare che la parola "elettricità" deriva dalla parola greca "ambra". L'ambra può anche essere una fonte di energia elettrica.

Molti dispositivi elettronici moderni utilizzano l'effetto piezoelettrico per funzionare. Ad esempio, quando si utilizzano alcuni dispositivi di riconoscimento del suono, i microfoni che utilizzano funzionano in base all'effetto sopra menzionato. Il cristallo piezoelettrico converte l'energia della tua voce in un segnale elettrico con cui possono funzionare smartphone, computer e altri dispositivi elettronici.

La realizzazione di alcune tecnologie avanzate è diventata possibile anche grazie all'effetto piezoelettrico. Ad esempio, i potenti sonar utilizzano microfoni piccoli e sensibili e un sensore del suono in ceramica basato sull'effetto piezoelettrico.

effetto piezoelettrico diretto

Un materiale piezoelettrico (ceramico o cristallino) è posto tra due piastre metalliche. Per generare una carica elettrica, è necessario applicare una forza meccanica (comprimere o decomprimere). Quando una forza meccanica viene applicata alle piastre metalliche, inizia ad accumularsi una carica elettrica:

Pertanto, l'effetto piezoelettrico si comporta come una batteria in miniatura. Microfoni, sensori di pressione, sonar e altri dispositivi sensibili utilizzano questo effetto per il loro lavoro.

Effetto piezoelettrico inverso

È stato menzionato sopra che esiste anche un effetto piezoelettrico inverso. Sta nel fatto che quando viene applicata una tensione elettrica a un cristallo piezoelettrico, si verificherà una deformazione meccanica del corpo, sotto la quale si espanderà o si contrarrà:

L'effetto piezoelettrico inverso è di grande aiuto nello sviluppo di dispositivi acustici. Un esempio potrebbero essere altoparlanti, sirene, campanelli. Il vantaggio di tali altoparlanti è che sono molto sottili, il che li rende quasi indispensabili se utilizzati in piccoli dispositivi, come i telefoni cellulari. Inoltre, questo effetto è spesso utilizzato dai sensori medici ad ultrasuoni e idroacustici.

Materiali piezoelettrici

Questi materiali devono produrre energia elettrica a causa di sollecitazioni meccaniche come la compressione. Inoltre, questi materiali devono deformarsi quando viene applicato uno stress.

Questi materiali sono suddivisi condizionatamente in due gruppi: cristalli e prodotti in ceramica. PZT (noto come titanato di zirconato di piombo), titanato di bario, niobato di litio sono esempi di materiali piezoelettrici artificiali che hanno un effetto più pronunciato rispetto al quarzo e ad altri materiali naturali.

Confrontiamo il titanato di zirconato di piombo PZT ottenuto artificialmente e il quarzo dell'elemento naturale. Quindi, il PZT è in grado di generare molto più stress per la stessa deformazione. Di conseguenza, con l'effetto opposto, è soggetto a una maggiore deformazione a parità di sollecitazione. Il quarzo è il primo materiale piezoelettrico conosciuto.

Il PZT è prodotto ad alte temperature da due elementi chimici: piombo e zirconio, con l'aggiunta di un composto chimico chiamato titanato. Formula chimica PZTS PbO 3 . È ampiamente utilizzato nella produzione di trasduttori ultrasonici, condensatori ceramici, sensori e altri dispositivi elettronici. Ha anche una gamma specifica di proprietà diverse. Fu realizzato per la prima volta nel 1952 presso il Tokyo Institute of Technology.

Il titanato di bario è un materiale ceramico ferroelettrico con proprietà piezoelettriche. Per questo motivo il titanato di bario è stato utilizzato come materiale piezoelettrico più di altri. Il titanato di bario è stato scoperto nel 1941 durante la seconda guerra mondiale e ha la formula chimica BaTiO 3 .

Il niobato di litio è un composto che combina ossigeno, litio e niobio. Ha la formula chimica LiNbO 3 . Come il titanato di bario, è un materiale ceramico ferroelettrico.

Dispositivi piezoelettrici

Sonar

Il sonar è stato inventato nel 1900 da Lewis Nixon. Originariamente era usato per rilevare gli iceberg. Tuttavia, l'interesse per esso aumentò notevolmente durante la prima guerra mondiale, dove fu utilizzato per rilevare i sottomarini. Al giorno d'oggi, il sonar è uno strumento comune con un gran numero di diversi tipi di applicazioni.

La figura seguente mostra il principio di funzionamento del sonar:

E il principio di funzionamento è abbastanza semplice: il trasmettitore, che utilizza l'effetto piezoelettrico inverso, invia le onde sonore in una certa direzione. Quando un'onda colpisce un oggetto, viene riflessa e ritornata indietro, dove viene rilevata dal ricevitore.

Il ricevitore, a differenza del trasmettitore, utilizza un effetto piezoelettrico diretto. Converte l'onda sonora riflessa restituita in un segnale elettrico e la trasmette a un sistema elettronico, che elaborerà ulteriormente il segnale. La distanza dalla sorgente del segnale all'oggetto da determinare viene calcolata in base alle caratteristiche temporali dei segnali trasmettitore-ricevitore.

Attuatori piezoelettrici

Di seguito viene mostrato il funzionamento di un attuatore di potenza basato sull'effetto piezoelettrico:

Il funzionamento dell'unità è abbastanza semplice: sotto l'influenza della tensione applicata al materiale, si espande o si restringe, il che mette in moto l'unità.

Ad esempio, alcune macchine per maglieria utilizzano questo effetto per il loro lavoro grazie alla sua semplicità e al numero minimo di parti rotanti. Tali unità sono utilizzate anche in alcune videocamere e telefoni cellulari come unità di messa a fuoco.

Altoparlanti piezoelettrici e cicalini

Tali dispositivi utilizzano l'effetto piezoelettrico inverso per creare e riprodurre il suono. Quando viene applicata la tensione agli altoparlanti e ai cicalini, inizia a vibrare e quindi genera onde sonore.

Gli altoparlanti piezoelettrici sono comunemente usati nelle sveglie o in altri semplici sistemi acustici per creare un semplice sistema audio. Queste limitazioni sono causate dalla frequenza di taglio di questi sistemi.

Driver piezoelettrici

I driver piezoelettrici possono convertire la bassa tensione della batteria in alta tensione per alimentare i dispositivi piezoelettrici. I driver piezoelettrici aiutano gli ingegneri a creare grandi tensioni sinusoidali.

Di seguito è riportato un diagramma a blocchi che mostra come funziona un driver piezo:

Il driver piezo riceverà bassa tensione dalla batteria e la amplificherà con l'amplificatore. L'oscillatore fornirà una tensione sinusoidale di piccola ampiezza all'ingresso del driver, che verrà successivamente potenziato dal driver piezoelettrico e inviato al dispositivo piezoelettrico.