पीजोइलेक्ट्रिक्स, पीजोइलेक्ट्रिकिटी - घटना की भौतिकी, प्रकार, गुण और अनुप्रयोग

पीजोइलेक्ट्रिक्स डाइलेक्ट्रिक्स पर प्रकाश डाला गया है पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव.

पीजोइलेक्ट्रिकिटी की घटना की खोज और अध्ययन 1880-1881 में प्रसिद्ध फ्रांसीसी भौतिकविदों पियरे और पॉल-जैक्स क्यूरी ने किया था।

40 से अधिक वर्षों के लिए, पीजोइलेक्ट्रिकिटी को व्यावहारिक अनुप्रयोग नहीं मिला, भौतिकी प्रयोगशालाओं की संपत्ति शेष रही। यह प्रथम विश्व युद्ध के दौरान ही था कि फ्रांसीसी वैज्ञानिक पॉल लैंगविन ने पानी के नीचे के स्थान ("साउंडर") के उद्देश्य के लिए क्वार्ट्ज प्लेट से पानी में अल्ट्रासोनिक कंपन उत्पन्न करने के लिए इस घटना का उपयोग किया था।

उसके बाद, कई भौतिक विज्ञानी क्वार्ट्ज और कुछ अन्य क्रिस्टल के पीजोइलेक्ट्रिक गुणों और उनके व्यावहारिक अनुप्रयोगों के अध्ययन में रुचि लेने लगे। उनके कई कार्यों में कई बहुत महत्वपूर्ण अनुप्रयोग थे।

उदाहरण के लिए, 1915 में एस.बटरवर्थ ने दिखाया कि एक आयामी यांत्रिक प्रणाली के रूप में क्वार्ट्ज प्लेट, जो एक विद्युत क्षेत्र और विद्युत आवेशों के बीच परस्पर क्रिया के कारण उत्तेजित होती है, को समतुल्य विद्युत परिपथ के रूप में समाई, अधिष्ठापन और श्रृंखला में जुड़े अवरोधक के रूप में दर्शाया जा सकता है।

ऑसिलेटर सर्किट के रूप में क्वार्टज़ प्लेट का परिचय देते हुए, बटरवर्थ ने सबसे पहले क्वार्टज़ रेज़ोनेटर के लिए समतुल्य सर्किट का प्रस्ताव दिया, जो बाद के सभी सैद्धांतिक कार्यों का आधार है। क्वार्ट्ज गुंजयमान यंत्र से.

पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव प्रत्यक्ष और व्युत्क्रम है। प्रत्यक्ष पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव को ढांकता हुआ के विद्युत ध्रुवीकरण की विशेषता है, जो उस पर बाहरी यांत्रिक तनाव की कार्रवाई के कारण होता है, जबकि ढांकता हुआ की सतह पर प्रेरित चार्ज लागू यांत्रिक तनाव के समानुपाती होता है:

रिवर्स पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के साथ, घटना खुद को दूसरे तरीके से प्रकट करती है - ढांकता हुआ बाहरी विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत इसके आयामों को बदलता है, जबकि यांत्रिक विरूपण (सापेक्ष विरूपण) का परिमाण शक्ति के समानुपाती होगा नमूने पर लागू विद्युत क्षेत्र:

दोनों मामलों में आनुपातिकता कारक पीज़ोमॉडुलस डी है। एक ही पीजोइलेक्ट्रिक के लिए, प्रत्यक्ष (डीपीआर) और रिवर्स (ड्रेव) पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के लिए पीजोमोडुली एक दूसरे के बराबर हैं। इस प्रकार, पीजोइलेक्ट्रिक्स एक प्रकार का प्रतिवर्ती इलेक्ट्रोमैकेनिकल ट्रांसड्यूसर हैं।

अनुदैर्ध्य और अनुप्रस्थ पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव

पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव, नमूने के प्रकार के आधार पर, अनुदैर्ध्य या अनुप्रस्थ हो सकता है।अनुदैर्ध्य पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के मामले में, बाहरी विद्युत क्षेत्र के जवाब में तनाव या तनाव के जवाब में शुल्क उसी दिशा में उत्पन्न होते हैं, जिस दिशा में आरंभिक क्रिया होती है। अनुप्रस्थ पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के साथ, आवेशों की उपस्थिति या विरूपण की दिशा उनके कारण होने वाले प्रभाव की दिशा के लंबवत होगी।

यदि एक पीजोइलेक्ट्रिक पर एक वैकल्पिक विद्युत क्षेत्र कार्य करना शुरू कर देता है, तो इसमें समान आवृत्ति के साथ एक वैकल्पिक विरूपण दिखाई देगा। यदि पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव अनुदैर्ध्य है, तो विकृतियों में लागू विद्युत क्षेत्र की दिशा में संपीड़न और तनाव का चरित्र होगा, और यदि यह अनुप्रस्थ है, तो अनुप्रस्थ तरंगें देखी जाएंगी।

यदि लागू वैकल्पिक विद्युत क्षेत्र की आवृत्ति पीजोइलेक्ट्रिक की अनुनाद आवृत्ति के बराबर है, तो यांत्रिक विरूपण का आयाम अधिकतम होगा। नमूने की प्रतिध्वनि आवृत्ति सूत्र द्वारा निर्धारित की जा सकती है (V यांत्रिक तरंगों के प्रसार की गति है, h नमूने की मोटाई है):

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री की सबसे महत्वपूर्ण विशेषता इलेक्ट्रोमैकेनिकल कपलिंग गुणांक है, जो यांत्रिक कंपन पा के बल और नमूना पर प्रभाव से उनके उत्तेजना पर खर्च किए गए विद्युत शक्ति पे के बीच के अनुपात को इंगित करता है। यह गुणांक आमतौर पर 0.01 से 0.3 की सीमा में मान लेता है।

पीजोइलेक्ट्रिक्स को समरूपता के केंद्र के बिना एक सहसंयोजक या आयनिक बंधन वाली सामग्री की क्रिस्टल संरचना की विशेषता है। कम चालकता वाली सामग्री, जिसमें नगण्य मुक्त आवेश वाहक होते हैं, उच्च पीजोइलेक्ट्रिक विशेषताओं द्वारा प्रतिष्ठित होती हैं।पीजोइलेक्ट्रिक्स में सभी फेरोइलेक्ट्रिक्स, साथ ही क्वार्ट्ज के क्रिस्टलीय संशोधन सहित ज्ञात सामग्रियों का खजाना शामिल है।

सिंगल क्रिस्टल पीजोइलेक्ट्रिक्स

पीजोइलेक्ट्रिक्स के इस वर्ग में आयनिक फेरोइलेक्ट्रिक्स और क्रिस्टलीय क्वार्ट्ज (बीटा-क्वार्ट्ज SiO2) शामिल हैं।

बीटा क्वार्ट्ज़ के एकल क्रिस्टल में हेक्सागोनल प्रिज्म का आकार होता है जिसके किनारों पर दो पिरामिड होते हैं। आइए हम यहां कुछ क्रिस्टलोग्राफिक दिशाओं पर प्रकाश डालें। Z अक्ष पिरामिड के शीर्ष से होकर गुजरता है और क्रिस्टल का ऑप्टिकल अक्ष है। यदि इस तरह के क्रिस्टल से दी गई अक्ष (Z) के लंबवत दिशा में एक प्लेट को काटा जाता है, तो पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव प्राप्त नहीं किया जा सकता है।

षट्भुज के शीर्षों के माध्यम से एक्स अक्षों को खींचें, ऐसे तीन एक्स अक्ष हैं। यदि आप प्लेटों को एक्स अक्षों के लंबवत काटते हैं, तो हमें सबसे अच्छा पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव वाला एक नमूना मिलता है। यही कारण है कि क्वार्टज में X-अक्ष को विद्युत अक्ष कहा जाता है। क्वार्ट्ज क्रिस्टल के किनारों पर लंबवत खींची गई सभी तीन Y कुल्हाड़ियाँ यांत्रिक कुल्हाड़ियाँ हैं।

इस प्रकार का क्वार्ट्ज कमजोर पीजोइलेक्ट्रिक्स से संबंधित है, इसका इलेक्ट्रोमैकेनिकल कपलिंग गुणांक 0.05 से 0.1 की सीमा में है।

573 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान पर पीजोइलेक्ट्रिक गुणों को बनाए रखने की क्षमता के कारण क्रिस्टलीय क्वार्ट्ज की सबसे बड़ी प्रयोज्यता है। क्वार्ट्ज पीजोइलेक्ट्रिक रेज़ोनेटर उनसे जुड़े इलेक्ट्रोड के साथ समतल-समानांतर प्लेटों से ज्यादा कुछ नहीं हैं। ऐसे तत्व एक स्पष्ट प्राकृतिक अनुनाद आवृत्ति द्वारा प्रतिष्ठित होते हैं।

लिथियम निओबाइट (LiNbO3) आयन फेरोइलेक्ट्रिक्स (लिथियम टैंटलेट LiTaO3 और बिस्मथ जर्मनेट Bi12GeO20 के साथ) से संबंधित एक व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला पीजोइलेक्ट्रिक पदार्थ है।आयनिक फेरोइलेक्ट्रिक्स को एक एकल-डोमेन स्थिति में लाने के लिए क्यूरी बिंदु से नीचे के तापमान पर एक मजबूत विद्युत क्षेत्र में प्री-एनील किया जाता है। ऐसी सामग्रियों में इलेक्ट्रोमेकैनिकल कपलिंग (0.3 तक) के उच्च गुणांक होते हैं।

कैडमियम सल्फाइड CdS, जिंक ऑक्साइड ZnO, जिंक सल्फाइड ZnS, कैडमियम सेलेनाइड CdSe, गैलियम आर्सेनाइड GaAs, आदि। वे आयनिक-सहसंयोजक बंधन के साथ अर्धचालक-प्रकार के यौगिकों के उदाहरण हैं। ये तथाकथित पीजो अर्धचालक हैं।

इन द्विध्रुवीय फेरोइलेक्ट्रिक्स के आधार पर, एथिलीनडायमाइन टार्ट्रेट C6H14N8O8, टूमलाइन, रोशेल नमक के एकल क्रिस्टल, लिथियम सल्फेट Li2SO4H2O - पीजोइलेक्ट्रिक्स भी प्राप्त होते हैं।

पॉलीक्रिस्टलाइन पीजोइलेक्ट्रिक्स

फेरोइलेक्ट्रिक सिरेमिक पॉलीक्रिस्टलाइन पीजोइलेक्ट्रिक्स से संबंधित हैं। फेरोइलेक्ट्रिक सिरेमिक को पीजोइलेक्ट्रिक गुण प्रदान करने के लिए, ऐसे सिरेमिक को 100 से 150 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर एक मजबूत विद्युत क्षेत्र (2 से 4 एमवी / मी की ताकत के साथ) में एक घंटे के लिए ध्रुवीकृत किया जाना चाहिए, ताकि इस जोखिम के बाद , इसमें ध्रुवीकरण बना रहता है, जिससे पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव प्राप्त करना संभव हो जाता है। इस प्रकार, 0.2 से 0.4 के पीजोइलेक्ट्रिक युग्मन गुणांक वाले मजबूत पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक प्राप्त होते हैं।

आवश्यक प्रकृति के यांत्रिक कंपन (अनुदैर्ध्य, अनुप्रस्थ, झुकने) प्राप्त करने के लिए आवश्यक आकार के पीज़ोइलेक्ट्रिक तत्व पीज़ोसिरेमिक से बने होते हैं। औद्योगिक पीज़ोसेरामिक्स के मुख्य प्रतिनिधि बेरियम टाइटेनेट, कैल्शियम, लेड, लेड जिरकोनेट-टाइटेनेट और बेरियम लेड नाइओबेट के आधार पर बनाए जाते हैं।

पॉलिमर पीजोइलेक्ट्रिक्स

पॉलिमर फिल्मों (जैसे पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड) को 100-400% तक बढ़ाया जाता है, फिर एक विद्युत क्षेत्र में ध्रुवीकृत किया जाता है, और फिर धातुकरण द्वारा इलेक्ट्रोड लगाए जाते हैं। इस प्रकार, 0.16 के क्रम के इलेक्ट्रोमैकेनिकल कपलिंग गुणांक वाले फिल्म पीजोइलेक्ट्रिक तत्व प्राप्त होते हैं।

पीजोइलेक्ट्रिक्स का अनुप्रयोग

अलग-अलग और परस्पर जुड़े पीजोइलेक्ट्रिक तत्वों को तैयार रेडियो इंजीनियरिंग उपकरणों के रूप में पाया जा सकता है - पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर उनके साथ जुड़े इलेक्ट्रोड के साथ।

क्वार्टज, पीजोइलेक्ट्रिक सेरेमिक्स या आयनिक पीजोइलेक्ट्रिक्स से बने ऐसे उपकरणों का उपयोग विद्युत संकेतों को उत्पन्न करने, बदलने और फ़िल्टर करने के लिए किया जाता है। एक समतल-समानांतर प्लेट को एक क्वार्ट्ज क्रिस्टल से काटा जाता है, इलेक्ट्रोड संलग्न होते हैं - एक गुंजयमान यंत्र प्राप्त होता है।

गुंजयमान यंत्र की आवृत्ति और क्यू-कारक क्रिस्टलोग्राफिक अक्षों के कोण पर निर्भर करता है जिस पर प्लेट काटा जाता है। आमतौर पर, 50 मेगाहर्ट्ज तक की रेडियो फ्रीक्वेंसी रेंज में, ऐसे गुंजयमान यंत्रों का क्यू कारक 100,000 तक पहुंच जाता है। इसके अलावा, पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर व्यापक रूप से व्यापक आवृत्ति रेंज के लिए उच्च इनपुट प्रतिबाधा वाले पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसफार्मर के रूप में उपयोग किए जाते हैं।

गुणवत्ता कारक और आवृत्ति के संदर्भ में, क्वार्ट्ज आयन पीजोइलेक्ट्रिक्स से बेहतर प्रदर्शन करता है, जो 1 गीगाहर्ट्ज तक की आवृत्तियों पर काम करने में सक्षम है। सबसे पतली लिथियम टैंटलेट प्लेटों का उपयोग अनुनादक, फिल्टर, सतह ध्वनिक तरंगों की देरी लाइनों में 0.02 से 1 गीगाहर्ट्ज की आवृत्ति के साथ अल्ट्रासोनिक कंपन के उत्सर्जक और रिसीवर के रूप में किया जाता है।

ढांकता हुआ सब्सट्रेट पर जमा पीजोइलेक्ट्रिक सेमीकंडक्टर्स की पतली फिल्मों का उपयोग इंटरडिजिटल ट्रांसड्यूसर में किया जाता है (यहां चर इलेक्ट्रोड का उपयोग सतह ध्वनिक तरंगों को उत्तेजित करने के लिए किया जाता है)।

कम आवृत्ति वाले पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर द्विध्रुवीय फेरोइलेक्ट्रिक्स के आधार पर बनाए जाते हैं: लघु माइक्रोफोन, लाउडस्पीकर, पिकअप, दबाव के लिए सेंसर, विरूपण, कंपन, त्वरण, अल्ट्रासोनिक उत्सर्जक।