Le caratteristiche della ceramica piezoelettrica e l'effetto piezoelettrico
Ceramiche che hanno un effetto piezoelettrico"" sui trasduttori ad ultrasuoni si chiamano ceramiche piezoelettriche. Le ceramiche piezoelettriche sono solitamente formate da reazioni chimiche tra diversi composti ossidanti o composti di acido carbonico durante il processo di sinterizzazione. Il processo di fabbricazione è simile a quello delle ceramiche elettroniche ordinarie.
Le ceramiche piezoelettriche sono la scelta preferita per la realizzazione di trasduttori ultrasonici a causa della loro elevata resistenza fisica, inerzia chimica e costi di produzione relativamente economici. La ceramica piezoelettrica può essere utilizzata per realizzare oggetti come trasduttori a ultrasuoni, condensatori ceramici, sensori e attuatori.
Caratteristiche della ceramica piezoelettrica
Le ceramiche piezoelettriche sono materiali piezoelettrici artificiali. I materiali piezoelettrici sono materiali che possono generare elettricità a causa di stress meccanici. Quando viene applicata una tensione, il materiale piezoelettrico si deforma. Tutti i materiali piezoelettrici sono non conduttivi per produrre un effetto piezoelettrico e funzionare.
Le ceramiche piezoelettriche generano una tensione corrispondente allo stress meccanico applicato. Solitamente utilizzato come raccoglitore di energia, accenditore a gas e sensore per rilevare pressione, accelerazione e velocità angolare.
La ceramica piezoelettrica genera uno spostamento corrispondente alla tensione applicata. Questo è comunemente usato per applicazioni con attuatori lineari come iniettori piezoelettrici, sistemi di nanoposizionamento e antivibranti. Rispetto agli attuatori elettronici e idraulici, la ceramica piezoelettrica presenta i vantaggi di una risposta rapida, alta pressione e risonanza di funzionamento precisa.
Le ceramiche piezoelettriche hanno vibrazioni naturali in termini di forma e dimensioni. Quando viene applicato un campo elettrico con una certa frequenza (chiamata frequenza di risonanza), la ceramica piezoelettrica vibrerà con una grande ampiezza, mostrando così la corrente massima. Questa funzione è utilizzata nei vibratori a ultrasuoni, come lavatrici, umidificatori, sonar, filtri per segnali elettrici e motori a ultrasuoni.
Materiali ceramici piezoelettrici
Materiali come il titanato di bario, il titanato di zirconato di piombo e il niobato di litio sono le principali materie prime per la produzione di ceramiche piezoelettriche. Sono alcuni materiali sintetici e hanno dimostrato di avere una maggiore capacità di generazione di energia rispetto alla maggior parte dei materiali naturali. Il titanato di zirconato di piombo (PZT) è la materia prima più comune per la produzione di ceramiche piezoelettriche. È composto e prodotto da due elementi chimici (ad alte temperature), piombo e zirconio.
Lastra in ceramica piezoelettrica per trasduttore
Le ceramiche PZT hanno una sensibilità e una temperatura di lavoro più elevate rispetto ad altre ceramiche piezoelettriche. La caratteristica distintiva di PZT è la sua grande piezoelettricità. PZT ha una struttura cristallina di tipo perovskite, che è adatta per realizzare una grande piezoelettricità. Inoltre, le funzioni possono essere migliorate tramite l'ottimizzazione dei componenti.
Effetto piezoelettrico
I cristalli irregolari si riuniscono come materiali piezoelettrici. La struttura di questi cristalli non è simmetrica, ma esistono ancora in un equilibrio elettricamente neutro. Tuttavia, una volta applicata la pressione meccanica a questi cristalli piezoelettrici, la loro struttura sarà deformata e gli atomi saranno spinti a produrre cristalli che possono condurre corrente. Se si utilizza lo stesso cristallo piezoelettrico e si applica una corrente elettrica, il cristallo si espanderà e si contrarrà, convertendo così l'energia elettrica in energia meccanica.
Le ceramiche piezoelettriche sono materiali piezoelettrici e hanno il" effetto piezoelettrico" che di solito hanno i materiali piezoelettrici. L'effetto piezoelettrico è causato dall'interazione elettromeccanica lineare tra lo stato meccanico e lo stato elettrico nel materiale cristallino. L'effetto piezoelettrico è diviso in effetto piezoelettrico diretto e piezoelettrico inverso. L'effetto piezoelettrico è reversibile. Quando una piccola forza esterna agisce su di esso, può trasformare l'energia meccanica in energia elettrica. Una volta applicata una tensione CA tra i gruppi di fogli ceramici piezoelettrici, l'energia elettrica verrà invertita in energia meccanica.
Effetto piezoelettrico diretto
L'effetto piezoelettrico diretto è causato dallo stress diretto sul materiale. Ciò accade quando due piastre metalliche vengono solitamente utilizzate per applicare pressione a un pezzo di materiale piezoelettrico (come un cristallo o una ceramica). Semplicemente posizionando il cristallo piezoelettrico tra due piastre metalliche, in questo momento, il materiale è in perfetto equilibrio e non conduce corrente. Una volta che la piastra metallica applica una pressione meccanica al materiale, quando il cristallo è disturbato dalla pressione o da altre sollecitazioni, lo squilibrio di carica causerà una differenza. Eccessive cariche negative e positive appaiono sui lati opposti della superficie del cristallo. La piastra metallica raccoglie queste cariche, che possono essere utilizzate per generare tensione e inviare corrente attraverso il circuito. Questo processo è un effetto piezoelettrico diretto.
Effetto piezoelettrico inverso
Un cristallo piezoelettrico è posto tra le due piastre metalliche e la struttura del cristallo è in perfetto equilibrio senza alcuna variazione. Una volta che l'energia elettrica viene applicata al cristallo, la struttura del cristallo viene contratta ed espansa. Quando la struttura cristallina si espande e si contrae, converte l'energia elettrica ricevuta e rilascia energia meccanica sotto forma di onde sonore. La corrente costringe gli atomi nel materiale a vibrare avanti e indietro. Questo processo è chiamato effetto piezoelettrico inverso. L'effetto piezoelettrico inverso aiuta a sviluppare dispositivi che generano onde sonore, come altoparlanti e cicalini.
Come elemento centrale del trasduttore a ultrasuoni, la ceramica piezoelettrica di PZT-8 ha un fattore di qualità Qm più elevato, una temperatura di lavoro sicura più elevata (temperatura di Curie) e una perdita dielettrica inferiore (tanδ). Ciò garantisce anche la sua elevata efficienza e stabilità di conversione elettromeccanica.
