Таълим вазирлиги фарғона политехника институти

Маъруза№14
Мавзу: Пъезо электрик материаллар
Режа:
1.Пъезо электрик материаллар
2.Электретлар


Таянч иборалар: пъезоэлектриклар, диэлектрик, сегнетоэлектриклар, фотоэлектретлар, электретлар

15-расм

Пъезоэлектрик материаллар актив диэлектриклар қаторига киради, улар тўғри ва тескари пъезоэффектлар беради. Тўғри пъезоэффект шундан иборатки, пъезоэлектрик материалдан қилинган пластина сиқилганда ёки чўзилганда унинг қарама-қарши сиртларида қарама-қарши ишорали электр зарядлар ҳосил бўлади. Бу ҳодиса пъезоэлектрикнинг қутбланиши натижасида содир бўлади. Тескари пъезоэффект пъезоэлектрик пластинага ўзгармас кучланиш берилганда унинг деформацияланиш ҳодисасидан иборат. Ўзгарувчан куч­ланиш берилганда пъезоэлектрик пластина шу кучланиш частотасида тебранади.

Тескари пъезоэлектрик эффект ҳодисасидан радиотехникада юқори частотали тебранишларни барқарорлаштириш учун, тўғри пъезоэффектдан эса босим датчикларида, товуш қабул қилгичларда ва бошқа мақсадларда фойдаланилади.
Пъезоэлектрикнинг асосий характеристикаси унинг пъезомодули d бўлиб, бу катталик пъезоэлектрикда унга бирор йуналишда қўйилган механик куч таъсирида ҳосил бўлган электр заряд миқдорининг шу куч катталигига нисбатини ифодалайди. Пъезомодул кулон тақсим Нютон (Кл/Н) ҳисобида ифодаланади.
Пъезоэлектриклар — кристалл материаллар (монокристаллар ва поликристаллар тузилишига эга бўлган моддалар) бўлиб, табиий (кварц, турмалин) ва синтетик (сегнет тузи, барий титанат ва б.) бўлиши мумкин.
Табиий кварц SiО₂ учлари олти қиррали пирамидалар билан тугалланган олти қиррали призмалар шаклидаги катта яримшаффоф кристаллардан иборат. Кварц кристалида х, у, z бош ўқлар деб қаралади. Электр ўқи деб қараладиган учта х ўқи олтибурчакликнинг кўндаланг кесими учлари орқали ўтади. Механик ўқ деб қараладиган учта у ўқи шу олтибурчакликнинг томонларига тик жойлашган. Оптик ўк z эса кварц кристали тугалланадиган пирамидаларнинг учлари орқали ўтади.
Кварцнинг электр характеристикалари шу нарса аниқланиши керак бўлган кристаллографик ўк йўналишига боғлиқ равишда ўзгариб туради. Масалан, z ўки йўналиши бўйича: р_=10¹²Ом_*м; _r=4,58; tg=0,0003; х ва у ўқлари йўналишида: р_=10¹⁴Ом_*м; _г=4,41; tg=0,0002. Кварц кристалининг зичлиги 2650 кг/м³, суюқланиш температураси 1713°С.
Агар кварц кристалидан кирралари х, у, z ўқларига параллел қилиб пластина қирқиб олиб, уни х ёки у ўқи бўйича чўзсак шу ўқда тик жойлашган ёқларида бир хил миқдорда бироқ қарама-қарши ишора­ли электр зарядлари ҳосил бўлади (тўғри пъезоэффект). Пластина х электр ўқига тик равишда қирқиб тайёрланган бўлса, энг кўп электр заряд ҳосил бўлади. Шунда кварц пластинанинг пъезомодули энг катта қийматга эга бўлади (d=2,3_*10^-12 Кл/Н).
Табиий кварцнинг кристалларидан олмосдан ясалган махсус кескич ёрдамида пъезоэлемент заготовкалари кесиб олинади ва кейин улар силлиқланади. Кварц пластинкасининг қарама-қарши сиртларига металл электродлар қопланади, ҳосил қилинган пъезоэлементнинг хоссаларини барқарорлаштириш мақсадида улар юқори температураларда сунъий эскиртирилади.
Сегнет тузи NaКС₄Н₄О₆•4Н₂О — француз олими П.Сегнет топган, у 55°С да юмшайдиган ва сувда эрийдиган монокристалл диэлектрик ҳисобланади. Сегнет тузининг сегнетоэлектрик хоссалари фақат битта кристаллографик ўқ йўналишида намоён бўлади. Сегнет тузи намунаси буралганда пъезоэффект кузатилади.
Сегнетоэлектрикларнинг ўзига хос хусусиятлари қуйидагилар: диэлектрик сингдирувчанлик қиймати катта бўлиб, у бир неча минггача етади; диэлектрик сингдирувчанлиги қўйилган кучга (кучланишига) боғлиқ; сегнетоэлектрик хосса­лари маълум температуралар оралиғида —Кюри температураси (Tк) дан паст температураларда кузатилади; тўғри ва тескари пъезоэффект мавжуд, тескари пъезоэффект фақат ташқи электр майдон таъсирида олдиндан қутблантирилган намуналардагина кузатилади; электрик гистерезис бор, электр за­ряд Q сегнетоэлектрикка қўйилган U кучланишдан орқада қолади.
Керамик сегнетоэлек­триклар қизишга чидамли, ме­ханик мустаҳкам, ногигроскопик ва тайёрлаш технологияси содда экани билан ажралиб туради. Керамик сегнетоэлектриклар ичида барий титанат ва ТiО₃ амалда кўп қўлланилади. Бу сегнетоэлектрик ке­рамик технология бўйича барий оксиди ва титан диоксидидан иборат массадан олинадиган поли­ кристалл материалдир. Бундан мо­нокристалл барий титанатини ҳам олиш мумкин 16-расмда барий титанатнинг диэлектрик сингдирувчанлиги температурага кандай боғланганлиги кўрсатилган.

16-расм
Графикда Кюри температураси (Т_к) белгилаб қўйилган, у бу материал учун 120°Сга тенг. Барий титанат Т_к дан паст тем­ператураларда сегнетоэлектрикларнинг ҳамма хоссаларига эга бўлиб, Т_к дан юқори температураларда бу хоссалар йўқолади.
38- расмда барий титанат диэлек­трик сингдирувчанлигининг электр майдон кучланганлигига Е га боғлиқлиги тасвирланган.
Диэлектрик сингдирувчанлик қўйилган кучланиш қийматининг ортиши билан унинг диэлектрик сингди­рувчанлигининг, демак сиғимининг орта бориши ҳодисаси фақат сегнетоэлектрикларга хос хусусиятдир. Уларнинг бу хоссаларидан диэлектрик кучайтиргичларда фойдаланилади.
Керамик сегнетоэлектриклардан тайёрланган пъезоэлементлар металл электродлар қопланган силлиқланган пластинкалардан иборат. Бу пластинкалар Пъезоэлектрик хоссаларга эга бўлиши учун уларга ўзгармас кучла­ниш бериб қутблантириб олинади, бунда кучланиш қиздирилган пластинкага берилади. Пластинкаларнинг қиздирилиш температураси Кюри температурасига яқин бўлса, мақсадга мувофиқ бўлади. Бундай шароитда пластинкаларда стентан (ўз-ўзидан) қутбланиш жараёни энг юқори тезликда рўй беради, яъни қўйилган кучланиш таъсирида доменларнинг энг кўп қисми ориентацияланиб қолади. Масалан, барий титанат пъезоэлементлари нефт мойида 115°Сгача қиздирилиб Е=11,5 МВ/м ўзгармас электр майдон кучланишида қутблантирилади.

17-расм
Ҳозирги вақтда барий титанатдан ташқари кўплаб сегнетокерамик материаллар яратилган; кадмий титанат СbTiОз, қўрғошин титанат РbТiО₂, литий ниобат LiNbО₃ ва бошқалар. Бу сегнетоэлектриклар бир-биридан асосан Кюри температураси қиймати билан фарқ қилади. Масалан, барий титанат учун Т_к=+120 °С, кадмий титанат учун Т_к=+223 °С, литий ниобат учун эса Т_к=+450 ⁰С,
Бир сегнетокерамик модданинг бошқасидаги қаттиқ қоришмаси энг яхши Пъезоэлектрик хоссаларга эга бўлади.
Шундай материаллар қаторига қўрғошин цирконатнинг қўрғошин титанатдаги қаттиқ қоришмаси Рb (Zn,Тi)О₃ киради ва у қўрғошин цирконаттитанати (КЦТ) деб юритилади. Бу бирикмаларга модификацияловчи қўшилмалар қўшилса, характеристикалари кенг оралиқда ўзгарадиган сегнетоэлектрик материаллар олинади.
5-жадвал

7-жадвалда кварц ва керамик сегнетоэлектрикларнинг асосий электр характеристикалари келтирилган. Сегнетоэлектрик материалларнинг диэлектрик сингдирувчанлиги жуда катта бўлиши улардан кичик ўлчамли паст частотали кичик кучланишга мўлжалланган конденсаторларни тайёрлашга имкон беради, чунки бу материалларнинг си нисбатан катта, электр мустахкамлиги эса нисбатан кичикдир. 7-жадвалдан кўринадики, сегнетокерамик материалларнинг пъезомодуллари кварцларникидан анча юқори.

2. Электретлар
Электретлар электрлангандан ва қутблантирилгандан сўнг узоқ вақт электр зарядини сақлайдиган ва электр манбаи бўлиб хизмат қила оладиган қаттиқ диэлектриклардан иборатдир.
Электретлар юпқа пластинкалар шаклида тайёрланади. Электрет пластинкасининг қарама-қарши томонларида (сиртларида) катталиги бирдай, бироқ ишоралари қарама-қарши бўлган электр зарядлар тўпланган бўлади.
6-жадвал

Электретнинг асосий характеристикаси электр зарядининг сирт зичлиги  бўлиб, у кулоннинг электрет пластинкаси сирти бирлигига нисбати орқали ифодаланади, яъни Кл/м². Электретларнинг сирт заряд зичлиги қийматлари =10^-8 10^-6 Кл/м² ораликда бўлади.
Электрет олиш учун кўпгина қаттиқ диэлектриклардан фойдаланиш мумкин. Бироқ ўз зарядини узоқ муддат сақлай оладиган электретларни тайёрлаш учун солиштирма ҳажмий электр қаршилиги юқори бўлган диэлектриклар қўлланилади (6-жадвал).
Жадвалда келтирилган электретлардан ташқари органик ва ноорганик диэлектриклардан, шунингдек шиша, слюда ва бошқалардан иборат кўп компонентли Электретлар ҳам қўллани­лади.
Электретларни, шунингдек кучли қиздирилган диэлектрикка ташқи электр майдон таъсири ва шу майдонда уни совитиш натижасида ҳам ҳосил қилиш мумкин. Диэлектрик қиздирилганда унинг диполp қутбланиши осонлашади ва қутблантирилаётган диэлектрик сиртида электр зарядларнинг тўпланишини юзага келтиради. Диэлектрик ташқи электр майдонида совигандан сўнг унинг сиртида маълум йўналишда туриб қолган диполлар ва тўпланган зарядлар сақланиб қолади. Бундай ишлов бериш натижасида термоэлектретлар ҳосил бўлади.
Фотоэлектретлар ўзгармас кучланиш берилган диэлектрикка катта қувватли ёруғлик манбаини таъсир эттириш, натижасида олинади. Электр зарядлар ёруғлик ва электр куч­ланиш таъсирида диэлектрикнинг ичидан унинг сиртига оқиб чиқади. Ёруғлик ва электр кучланишининг таъсири тўхтатилгандан сўнг электретнинг қарама-қарши сиртларида тўпланган зарядлар сақланиб қолади.
Шунингдек диэлектрикка радиоктив нурланишини таъсир эттириш, масалан, диэлектрик сиртига тез электронлар ёғдириш ёки вакуумда диэлектрикка кучли электр майдон таъсир эттириш йўли билан ҳам электретларни ҳосил қилиш мумкин.
Шу усулларда олинган ҳамма электретларда сирт заряд зичлиги камаяди, кейин эса барқарорлашади.
Барқарорлашган электретлар ўнлаб йиллар давомида электр манбаи бўлиб хизмат қилиши мумкин. Температура, намлик ва радиация нурлари электретларниг электр хоссаларига таъсир қилишини ҳисобга олиш лозим. Электретлар кри­тик температурагача қиздирилганда улардаги зарядлар сочилиб, электретлик хоссалари йўқолади. Электретларнинг критик температуралари уларнинг таркибига боғлиқ равишда 50 дан 120°С гача оралиқда бўлади.
Электретларга намликнинг таъсири қайтувчан, яъни қуригандан сўнг асл ҳолига келади. Намлик 90% гача ортганда электретдаги сирт заряд зичлиги деярли нолгача камаяди, бироқ намлик камайиши билан дастлабки ҳолигача қайта тикланади. Радиация таъсирида ҳам худди шундай манзара кузатилади. Радиация таъсири тўхташи билан электретнинг электр хоссалари қайта тикланади.
Электретлар ЭХМларнинг хотира қурилмаларида, ўзгарткичларда, микрофонларда, титрашларни ўлчаш учун мўлжалланган асбобларда ва бошқаларда қўлланилади. Янги, бундан ҳам барқарор электретлар ишлаб чиқарилиши билан уларнинг қўлланилиш соҳалари кенгая боради.