فیزیکدان های صنعتی اصفهان IUT Physicists

اثر پیزو الکتریک با ساختار مواد ارتباط دارد. وقتی مرکز بارهای مثبت ماده اندکی از مرکز بارهای منفی فاصله بگیرد، یک دو قطبی حاصل میشود، این پدیده در موادی رخ میدهد که ساختار بلوری آنها نامتقارن است. در بعضی مواد با گشتاور دو قطبی دائمی روبرو میشویم که نتیجهای از عدم تقارن ذاتی در ساختار بلوری است. ولی در مواد دیگر برای ایجاد گشتاور دو قطبی باید کرنشی مکانیکی پدید آورد. از سی و دو بلور ، بیست و یک عدد از آنها فاقد مرکز تقارنند. بیست عدد از آنها خاصیت پیزو الکتریسیته از خود بروز میدهند. ده تای دیگر برای نشان دادن گشتاور دو قطبی نیاز به کرنش مکانیکی دارند. وقتی فاصله بین بارهای مثبت و منفی بر اثر کرنش مکانیکی نغییر کند میدان الکتریکی ناشی از دو قطبی تغییر میکند و بار روی الکترود تغییر میکند. این فاصله را همچنین میتوان با اعمال میدان الکتریکی تغییر داد که به پیدایش کرنشی مکانیکی منجر میشود.

موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند اثرات پیزو الکتریک (پیدایش بارا لکتریکی بر اثر گرمایش یکنواخت) و فرو الکتریک (تغییر جهت دو قطبی بر اثر میدان الکتریکی) نیز از خود بروز میدهند. چون گشتاور دو قطبی دائمی ممکن است حداقل دو جهت داشته باشد واکنشهای داخلی با ترکیب این جهت گیری متفاوت ممکن است به حداقل برسد. معمولا حوزههایی (ناحیههایی که در آنها تمام دو قطبیها در جهت خاصی سمتگیری میکنند) با جهت گیریهای دو قطبی متفاوت تشکیل خواهند شد. موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند معمولا در دماهایی به ساختار تقارنی بالاتر که فاقد گشتاور دو قطبی دائمی است گذر میکنند. این دما را نقطه کوری مینامند، وقتی دما به طرف نقطه کوری افزایش مییابد، به شدت اثر پیزو الکتریک مییابد.

یه کم علمی تر

اثر پیزوالکتریک از دیدگاه میکروسکوپیک

 یک دلیل کافی برای پیزوالکتریک بودن ماده آنست که ساختار ماده تقارن مرکزی نداشته باشد. در جامدات با ساختار بلوری، شرایط تقارن شامل یک سری تبدیل­های مجازی هندسی نسبت به یک نقطه­ی کریستال می­شود. طبق تعریف ماده­ای دارای تقارن مرکزی است که نقطه­ای در شبکه­ی اتم­ها موجود باشد به نحوی که تحت وارونگی نسبت به آن نقطه، آرایش اتم­ها حفظ شود. در شکل زیر دو آرایش کریستالی دو بعدی، یکی به صورت شش ضلعی و دیگری به صورت مربعی نشان داده شده است. هر دو آرایش از لحاظ الکتریکی خنثی هستند، زیرا گشتاور­های دو قطبی مخالف یکدیگر را خنثی می­کنند. نقطه­ی مرجع در مرکز هندسی دو شبکه فرض شده است. ساختمان شش ضلعی متقارن مرکزی نیست در حالی که ساختمان مربعی دارای این خاصیت می­باشد.

اثر تقارن مرکزی در بروز خواص پیزوالکتریک

برای نشان دادن رابطه­ی تقارن مرکزی و خواص پیزوالکتریک در شکل فوق، هر دو کریستال با فرض رفتار الاستیک تحت تنش تک محوره قرار گرفته­اند. کریستال تغییر شکل یافته­ی مربعی همچنان فاقد قطبیدگی است زیرا برآیند گشتاورهای دوقطبی داخلی مجدداً صفر می­شود درحالی­که در شبکه­ی شش ضلعی، از آنجا که بردارهای دوقطبی یکدیگر را خنثی نمی­کنند، بردار قطبیدگی مخالف صفر می­شود و بنابراین اثر پیزوالکتریک در این شبکه مشاهده می­گردد. نمونه­ی واقعی این مطلب را می­توان در مورد بلور کوارتز مشاهده کرد. همان­طور که در شکل نشان داده شده است، این بلور به علت عدم تقارن مرکزی از خود خواص پیزوالکتریک نشان می­دهد. این تعاریف هر چند روشن و دقیق هستند، فقط در مورد جامدات با ساختار بلوری کاربرد دارند. در موارد بدون ساختار بلوری نیز عدم تقارن مرکزی به شرط همسانگرد بودن قابل آزمایش است. در این موارد مبنای آزمایش­ها به جای آرایش میکروسکوپی اتم­ها مبتنی بر اندازه­گیری­های ماکروسکوپی می­باشد.

اثر پیزوالکتریسیته در بلور کوارتز

  وقتی یک دی­الکتریک در میدان الکتریکی قرار می­گیرد، تأثیر میدان الکتریکی بر اتم­ها باعث می­شود که ابر الکترونی در خلاف جهت میدان، و هسته در جهت میدان الکتریکی جابجا شود. در شکل زیر، یک مولکول دی­الکتریک در غیاب و حضور میدان الکتریکی، بطور طرح وار نشان داده شده است. نهایتاً همان­طور که در شکل بعدی نشان داده شده است، اعمال میدان الکتریکی به دی­الکتریک باعث ایجاد آرایش منظمی از دوقطبی­های الکتریکی در آن می­شود.

یک مولکول دی­الکتریک در غیاب و حضور میدان الکتریکی

بنابراین اعمال هر گونه ولتاژ به دو سر این دسته از مواد و یا ایجاد میدان الکتریکی در آن­ها می­تواند موقعیت یون­ها را در واحد شبکه به میزان متفاوت تغییر دهد. دو اتم مجاور که مشابه نیستند، تحت میدان الکتریکی  واحد به یک میزان جابجا نمی­شوند ولذا در آن کرنش ایجاد می­شود و برعکس اعمال کرنش به ماده باعث تغییر وضعیت دو قطبی­های موجود در سیستم شده که باعث ایجاد میدان الکتریکی در جسم می­شوددی­الکتریک در حضور میدان الکتریکی

 گروهی از مواد دی­الکتریک که فروالکتریک هستند، بدون اینکه درون یک میدان الکتریکی قرار گیرند دارای دو قطبی­های الکتریکی هستند. این گونه مواد مانند مواد فرومغناطیس می­باشند که بدون وجود یک میدان مغناطیسی خارجی، در آن­ها خاصیت مغناطیسی وجود دارد. در مواد فروالکتریک دو قطبی­های الکتریکی قبل از اعمال میدان خارجی وجود دارد، در حالیکه این خاصیت در همه­ی مصالح دارای خاصیت پیزوالکتریک وجود ندارد و در این مواد دو­قطبی­های الکتریکی بعد از اعمال تنش و یا میدان الکتریکی خارجی بوجود می­آید. بطور نمونه بلور کوارتز دارای خاصیت پیزوالکتریک می­باشد ولی فروالکتریک نیست. بر خلاف آن، بلور تیتانات باریم دارای خاصیت فروالکتریسیته می­باشد. وجود دو قطبی­های الکتریکی اولیه در مواد پیزوالکتریک از عدم انطباق مرکز بارهای مثبت و منفی بوجود می­آید. به عنوان مثال مطابق شکل زیر، وجود دو­قطبی­های الکتریکی اولیه در بلور تیتانات باریم بخاطر موقعیت یون­های باریم، تیتانیم و اکسیژن می­باشد. چون مرکز بارهای مثبت مربوط به باریم در مرکز مکعب قرار دارد و بارهای مربوط به تیتانیم کمی بالاتر از مرکز قرار دارد، مرکز کل بارهای مثبت بالاتر از مرکز قرار می­گیرد، درحالیکه مرکز بارهای منفی مربوط به اکسیژن کمی پایین­تر از مرکز قرار دارد. بدین ترتیب یک دو قطبی یونی ایجاد می­شود.