Piezoelectrics, piezoelectricity - ঘটনা, প্রকার, বৈশিষ্ট্য এবং প্রয়োগের পদার্থবিদ্যা

পাইজোইলেকট্রিক্স ডাইলেকট্রিক্স হাইলাইট করা হয় পাইজোইলেকট্রিক প্রভাব.

পাইজোইলেকট্রিসিটির ঘটনাটি 1880-1881 সালে বিখ্যাত ফরাসি পদার্থবিদ পিয়ের এবং পল-জ্যাক কুরি দ্বারা আবিষ্কৃত এবং অধ্যয়ন করা হয়েছিল।

40 বছরেরও বেশি সময় ধরে, পাইজোইলেকট্রিসিটি ব্যবহারিক প্রয়োগ খুঁজে পায়নি, অবশিষ্ট পদার্থবিদ্যা পরীক্ষাগারের সম্পত্তি। প্রথম বিশ্বযুদ্ধের সময়ই ফরাসি বিজ্ঞানী পল ল্যাঙ্গেভিন পানির নিচে অবস্থানের ("সাউন্ডার") উদ্দেশ্যে কোয়ার্টজ প্লেট থেকে পানিতে অতিস্বনক কম্পন তৈরি করতে এই ঘটনাটি ব্যবহার করেছিলেন।

এর পরে, বেশ কিছু পদার্থবিজ্ঞানী কোয়ার্টজ এবং কিছু অন্যান্য স্ফটিকগুলির পাইজোইলেকট্রিক বৈশিষ্ট্য এবং তাদের ব্যবহারিক প্রয়োগগুলি অধ্যয়নে আগ্রহী হন। তাদের অনেক কাজের মধ্যে বেশ কয়েকটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ অ্যাপ্লিকেশন ছিল।

উদাহরণস্বরূপ, 1915 সালে এস।বাটারওয়ার্থ দেখিয়েছেন যে এক-মাত্রিক যান্ত্রিক সিস্টেম হিসাবে কোয়ার্টজ প্লেট, যা একটি বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র এবং বৈদ্যুতিক চার্জের মধ্যে মিথস্ক্রিয়ার কারণে উত্তেজিত হয়, ক্যাপাসিট্যান্স, ইন্ডাকট্যান্স এবং সিরিজে সংযুক্ত রোধ সহ একটি সমতুল্য বৈদ্যুতিক সার্কিট হিসাবে উপস্থাপন করা যেতে পারে।

একটি অসিলেটর সার্কিট হিসাবে একটি কোয়ার্টজ প্লেট প্রবর্তন করে, বাটারওয়ার্থই সর্বপ্রথম একটি কোয়ার্টজ রেজোনেটরের জন্য একটি সমতুল্য সার্কিটের প্রস্তাব করেছিলেন, যা পরবর্তী সমস্ত তাত্ত্বিক কাজের ভিত্তি। কোয়ার্টজ অনুরণনকারী থেকে.

পাইজোইলেকট্রিক প্রভাব প্রত্যক্ষ এবং বিপরীত। ডাইলেক্ট্রিকের বৈদ্যুতিক মেরুকরণ দ্বারা সরাসরি পাইজোইলেক্ট্রিক প্রভাব চিহ্নিত করা হয়, যা এটির উপর একটি বাহ্যিক যান্ত্রিক চাপের ক্রিয়াকলাপের কারণে ঘটে, যখন অস্তরক পৃষ্ঠের উপর প্রবর্তিত চার্জ প্রয়োগকৃত যান্ত্রিক চাপের সমানুপাতিক:

বিপরীত পিজোইলেক্ট্রিক প্রভাবের সাথে, ঘটনাটি অন্যভাবে নিজেকে প্রকাশ করে — ডাইইলেকট্রিক তার উপর প্রয়োগ করা একটি বাহ্যিক বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের ক্রিয়াকলাপের অধীনে তার মাত্রা পরিবর্তন করে, যখন যান্ত্রিক বিকৃতি (আপেক্ষিক বিকৃতি) এর মাত্রা শক্তির সমানুপাতিক হবে নমুনায় বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র প্রয়োগ করা হয়েছে:

উভয় ক্ষেত্রেই সমানুপাতিকতা ফ্যাক্টর হল পাইজোমোডুলাস ডি। একই পাইজোইলেক্ট্রিকের জন্য, সরাসরি (dpr) এবং বিপরীত (drev) পাইজোইলেকট্রিক প্রভাবের জন্য পাইজোমোডুলি একে অপরের সমান। সুতরাং, পাইজোইলেকট্রিক্স হল এক ধরনের বিপরীতমুখী ইলেক্ট্রোমেকানিকাল ট্রান্সডুসার।

অনুদৈর্ঘ্য এবং ট্রান্সভার্স পাইজোইলেকট্রিক প্রভাব

পাইজোইলেকট্রিক প্রভাব, নমুনার ধরনের উপর নির্ভর করে, অনুদৈর্ঘ্য বা অনুপ্রস্থ হতে পারে।অনুদৈর্ঘ্য পিজোইলেক্ট্রিক প্রভাবের ক্ষেত্রে, বাহ্যিক বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের প্রতিক্রিয়ায় স্ট্রেন বা স্ট্রেনের প্রতিক্রিয়াতে চার্জগুলি শুরু করার ক্রিয়াটির মতো একই দিকে তৈরি হয়। ট্রান্সভার্স পাইজোইলেক্ট্রিক প্রভাবের সাথে, চার্জগুলির উপস্থিতি বা বিকৃতির দিকটি তাদের সৃষ্টিকারী প্রভাবের দিকের দিকে লম্ব হবে।

যদি একটি বিকল্প বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র একটি পাইজোইলেক্ট্রিকের উপর কাজ করতে শুরু করে, তবে একই ফ্রিকোয়েন্সি সহ একটি বিকল্প বিকৃতি প্রদর্শিত হবে। যদি পাইজোইলেক্ট্রিক প্রভাব অনুদৈর্ঘ্য হয়, তবে বিকৃতিগুলি প্রয়োগ করা বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের দিকে সংকোচন এবং টান চরিত্র থাকবে এবং যদি এটি অনুপ্রস্থ হয়, তবে অনুপ্রস্থ তরঙ্গ পরিলক্ষিত হবে।

যদি প্রয়োগকৃত বিকল্প বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের ফ্রিকোয়েন্সি পাইজোইলেকট্রিকের অনুরণন কম্পাঙ্কের সমান হয়, তবে যান্ত্রিক বিকৃতির প্রশস্ততা সর্বাধিক হবে। নমুনার অনুরণন ফ্রিকোয়েন্সি সূত্র দ্বারা নির্ধারণ করা যেতে পারে (V হল যান্ত্রিক তরঙ্গের প্রচারের গতি, h হল নমুনার বেধ):

পাইজোইলেক্ট্রিক উপাদানের সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ বৈশিষ্ট্য হল ইলেক্ট্রোমেকানিক্যাল কাপলিং সহগ, যা নমুনার উপর প্রভাবের দ্বারা তাদের উত্তেজনায় ব্যয় করা যান্ত্রিক কম্পন Pa এবং বৈদ্যুতিক শক্তি Pe এর মধ্যে অনুপাত নির্দেশ করে। এই সহগটি সাধারণত 0.01 থেকে 0.3 এর মধ্যে একটি মান নেয়।

পাইজোইলেক্ট্রিকগুলি প্রতিসাম্যের কেন্দ্রবিহীন একটি সমযোজী বা আয়নিক বন্ধন সহ একটি উপাদানের একটি স্ফটিক কাঠামো দ্বারা চিহ্নিত করা হয়। কম পরিবাহিতা সহ উপাদান, যেখানে নগণ্য বিনামূল্যে চার্জ বাহক রয়েছে, উচ্চ পাইজোইলেকট্রিক বৈশিষ্ট্য দ্বারা আলাদা করা হয়।পাইজোইলেকট্রিক্সের মধ্যে রয়েছে সমস্ত ফেরোইলেক্ট্রিকস, সেইসাথে কোয়ার্টজের স্ফটিক পরিবর্তন সহ প্রচুর পরিচিত উপকরণ।

একক ক্রিস্টাল পাইজোইলেকট্রিক্স

পাইজোইলেকট্রিক্সের এই শ্রেণীর মধ্যে রয়েছে আয়নিক ফেরোইলেকট্রিক্স এবং স্ফটিক কোয়ার্টজ (বিটা-কোয়ার্টজ SiO2)।

বিটা কোয়ার্টজের একটি একক স্ফটিকের পাশে দুটি পিরামিড সহ একটি ষড়ভুজ প্রিজমের আকৃতি রয়েছে। আসুন এখানে কয়েকটি ক্রিস্টালোগ্রাফিক দিক নির্দেশ করি। জেড অক্ষটি পিরামিডের চূড়ার মধ্য দিয়ে যায় এবং এটি স্ফটিকের অপটিক্যাল অক্ষ। যদি একটি প্লেট এই ধরনের একটি স্ফটিক থেকে প্রদত্ত অক্ষের (Z) দিকে লম্বভাবে কাটা হয়, তাহলে পাইজোইলেকট্রিক প্রভাব অর্জন করা যাবে না।

ষড়ভুজের শীর্ষবিন্দুর মধ্য দিয়ে X অক্ষগুলি আঁকুন, এরকম তিনটি X অক্ষ রয়েছে৷ আপনি যদি X অক্ষের লম্ব প্লেটগুলি কেটে দেন, তাহলে আমরা সেরা পাইজোইলেকট্রিক প্রভাব সহ একটি নমুনা পাই৷ এই কারণেই X-অক্ষগুলিকে কোয়ার্টজে বৈদ্যুতিক অক্ষ বলা হয়। কোয়ার্টজ স্ফটিকের পাশে লম্বভাবে আঁকা তিনটি Y অক্ষই যান্ত্রিক অক্ষ।

এই ধরনের কোয়ার্টজ দুর্বল পাইজোইলেকট্রিক্সের অন্তর্গত, এর ইলেক্ট্রোমেকানিক্যাল কাপলিং সহগ 0.05 থেকে 0.1 এর মধ্যে।

573 ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত তাপমাত্রায় পিজোইলেকট্রিক বৈশিষ্ট্য বজায় রাখার ক্ষমতার কারণে স্ফটিক কোয়ার্টজ সবচেয়ে বেশি প্রযোজ্য। কোয়ার্টজ পাইজোইলেকট্রিক অনুরণনকারীরা ইলেক্ট্রোড যুক্ত সমতল-সমান্তরাল প্লেট ছাড়া আর কিছুই নয়। এই জাতীয় উপাদানগুলি একটি উচ্চারিত প্রাকৃতিক অনুরণন ফ্রিকোয়েন্সি দ্বারা আলাদা করা হয়।

লিথিয়াম niobite (LiNbO3) আয়ন ফেরোইলেক্ট্রিকস সম্পর্কিত একটি বহুল ব্যবহৃত পাইজোইলেকট্রিক উপাদান (লিথিয়াম ট্যান্টালেট LiTaO3 এবং বিসমাথ জার্মানেট Bi12GeO20 সহ)।আয়নিক ফেরোইলেক্ট্রিকগুলিকে একটি একক-ডোমেইন অবস্থায় আনার জন্য কুরি পয়েন্টের নীচে তাপমাত্রায় একটি শক্তিশালী বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রে পূর্ব-অ্যানিল করা হয়। এই ধরনের উপকরণগুলিতে ইলেক্ট্রোমেকানিক্যাল কাপলিং এর উচ্চতর সহগ রয়েছে (0.3 পর্যন্ত)।

ক্যাডমিয়াম সালফাইড সিডিএস, জিঙ্ক অক্সাইড জেডএনও, জিঙ্ক সালফাইড জেডএনএস, ক্যাডমিয়াম সেলেনাইড সিডিএস, গ্যালিয়াম আর্সেনাইড GaAs ইত্যাদি। এগুলি আয়নিক-সমযোজী বন্ধন সহ অর্ধপরিবাহী-টাইপ যৌগের উদাহরণ। এগুলি তথাকথিত পাইজো সেমিকন্ডাক্টর।

এই ডাইপোল ফেরোইলেকট্রিক্সের ভিত্তিতে, ইথিলেনেডিয়ামাইন টার্টরেট C6H14N8O8, ট্যুরমালাইন, রোচেল লবণের একক স্ফটিক, লিথিয়াম সালফেট Li2SO4H2O — পাইজোইলেকট্রিক্সও পাওয়া যায়।

পলিক্রিস্টালাইন পাইজোইলেকট্রিক্স

ফেরোইলেকট্রিক সিরামিক পলিক্রিস্টালাইন পাইজোইলেকট্রিক্সের অন্তর্গত। ফেরোইলেকট্রিক সিরামিকগুলিতে পাইজোইলেকট্রিক বৈশিষ্ট্য প্রদান করার জন্য, এই ধরনের সিরামিকগুলিকে 100 থেকে 150 ° C তাপমাত্রায় একটি শক্তিশালী বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রে (2 থেকে 4 MV / m শক্তি সহ) এক ঘন্টার জন্য পোলারাইজ করতে হবে, যাতে এই এক্সপোজারের পরে , মেরুকরণ এটিতে রয়ে গেছে, যা পাইজোইলেকট্রিক প্রভাব অর্জন করা সম্ভব করে তোলে। এইভাবে, 0.2 থেকে 0.4 এর পিজোইলেকট্রিক কাপলিং সহগ সহ শক্তিশালী পাইজোইলেকট্রিক সিরামিক পাওয়া যায়।

প্রয়োজনীয় আকৃতির পাইজোইলেক্ট্রিক উপাদানগুলিকে প্রয়োজনীয় প্রকৃতির যান্ত্রিক কম্পন (অনুদৈর্ঘ্য, অনুপ্রস্থ, নমন) পাওয়ার জন্য পিজোসেরামিক দিয়ে তৈরি করা হয়। শিল্প পাইজোসেরামিকসের প্রধান প্রতিনিধিরা বেরিয়াম টাইটানেট, ক্যালসিয়াম, সীসা, সীসা জিরকোনেট-টাইটানেট এবং বেরিয়াম সীসা নিওবেটের ভিত্তিতে তৈরি করা হয়।

পলিমার পাইজোইলেকট্রিক্স

পলিমার ফিল্ম (যেমন পলিভিনাইলিডিন ফ্লোরাইড) 100-400% প্রসারিত হয়, তারপর বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রে মেরুকরণ করা হয় এবং তারপরে ধাতবকরণের মাধ্যমে ইলেক্ট্রোড প্রয়োগ করা হয়। এইভাবে, 0.16 অর্ডারের একটি ইলেক্ট্রোমেকানিক্যাল কাপলিং সহগ সহ ফিল্ম পাইজোইলেকট্রিক উপাদানগুলি পাওয়া যায়।

পাইজোইলেকট্রিক্সের প্রয়োগ

পৃথক এবং আন্তঃসংযুক্ত পাইজোইলেকট্রিক উপাদানগুলি তৈরি রেডিও ইঞ্জিনিয়ারিং ডিভাইসগুলির আকারে পাওয়া যেতে পারে - তাদের সাথে সংযুক্ত ইলেক্ট্রোড সহ পাইজোইলেকট্রিক ট্রান্সডুসার।

কোয়ার্টজ, পাইজোইলেকট্রিক সিরামিক বা আয়নিক পাইজোইলেকট্রিক দিয়ে তৈরি এই ধরনের ডিভাইসগুলি বৈদ্যুতিক সংকেত তৈরি, রূপান্তর এবং ফিল্টার করতে ব্যবহৃত হয়। একটি সমতল-সমান্তরাল প্লেট একটি কোয়ার্টজ স্ফটিক থেকে কাটা হয়, ইলেক্ট্রোড সংযুক্ত করা হয় - একটি অনুরণনকারী প্রাপ্ত হয়।

রেজোনেটরের ফ্রিকোয়েন্সি এবং Q-ফ্যাক্টর ক্রিস্টালোগ্রাফিক অক্ষের কোণের উপর নির্ভর করে যেখানে প্লেটটি কাটা হয়। সাধারণত, 50 মেগাহার্টজ পর্যন্ত রেডিও ফ্রিকোয়েন্সি রেঞ্জে, এই ধরনের রেজোনেটরগুলির Q ফ্যাক্টর 100,000 ছুঁয়ে যায়। উপরন্তু, পাইজোইলেকট্রিক ট্রান্সডুসারগুলি সাধারণত ব্যাপক ফ্রিকোয়েন্সি পরিসরের জন্য উচ্চ ইনপুট প্রতিবন্ধকতা সহ পাইজোইলেকট্রিক ট্রান্সফরমার হিসাবে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়।

মানের ফ্যাক্টর এবং ফ্রিকোয়েন্সি পরিপ্রেক্ষিতে, কোয়ার্টজ আয়ন পাইজোইলেকট্রিক্সকে ছাড়িয়ে যায়, যা 1 গিগাহার্জ পর্যন্ত ফ্রিকোয়েন্সিতে কাজ করতে সক্ষম। সবচেয়ে পাতলা লিথিয়াম ট্যান্টালেট প্লেটগুলি 0.02 থেকে 1 GHz ফ্রিকোয়েন্সি সহ অতিস্বনক কম্পনের নির্গমনকারী এবং রিসিভার হিসাবে, অনুরণক, ফিল্টার, পৃষ্ঠের শাব্দ তরঙ্গের বিলম্ব লাইনে ব্যবহৃত হয়।

ডাইইলেকট্রিক সাবস্ট্রেটে জমা করা পাইজোইলেকট্রিক সেমিকন্ডাক্টরের পাতলা ফিল্মগুলি ইন্টারডিজিটাল ট্রান্সডুসারগুলিতে ব্যবহৃত হয় (এখানে পরিবর্তনশীল ইলেক্ট্রোডগুলি পৃষ্ঠের শাব্দ তরঙ্গকে উত্তেজিত করতে ব্যবহৃত হয়)।

নিম্ন-ফ্রিকোয়েন্সি পাইজোইলেকট্রিক ট্রান্সডুসারগুলি ডাইপোল ফেরোইলেক্ট্রিকসের ভিত্তিতে তৈরি করা হয়: ক্ষুদ্র মাইক্রোফোন, লাউডস্পিকার, পিকআপ, চাপের জন্য সেন্সর, বিকৃতি, কম্পন, ত্বরণ, অতিস্বনক নির্গমনকারী।