Piezoelectrics، piezoelectricity - رجحان کی طبیعیات، اقسام، خواص اور اطلاقات

پیزو الیکٹرک ڈائی الیکٹرکس کو نمایاں کیا گیا ہے۔ پیزو الیکٹرک اثر.

پیزو الیکٹرسٹی کے رجحان کو 1880-1881 میں مشہور فرانسیسی ماہر طبیعیات پیئر اور پال جیک کیوری نے دریافت کیا اور اس کا مطالعہ کیا۔

40 سال سے زیادہ عرصے تک، پیزو الیکٹرسٹی کو عملی اطلاق نہیں ملا، جو کہ فزکس لیبارٹریوں کی ملکیت ہے۔ یہ صرف پہلی جنگ عظیم کے دوران ہی تھا کہ فرانسیسی سائنسدان پال لینگیوین نے اس رجحان کو پانی کے اندر مقام ("ساؤنڈر") کے مقصد کے لئے کوارٹج پلیٹ سے پانی میں الٹراسونک کمپن پیدا کرنے کے لئے استعمال کیا۔

اس کے بعد، متعدد طبیعیات دان کوارٹز اور کچھ دوسرے کرسٹل کی پیزو الیکٹرک خصوصیات اور ان کے عملی استعمال کے مطالعہ میں دلچسپی لینے لگے۔ ان کے بہت سے کاموں میں کئی بہت اہم ایپلی کیشنز بھی تھیں۔

مثال کے طور پر 1915 میں ایس۔بٹر ورتھ نے دکھایا کہ کوارٹج پلیٹ ایک جہتی مکینیکل سسٹم کے طور پر، جو برقی میدان اور برقی چارجز کے درمیان تعامل کی وجہ سے پرجوش ہوتی ہے، کو ایک مساوی برقی سرکٹ کے طور پر پیش کیا جا سکتا ہے جس میں کیپیسیٹینس، انڈکٹنس اور ریزسٹر سیریز میں جڑے ہوئے ہیں۔

کوارٹج پلیٹ کو ایک آسکیلیٹر سرکٹ کے طور پر متعارف کرواتے ہوئے، بٹر ورتھ پہلا شخص تھا جس نے کوارٹج ریزونیٹر کے لیے مساوی سرکٹ تجویز کیا، جو کہ بعد کے تمام نظریاتی کام کی بنیاد ہے۔ کوارٹج resonators سے.

پیزو الیکٹرک اثر براہ راست اور الٹا ہے۔ ڈائی الیکٹرک کے برقی پولرائزیشن سے ڈائریکٹ پیزو الیکٹرک اثر نمایاں ہوتا ہے، جو اس پر کسی بیرونی میکانکی دباؤ کی وجہ سے ہوتا ہے، جب کہ ڈائی الیکٹرک کی سطح پر لگنے والا چارج لاگو مکینیکل تناؤ کے متناسب ہوتا ہے:

ریورس پیزو الیکٹرک اثر کے ساتھ، رجحان اپنے آپ کو دوسری طرح سے ظاہر کرتا ہے - ڈائی الیکٹرک اس پر لاگو ایک بیرونی برقی فیلڈ کے عمل کے تحت اپنے طول و عرض کو تبدیل کرتا ہے، جب کہ مکینیکل اخترتی (رشتہ دار اخترتی) کی شدت اس کی طاقت کے متناسب ہوگی۔ نمونے پر لاگو برقی میدان:

دونوں صورتوں میں تناسب کا عنصر پیزومودولس ڈی ہے۔ اسی پیزو الیکٹرک کے لیے، ڈائریکٹ (dpr) اور ریورس (drev) piezoelectric اثر کے لیے piezomoduli ایک دوسرے کے برابر ہیں۔ اس طرح، پیزو الیکٹرکس ایک قسم کے الٹ جانے والے الیکٹرو مکینیکل ٹرانس ڈوسرز ہیں۔

طول بلد اور ٹرانسورس پیزو الیکٹرک اثر

پیزو الیکٹرک اثر، نمونے کی قسم پر منحصر ہے، طول بلد یا قاطع ہو سکتا ہے۔طول البلد پیزو الیکٹرک اثر کی صورت میں، کسی بیرونی برقی فیلڈ کے ردعمل میں تناؤ یا تناؤ کے جواب میں چارجز اسی سمت میں پیدا ہوتے ہیں جس طرح ابتدائی کارروائی ہوتی ہے۔ ٹرانسورس پیزو الیکٹرک اثر کے ساتھ، چارجز کی ظاہری شکل یا اخترتی کی سمت اس اثر کی سمت کے لیے کھڑی ہو گی جو ان کا سبب بنتی ہے۔

اگر ایک متبادل الیکٹرک فیلڈ پیزو الیکٹرک پر کام کرنا شروع کردے، تو اس میں اسی تعدد کے ساتھ ایک متبادل اخترتی ظاہر ہوگی۔ اگر پیزو الیکٹرک اثر طول بلد ہے، تو اخترتیوں میں لاگو برقی فیلڈ کی سمت میں کمپریشن اور تناؤ کا کردار ہوگا، اور اگر یہ قاطع ہے، تو ٹرانسورس لہروں کا مشاہدہ کیا جائے گا۔

اگر لاگو متبادل الیکٹرک فیلڈ کی فریکوئنسی پیزو الیکٹرک کی گونج فریکوئنسی کے برابر ہے، تو مکینیکل اخترتی کا طول و عرض زیادہ سے زیادہ ہوگا۔ نمونے کی گونج فریکوئنسی کا تعین فارمولے سے کیا جا سکتا ہے (V مکینیکل لہروں کے پھیلاؤ کی رفتار ہے، h نمونے کی موٹائی ہے):

پیزو الیکٹرک میٹریل کی سب سے اہم خصوصیت الیکٹرو مکینیکل کپلنگ گتانک ہے، جو نمونے پر اثر کے ذریعے ان کی حوصلہ افزائی پر خرچ ہونے والی مکینیکل کمپن Pa اور برقی طاقت Pe کے درمیان تناسب کی نشاندہی کرتا ہے۔ یہ گتانک عام طور پر 0.01 سے 0.3 کی حد میں قدر لیتا ہے۔

پیزو الیکٹرکس کی خصوصیت کسی مادے کی کرسٹل ساخت سے ہوتی ہے جس میں ہم آہنگی یا آئنک بانڈ ہوتا ہے جس میں توازن کا مرکز نہیں ہوتا ہے۔ کم چالکتا کے ساتھ مواد، جس میں نہ ہونے کے برابر مفت چارج کیریئرز ہیں، اعلی پیزو الیکٹرک خصوصیات سے ممتاز ہیں۔پیزو الیکٹرکس میں تمام فیرو الیکٹرک کے ساتھ ساتھ کوارٹج کی کرسٹل لائن ترمیم سمیت معروف مواد کی دولت بھی شامل ہے۔

سنگل کرسٹل پیزو الیکٹرک

پیزو الیکٹرکس کی اس کلاس میں آئنک فیرو الیکٹرک اور کرسٹل لائن کوارٹز (بیٹا کوارٹز SiO2) شامل ہیں۔

بیٹا کوارٹز کا ایک واحد کرسٹل ایک ہیکساگونل پرزم کی شکل کا ہوتا ہے جس کے اطراف میں دو اہرام ہوتے ہیں۔ آئیے یہاں کچھ کرسٹللوگرافک سمتوں کو اجاگر کرتے ہیں۔ Z محور اہرام کی چوٹیوں سے گزرتا ہے اور کرسٹل کا آپٹیکل محور ہے۔ اگر کسی پلیٹ کو اس طرح کے کرسٹل سے دیے گئے محور (Z) کی سمت میں کاٹا جاتا ہے، تو پیزو الیکٹرک اثر حاصل نہیں کیا جا سکتا۔

X محوروں کو مسدس کے عمودی خطوط سے کھینچیں، اس طرح کے تین X محور ہیں، اگر آپ پلیٹوں کو X محور پر کھڑا کرتے ہیں، تو ہمیں بہترین پیزو الیکٹرک اثر والا نمونہ ملتا ہے۔ یہی وجہ ہے کہ X-axes کو کوارٹج میں برقی محور کہا جاتا ہے۔ کوارٹج کرسٹل کے اطراف میں کھڑے تینوں Y محور مکینیکل محور ہیں۔

اس قسم کا کوارٹج کمزور پیزو الیکٹرک سے تعلق رکھتا ہے، اس کا الیکٹرو مکینیکل کپلنگ گتانک 0.05 سے 0.1 کی حد میں ہے۔

کرسٹل لائن کوارٹز 573 °C تک درجہ حرارت پر پائیزو الیکٹرک خصوصیات کو برقرار رکھنے کی صلاحیت کی وجہ سے سب سے زیادہ قابل اطلاق ہے۔ اس طرح کے عناصر کو قدرتی گونج کی واضح تعدد سے ممتاز کیا جاتا ہے۔

Lithium niobite (LiNbO3) آئن فیرو الیکٹرک سے متعلق ایک وسیع پیمانے پر استعمال ہونے والا پیزو الیکٹرک مواد ہے (لیتھیم ٹینٹلیٹ LiTaO3 اور بسمتھ جرمینیٹ Bi12GeO20 کے ساتھ)۔آئنک فیرو الیکٹرکس کو کیوری پوائنٹ سے نیچے درجہ حرارت پر ایک مضبوط برقی میدان میں پہلے سے اینیل کیا جاتا ہے تاکہ انہیں ایک ڈومین حالت میں لایا جا سکے۔ اس طرح کے مواد میں الیکٹرو مکینیکل کپلنگ کے زیادہ گتانک ہوتے ہیں (0.3 تک)۔

کیڈیمیم سلفائڈ سی ڈی ایس، زنک آکسائڈ ZnO، زنک سلفائڈ ZnS، کیڈیمیم سیلینائڈ CdSe، گیلیم آرسنائڈ GaAs، وغیرہ۔ وہ سیمی کنڈکٹر قسم کے مرکبات کی مثالیں ہیں جن میں ionic-covalent بانڈ ہے۔ یہ نام نہاد پیزو سیمی کنڈکٹر ہیں۔

ان ڈوپول فیرو الیکٹرکس کی بنیاد پر، ایتھیلینڈیامین ٹارٹریٹ C6H14N8O8، ٹورمالین، روچیل نمک کے سنگل کرسٹل، لیتھیم سلفیٹ Li2SO4H2O — پیزو الیکٹرک بھی حاصل کیے جاتے ہیں۔

پولی کرسٹل لائن پیزو الیکٹرک

فیرو الیکٹرک سیرامکس کا تعلق پولی کرسٹل لائن پیزو الیکٹرک سے ہے۔ فیرو الیکٹرک سیرامکس کو پیزو الیکٹرک خصوصیات دینے کے لیے، ایسے سیرامکس کو 100 سے 150 ° C کے درجہ حرارت پر مضبوط برقی میدان (2 سے 4 MV/m کی طاقت کے ساتھ) میں ایک گھنٹے کے لیے پولرائز کیا جانا چاہیے، تاکہ اس نمائش کے بعد ، پولرائزیشن اس میں رہتا ہے، جس سے پیزو الیکٹرک اثر حاصل کرنا ممکن ہوتا ہے۔ اس طرح، 0.2 سے 0.4 کے پیزو الیکٹرک کپلنگ گتانک کے ساتھ مضبوط پیزو الیکٹرک سیرامکس حاصل کیے جاتے ہیں۔

مطلوبہ شکل کے پیزو الیکٹرک عناصر کو پیزو سیرامکس سے بنایا جاتا ہے تاکہ مطلوبہ نوعیت کی مکینیکل کمپن حاصل کی جا سکے (طول بلد، قاطع، موڑنے)۔ صنعتی پیزوسرامکس کے اہم نمائندے بیریم ٹائٹانیٹ، کیلشیم، لیڈ، لیڈ زرکونیٹ-ٹائٹانیٹ اور بیریم لیڈ نائوبیٹ کی بنیاد پر بنائے جاتے ہیں۔

پولیمر پیزو الیکٹرک

پولیمر فلمیں (مثلاً پولی وینیلائیڈین فلورائیڈ) کو 100-400% تک پھیلایا جاتا ہے، پھر برقی میدان میں پولرائز کیا جاتا ہے، اور پھر میٹالائزیشن کے ذریعے الیکٹروڈس کا اطلاق ہوتا ہے۔ اس طرح، 0.16 کے آرڈر کے الیکٹرو مکینیکل کپلنگ گتانک کے ساتھ فلم پیزو الیکٹرک عناصر حاصل کیے جاتے ہیں۔

پیزو الیکٹرکس کا اطلاق

علیحدہ اور باہم جڑے ہوئے پیزو الیکٹرک عناصر ریڈی میڈ ریڈیو انجینئرنگ ڈیوائسز کی شکل میں پائے جاسکتے ہیں - ان کے ساتھ الیکٹروڈز کے ساتھ پیزو الیکٹرک ٹرانسڈیوسرز۔

اس طرح کے آلات، کوارٹز، پیزو الیکٹرک سیرامکس، یا آئنک پیزو الیکٹرک سے بنے ہیں، برقی سگنل پیدا کرنے، تبدیل کرنے اور فلٹر کرنے کے لیے استعمال ہوتے ہیں۔ ایک ہوائی جہاز کے متوازی پلیٹ کو کوارٹج کرسٹل سے کاٹا جاتا ہے، الیکٹروڈ منسلک ہوتے ہیں - ایک گونج حاصل کیا جاتا ہے۔

ریزونیٹر کی فریکوئنسی اور کیو فیکٹر کا انحصار کرسٹاللوگرافک محور کے زاویہ پر ہوتا ہے جس پر پلیٹ کاٹا جاتا ہے۔ عام طور پر، ریڈیو فریکوئنسی رینج میں 50 میگا ہرٹز تک، ایسے ریزونیٹرز کا کیو فیکٹر 100,000 تک پہنچ جاتا ہے۔ اس کے علاوہ، پیزو الیکٹرک ٹرانسفارمرز کو پیزو الیکٹرک ٹرانسفارمرز کے طور پر بڑے پیمانے پر استعمال کیا جاتا ہے جس میں اعلی ان پٹ مائبادی ہوتی ہے، عام طور پر وسیع فریکوئنسی رینج کے لیے۔

کوالٹی فیکٹر اور فریکوئنسی کے لحاظ سے، کوارٹز آئن پیزو الیکٹرک سے بہتر کارکردگی کا مظاہرہ کرتا ہے، جو 1 گیگا ہرٹز تک فریکوئنسی پر کام کرنے کے قابل ہے۔ سب سے پتلی لیتھیم ٹینٹلیٹ پلیٹیں 0.02 سے 1 گیگا ہرٹز کی فریکوئنسی کے ساتھ الٹراسونک وائبریشنز کے ایمیٹرز اور ریسیورز کے طور پر استعمال ہوتی ہیں، گونجنے والے، فلٹرز، سطحی صوتی لہروں کی تاخیری لکیروں میں۔

ڈائی الیکٹرک سبسٹریٹس پر جمع پائیزو الیکٹرک سیمی کنڈکٹرز کی پتلی فلمیں انٹرڈیجیٹل ٹرانسڈیوسرز میں استعمال ہوتی ہیں (یہاں متغیر الیکٹروڈس کو سطحی صوتی لہروں کو اکسانے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے)۔

کم فریکوئنسی والے پیزو الیکٹرک ٹرانسڈیوسرز ڈوپول فیرو الیکٹرک کی بنیاد پر بنائے جاتے ہیں: چھوٹے مائکروفون، لاؤڈ اسپیکر، پک اپ، دباؤ کے لیے سینسر، اخترتی، کمپن، ایکسلریشن، الٹراسونک ایمیٹرز۔