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Materiali piezoelettrici e loro proprietĂ : - elastiche - dielettriche - piezoelettroniche. Sandro Pavanato

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Definizione di piezoelettricitĂ 

E' la capacitĂ  di alcuni materiali cristallini: 1) di manifestare una carica elettrica se sottoposti a stress meccanico (effetto diretto); 2) oppure di deformarsi se sottoposti ad un campo elettrico (effetto inverso). Pag 2 di 7


Effetto diretto (del cristallo piezoelettrico)

eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee ee

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riposo

(b)

Š

; (b) sottoposto ad una compressione;

(c) sottoposto ad una trazione; (ci)

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(d)

(e)

(f) Figura 1.1:

(d) sottoposto ad una tensione continua positiva; (e) sottoposto ad una tensione continua negativa; (f) sottoposto ad una

tensione alternata

Il requisito fondamentale affinché esistano interazioni piezoelettriche in un cristallo è che alcuni dei suoi assi posseggano intrinsecamente una polarità. Questa esigenza trae origine dal fatto che campo elettrico e polarizzazione sono grandezze con caratteristiche vettoriali e quindi unidirezionali, mentre stress meccanici sono grandezze tensoriali che non hanno caratteristiche esclusivamente unidirezionali. La polarità che il materiale deve possedere è propria solo di alcune classi cristalline dotate di una particolare simmetria e in linea di principio è assente negli altri cristalli e nei materiali isotropi. Tra questi ultimi sono comprese le ceramiche piezoelettriche cioè materiali dielettrici dotati di una struttura policristallina ed elevata costante dielettrica. Infatti, le ceramiche piezoelettriche sono intrinsecamente costituite da microdomini, cioè zone di piccole dimensioni, i cui momenti Pag 5 di 7


di dipolo elettrici sono orientati casualmente e quindi la loro risultante è nulla, impedendo così il verificarsi dell’effetto piezoelettrico. La direzione dei momenti di dipolo può essere variata sotto opportune condizioni e con particolari tecniche. La possibilità di variare la direzione dei dipoli è nota con il nome di “ferroelettricità” ed è dovuta a mutue interazioni di tipo elettrico fra le molecole del materiale che tendono ad allinearsi secondo precise direzioni. Per ottenere proprietà piezoelettriche è necessaria una polarità che può essere conferita alla ceramica in maniera più o meno duratura mediante un procedimento di polarizzazione analogo alla magnetizzazione di un magnete permanente. Infatti, se si applica un campo elettrico costante per un certo periodo di tempo, tale campo elettrico fa nascere una carica netta positiva su un lato del materiale e una carica netta negativa sul lato opposto. Poiché la ceramica ha una elevata costante dielettrica il momento di dipolo rimane pressoché invariato una volta tolto il campo elettrico [1] come mostrato in figura 1.2.

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(a)

(b)

(c)

figura 1.2: Momenti di dipolo elettrico e polarizzazione: (a) prima della polarizzazione; (b)durante la polarizzazione; (c) dopo la polarizzazione

Quindi la piezoelettricità deriva dalla reversibilità, in un cristallo polare, della direzione del dipolo elettrico per effetto di un campo elettrico applicato; ciò significa che il basso salto energetico esistente fra uno stato direzionale e l’altro può essere superato semplicemente per aumento della temperatura; la temperatura d’inversione della struttura è detta punto di Curie e attorno a queste transizioni cristalline la costante dielettrica relativa del materiale osserva la legge di Curie-Weiss:

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Grandezze elettriche alternate