Einfluss der Eingangsfrequenz
Bei niedrigen Eingangsfrequenzen sind die Beziehungen zwischen einer auf ein piezoelektrisches Keramikelement ausgeübten Kraft und dem vom Piezoelement erzeugten elektrischen Feld oder der Ladung:
E = -(g33T)
Q = -(d33F)
wobei E: elektrisches Feld
g33: piezoelektrische Spannungskonstante
T: Belastung des Keramikelements
F: erzeugte Ladung
d33: piezoelektrische Ladungskonstante
F: aufgebrachte Kraft
Die Beziehungen zwischen einer angelegten Spannung oder einem angelegten elektrischen Feld und der entsprechenden Zunahme oder Abnahme der Dicke, Länge oder Breite eines piezoelektrischen Keramikelements sind:
h = d33V
S = d33E
l / l = d31E
w / w = d31E
wobei l: Anfangslänge des keramischen Elements
w: Ausgangsbreite des Keramikelements
Δh: Höhenänderung (Dicke) des Keramikelements
Δl: Längenänderung des Keramikelements
Δw: Breitenänderung des Keramikelements
d: piezoelektrische Ladungskonstante
V: angelegte Spannung
S: Dehnung (Höhenänderung / ursprüngliche Elementhöhe)
E: elektrisches Feld
Ein piezoelektrisches Keramikelement, das einem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt ist, ändert seine Abmessungen zyklisch mit der Frequenz des Feldes. Die Frequenz, bei der das Element als Reaktion auf die elektrische Eingabe am leichtesten schwingt und die zugeführte elektrische Energie am effizientesten in mechanische Energie umwandelt – die Resonanzfrequenz – wird durch die Zusammensetzung des keramischen Materials sowie durch die Form und das Volumen von bestimmt das Element.
Wenn die Zyklusfrequenz erhöht wird, nähern sich die Schwingungen des Elements zunächst einer Frequenz, bei der die Impedanz minimal ist (maximale Admittanz). Diese Frequenz ist auch die Resonanzfrequenz. Wenn die Frequenz weiter erhöht wird, steigt die Impedanz auf ein Maximum (minimale Admittanz), was auch die Antiresonanzfrequenz ist. Diese Frequenzen werden durch Experimente bestimmt - um zu sehen, wie, siehe Bestimmung der Resonanzfrequenz.
Aus den Werten für minimale Impedanzfrequenz und maximale Impedanzfrequenz lässt sich der elektromechanische Kopplungsfaktor k berechnen, ein Indikator für die Effektivität, mit der ein piezoelektrisches Material elektrische Energie in mechanische Energie oder mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. k hängt von der Schwingungsform und der Form des Keramikelements ab. Auch dielektrische Verluste und mechanische Verluste wirken sich auf die Effizienz der Energieumwandlung aus. Dielektrische Verluste sind normalerweise bedeutender als mechanische Verluste.
Stabilität - Die meisten Eigenschaften eines piezoelektrischen Keramikelements erodieren allmählich in einem logarithmischen Verhältnis zur Zeit nach der Polarisation. Die genauen Alterungsraten hängen von der Zusammensetzung des keramischen Elements und dem Herstellungsverfahren ab, das zu seiner Herstellung verwendet wurde. Eine falsche Handhabung des Elements durch Überschreiten seiner elektrischen, mechanischen oder thermischen Grenzen kann diesen inhärenten Prozess beschleunigen.
Elektrische Beschränkungen - Die Einwirkung eines starken elektrischen Feldes mit einer Polarität, die der des Polarisationsfeldes entgegengesetzt ist, depolarisiert ein piezoelektrisches Material. Der Depolarisationsgrad hängt von der Materialqualität, der Einwirkzeit, der Temperatur und anderen Faktoren ab, aber Felder von 200-500 V/mm oder mehr haben typischerweise eine signifikante depolarisierende Wirkung. Ein Wechselstrom hat während jeder Halbperiode, in der die Polarität der des Polarisationsfeldes entgegengesetzt ist, eine depolarisierende Wirkung.
Mechanische Einschränkungen Mechanischer Stress, der ausreicht, um die Orientierung der Domänen in einem piezoelektrischen Material zu stören, kann die Ausrichtung der Dipole zerstören. Wie die Anfälligkeit für elektrische Depolarisation unterscheidet sich die Fähigkeit, mechanischen Belastungen standzuhalten, zwischen den verschiedenen Qualitäten und Marken von piezoelektrischen Materialien.
Thermische Einschränkungen - Wenn ein piezoelektrisches Keramikmaterial bis zu seinem Curie-Punkt erhitzt wird, werden die Domänen ungeordnet und das Material wird depolarisiert. Die empfohlene obere Betriebstemperatur für eine Keramik liegt normalerweise ungefähr in der Mitte zwischen °C und dem Curie-Punkt. Innerhalb des empfohlenen Betriebstemperaturbereichs sind temperaturbedingte Änderungen der Orientierung der Domänen reversibel. Andererseits können diese Veränderungen Ladungsverschiebungen und elektrische Felder erzeugen. Außerdem können plötzliche Temperaturschwankungen relativ hohe Spannungen erzeugen, die das Keramikelement depolarisieren können. Zur Aufnahme der überflüssigen elektrischen Energie kann in das System ein Kondensator eingebaut werden.
Bei einem bestimmten keramischen Material sind die pyroelektrische Ladungskonstante – die Polaritätsänderung bei einer gegebenen Temperaturänderung – und die pyroelektrische Feldstärkekonstante – die Änderung des elektrischen Felds bei einer gegebenen Temperaturänderung – Indikatoren für die Anfälligkeit des Materials gegenüber pyroelektrische Effekte. Ein hohes Verhältnis von piezoelektrischer Ladungskonstante zu pyroelektrischer Ladungskonstante oder ein hohes Verhältnis von piezoelektrischer Spannungskonstante zu pyroelektrischer Feldstärkekonstante zeigt eine gute Beständigkeit gegenüber pyroelektrischen Effekten an.
