Influence de la fréquence d'entrée
Aux basses fréquences d'entrée, les relations entre une force appliquée à un élément céramique piézoélectrique et le champ électrique ou la charge produite par l'élément piézoélectrique sont :
E = -(g33T)
Q = -(d33F)
où E : champ électrique
g33 : constante de tension piézoélectrique
T : contrainte sur l'élément en céramique
Q : frais générés
d33 : constante de charge piézoélectrique
F : force appliquée
Les relations entre une tension ou un champ électrique appliqué et l'augmentation ou la diminution correspondante de l'épaisseur, de la longueur ou de la largeur d'un élément céramique piézoélectrique sont :
h = d33V
S = d33E
l / l = d31E
w / w = d31E
où l : longueur initiale de l'élément en céramique
w : largeur initiale de l'élément en céramique
Δh : changement de hauteur (épaisseur) de l'élément en céramique
l : changement de longueur de l'élément en céramique
Δw : changement de largeur de l'élément en céramique
d : constante de charge piézoélectrique
V : tension appliquée
S : déformation (changement de hauteur / hauteur d'origine de l'élément)
E : champ électrique
Un élément céramique piézoélectrique exposé à un champ électrique alternatif change de dimension de manière cyclique, à la fréquence du champ. La fréquence à laquelle l'élément vibre le plus facilement en réponse à l'entrée électrique, et convertit le plus efficacement l'entrée d'énergie électrique en énergie mécanique - la fréquence de résonance - est déterminée par la composition du matériau céramique et par la forme et le volume de l'élément.
Au fur et à mesure que la fréquence de cyclage augmente, les oscillations de l'élément s'approchent d'abord d'une fréquence à laquelle l'impédance est minimale (admittance maximale). Cette fréquence est aussi la fréquence de résonance. Au fur et à mesure que la fréquence augmente, l'impédance augmente jusqu'à un maximum (admittance minimum), qui est également la fréquence d'anti-résonance. Ces fréquences sont déterminées expérimentalement - pour voir comment, reportez-vous à Détermination de la fréquence de résonance.
Les valeurs de fréquence d'impédance minimale et de fréquence d'impédance maximale peuvent être utilisées pour calculer le facteur de couplage électromécanique, k, indicateur de l'efficacité avec laquelle un matériau piézoélectrique convertit l'énergie électrique en énergie mécanique ou l'énergie mécanique en énergie électrique. k dépend du mode de vibration et de la forme de l'élément céramique. Les pertes diélectriques et les pertes mécaniques affectent également l'efficacité de la conversion d'énergie. Les pertes diélectriques sont généralement plus importantes que les pertes mécaniques.
Stabilité - La plupart des propriétés d'un élément céramique piézoélectrique s'érodent progressivement, dans une relation logarithmique avec le temps après la polarisation. Les vitesses exactes de vieillissement dépendent de la composition de l'élément céramique et du procédé de fabrication utilisé pour le préparer. Une mauvaise manipulation de l'élément en dépassant ses limites électriques, mécaniques ou thermiques peut accélérer ce processus inhérent.
Limitations électriques - L'exposition à un champ électrique intense, de polarité opposée à celle du champ polarisant, dépolarisera un matériau piézoélectrique. Le degré de dépolarisation dépend de la qualité du matériau, du temps d'exposition, de la température et d'autres facteurs, mais les champs de 200 à 500 V / mm ou plus ont généralement un effet dépolarisant important. Un courant alternatif aura un effet dépolarisant pendant chaque demi-cycle dans lequel la polarité est opposée à celle du champ polarisant.
Limitations mécaniques Des contraintes mécaniques suffisantes pour perturber l'orientation des domaines dans un matériau piézoélectrique peuvent détruire l'alignement des dipôles. Comme la susceptibilité à la dépolarisation électrique, la capacité à résister aux contraintes mécaniques diffère selon les différentes qualités et marques de matériaux piézoélectriques.
Limitations thermiques - Si un matériau céramique piézoélectrique est chauffé jusqu'à son point de Curie, les domaines deviendront désordonnés et le matériau sera dépolarisé. La température de fonctionnement supérieure recommandée pour une céramique est généralement approximativement à mi-chemin entre °C et le point de Curie. Dans la plage de température de fonctionnement recommandée, les changements associés à la température dans l'orientation des domaines sont réversibles. D'autre part, ces changements peuvent créer des déplacements de charge et des champs électriques. De plus, des fluctuations soudaines de température peuvent générer des tensions relativement élevées, capables de dépolariser l'élément en céramique. Un condensateur peut être incorporé au système pour accepter l'énergie électrique superflue.
Pour un matériau céramique particulier, la constante de charge pyroélectrique - le changement de polarité pour un changement de température donné - et la constante d'intensité de champ pyroélectrique - le changement de champ électrique pour un changement de température donné - sont des indicateurs de la vulnérabilité du matériau à effets pyroélectriques. Un rapport constante de charge piézoélectrique : constante de charge pyroélectrique ou constante de tension piézoélectrique : constante de champ pyroélectrique élevée indique une bonne résistance aux effets pyroélectriques.
