Efekt piezoelektryczny odkryli francuscy naukowcy bracia Curie pod koniec XIX wieku. W tym czasie było za wcześnie, aby mówić o praktycznym zastosowaniu odkrytego zjawiska, ale obecnie elementy piezoelektryczne znajdują szerokie zastosowanie zarówno w technice, jak iw życiu codziennym.
Zawartość
Istota efektu piezoelektrycznego
Znani fizycy ustalili, że kiedy niektóre kryształy (kryształ górski, turmalin itp.) ulegają deformacji, na ich powierzchniach powstają ładunki elektryczne. Jednocześnie różnica potencjałów była niewielka, ale pewnie została ustalona przez istniejące wówczas urządzenia, a łącząc odcinki o przeciwnie biegunowych ładunkach za pomocą przewodników można było uzyskać Elektryczność. Zjawisko to utrwaliło się tylko w dynamice, w momencie ściskania lub rozciągania. Odkształcenie w trybie statycznym nie wywołało efektu piezoelektrycznego.
Wkrótce odwrotny efekt został teoretycznie uzasadniony i odkryty w praktyce - po przyłożeniu napięcia kryształ ulegał deformacji.Okazało się, że oba zjawiska są ze sobą powiązane - jeśli substancja wykazuje bezpośredni efekt piezoelektryczny, to jest w nim również coś przeciwnego i odwrotnie.
Zjawisko to obserwuje się w substancjach o sieci krystalicznej typu anizotropowego (których właściwości fizyczne są różne w zależności od kierunku) o wystarczającej asymetrii, a także w niektórych strukturach polikrystalicznych.
W każdym ciele stałym przyłożone siły zewnętrzne powodują odkształcenia i naprężenia mechaniczne, aw substancjach o działaniu piezoelektrycznym powodują również polaryzację ładunków, a polaryzacja zależy od kierunku przyłożonej siły. Zmieniając kierunek ekspozycji, zmienia się zarówno kierunek polaryzacji, jak i polaryzacja ładunków. Zależność polaryzacji od naprężeń mechanicznych jest liniowa i jest opisana wyrażeniem P=dt, gdzie t jest naprężeniem mechanicznym, a d jest współczynnikiem zwanym modułem piezoelektrycznym (modułem piezoelektrycznym).
Podobne zjawisko występuje w przypadku odwróconego efektu piezoelektrycznego. Gdy zmienia się kierunek przyłożonego pola elektrycznego, zmienia się kierunek odkształcenia. Tutaj zależność jest również liniowa: r=dE, gdzie E to natężenie pola elektrycznego, a r to odkształcenie. Współczynnik d jest taki sam dla bezpośrednich i odwrotnych efektów piezoelektrycznych dla wszystkich substancji.
W rzeczywistości powyższe równania są jedynie szacunkami. Rzeczywiste zależności są znacznie bardziej skomplikowane i są również determinowane przez kierunek sił względem osi kryształu.
Substancje o efekcie piezoelektrycznym
Po raz pierwszy efekt piezoelektryczny wykryto w kryształach górskich (kwarc). Do dziś materiał ten jest bardzo powszechny w produkcji elementów piezoelektrycznych, jednak do produkcji wykorzystywane są nie tylko materiały naturalne.
Wiele piezoelektryków jest wykonanych z substancji o formule ABO.3, np. BaTiO3, РbТiO3. Materiały te mają strukturę polikrystaliczną (składającą się z wielu kryształów) i aby nadać im zdolność do wywoływania efektu piezoelektrycznego, muszą zostać poddane polaryzacji za pomocą zewnętrznego pola elektrycznego.
Istnieją technologie, które umożliwiają uzyskanie foliowych piezoelektryków (polifluorek winylidenu itp.). Aby nadać im niezbędne właściwości, muszą też być długo spolaryzowane w polu elektrycznym. Zaletą takich materiałów jest bardzo mała grubość.
Właściwości i właściwości substancji z efektem piezoelektrycznym
Ponieważ polaryzacja zachodzi tylko podczas odkształcenia sprężystego, ważną cechą piezomateriału jest jego zdolność do zmiany kształtu pod działaniem sił zewnętrznych. Wartość tej zdolności jest określona przez podatność sprężystą (lub sztywność sprężystą).
Kryształy z efektem piezoelektrycznym są wysoce elastyczne - po usunięciu siły (lub naprężenia zewnętrznego) wracają do pierwotnego kształtu.
Piezokryształy mają również własną mechaniczną częstotliwość rezonansową. Jeśli sprawisz, że kryształ wibruje z tą częstotliwością, amplituda będzie szczególnie duża.
Ponieważ efekt piezoelektryczny objawia się nie tylko całymi kryształami, ale także ich płytkami ciętymi w określonych warunkach, możliwe jest otrzymanie kawałków substancji piezoelektrycznych o rezonansie przy różnych częstotliwościach, w zależności od wymiarów geometrycznych i kierunku cięcia.
Również właściwości wibracyjne materiałów piezoelektrycznych charakteryzują się mechanicznym współczynnikiem jakości. Pokazuje, ile razy amplituda oscylacji przy częstotliwości rezonansowej wzrasta przy jednakowej przyłożonej sile.
Istnieje wyraźna zależność właściwości piezoelektryka od temperatury, co należy wziąć pod uwagę przy stosowaniu kryształów. Zależność tę charakteryzują współczynniki:
- współczynnik temperaturowy częstotliwości rezonansowej pokazuje, jak bardzo rezonans zanika, gdy kryształ jest ogrzewany / chłodzony;
- współczynnik rozszerzalności temperaturowej określa, jak bardzo zmieniają się wymiary liniowe płytki piezoelektrycznej wraz z temperaturą.
W określonej temperaturze piezokryształ traci swoje właściwości. Ta granica nazywana jest temperaturą Curie. Limit ten jest indywidualny dla każdego materiału. Na przykład dla kwarcu jest to +573 °C.
Praktyczne wykorzystanie efektu piezoelektrycznego
Najbardziej znanym zastosowaniem elementów piezoelektrycznych jest element zapłonowy. Efekt piezoelektryczny jest stosowany w zapalniczkach kieszonkowych lub zapalnikach kuchennych do kuchenek gazowych. Po naciśnięciu kryształu powstaje różnica potencjałów i w szczelinie powietrznej pojawia się iskra.
Ten obszar zastosowania elementów piezoelektrycznych nie jest wyczerpany. Kryształy o podobnym działaniu mogą służyć jako tensometry, ale ten obszar zastosowania jest ograniczony właściwością efektu piezoelektrycznego do pojawiania się tylko w dynamice – jeśli zmiany ustaną, sygnał przestaje generować.
Piezokryształy mogą służyć jako mikrofon - pod wpływem fal akustycznych powstają sygnały elektryczne. Odwrócony efekt piezoelektryczny pozwala również (czasem jednocześnie) na zastosowanie takich elementów jak emitery dźwięku. Gdy do kryształu zostanie doprowadzony sygnał elektryczny, element piezoelektryczny zacznie generować fale akustyczne.
Takie emitery są szeroko stosowane do tworzenia fal ultradźwiękowych, w szczególności w technice medycznej. Na ten można również wykorzystać właściwości rezonansowe płyty.Może być stosowany jako filtr akustyczny, który selekcjonuje tylko fale o częstotliwości naturalnej. Inną opcją jest zastosowanie elementu piezoelektrycznego w generatorze dźwięku (syrena, detektor itp.) jednocześnie jako element ustalający częstotliwość i emitujący dźwięk. W takim przypadku dźwięk będzie zawsze generowany z częstotliwością rezonansową, a maksymalną głośność można uzyskać przy niewielkim zużyciu energii.
Właściwości rezonansowe służą do stabilizacji częstotliwości generatorów pracujących w zakresie częstotliwości radiowych. Płytki kwarcowe pełnią rolę wysoce stabilnych i wysokiej jakości obwodów oscylacyjnych w obwodach do ustawiania częstotliwości.
Wciąż istnieją fantastyczne projekty przekształcania energii odkształceń sprężystych w energię elektryczną na skalę przemysłową. Można wykorzystać deformację nawierzchni pod wpływem grawitacji pieszych lub samochodów np. do oświetlenia odcinków torów. Możesz wykorzystać energię deformacji skrzydeł samolotu, aby zapewnić sieć samolotu. Takie zastosowanie jest ograniczone przez niewystarczającą wydajność elementów piezoelektrycznych, ale już powstały instalacje pilotażowe, które dają nadzieję na dalsze udoskonalenia.
Podobne artykuły:
