Den piezoelektriske effekten ble oppdaget av de franske forskerne Curie-brødrene på slutten av 1800-tallet. På den tiden var det for tidlig å snakke om den praktiske anvendelsen av det oppdagede fenomenet, men for tiden er piezoelektriske elementer mye brukt både i teknologi og i hverdagen.
Innhold
Essensen av den piezoelektriske effekten
Kjente fysikere har slått fast at når noen krystaller (bergkrystall, turmalin, etc.) deformeres, oppstår det elektriske ladninger i ansiktene deres. Samtidig var potensialforskjellen liten, men den ble trygt fikset av enhetene som eksisterte på den tiden, og ved å koble seksjoner med motsatt polare ladninger ved hjelp av ledere, var det mulig å oppnå elektrisitet. Fenomenet ble fikset bare i dynamikk, i øyeblikket av kompresjon eller strekking. Deformasjon i statisk modus forårsaket ikke en piezoelektrisk effekt.
Snart ble den motsatte effekten teoretisk begrunnet og oppdaget i praksis - når en spenning ble påført, ble krystallen deformert.Det viste seg at begge fenomenene er sammenkoblet - hvis et stoff viser en direkte piezoelektrisk effekt, er det motsatte også iboende i det, og omvendt.
Fenomenet observeres i stoffer med en anisotropisk type krystallgitter (hvis fysiske egenskaper er forskjellige avhengig av retning) med tilstrekkelig asymmetri, samt noen polykrystallinske strukturer.
I ethvert fast legeme forårsaker de påførte ytre kreftene deformasjon og mekaniske påkjenninger, og i stoffer med en piezoelektrisk effekt forårsaker de også polarisering av ladninger, og polarisasjonen avhenger av retningen til den påførte kraften. Når du endrer eksponeringsretningen, endres både polarisasjonsretningen og polariteten til ladningene. Polarisasjonens avhengighet av mekanisk spenning er lineær og beskrives ved uttrykket P=dt, der t er mekanisk spenning, og d er en koeffisient som kalles den piezoelektriske modulen (piezoelektrisk modul).
Et lignende fenomen oppstår med den omvendte piezoelektriske effekten. Når retningen til det påførte elektriske feltet endres, endres deformasjonsretningen. Her er avhengigheten også lineær: r=dE, hvor E er den elektriske feltstyrken og r er tøyningen. Koeffisienten d er den samme for direkte og inverse piezoelektriske effekter for alle stoffer.
Faktisk er ligningene ovenfor bare estimater. De faktiske avhengighetene er mye mer kompliserte og bestemmes også av retningen på kreftene i forhold til krystallaksene.
Stoffer med piezoelektrisk effekt
For første gang ble den piezoelektriske effekten funnet i bergkrystaller (kvarts). Til i dag er dette materialet veldig vanlig i produksjonen av piezoelektriske elementer, men ikke bare naturlige materialer brukes i produksjonen.
Mange piezoelektriske stoffer er laget av stoffer med ABO-formelen.3, for eksempel BaTiO3, РbТiO3. Disse materialene har en polykrystallinsk (bestående av mange krystaller) struktur, og for å gi dem muligheten til å utvise en piezoelektrisk effekt, må de utsettes for polarisering ved hjelp av et eksternt elektrisk felt.
Det er teknologier som gjør det mulig å skaffe filmpiezoelektrikk (polyvinylidenfluorid, etc.). For å gi dem de nødvendige egenskapene, må de også polariseres i lang tid i et elektrisk felt. Fordelen med slike materialer er en veldig liten tykkelse.
Egenskaper og egenskaper til stoffer med piezoelektrisk effekt
Siden polarisering bare skjer under elastisk deformasjon, er en viktig egenskap ved et piezomateriale dets evne til å endre form under påvirkning av ytre krefter. Verdien av denne evnen bestemmes av elastisk ettergivenhet (eller elastisk stivhet).
Krystaller med en piezoelektrisk effekt er svært elastiske - når kraften (eller ytre stress) fjernes, går de tilbake til sin opprinnelige form.
Piezocrystals har også sin egen mekaniske resonansfrekvens. Hvis du får krystallen til å vibrere på denne frekvensen, vil amplituden være spesielt stor.
Siden den piezoelektriske effekten manifesteres ikke bare av hele krystaller, men også av plater av dem kuttet under visse forhold, er det mulig å oppnå biter av piezoelektriske stoffer med resonans ved forskjellige frekvenser, avhengig av de geometriske dimensjonene og retningen til kuttet.
Vibrasjonsegenskapene til piezoelektriske materialer er også preget av en mekanisk kvalitetsfaktor. Den viser hvor mange ganger amplituden til oscillasjonene ved resonansfrekvensen øker med en lik påført kraft.
Det er en klar avhengighet av egenskapene til et piezoelektrisk på temperatur, som må tas i betraktning når du bruker krystaller. Denne avhengigheten er preget av koeffisientene:
- temperaturkoeffisienten til resonansfrekvensen viser hvor mye resonansen går bort når krystallen varmes opp / avkjøles;
- temperaturutvidelseskoeffisienten bestemmer hvor mye de lineære dimensjonene til den piezoelektriske platen endres med temperaturen.
Ved en viss temperatur mister piezokrystallen sine egenskaper. Denne grensen kalles Curie-temperaturen. Denne grensen er individuell for hvert materiale. For eksempel, for kvarts er det +573 °C.
Praktisk bruk av den piezoelektriske effekten
Den mest kjente anvendelsen av piezoelektriske elementer er som et tenningselement. Den piezoelektriske effekten brukes i lommetennere eller kjøkkentennere for gasskomfyrer. Når krystallen trykkes, oppstår det en potensiell forskjell og en gnist oppstår i luftgapet.
Dette bruksområdet for piezoelektriske elementer er ikke oppbrukt. Krystaller med lignende effekt kan brukes som strekkmålere, men dette bruksområdet er begrenset av egenskapen til den piezoelektriske effekten til kun å vises i dynamikk - hvis endringene stopper, slutter signalet å generere.
Piezocrystals kan brukes som mikrofon - når de utsettes for akustiske bølger, dannes det elektriske signaler. Den omvendte piezoelektriske effekten tillater også (noen ganger samtidig) bruk av slike elementer som lydutsendere. Når et elektrisk signal påføres krystallen, vil det piezoelektriske elementet begynne å generere akustiske bølger.
Slike emittere er mye brukt til å lage ultralydbølger, spesielt innen medisinsk teknologi. På dette resonansegenskapene til platen kan også brukes.Det kan brukes som et akustisk filter som kun velger egenfrekvensbølger. Et annet alternativ er å bruke et piezoelektrisk element i en lydgenerator (sirene, detektor, etc.) samtidig som et frekvenssettende og lydavgivende element. I dette tilfellet vil lyden alltid genereres ved resonansfrekvensen, og maksimalt volum kan oppnås med lite energiforbruk.
Resonansegenskaper brukes til å stabilisere frekvensene til generatorer som opererer i radiofrekvensområdet. Kvartsplater spiller rollen som svært stabile og høykvalitets oscillerende kretser i frekvensinnstillingskretser.
Det er fortsatt fantastiske prosjekter for å konvertere energien til elastisk deformasjon til elektrisk energi i industriell skala. Du kan bruke deformasjonen av fortauet under påvirkning av tyngdekraften til fotgjengere eller biler, for eksempel for å belyse deler av sporene. Du kan bruke deformasjonsenergien til flyets vinger for å gi flynettverket. Slik bruk er begrenset av den utilstrekkelige effektiviteten til piezoelektriske elementer, men pilotanlegg er allerede opprettet, og de har vist løftet om ytterligere forbedring.
Lignende artikler:
