Пиезоелектричният ефект е открит от френските учени братя Кюри в края на 19 век. По това време беше твърде рано да се говори за практическото приложение на откритото явление, но в момента пиезоелектричните елементи се използват широко както в технологиите, така и в ежедневието.
Съдържание
Същността на пиезоелектричния ефект
Известни физици са установили, че когато някои кристали (скален кристал, турмалин и др.) се деформират, върху лицата им възникват електрически заряди. В същото време потенциалната разлика беше малка, но беше уверено фиксирана от съществуващите по това време устройства и чрез свързване на секции с противоположно полярни заряди с помощта на проводници беше възможно да се получи електричество. Явлението се фиксира само в динамиката, в момента на компресия или разтягане. Деформацията в статичен режим не предизвиква пиезоелектричен ефект.
Скоро обратният ефект беше теоретично оправдан и открит на практика - при подаване на напрежение кристалът се деформира.Оказа се, че и двете явления са взаимосвързани - ако едно вещество проявява директен пиезоелектричен ефект, тогава му е присъщо и обратното, и обратно.
Явлението се наблюдава при вещества с анизотропен тип кристална решетка (чиито физични свойства са различни в зависимост от посоката) с достатъчна асиметрия, както и някои поликристални структури.
Във всяко твърдо тяло приложените външни сили предизвикват деформация и механични напрежения, а при вещества с пиезоелектричен ефект също предизвикват поляризация на зарядите, като поляризацията зависи от посоката на приложената сила. При промяна на посоката на експозиция се променят както посоката на поляризация, така и полярността на зарядите. Зависимостта на поляризацията от механичното напрежение е линейна и се описва с израза P=dt, където t е механично напрежение, а d е коефициент, наречен пиезоелектричен модул (пиезоелектричен модул).
Подобно явление се получава и при обратния пиезоелектричен ефект. Когато посоката на приложеното електрическо поле се промени, посоката на деформация се променя. Тук зависимостта също е линейна: r=dE, където E е силата на електрическото поле, а r е напрежението. Коефициентът d е еднакъв за директните и обратните пиезоелектрични ефекти за всички вещества.
Всъщност горните уравнения са само приблизителни. Реалните зависимости са много по-сложни и също се определят от посоката на силите спрямо осите на кристала.
Вещества с пиезоелектричен ефект
За първи път пиезоелектричният ефект е открит в скални кристали (кварц). И до днес този материал е много разпространен при производството на пиезоелектрични елементи, но в производството се използват не само естествени материали.
Много пиезоелектрици са направени от вещества с формула ABO.3, например BaTiO3, РbТiO3. Тези материали имат поликристална (състояща се от много кристали) структура и за да им се даде способност да проявяват пиезоелектричен ефект, те трябва да бъдат подложени на поляризация с помощта на външно електрическо поле.
Има технологии, които позволяват получаването на филмови пиезоелектрици (поливинилиден флуорид и др.). За да им дадат необходимите свойства, те също трябва да бъдат поляризирани за дълго време в електрическо поле. Предимството на такива материали е много малка дебелина.
Свойства и характеристики на вещества с пиезоелектричен ефект
Тъй като поляризацията възниква само по време на еластична деформация, важна характеристика на пиезоматериала е способността му да променя формата си под действието на външни сили. Стойността на тази способност се определя от еластичното съответствие (или еластичната твърдост).
Кристалите с пиезоелектричен ефект са силно еластични – когато се отстрани силата (или външното напрежение), те се връщат в първоначалната си форма.
Пиезокристалите също имат своя собствена механична резонансна честота. Ако накарате кристала да вибрира на тази честота, амплитудата ще бъде особено голяма.
Тъй като пиезоелектричният ефект се проявява не само от цели кристали, но и от пластини от тях, изрязани при определени условия, е възможно да се получат парчета пиезоелектрични вещества с резонанс на различни честоти, в зависимост от геометричните размери и посоката на среза.
Също така, вибрационните свойства на пиезоелектричните материали се характеризират с механичен качествен фактор. Показва колко пъти се увеличава амплитудата на трептения на резонансната честота с еднаква приложена сила.
Има ясна зависимост на свойствата на пиезоелектрика от температурата, което трябва да се има предвид при използване на кристали. Тази зависимост се характеризира с коефициентите:
- температурният коефициент на резонансната честота показва колко резонансът изчезва, когато кристалът се нагрява / охлажда;
- коефициентът на температурно разширение определя колко се променят линейните размери на пиезоелектричната плоча с температурата.
При определена температура пиезокристалът губи свойствата си. Тази граница се нарича температура на Кюри. Тази граница е индивидуална за всеки материал. Например за кварца е +573 °C.
Практическо използване на пиезоелектричния ефект
Най-известното приложение на пиезоелектричните елементи е като запалителен елемент. Пиезоелектричният ефект се използва в джобни запалки или кухненски запалки за газови печки. При натискане на кристала възниква потенциална разлика и във въздушната междина се появява искра.
Тази област на приложение на пиезоелектричните елементи не е изчерпана. Кристали с подобен ефект могат да се използват като тензодатчици, но тази област на употреба е ограничена от свойството на пиезоелектричния ефект да се появява само в динамика - ако промените спрат, сигналът спира да генерира.
Пиезокристалите могат да се използват като микрофон - при излагане на акустични вълни се образуват електрически сигнали. Обратният пиезоелектричен ефект също позволява (понякога едновременно) използването на такива елементи като звукови излъчватели. Когато към кристала се приложи електрически сигнал, пиезоелектричният елемент ще започне да генерира акустични вълни.
Такива излъчватели се използват широко за създаване на ултразвукови вълни, по-специално в медицинската технология. В това могат да се използват и резонансните свойства на плочата.Може да се използва като акустичен филтър, който избира само вълни с естествена честота. Друг вариант е да се използва пиезоелектричен елемент в звуков генератор (сирена, детектор и т.н.) едновременно като елемент за настройка на честота и звукоизлъчващ елемент. В този случай звукът винаги ще се генерира на резонансната честота и може да се постигне максимален обем с малка консумация на енергия.
Резонансните свойства се използват за стабилизиране на честотите на генератори, работещи в радиочестотния диапазон. Кварцовите плочи играят ролята на високо стабилни и висококачествени осцилаторни вериги в честотните вериги.
Все още има фантастични проекти за преобразуване на енергията на еластичната деформация в електрическа енергия в индустриален мащаб. Можете да използвате деформацията на настилката под въздействието на гравитацията на пешеходци или автомобили, например, за осветяване на участъци от пистите. Можете да използвате енергията на деформация на крилата на самолета, за да осигурите мрежата на самолета. Такова използване е ограничено от недостатъчната ефективност на пиезоелектричните елементи, но вече са създадени пилотни инсталации и те са обещали по-нататъшно подобрение.
Подобни статии:
