Пиезоелектричният ефект е открит в края XIX век от френските братя Кюри. По онова време все още е твърдено се говори за практическото приложение открития феномен, но днес пиезоелектричните елементимират широко приложениекто в технологиите,ка и в ежедневието.
Съдържание
Същност пиезоефекта
Известни физици откриха, че когато някои кристали (планински кристал, турмалин и др.) се деформират по своите повърхности, възникват електрически заряди. Потенциалнатазлика всек елка, но е ясно откриваема сличните тогава уреди и чрез свързване областите с противоположни полярни заряди с помощта проводници може се получи електрически ток. Феноменът е регистриранмо в динамика, в момента свиване илизтягане. Статичната деформация не предизвиква пиезоефект.
Скоро теоретично е обоснован и практика е открит обратният ефект - при подаванепрежение кристалът се деформира. Оказа се, че двете явления взаимосвързани - акодено вещество проявява директен пиезоефект, то проявява и обратен ефект, и обратно.
Явлението себлюдава при вещества с анизотропна кристална решетка (които иматзлични физични свойства в зависимост от посоката) с достатъчна асиметрия,кто и при някои поликристални структури.
Във всяко твърдо тяло приложените външни сили предизвикват деформация и механичнипрежения, а във веществата с пиезоефект - поляризация зарядите,то поляризацията зависи от посоката приложената сила. Когато посоката действие се обърне, се променяткто посоката поляризация,ка и полярността зарядите. Зависимостта поляризацията от механичнотопрежение е линейна и се описва с израза P=dt, където t е механичнотопрежение, а d е коефициент,речен пиезоелектричен модул (пиезомодул).
Подобно явление себлюдава и при обратния пиезоефект. Когато посоката приложеното електрическо поле се променя, се променя и посоката деформация. Тук зависимостта също е линейна: r=dE, където E епрегнатостта електрическото поле, а r е деформацията. Коефициентът d е еднакъв за прав и обратен пиезоефект във всички вещества.
Тези уравнения всъщностмо оценки. Действителните взаимовръзки много по-сложни и се определят от посоката силите спрямо кристалните оси.
Вещества с пиезоефект
Пиезоефектът е открит за първи път в кристали от планински кристал (кварц). Днес тозитериал е многозпространен при производството пиезоелектрични елементи, но в производството се използват немо естественитериали.
Много пиезоелектрични елементи се основаваттериали с формулата ABO3формула,то BaTiO3, PbTiO3. Тезитериали имат поликристална структура (съставена от множество кристали) и трябва бъдат поляризирани от външно електрическо поле, за могат проявят пиезоефект.
Налични технологии за производство филмови пиезоелектрици (поливинилиден флуорид и др.). За придобият необходимите свойства, те трябва бъдат поляризирани в електрическо поле за дълго време. Предимството тезитериали е тяхната многолка дебелина.
Свойства ирактеристикитериали с пиезоефект
Тъйто поляризацията се осъществявамо по време еластичната деформация,жнарактеристика пиезоматериалите е способността им променят формата си под въздействието външни сили. Стойносттази способност се определя от еластичното съпротивление (или еластичната коравина).
Кристалите с пиезоефект силно еластични - те се връщат към първоначалната си форма, когато силата (или външнотопрежение) бъде премахната.
Пиезокристалите също имат присъща механична резонансна честота. Ако кристалът е принуден вибрира сзи честота, амплитудата е особено голяма.
Тъйто немо цели кристали проявяват пиезоелектричен ефект, но и кристали, коиторязани при определени условия, е възможно се произвеждат пиезоелектричнирчета с резонансзлични честоти - в зависимост от геометричнитезмери и посоката рязане.
Вибрационните свойства пиезоелектричнитетериали серактеризират и с техния механиченчественктор. Това показва с колко пъти се увеличава амплитудата вибрациите при резонансната честота за еднаква приложена сила.
Съществува ясна зависимост пиезоелектричните свойства от температурата, която трябва се вземе предвид при използването кристали.зи зависимост серактеризира с коефициенти:
- Температурният коефициент резонансната честота показва доколко резонансът изчезва пригряване/охлаждане кристала;
- Температурният коефициентзширение показва колко се променят линейнитезмери пиезопластината с температурата.
При определена температура пиезокристалът губи свойствата си.зи граница серича температура Кюри.зи граница е индивидуална за всекитериал. За кварцапример тя е +573 °C.
Практическо приложение пиезоефекта
Най-известното приложение пиезоелементите ето запалителен елемент. Пиезоефектът се използва в джобни запалки или кухненски запалки зазови котлони. Когато кристалът сетисне, се създава потенциалназлика и във въздушната междина се появява искра.
С това не се изчерпва обхватът приложение пиезоелектричните елементи. Кристалите със същия ефект могат се използватто тензометричнитчици, но това приложение е ограничено от свойството пиезоефекта бъде динамичен - ако промяната спре, сигналът вече не се генерира.
Пиезокристалите могат се използватто микрофон - при подаване акустични вълни се генерират електрически сигнали. Обратният пиезоефект позволява същока (понякога едновременно)кива елементи се използватто излъчватели звук. Когато към кристала се подаде електрически сигнал, пиезоелементът ще започне генерира акустични вълни.
Такива излъчватели се използват широко за генериране ултразвукови вълни, особено в медицинската техника. адрес в могат се използват и резонансните свойства плочата. Той може се използвато акустичен филтър, излъчващ вълнимо със собствената си честота. Друга възможност е пиезоелементът се използва в звуков генератор (сирена, детектор и др.)то елемент, който едновременно задържа честотата и излъчва звук. В този случай звукът винаги се генерира резонансната честота и може се постигнексимален обем слко вложена енергия.
Резонансните свойства се използват за стабилизиране честотите осцилатори,ботещи вдиочестотния диапазон. Кварцовите плочи действатто много стабилни и висококачествени осцилиращи вериги в честотнозадържащи вериги.
Засега имантастични проекти за преобразуване енергията еластичната деформация в електрическа енергия в промишленщаб. Можете използвате деформациятастилките от теглото пешеходци или автомобили,пример за осветяване участъци отгистрали. Енергията от деформациятамолетните крила може се използва за захранване бордовата мрежамолета. Подобна употреба е ограничена от недостатъчната ефективност пиезоелементите, но вече изградени прототипни инсталации, които обещават по-нататъшно подобрение.
Свързани статии:
