Pjezoelektrisko efektu 19. gadsimta beigās atklāja brāļi Kirī no Francijas. Tolaik vēl bija pāragri runāt par atklātās parādības praktisko pielietojumu, taču šodien pjezoelektriskie elementi tiek plaši izmantoti gan tehnoloģijās, gan ikdienā.
Saturs
Pjezo efekta būtība
Pazīstami fiziķi atklāja, ka, deformējot dažu kristālu (kalnu kristāla, turmalīna u. c.) šķautnes, rodas elektriskie lādiņi. Potenciālu starpība tomēr bija neliela, taču to varēja skaidri noteikt ar tolaik pieejamajiem instrumentiem, un, savienojot apgabalus ar pretējiem polārajiem lādiņiem ar vadītāju palīdzību, varēja iegūt. elektriskā strāva. Šī parādība tika reģistrēta tikai dinamikā, kontrakcijas vai stiepšanās brīdī. Statiskā deformācija neizraisīja pjezo efektu.
Drīz vien teorētiski tika pamatots un praksē atklāts pretējs efekts - kristāls deformējās, kad tika pielikts spriegums. Izrādījās, ka abas parādības ir savstarpēji saistītas - ja vielai piemīt tiešs pjezoefekts, tai piemīt arī inversais efekts, un otrādi.
Šo parādību novēro vielām ar anizotropu kristālrežģi (kam ir dažādas fizikālās īpašības atkarībā no virziena) ar pietiekamu asimetriju, kā arī dažām polikristāliskām struktūrām.
Jebkurā cietā vielā pieliktie ārējie spēki rada deformāciju un mehāniskos spriegumus, bet vielās ar pjezoefektiem - lādiņu polarizāciju, kur polarizācija ir atkarīga no pieliktā spēka virziena. Ja darbības virziens tiek mainīts, mainās gan polarizācijas virziens, gan lādiņu polaritāte. Polarizācijas atkarība no mehāniskā sprieguma ir lineāra, un to apraksta ar izteicienu P=dt, kur t ir mehāniskais spriegums un d ir koeficients, ko sauc par pjezoelektrisko moduli (pjezomoduli).
Līdzīga parādība notiek ar apgriezto pjezoefekts. Mainoties pieliktā elektriskā lauka virzienam, mainās arī deformācijas virziens. Arī šeit atkarība ir lineāra: r=dE, kur E ir elektriskā lauka intensitāte un r ir deformācija. Koeficients d visās vielās ir vienāds gan tiešajam, gan reversajam pjezoefektam.
Šie vienādojumi faktiski ir tikai aplēses. Faktiskās sakarības ir daudz sarežģītākas, un tās nosaka spēku virziens attiecībā pret kristāla asīm.
Vielas ar pjezo efektu
Pjezoefekts pirmo reizi tika atklāts kalnu kristāla (kvarca) kristālos. Mūsdienās šis materiāls ir ļoti izplatīts pjezoelektrisko elementu ražošanā, taču ražošanā tiek izmantoti ne tikai dabiskie materiāli.
Daudzu pjezoelektrisko elementu pamatā ir materiāli ar formulu ABO3formula, piemēram, BaTiO3, PbTiO3. Šiem materiāliem ir polikristāliska (sastāv no daudziem kristāliem) struktūra, un, lai tiem būtu pjezoefekts, tie ir jāpolarizē, izmantojot ārējo elektrisko lauku.
Ir pieejamas plēves pjezoelektriķu (polivinilidēnfluorīda u. c.) ražošanas tehnoloģijas. Lai tiem piešķirtu nepieciešamās īpašības, tie ir arī ilgstoši jāpolarizē elektriskā laukā. Šādu materiālu priekšrocība ir to ļoti mazais biezums.
Materiālu ar pjezoefektiem īpašības un raksturojums
Tā kā polarizācija notiek tikai elastīgās deformācijas laikā, svarīga pjezomateriālu īpašība ir to spēja mainīt formu, iedarbojoties ārējiem spēkiem. Šīs spējas vērtību nosaka elastības atbilstība (vai elastīgā stingrība).
Kristāli ar pjezoefektu ir ļoti elastīgi - tie atgriežas savā sākotnējā formā, kad spēks (vai ārējais spriegums) tiek noņemts.
Pjezoelementu kristāliem ir arī raksturīga mehāniskās rezonanses frekvence. Ja kristāls ir spiests vibrēt šajā frekvencē, amplitūda ir īpaši liela.
Tā kā pjezoelektriskais efekts piemīt ne tikai veseliem kristāliem, bet arī kristāliem, kas sagriezti noteiktos apstākļos, ir iespējams izgatavot pjezoelektriskus gabalus ar dažādu frekvenču rezonansi atkarībā no ģeometriskiem izmēriem un griešanas virziena.
Pjezoelektrisko materiālu vibrācijas īpašības raksturo arī to mehāniskais kvalitātes koeficients. Tas norāda, par cik reižu palielinās vibrāciju amplitūda pie rezonanses frekvences, ja pielikts vienāds spēks.
Pjezoelektriskās īpašības ir skaidri atkarīgas no temperatūras, kas jāņem vērā, izmantojot kristālus. Šo atkarību raksturo koeficienti:
- rezonanses frekvences temperatūras koeficients norāda, cik lielā mērā rezonanse izzūd, kad kristāls tiek sakarsēts/atdzesēts;
- Temperatūras izplešanās koeficients norāda, cik ļoti mainās pjezo plāksnes lineārie izmēri, mainoties temperatūrai.
Pie noteiktas temperatūras pjezokristāls zaudē savas īpašības. Šo robežu sauc par Kirī temperatūru. Šis ierobežojums katram materiālam ir individuāls. Piemēram, kvarca temperatūra ir +573 °C.
Pjezo efekta praktiskais pielietojums
Vislabāk zināmais pjezoelementu pielietojums ir kā aizdedzes elements. Pjezoefekts tiek izmantots kabatas šķiltavās vai virtuves aizdedzinātājos gāzes plītīm. Nospiežot kristālu, rodas potenciālu starpība un gaisa spraugā parādās dzirkstele.
Tas neizsmeļ pjezoelektrisko elementu pielietojuma klāstu. Kristālus ar tādu pašu efektu var izmantot kā deformācijas mērinstrumentus, taču šo pielietojumu ierobežo pjezoefekta īpašība būt dinamiskam - ja izmaiņas ir apstājušās, signāls vairs netiek ģenerēts.
Pjezo-kristālus var izmantot kā mikrofonu - pēc akustisko viļņu iedarbības tiek ģenerēti elektriskie signāli. Inversais pjezoefekts ļauj (dažkārt vienlaicīgi) šādus elementus izmantot arī kā skaņas raidītājus. Kad kristālam tiek pievadīts elektriskais signāls, pjezoelements sāk ģenerēt akustiskos viļņus.
Šādus raidītājus plaši izmanto ultraskaņas viļņu ģenerēšanai, jo īpaši medicīnas tehnoloģijās. vietnē vietnē var izmantot arī plates rezonanses īpašības. To var izmantot kā akustisko filtru, kas izstaro tikai savas frekvences viļņus. Vēl viena iespēja ir izmantot pjezoelementu skaņas ģeneratorā (sirēnā, detektorā u. c.) kā frekvenci uzturošu un skaņu izstarojošu elementu. Šādā gadījumā skaņa vienmēr tiks radīta rezonanses frekvencē, un maksimālo skaļumu var iegūt ar nelielu enerģijas ieguldījumu.
Rezonanses īpašības izmanto, lai stabilizētu radiofrekvenču diapazonā strādājošo oscilatoru frekvences. Kvarca plāksnes darbojas kā ļoti stabilas un augstas kvalitātes svārstību ķēdes frekvenci uzturošās ķēdēs.
Līdz šim ir izstrādāti fantastiski projekti, lai elastīgās deformācijas enerģiju pārvērstu elektroenerģijā rūpnieciskā mērogā. Var izmantot, piemēram, gājēju vai automašīnu svara radīto ietvju deformāciju, lai atvieglotu šosejas posmus. Lidmašīnas spārnu deformācijas enerģiju varētu izmantot, lai darbinātu lidmašīnas borta tīklu. Šādu izmantošanu ierobežo pjezoelementu nepietiekamā efektivitāte, taču jau ir uzbūvēti iekārtu prototipi, un tie ir daudzsološi turpmākai uzlabošanai.
Saistītie raksti:
