Hur fungerar det piezoelektriska elementet och vad är den piezoelektriska effekten

Den piezoelektriska effekten upptäcktes av de franska forskarna Curie-bröderna i slutet av 1800-talet. På den tiden var det för tidigt att prata om den praktiska tillämpningen av det upptäckta fenomenet, men för närvarande används piezoelektriska element i stor utsträckning både inom teknik och i vardagen.

Kärnan i den piezoelektriska effekten

Kända fysiker har fastställt att när vissa kristaller (bergkristall, turmalin, etc.) deformeras, uppstår elektriska laddningar i deras ansikten. Samtidigt var potentialskillnaden liten, men den fixades säkert av enheterna som fanns på den tiden, och genom att koppla samman sektioner med motsatt polära laddningar med hjälp av ledare var det möjligt att få elektricitet. Fenomenet fixades endast i dynamik, i ögonblicket av kompression eller sträckning. Deformation i statiskt läge orsakade ingen piezoelektrisk effekt.

Snart var den motsatta effekten teoretiskt motiverad och upptäcktes i praktiken - när en spänning applicerades deformerades kristallen.Det visade sig att båda fenomenen är sammankopplade - om ett ämne uppvisar en direkt piezoelektrisk effekt, är motsatsen också inneboende i den, och vice versa.

Fenomenet observeras i ämnen med ett kristallgitter av anisotrop typ (vars fysikaliska egenskaper är olika beroende på riktning) med tillräcklig asymmetri, såväl som vissa polykristallina strukturer.

I vilken fast kropp som helst orsakar de applicerade yttre krafterna deformation och mekaniska spänningar, och i ämnen med en piezoelektrisk effekt orsakar de också polarisering av laddningar, och polariseringen beror på riktningen för den applicerade kraften. När exponeringsriktningen ändras ändras både polarisationsriktningen och laddningarnas polaritet. Polarisationens beroende av mekanisk spänning är linjär och beskrivs med uttrycket P=dt, där t är mekanisk spänning, och d är en koefficient som kallas den piezoelektriska modulen (piezoelektrisk modul).

Ett liknande fenomen inträffar med den omvända piezoelektriska effekten. När riktningen för det pålagda elektriska fältet ändras ändras deformationsriktningen. Här är beroendet också linjärt: r=dE, där E är den elektriska fältstyrkan och r är töjningen. Koefficienten d är densamma för direkta och omvända piezoelektriska effekter för alla ämnen.

I själva verket är ovanstående ekvationer bara uppskattningar. De faktiska beroenden är mycket mer komplicerade och bestäms också av krafternas riktning i förhållande till kristallaxlarna.

Ämnen med piezoelektrisk effekt

För första gången hittades den piezoelektriska effekten i bergkristaller (kvarts). Till denna dag är detta material mycket vanligt vid produktion av piezoelektriska element, men inte bara naturliga material används i produktionen.

Många piezoelektriker är gjorda av ämnen med ABO-formeln.₃t ex BaTiO₃, РbТiO₃. Dessa material har en polykristallin (bestående av många kristaller) struktur, och för att ge dem förmågan att uppvisa en piezoelektrisk effekt måste de utsättas för polarisering med hjälp av ett externt elektriskt fält.

Det finns teknologier som gör det möjligt att erhålla filmpiezoelektrik (polyvinylidenfluorid, etc.). För att ge dem de nödvändiga egenskaperna behöver de också polariseras under lång tid i ett elektriskt fält. Fördelen med sådana material är en mycket liten tjocklek.

Egenskaper och egenskaper hos ämnen med piezoelektrisk effekt

Eftersom polarisering endast sker under elastisk deformation, är en viktig egenskap hos ett piezomaterial dess förmåga att ändra form under inverkan av yttre krafter. Värdet av denna förmåga bestäms av elastisk följsamhet (eller elastisk styvhet).

Kristaller med en piezoelektrisk effekt är mycket elastiska - när kraften (eller yttre påfrestning) avlägsnas återgår de till sin ursprungliga form.

Piezocrystals har också sin egen mekaniska resonansfrekvens. Om du får kristallen att vibrera vid denna frekvens blir amplituden extra stor.

 

Eftersom den piezoelektriska effekten manifesteras inte bara av hela kristaller, utan också av plattor av dem skurna under vissa förhållanden, är det möjligt att erhålla bitar av piezoelektriska ämnen med resonans vid olika frekvenser, beroende på de geometriska dimensionerna och snittets riktning.

Dessutom kännetecknas vibrationsegenskaperna hos piezoelektriska material av en mekanisk kvalitetsfaktor. Den visar hur många gånger svängningarnas amplitud vid resonansfrekvensen ökar med en lika stor pålagd kraft.

Det finns ett tydligt beroende av egenskaperna hos en piezoelektrisk på temperaturen, vilket måste beaktas vid användning av kristaller. Detta beroende kännetecknas av koefficienterna:

• temperaturkoefficienten för resonansfrekvensen visar hur mycket resonansen försvinner när kristallen värms / kyls;
• temperaturutvidgningskoefficienten bestämmer hur mycket den piezoelektriska plattans linjära dimensioner förändras med temperaturen.

Vid en viss temperatur förlorar piezokristallen sina egenskaper. Denna gräns kallas Curie-temperaturen. Denna gräns är individuell för varje material. Till exempel, för kvarts är det +573 °C.

Praktisk användning av den piezoelektriska effekten

Den mest kända tillämpningen av piezoelektriska element är som ett tändelement. Den piezoelektriska effekten används i ficktändare eller kökständare för gasspisar. När kristallen trycks upp uppstår en potentialskillnad och en gnista uppstår i luftgapet.

Detta användningsområde för piezoelektriska element är inte uttömt. Kristaller med liknande effekt kan användas som töjningsmätare, men detta användningsområde begränsas av egenskapen hos den piezoelektriska effekten att endast dyka upp i dynamik - om förändringarna upphör slutar signalen att genereras.

Piezocrystals kan användas som mikrofon - när de utsätts för akustiska vågor bildas elektriska signaler. Den omvända piezoelektriska effekten tillåter också (ibland samtidigt) användning av sådana element som ljudsändare. När en elektrisk signal appliceras på kristallen kommer det piezoelektriska elementet att börja generera akustiska vågor.

Sådana sändare används i stor utsträckning för att skapa ultraljudsvågor, särskilt inom medicinsk teknik. På detta plattans resonansegenskaper kan också användas.Det kan användas som ett akustiskt filter som endast väljer egenfrekvensvågor. Ett annat alternativ är att använda ett piezoelektriskt element i en ljudgenerator (siren, detektor, etc.) samtidigt som ett frekvensinställnings- och ljudemitterande element. I detta fall kommer ljudet alltid att genereras vid resonansfrekvensen och maximal volym kan erhållas med liten energiförbrukning.

Resonansegenskaper används för att stabilisera frekvenserna hos generatorer som arbetar i radiofrekvensområdet. Kvartsplattor spelar rollen som mycket stabila och högkvalitativa oscillerande kretsar i frekvensinställningskretsar.

Det finns fortfarande fantastiska projekt för att omvandla energin från elastisk deformation till elektrisk energi i industriell skala. Du kan använda deformationen av trottoaren under påverkan av fotgängares eller bilars gravitation, till exempel för att belysa delar av spåren. Du kan använda deformationsenergin från flygplanets vingar för att tillhandahålla flygplansnätverket. Sådan användning begränsas av den otillräckliga effektiviteten hos piezoelektriska element, men pilotanläggningar har redan skapats och de har visat löfte om ytterligare förbättringar.

Liknande artiklar: