Чем обусловлен прямой пьезоэффект

Пьезоэлектрики – материалы с уникальными свойствами, способными преобразовывать механическую энергию в электрическую и находящие широкое применение в различных областях науки и техники.

Пьезоэлектрики: принцип работы, применение и перспективы развития обновлено: 31 августа, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Добро пожаловать на лекцию о пьезоэлектриках! В этой лекции мы рассмотрим, что такое пьезоэлектрики, как они работают, их применение, а также основные свойства и преимущества этого удивительного материала. Пьезоэлектрики – это материалы, которые могут преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот. Они широко используются в различных областях, таких как медицина, электроника и звуковая техника. Давайте начнем и узнаем больше о пьезоэлектриках!

Нужна помощь в написании работы?

Написание учебной работы за 1 день от 100 рублей. Посмотрите отзывы наших клиентов и узнайте стоимость вашей работы.

Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект

В 1880 году братья Кюри, исследуя свойства кристаллов кварца заметили, что если пластину сжать с двух сторон, то на её гранях перпендикулярных направлению сжатия возникают электрические заряды, на одной стороне положительные, на противоположной -отрицательные.

Такими же свойствами обладают сигнетовая соль и турмалин.

При растяжении на поверхностях кварца возникают заряды, но знаков противоположных тем которые возникают при сжатии.

Явление возникновения электрических зарядов при сжатии или растяжении пластинки получило название прямого пьезоэлектрического эффекта.

Пьезоэлектрический эффект обратим, то есть пластина кварца, помещенная в электрическое поле будет сжиматься и растягиваться с частотой, соответствующей частоте смены знаков электрических зарядов. Таким образом, пьезоэлектрические пластины становятся излучателями ультразвука. Это обратный пьезоэлектрический эффект.

Для создания электрического контакта на поверхности пьезопластины наносят тонкий слой серебра, служащий электродом. При подаче на них электрического напряжения пластина изменяет свою толщину вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта.

Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт этим изменениям, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пластина работает как излучатель, и наоборот, если пьезопластина воспринимает импульс давления, то на её обкладках в следствие прямого пьезоэлектрического эффекта появляются заряды, величина которых может быть замерена. В этом случае пластина работает как приемник. Мощность колебания пластины зависит от напряжения на электродах и соотношения частоты переменного тока и собственной частоты колебаний пластины.

Пьезоэлектрический эффект

Таким образом, пластина излучает ультразвуковые волны благодаря обратному пьезоэффекту, а принимает – благодаря прямому.

Наибольшую излучающую мощность можно получить при резонансе, когда собственная частота колебаний пьезопластины будет соответствовать частоте переменного тока генератора, возбуждающего его.

Пьезоэлектрическую пластину выбирают такой, чтобы её толщина была равна половине длины ультразвуковой волны в материале пластины.

δ = λп / 2 = C / 2fп

λп – длина волны в материале пьезопластины

Сп – скорость ультразвука в материале пластины

δ – толщина пластины

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект (сокращенно пьезоэффект) наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Пьезоэффектом могут обладать кристаллы, не имеющие центра симметрии, а имеющие так называемые полярные направления (оси). Пьезоэффектом могут обладать также некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (текстурой), например керамические материалы и полимеры. Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называют пьезоэлектриками .

Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию и, следовательно, появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков. При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Это явление называют прямым пьезоэффектом . Пьезоэффект обратим. При воздействии на пьезоэлектрик, например кристалл, электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические напряжения и деформации. При изменении направления электрического поля на противоположное соответственно изменяются на противоположное направления напряжений и деформаций. Это явление получило название обратного пьезоэффекта .

Прямой и обратный пьезоэффект

Схематичные изображения прямого (а, б) и обратного (в, г) пьезоэффектов. Стрелками Р и Е изображены внешние воздействия — механическая сила и напряженность электрического поля. Штриховыми линиями показаны контуры пьезоэлектрика до внешнего воздействия, сплошными линиями — контуры деформации пьезоэлектрика (для наглядности во много раз увеличены); Р — вектор поляризации.

В некоторых источниках для обратного пьезоэффекта неуместно используют термин электрострикция , относящийся к сходному, но другому физическому явлению, характерному для всех диэлектриков, деформации их под действием электрического поля. Электрострикция — четный эффект, означающий, что деформация не зависит от направления электрического поля, а ее величина пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Порядок деформаций при электрострикции намного меньше, чем при пьезоэффекте (примерно на два порядка). Электрострикция всегда возникает и при пьезоэффекте, но вследствие малости в расчет не принимается. Электрострикция — эффект необратимый.

Прямой и обратный пьезоэффект линейны и описываются линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением t: P = dt

Данную зависимость называют уравнением прямого пьезоэффекта. Коэффициент пропорциональности d называется пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем), и он служит мерой пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект описывается зависимостью: r = dE
где r — деформация; Е — напряженность электрического поля. Пьезомодуль d для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение.

Приведенные выражения даны в элементарной форме только для уяснения качественной стороны пьезоэлектрических явлений. В действительности пьезоэлектрические явления в кристаллах более сложны, что обусловлено анизотропией их упругих и электрических свойств. Пьезоэффект зависит не только от величины механического или электрического воздействия, но и их характера и направления сил относительно кристаллофических осей кристалла. Пьезоэффект может возникать в результате действия как нормальных, так и касательных напряжений. Существуют направления, для которых пьезоэффект равен нулю. Пьезоэффект описывается несколькими пьезомодулями, число которых зависит от симметрии кристалла. Направления поляризации может совпадать с направлением механического напряжения или составлять с ним некоторый угол. При совпадении направлений поляризации и механического напряжения пьезоэффект называют продольным , а при их взаимно перпендикулярном расположении — поперечным . За направление касательных напряжений принимают нормаль к плоскости, в которой действуют напряжения.

Продольный и поперечный пьезоэффект

Схематичные изображения, поясняющие продольный (а) и поперечный (б) пьезоэффекты

Деформации пьезоэлектрика, возникающие вследствие пьезоэффекта, весьма незначительны по абсолютной величине. Например, кварцевая пластина толщиной 1 мм под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на 2,3 х 10 -7 мм. Незначительность величин деформаций пьезоэлектриков объясняется их очень высокой жесткостью.

Что такое пьезоэлектрический эффект, принцип его работы, как и где это применяется

Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) наблюдается в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной симметрией. К наиболее распространенным в природе минералам-пьезоэлектрикам относятся кварц, турмалин, сфалерит, нефелин. Пьезоэффектом обладают некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (керамические материалы и полимеры).

Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называются пьезоэлектриками. Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механическую деформацию (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию, т.е появление на его поверхностях электрических зарядов разных знаков (рис.1а, F — действующие силы, Р — вектор электрической поляризации).

При противоположном направлении механических сил меняются знаки зарядов (рис.16). Это явление называют прямым пьезоэффектом (рис.2а).

Как работает пьезоэлемент

Рис. 1. Как работает пьезоэлемент.

Прямой пьезоэффект

Рис. 2. Прямой пьезоэффект.

Эффект электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические деформации (рис.1в). При изменении направления электрического поля соответственно изменяются деформации (рис.1 г). Это явление получило название обратного пьезоэффекта (рис.2б).

Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом. В кристаллической решетке вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется объемный электрический заряд.

В отсутствие внешнего электрического поля эта поляризация не проявляется,так как она компенсируется зарядами на поверхности. При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются друг относительно друга, и соответственно изменяется электрический момент кристалла, который вызывает появление потенциалов на поверхности.

Именно это изменение электрического момента и проявляется в пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэффект зависит не только от величины механического или электрического воздействия, но и от характера и направления сил относительно кристаллографических осей кристалла.

Деформации пьезоэлектрика, возникающие вследствие пьезоэффекта, незначительны по абсолютной величине. Например, кварцевая пластина толщиной 1 мм под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на 0,23 мкм. Незначительность деформаций пьезоэлектриков объясняется их очень высокой жесткостью.

Прямой и обратный пьезоэффект линейны и описываются линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением д:

формула

Данную зависимость называют уравнением прямого пьезоэффекта. Коэффициент пропорциональности а называется пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем). Он служит мерой пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект описывается зависимостью

формула

  • г — деформация;
  • Е — напряженность электрического поля.

Пьезомодуль а для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение. Пьезоэлектрические излучатели не имеют механических контактов и состоят из керамического пьезоэлемента, закрепленного на металлическом диске (рис.З).

Вибрация диска вызвана приложенным к нему напряжением. Переменное напряжение определенной частоты создает звуковой сигнал.

Пьезоэлектрические излучатели не подвержены механическому износу элементов конструкции, имеют малое энергопотребление, у них отсутствуют электрические шумы.

С помощью пьезокерамики удается получать значительную громкость звука. Отдельные образцы пьезокерамических преобразователей могут развивать звуковое давление на расстоянии 1 м до 130 дБ (уровень болевого порога).

Конструкция пьезоэлектрического излучателя

Рис. 3. Конструкция пьезоэлектрического излучателя.

Пьезоэлектрические излучатели выпускаются в двух модификациях:

  • “чистые” преобразователи (без схемы управления) — пьезозвонки;
  • излучатели со схемой управления (с встроенным генератором) — оповещатели.

Чтобы преобразователи первого типа генерировали звуки, необходимы сформированные управляющие сигналы (синусоида или меандр определенной частоты, указанной для конкретной модели преобразователя).

Излучатели со встроенным генератором требуют подачи только определенного уровня напряжения. Такие устройства выпускаются на номинальные напряжения от 1 до 250 В (постоянного и переменного тока).

Пьезозуммер ЗП-1

Рис. 4. Пьезозуммер ЗП-1.

Например, пьезокерамический звонок (пьезозуммер) ЗП-1 (рис.4) состоит из двух пьезоблоков, мембрана каждого из которых выполнена в форме неглубокой тарелки с внешним диаметром 32 мм.

Тарелки сложены встречно и пропаяны по внешней границе. Пьезоэлементы в звонке скоммутированы таким образом, что при подаче переменного напряжения поверхности тарелок либо сходятся, либо расходятся, т.е. с обеих сторон звонка образуются зоны сжатия и разрежения.

Резонансная частота звонка-2 кГц. Он создает звуковое давление 75 дБ на расстоянии 1 м при напряжении на резонансной частоте 10 В.

таблица

Табл. 1. Характеристики и размеры пьезозуммеров.

Примечание: * — предназначен для работы в автоколебательном режиме.

Внешний вид пьезозвонков

Рис. 5. Внешний вид пьезозвонков.

Типовые амплитудно-частотные характеристики пьезозвонков

Рис. 6. Типовые амплитудно-частотные характеристики пьезозвонков: ПВА-1 и ЗП-5.

Этот звонок излучает звуковые волны одинаково в оба полупространства. В табл.1 приведены параметры других пьезозвонков, внешний вид которых показан на рис.5. На рис.6 представлены типовые амплитудно-частотные характеристики пьезозвонков: ПВА-1 — рис.ба и ЗП-5 — рис.66.

Широкое распространение получили пьезокерамические звонки с акустической камерой. Их основное преимущество- большая громкость звучания при малых габаритах.

Конструкция пьезокерамического звонка с акустической камерой проста. Это — полый цилиндр, одно основание которого — пьезоблок, другое — крышка с отверстием.

Соотношение объемавнутренней полости и размера отверстия рассчитывают так, чтобы акустический резонанс камеры и механический резонанс пьезоблока были близки по частоте. Звонок излучает звук благодаря отверстию, в котором частицы воздуха имеют большую амплитуду колебаний. Внешний вид звонков такого типа показан на рис.7.

Примеры звонков

Рис. 7. Примеры звонков.

Пьезокерамические оповещатели (пьезосирены) — это звукоизлучающие устройства, предназначенные для привлечения внимания на сравнительно большом расстоянии или в условиях шумового фона.

Они представляют собой электроакустические преобразователи с встроенными генераторами звуковой частоты и питанием от источника постоянного напряжения.

Оповещатели по сравнению со звонками должны развивать большее звуковое давление. Это достигается двумя путями. Во-первых, используются повышенные напряжения питания.

Во-вторых, принимаются конструктивные меры для увеличения излучающей поверхности.

Так, чтобы превратить в оповещатель звонок с акустической камерой, нужно снабдить его рупором. Рупор — это труба с увеличивающейся площадью поперечного сечения.

В узком начале трубы находится источник звука, а широкий конец — излучающий. В оповещателях для уменьшения габаритов используются свернутые рупоры.

На рис.8 схематично изображен разрез по вертикали оповещателя со свернутым рупором. Звуковая волна от отверстия акустической камеры радиально распространяется по лабиринту, меняя направление (вверх-вниз). С каждой сменой направления поперечное сечение становится все больше.

Разрез по вертикали оповещателя со свернутым рупором

Рис. 8. Разрез по вертикали оповещателя со свернутым рупором.

Параметры распространенных оповещателей разных производителей

Табл. 2. Параметры распространенных оповещателей разных производителей.

В итоге, площадь излучающего кольцевого отверстия многократно превышает площадь первоначального источника звука. Пример оповещателей с рупором — ОСА-100 и ОСА-110 (рис.9). Иной способ увеличения излучающей поверхности — использование диффузора или диафрагмы.

Пример оповещателей с рупором ОСА-100 и ОСА-110

Рис. 9. Пример оповещателей с рупором ОСА-100 и ОСА-110.

Например так, как схематично показано на рис.10. Воронкообразный диффузор своим основанием приклеивается к центру пьезоблока в точке максимальной амплитуды колебаний.

Параметры распространенных оповещателей разных производителей приведены в табл.2, а их конструктивное исполнение — на рис.11.

Способ увеличения излучающей поверхности

Рис. 10. Способ увеличения излучающей поверхности.

Конструктивное исполнение распространенных оповещателей разных производителей

Рис. 11. Конструктивное исполнение распространенных оповещателей разных производителей.

Поскольку пьезоэлектрический эффект обратим, пьезоизлучатели можно использовать в качестве тензодатчиков, т.е. элементов, преобразующих толчки, удары и другие механические воздействия на них в электрические сигналы. На основе пьезоэлектрического капсюля ЗП-1 (рис.4) можно создать простое и надежное устройство охранной сигнализации.

Я применил его для контроля “состояния” входной двери в квартире, и оно автоматически включает звуковую сигнализации при любом механическом воздействии на дверь, в том числе, при ее открывании и закрывании.

Схема устройства представлена на рис. 12. Пьезодатчик фиксируется каплей клея “Супер-момент” на дверь с внутренней стороны квартиры (рис.13).

Простое и надежное устройство охранной сигнализации

Рис. 12. Простое и надежное устройство охранной сигнализации.

Капсюль ЗП-1, служащий тензодатчиком, включается в разрыв шлейфа, подключенного к разъему Х2 (рис.12). Триггер Шмитта на элементе DD1 микросхемы К561ТЛ1 (зарубежный аналог — CD4093B) переключается пропорционально силе механического воздействия на ЗП-1. Эта микросхема имеет в своем составе 4 однотипных элемента с функцией 2И-НЕ и триггерами Шмитта.

Незадействованные входы остальных элементов (выводы 5, 6, 8, 9, 12 и 13), по правилам эксплуатации КМОП-микросхем, нужно соединить с общим проводом или питанием.

При механическом воздействии на пьезокапсюль, когда дверь открылась или закрылась, после стука по ней, задвигания щеколды или любого иного механического воздействия раздается акустический сигнал длительностью 1. 5 с в зависимости от силы механического воздействия и положения движка резистора R1.

В исходном состоянии (после включения питания) на входах элемента DD1 за счет резисторов R1 и R2 присутствует высокий уровень (логическая “1”), на выходе — низкий (“0”).

Транзистор VТ1 закрыт, и звуковой капсюль НА1 не активен. Сотрясение, вибрация и удары влияют на капсюль ЗП-1 и преобразуются с его помощью в электрический сигнал.

Триггер Шмитта реагирует на изменение входного уровня и перебрасывается в другое состояние. Транзистор VТ1 открывается, почти все напряжение питания прикладывается к звуковому капсюлю НА1, и он громко звучит с частотой примерно 1000 Гц.

А. Кашкаров, г. С.-Петербург. РМ-07-12, 08-12.

Пьезоэлектрические чувствительные элементы

Если грани кристалла, например кварца, турмалина, сегнето-вой соли, подвергаются сжатию (сдавливанию), скручиванию или сгибанию, на противоположных гранях возникает разность потенциалов. Ее величина в кристалле пропорциональна степени деформации. Данный эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Он проявляется и в обратном направлении: если на одну пару граней кристалла подается переменное напряжение, в нем возникают переменные сжимающе-растягивающие механические напряжения и он начинает совершать колебания. Когда частота подаваемого переменного напряжения совпадает с частотой собственных колебаний кристалла, последний начинает резонировать и, следовательно, генерировать механические колебания.

Пьезоэлементы применяют для измерения быстро изменяющихся усилий, давлений, вибраций, ускорений, скоростей и других физических величин. Кроме того, они используются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний и стабилизаторов частоты электронных генераторов.

Прямой пьезоэффект проявляется в некоторых диэлектриках под влиянием механических напряжений и выражается в разделении (смещении) электрических зарядов, в результате чего одна поверхность заряжается положительно, а другая — отрицательно. При снятии механических напряжений заряд исчезает.

В качестве основного чувствительного элемента пьезодатчик содержит пластину (или несколько пластин), вырезанную определенным образом из соответствующего кристалла (рис. 8.1). Для определения свойств кристалла выбраны следующие оси:

  • • И — оптическая, проходящая через вершины кристалла;
  • • X — электрическая, проходящая через ребра призмы;
  • • У — механическая, перпендикулярная граням.

Из пьезокристалла пластины вырезают так, чтобы наибольшая грань пластины была перпендикулярна одной из электрических осей. Под действием усилий вдоль электрической ОСИ X ИЛИ механической оси У заряды возникают только на плоскостях Зх, перпендикулярных электрической оси. При воздействии усилий вдоль оптической оси X пьезоэффект не наблюдается.

Пьезоэлектрический элемент и его оси

Рис. 8.1. Пьезоэлектрический элемент и его оси

В зависимости от направлений силы прямой пьезоэффект делится на два вида: продольный и поперечный.

Продольный прямой пьезоэффект возникает при воздействии на элемент силы 0.

Характеристика пьезоэлектрических материалов

Вид деформации

Относительная диэлектрическая проницаемость е

Плотность р, кг/м 3 • 10 3

Е, Н/м 2 ? 10 9

Допускаемая температура т °с

Что ждет пьезоэлектрические материалы будущем?

Так что же ждет пьезоэлектрические материалы в будущем? Возникает захватывающая идея, что пьезоматериалы из нановолокна могут быть коммерчески использованы в качестве источника энергии. Они полагаются на механическое усилие для выработки электричества. Поэтому, если расположить их, например, на сенсорном экране, то они могут выступить в качестве подзарядки устройства. Конечно, часть созданной мощности идет на выполнение действия на сенсорном экране. Но есть вариант создания дополнительных ресурсов.

Два самых популярных материала, используемых для наногенераторов, — это полимер поливинилиденфторид (ПВДФ) и керамический цирконат-титанат свинца (PZT). ПВДФ демонстрирует более высокие пьезоэлектрические свойства, чем другие полимеры. Это связано с его полярной кристаллической структурой. В свою очередь PZT также имеет кристаллическую структуру и способен генерировать гораздо более высокие напряжения, чем другие пьезоэлектрические материалы для сбора энергии. Он также механически более прочен, особенно в форме нанопроволоки.

Промышленный дизайнер Чон-Хун Кимхас придумал блестящую идею использования пьезоэлектричества для питания автомобиля. Такие устройства, которые заряжают аккумуляторы, получают энергию от вибраций, возникающих при движении машины. Эта технология не производит выбросов и не зависит от ископаемого топлива, что делает ее экологически чистой.

Другой промышленный дизайнер, Пол Фригу, разработал мобильный телефон, который может заряжаться сам! Модель Zeri использует термоэлектрические и пьезоэлектрические системы. Первый использует изменения температуры для генерации заряда; второй — колебания воздуха. Эти две функции делают смартфон на 100% экологически чистым.

Мексиканец Альберто Вильярреал создал пару обуви, которая освещает путь ее владельцу. Используя кинетическую энергию ходьбы или бега, электролюминесцентные полимеры могут производить свет. Эти эффекты буду полезны для бегунов.

Следующая инновационная технология — в секторе планшетов. Использование регенеративного ввода на сенсорном экране вполне может стать предпочтительным способом зарядки этих популярных гаджетов. В среднем (статистически) средний человек нажимает на сенсорный экран 1 000 раз в день. Этого более чем достаточно для питания планшета.

Напоследок, пожалуй, самый интересный пьезоэлектрический гаджет — душ. Разработанный финскими, мексиканскими и немецкими инженерами, он содержит множество крошечных нанопроволок. Эти нанопровода используют энергию проходящей воды для производства электричества, которое используется для нагрева воды. Устройство также имеет сенсорные панели, которые контролируют количество использованной воды и подсчитывают время, проведенное пользователем в душе. Также имеется регулятор, который контролирует давление воды.

Читать далее

Диэлектрик — вещество, относительно плохо проводящее электрический ток. Электрические свойства диэлектриков определяются их способностью к поляризации во внешнем электрическом поле. Термин введён в науку английским физиком М. Фарадеем. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ см⁻³.

Пьезоэлектрический эффект. Виды и применение. Особенности

Пьезоэлектрический эффект. Виды и применение. Особенности

Впервые с явлением под названием «пьезоэлектрический эффект» чаще всего сталкиваются пользователи бытовых газовых зажигалок. При нажатии на кнопку такого изделия издается характерный для него треск и вырабатывается искра, зажигающая природный газ. Понятно, что это происходит в результате превращения механического воздействия в электрический разряд.

Его появление объясняется поляризацией диэлектриков при механической деформации кристаллов («пьезо» в переводе с греческого языка означает «сжимаю»). Особо отмечается, что это явление обратимо. Последнее означает, что под воздействием электрического поля (напряжения) в определенных условиях происходит механическая деформация диэлектрика.

Pezoelektricheskii effekt 2

Как был открыт пьезоэлектрический эффект и в чем его суть

Прежде чем разобраться в сути такого явления – сначала следует усвоить правило, утверждающее, что пьезоэлектрические вещества всегда обладают обратным эффектом. Это утверждение справедливо как для монокристаллических, так и для поликристаллических структур.

Во втором случае вещества предварительно поляризуются сильным электрическим полем на одной из перечисленных ниже стадий их получения:
  • В процессе кристаллизации диэлектриков.
  • При фазовом переходе в точке температуры Кюри (Примером поляризации при переходе точки Кюри может служить получение керамических пьезоэлектрических диэлектриков из смеси свинца с другими добавками).
  • Охлаждении сегнетоэлектриков.
  • Наложении стороннего электрического поля.

Известно, что любой пьезоэлектрик состоит из множества однотипных структурных элементов. Поэтому при расчете наведенной в результате сжатия/растяжения ЭДС учитывается суммарный эффект, получаемый от каждого из них. Полная энергия, генерируемая элементами за счет внешнего механического воздействия, равна сумме отдельных составляющих упругой деформации.

Поскольку пьезоэлектрический эффект обратим – после сжатия кристаллов возникает ответная реакция. В результате полученное электрическое напряжение в свою очередь создает механические напряжения и деформации, способные противодействовать внешним силам. Это индукционное явление приводит к некоторому увеличению жесткости пьезоэлемента.

Для подтверждения свойств диэлектриков с пьезоэлектрическим эффектом проделывается следующий опыт. Берется пьезоэлемент, на который предварительно было оказано механическое воздействие. Далее, появившееся на нем электрическое напряжение обнуляется путем короткого замыкания полярных электродов. При этом специальными тензорными приборами удается обнаружить уменьшение его жесткости.

Исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки кристаллической структуры материала. Поскольку весь диэлектрик состоит из огромного количества таких ячеек – их свойства целиком переносятся на все вещество (макроскопический кристалл). Необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в составляющих макроэлемента.

У электрических проводников пьезоэлектрический эффект совсем не проявляется, что объясняется свободным перемещением зарядов по всей пространственной решетке этих материалов. Любое механическое воздействие, приведшее к смещению молекул и возникновению заряда, компенсируется хорошей проводимостью этих структур.

Разновидности пьезоэлектриков

Известные виды материалов, проявляющих пьезоэффект, подразделяются на кристаллические и керамические вещества. К первым относится кварц и подобные ему природные минералы. Вторая категория – это материалы искусственного происхождения, типичными представителями которых являются титанат бария, ниобат лития и цирконат-титанат свинца (ЦТС). У этих веществ пьезоэлектрический эффект проявляется в более выраженной форме, чем это наблюдается у структур природного происхождения.

При сравнении ЦТС с кварцем отмечается, что при одной и той же величине деформации искусственный материал позволяет получить более высокую разность потенциалов. При обратном воздействии он точно также сильнее деформируется при одинаковых значениях приложенного напряжения. Благодаря таким характеристикам искусственные вещества широко применяются сегодня при производстве конденсаторов на основе керамики и ультразвуковых преобразователей различного типа.

Явления, с которым не следует путать

Пьезоэлектрический эффект не следует путать с так называемой «электрострикцией» (изменением формы под воздействием напряжения), наблюдаемой в диэлектриках с любой пространственной структурой.

Как прямой, так и обратный пьезоэффекты возможны только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Именно эта особенность структуры кристаллических диэлектриков и способствует образованию в них заряда при сжатии или растяжении. Помимо этого, пьезоэлектрический эффект нельзя путать с пьезорезистивными явлениями (при их проявлении у вещества изменяется показатель проводимости).

Практическое использование
Прямой пьезоэффект может использоваться не только в газовых зажигалках, но и во многих других технических решениях, это:
  • Различные датчики.
  • Сверхчувствительные сенсоры.
  • Взрыватели.

В отличие от пьезозажигалок, где он обеспечивает получение высокого напряжения на разряднике после нажатия пальцем клавиши, в сенсорах и датчиках с его помощью измеряются параметры некоторых величин (обратный эффект). В качестве взрывателя эти элементы применяются в выстрелах от гранатометов РПГ-7, в частности.

Датчики повышенной чувствительности на основе пьезолементов «улавливают» малейшие механические вибрации и реагируют на них появлением контрольного напряжения на регистрирующем приборе. С их помощью, например, очень удобно измерять давления жидкостей и газов. Добавим к этому, что такие элементы часто устанавливаются в гидрофонах, микрофонах, а также в приемниках сонаров. На начальном этапе развития грамзаписи пьезоэлементы использовались в головках звукоснимателей электропроигрывателей простейшего типа.

Pezoelektricheskii effekt 3

Обратный пьезоэлектрический эффект широко применяется в акустической аппаратуре в самых различных бытовых приборах. Как вибрирующие элементы такие кристаллы чаще всего встречаются в пьезокерамических звуковых излучателях. Эти приборы отличаются повышенной отдачей на высоких частотах и имеют сравнительно небольшие размеры. Благодаря этому их удается встраивать в миниатюрные девайсы и изделия, где они выполняют функцию излучателей звука.

Это могут быть:
  • Поздравительные музыкальные открытки.
  • Наручные часовые устройства.
  • Различные виды бытовой техники.

В последнем случае имеются в виду излучатели, устанавливаемые в увлажнители воздуха, а также в приборы ультразвуковой гидроочистки (например, в стиральные машины некоторых моделей). Еще одна сфера применения пьезоэлементов – промышленные ультразвуковые ванны, используемые при поведении самых различных технологических операций. В морском деле эти приборы используются в излучателях гидролокаторов (сонарах).

Области применения, не связанные с акустикой
Помимо обширной сферы акустических приложений пьезоэлектрический эффект широко применяется в следующих областях:
  • В устройствах механического перемещения (активаторах).
  • При изготовлении элементов точного позиционирования, входящих в состав современной аппаратуры (жестких дисков или туннельных микроскопов, в частности).
  • В адаптивной оптике – для корректировки кривизны отражающей поверхности зеркал.
  • В двигателях, работающих на принципах пьезоэффекта.
  • Помимо всего пьезоэлектрический эффект используется в устройствах, обеспечивающих подачу чернил в струйных принтерах.
Обе разновидности этого явления (прямой и обратный эффект) используются в следующих приборах:
  • Кварцевые резонаторы (в них они выполняют функцию эталона частоты).
  • Пьезоэлектрические трансформаторы, преобразующие напряжения высокой частоты.
  • Устройства, работающие с использованием эффекта распространения поверхностных акустических волн (УЛЗ).

Прямое и обратное проявления пьезоэлектричества также применяются при изготовлении датчиков, функционирующих по принципу распространения поверхностных волн.

При изготовлении современных приборов и устройств цельные кристаллы, как правило, не применяются. Перед использованием они распиливаются на тонкие пластинки с четкой ориентацией по кристаллографическим осям. Толщина пластинчатых заготовок выбирается в зависимости от того, какую требуется получить резонансную частоту. Для получения готового к использованию пьезоэлемента нарезанные пластины помещаются в обрамление из двух металлических прослоек.

Похожие темы:
  • Трибоэлектрический эффект. Принцип действия и особенности
  • Капельница Кельвина. Устройство и работа. Особенности
  • Электричество. Электрический ток. Электростанции
  • Элементы Пельтье. Работа и применение. Обратный эффект
  • Пьезогенераторы. Устройство и работа. Особенности и применение
  • Поверхностный эффект. Характеристики и применение
  • Эффект Джозефсона. Работа и применение. Особенности
  • Магнитострикция. Свойства и применение. Особенности
Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий