Hvordan virker det piezoelektriske element, og hvad er den piezoelektriske effekt

Den piezoelektriske effekt blev opdaget af de franske videnskabsmænd Curie-brødrene i slutningen af ​​det 19. århundrede. På det tidspunkt var det for tidligt at tale om den praktiske anvendelse af det opdagede fænomen, men i øjeblikket er piezoelektriske elementer meget udbredt både i teknologi og i hverdagen.

Essensen af ​​den piezoelektriske effekt

Berømte fysikere har fastslået, at når nogle krystaller (bjergkrystal, turmalin osv.) er deformeret, opstår der elektriske ladninger på deres ansigter. Samtidig var potentialforskellen lille, men den blev sikkert fikset af de enheder, der eksisterede på det tidspunkt, og ved at forbinde sektioner med modsat polære ladninger ved hjælp af ledere, var det muligt at opnå elektricitet. Fænomenet var kun fikseret i dynamik, i det øjeblik, hvor kompressionen eller strækningen blev udspændt. Deformation i den statiske tilstand forårsagede ikke en piezoelektrisk effekt.

Snart blev den modsatte effekt teoretisk begrundet og opdaget i praksis - når en spænding blev påført, blev krystallen deformeret.Det viste sig, at begge fænomener er indbyrdes forbundne - hvis et stof udviser en direkte piezoelektrisk effekt, så er det modsatte også iboende i det, og omvendt.

Fænomenet observeres i stoffer med et anisotropisk krystalgitter (hvis fysiske egenskaber er forskellige afhængigt af retningen) med tilstrækkelig asymmetri samt nogle polykrystallinske strukturer.

I ethvert fast legeme forårsager de påførte ydre kræfter deformation og mekaniske spændinger, og i stoffer med en piezoelektrisk effekt forårsager de også polarisering af ladninger, og polariseringen afhænger af retningen af ​​den påførte kraft. Når eksponeringsretningen ændres, ændres både polarisationsretningen og ladningernes polaritet. Polarisationens afhængighed af mekanisk spænding er lineær og beskrives ved udtrykket P=dt, hvor t er mekanisk spænding, og d er en koefficient kaldet det piezoelektriske modul (piezoelektrisk modul).

Et lignende fænomen opstår med den omvendte piezoelektriske effekt. Når retningen af ​​det påførte elektriske felt ændres, ændres deformationsretningen. Her er afhængigheden også lineær: r=dE, hvor E er den elektriske feltstyrke og r er tøjningen. Koefficienten d er den samme for direkte og omvendte piezoelektriske effekter for alle stoffer.

Faktisk er ovenstående ligninger kun skøn. De faktiske afhængigheder er meget mere komplicerede og bestemmes også af kræfternes retning i forhold til krystalakserne.

Stoffer med en piezoelektrisk effekt

For første gang blev den piezoelektriske effekt fundet i bjergkrystaller (kvarts). Til denne dag er dette materiale meget almindeligt i produktionen af ​​piezoelektriske elementer, men ikke kun naturlige materialer bruges i produktionen.

Mange piezoelektriske stoffer er lavet af stoffer med ABO-formlen.₃, fx BaTiO₃, РbТiO₃. Disse materialer har en polykrystallinsk (bestående af mange krystaller) struktur, og for at give dem mulighed for at udvise en piezoelektrisk effekt, skal de udsættes for polarisering ved hjælp af et eksternt elektrisk felt.

Der er teknologier, der gør det muligt at opnå filmpiezoelektrik (polyvinylidenfluorid osv.). For at give dem de nødvendige egenskaber skal de også polariseres i lang tid i et elektrisk felt. Fordelen ved sådanne materialer er en meget lille tykkelse.

Egenskaber og karakteristika for stoffer med en piezoelektrisk effekt

Da polarisering kun forekommer under elastisk deformation, er et vigtigt kendetegn ved et piezomateriale dets evne til at ændre form under påvirkning af eksterne kræfter. Værdien af ​​denne evne bestemmes af elastisk compliance (eller elastisk stivhed).

Krystaller med en piezoelektrisk effekt er meget elastiske - når kraften (eller den ydre belastning) fjernes, vender de tilbage til deres oprindelige form.

Piezocrystals har også deres egen mekaniske resonansfrekvens. Hvis du får krystallen til at vibrere ved denne frekvens, vil amplituden være særlig stor.

 

Da den piezoelektriske effekt ikke kun manifesteres af hele krystaller, men også af plader af dem skåret under visse forhold, er det muligt at opnå stykker af piezoelektriske stoffer med resonans ved forskellige frekvenser, afhængigt af de geometriske dimensioner og retningen af ​​snittet.

Desuden er vibrationsegenskaberne af piezoelektriske materialer karakteriseret ved en mekanisk kvalitetsfaktor. Det viser, hvor mange gange amplituden af ​​oscillationer ved resonansfrekvensen stiger med en tilsvarende påført kraft.

Der er en klar afhængighed af et piezoelektriks egenskaber af temperatur, hvilket skal tages i betragtning ved brug af krystaller. Denne afhængighed er karakteriseret ved koefficienterne:

• temperaturkoefficienten for resonansfrekvensen viser, hvor meget resonansen går væk, når krystallen opvarmes / afkøles;
• temperaturudvidelseskoefficienten bestemmer, hvor meget den piezoelektriske plades lineære dimensioner ændrer sig med temperaturen.

Ved en bestemt temperatur mister piezokrystallen sine egenskaber. Denne grænse kaldes Curie-temperaturen. Denne grænse er individuel for hvert materiale. For eksempel er det for kvarts +573 °C.

Praktisk brug af den piezoelektriske effekt

Den mest berømte anvendelse af piezoelektriske elementer er som et tændingselement. Den piezoelektriske effekt bruges i lommetændere eller køkkentændere til gaskomfurer. Når krystallen trykkes, opstår der en potentialforskel, og der opstår en gnist i luftgabet.

Dette anvendelsesområde for piezoelektriske elementer er ikke udtømt. Krystaller med en lignende effekt kan bruges som strain gauges, men dette anvendelsesområde er begrænset af egenskaben ved den piezoelektriske effekt til kun at optræde i dynamik - hvis ændringerne stopper, holder signalet op med at generere.

Piezocrystals kan bruges som mikrofon – når de udsættes for akustiske bølger, dannes der elektriske signaler. Den omvendte piezoelektriske effekt tillader også (nogle gange samtidigt) brugen af ​​sådanne elementer som lydemittere. Når et elektrisk signal påføres krystallen, vil det piezoelektriske element begynde at generere akustiske bølger.

Sådanne emittere bruges i vid udstrækning til at skabe ultralydsbølger, især inden for medicinsk teknologi. På dette pladens resonansegenskaber kan også bruges.Det kan bruges som et akustisk filter, der kun vælger egenfrekvensbølger. En anden mulighed er at bruge et piezoelektrisk element i en lydgenerator (sirene, detektor osv.) samtidigt som et frekvensindstillings- og lydudsendende element. I dette tilfælde vil lyden altid blive genereret ved resonansfrekvensen, og maksimal lydstyrke kan opnås med lavt energiforbrug.

Resonansegenskaber bruges til at stabilisere frekvenserne af generatorer, der arbejder i radiofrekvensområdet. Kvartsplader spiller rollen som meget stabile og højkvalitets oscillerende kredsløb i frekvensindstillingskredsløb.

Der er stadig fantastiske projekter til at omdanne energien fra elastisk deformation til elektrisk energi i industriel skala. Du kan bruge deformationen af ​​fortovet under påvirkning af tyngdekraften fra fodgængere eller biler, for eksempel til at belyse dele af sporene. Du kan bruge deformationsenergien fra flyets vinger til at levere flynetværket. En sådan brug er begrænset af den utilstrækkelige effektivitet af piezoelektriske elementer, men pilotanlæg er allerede blevet oprettet, og de har vist løftet om yderligere forbedringer.

Lignende artikler: