Пьезоэлектрический эффект был открыт французскими учёными братьями Кюри ещё в конце XIX века. На тот момент о практическом применении обнаруженного явления говорить было ещё рано, но в настоящее время пьезоэлементы широко применяются как в технике, так и в быту.
Содержание
Сущность пьезоэффекта
Знаменитые физики установили, что при деформации некоторых кристаллов (горный хрусталь, турмалин и т.д.) на их гранях возникают электрические заряды. При этом разность потенциалов была невелика, но её уверенно фиксировали существовавшие в то время приборы, а соединив участки с разнополярными зарядами с помощью проводников, удавалось получить электрический ток. Явление фиксировалось только в динамике, в момент сжатия или растяжения. Деформация в статическом режиме пьезоэффект не вызывала.
Вскоре был теоретически обоснован и открыт на практике обратный эффект – при подаче напряжения кристалл деформировался. Выяснилось, что оба явления взаимосвязаны – если вещество проявляет прямой пьезоэффект, то ему присущ и обратный, и наоборот.
Явление наблюдается в веществах с кристаллической решеткой анизотропного типа (у которых физические свойства различны в зависимости от направления) с достаточной асимметрией, а также некоторые поликристаллические структуры.
В любом твердом теле приложенные внешние силы вызывают деформацию и механические напряжения, а в веществах, обладающих пьезоэффектом ещё и поляризацию зарядов, причём поляризация зависит от направления приложенной силы. При смене направления воздействия меняется и направление поляризации, и полярность зарядов. Зависимость поляризации от механического напряжения линейна и описывается выражением P=dt, где t – механическое напряжение, а d – коэффициент, называемый пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем).
Подобное явление происходит и при обратном пьезоэффекте. При изменении направления приложенного электрического поля изменяется направление деформации. Здесь зависимость также линейна: r=dE, где E – напряжённость электрического поля, а r – деформация. Коэффициент d одинаков при прямом и обратном пьезоэффекте у всех веществ.
На самом деле приведенные уравнения лишь оценочны. Фактические зависимости намного сложнее и определяются ещё и направлением сил относительно кристаллических осей.
Вещества, обладающие пьезоэффектом
Впервые пьезоэффект был найден у кристаллов горного хрусталя (кварца). По сегодняшнее время этот материал очень распространен в производстве пьезоэлементов, но в производстве применяются не только природные материалы.
Много пьезоэлектриков изготавливается на основе веществ с формулой ABO3, например BaTiO3, РbТiO3. Эти материалы обладают поликристаллической (состоящей из множества кристаллов) структурой, и чтобы придать им способность проявлять пьезоэффект они должны быть подвергнуты поляризации с помощью внешнего электрического поля.
Существую технологии, позволяющие получить плёночные пьезоэлектрики (поливинилиденфторид и т.п.). Чтобы придать им необходимые свойства, их также надо длительное время поляризовать в электрическом поле. Преимущество таких материалов – очень малая толщина.
Свойства и характеристики веществ, обладающих пьезоэффектом
Так как поляризация происходит только во время упругой деформации, важной характеристикой пьезоматериала является его способность изменять форму под действием внешних сил. Величину этой способности определяет упругая податливость (или упругая жесткость).
Кристаллы, обладающие пьезоэффектом, обладают высокой упругостью – при снятии усилия (или внешнего напряжения) они возвращаются к первоначальной форме.
Также пьезокристаллам присуща собственная механическая резонансная частота. Если заставить кристалл колебаться на этой частоте, амплитуда будет особенно большой.
Так как пьезоэффект проявляют не только целые кристаллы, а и пластины из них, нарезанные с соблюдением определенных условий, то можно получать куски пьезовеществ с резонансом на различных частотах – в зависимости от геометрических размеров и направления реза.
Также колебательные свойства пьезоэлектрических материалов характеризует механическая добротность. Она показывает, во сколько раз возрастает амплитуда колебаний на резонансной частоте при равной приложенной силе.
Существует явная зависимость свойств пьезоэлектрика от температуры, которую надо учитывать при использовании кристаллов. Эту зависимость характеризуют коэффициенты:
- температурный коэффициент резонансной частоты показывает, насколько уходит резонанс при нагревании/охлаждении кристалла;
- температурный коэффициент расширения определяет, насколько изменяются линейные размеры пьезопластины при изменении температуры.
При определенной температуре пьезокристалл теряет свои свойства. Этот предел называется температурой Кюри. Эта граница индивидуальна для каждого материала. Например, для кварца она составляет +573 °C.
Практическое использование пьезоэффекта
Самое известное применение пьезоэлементов – в качестве элемента для зажигания. Пьезоэффект используется в карманных зажигалках или в кухонных воспламенителях для газовых плит. При нажатии на кристалл возникает разность потенциалов и в воздушном промежутке появляется искра.
Этим область применения пьезоэлементов не исчерпывается. Кристаллы, обладающие подобным эффектом, могут применяться в качестве датчиков деформации, но эту сферу использования ограничивает свойство пьезоэффекта проявляться только в динамике – если изменения остановились, сигнал перестает генерироваться.
Пьезокристаллы могут быть использованы в качестве микрофона – при воздействии акустических волн формируются электрические сигналы. Обратный пьезоэффект позволяет также (иногда одновременно) применять такие элементы в качестве звукоизлучателей. При подаче на кристалл электрического сигнала, пьезоэлемент начнет генерировать акустические волны.
Такие излучатели широко применяются для создания ультразвуковых волн, в частности, в медицинской технике. При этом можно использовать и резонансные свойства пластины. Она может применяться в качестве акустического фильтра, выделяющего волны только собственной частоты. Другой вариант – использование в звуковом генераторе (сирене, извещателе и т.п.) пьезоэлемента одновременно в качестве частотозадающего и звукоизлучающего элемента. В этом случае звук всегда будет генерироваться на резонансной частоте, и можно получить максимальную громкость с небольшими энергозатратами.
Резонансные свойства используются для стабилизации частот генераторов, работающих в радиочастотном диапазоне. Пластинки из кварца выполняют роль высокостабильных и высокодобротных колебательных контуров в частотозадающих цепях.
Существуют фантастические пока проекты преобразовывать энергию упругой деформации в электрическую энергию в промышленных масштабах. Можно использовать деформацию дорожного покрытия под действием тяжести пешеходов или автомобилей, например, для освещения участков трасс. Можно применять энергию деформации крыльев самолета для обеспечения бортсети. Такое использование сдерживается недостаточным КПД пьезоэлементов, но опытные установки уже созданы, и они показали перспективность дальнейшего совершенствования.
Похожие статьи:
Загрузка...