A piezoelektromos hatást a francia tudósok, a Curie fivérek fedezték fel a 19. század végén. Akkor még korai volt a felfedezett jelenség gyakorlati alkalmazásáról beszélni, de jelenleg a piezoelektromos elemeket széles körben alkalmazzák mind a technikában, mind a mindennapi életben.
Tartalom
A piezoelektromos hatás lényege
Híres fizikusok megállapították, hogy amikor egyes kristályok (hegykristály, turmalin stb.) deformálódnak, elektromos töltések keletkeznek az arcán. Ugyanakkor a potenciálkülönbség kicsi volt, de az akkor létező eszközök magabiztosan rögzítették, és az ellentétes pólusú töltésű szakaszok vezetőkkel történő összekapcsolásával sikerült elérni elektromosság. A jelenség csak a dinamikában rögzült, a kompresszió vagy a nyújtás pillanatában. A statikus üzemmódban bekövetkezett deformáció nem okozott piezoelektromos hatást.
Hamarosan az ellenkező hatás elméletileg indokolttá vált, és a gyakorlatban is felfedezték - feszültség hatására a kristály deformálódott.Kiderült, hogy mindkét jelenség összefügg egymással - ha egy anyag közvetlen piezoelektromos hatást fejt ki, akkor az ellenkezője is benne rejlik, és fordítva.
A jelenség az anizotrop típusú kristályrácsos (amelyek fizikai tulajdonságai iránytól függően eltérőek) és kellő aszimmetriájú anyagoknál, valamint néhány polikristályos szerkezetnél figyelhető meg.
Bármely szilárd testben a fellépő külső erők deformációt, mechanikai feszültségeket okoznak, a piezoelektromos hatású anyagokban pedig töltések polarizációját is, a polarizáció a kifejtett erő irányától függ. Az expozíció irányának megváltoztatásakor mind a polarizáció iránya, mind a töltések polaritása megváltozik. A polarizáció mechanikai igénybevételtől való függése lineáris, és a P=dt kifejezéssel írható le, ahol t a mechanikai feszültség, d pedig a piezoelektromos modulnak (piezoelektromos modulnak) nevezett együttható.
Hasonló jelenség fordul elő a fordított piezoelektromos hatásnál is. Amikor az alkalmazott elektromos tér iránya megváltozik, megváltozik az alakváltozás iránya. Itt is lineáris a függés: r=dE, ahol E az elektromos térerősség, r pedig a deformáció. A d együttható direkt és inverz piezoelektromos hatásokra minden anyagra azonos.
Valójában a fenti egyenletek csak becslések. A tényleges függőségek sokkal bonyolultabbak, és a kristálytengelyekhez viszonyított erők iránya is meghatározza.
Piezoelektromos hatású anyagok
Először találtak piezoelektromos hatást hegyikristályokban (kvarcban). Ez az anyag a mai napig nagyon elterjedt a piezoelektromos elemek gyártásában, de nem csak természetes anyagokat használnak a gyártás során.
Sok piezoelektromos anyag ABO képletű anyagokból készül.3, például BaTiO3, РbТiO3. Ezek az anyagok polikristályos (sok kristályból álló) szerkezettel rendelkeznek, és ahhoz, hogy képesek legyenek piezoelektromos hatást kifejteni, külső elektromos tér segítségével polarizálni kell őket.
Vannak olyan technológiák, amelyek lehetővé teszik filmes piezoelektromos anyagok (polivinilidén-fluorid stb.) előállítását. Ahhoz, hogy a szükséges tulajdonságokat megkapják, elektromos térben is hosszú ideig polarizálni kell őket. Az ilyen anyagok előnye a nagyon kis vastagság.
Piezoelektromos hatású anyagok tulajdonságai és jellemzői
Mivel a polarizáció csak rugalmas deformáció során következik be, a piezoanyag fontos jellemzője, hogy külső erők hatására alakot változtat. Ennek a képességnek az értékét a rugalmas megfelelés (vagy rugalmas merevség) határozza meg.
A piezoelektromos hatású kristályok rendkívül rugalmasak - az erő (vagy külső feszültség) megszüntetésével visszanyeri eredeti formájukat.
A piezokristályoknak saját mechanikai rezonanciafrekvenciájuk is van. Ha a kristályt ezen a frekvencián rezegteti, az amplitúdó különösen nagy lesz.
Mivel a piezoelektromos hatás nemcsak egész kristályokban, hanem bizonyos körülmények között kivágott lemezekben is megnyilvánul, lehetőség van különböző frekvenciájú rezonanciájú piezoelektromos anyagok darabjai előállítására, a vágás geometriai méreteitől és irányától függően.
A piezoelektromos anyagok rezgési tulajdonságait egy mechanikai minőségi tényező is jellemzi. Megmutatja, hogy a rezonanciafrekvencián a rezgések amplitúdója hányszorosára nő egyenlő kifejtett erő mellett.
A piezoelektromos tulajdonságainak egyértelmű hőmérsékletfüggősége van, amelyet kristályok használatakor figyelembe kell venni. Ezt a függőséget a következő együtthatók jellemzik:
- a rezonanciafrekvencia hőmérsékleti együtthatója megmutatja, hogy a rezonancia mennyivel megy el, amikor a kristályt melegítik / hűtik;
- a hőmérséklet-tágulási együttható határozza meg, hogy a piezoelektromos lemez lineáris méretei mennyire változnak a hőmérséklettel.
Egy bizonyos hőmérsékleten a piezokristály elveszti tulajdonságait. Ezt a határértéket Curie-hőmérsékletnek nevezik. Ez a határ minden anyag esetében egyedi. Például a kvarc esetében ez +573 °C.
A piezoelektromos hatás gyakorlati alkalmazása
A piezoelektromos elemek leghíresebb alkalmazása a gyújtóelem. A piezoelektromos hatást zsebgyújtókban vagy gáztűzhelyek konyhai gyújtóiban használják. Amikor a kristályt megnyomják, potenciálkülönbség keletkezik, és szikra jelenik meg a légrésben.
A piezoelektromos elemek ezen alkalmazási területe nincs kimerítve. A hasonló hatású kristályok nyúlásmérőként is használhatók, de ennek a felhasználási területnek az a tulajdonsága korlátozza, hogy a piezoelektromos hatás csak a dinamikában jelenik meg – ha a változások leállnak, a jel generálása leáll.
A piezokristályok mikrofonként használhatók – akusztikus hullámok hatására elektromos jelek keletkeznek. A fordított piezoelektromos effektus lehetővé teszi (néha egyidejűleg) ilyen elemek hangkibocsátóként történő használatát is. Amikor elektromos jelet adnak a kristályra, a piezoelektromos elem akusztikus hullámokat kezd generálni.
Az ilyen emittereket széles körben használják ultrahanghullámok létrehozására, különösen az orvosi technológiában. Nál nél ez a lemez rezonanciatulajdonságai is felhasználhatók.Akusztikus szűrőként használható, amely csak a természetes frekvenciájú hullámokat választja ki. Egy másik lehetőség, hogy egy hanggenerátorban (sziréna, detektor stb.) egy piezoelektromos elemet egyszerre alkalmazunk frekvenciabeállító és hangkibocsátó elemként. Ebben az esetben a hang mindig a rezonancia frekvencián keletkezik, és kis energiafelhasználással maximális hangerő érhető el.
A rezonancia tulajdonságokat a rádiófrekvenciás tartományban működő generátorok frekvenciájának stabilizálására használják. A kvarclemezek rendkívül stabil és jó minőségű oszcilláló áramkörök szerepét töltik be a frekvenciabeállító áramkörökben.
Még mindig vannak fantasztikus projektek a rugalmas deformáció energiájának elektromos energiává alakítására ipari méretekben. A gyalogosok vagy autók gravitációjának hatására a burkolat deformációját például a vágányszakaszok megvilágítására használhatja. A repülőgép szárnyainak deformációs energiáját felhasználhatja a repülőgép hálózatának biztosítására. Az ilyen felhasználást korlátozza a piezoelektromos elemek elégtelen hatékonysága, de már létrejöttek a kísérleti üzemek, amelyek további fejlesztést ígértek.
Hasonló cikkek:
