Efectul piezoelectric a fost descoperit de oamenii de știință francezi, frații Curie, la sfârșitul secolului al XIX-lea. La acea vreme, era prea devreme să vorbim despre aplicarea practică a fenomenului descoperit, dar în prezent, elementele piezoelectrice sunt utilizate pe scară largă atât în tehnologie, cât și în viața de zi cu zi.
Conţinut
Esența efectului piezoelectric
Fizicieni renumiți au stabilit că atunci când unele cristale (cristal de stâncă, turmalină etc.) sunt deformate, pe fețele lor apar sarcini electrice. În același timp, diferența de potențial a fost mică, dar a fost fixată cu încredere de dispozitivele care existau la acea vreme, iar prin conectarea secțiunilor cu sarcini polare opuse folosind conductori, a fost posibil să se obțină electricitate. Fenomenul a fost fixat doar în dinamică, în momentul compresiunii sau întinderii. Deformarea în modul static nu a provocat un efect piezoelectric.
Curând, efectul opus a fost justificat teoretic și descoperit în practică - atunci când a fost aplicată o tensiune, cristalul a fost deformat.S-a dovedit că ambele fenomene sunt interconectate - dacă o substanță prezintă un efect piezoelectric direct, atunci opusul este de asemenea inerent în ea și invers.
Fenomenul se observă în substanțe cu rețea cristalină de tip anizotrop (ale căror proprietăți fizice sunt diferite în funcție de direcție) cu suficientă asimetrie, precum și unele structuri policristaline.
În orice corp solid, forțele exterioare aplicate provoacă deformare și solicitări mecanice, iar în substanțele cu efect piezoelectric provoacă și polarizarea sarcinilor, iar polarizarea depinde de direcția forței aplicate. La schimbarea direcției de expunere, atât direcția de polarizare, cât și polaritatea sarcinilor se schimbă. Dependența polarizării de solicitarea mecanică este liniară și este descrisă de expresia P=dt, unde t este solicitarea mecanică, iar d este un coeficient numit modul piezoelectric (modul piezoelectric).
Un fenomen similar are loc cu efectul piezoelectric invers. Când se modifică direcția câmpului electric aplicat, se schimbă direcția de deformare. Aici dependența este de asemenea liniară: r=dE, unde E este intensitatea câmpului electric și r este deformarea. Coeficientul d este același pentru efectele piezoelectrice directe și inverse pentru toate substanțele.
De fapt, ecuațiile de mai sus sunt doar estimări. Dependențele reale sunt mult mai complicate și sunt, de asemenea, determinate de direcția forțelor față de axele cristalului.
Substanțe cu efect piezoelectric
Pentru prima dată, efectul piezoelectric a fost găsit în cristalele de rocă (cuarț). Până în prezent, acest material este foarte comun în producția de elemente piezoelectrice, dar nu numai materiale naturale sunt folosite în producție.
Multe piezoelectrice sunt fabricate din substanțe cu formula ABO.3, de exemplu BaTiO3, РbТiO3. Aceste materiale au o structură policristalină (formată din multe cristale) și pentru a le oferi capacitatea de a prezenta un efect piezoelectric, ele trebuie supuse polarizării folosind un câmp electric extern.
Există tehnologii care fac posibilă obținerea de piezoelectrice de film (fluorura de poliviniliden etc.). Pentru a le conferi proprietățile necesare, ele trebuie și polarizate mult timp într-un câmp electric. Avantajul unor astfel de materiale este o grosime foarte mică.
Proprietăți și caracteristici ale substanțelor cu efect piezoelectric
Deoarece polarizarea are loc numai în timpul deformării elastice, o caracteristică importantă a unui piezomaterial este capacitatea sa de a-și schimba forma sub acțiunea forțelor externe. Valoarea acestei abilități este determinată de complianța elastică (sau rigiditatea elastică).
Cristalele cu efect piezoelectric sunt foarte elastice - atunci când forța (sau stresul extern) este îndepărtată, ele revin la forma lor originală.
Piezocristalele au, de asemenea, propria lor frecvență de rezonanță mecanică. Dacă faci ca cristalul să vibreze la această frecvență, amplitudinea va fi deosebit de mare.
Întrucât efectul piezoelectric se manifestă nu numai prin cristale întregi, ci și prin plăci ale acestora tăiate în anumite condiții, se pot obține bucăți de substanțe piezoelectrice cu rezonanță la frecvențe diferite, în funcție de dimensiunile geometrice și direcția tăieturii.
De asemenea, proprietățile vibraționale ale materialelor piezoelectrice sunt caracterizate de un factor de calitate mecanic. Arată de câte ori crește amplitudinea oscilațiilor la frecvența de rezonanță cu o forță aplicată egală.
Există o dependență clară a proprietăților unui piezoelectric de temperatură, care trebuie luată în considerare atunci când se utilizează cristale. Această dependență este caracterizată de coeficienții:
- coeficientul de temperatură al frecvenței de rezonanță arată cât de mult dispare rezonanța când cristalul este încălzit/răcit;
- coeficientul de dilatare a temperaturii determină cât de mult se modifică dimensiunile liniare ale plăcii piezoelectrice cu temperatura.
La o anumită temperatură, piezocristalul își pierde proprietățile. Această limită se numește temperatura Curie. Această limită este individuală pentru fiecare material. De exemplu, pentru cuarț este +573 °C.
Utilizarea practică a efectului piezoelectric
Cea mai cunoscută aplicație a elementelor piezoelectrice este ca element de aprindere. Efectul piezoelectric este folosit la brichetele de buzunar sau la aprinderile de bucătărie pentru sobele cu gaz. Când cristalul este apăsat, apare o diferență de potențial și apare o scânteie în spațiul de aer.
Această zonă de aplicare a elementelor piezoelectrice nu este epuizată. Cristalele cu efect similar pot fi folosite ca tensiometre, dar această zonă de utilizare este limitată de proprietatea efectului piezoelectric de a apărea numai în dinamică - dacă modificările se opresc, semnalul încetează să mai genereze.
Piezocristalele pot fi folosite ca microfon - atunci când sunt expuse undelor acustice, se formează semnale electrice. Efectul piezoelectric invers permite de asemenea (uneori simultan) utilizarea unor elemente precum emițători de sunet. Când un semnal electric este aplicat cristalului, elementul piezoelectric va începe să genereze unde acustice.
Astfel de emițători sunt utilizați pe scară largă pentru a crea unde ultrasonice, în special în tehnologia medicală. La acest pot fi folosite şi proprietăţile rezonante ale plăcii.Poate fi folosit ca filtru acustic care selectează doar undele de frecvență naturale. O altă opțiune este utilizarea unui element piezoelectric într-un generator de sunet (sirenă, detector, etc.) simultan ca element de setare a frecvenței și emițător de sunet. În acest caz, sunetul va fi întotdeauna generat la frecvența de rezonanță, iar volumul maxim poate fi obținut cu un consum redus de energie.
Proprietățile de rezonanță sunt utilizate pentru a stabiliza frecvențele generatoarelor care funcționează în domeniul de frecvență radio. Plăcile de cuarț joacă rolul unor circuite oscilatorii extrem de stabile și de înaltă calitate în circuitele de setare a frecvenței.
Există încă proiecte fantastice pentru a converti energia de deformare elastică în energie electrică la scară industrială. Puteți folosi deformarea trotuarului sub influența gravitației pietonilor sau a mașinilor, de exemplu, pentru a ilumina secțiuni de șine. Puteți folosi energia de deformare a aripilor aeronavei pentru a asigura rețeaua de aeronave. O astfel de utilizare este constrânsă de eficiența insuficientă a elementelor piezoelectrice, dar au fost deja create instalații pilot și au arătat promisiunea unei îmbunătățiri ulterioare.
Articole similare:
