Domov zaujímavé Čo je piezoelektrický efekt. Piezoelektrický jav a jeho úloha v modernej elektronike Využíva sa inverzný piezoelektrický jav

zaujímavé

Čo je piezoelektrický efekt. Piezoelektrický jav a jeho úloha v modernej elektronike Využíva sa inverzný piezoelektrický jav

Keď je dielektrikum umiestnené vo vonkajšom elektrickom poli, náboje jeho molekúl sú vystavené silám, ktoré deformujú dielektrikum a vytvárajú vnútorné mechanické napätia. Ukázalo sa, že deformácia dielektrika je úmerná druhej mocnine intenzity elektrického poľa. Tento jav sa nazýva "elektrostrikcia". Elektrostrikcia je spôsobená polarizáciou dielektrík v elektrickom poli a pozorujeme ju v pevných, kvapalných a plynných dielektrikách. Elektrostrikciu treba odlíšiť od takzvaného inverzného piezoelektrického efektu. Pri inverznom piezoelektrickom efekte je deformácia dielektrika úmerná sile elektrického poľa.

V izotropných médiách, vrátane plynov a kvapalín, sa elektrostrikcia pozoruje ako zmena hustoty pod vplyvom elektrického poľa.

V anizotropných kryštáloch môže byť elektrostrikcia opísaná závislosťou medzi dvoma tenzormi 2. stupňa - štvorcovým tenzorom intenzity elektrického poľa a tenzorom deformácie. Úvaha o elektrostrikcii v takýchto kryštáloch je nad rámec tohto kurzu.

Deformácia dielektrika v rovnomernom vonkajšom elektrickom poli môže byť spôsobená preorientovaním dipólov (molekúl) a zmenou elektrického dipólového momentu molekúl, zmenou vzájomného pôsobenia medzi nimi. V nerovnomernom vonkajšom elektrickom poli sú dipóly (molekuly) dielektrika ťahané (alebo tlačené) do oblasti silnejšieho poľa. V dôsledku toho budú na pevné dielektrikum pôsobiť sily, ktoré spôsobia deformáciu dielektrika v závislosti od stupňa nehomogenity elektrického poľa.

Vo väčšine dielektrík sa polarizácia objavuje a mizne so vznikom a zánikom vonkajšieho elektrického poľa.

Niektoré kryštalické dielektriká, nazývané (podľa najvýraznejšieho predstaviteľa Rochellovej soli) feroelektriká, však majú množstvo špecifických vlastností, vďaka ktorým je možné ich rozlíšiť do osobitnej skupiny.

K feroelektrikám patria dielektriká, ktoré majú spontánnu (spontánnu) polarizáciu v určitom teplotnom rozsahu, a to aj pri absencii vonkajšieho elektrického poľa.

elektrické pole. Výsledné elektrické pole domén zachováva orientáciu dipólových momentov domén aj po zániku vonkajšieho elektrického poľa (obr. 3.11).

Hlavné vlastnosti feroelektriky sú:

a) ich dielektrická konštanta je oveľa väčšia ako jedna (e>>1);

b) dielektrická konštanta feroelektrík závisí od sily vonkajšieho elektrického poľa (obr. 3.12);

c) vo vonkajšom elektrickom poli sa feroelektrika polarizujú do nasýtenia, teda do stavu, v ktorom ďalšia zmena intenzity elektrického poľa nemení vektor polarizácie (obr. 3.13);

d) vo vonkajšom cyklicky sa meniacom elektrickom poli sa vyznačujú javom hysterézie, komplexnou závislosťou vektora polarizácie od intenzity elektrického poľa. Zmena polarizačného vektora zaostáva za zmenou intenzity elektrického poľa (obr. 3.14);

e) feroelektriká vo svojej štruktúre predstavujú zhluk oblastí spontánnej polarizácie (domény), ktorých elektrické dipólové momenty majú chaotické vektorové orientácie P(obr. 3.10, 3.11);

f) pri zahriatí feroelektrika na určitú teplotu Tc, charakteristickú pre každé feroelektrikum, strácajú všetky svoje špecifické vlastnosti a menia sa na obyčajné polárne dielektriká. Bod fázového prechodu z feroelektrického stavu do polárneho dielektrického stavu sa nazýva Curieov bod a zodpovedajúca teplota Tk je Curieova teplota. V niektorých prípadoch ide o dva Curieove body – s klesajúcou teplotou miznú aj feroelektrické vlastnosti. Existuje pomerne málo feroelektrík s dvoma bodmi Curie. Väčšina z nich má iba horný bod, jednoducho nazývaný Curieov bod.

Pri prechode dielektrika z feroelektrického stavu do polárneho dielektrického stavu sa dielektrická konštanta plynule mení z hodnoty zodpovedajúcej feroelektrickému stavu na hodnotu zodpovedajúcu stavu polárneho dielektrika.

Zákon zmeny dielektrickej susceptibility c blízko Curieovej teploty má tvar

, (3.28)

kde A je nejaká konštanta;

To je Curie-Weissova teplota blízka teplote Tc (vo väčšine prípadov sa používa Tc namiesto To, čo nezavádza žiadne významné chyby v c pre teploty iné ako Tc). Zákon vyjadrený vzorcom (3.28) sa nazýva Curie-Weissov zákon.

Kryštály majú rôzne dielektrické vlastnosti v rôznych smeroch, a preto ich dielektrickú susceptibilitu charakterizuje nie skalárna dielektrická susceptibilita c, ale tenzor dielektrickej susceptibility c ij. Rovnaký charakter má však aj závislosť zložiek tenzora od teploty.

Okrem feroelektrík existujú početné kryštály, na povrchu ktorých pri deformácii vznikajú elektrické náboje. Takéto kryštály sa nazývajú piezoelektriká. Povrchové náboje vznikajúce pri deformácii majú na rôznych častiach povrchu rôzne znaky. Medzi piezoelektriku patrí kremeň, turmalín, Rochellova soľ a mnohé ďalšie.

Piezoelektrické vlastnosti majú iba iónové kryštály. Vplyvom vonkajších síl sa kryštalická podmriežka kladných iónov deformuje inak ako kryštalická podmriežka záporných iónov. V dôsledku toho dochádza k relatívnemu vytesňovaniu kladných a záporných iónov, čo vedie k polarizácii kryštálov a povrchových nábojov. Polarizácia, k prvej aproximácii, je priamo úmerná deformácii a deformácia kryštálu je zasa priamo úmerná sile. Preto je polarizácia priamo úmerná použitej sile. Medzi opačne nabitými plochami deformovaného dielektrika vzniká potenciálny rozdiel, ktorý je možné zmerať a z jeho hodnoty možno vyvodiť záver o veľkosti deformácií a pôsobiacich síl, ktorý má množstvo praktických aplikácií. K dispozícii sú napríklad piezoelektrické snímače na meranie rýchlo sa meniacich tlakov. Známe sú piezoelektrické mikrofóny, piezoelektrické snímače v automatizácii a telemechanike atď.

Okrem priameho piezoelektrického efektu existuje v piezoelektrike aj inverzný piezoelektrický efekt. Spočíva v tom, že vo vonkajšom elektrickom poli sa piezoelektrikum deformuje. Jeho existencia vyplýva z prítomnosti priameho účinku a zákona o zachovaní energie. Pri deformácii piezoelektrika sa vynakladá práca na generovanie energie elastickej deformácie a energie elektrického poľa, ktorá vzniká v dôsledku piezoelektrického javu. V dôsledku toho je pri deformácii piezoelektrika potrebné okrem elastickej sily kryštálu prekonať aj dodatočnú silu, ktorá zabraňuje deformácii a je faktorom spôsobujúcim opačný piezoelektrický efekt. Na kompenzáciu dodatočnej sily je potrebné použiť vonkajšie elektrické pole opačné k tomu, ktoré vzniká pri piezoelektrickom efekte. Aby sa teda dosiahla určitá deformácia piezoelektrika vplyvom vonkajšieho elektrického poľa, je potrebné, aby sa rovnalo poľu, ktoré vzniká v dôsledku priameho piezoelektrického javu pri danej deformácii, ale je opačné. Mechanizmus spätného piezoelektrického javu je podobný mechanizmu priameho piezoelektrického javu. Pod vplyvom vonkajšieho elektrického poľa sa kryštálové podmriežky kladných a záporných iónov rôznymi spôsobmi deformujú, čo vedie k deformácii kryštálu.

Inverzný piezoelektrický efekt má tiež množstvo praktických aplikácií, najmä kremenné ultrazvukové žiariče sú široko používané.

Pre niektoré piezoelektriky je podmriežka kladných iónov posunutá vzhľadom na podmriežku záporných iónov v stave termodynamickej rovnováhy, v dôsledku čoho sú takéto kryštály polarizované v neprítomnosti vonkajšieho elektrického poľa. Nazývajú sa pyroelektriká.

Typicky je prítomnosť spontánnej polarizácie maskovaná voľnými povrchovými nábojmi, ktoré sa objavujú na povrchu kryštálu z prostredia pod vplyvom elektrického poľa spojeného so spontánnou polarizáciou. Tento proces pokračuje, kým nie je elektrické pole úplne neutralizované. Pri zmene teploty vzorky, napríklad pri zahriatí, sa však iónové podmriežky navzájom posúvajú, v dôsledku čoho sa mení spontánna polarizácia a na povrchu kryštálu sa objavujú elektrické náboje. Vzhľad týchto nábojov sa nazýva priamy pyroelektrický efekt.

Každé pyroelektrikum je piezoelektrikum, ale nie každé piezoelektrikum je pyroelektrikum. Je to spôsobené skutočnosťou, že pyroelektrikum má preferovaný smer, pozdĺž ktorého existuje spontánna polarizácia, zatiaľ čo piezoelektrikum takýto preferovaný smer nemá.

Pozoruje sa aj reverzný pyroelektrický efekt: zmena elektrického poľa v adiabaticky izolovanom pyroelektriku je sprevádzaná zmenou jeho teploty. Nevyhnutnosť jeho existencie je možné dokázať na základe termodynamickej analýzy procesu a preukázať experimentmi. Inverzný pyroelektrický efekt sa niekedy nazýva elektrokalorický efekt.

Pri elektrokalorickom efekte v pyroelektrikách je zmena teploty úmerná zmene intenzity elektrického poľa, u ostatných látok sa pozoruje len menší kvadratický elektrokalorický efekt.

Existujú dielektriká, ktoré si po odstránení vonkajšieho vplyvu, ktorý polarizáciu zapríčinil, zachovávajú polarizovaný stav ešte dlho a vytvárajú v okolitom priestore elektrické pole (elektrické analógy permanentných magnetov). Takéto dielektrika sa nazývajú "elektrety".

Ak sa látka, ktorej molekuly majú dipólový moment, roztopí a umiestni do silného elektrického poľa, potom sa jej molekuly čiastočne vyrovnajú v smere poľa. Pri ochladzovaní taveniny v elektrickom poli a následnom vypnutí poľa v stuhnutej látke je rotácia molekúl sťažená a udržia si svoju preferovanú orientáciu po dlhú dobu.

Prvý elektret vyrobil touto metódou v roku 1922 japonský fyzik Yoguchi.

Pri výrobe elektretov sa môžu nosiče náboja z elektród alebo medzielektródového priestoru preniesť do dielektrika. Nosiče sa dajú vytvárať aj umelo, napríklad ožiarením elektrónovým lúčom.

Stabilné elektrety sa získavajú rôznymi spôsobmi:

· zahrievanie a následné ochladzovanie v silnom elektrickom poli (termoelektrety);

· osvetlenie v silnom elektrickom poli (fotoelektrety);

· ožarovanie, rádioaktívne žiarenie (rádioelektrety);

· polarizácia v silnom elektrickom poli bez zahrievania (elektrety) alebo v magnetickom poli (magnetoelektrety);

· keď organické roztoky tuhnú v elektrickom poli (kryoelektrety);

· mechanická deformácia polymérov (mechanoelektrety);

· trenie (triboelektrety);

· pôsobenie korónového výbojového poľa (korónové elektrety).

Všetky elektrety majú stabilný povrchový náboj.

Elektrety sa používajú ako zdroje konštantného elektrického poľa (elektretové mikrofóny a telefóny, snímače vibrácií, generátory slabých striedavých signálov, elektromery, elektrostatické voltmetre atď.), ako aj citlivé snímače v dozimetrii a elektrické pamäťové zariadenia; na výrobu barometrov, vlhkomerov a plynových filtrov, piezoelektrických snímačov a pod. Fotoelektrety sa používajú v elektrofotografii.

Feroelektrika

Aktívne dielektrika

Ide o organické a anorganické materiály, ktorých vlastnosti je možné ovládať pomocou vonkajších energetických vplyvov a tieto vplyvy je možné využiť na vytvorenie funkčných elektronických prvkov.

Patria sem feroelektrické, piezo-, pyroelektriká, elektrety, kvantové elektronické materiály, tekuté kryštály, elektromagnetické a akusticko-optické materiály atď.

Neexistuje žiadna ostrá hranica medzi pasívnym a aktívnym dielektrikom. Rovnaký materiál môže vykonávať pasívne (izolátor, substrát, kondenzátor) a aktívne funkcie konvertujúceho prvku. Požiadavky na aktívne dielektriká sú opačné: nestabilita vlastností a najzávažnejšia zmena akejkoľvek vlastnosti pod vonkajším vplyvom.

Aktívne dielektrika sú často klasifikované podľa typu fyzikálnych účinkov, ktoré možno použiť na kontrolu ich vlastností. Rovnaký materiál však môže byť citlivý na rôzne druhy energetických vplyvov. Najuniverzálnejšie sú feroelektriká (známe aj ako piezoelektriká, pyroelektriká, nelineárne optické materiály atď.)

Zoraďme aktívne dielektrika podľa ich najdôležitejších vlastností alebo ich špecifickosti.

Ide o látky, ktoré majú spontánnu polarizáciu, ktorej smer je možné meniť pomocou vonkajšieho elektrického poľa.

Pri absencii elektrického poľa má feroelektrika doménovú štruktúru s rôznymi smermi elektrických momentov domén. Celková polarizácia sa môže rovnať 0. Vonkajšie elektrické pole mení smer elektrických momentov, čo vytvára efekt silnej polarizácie. Odtiaľ e môže rásť na státisíce. Dôsledkom doménovej štruktúry feroelektrík je nelineárna závislosť ich elektrickej indukcie od napätia elektrického poľa a prítomnosti dielektrickej hysterézy (v dôsledku nevratného posunu hraníc domén).

Bod B - všetky domény sú orientované pozdĺž poľa. Do bodu A dochádza k reverzibilnej zmene hraníc domén, potom je AB nevratná

Keď sa intenzita poľa odstráni, indukcia neklesne na „0“, ale nadobudne určitú hodnotu. Keď sa zmení polarita, pole sa rýchlo zníži a zmení svoj smer. Ako teplota stúpa, štruktúra domény sa rozpadá. Teplota fázového prechodu sa nazýva feroelektrický Curieov bod. V bode Curie je e maximum. Pre BaTiO3Tc = 120 °C.

Existuje niekoľko stoviek zlúčenín s feroelektrickými vlastnosťami – môžu to byť iónové a dipólové kryštály. Teplota Curieho bodu sa pohybuje od 15 K (Pb2Nb204) do 1483 K (LiNb03).

Iónové: BaTiO 3, PbTiO 3, KNbO 3, LiTaO 3.

Dipól: Rochellova soľ (NaKC4H4064H20), KH2PO4, NaNo2.

Aplikácia feroelektriky:

1. výroba malých kondenzátorov s veľkou špecifickou kapacitou;

2. výroba dielektrických zosilňovačov, modulátorov;

3. ako pamäťové bunky vo výpočtovej technike;

4. výroba piezoelektrických a pyroelektrických meničov.

Na výrobu kondenzátorov sa používajú feroelektrické keramické materiály (tuhé roztoky, zmesi kryštalických fáz), ktoré nemajú silné teplotné závislosti:

Materiál T-900 je tuhý roztok SrTiO 3 a Bi 4 Ti 3 O 12. Tc = -140 °C; e20o = 900

Materiál SM-1 - BaTiO 3 +ZrO 2 +Bi 2 O 3. e 20 ® =3000 – používa sa pre malé kondenzátory.

Materiál T-9000 - tuhý roztok BaTiO 3 - BaZrO 3 e 20 o = 8000 - používa sa pre vysokonapäťové kondenzátory.

Pre materiály pre varikondy (nelineárne kondenzátory) používané na riadenie parametrov elektrických obvodov sa e mení od 4 do 50-krát (tuhé roztoky Ba(Ti, Sn)O 3, Pb(Ti, Zr, Sn)O 3).

Materiály pre pamäťové bunky sú feroelektriká s pravouhlou hysteréznou slučkou. V prvom rade je to triglycín sulfát.

Pri E = 0 existujú dva stabilné stavy. Jeden slúži na uloženie „1“ a druhý „0“. Informácie možno prečítať bez toho, aby sa zničili: optickou metódou alebo meraním odporu polovodičového filmu naneseného na feroelektriku. Čas prepnutia bunky je niekoľko mikrosekúnd (menej ako pri monokryštáloch).

Elektrooptické kryštály - vplyvom vonkajšieho elektrického poľa menia index lomu média. Ak n ~ E, potom je elektrooptický efekt lineárny alebo Pockelsov jav, ak n 2 ~ E je kvadratický alebo Kerrov efekt.

Elektrooptický efekt sa využíva na moduláciu laserového žiarenia. Elektrooptické modulátory svetla sú vytvorené na báze LiNbO 3, KH 2 PO 4, Pb(Ti,Zr)O 3 TR.

Materiály nelineárnej optiky - využívajú efekt nelineárnej polarizácie média pod vplyvom silných svetelných lúčov vytvorených lasermi (n závisí od svetelnej vlny). To umožňuje previesť frekvencie optických signálov (previesť IR žiarenie na viditeľné žiarenie). Účinné sú KH 2 PO 4, LiNbO 3, LiIO 3 atď.

Spolu s piezoelektrickým javom existuje aj jeho opačný jav: v piezoelektrických kryštáloch je výskyt polarizácie sprevádzaný mechanickými deformáciami. Ak sa teda na kovové platne namontované na kryštáli privedie elektrické napätie, kryštál sa vplyvom poľa polarizuje a deformuje.

Je ľahké vidieť, že potreba existencie inverzného piezoelektrického javu vyplýva zo zákona zachovania energie a skutočnosti existencie priameho účinku. Uvažujme piezoelektrickú platničku (obr. 5) a predpokladajme, že ju stlačíme vonkajšími silami F. Ak by nedošlo k piezoelektrickému javu, potom by sa práca vonkajších síl rovnala potenciálnej energii pružne deformovanej platničky. V prítomnosti piezoelektrického javu sa na platni objavia náboje a vznikne elektrické pole, ktoré obsahuje dodatočnú energiu. Podľa zákona zachovania energie z toho vyplýva, že pri stlačení piezoelektrickej platničky sa vykoná veľa práce, čo znamená, že v nej vznikajú dodatočné sily F1 pôsobiace proti stlačeniu. Toto sú sily inverzného piezoelektrického javu. Z vyššie uvedenej úvahy vyplýva súvislosť medzi znakmi oboch účinkov. Ak sú v oboch prípadoch znaky nábojov na tvárach rovnaké, potom sú znaky deformácií odlišné. Ak sa pri stlačení dosky objavia na plochách náboje, ako je znázornené na obr. 5, potom keď sa rovnaká polarizácia vytvorí vonkajším poľom, doska sa natiahne.

Obr.5. Vzťah medzi priamymi a inverznými piezoelektrickými javmi.

Inverzný piezoelektrický efekt je povrchne podobný elektrostrikcii. Oba tieto javy sú však odlišné. Piezoelektrický efekt závisí od smeru poľa a keď sa jeho smer zmení na opačný, zmení sa znamienko. Elektrostrikcia nezávisí od smeru poľa. Piezoelektrický efekt je pozorovaný len u niektorých kryštálov, ktoré nemajú stred symetrie. Elektrostrikcia sa vyskytuje vo všetkých dielektrikách, pevných aj kvapalných.

Ak je doska pevná a nedá sa deformovať, potom sa pri vytvorení elektrického poľa v nej objaví dodatočné mechanické napätie, ktorého hodnota s je úmerná sile elektrického poľa vo vnútri kryštálu:

kde  je rovnaký piezoelektrický modul ako v prípade priameho piezoelektrického javu. Mínus v tomto vzorci odráža vyššie uvedený pomer znamienok priamych a reverzných piezoelektrických efektov.

Celkové mechanické napätie vo vnútri kryštálu je súčtom napätia spôsobeného deformáciou a napätia vznikajúceho pod vplyvom elektrického poľa. Je to rovné

Tu C je modul pružnosti pri jednostrannej deformácii v ťahu (Youngov modul) pri konštantnom elektrickom poli. Vzorce (51.2) a (52.2) sú hlavné vzťahy v teórii piezoelektriky.

Pri písaní vzorcov sme zvolili u a E ako nezávislé premenné a D a s považovali za ich funkcie. To, samozrejme, nie je potrebné a za nezávislé premenné by sme mohli považovať ďalšiu dvojicu veličín, z ktorých jedna je mechanická a druhá elektrická. Potom by sme tiež dostali dva lineárne vzťahy medzi u, s, E a D, ale s rôznymi koeficientmi. V závislosti od typu uvažovaných problémov sú vhodné rôzne formy zapisovania základných piezoelektrických vzťahov.

Pretože všetky piezoelektrické kryštály sú anizotropné, konštanty , C a  závisia od orientácie plôch dosky vzhľadom na os kryštálov. Okrem toho závisia od toho, či sú bočné plochy dosky pevné alebo voľné (závisia od okrajových podmienok pri deformácii). Pre predstavu o rádovej veľkosti týchto konštánt uvádzame ich hodnoty pre kremeň v prípade, keď je platňa rezaná kolmo na os X a jej bočné plochy sú voľné:

=4,5; C = 7,81010 N/m2; =0,18 C/m2.

Uvažujme teraz o príklade aplikácie základných vzťahov (4) a (5) Predpokladajme, že kremenná doska, vyrezaná tak, ako je uvedené vyššie, je natiahnutá pozdĺž osi X a dosky, ktoré sa dotýkajú plôch, sú otvorené. Pretože náboj dosiek pred deformáciou bol nulový a kremeň je dielektrikum, po deformácii budú dosky bez náboja. Podľa definície elektrického posunu to znamená, že D=0. Potom zo vzťahu (4) vyplýva, že pri deformácii vznikne elektrické pole o sile

E=-(/0)u (6)

Dosadením tohto výrazu do vzorca (5) nájdeme pre

mechanické napätie v doske

s=Cu-(-(/0)u)=C(1+(2 /0C))u (7)

Napätie, ako pri absencii piezoelektrického efektu, je úmerné napätiu. Avšak elastické vlastnosti dosky sú teraz charakterizované efektívnym modulom pružnosti

С" == С (1 +  2 /0С). (8)

ktorý je väčší ako C. Zvýšenie elastickej tuhosti je spôsobené objavením sa dodatočného napätia pri spätnom piezoelektrickom jave, ktoré zabraňuje deformácii. Vplyv piezoelektrických vlastností kryštálu na jeho mechanické vlastnosti charakterizuje množstvo

K2= 2 /0C (9)

Druhá odmocnina tejto hodnoty (K) sa nazýva elektromechanická väzbová konštanta. Pomocou vyššie uvedených hodnôt , C a  zistíme, že pre kremeň K 2 ~0,01 Pre všetky ostatné známe piezoelektrické kryštály je K 2 tiež malá v porovnaní s jednotou a nepresahuje 0 ,1.

Teraz odhadnime veľkosť piezoelektrického poľa. Predpokladajme, že na čelné plochy kremennej dosky kolmé na os X pôsobí mechanické napätie 1 105 5 N/m 2 . Potom podľa (7) bude deformácia rovná u=1,3 10 - 6. Dosadením tejto hodnoty do vzorca (6) dostaneme |E|==5900 V/m=59 V/cm. Pri hrúbke dosky povedzme d==0,5 cm sa napätie medzi doskami bude rovnať U=Ed~30 V. Vidíme, že piezoelektrické polia a napätia môžu byť veľmi významné. Použitím silnejších piezoelektrík namiesto kremeňa a použitím správne zvolených typov deformácií je možné získať piezoelektrické napätie merané v mnohých tisícoch voltov.

Piezoelektrický efekt (priamy a reverzný) je široko používaný pre konštrukciu rôznych elektromechanických meničov. Na tento účel sa niekedy používajú kompozitné piezoelementy, určené na vykonávanie rôznych typov deformácií.

Obrázok 6 zobrazuje dvojitý piezoelektrický prvok (zložený z dvoch dosiek) pracujúci v tlaku. Doštičky sú z kryštálu vyrezané tak, že sa buď stlačia, alebo zároveň natiahnu. Ak je naopak takýto piezoelektrický prvok stlačený alebo natiahnutý vonkajšími silami, potom sa medzi jeho doskami objaví napätie. Zapojenie dosiek v tomto piezoelektrickom prvku zodpovedá paralelnému zapojeniu kondenzátorov.

Ryža. 6. Dvojitý piezoelektrický prvok pracujúci v kompresii.

1. Piezoelektrický jav.

V niektorých kryštáloch môže dôjsť k polarizácii bez vonkajšieho poľa, ak je kryštál vystavený mechanickej deformácii. Tento jav, ktorý objavili v roku 1880 Pierre a Jacques Curie, sa nazýval piezoelektrický efekt.

Na detekciu piezoelektrických nábojov sú na okrajoch kryštálovej platne umiestnené kovové platne. Keď sú dosky otvorené, počas deformácie sa medzi nimi objaví potenciálny rozdiel. Keď sú platne uzavreté, vytvárajú sa na nich indukované náboje, ktoré majú rovnakú veľkosť ako polarizačné náboje, ale opačného znamienka, a v obvode spájajúcom platne vzniká pri deformácii prúd. Uvažujme o hlavných črtách piezoelektrického javu s použitím kremeňa ako príkladu. Kryštály kremeňa SiO2 existujú v rôznych kryštalografických modifikáciách. Kryštály, ktoré nás zaujímajú (a-kremeň) patria do takzvanej trigonálnej kryštalografickej sústavy a zvyčajne majú tvar znázornený na obr. Pripomínajú šesťhranný hranol ohraničený dvoma pyramídami, ale majú množstvo ďalších plôch. Takéto kryštály sú charakterizované štyrmi kryštálovými osami, ktoré definujú dôležité smery v kryštáli.

Jedna z týchto osí, Z, spája vrcholy pyramíd. Ďalšie tri X1, X2, X3 sú kolmé na os Z a spájajú protiľahlé hrany šesťhranného hranolu. Smer určený osou Z je piezoelektricky neaktívny: pri stlačení alebo natiahnutí v tomto smere nedochádza k polarizácii. Naopak, pri stlačení alebo natiahnutí v akomkoľvek smere kolmom na os Z dochádza k elektrickej polarizácii. Os Z sa nazýva optická os kryštálu a osi X1, X2, X3 sa nazývajú elektrické alebo piezoelektrické osi.

Uvažujme kremennú doštičku zrezanú kolmo na jednu z piezoelektrických osí X. Os kolmú na Z a X označíme Y (obr. 2). Potom sa ukáže, že keď je platňa natiahnutá pozdĺž osi X, na plochách ABCD a EFGH kolmých na ňu sa objavia opačné polarizačné náboje. Tento piezoelektrický efekt sa nazýva pozdĺžny. Ak zmeníte znamienko deformácie, t.j. prejdete z napätia na stlačenie, potom sa znamienka polarizačných nábojov zmenia na opak.

Ryža. 1. Kryštál kremeňa.

Vzhľad polarizačných nábojov určitých znakov s daným typom deformácie (ťah alebo stlačenie) ukazuje, že konce osí X sú nerovnaké a určité smery môžu byť priradené k osiam X (ako je naznačené šípkami na obr. 1). To znamená, že pre danú deformáciu závisí znamienko náboja od toho, či os X smeruje pozdĺž vonkajšej normály k tvári alebo pozdĺž vnútornej. Takéto osi s nerovnakými koncami sa nazývajú polárne osi. Na rozdiel od polárnych osí X1, X2, X3 sú konce osi Z úplne rovnaké a ide o nepolárnu os.

Ryža. 2. Kremenná doska rezaná kolmo na piezoelektrickú os.

Nerovnosť koncov polárnej osi sa prejavuje samozrejme nielen piezoelektrickým efektom, ale aj inými javmi. Napríklad rýchlosť chemického leptania plôch umiestnených na rôznych koncoch polárnej osi sa ukazuje byť odlišná a výsledné obrazce leptania sa navzájom líšia.

Spolu s pozdĺžnym piezoelektrickým efektom existuje aj priečny piezoelektrický efekt. Spočíva v tom, že pri stlačení alebo natiahnutí pozdĺž osi Y dôjde k polarizácii pozdĺž osi X a polarizačné náboje sa objavia na rovnakých plochách ABCD a EFGH. Ukazuje sa, že znaky nábojov na každej ploche pri stlačení pozdĺž Y (v priečnom efekte) sú rovnaké ako pri natiahnutí pozdĺž X (v pozdĺžnom efekte).

Piezoelektrický efekt je vysvetlený nasledovne: V iónových kryštáloch v dôsledku nesúladu stredov kladných a záporných iónov dochádza k elektrickému momentu aj pri absencii vonkajšieho elektrického poľa. Táto polarizácia sa však zvyčajne neprejaví, pretože je kompenzovaná nábojmi na povrchu. Keď sa kryštál deformuje, kladné a záporné ióny mriežky sa navzájom premiestňujú, a preto sa vo všeobecnosti mení elektrický moment kryštálu. Táto zmena elektrického krútiaceho momentu sa prejavuje piezoelektrickým efektom.

Ryža. 3 kvalitatívne vysvetľuje výskyt piezoelektrického javu v kremeni. Táto schéma znázorňuje projekcie kladných iónov Si (plné krúžky) a záporných iónov O (prázdne krúžky) v rovine kolmej na optickú os Z. Tento obrázok nezodpovedá skutočnej konfigurácii iónov v kremennej jednotkovej bunke, v ktorej ióny neležia v rovnakej rovine, ale ich počet je väčší, ako je znázornené. Správne však sprostredkuje symetriu relatívnych polôh iónov, čo už na kvalitatívne vysvetlenie postačuje.

Ryža. 3, a) zodpovedá nedeformovanému kryštálu. Na strane A, kolmej na os X1, sú vyčnievajúce kladné náboje a na strane B, rovnobežne s ňou, sú vyčnievajúce záporné náboje. Pri stlačení pozdĺž osi X1 (obr. 3, b) sa základná bunka deformuje. V tomto prípade sú kladný ión 1 a záporný ión 2 „vtlačený“ do bunky, čo spôsobuje, že vyčnievajúce náboje (kladné v rovine A a záporné v rovine B) klesajú, čo je ekvivalentné objaveniu sa záporného náboja v rovine A. a kladný náboj v rovine B. Pri natiahnutí pozdĺž osi X1 nastáva opak (obr. 3, c): ióny 1 a 2 sú „vytlačené“ z bunky. Preto sa na tvári A objaví ďalší kladný náboj a na tvári B sa objaví záporný náboj.

Ryža. 3. Smerom k vysvetleniu piezoelektrického javu.

Výpočty v teórii pevných látok v súlade s experimentom ukazujú, že piezoelektrický jav môže existovať iba v kryštáloch, v ktorých základná bunka nemá stred symetrie. Napríklad základná bunka kryštálov CsCl (obr. 4) má stred symetrie a tieto kryštály nevykazujú piezoelektrické vlastnosti. Usporiadanie iónov v kremennom článku je také, že v ňom nie je stred symetrie, a preto je v ňom možný piezoelektrický efekt.

Ryža. 4. Jednotková bunka kryštálu chloridu cézneho CsCl.

Veľkosť vektora polarizácie P (a jemu úmerná povrchová hustota piezoelektrických nábojov o) v určitom rozsahu zmien je úmerná veľkosti mechanických deformácií Označme a jednostranné ťahové napätie pozdĺž X os:

kde d je hrúbka dosky a Dd je jej zmena počas deformácie. Potom napríklad pre pozdĺžny efekt máme:

Veličina b sa nazýva piezoelektrický modul. Znamienko b môže byť kladné alebo záporné. Keďže ide o bezrozmernú veličinu, b sa meria v rovnakých jednotkách ako P, t.j. v C/m2. Hodnota povrchovej hustoty piezoelektrických nábojov na plochách kolmých na os X sa rovná s"=Px

V dôsledku výskytu piezoelektrickej polarizácie počas deformácie sa mení aj elektrický posun D vo vnútri kryštálu. V tomto prípade vo všeobecnej definícii posunu treba P chápať ako súčet Pe + Pu, kde Pe je spôsobené elektrickým poľom a Pu je spôsobené deformáciou. Vo všeobecnom prípade sa smery E, Pe a Pu nezhodujú a výraz pre D sa ukazuje ako zložitý. Avšak pre niektoré smery, ktoré sa zhodujú s osami vysokej symetrie, sa smery uvedených vektorov ukážu ako rovnaké. Potom pre hodnotu offsetu môžete napísať:

kde E je sila elektrického poľa vo vnútri kryštálu a e je dielektrická konštanta pri konštantnom napätí. Vzťah platí napríklad pre jednostrannú ťahovú (tlakovú) deformáciu pozdĺž jednej z elektrických osí X. Je to jeden z dvoch hlavných vzťahov v teórii piezoelektriky (uvedený je druhý vzťah).

K piezoelektrickému javu dochádza nielen pri jednostrannej ťahovej deformácii, ale aj pri šmykovej deformácii.

Piezoelektrické vlastnosti sú pozorované okrem kremeňa aj u veľkého množstva iných kryštálov. V soli Rochelle sú oveľa výraznejšie ako v kremeni. Silné piezoelektriká sú kryštály zlúčenín prvkov 2. a 6. skupiny periodickej tabuľky (CdS, ZnS), ako aj mnohých iných chemických zlúčenín.

2. Reverzný piezoelektrický efekt.

Obr.5. Vzťah medzi priamymi a inverznými piezoelektrickými javmi.

kde b je rovnaký piezoelektrický modul ako v prípade priameho piezoelektrického javu. Mínus v tomto vzorci odráža vyššie uvedený pomer znamienok priamych a reverzných piezoelektrických efektov.

Celkové mechanické napätie vo vnútri kryštálu je súčtom napätia spôsobeného deformáciou a napätia vznikajúceho pod vplyvom elektrického poľa. Rovná sa:

Tu C je modul pružnosti pri jednostrannej deformácii v ťahu (Youngov modul) pri konštantnom elektrickom poli. Vzorce (51.2) a (52.2) sú hlavné vzťahy v teórii piezoelektriky.

Pretože všetky piezoelektrické kryštály sú anizotropné, konštanty e, C a b závisia od orientácie plôch platní vzhľadom na osi kryštálov. Okrem toho závisia od toho, či sú bočné plochy dosky pevné alebo voľné (závisia od okrajových podmienok pri deformácii). Pre predstavu o rádovej veľkosti týchto konštánt uvádzame ich hodnoty pre kremeň v prípade, keď je platňa rezaná kolmo na os X a jej bočné plochy sú voľné:

e = 4,5; C=7,81010 N/m2; b = 0,18 C/m2.

Dosadením tohto výrazu do vzorca (5) zistíme pre mechanické napätie v doske:

s=Cu-b(-(b/e0e)u)=C(1+(b2/e0eC))u (7)

Napätie, ako pri absencii piezoelektrického efektu, je úmerné napätiu. Avšak elastické vlastnosti dosky sú teraz charakterizované efektívnym modulom pružnosti

С" == С (1 + b2/e0eС). (8)

Druhá odmocnina tejto hodnoty (K) sa nazýva elektromechanická väzbová konštanta. Použitím vyššie uvedených hodnôt e, C a b zistíme, že pre kremeň K2 ~ 0,01 Pre všetky ostatné známe piezoelektrické kryštály je K2 v porovnaní s jednota a nepresahuje 0,1 .

Teraz odhadnime veľkosť piezoelektrického poľa. Predpokladajme, že na čelné plochy kremennej dosky kolmo na os X pôsobí mechanické napätie 1 1055 N/m2. Potom podľa (7) bude deformácia rovná u=1, 3 10-6. Dosadením tejto hodnoty do vzorca (6) dostaneme |E|==5900 V/m=59 V/cm. Pri hrúbke dosky povedzme d==0,5 cm sa napätie medzi doskami bude rovnať U=Ed~30 V. Vidíme, že piezoelektrické polia a napätia môžu byť veľmi významné. Použitím silnejších piezoelektrík namiesto kremeňa a použitím správne zvolených typov deformácií je možné získať piezoelektrické napätie merané v mnohých tisícoch voltov.

Obr.6. Dvojitý piezoelektrický prvok pracujúci v kompresii.

3. Využitie piezoelektrického javu vo vede a technike.

Hlavnou súčasťou každého zariadenia na bodovanie akustického hudobného nástroja je piezoelektrický menič. Táto časť premieňa mechanické vibrácie strún a rezonančnej dosky na elektrický signál.

Podobnú funkciu v elektrickej gitare plní magnetický snímač: single-coil alebo humbucker. Fyzika snímača elektrickej gitary je však iná – prevádza zmeny v magnetickom poli zavádzané oceľovými strunami. Piezo snímač pre akustiku funguje s akýmikoľvek strunami, vrátane syntetických. Piezo menič je umiestnený pod kosťou gitary (platnička, na ktorej spočívajú struny). Toto je UST senzor

Existuje ďalší spôsob umiestnenia piezoelektrického snímača - je prilepený na ozvučnicu gitary (zvnútra bližšie k stojanu). Signál z takéhoto snímača bude slabší, pretože nie je stlačený strunami, iba prijíma vibrácie z ozvučnice. Má však viac informácií o vlastnostiach tela gitary. Tento snímač sa nazýva AST (1470).

Kombinácia signálov z UST a AST poskytuje veľmi komplexný a zaujímavý obraz a umožňuje realisticky znieť nástroje najvyššej triedy. Nie vždy je však nutné použiť dva snímače.

Piezoelektrické meniče:

Piezoelektrika sú reverzibilné elektromechanické meniče, to znamená, že sú schopné premieňať mechanickú energiu na elektrickú energiu a naopak elektrickú energiu na mechanickú energiu. Meniče založené na využití priameho piezoelektrického javu sa nazývajú konvertory-generátory; majú mechanický vstup a elektrický výstup. Meniče založené na využití inverzného piezoelektrického javu sa nazývajú motorové meniče; majú elektrický vstup a mechanické výstupy. Existuje mnoho známych piezoelektrických zariadení založených na použití priamych aj spätných efektov. Priamy efekt sa používa napríklad v mikrofónoch, snímačoch zvuku, snímačoch mechanickej sily, posunu a zrýchlenia, plynových zapaľovačoch pre domácnosť a pod. Reverzný efekt slúžil ako základ pre vytvorenie telefónov, reproduktorov, ultrazvukových žiaričov, relé, motorov , atď.

Známe sú piezoelektrické meniče, ktoré našli praktické uplatnenie - piezoelektrické transformátory (skrátene piezotransformátory). Zariadenie piezotransformátora je schematicky znázornené na obrázku, ktorý vysvetľuje, že ide o piezoelektrický menič vo forme štvorpólovej siete, ktorý má len elektrický vstup a výstup.

Ryža. 7 Piezoelektrický transformátor

Činnosť piezotransformátora je založená na využití priamych aj spätných piezoelektrických javov. Elektrické napätie privedené na vstupné elektródy piezotransformátora v dôsledku inverzného piezoelektrického javu spôsobí deformáciu celého objemu piezoelektrika a na výstupných elektródach sa objaví elektrické (sekundárne) napätie ako dôsledok priameho piezoelektrika. účinok. V piezotransformátore dochádza k dvojitej premene energie – elektrickej na mechanickú a následne mechanickej na elektrickú. Rovnako ako elektromagnetický transformátor, aj piezo transformátor sa používa na premenu elektrického napätia. Výberom veľkosti elektród a ich umiestnenia môžete získať rôzne hodnoty transformačného pomeru. Piezotransformátory sa zvyčajne používajú v rezonančnom režime, v ktorom sa dosahujú veľké hodnoty transformačného pomeru (rádovo niekoľko stoviek). Piezotransformátory sa používajú vo vysokonapäťových sekundárnych zdrojoch napájania.

Uvažujme vo všeobecnosti o javoch vyskytujúcich sa v piezoelektrike pre dva prípady premeny piezoelektrickej energie.

Piezoelektrický prvok (PE) je piezoelektrické teleso určitej veľkosti, geometrického tvaru a orientácie vzhľadom na hlavné kryštalografické osi (alebo smer polarizácie v prípade piezokeramiky s vodivými doskami (elektródami).

Ryža. 8 Piezoelektrický prvok: 1 - piezoelektrická platnička; 2 - elektródy z vodivého materiálu, nanesené na okraje platne

Piezoelektrický prvok je teda elektrický kondenzátor s pevným (kryštalickým alebo keramickým) dielektrikom. Zvláštnosťou takéhoto kondenzátora je prítomnosť piezoelektrických vlastností v dielektriku, ktoré vypĺňa priestor medzi elektródami. Nižšie ukážeme dôležitosť prítomnosti piezoelektrického javu a ako ovplyvňuje elektrické a mechanické vlastnosti piezoelektrického prvku. Ak sa ako elektromechanický menič použije piezoelektrický prvok, potom sa jeho orientácia volí na základe požiadaviek na dosiahnutie čo najväčšieho účinku. Vonkajšie sily (mechanické aj elektrické) pôsobiace na piezoelektrický prvok môžu byť rozdelené alebo sústredené. Rozložené sily umožňujú efektívnejšiu transformáciu. Preto sa pre efektívnejšiu polarizáciu piezoelektrického objemu používajú elektródy. pokrývajúce celú plochu plôch piezoelementu a na vytvorenie rovnomerne rozloženého mechanického namáhania - podložky vyrobené z elastického materiálu, ktoré dobre priliehajú k plochám piezoelementu a premieňajú vonkajšie sústredené sily na rozložené.

Vonkajšia sila spôsobuje deformáciu piezoelektrického prvku, jeho polarizáciu a vznik opačných elektrických nábojov na elektródach. Veľkosť elektrického náboja alebo výsledné napätie je možné merať vhodným meracím zariadením pripojeným na elektródy piezoelektrického prvku. Vonkajšia sila dodáva piezoprvku energiu vo forme elastickej deformácie, ktorú je možné vypočítať, ak je známa veľkosť pôsobiacej sily a tuhosť piezoprvku. Súčasne s deformáciou piezoelektrického prvku vzniká na jeho elektródach elektrické napätie. V dôsledku toho sa časť energie odovzdanej piezoprvku vonkajšou silou ukáže ako elektrická a jej hodnotu možno vypočítať, ak je známe elektrické napätie na elektródach a kapacita piezoprvku.

Vonkajšia mechanická sila pôsobiaca na piezoelement mu udeľuje energiu W0 vo forme elastickej deformačnej energie a nabíjacej energie piezoelementovej kapacity. Ak označíme energiu pružnej deformácie piezoprvku Wm a elektrickú energiu náboja jeho kapacity We, potom sa celková energia W0 odovzdaná piezoprvku bude rovnať ich súčtu. Ako v každom reverzibilnom meniči, aj v tomto prípade dochádza k spätnému pôsobeniu (piezoelektrická reakcia), ktorá spočíva v tom, že elektrické napätie vznikajúce v dôsledku priameho piezoelektrického javu vytvára (v dôsledku inverzného piezoelektrického javu) mechanické napätia a deformácie, ktoré pôsobia proti vonkajším silám. To sa prejavuje zvýšením tuhosti piezoelektrického prvku. Ak sa elektrické napätie vznikajúce v dôsledku piezoelektrického javu eliminuje napríklad skratovaním elektród piezoelektrického prvku, potom sa spätný piezoelektrický jav nepozoruje, a preto sa zníži tuhosť piezoelektrického prvku. by malo nastať.

Podobné úvahy možno urobiť pre prípad inverzného piezoelektrického javu, t. j. vplyvu vonkajšej elektrickej sily na piezoelektrický prvok. V tomto prípade externý zdroj elektrickej energie dodáva piezoprvku energiu vo forme nábojovej energie kapacity piezoprvku a mechanickej energie jeho elastickej deformácie. Tu nastáva aj opačný efekt. Ak predídete deformácii pevným upnutím piezoelektrického prvku, môžete zistiť zmenu jeho kapacity. Táto skutočnosť je ľahko pozorovateľná pri silných piezoelektrikách, ale pri slabých, ako je kremeň, je zmena kapacity malá (asi 1%). K tomuto záveru možno ľahko dospieť pri zohľadnení termodynamických úvah. Z teórie piezoelektriky je známe, že elastické koeficienty piezoelektrík závisia od elektrických podmienok, rovnako ako ich dielektrické konštanty závisia od mechanických podmienok. Je to prirodzené, pretože piezoelektrina podľa definície znamená spojenie medzi elastickými a dielektrickými vlastnosťami. Preto je opis piezoelektrických vlastností materiálu nemožný bez použitia elastických a dielektrických koeficientov s uvedením hraničných mechanických a elektrických podmienok.

Piezoelektrický efekt je úplnejšie charakterizovaný energetickým koeficientom u, ktorý sa nazýva elektromechanický väzbový koeficient (EMC) a je určený pomerom k = We / W0 = Wm / W0, kde W0 je celá energia aplikovaná na piezoelektrický prvok a We a Wm sú premenená (elektrická a mechanická) energia. Koeficient EMC sa ukazuje ako veľmi užitočný na porovnávanie piezoelektrík, ktorých piezoelektrické, elastické a dielektrické koeficienty sa môžu výrazne líšiť. Tento koeficient je odlišný pre statický a dynamický režim konverzie, v druhom prípade tiež závisí od typu a režimu vibrácií. Koeficient EMC, podobne ako piezoelektrické moduly, závisí od smeru pôsobiacich síl vzhľadom na kryštalografické osi kryštálu. Určuje takú podstatnú charakteristiku rezonátora, ako je relatívna šírka rezonančnej krivky. Čím vyšší je koeficient EMC, tým väčšia je relatívna šírka rezonančnej krivky. Premena energie piezoelektrickým prvkom nemôže byť úplná, preto koeficient EMC nemôže byť väčší ako 1. U takzvaných slabých piezoelektrík, ku ktorým kremeň patrí, nepresahuje koeficient EMC niekoľko percent, u silných piezoelektrík, ako napr. Rochelle soľ alebo piezokeramika, môže dosiahnuť 50 ... 90%.

Rôzne oblasti použitia:

US patent N3239283. Americkí vynálezcovia J. Broz a W. Lauberdorfer vyvinuli konštrukciu ložiska, v ktorom sa trenie ničí vibráciami, no na jeho vytvorenie nie sú potrebné žiadne špeciálne mechanizmy. Ložiskové puzdrá sú vyrobené z piezoelektrického materiálu. Prúd spôsobuje, že piezoelektrikum sa sťahuje a rozťahuje, čím vznikajú vibrácie, ktoré eliminujú trenie.

Inštalácia piezoelektrických meničov na prúdové lietadlá umožňuje ušetriť takmer tretinu paliva, ktoré sa použilo na výrobu elektriny, a preto umožňuje zvýšiť dolet. Tu sa vibrácie a vibrácie trupu a krídel priamo premieňajú na elektrinu.

Spoločnosť Philips úspešne rozvíja myšlienku piezoelektrického pohonu pre mechanizmy s nízkou spotrebou energie. Vytvorila najmä semafor, ktorého batérie dobíja hluk áut na križovatke.

Hovorí sa o vytvorení zvukotesných priečok pre bytové domy z piezoelektrických materiálov. Existuje tu dvojaký efekt: pohlcovanie hluku a výroba elektriny, povedzme, na vykurovanie bytov.

Piezoelektrická atramentová tlač. Piezoelektrické atramentové hlavy pre tlačiarne boli vyvinuté v sedemdesiatych rokoch. Vo väčšine týchto tlačiarní sa pretlak v atramentovej komore vytvára pomocou piezoelektrického kotúča, ktorý mení svoj tvar (ohýba sa), keď je naň privedené elektrické napätie. Vyklenutím kotúč, ktorý slúži ako jedna zo stien atramentovej komory, zmenšuje svoj objem. Pod vplyvom nadmerného tlaku vyletí tekutý atrament z trysky vo forme kvapky.

Piezoelektrický mikrofón, ktorý navrhli sovietski vedci S. N. Rževkin a A. I. Jakovlev v roku 1925, má ako snímač akustického tlaku doštičku vyrobenú z látky s piezoelektrickými vlastnosťami. Zvukové vlny narážajú na piezoelektrický kryštál mikrofónu a komprimujú ho. Pomocou piezokryštálu sa energia zvukových vĺn premieňa na slabý elektrický prúd. Tento malý prúd sa potom posiela do zosilňovača, vďaka čomu je dostatočne silný na to, aby reproduktor správne fungoval. Pôsobenie ako tlakový senzor umožnilo vytvorenie prvých hydrofónov a nahrávanie ultranízkofrekvenčných zvukov charakteristických pre morský život.

Domáce piezoelektrický zapaľovač ZP-1 "Tolne". Zapaľovač je určený na zapaľovanie plynu v horákoch domácich plynových spotrebičov. Zdrojom iskry je piezoelektrický prvok. Stlačením klávesu sa kompresná sila prenesie na piezoelementy, výsledkom čoho je iskrenie medzi kontaktmi umiestnenými vo vnútri kovovej trysky, umiestnenej na predĺženom konci piezo zapaľovača. Iskra, ktorá zapáli plyn, vzniká pri stlačení tlačidla aj pri jeho uvoľnení.

Piezoelektrické žiariče sa používajú na generovanie ultrazvuku s frekvenciami do 50 MHz. Hlavným prvkom piezoelektrického žiariča je piezoelektrická doska, ktorá v dôsledku spätného piezoelektrického javu vykonáva nútené mechanické kmity v striedavom elektrickom poli.

Bibliografia

"Elektrina" S.G. Kalašnikov, Moskva, 1977.

"Elektrické materiály" Yu.V. Koritsky, Moskva, 1968.

„Zariadenia na vysielanie rádia“ G.A. Zeitlenka, Moskva, 1969.

http://www.terralab.ru/299680/?r1=rss&r2=remote;

http://www.b-band.ru/pieza.html;

Magnetostrikčný efekt
Ultrazvukové generátory
Ultrazvukové rezanie
Znížené mechanické sily pri obrábaní reznými nástrojmi
Ultrazvukové čistenie
Ultrazvukové zváranie
Ultrazvukové spájkovanie pocínovanie
Ultrazvukové testovanie
Ultrazvuková expresná analýza
Zrýchlenie výrobných procesov
Ultrazvuková impregnácia
Ultrazvuk v metalurgii
Ultrazvuk v baníctve
Ultrazvuk v elektronike
Ultrazvuk v poľnohospodárstve
Ultrazvuk v potravinárskom priemysle
Ultrazvuk v biológii
Ultrazvuková diagnostika chorôb
Ultrazvuková liečba chorôb
Na súši aj na mori

V roku 1880 francúzski vedci bratia Jacques a Pierre Curie objavili piezoelektrický efekt. Jeho podstata spočíva v tom, že ak sa kremenná doska deformuje, na jej stranách sa objavia elektrické náboje opačného znamienka. Preto je piezoelektrina elektrina, ktorá je výsledkom mechanického pôsobenia na látku („piezo“ v gréčtine znamená „lisovať“).
Prvýkrát boli piezoelektrické vlastnosti objavené v horskom krištáli, jednej z odrôd kremeňa. Horský krištáľ je priehľadný, bezfarebný kryštál podobný ľadu. Sovietsky mineralóg A.E. Fersman vo svojej knihe „Enterifying Mineralogy“ napísal: „Vezmite do ruky kus horského krištáľu a ten istý kus skla – obe majú rovnakú farbu a priehľadnosť. Ak ich rozbijete, budú mať rovnako ostré rezanie. „kryštál“ z gréckeho názvu pre „ľad“, keďže horský krištáľ je naozaj veľmi podobný ľadu...“
V prírode sa nachádza takmer dvesto odrôd kremeňa. Patrí medzi ne zlatožltý citrín, krvavočervený karneol, červenohnedý avanturín so zlatým nádychom, fialový ametyst a mnohé ďalšie. Takmer desatinu zemskej kôry tvoria rôzne druhy kremeňa. Aj obyčajný piesok pozostáva hlavne z kremenných zŕn.
Kremeň je široko používaný vo vede a technike. Rozpúšťa ultrafialové lúče, je tvrdý a žiaruvzdorný. Riad z kremenného skla je možné zohriať do červena a ihneď ponoriť do ľadovej vody. Je odolný voči takmer všetkým kyselinám a je zlým vodičom elektriny. Ale jeho najpozoruhodnejšou vlastnosťou je piezoelektrina. Ak sa doska, vyrezaná určitým spôsobom z kremenného kryštálu, stlačí a uvoľní, na jej čelných plochách sa objavia elektrické náboje opačných znakov. Čím silnejšia je kompresia, tým väčší je náboj. Výskyt elektrických nábojov na plochách kremennej dosky počas jej deformácie sa nazýva priamy piezoelektrický efekt.
Ak sa na takúto kremennú dosku aplikuje elektrický náboj, zmení svoju veľkosť. Čím väčší je náboj, tým viac sa doska deformuje. Keď na platničku pôsobí striedavé elektrické pole, sťahuje sa alebo rozťahuje v čase so zmenou znamienok použitého napätia. Ak sa táto mení s ultrazvukovou frekvenciou, potom platňa tiež vibruje s ultrazvukovou frekvenciou, čo je základom pre použitie kremeňa na vytváranie ultrazvukových vĺn. Zmena veľkosti kremennej platne vplyvom elektrických nábojov sa nazýva inverzný piezoelektrický efekt.
Priamy piezoelektrický efekt sa používa v prijímačoch ultrazvukových vibrácií, kde sa tieto premieňajú na striedavý prúd. Ak sa však na takýto prijímač privedie striedavé napätie, úplne sa prejaví inverzný piezoelektrický efekt. V tomto prípade sa striedavý prúd premieňa na ultrazvukové vibrácie a prijímač funguje ako ultrazvukový vysielač. V dôsledku toho môžu byť piezoelektrický prijímač a vysielač reprezentované vo forme jedného zariadenia, ktoré môže striedavo vysielať a prijímať ultrazvukové vibrácie. Takéto zariadenie sa nazýva ultrazvukový akustický menič.
Akustické prevodníky sa úspešne používajú v rôznych druhoch elektroakustických systémov, najmä v systémoch určených na akustické a hydroakustické merania a výskum. Piezoelektrické zariadenia sú široko používané pri prieskume vesmíru. V súčasnosti ich reprezentujú niektoré senzory, ktoré prenášajú údaje o stave astronauta, o podmienkach vo vnútri kozmickej lode, varujú pred nebezpečenstvom meteoritov atď.
Piezoelektrické zariadenia pomáhajú „cítiť“ časti lietadla, identifikovať chyby v ich výpočtoch a predchádzať nebezpečným následkom týchto chýb; „pozrieť“ do hlavne vystreľovacej pištole na meranie tlaku alebo získanie iných údajov. Piezoelektrina sa používa v rádiotechnike a televízii. Piezoelektrické zariadenia pomáhajú nájsť húfy rýb, skúmať útroby zeme, hľadať minerály, diagnostikovať a liečiť ľudí, analyzovať a urýchľovať chemické procesy atď.
Kremeň je už dlho považovaný za jeden z hlavných materiálov používaných na výrobu ultrazvukových meničov. Ale žiarič vyrobený z malej kremennej platne má malý výkon. Na jej zväčšenie sa plocha vyžarovacieho povrchu zväčšuje usporiadaním kremenných dosiek vo forme mozaiky.
V prírode sa kryštály kremeňa nachádzajú väčšinou v relatívne malých veľkostiach, aj keď existujú výnimky. Vo východných Alpách našli geológovia v jednom hniezde šesť kryštálov horského kryštálu s celkovou hmotnosťou vyše jeden a pol tony. Ešte unikátnejší nález objavili uralskí geológovia, ktorí objavili ložisko kryštálov s celou rodinou obrích kryštálov. Najprv boli z horniny vyťažené kryštály s hmotnosťou 800 kilogramov. Následné vytrvalé pátranie prinieslo úplne ohromujúce výsledky – našla sa konštelácia dvadsiatich priehľadných čistých kryštálov. Ich celková hmotnosť presiahla 9 ton. Takéto nálezy však nedokážu uspokojiť neustále sa zvyšujúce potreby vedy a techniky po kryštáloch kremeňa. Preto sa ich snažia umelo pestovať v laboratóriách, no, žiaľ, rastú pomaly a ich výroba je drahá.
Pri hľadaní iných piezoelektrických materiálov vedci obrátili svoju pozornosť na Rochellskú soľ. Prvýkrát ho zo solí kyseliny vínnej získal francúzsky lekárnik Segnet. Rochelle soľ sa ľahko spracováva, kryštál Rochelle soli je možné rezať obyčajnou niťou navlhčenou vodou. V porovnaní s inými piezoelektrickými kryštálmi vrátane kremeňa má kryštál soli Rochelle výrazne väčší piezoelektrický efekt, najmenší mechanický vplyv na platničku vedie k vzniku elektrických nábojov. Soľ Rochelle má však aj vážne nevýhody, ktoré obmedzujú jej praktické využitie. Ide predovšetkým o nízky bod topenia - asi 60 stupňov, pri ktorom kryštál Rochelleovej soli stráca svoje piezoelektrické vlastnosti a už sa neobnovujú. Rochelle soľ Rozpúšťa sa vo vode, a preto je náchylná na vlhkosť. Navyše je krehký a nevydrží veľké mechanické zaťaženie.
Výskum nových piezoelektrických materiálov prebiehal obzvlášť vytrvalo počas druhej svetovej vojny. Spôsobil ich „kremenný hladomor“, ktorý vznikol v dôsledku širokého používania piezoelektrického kremeňa v hydroakustických zariadeniach a vo vojenskej rádioelektronike. Na výrobu piezoelektrických meničov sa teda v tom čase používali kryštály dihydrogenfosforečnanu amónneho. Tento materiál je frekvenčne stabilný a umožňuje prácu s vysokými výkonmi a v širokom frekvenčnom rozsahu. Dlho sa používali iné piezoelektrické materiály, ako je fosforečnan amónny, síran lítny a dihydrogenfosforečnan draselný. V hydroakustických meničoch boli použité vo forme mozaikových balíčkov. Všetky tieto piezokryštály však majú spoločnú nevýhodu - nízku mechanickú pevnosť. Vedci preto vytrvalo hľadali náhradu, ktorá by im bola piezoelektrickými vlastnosťami blízka a nemala by vyššie spomínanú nevýhodu. A takúto náhradu našli sovietski vedci pracujúci pod vedením člena korešpondenta Akadémie vied ZSSR B. M. Vul. Bol to titaničitan bárnatý, čo nie je kryštál ako kremeň a Rochelova soľ a sám o sebe nemá piezoelektrické vlastnosti.
Titaničitan bárnatý sa získava umelo, pretože je v útrobách zeme veľmi vzácny. K tomu sa pri veľmi vysokej teplote vypáli zmes dvoch minerálnych látok – uhličitanu bárnatého a oxidu titaničitého. Výsledkom je žltobiela hmota, ktorá svojim vzhľadom a mechanickými vlastnosťami pripomína bežnú hlinu. Táto hmota, podobne ako hlina, môže mať akýkoľvek tvar, ale bude mechanicky pevná a nerozpustná vo vode. A aby sa dodali piezoelektrické vlastnosti titaničitanu bárnatému, spálená hmota sa umiestni do silného elektrického poľa a potom sa ochladí. V dôsledku toho dochádza k polarizácii kryštálov titaničitanu bárnatého, ich dipóly (kombinácia dvoch protiľahlých, ale v absolútnej hodnote rovnakých elektrických nábojov umiestnených v určitej vzdialenosti od seba) zaujímajú rovnakú polohu a po ochladení sú pevné, ako keby „zamrznuté“ v tomto stave. Výsledný materiál má piezoelektrický efekt 50-krát väčší ako kremeň a jeho cena je nízka, pretože na jeho výrobu je k dispozícii veľmi veľké množstvo surovín. Medzi nevýhody titaničitanu bárnatého patria veľké mechanické a dielektrické straty, čo vedie k jeho prehrievaniu a pri teplotách nad 90 stupňov sa piezoelektrický efekt výrazne znižuje.
Keramiku z titaničitanu bárnatého je možné rezať, brúsiť, leštiť, čím prevodník získa požadovaný tvar a veľkosť (plochá platňa, valec, pologule, časť gule atď.). Konvertory titaničitanu bárnatého sú efektívnejšie pri premene elektrickej energie na mechanickú energiu, majú väčšiu odolnosť voči elektrickému prierazu a môžu pracovať pri nízkom napätí. Okrem toho sú ultrazvukové meniče s titaničitanom bárnatým schopné pracovať v pulznom režime.
Na výrobu piezoelektrických meničov sa používa aj iná piezokeramika: zmes zirkónu s titaničitanom olovnatým (PZT), táto piezokeramika má piezoelektrický efekt dvakrát silnejší ako titaničitan bárnatý. Piezokeramika PZT je nerozpustná vo vode a môže byť spracovaná aj mechanicky.
Zároveň pokračovalo hľadanie kryštálov, ktoré majú piezoelektrické vlastnosti a spĺňajú potrebné technické požiadavky. Tak sa do pozornosti vedcov dostal sulfid kademnatý. Okrem toho, že má výnimočnú schopnosť zosilňovať ultrazvukové vibrácie, dá sa z neho vyrobiť ultrazvukový menič pre veľmi vysoké frekvencie, úplne nedostupný pre kremeň a titaničitan bárnatý. Výskumníci naznačujú, že kryštál sulfidu kademnatého bude držať rekord v počte možných aplikácií. Nielenže môže slúžiť ako ultrazvukový zosilňovač a prevodník, ale môže sa použiť aj spolu s germániom a kremíkom ako bežný polovodič. Okrem toho je sulfid kademnatý vynikajúci fotorezistor.
Trochu zjednodušene môžeme povedať, že piezoelektrický menič je jeden alebo viac jednotlivých piezoelektrických prvkov s plochým alebo guľovým povrchom spojeným určitým spôsobom, prilepených k spoločnej kovovej platni. Na získanie vysokej intenzity žiarenia sa používajú fokusačné piezoelektrické meniče, prípadne koncentrátory, ktoré môžu mať rôzny tvar (polgule, časti dutých gúľ, duté valce, časti dutých valcov). Takéto prevodníky sa používajú na vytváranie silných ultrazvukových vibrácií pri vysokých frekvenciách. V tomto prípade je intenzita žiarenia v strede ohniska guľových meničov 100-150 krát vyššia ako priemerná intenzita na vyžarovacej ploche meniča.

"Zvuk, ultrazvuk, infrazvuk"

Dmitrij Levkin

Elektromechanický menič vyrobený z piezoelektrických materiálov určitého tvaru a orientácie vzhľadom na kryštalografické osi, pomocou ktorého sa mechanická energia premieňa na elektrickú energiu (priamy piezoelektrický efekt) a elektrická energia na mechanickú energiu (inverzný piezoelektrický efekt).

Štrukturálne je piezoelektrický prvok piezokeramický s aplikovanými elektródami. Piezoprvky môžu mať rôzne tvary: vo forme kotúčov, krúžkov, rúrok, platní, gúľ atď. Pri vibrátoroch a generátoroch sa piezoprvky spájajú do piezoelektrického bloku, aby sa dosiahli lepšie vlastnosti.

Zmeniť farbu

Priemer: 10mm
Hrúbka: 1 mm
Materiál: TsTS-26
Napätie: 5V
Frekvencia budenia: 1MHz
Oscilačná mierka: 30000:1

Pozrite si výkyvy

Zastavte vibrácie

Obrázok - Vibrácie voľného piezoelektrického prvku pod vplyvom napätia (inverzný piezoelektrický efekt)

Piezoelektrický efekt

Piezoelektrické látky ( piezoelektrika), najmä piezokeramika, majú tú vlastnosť, že pri deformácii vplyvom vonkajšieho mechanického tlaku vznikajú na ich povrchu elektrické náboje. Tento efekt sa nazýva priamy piezoelektrický efekt a objavili ho v roku 1880 bratia Curieovci.

Referencia: Prvá práca Jacquesa a Pierra Curieho o piezoelektrine bola prezentovaná Mineralogickej spoločnosti Francúzska (Societe mineralogique de France) na zasadnutí 8. apríla 1880 a neskôr Academie des Sciences na zasadnutí 24. augusta 1880. Pierre a Jacques Curie prvýkrát objavili priamy piezoelektrický efekt v kryštáloch turmalín. Všimli si, že ak sa na kryštál pôsobí mechanickým tlakom v určitom smere, na opačných stranách kryštálu sa objavia elektrické náboje, úmerné tlaku a s opačnou polaritou. Neskôr objavili podobný efekt v kremeni a iných kryštáloch. V roku 1880 mal Pierre Curie iba 21 rokov.

Čoskoro na to (v roku 1881) bolo potvrdené a inverzný piezoelektrický efekt a síce, že látka umiestnená medzi dvoma elektródami reaguje na elektrické napätie, ktoré je na ňu privedené, zmenou svojho tvaru. Prvý efekt sa v súčasnosti používa na merania a druhý na vybudenie mechanických tlakov, deformácií a vibrácií.

Podrobnejšie štúdie piezoelektrického javu ukázali, že sa vysvetľuje vlastnosťou jednotkovej bunky štruktúry materiálu. Základná bunka je v tomto prípade najmenšia symetrická jednotka materiálu, z ktorej sa dá mnohonásobným opakovaním získať mikroskopický kryštál. Ukázalo sa, že nevyhnutným predpokladom pre vznik piezoelektrického efektu je absencia stredu symetrie v jednotkovej bunke.

Vlastnosti piezokeramiky

Vzťah medzi aplikovanou silou a výslednou odozvou piezoelektrického prvku závisí od: piezoelektrických vlastností piezoelektrickej keramiky, veľkosti a tvaru vzorky a od smeru elektrického a mechanického budenia.

Piezoelektrické materiály sú svojou povahou anizotropné kryštály. znázorňuje rôzne smery a osi orientácie piezoelektrického materiálu. Osi 1, 2 a 3 sú zodpovedajúcimi analógmi osí X, Y, Z klasického ortogonálneho súradnicového systému, zatiaľ čo osi 4, 5 a 6 definujú osi rotácie. Smer osi 3 je smerom polarizácie. Tento smer je stanovený pri výrobe pomocou vysokého konštantného napätia, ktoré sa vytvára medzi elektródami.

Vyznačujú sa nasledujúcimi vlastnosťami:

Relatívna dielektrická konštanta je pomer dielektrickej konštanty materiálu (v tomto prípade a ) k dielektrickej konštante vákua ( ε 0 )

Kde ε 0 = 8,85 10-12, F/m

Horný index zobrazuje okrajové podmienky pôsobiace na materiál v procese určovania hodnoty relatívnej dielektrickej konštanty. Najmä index T (v tomto prípade) označuje, že dielektrická konštanta sa meria na voľnej (neupevnenej) vzorke. A index S ukazuje, že merania prebiehajú pri konštantnej deformácii piezokeramiky (v upnutom stave). Prvý index ukazuje smer dielektrického posunu a druhý - elektrické pole. Vzorec na výpočet relatívnej dielektrickej konštanty je nasledujúci:

Vlastná frekvencia dosky podľa hrúbky f 0 vypočítané pomocou nasledujúceho vzorca

kde c je rýchlosť zvuku v materiáli, m/s

Kliknutím sem zobrazíte oscilácie piezoelektrického prvku!

Budiaca frekvencia f=25kHz
Oscilačná mierka 200000:1

Budiaca frekvencia f=73,6 kHz
Oscilačná mierka 10000:1

Budiaca frekvencia f=280kHz
Oscilačná mierka 10000:1

Obrázok 4 - Amplitúdová-frekvenčná odozva piezoelektrického prvku. Druhy vibrácií pri rôznych frekvenciách

Elektromechanické väzbové koeficienty k p, k 33, k 15, kt a k 31 popisujú schopnosť piezoelektrického prvku premieňať energiu z elektrickej na mechanickú a naopak. Druhá mocnina koeficientu elektromechanickej väzby je definovaná ako pomer akumulovanej premenenej energie jedného typu (mechanickej alebo elektrickej) k vstupnej energii druhého typu (elektrickej alebo mechanickej). Index ukazuje relatívne smery elektrických a mechanických veličín a typ vibrácií. Môžu byť spojené s oscilačným režimom jednoduchého meniča určitého tvaru. k p znamená vzťah medzi elektrickou a mechanickou energiou v tenkom okrúhlom disku, polarizovanom v hrúbke a oscilujúcom v radiálnom smere - planárny režim (). k 31 označuje dlhú tenkú tyč s elektródami na dlhom povrchu. Druh vibrácií je napätie a stlačenie pozdĺž dĺžky (). k t je spojená s tenkým kotúčom alebo doskou a určuje kompresné napätie pozdĺž hrúbky (). k 33 zodpovedá dlhej tenkej tyči s elektródami na koncoch a polarizovanými pozdĺž svojej dĺžky. Typ vibrácií je naťahovanie a stláčanie pozdĺž dĺžky (). k 15 popisuje energiu premenenú na šmykové vibrácie pozdĺž hrúbky ().

Tento koeficient možno vypočítať pomocou rezonančných a antirezonančných frekvencií pomocou vzorca.

, (4)

Na meranie týchto frekvencií sa zvyčajne používa, pomocou ktorej môžete získať závislosť odporu od frekvencie piezokeramiky ().

Rezonančná frekvencia sa prirodzene vyskytuje, keď má systém veľmi malý odpor, zatiaľ čo antirezonancia nastáva, keď má systém veľmi vysoký odpor. Pri frekvencii, ktorá má minimálny odpor, sa považuje za rezonančnú ( f r) a frekvencia s maximálnym odporom je antirezonančná ( f a).

Obrázok 5 – Typy vibrácií piezokeramických vzoriek rôznych tvarov

Elastické vlastnosti piezoelektrických materiálov sú charakterizované elastickou poddajnosťou () alebo elastickou tuhosťou (). Elastická poddajnosť určuje veľkosť deformácie, ku ktorej dochádza pod vplyvom aplikovaného mechanického namáhania. Vzhľadom na skutočnosť, že pod vplyvom mechanického namáhania keramika generuje elektrickú odozvu, ktorá pôsobí proti výslednej deformácii, je efektívny Youngov modul pri skratovaní elektród menší ako pri stave bez zaťaženia. Okrem toho sa tuhosť mení v rôznych smeroch, takže na presné určenie hodnoty sú špecifikované elektrické a mechanické podmienky. Horný index E označuje, že merania prebiehajú v konštantnom elektrickom poli (skrat). Kým index D udáva okrajovú podmienku – konštantný elektrický posun (indukciu), t.j. merania prebiehajú pri voľnobehu. Prvé nižšie číslo ukazuje smer deformácie, druhé smer mechanického namáhania.

Piezoelektrický modul d – pomer mechanického napätia k aplikovanému elektrickému poľu (C/N)

Kde Δxs– zmena hrúbky plechu, m,
U s- aplikované napätie, V

Je užitočné mať na pamäti, že veľké hodnoty dij majú za následok veľké mechanické posuny, ktoré sa zvyčajne dosahujú pri navrhovaní ultrazvukových meničov. d 33 sa používa, keď sila smeruje v smere polarizačnej osi (). d 31 sa používa, keď sila pôsobí v pravom uhle k osi polarizácie a na elektródach vzniká náboj, rovnako ako v predchádzajúcom prípade (). d 15 ukazuje, že náboj sa hromadí na elektródach, ktoré sú v pravom uhle k pôvodným polarizačným elektródam a že výsledné mechanické vibrácie sú šmykové ().

Piezoelektrická tlaková konštanta g ij je pomer výsledného napätia k aplikovanému tlaku.

, (6)

Kde U e– prijaté napätie, V,
d- hrúbka, m,
p x– aplikovaný tlak, Pa.

Index „33“ ukazuje, že elektrické pole a mechanické napätie sú nasmerované pozdĺž polarizačnej osi. Index „31“ znamená, že tlak je aplikovaný v pravom uhle k polarizačnej osi, pričom napätie je odstránené z rovnakých elektród ako v prípade „33“. Index „15“ znamená, že aplikované napätie je šmykové a výsledné elektrické pole je kolmé na os polarizácie. Vysoká hodnota g ij vedie k vysokým výstupným napätiam, čo je pre snímače žiaduce.

Poissonov pomer je pomer relatívneho bočného stlačenia k zodpovedajúcemu relatívnemu pozdĺžnemu predĺženiu

, (7)

Kde µ - Poissonov pomer,
Δa– absolútny prírastok hrúbky, m,
a– hrúbka po deformácii, m,
Δl– absolútny prírastok dĺžky, m,
l– dĺžka po deformácii, m

Teplotný koeficient ukazuje zmenu rôznych vlastností materiálu (rezonančná frekvencia, kapacita, rozmery) so zmenami teploty

, (8)

kde TKF je teplotný koeficient rezonančnej frekvencie, ppm/˚С,
f(t 1) t 1, Hz,
f(t 2)– rezonančná frekvencia pri teplote t 2, Hz,
f 20– rezonančná frekvencia pri teplote 20˚С, Hz,
Δt- teplotný rozdiel At = t2 - ti, S

, (9)

kde TKE je teplotný koeficient nádoby, ppm/˚С,
C(t 1)– kapacita pri teplote t 1, F,
C(t2)– kapacita pri teplote t 2, F,
C 20- kapacita pri teplote 20˚C, F

, (10)

kde TCLE je teplotný koeficient lineárnej rozťažnosti, ppm/˚С,
l(t 1)- dĺžka pri teplote t 1, m,
l(t 2)- dĺžka pri teplote t 2, m,
l 20– dĺžka pri teplote 20˚С, m

Rýchlosť starnutia je mierou zmeny rezonančnej frekvencie a kapacity v priebehu času. Na výpočet tejto rýchlosti sa po polarizácii elektródy meniča spoja a vzorka sa určitý čas zahrieva. Rezonančná frekvencia a kapacita sa merajú každé 2 n (1, 2, 4 a 8) dní. Rýchlosť starnutia sa vypočíta podľa nasledujúceho vzorca:

, (11)

Faktor kvality je kvantitatívna charakteristika rezonančných vlastností oscilačných systémov, ktorá udáva, koľkokrát amplitúda vynútených kmitov pri rezonancii prevyšuje amplitúdu vynútených kmitov pri frekvencii oveľa nižšej ako rezonančná pri rovnakej amplitúde budiacej sily, ( 13)

Kde ρ – hustota, kg/m3,
m – hmotnosť, kg,
V – objem, m3.

Výroba piezoelementov

Väčšina kompozícií piezokeramiky je založená na chemických zlúčeninách so vzorcom ABO 3 (napríklad BaTiO 3, PbTiO 3) s kryštálovou štruktúrou perovskitového typu a rôznych tuhých roztokoch na nich založených (napríklad systémy BaTiO 3 - CaTiO 3, BaTiO 3 - CaTi03 - CoC03, NaNb03 - KNb03). Obzvlášť široko používané ako piezoelektrické materiály sú kompozície systému PbTiO 3 - PbZrO 3 (tzv. PZT systém, alebo PZT). Prakticky zaujímavé sú napríklad aj mnohé zlúčeniny so vzorcom AB206. PbNb 2 O 6, ktoré majú veľmi vysoký Curieov bod (~570 °C), čo umožňuje vytvárať piezoelementy pre prevádzku pri vysokých teplotách.

Obrázok 7 – Prášok na výrobu piezoelektrického prvku

Výrobný proces piezokeramika je rozdelená do niekoľkých etáp. Pri syntéze danej feroelektrickej zlúčeniny sa východiskové suroviny (oxidy alebo soli, napríklad oxid titaničitý a oxid bárnatý) rozdrvia a zmiešajú v množstvách zodpovedajúcich stechiometrickému zloženiu zlúčeniny a potom sa podrobia tepelnému spracovaniu. pri teplotách 900 - 1300 °C, pri ktorých chemická syntéza. Používa sa aj takzvaná metóda zrážania z vodných roztokov, pri ktorej sa teplota syntézy vďaka ideálnemu premiešaniu zložiek zníži na 750 - 1000 °C. Z práškového syntetizovaného materiálu sa lisovaním (ale aj vstrekovaním) vyrábajú polotovary požadovanej konfigurácie a veľkosti pre budúce piezoelektrické prvky, ktoré sú následne vypaľované podľa prísne definovaného teplotného režimu, ktorý do značnej miery určuje vlastnosti piezokeramiky. Mechanické spracovanie dielu po vypálení mu dodáva presne špecifikovaný tvar a veľkosť. Na súčiastku sa aplikujú elektródy zo striebra, niklu, platiny atď., pričom najpoužívanejším spôsobom je vypaľovanie do striebra. Na polarizáciu keramiky sa na elektródy privádza elektrické napätie (sila poľa E sa pohybuje od 0,5 do 3 kV/mm v závislosti od chemického zloženia a spôsobu polarizácie). Aby sa znížila intenzita poľa E počas polarizácie, vzorka sa zahrieva na teploty blízke Curieho bodu (pretože domény majú väčšiu pohyblivosť) a potom sa pomaly ochladzuje v prítomnosti poľa. Piezokeramika sa vyznačuje tzv. starnutie, t.j. zmena jeho parametrov (dielektrická konštanta, piezoelektrické moduly) v priebehu času, viditeľná najmä v prvých dňoch po výrobe a polarizácii vzoriek, čo je spôsobené zmenami oboch mechanických napätí na hraniciach medzi zrnami a veľkosť zvyškovej polarizácie.

Aplikácia piezokeramiky

Piezoelektrické materiály našli uplatnenie v širokej škále aplikácií, ako sú lekárske prístroje, riadenie priemyselných procesov, systémy výroby polovodičov, domáce elektrické spotrebiče, komunikačné riadiace systémy, rôzne prístrojové vybavenie a iné oblasti. Komerčné systémy, ktoré využívajú piezoelektrické materiály, sú čerpadlá, šijacie stroje, snímače (tlak, námraza, uhlové rýchlosti atď.), optické prístroje, laserové tlačiarne, motory automatického zaostrovania fotoaparátov a mnohé ďalšie. Zároveň rozsah použitia týchto materiálov neustále rastie. Aplikácia piezoelektrického prvku zvyčajne sa scvrkáva do štyroch kategórií: snímače, generátory, akčné členy a prevodníky.

V generátoroch Piezoelektrické materiály môžu generovať napätie, ktoré je dostatočné na vytvorenie iskry medzi elektródami, a preto môžu byť použité ako elektródy na zapaľovanie palív, pre plynové sporáky a pre zváracie zariadenia. Alternatívne môže byť akumulovaná elektrická energia generovaná piezoelektrickými prvkami. Takéto generátory vytvárajú vynikajúce polovodičové batérie pre elektronické obvody.

V senzoroch Piezoelektrické materiály premieňajú fyzikálne parametre ako zrýchlenie, tlak a vibrácie na elektrický signál.

V silových pohonoch, Piezoelektrické materiály premieňajú elektrický signál na presne kontrolovaný fyzický posun, čím sa presne stanovuje presnosť mechanických nástrojov, šošoviek a zrkadiel.

V konvertoroch piezoelektrické meniče môžu generovať ultrazvukový signál z elektrickej energie a premieňať prichádzajúce mechanické vibrácie na elektrické. Piezoelektrické prístroje sú určené na meranie vzdialeností, prietokov a hladín kvapalín. Prevodníky sa používajú aj na generovanie ultrazvukových vibrácií na čistenie, vŕtanie, zváranie, brúsenie keramiky a na lekársku diagnostiku.