Pjezoelektrinį efektą XIX amžiaus pabaigoje atrado prancūzų mokslininkai, broliai Curie. Tuo metu apie atrasto reiškinio praktinį pritaikymą kalbėti dar anksti, tačiau šiuo metu pjezoelektriniai elementai plačiai naudojami tiek technikoje, tiek kasdieniame gyvenime.
Turinys
Pjezoelektrinio efekto esmė
Žinomi fizikai nustatė, kad deformuojant kai kuriuos kristalus (akmens krištolą, turmaliną ir kt.), ant jų veidų atsiranda elektros krūviai. Tuo pačiu metu potencialų skirtumas buvo nedidelis, tačiau jį užtikrintai fiksavo tuo metu egzistavę įrenginiai, o sujungus sekcijas su priešingai poliariniais krūviais laidininkais, buvo galima gauti elektros. Reiškinys buvo fiksuotas tik dinamikoje, suspaudimo ar tempimo momentu. Deformacija statiniame režime nesukėlė pjezoelektrinio efekto.
Netrukus teoriškai buvo pateisinamas ir praktiškai aptiktas priešingas efektas – įjungus įtampą kristalas deformavosi.Paaiškėjo, kad abu reiškiniai yra tarpusavyje susiję – jei medžiaga turi tiesioginį pjezoelektrinį efektą, tada jai taip pat būdinga priešingai, ir atvirkščiai.
Reiškinys stebimas medžiagose, turinčiose anizotropinio tipo kristalinę gardelę (kurių fizikinės savybės skiriasi priklausomai nuo krypties), turinčiose pakankamai asimetrijos, taip pat kai kurias polikristalines struktūras.
Bet kuriame kietame kūne veikiančios išorinės jėgos sukelia deformaciją ir mechaninius įtempius, o medžiagose, turinčiose pjezoelektrinį efektą, taip pat sukelia krūvių poliarizaciją, o poliarizacija priklauso nuo veikiančios jėgos krypties. Keičiant poveikio kryptį, kinta ir poliarizacijos kryptis, ir krūvių poliškumas. Poliarizacijos priklausomybė nuo mechaninio įtempio yra tiesinė ir apibūdinama išraiška P=dt, kur t – mechaninis įtempis, o d – koeficientas, vadinamas pjezoelektriniu moduliu (pjezoelektriniu moduliu).
Panašus reiškinys atsiranda su atvirkštiniu pjezoelektriniu efektu. Pasikeitus taikomo elektrinio lauko krypčiai, keičiasi ir deformacijos kryptis. Čia priklausomybė taip pat yra tiesinė: r=dE, kur E – elektrinio lauko stipris, o r – deformacija. Koeficientas d yra vienodas visų medžiagų tiesioginiam ir atvirkštiniam pjezoelektriniam poveikiui.
Tiesą sakant, aukščiau pateiktos lygtys yra tik įvertinimai. Faktinės priklausomybės yra daug sudėtingesnės ir jas taip pat lemia jėgų kryptis kristalų ašių atžvilgiu.
Medžiagos, turinčios pjezoelektrinį efektą
Pirmą kartą pjezoelektrinis efektas buvo aptiktas kalnų kristaluose (kvarce). Ši medžiaga iki šiol labai paplitusi pjezoelektrinių elementų gamyboje, tačiau gamyboje naudojamos ne tik natūralios medžiagos.
Daugelis pjezoelektrikų yra pagaminti iš medžiagų, kurių formulė ABO.3, pvz., BaTiO3, РbТiO3. Šios medžiagos turi polikristalinę (sudarytą iš daugelio kristalų) struktūrą ir, kad jos galėtų turėti pjezoelektrinį efektą, jos turi būti poliarizuojamos naudojant išorinį elektrinį lauką.
Yra technologijų, kurios leidžia gauti plėvelės pjezoelektrikus (polivinilidenfluoridą ir kt.). Norint suteikti jiems reikiamas savybes, jie taip pat turi būti ilgą laiką poliarizuoti elektriniame lauke. Tokių medžiagų pranašumas yra labai mažas storis.
Medžiagų, turinčių pjezoelektrinį efektą, savybės ir charakteristikos
Kadangi poliarizacija vyksta tik elastinės deformacijos metu, svarbi pjezomedžiagos savybė yra jos gebėjimas keisti formą veikiant išorinėms jėgoms. Šio gebėjimo vertę lemia elastinis atitikimas (arba elastinis standumas).
Pjezoelektrinį efektą turintys kristalai yra labai elastingi – pašalinus jėgą (arba išorinį įtempį), jie grįžta į pradinę formą.
Pjezokristalai taip pat turi savo mechaninį rezonansinį dažnį. Jei priversite kristalą vibruoti tokiu dažniu, amplitudė bus ypač didelė.
Kadangi pjezoelektrinis efektas pasireiškia ne tik ištisais kristalais, bet ir tam tikromis sąlygomis išpjautomis jų plokštėmis, galima gauti pjezoelektrinių medžiagų gabalėlių, kurių rezonansas yra skirtinguose dažniuose, priklausomai nuo geometrinių matmenų ir pjūvio krypties.
Taip pat pjezoelektrinių medžiagų vibracinės savybės pasižymi mechaniniu kokybės faktoriumi. Tai rodo, kiek kartų svyravimų amplitudė rezonansiniu dažniu padidėja esant vienodai veikiančiai jėgai.
Yra aiški pjezoelektro savybių priklausomybė nuo temperatūros, į kurią reikia atsižvelgti naudojant kristalus. Šią priklausomybę apibūdina koeficientai:
- rezonansinio dažnio temperatūros koeficientas rodo, kiek rezonansas išnyksta, kai kristalas yra šildomas / aušinamas;
- temperatūros plėtimosi koeficientas lemia, kiek pjezoelektrinės plokštės linijiniai matmenys keičiasi priklausomai nuo temperatūros.
Tam tikroje temperatūroje pjezokristalas praranda savo savybes. Ši riba vadinama Curie temperatūra. Ši riba yra individuali kiekvienai medžiagai. Pavyzdžiui, kvarcui jis yra +573 °C.
Praktinis pjezoelektrinio efekto panaudojimas
Garsiausias pjezoelektrinių elementų pritaikymas yra kaip uždegimo elementas. Pjezoelektrinis efektas naudojamas kišeniniuose žiebtuvėliuose arba virtuviniuose dujinių viryklių uždegimuose. Paspaudus kristalą, atsiranda potencialų skirtumas ir oro tarpelyje atsiranda kibirkštis.
Ši pjezoelektrinių elementų taikymo sritis nėra išnaudota. Panašaus poveikio kristalai gali būti naudojami kaip deformacijos matuokliai, tačiau šią naudojimo sritį riboja pjezoelektrinio efekto savybė pasireikšti tik dinamikoje – pokyčiams nustojus, signalas nustoja generuoti.
Pjezokristalai gali būti naudojami kaip mikrofonas – veikiant akustinėms bangoms susidaro elektriniai signalai. Atvirkštinis pjezoelektrinis efektas taip pat leidžia (kartais vienu metu) naudoti tokius elementus kaip garso skleidėjus. Kai kristalui bus pritaikytas elektrinis signalas, pjezoelektrinis elementas pradės generuoti akustines bangas.
Tokie skleidėjai plačiai naudojami ultragarso bangoms kurti, ypač medicinos technologijose. At tai gali būti panaudotos ir plokštelės rezonansinės savybės.Jis gali būti naudojamas kaip akustinis filtras, parenkantis tik natūralaus dažnio bangas. Kitas variantas – garso generatoriuje (sirenoje, detektoriuje ir kt.) vienu metu naudoti pjezoelektrinį elementą kaip dažnį nustatantį ir garsą skleidžiantį elementą. Tokiu atveju garsas visada bus generuojamas rezonansiniu dažniu, o maksimalų garsumą galima gauti sunaudojant mažai energijos.
Rezonanso savybės naudojamos generatorių, veikiančių radijo dažnių diapazone, dažniams stabilizuoti. Kvarcinės plokštės atlieka labai stabilių ir aukštos kokybės virpesių grandinių vaidmenį dažnio nustatymo grandinėse.
Vis dar yra fantastinių projektų, skirtų tamprios deformacijos energiją paversti elektros energija pramoniniu mastu. Galite panaudoti dangos deformaciją veikiant pėsčiųjų ar automobilių gravitacijai, pavyzdžiui, apšviesti bėgių kelio dalis. Galite naudoti orlaivio sparnų deformacijos energiją, kad sukurtumėte orlaivio tinklą. Tokį naudojimą riboja nepakankamas pjezoelektrinių elementų efektyvumas, tačiau jau buvo sukurtos bandomosios gamyklos, kurios žada toliau tobulėti.
Panašūs straipsniai:
