Efekt piezoelektryczny został odkryty pod koniec XIX wieku przez francuskich braci Curie. W tamtych czasach było jeszcze za wcześnie, aby mówić o praktycznym zastosowaniu odkrytego zjawiska, ale dziś elementy piezoelektryczne są powszechnie stosowane zarówno w technice, jak i w życiu codziennym.
Spis treści
Istota efektu piezoelektrycznego
Znani fizycy odkryli, że gdy niektóre kryształy (kryształ górski, turmalin itp.) są odkształcone na swoich powierzchniach, powstają w nich ładunki elektryczne. Różnica potencjałów była mimo wszystko niewielka, ale wyraźnie wykrywalna przez dostępne wówczas przyrządy, a łącząc obszary o przeciwnych biegunach za pomocą przewodników można było otrzymać prąd elektryczny. Zjawisko to było rejestrowane tylko w dynamice, w momencie skurczu lub rozciągnięcia. Odkształcenie statyczne nie wywołało efektu piezoelektrycznego.
Wkrótce uzasadniono teoretycznie i odkryto w praktyce efekt odwrotny - kryształ odkształcał się pod wpływem napięcia. Okazało się, że te dwa zjawiska są ze sobą powiązane - jeśli dana substancja wykazuje bezpośredni efekt piezoelektryczny, to wykazuje również efekt odwrotny i odwrotnie.
Zjawisko to obserwuje się w substancjach o anizotropowej sieci krystalicznej (które mają różne właściwości fizyczne w zależności od kierunku) o wystarczającej asymetrii, a także w niektórych strukturach polikrystalicznych.
W każdym ciele stałym przyłożone siły zewnętrzne powodują odkształcenia i naprężenia mechaniczne, a w substancjach z efektem piezoelektrycznym polaryzację ładunków, przy czym polaryzacja zależy od kierunku przyłożonej siły. Gdy kierunek działania zostaje odwrócony, zmienia się zarówno kierunek polaryzacji, jak i biegunowość ładunków. Zależność polaryzacji od naprężenia mechanicznego jest liniowa i opisuje ją wyrażenie P=dt, gdzie t to naprężenie mechaniczne, a d to współczynnik zwany modułem piezoelektrycznym (piezomodulus).
Podobne zjawisko występuje w przypadku odwrotnego efektu piezoelektrycznego. Gdy zmienia się kierunek przyłożonego pola elektrycznego, zmienia się kierunek odkształcenia. Tutaj zależność jest również liniowa: r=dE, gdzie E to natężenie pola elektrycznego, a r to odkształcenie. Współczynnik d jest taki sam dla efektu piezoelektrycznego w przód i w tył we wszystkich substancjach.
Równania te są w rzeczywistości tylko szacunkami. Rzeczywiste korelacje są znacznie bardziej skomplikowane i zależą od kierunku działania sił względem osi kryształu.
Substancje wywołujące efekt piezoelektryczny
Efekt piezoelektryczny został po raz pierwszy odkryty w kryształach kryształu górskiego (kwarcu). Obecnie materiał ten jest bardzo rozpowszechniony w produkcji elementów piezoelektrycznych, ale nie tylko materiały naturalne są wykorzystywane w produkcji.
Wiele elementów piezoelektrycznych zbudowanych jest z materiałów o wzorze ABO3wzory, takie jak BaTiO3, PbTiO3. Materiały te mają strukturę polikrystaliczną (składającą się z wielu kryształów) i muszą być spolaryzowane za pomocą zewnętrznego pola elektrycznego, aby mogły wykazywać efekt piezoelektryczny.
Dostępne są technologie wytwarzania piezoelektryków foliowych (z polifluorku winylidenu itp.). Aby nadać im odpowiednie właściwości, muszą być spolaryzowane w polu elektrycznym przez długi czas. Zaletą takich materiałów jest ich bardzo mała grubość.
Właściwości i charakterystyka materiałów z efektem piezoelektrycznym
Ponieważ polaryzacja zachodzi tylko podczas odkształcenia sprężystego, ważną cechą piezomateriałów jest ich zdolność do zmiany kształtu pod wpływem działania sił zewnętrznych. Wartość tej zdolności jest określana przez zgodność sprężystą (lub sztywność sprężystą).
Kryształy z efektem piezoelektrycznym są bardzo elastyczne - po usunięciu siły (lub naprężenia zewnętrznego) powracają do pierwotnego kształtu.
Kryształy piezoelektryczne mają również wewnętrzną mechaniczną częstotliwość rezonansową. Jeśli kryształ jest zmuszony do drgań o tej częstotliwości, amplituda jest szczególnie duża.
Ponieważ nie tylko całe kryształy wykazują efekt piezoelektryczny, ale także płytki piezoelektryczne cięte w określonych warunkach, możliwe jest wytwarzanie elementów piezoelektrycznych o rezonansie przy różnych częstotliwościach - w zależności od wymiarów geometrycznych i kierunku cięcia.
Właściwości wibracyjne materiałów piezoelektrycznych są również charakteryzowane przez ich mechaniczny współczynnik jakości. Informuje on o tym, ile razy wzrasta amplituda drgań przy częstotliwości rezonansowej dla jednakowej przyłożonej siły.
Istnieje wyraźna zależność właściwości piezoelektrycznych od temperatury, co należy wziąć pod uwagę przy stosowaniu kryształów. Zależność ta jest scharakteryzowana za pomocą współczynników:
- współczynnik temperaturowy częstotliwości rezonansowej wskazuje, jak bardzo rezonans zanika, gdy kryształ jest ogrzewany/chłodzony;
- Temperaturowy współczynnik rozszerzalności określa, jak bardzo wymiary liniowe płyty piezoelektrycznej zmieniają się wraz z temperaturą.
W pewnej temperaturze piezokryształ traci swoje właściwości. Ta granica nazywana jest temperaturą Curie. Limit ten jest indywidualny dla każdego materiału. Na przykład dla kwarcu jest to +573 °C.
Praktyczne zastosowanie efektu piezoelektrycznego
Najbardziej znanym zastosowaniem ogniw piezoelektrycznych są elementy zapłonowe. Efekt piezoelektryczny jest wykorzystywany w zapalniczkach kieszonkowych lub zapłonnikach kuchennych do kuchenek gazowych. Gdy kryształ zostanie naciśnięty, powstaje różnica potencjałów i w szczelinie powietrznej pojawia się iskra.
Nie wyczerpuje to jednak zakresu zastosowań ogniw piezoelektrycznych. Kryształy o takim samym działaniu mogą być wykorzystywane jako tensometry, ale to zastosowanie jest ograniczone przez dynamiczną właściwość efektu piezoelektrycznego - jeśli zmiana ustała, sygnał nie jest już generowany.
Piezokryształy mogą być wykorzystywane jako mikrofon - pod wpływem fal akustycznych generowane są sygnały elektryczne. Odwrotny efekt piezoelektryczny pozwala również (czasami jednocześnie) na wykorzystanie takich elementów jako emiterów dźwięku. Gdy do kryształu zostanie przyłożony sygnał elektryczny, element piezoelektryczny zacznie generować fale akustyczne.
Takie emitery są powszechnie stosowane do generowania fal ultradźwiękowych, zwłaszcza w technice medycznej. Na stronie na stronie . Można również wykorzystać właściwości rezonansowe płyty. Może być używany jako filtr akustyczny, emitujący fale wyłącznie o własnej częstotliwości. Inną możliwością jest zastosowanie elementu piezoelektrycznego w generatorze dźwięku (syrenie, czujce itp.) zarówno jako elementu utrzymującego częstotliwość, jak i emitującego dźwięk. W tym przypadku dźwięk będzie zawsze generowany przy częstotliwości rezonansowej, a maksymalną głośność można uzyskać przy niewielkim nakładzie energii.
Właściwości rezonansowe są wykorzystywane do stabilizacji częstotliwości oscylatorów pracujących w zakresie częstotliwości radiowych. Płyty kwarcowe działają jako wysoce stabilne i wysokiej jakości obwody oscylacyjne w obwodach utrzymujących częstotliwość.
Jak dotąd istnieją fantastyczne projekty przekształcania energii odkształceń sprężystych w energię elektryczną na skalę przemysłową. Odkształcenia chodników spowodowane ciężarem pieszych lub samochodów można wykorzystać na przykład do oświetlenia odcinków autostrad. Energia deformacji skrzydeł samolotu może być wykorzystana do zasilania sieci pokładowej samolotu. Ograniczeniem dla takiego zastosowania jest niewystarczająca sprawność ogniw piezoelektrycznych, ale zbudowano już prototypowe instalacje, które rokują nadzieję na dalszą poprawę.
Powiązane artykuły:
