Bagaimanakah elemen piezoelektrik berfungsi dan apakah kesan piezoelektrik

Kesan piezoelektrik ditemui oleh saintis Perancis iaitu Curie bersaudara pada akhir abad ke-19. Pada masa itu, masih terlalu awal untuk bercakap tentang aplikasi praktikal fenomena yang ditemui, tetapi pada masa ini, elemen piezoelektrik digunakan secara meluas dalam teknologi dan dalam kehidupan seharian.

Intipati kesan piezoelektrik

Ahli fizik terkenal telah menetapkan bahawa apabila beberapa kristal (kristal batu, turmalin, dll.) berubah bentuk, cas elektrik timbul pada muka mereka. Pada masa yang sama, perbezaan potensi adalah kecil, tetapi ia telah ditetapkan dengan yakin oleh peranti yang wujud pada masa itu, dan dengan menyambungkan bahagian dengan caj kutub bertentangan menggunakan konduktor, adalah mungkin untuk mendapatkan elektrik. Fenomena ini ditetapkan hanya dalam dinamik, pada saat pemampatan atau regangan. Ubah bentuk dalam mod statik tidak menyebabkan kesan piezoelektrik.

Tidak lama kemudian, kesan yang bertentangan secara teorinya dibenarkan dan ditemui dalam amalan - apabila voltan digunakan, kristal telah berubah bentuk.Ternyata kedua-dua fenomena saling berkaitan - jika bahan menunjukkan kesan piezoelektrik langsung, maka sebaliknya juga wujud di dalamnya, dan sebaliknya.

Fenomena ini diperhatikan dalam bahan dengan kekisi kristal jenis anisotropik (yang sifat fizikalnya berbeza bergantung pada arah) dengan asimetri yang mencukupi, serta beberapa struktur polihablur.

Dalam mana-mana badan pepejal, daya luaran yang dikenakan menyebabkan ubah bentuk dan tegasan mekanikal, dan dalam bahan dengan kesan piezoelektrik, ia juga menyebabkan polarisasi cas, dan polarisasi bergantung pada arah daya yang dikenakan. Apabila menukar arah pendedahan, kedua-dua arah polarisasi dan kekutuban cas berubah. Kebergantungan polarisasi pada tegasan mekanikal adalah linear dan diterangkan dengan ungkapan P=dt, di mana t ialah tegasan mekanikal, dan d ialah pekali yang dipanggil modul piezoelektrik (modul piezoelektrik).

Fenomena serupa berlaku dengan kesan piezoelektrik terbalik. Apabila arah medan elektrik yang digunakan berubah, arah ubah bentuk berubah. Di sini pergantungan juga linear: r=dE, di mana E ialah kekuatan medan elektrik dan r ialah terikan. Pekali d adalah sama untuk kesan piezoelektrik langsung dan songsang untuk semua bahan.

Sebenarnya, persamaan di atas hanyalah anggaran. Kebergantungan sebenar adalah lebih rumit dan juga ditentukan oleh arah daya berbanding paksi kristal.

Bahan dengan kesan piezoelektrik

Buat pertama kalinya, kesan piezoelektrik ditemui dalam kristal batu (kuarza). Sehingga hari ini, bahan ini sangat biasa dalam pengeluaran unsur piezoelektrik, tetapi bukan sahaja bahan semula jadi digunakan dalam pengeluaran.

Banyak piezoelektrik diperbuat daripada bahan dengan formula ABO.₃, cth. BaTiO₃, РbТiO₃. Bahan-bahan ini mempunyai struktur polihablur (terdiri daripada banyak kristal), dan untuk memberi mereka keupayaan untuk mempamerkan kesan piezoelektrik, mereka mesti tertakluk kepada polarisasi menggunakan medan elektrik luaran.

Terdapat teknologi yang memungkinkan untuk mendapatkan piezoelektrik filem (polyvinylidene fluoride, dll.). Untuk memberi mereka sifat yang diperlukan, mereka juga perlu dipolarisasi untuk masa yang lama dalam medan elektrik. Kelebihan bahan tersebut adalah ketebalan yang sangat kecil.

Sifat dan ciri bahan dengan kesan piezoelektrik

Memandangkan polarisasi berlaku hanya semasa ubah bentuk keanjalan, satu ciri penting bagi bahan piezoma ialah keupayaannya untuk menukar bentuk di bawah tindakan daya luar. Nilai keupayaan ini ditentukan oleh pematuhan anjal (atau ketegaran anjal).

Kristal dengan kesan piezoelektrik sangat elastik - apabila daya (atau tegasan luaran) dikeluarkan, ia kembali ke bentuk asalnya.

Piezocrystals juga mempunyai frekuensi resonan mekanikal mereka sendiri. Jika anda membuat kristal bergetar pada frekuensi ini, amplitud akan menjadi sangat besar.

 

Oleh kerana kesan piezoelektrik ditunjukkan bukan sahaja oleh kristal keseluruhan, tetapi juga oleh plat yang dipotong dalam keadaan tertentu, adalah mungkin untuk mendapatkan kepingan bahan piezoelektrik dengan resonans pada frekuensi yang berbeza, bergantung pada dimensi geometri dan arah pemotongan.

Juga, sifat getaran bahan piezoelektrik dicirikan oleh faktor kualiti mekanikal. Ia menunjukkan berapa kali amplitud ayunan pada frekuensi resonans meningkat dengan daya guna yang sama.

Terdapat pergantungan yang jelas tentang sifat piezoelektrik pada suhu, yang mesti diambil kira apabila menggunakan kristal. Kebergantungan ini dicirikan oleh pekali:

• pekali suhu frekuensi resonans menunjukkan berapa banyak resonans hilang apabila kristal dipanaskan / disejukkan;
• pekali pengembangan suhu menentukan berapa banyak dimensi linear plat piezoelektrik berubah dengan suhu.

Pada suhu tertentu, piezocrystal kehilangan sifatnya. Had ini dipanggil suhu Curie. Had ini adalah individu untuk setiap bahan. Sebagai contoh, untuk kuarza ia adalah +573 °C.

Penggunaan praktikal kesan piezoelektrik

Aplikasi unsur piezoelektrik yang paling terkenal adalah sebagai elemen pencucuhan. Kesan piezoelektrik digunakan dalam pemetik api poket atau pencucuh dapur untuk dapur gas. Apabila kristal ditekan, beza keupayaan timbul dan percikan api muncul di celah udara.

Kawasan aplikasi elemen piezoelektrik ini tidak habis. Kristal dengan kesan yang serupa boleh digunakan sebagai tolok terikan, tetapi kawasan penggunaan ini dihadkan oleh sifat kesan piezoelektrik untuk muncul hanya dalam dinamik - jika perubahan berhenti, isyarat berhenti menjana.

Piezocrystals boleh digunakan sebagai mikrofon - apabila terdedah kepada gelombang akustik, isyarat elektrik terbentuk. Kesan piezoelektrik terbalik juga membenarkan (kadangkala serentak) penggunaan elemen seperti pemancar bunyi. Apabila isyarat elektrik digunakan pada kristal, elemen piezoelektrik akan mula menghasilkan gelombang akustik.

Pemancar sedemikian digunakan secara meluas untuk mencipta gelombang ultrasonik, khususnya, dalam teknologi perubatan. Pada ini sifat resonan plat juga boleh digunakan.Ia boleh digunakan sebagai penapis akustik yang hanya memilih gelombang frekuensi semula jadi. Pilihan lain ialah menggunakan elemen piezoelektrik dalam penjana bunyi (siren, pengesan, dsb.) secara serentak sebagai elemen tetapan frekuensi dan pemancar bunyi. Dalam kes ini, bunyi akan sentiasa dijana pada frekuensi resonans, dan volum maksimum boleh diperolehi dengan penggunaan tenaga yang sedikit.

Sifat resonans digunakan untuk menstabilkan frekuensi penjana yang beroperasi dalam julat frekuensi radio. Plat kuarza memainkan peranan litar berayun yang sangat stabil dan berkualiti tinggi dalam litar tetapan frekuensi.

Masih terdapat projek hebat untuk menukar tenaga ubah bentuk anjal kepada tenaga elektrik pada skala perindustrian. Anda boleh menggunakan ubah bentuk turapan di bawah pengaruh graviti pejalan kaki atau kereta, sebagai contoh, untuk menerangi bahagian trek. Anda boleh menggunakan tenaga ubah bentuk sayap pesawat untuk menyediakan rangkaian pesawat. Penggunaan sedemikian dikekang oleh kecekapan elemen piezoelektrik yang tidak mencukupi, tetapi loji perintis telah pun diwujudkan, dan mereka telah menunjukkan janji peningkatan selanjutnya.

Artikel yang serupa: