Pietsosähköisen ilmiön löysivät ranskalaiset tutkijat Curien veljekset 1800-luvun lopulla. Tuolloin oli vielä liian aikaista puhua löydetyn ilmiön käytännön soveltamisesta, mutta tällä hetkellä pietsosähköisiä elementtejä käytetään laajasti sekä tekniikassa että jokapäiväisessä elämässä.
Sisältö
Pietsosähköisen vaikutuksen ydin
Kuuluisat fyysikot ovat todenneet, että kun jotkin kiteet (vuorikristalli, turmaliini jne.) muuttuvat muotoaan, niiden pintaan syntyy sähkövarauksia. Samaan aikaan potentiaaliero oli pieni, mutta se korjattiin luotettavasti tuolloin olemassa olevilla laitteilla, ja yhdistämällä osia, joissa oli vastakkaisia polaarisia varauksia johtimien avulla, oli mahdollista saada sähköä. Ilmiö korjaantui vain dynamiikassa, puristuksen tai venytyksen hetkellä. Staattisessa tilassa tapahtuva muodonmuutos ei aiheuttanut pietsosähköistä vaikutusta.
Pian päinvastainen vaikutus oli teoreettisesti perusteltu ja havaittu käytännössä - kun jännite käytettiin, kide muotoutui.Kävi ilmi, että molemmat ilmiöt ovat yhteydessä toisiinsa - jos aineella on suora pietsosähköinen vaikutus, niin siihen liittyy myös päinvastainen ja päinvastoin.
Ilmiö havaitaan aineissa, joissa on riittävän epäsymmetrinen anisotrooppinen kidehila (joiden fysikaaliset ominaisuudet vaihtelevat suunnasta riippuen) sekä joissakin monikiteisissä rakenteissa.
Missä tahansa kiinteässä kappaleessa kohdistetut ulkoiset voimat aiheuttavat muodonmuutoksia ja mekaanisia rasituksia, ja pietsosähköisissä aineissa ne aiheuttavat myös varausten polarisaatiota, ja polarisaatio riippuu kohdistetun voiman suunnasta. Kun valotussuuntaa muutetaan, sekä polarisaation suunta että varausten polariteetti muuttuvat. Polarisaation riippuvuus mekaanisesta jännityksestä on lineaarinen ja sitä kuvaa lauseke P=dt, jossa t on mekaaninen jännitys ja d on kerroin, jota kutsutaan pietsosähköiseksi moduuliksi (pietsosähköinen moduuli).
Samanlainen ilmiö tapahtuu käänteisellä pietsosähköisellä efektillä. Kun käytetyn sähkökentän suunta muuttuu, muodonmuutoksen suunta muuttuu. Tässäkin riippuvuus on lineaarinen: r=dE, missä E on sähkökentän voimakkuus ja r on venymä. Kerroin d on sama suorille ja käänteisille pietsosähköisille vaikutuksille kaikille aineille.
Itse asiassa yllä olevat yhtälöt ovat vain arvioita. Todelliset riippuvuudet ovat paljon monimutkaisempia, ja ne määräytyvät myös voimien suunnasta suhteessa kiteen akseleihin.
Aineet, joilla on pietsosähköinen vaikutus
Ensimmäistä kertaa pietsosähköinen vaikutus löydettiin vuorikiteistä (kvartsista). Tähän päivään asti tämä materiaali on hyvin yleinen pietsosähköisten elementtien tuotannossa, mutta tuotannossa ei käytetä vain luonnonmateriaaleja.
Monet pietsosähköiset tuotteet on valmistettu ABO-kaavan mukaisista aineista.3, esim. BaTiO3, РbТiO3. Näillä materiaaleilla on monikiteinen (monista kiteistä koostuva) rakenne, ja jotta ne pystyisivät osoittamaan pietsosähköistä vaikutusta, ne on polarisoitava ulkoisen sähkökentän avulla.
On olemassa tekniikoita, jotka mahdollistavat kalvopietsosähköisten materiaalien (polyvinylideenifluoridi jne.) valmistamisen. Jotta niille saadaan tarvittavat ominaisuudet, niitä on myös polarisoitava pitkään sähkökentässä. Tällaisten materiaalien etuna on erittäin pieni paksuus.
Pietsosähköisen vaikutuksen omaavien aineiden ominaisuudet
Koska polarisaatiota tapahtuu vain elastisen muodonmuutoksen aikana, pietsomateriaalin tärkeä ominaisuus on sen kyky muuttaa muotoa ulkoisten voimien vaikutuksesta. Tämän kyvyn arvon määrää elastinen mukautuvuus (tai elastinen jäykkyys).
Pietsosähköisen vaikutuksen omaavat kiteet ovat erittäin elastisia - kun voima (tai ulkoinen jännitys) poistetaan, ne palaavat alkuperäiseen muotoonsa.
Pietsokiteillä on myös oma mekaaninen resonanssitaajuus. Jos saat kiteen värähtelemään tällä taajuudella, amplitudi on erityisen suuri.
Koska pietsosähköinen vaikutus ei ilmene pelkästään kokonaisina kiteinä, vaan myös niistä tietyissä olosuhteissa leikatuista levyistä, on mahdollista saada pietsosähköisten aineiden paloja, joiden resonanssi on eri taajuuksilla, riippuen geometrisista mitoista ja leikkauksen suunnasta.
Myös pietsosähköisten materiaalien värähtelyominaisuuksille on tunnusomaista mekaaninen laatutekijä. Se osoittaa kuinka monta kertaa värähtelyjen amplitudi resonanssitaajuudella kasvaa yhtä suurella voimalla.
Pietsosähköisten ominaisuuksien riippuvuus lämpötilasta on selvä, mikä on otettava huomioon kiteitä käytettäessä. Tätä riippuvuutta kuvaavat kertoimet:
- resonanssitaajuuden lämpötilakerroin näyttää kuinka paljon resonanssi häviää, kun kidettä kuumennetaan / jäähdytetään;
- lämpötilalaajenemiskerroin määrittää, kuinka paljon pietsosähköisen levyn lineaariset mitat muuttuvat lämpötilan mukaan.
Tietyssä lämpötilassa pietsokiteet menettää ominaisuutensa. Tätä rajaa kutsutaan Curie-lämpötilaksi. Tämä raja on jokaiselle materiaalille yksilöllinen. Esimerkiksi kvartsilla se on +573 °C.
Pietsosähköisen efektin käytännöllinen käyttö
Pietsosähköisten elementtien tunnetuin sovellus on sytytyselementti. Pietsosähköistä efektiä käytetään taskusytyttimissä tai kaasuliesien keittiösytyttimissä. Kun kidettä painetaan, syntyy potentiaaliero ja ilmarakoon syntyy kipinä.
Tämä pietsosähköisten elementtien käyttöalue ei ole käytetty loppuun. Vaikutukseltaan samankaltaisia kiteitä voidaan käyttää venymäantureina, mutta tätä käyttöaluetta rajoittaa pietsosähköisen vaikutuksen ominaisuus ilmaantua vain dynamiikassa - jos muutokset pysähtyvät, signaali lakkaa syntymästä.
Pietsokyteitä voidaan käyttää mikrofonina - akustisille aalloille altistuessaan muodostuu sähköisiä signaaleja. Käänteinen pietsosähköinen efekti mahdollistaa myös (joskus samanaikaisesti) tällaisten elementtien käytön äänilähteinä. Kun kiteeseen kohdistetaan sähköinen signaali, pietsosähköinen elementti alkaa tuottaa akustisia aaltoja.
Tällaisia emittereitä käytetään laajalti ultraääniaaltojen luomiseen, erityisesti lääketieteellisessä tekniikassa. klo Tämä levyn resonanssiominaisuuksia voidaan myös käyttää.Sitä voidaan käyttää akustisena suodattimena, joka valitsee vain luonnollisen taajuuden aallot. Toinen vaihtoehto on käyttää pietsosähköistä elementtiä äänigeneraattorissa (sireeni, ilmaisin jne.) samanaikaisesti taajuutta asettavana ja ääntä lähettävänä elementtinä. Tässä tapauksessa ääni syntyy aina resonanssitaajuudella ja maksimivoimakkuus voidaan saavuttaa pienellä energiankulutuksella.
Resonanssiominaisuuksia käytetään radiotaajuusalueella toimivien generaattoreiden taajuuksien stabilointiin. Kvartsilevyillä on erittäin stabiilien ja laadukkaiden värähtelypiirien rooli taajuudensäätöpiireissä.
Edelleen on olemassa fantastisia hankkeita elastisen muodonmuutoksen energian muuntamiseksi sähköenergiaksi teollisessa mittakaavassa. Voit käyttää päällysteen muodonmuutosta jalankulkijoiden tai autojen painovoiman vaikutuksesta esimerkiksi raiteiden osien valaisemiseen. Voit käyttää lentokoneen siipien muodonmuutosenergiaa lentokoneverkoston luomiseen. Tällaista käyttöä rajoittaa pietsosähköisten elementtien riittämätön tehokkuus, mutta pilottilaitoksia on jo luotu, ja ne ovat osoittaneet lupauksia lisäparannuksista.
Samanlaisia artikkeleita:
