Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τους Γάλλους επιστήμονες τους αδελφούς Κιουρί στα τέλη του 19ου αιώνα. Εκείνη την εποχή, ήταν πολύ νωρίς για να μιλήσουμε για την πρακτική εφαρμογή του φαινομένου που ανακαλύφθηκε, αλλά προς το παρόν, τα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία χρησιμοποιούνται ευρέως τόσο στην τεχνολογία όσο και στην καθημερινή ζωή.
Περιεχόμενο
Η ουσία του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου
Διάσημοι φυσικοί έχουν διαπιστώσει ότι όταν κάποιοι κρύσταλλοι (πετροκύσταλλοι, τουρμαλίνη κ.λπ.) παραμορφώνονται, δημιουργούνται ηλεκτρικά φορτία στα πρόσωπά τους. Ταυτόχρονα, η διαφορά δυναμικού ήταν μικρή, αλλά διορθώθηκε με σιγουριά από τις συσκευές που υπήρχαν εκείνη την εποχή και συνδέοντας τμήματα με αντίθετα πολικά φορτία χρησιμοποιώντας αγωγούς, ήταν δυνατό να ληφθεί ηλεκτρική ενέργεια. Το φαινόμενο διορθώθηκε μόνο στη δυναμική, τη στιγμή της συμπίεσης ή του τεντώματος. Η παραμόρφωση στη στατική λειτουργία δεν προκάλεσε πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.
Σύντομα, το αντίθετο αποτέλεσμα δικαιολογήθηκε θεωρητικά και ανακαλύφθηκε στην πράξη - όταν εφαρμόστηκε μια τάση, ο κρύσταλλος παραμορφώθηκε.Αποδείχθηκε ότι και τα δύο φαινόμενα είναι αλληλένδετα - εάν μια ουσία εμφανίζει άμεσο πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα, τότε το αντίθετο είναι επίσης εγγενές σε αυτήν και το αντίστροφο.
Το φαινόμενο παρατηρείται σε ουσίες με κρυσταλλικό πλέγμα ανισότροπου τύπου (των οποίων οι φυσικές ιδιότητες είναι διαφορετικές ανάλογα με την κατεύθυνση) με επαρκή ασυμμετρία, καθώς και σε ορισμένες πολυκρυσταλλικές δομές.
Σε κάθε στερεό σώμα, οι ασκούμενες εξωτερικές δυνάμεις προκαλούν παραμόρφωση και μηχανικές καταπονήσεις και σε ουσίες με πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα προκαλούν επίσης πόλωση φορτίων και η πόλωση εξαρτάται από την κατεύθυνση της ασκούμενης δύναμης. Όταν αλλάζετε την κατεύθυνση της έκθεσης, αλλάζουν τόσο η κατεύθυνση της πόλωσης όσο και η πολικότητα των φορτίων. Η εξάρτηση της πόλωσης από τη μηχανική τάση είναι γραμμική και περιγράφεται με την έκφραση P=dt, όπου t είναι η μηχανική τάση, και d είναι ένας συντελεστής που ονομάζεται πιεζοηλεκτρική μονάδα (πιεζοηλεκτρική μονάδα).
Παρόμοιο φαινόμενο συμβαίνει με το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Όταν η κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου αλλάζει, αλλάζει η κατεύθυνση της παραμόρφωσης. Εδώ η εξάρτηση είναι επίσης γραμμική: r=dE, όπου E είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και r είναι η τάση. Ο συντελεστής d είναι ο ίδιος για άμεσες και αντίστροφες πιεζοηλεκτρικές επιδράσεις για όλες τις ουσίες.
Στην πραγματικότητα, οι παραπάνω εξισώσεις είναι μόνο εκτιμήσεις. Οι πραγματικές εξαρτήσεις είναι πολύ πιο περίπλοκες και καθορίζονται επίσης από την κατεύθυνση των δυνάμεων σε σχέση με τους άξονες των κρυστάλλων.
Ουσίες με πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα
Για πρώτη φορά, το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο βρέθηκε σε κρυστάλλους βράχου (χαλαζίας). Μέχρι σήμερα, αυτό το υλικό είναι πολύ διαδεδομένο στην παραγωγή πιεζοηλεκτρικών στοιχείων, αλλά δεν χρησιμοποιούνται μόνο φυσικά υλικά στην παραγωγή.
Πολλά πιεζοηλεκτρικά παράγονται από ουσίες με τύπο ABO.3, π.χ. BaTiO3, РbТiO3. Αυτά τα υλικά έχουν πολυκρυσταλλική (αποτελούμενη από πολλούς κρυστάλλους) δομή και για να τους δοθεί η ικανότητα να παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, πρέπει να υποβληθούν σε πόλωση χρησιμοποιώντας εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο.
Υπάρχουν τεχνολογίες που καθιστούν δυνατή τη λήψη πιεζοηλεκτρικών μεμβράνης (φθοριούχο πολυβινυλιδένιο κ.λπ.). Για να τους δοθούν οι απαραίτητες ιδιότητες, χρειάζεται επίσης να πολωθούν για μεγάλο χρονικό διάστημα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Το πλεονέκτημα τέτοιων υλικών είναι ένα πολύ μικρό πάχος.
Ιδιότητες και χαρακτηριστικά ουσιών με πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα
Δεδομένου ότι η πόλωση συμβαίνει μόνο κατά την ελαστική παραμόρφωση, ένα σημαντικό χαρακτηριστικό ενός πιεζοϋλικού είναι η ικανότητά του να αλλάζει σχήμα υπό τη δράση εξωτερικών δυνάμεων. Η αξία αυτής της ικανότητας καθορίζεται από την ελαστική συμμόρφωση (ή την ελαστική ακαμψία).
Οι κρύσταλλοι με πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα είναι εξαιρετικά ελαστικοί - όταν αφαιρεθεί η δύναμη (ή η εξωτερική πίεση), επιστρέφουν στο αρχικό τους σχήμα.
Οι πιεζοκρύσταλλοι έχουν επίσης τη δική τους μηχανική συχνότητα συντονισμού. Εάν κάνετε τον κρύσταλλο να δονείται σε αυτή τη συχνότητα, το πλάτος θα είναι ιδιαίτερα μεγάλο.
Δεδομένου ότι το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο εκδηλώνεται όχι μόνο από ολόκληρους κρυστάλλους, αλλά και από πλάκες τους κομμένες υπό ορισμένες συνθήκες, είναι δυνατό να ληφθούν κομμάτια πιεζοηλεκτρικών ουσιών με συντονισμό σε διαφορετικές συχνότητες, ανάλογα με τις γεωμετρικές διαστάσεις και την κατεύθυνση της κοπής.
Επίσης, οι δονητικές ιδιότητες των πιεζοηλεκτρικών υλικών χαρακτηρίζονται από μηχανικό παράγοντα ποιότητας. Δείχνει πόσες φορές αυξάνεται το πλάτος των ταλαντώσεων στη συχνότητα συντονισμού με ίση εφαρμοζόμενη δύναμη.
Υπάρχει μια σαφής εξάρτηση των ιδιοτήτων ενός πιεζοηλεκτρικού από τη θερμοκρασία, η οποία πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τη χρήση κρυστάλλων. Αυτή η εξάρτηση χαρακτηρίζεται από τους συντελεστές:
- ο συντελεστής θερμοκρασίας της συχνότητας συντονισμού δείχνει πόσο εξαφανίζεται ο συντονισμός όταν ο κρύσταλλος θερμαίνεται / ψύχεται.
- ο συντελεστής διαστολής θερμοκρασίας καθορίζει πόσο αλλάζουν οι γραμμικές διαστάσεις της πιεζοηλεκτρικής πλάκας με τη θερμοκρασία.
Σε μια ορισμένη θερμοκρασία, ο πιεζοκρύσταλλος χάνει τις ιδιότητές του. Αυτό το όριο ονομάζεται θερμοκρασία Κιουρί. Αυτό το όριο είναι ατομικό για κάθε υλικό. Για παράδειγμα, για τον χαλαζία είναι +573 °C.
Πρακτική χρήση του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου
Η πιο διάσημη εφαρμογή πιεζοηλεκτρικών στοιχείων είναι ως στοιχείο ανάφλεξης. Το πιεζοηλεκτρικό εφέ χρησιμοποιείται σε αναπτήρες τσέπης ή αναφλεκτήρες κουζίνας για εστίες αερίου. Όταν πιέζεται ο κρύσταλλος, προκύπτει μια διαφορά δυναμικού και εμφανίζεται ένας σπινθήρας στο διάκενο αέρα.
Αυτός ο τομέας εφαρμογής των πιεζοηλεκτρικών στοιχείων δεν έχει εξαντληθεί. Κρύσταλλοι με παρόμοιο αποτέλεσμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μετρητές καταπόνησης, αλλά αυτή η περιοχή χρήσης περιορίζεται από την ιδιότητα του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου να εμφανίζεται μόνο στη δυναμική - εάν σταματήσουν οι αλλαγές, το σήμα σταματά να παράγει.
Οι πιεζοκρύσταλλοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μικρόφωνο - όταν εκτίθενται σε ακουστικά κύματα, σχηματίζονται ηλεκτρικά σήματα. Το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο επιτρέπει επίσης (μερικές φορές ταυτόχρονα) τη χρήση τέτοιων στοιχείων ως εκπομπών ήχου. Όταν ένα ηλεκτρικό σήμα εφαρμόζεται στον κρύσταλλο, το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο θα αρχίσει να παράγει ακουστικά κύματα.
Τέτοιοι πομποί χρησιμοποιούνται ευρέως για τη δημιουργία υπερηχητικών κυμάτων, ιδίως στην ιατρική τεχνολογία. Στο Αυτό μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν οι ιδιότητες συντονισμού της πλάκας.Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ακουστικό φίλτρο που επιλέγει μόνο φυσικά κύματα συχνότητας. Μια άλλη επιλογή είναι να χρησιμοποιήσετε ένα πιεζοηλεκτρικό στοιχείο σε μια γεννήτρια ήχου (σειρήνα, ανιχνευτής κ.λπ.) ταυτόχρονα ως στοιχείο ρύθμισης συχνότητας και εκπομπής ήχου. Σε αυτήν την περίπτωση, ο ήχος θα παράγεται πάντα στη συχνότητα συντονισμού και η μέγιστη ένταση μπορεί να επιτευχθεί με μικρή κατανάλωση ενέργειας.
Οι ιδιότητες συντονισμού χρησιμοποιούνται για τη σταθεροποίηση των συχνοτήτων των γεννητριών που λειτουργούν στην περιοχή ραδιοσυχνοτήτων. Οι πλάκες χαλαζία παίζουν το ρόλο των εξαιρετικά σταθερών και υψηλής ποιότητας ταλαντωτικών κυκλωμάτων σε κυκλώματα ρύθμισης συχνότητας.
Υπάρχουν ακόμα φανταστικά έργα για τη μετατροπή της ενέργειας της ελαστικής παραμόρφωσης σε ηλεκτρική ενέργεια σε βιομηχανική κλίμακα. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την παραμόρφωση του οδοστρώματος υπό την επίδραση της βαρύτητας των πεζών ή των αυτοκινήτων, για παράδειγμα, για να φωτίσετε τμήματα των τροχιών. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την ενέργεια παραμόρφωσης των φτερών του αεροσκάφους για την παροχή του δικτύου αεροσκαφών. Αυτή η χρήση περιορίζεται από την ανεπαρκή απόδοση των πιεζοηλεκτρικών στοιχείων, αλλά έχουν ήδη δημιουργηθεί πιλοτικές μονάδες και έχουν δείξει την υπόσχεση περαιτέρω βελτίωσης.
Παρόμοια άρθρα:
