Přímé a zpětné piezoelektrické jevy. Abecední rejstřík Popis piezoelektrického jevu

Piezoelektrický jev (piezoelektrický jev) pozorujeme u krystalů některých látek, které mají určitou symetrii. Mezi nejběžnější piezoelektrické minerály v přírodě patří křemen, turmalín, sfalerit a nefelín. Některá polykrystalická dielektrika s uspořádanou strukturou (keramické materiály a polymery) mají piezoelektrický efekt. Dielektrika, která mají piezoelektrický efekt, se nazývajípiezoelektrika.

Rýže. 1

Vnější mechanické síly, působící v určitých směrech na piezoelektrický krystal, v něm způsobují nejen mechanickou deformaci (jako v každém pevném tělese), ale také elektrickou polarizaci, tj. výskyt elektrických nábojů různých znaků na jeho površích (obr. 1a, Obr. F- působící síly, P - vektor elektrické polarizace). Když jsou mechanické síly v opačném směru, mění se znaménka nábojů(obr. 1b). Tento jev se nazývápřímý piezoelektrický jev(obr. 2a).

Rýže. 2

Ale piezoelektrický jev je vratný. Když je piezoelektrikum vystaveno elektrickému poli v příslušném směru, dochází v něm k mechanickým deformacím (obr. 1c).Při změně směru elektrického pole se odpovídajícím způsobem mění i deformace(obr. 1d). Tento jev se nazýváreverzní piezoelektrický jev(Obr. 2b).

Piezoelektrický jevje vysvětleno následovně. V krystalové mřížce dochází v důsledku nesouladu středů kladných a záporných iontů k objemovému elektrickému náboji. V nepřítomnosti vnějšího elektrického pole se tato polarizace neprojeví, protože je kompenzována náboji na povrchu. Když je krystal deformován, kladné a záporné ionty mřížky jsou vůči sobě posunuty a elektrický moment krystalu se odpovídajícím způsobem mění, což způsobuje výskyt potenciálů na povrchu. Právě tato změna elektrického točivého momentu se projevuje piezoelektrickým efektem. Piezoelektrický jev závisí nejen na velikosti mechanického nebo elektrického nárazu, ale také na povaze a směru sil vzhledem ke krystalografickým osám krystalu.

Deformace piezoelektrika vyplývající z piezoelektrického jevu jsou v absolutní hodnotě nevýznamné. Například křemenná deska o tloušťce 1 mm pod vlivem napětí 100 V změní svou tloušťku pouze o 0,23 mikronu. Nevýznamnost deformace piezoelektrik se vysvětluje jejich velmi vysokou tuhostí.

Přímé a inverzní piezoelektrické jevy jsou lineární a jsou popsány lineárními závislostmi spojujícími elektrickou polarizaci P s mechanickým napětím g:

Р=αg (1).

Tato závislost se nazývá rovnice přímého piezoelektrického jevu. Koeficient úměrnosti α se nazývá piezoelektrický modul (piezoelektrický modul). Slouží jako měřítko piezoelektrického jevu. Inverzní piezoelektrický jev je popsán závislostí

r=αE (2),

kde r je deformace;

E je intenzita elektrického pole.

Rýže. 3

Piezoelektrický modul α pro přímé a zpětné účinky má stejnou hodnotu. Piezoelektrické zářiče nemají žádné mechanické kontakty a sestávají z keramického prvku namontovaného na kovovém disku (obr. 3).Vibrace disku je způsobena napětím, které je na něj aplikováno. Střídavé napětí o určité frekvenci vytváří zvukový signál. Piezoelektrické zářiče nepodléhají mechanickému opotřebení konstrukčních prvků, mají nízkou spotřebu energie a nemají elektrický šum. Pomocí piezokeramiky je možné získat značnou hlasitost zvuku. Některé vzorky piezokeramických měničů mohou vyvinout akustický tlak na vzdálenost 1 m až 130 dB (úroveň prahu bolesti)

Rýže. 4

Piezoelektrické zářiče jsou k dispozici ve dvou modifikacích:

- „čisté“ měniče (bez řídicího obvodu) - piezo zvony;
- zářiče s řídícím obvodem (se zabudovaným generátorem) - sirény.

Aby měniče prvního typu generovaly zvuky, jsou zapotřebí generované řídicí signály (sinusovka nebo obdélníková vlna o určité frekvenci specifikované pro konkrétní model měniče). Zářiče s vestavěným generátorem vyžadují pouze určitou úroveň napětí. Taková zařízení jsou k dispozici pro jmenovitá napětí od 1 do 250 V (DC a AC).

Například piezokeramický zvonek (piezo bzučák) ZP-1 (obr. 4)sestává ze dvou piezoelektrických bloků, přičemž membrána každého z nich je vyrobena ve formě mělké destičky o vnějším průměru 32 mm. Desky jsou naskládány proti sobě a připájeny podél vnějšího okraje. Piezoprvky ve zvonu jsou spojeny tak, že při přivedení střídavého napětí se plochy destiček buď sbíhají nebo rozcházejí, tzn. na obou stranách zvonu jsou vytvořeny zóny stlačení a zředění. Rezonanční frekvence zvonu je 2 kHz.

Rýže. 5

Vytváří akustický tlak 75 dB na vzdálenost 1 m při napětí na rezonanční frekvenci 10 V. Tento zvon vysílá zvukové vlny rovnoměrně do obou poloprostorů. V tabulce 1jsou uvedeny parametry dalších piezozářičů, jejichž vzhled je na obr. 5. Obr. Na obr.6 jsou uvedeny amplitudově-frekvenční charakteristiky piezoelementů: PVA-1- Obr.6a a ZP-5 - Obr.6b.

Tabulka 1 charakteristiky piezoelektrických zářičů

Typ	Zvuk tlak, DB	Pracovní Napětí,	Rezonanční frekvence, kHz	Rozměry, mm
Typ	Zvuk tlak, DB	Pracovní Napětí,	Rezonanční frekvence, kHz	Průměr	Výška
ZP-1			1...3
ZP-3			4,1 ± 0,05	42,7
ZP-4			4,1 ± 0,05
ZP-5			1...3
ZP-6			4,1 ± 0,05
ZP-18			4,1 ± 0,05
ZP-19
ZP-22*			1 ...3,5
ZP-25			4,1 ± 0,05
ZP-31
PVA-1
PPA-1

Poznámka: * - navrženo pro provoz v samooscilačním režimu.

Rýže. 6, amplitudově-frekvenční charakteristiky piezoelementů

A. Kaškarov

Obsah:
Piezoelektrický jev
Piezoelektrika - monokrystaly
Křemen
Turmalín
Rochelle sůl
Dihydrogenfosforečnan amonný
Vinan draselný
Lithium niobát
Polykrystalická piezoelektrika
Piezoelektrické textury
Piezoelektrická keramika
Vlastnosti technologie výroby keramických piezoelementů
Průmyslové piezokeramické materiály a piezoelektrika - polymery
Materiály na bázi titaničitanu barnatého
Materiály na bázi tuhých roztoků titaničitanu - zirkoničitanu olovnatého
Materiály na bázi metaniobátu olova
Piezoelektrika - polymery

Piezoelektrický jev

V roce 1756 ruský akademik F. Epinus zjistil, že když se turmalínový krystal zahřeje, objeví se na jeho tvářích elektrické náboje. Tento jev dostal později název pyroelektrický efekt. F. Epinus předpokládal, že příčinou elektrických jevů pozorovaných při změnách teploty je nerovnoměrné zahřívání dvou povrchů, vedoucí ke vzniku mechanických pnutí v krystalu. Zároveň upozornil, že stálost rozložení pólů na určitých koncích krystalu závisí na jeho struktuře a složení, čímž se F. Epinus přiblížil objevu piezoelektrického jevu.

Piezoelektrický jev v krystalech objevili v roce 1880 bratři P. a J. Curieovi, kteří pod vlivem mechanického namáhání pozorovali výskyt elektrostatických nábojů na povrchu desek vyřezaných z krystalu křemene při určité orientaci. Tyto náboje jsou úměrné mechanickému namáhání, mění s ním znaménko a po jeho odstranění zmizí.

Vznik elektrostatických nábojů na povrchu dielektrika a vznik elektrické polarizace uvnitř dielektrika v důsledku vystavení mechanickému namáhání se nazývá přímý piezoelektrický jev.

Inverzní piezoelektrický jev by neměl být zaměňován s jevem elektrostrikce, tj. s deformací dielektrika vlivem elektrického pole. U elektrostrikce existuje kvadratický vztah mezi deformací a polem a u piezoelektrického jevu lineární vztah. Kromě toho dochází k elektrostrikci v dielektriku jakékoli struktury a vyskytuje se dokonce i v kapalinách a plynech, zatímco piezoelektrický jev je pozorován pouze u pevných dielektrik, převážně krystalických.

Piezoelektřina se objevuje pouze v těch případech, kdy je pružná deformace krystalu doprovázena posunem těžišť kladných a záporných nábojů elementární buňky krystalu, tj. když způsobí individuální dipólový moment, který je nutný. pro vznik elektrické polarizace dielektrika vlivem mechanického namáhání. Ve strukturách, které mají střed symetrie, nemůže žádná rovnoměrná deformace narušit vnitřní rovnováhu krystalové mřížky, a proto je piezoelektrických pouze 20 tříd krystalů, které střed symetrie nemají. Absence středu symetrie je nutnou, ale ne postačující podmínkou pro existenci piezoelektrického jevu, a proto jej nemají všechny acentrické krystaly.

Piezoelektrický efekt nelze pozorovat u pevných amorfních a kryptokrystalických dielektrik (téměř izotropních), protože to odporuje jejich sférické symetrii. Výjimkou je situace, kdy se vlivem vnějších sil stávají anizotropními a tím částečně získávají vlastnosti monokrystalů. Piezoelektrický efekt je také možný u některých typů krystalických textur.

Piezoelektrický jev dosud nenašel uspokojivý kvantitativní popis v rámci moderní atomové teorie krystalové mřížky. I pro struktury nejjednoduššího typu není možné ani přibližně vypočítat řád piezoelektrických konstant.

V současné době byla vyvinuta fenomenologická teorie piezoelektrického jevu, spojující deformace a mechanická napětí s elektrickým polem a polarizací v krystalech. Byl vytvořen systém parametrů, které určují účinnost krystalu jako piezoelektrika. Piezoelektrický modul (piezomodulus) d určuje polarizaci krystalu (nebo hustotu náboje) při daném použitém mechanickém namáhání; piezoelektrická konstanta určuje mechanické síly, které vznikají v upnutém krystalu vlivem elektrického pole; piezoelektrická konstanta g charakterizuje elektrické napětí v otevřeném obvodu při daném mechanickém namáhání; a konečně piezoelektrická konstanta h určuje elektrické napětí v otevřeném obvodu pro danou mechanickou deformaci. Tyto konstanty jsou příbuzné veličiny a jsou vzájemně vztaženy vztahy, které zahrnují elastické konstanty a dielektrickou konstantu krystalů, lze tedy použít kteroukoli z nich. Nejčastěji používaný piezoelektrický modul je d. Piezoelektrické konstanty jsou tenzory, a proto může mít každý krystal několik nezávislých piezomodulů.

Obecně platí, že rovnice pro přímý piezoelektrický jev pod vlivem rovnoměrného mechanického napětí Tr je napsána takto:

Kde Pi je složka polarizačního vektoru; dir - piezomodul; Tr je složka mechanického napětí.

Rovnice inverzního piezoelektrického jevu je napsána takto:

kde Xi je složka elastické deformace; Er je složka síly elektrického pole.

Každé piezoelektrikum je elektromechanický měnič, takže jeho důležitou charakteristikou je elektromechanický vazební koeficient r. Druhá mocnina tohoto koeficientu představuje poměr energie projevené v mechanické podobě pro daný typ deformace k celkové elektrické energii přijaté na vstupu ze zdroje energie.

V mnoha případech jsou piezoelektrika zásadní díky svým elastickým vlastnostem, které jsou popsány moduly pružnosti C (Young moduli Eyu) nebo jejich převrácenými veličinami – elastickými konstantami S.

V současné době je známo mnoho látek (více než 500), které prokázaly piezoelektrickou aktivitu. Praktické uplatnění však najde jen několik z nich.

Piezoelektrika - monokrystaly

Křemen. Křemen je v přírodě rozšířený minerál, pod teplotou 573 Celsia krystalizuje v trigonálně-lichoběžníkové třídě hexagonálního systému. Patří do enantiomorfní třídy a v přírodě se vyskytuje ve dvou modifikacích: pravá a levá.

Chemické složení křemene je bezvodý oxid křemičitý (SiO2) s molekulovou hmotností 60,06.

Křemen je jedním z nejtvrdších minerálů a má vysokou chemickou odolnost.

Vnější formy přírodních krystalů křemene jsou velmi rozmanité. Nejběžnějším tvarem je kombinace šestibokého hranolu a kosočtverců (pyramidových ploch). Čela hranolu se směrem k základně krystalu rozšiřují a na povrchu mají horizontální stínování.

Křemen vhodný pro použití v piezoelektrických zařízeních se v přírodě nachází ve formě krystalů, jejich úlomků a zaoblených oblázků. Barva se pohybuje od bezbarvé-transparentní (horský krystal) po černou (morion).

Krystaly přírodního křemene obvykle obsahují různé vady, které snižují jejich hodnotu. Mezi defekty patří zahrnutí cizích minerálů (rutilový chlorit), praskliny, bubliny, duchové, modré jehlice, pruhy a dvojčata.

V současnosti se vedle přírodních používají syntetické krystaly křemene pěstované v autoklávech za zvýšených teplot a tlaků z alkalických roztoků nasycených oxidem křemičitým.

Piezoelektrické vlastnosti křemene jsou široce používány v technologii ke stabilizaci a filtrování rádiových frekvencí, generování ultrazvukových vibrací a měření mechanických veličin (piezometrie).

Turmalín. Turmalín krystalizuje v trigonálně-pyramidální třídě trigonálního systému. Krystaly jsou hranolovité s podélným šrafováním, protáhlé, často jehličkovité.

Z hlediska chemického složení je turmalín komplexní borosilikát hlinitý s příměsí hořčíku, železa nebo alkalických kovů (Na, Li, K).

Barva se pohybuje od černé po zelenou, také červenou až po jednu, méně často bezbarvá. Při tření zelektrizuje a má silný pyroelektrický efekt.

Turmalín je v přírodě rozšířený, ale ve většině případů jsou krystaly plné prasklin. Bezvadné krystaly vhodné pro piezoelektrické rezonátory jsou vzácné.

Hlavní výhodou turmalínu je vyšší hodnota parciálního koeficientu ve srovnání s křemenem. Díky tomu, stejně jako díky větší mechanické pevnosti turmalínu, je možné vyrábět rezonátory pro vyšší frekvence.

V současné době se turmalín téměř nepoužívá pro výrobu piezoelektrických rezonátorů a má omezené použití pro měření hydrostatického tlaku.

Rochette sůl. Rochellova sůl krystalizuje v kosočtverečné třídě kosočtvercového systému. Příslušnost k enantiomorfní třídě určuje teoretickou možnost existence pravotočivých a levotočivých krystalů Rochelleovy soli. Krystaly soli Rochelle získané z vinařského odpadu jsou však pouze pravostranné.

K ochraně před vlhkostí jsou piezoelementy vyrobené z Rochelle soli potaženy tenkými vrstvami laku.

Piezoelektrické prvky vyrobené z Rochelleovy soli byly široce používány v zařízeních pracujících v relativně úzkém teplotním rozsahu, zejména ve snímačích zvuku. V současnosti jsou však téměř zcela nahrazeny keramickými piezoelementy.

Dihydrogenfosforečnan amonný. Dihydrogenfosforečnan amonný krystalizuje v tetragonálním systému. Krystaly jsou kombinací čtyřhranného jehlanu a hranolu.

Krystaly dihydrogenfosforečnanu neobsahují krystalizovanou vodu a nedehydrují. Při 93% relativní vlhkosti začnou krystaly absorbovat vlhkost a rozpouštět se.

Dihydrogenfosforečnan amonný taje při teplotě 190 stupňů Celsia, ale nad 100 stupňů se z povrchu krystalu začíná odpařovat amoniak. To omezuje horní hranici provozních teplot.

V současné době je v důsledku rozsáhlého rozvoje piezoelektrické keramiky použití dihydrogenfosforečnanu amonného omezené.

Vinan draselný. Vinan draselný (symbol VK) krystalizuje v monokrystalickém systému.

Rezonátory vyrobené z VC mají vysoké kvalitativní faktory a elektromechanické vazební koeficienty. Mohou nahradit křemen v dálkových filtrech.

Niobát lithný. Niobát lithný je syntetický krystal, který krystalizuje v ditrigonálně-pyramidální třídě romboedrického systému.

Nioban lithný je nerozpustný ve vodě, nerozkládá se při vysokých teplotách a má vysokou mechanickou pevnost. Z hlediska elektrických vlastností se jedná o feroelektrikum s Curieovou teplotou asi 1200 stupňů Celsia.

Pro své vysoké piezoelektrické a mechanické vlastnosti včetně vysokého kvalitativního faktoru je lithium niobát perspektivním materiálem pro výrobu měničů pro různé účely. Tenké (asi jeden mikrometr tlusté) filmy niobátu lithného, získané katodovým naprašováním ve vakuu, jsou orientované polykrystalické textury, které lze použít jako emitory a přijímače ultrazvukových vibrací v mikrovlnné oblasti.

Polykrystalická piezoelektrika.

Piezoelektrické textury. Textury, které jsou souborem piezoelektrických krystalů orientovaných určitým způsobem v prostoru a bez středu symetrie, mohou mít piezoelektrický efekt. Piezoelektrický efekt v texturách soli Rochelle objevil A. V. Shubnikov; Stanovil také základní principy piezoelektrického jevu v podobných médiích. Piezotextury Rochelleovy soli, získané nanesením roztavené Rochelleovy soli na substrát pomocí štětce, mají jeden piezomodul d14 Rochelleovy soli.

V současné době nejsou takové textury prakticky zajímavé. Nejhodnotnější imebt textura založená na polarizované piezoelektrické keramice.

Piezoelektrická keramika. Feroelektrické vlastnosti takových materiálů určují možnost piezoelektrického jevu. Vlivem konstantního elektrického pole jsou některé z domén orientovány ve směru aplikovaného pole. Po odstranění vnějšího pole je většina domén držena ve své nové poloze díky vnitřnímu poli, které vzniká v důsledku paralelní orientace polarizačních směrů domén. Díky tomu se z keramiky stává polární textura, která má piezoelektrický efekt.

Keramická technologie výroby piezoelementů neklade zásadní omezení na jejich tvar a velikost. Tyto okolnosti, stejně jako vysoké hodnoty piezoelektrických charakteristik, vedly k širokému využití keramických piezoelementů v technologii, zejména v zařízeních pro vyzařování a přijímání ultrazvukových vibrací.

Vlastnosti technologie výroby keramických piezoelementů. Charakteristickým rysem výrobního procesu piezokeramických výrobků je jejich polarizace silným konstantním elektrickým polem, které se obvykle aplikuje po přiložení elektrod na slinutý obrobek získaný některou z metod keramické technologie.

Průmyslové piezokeramické materiály a piezokeramické polymery.

Materiály s různými vlastnostmi se dělí na značky (podle složení a vlastností) a funkční skupiny (podle účelu).

Materiály funkční skupiny 1 se používají pro výrobu vysoce citlivých piezoelektrických prvků pracujících v režimu příjmu nebo vyzařování mechanických vibrací. Materiály funkční skupiny 2 jsou určeny pro piezoelementy pracující v podmínkách silného elektrického pole nebo vysokého mechanického namáhání. Materiály funkční skupiny 3 se používají pro výrobu piezoprvků se zvýšenou stabilitou rezonančních frekvencí v závislosti na teplotě a čase a materiály funkční skupiny 4 se používají pro vysokoteplotní piezoprvky.

Podívejme se nyní na vlastnosti různých typů piezokeramiky.

Materiály na bázi titaničitanu barnatého. Titaničitan barnatý je feroelektrický. Piezokeramika z titaničitanu barnatého (TB-1) je široce používána pro výrobu měničů, na které se nevztahují přísné požadavky na teplotní a časovou stabilitu charakteristik. Absence těkavých složek ve formulaci titaničitanu barnatého během výpalu a jednoduchost technologie výroby piezoelektrických prvků činí tento materiál stále technologicky rozšířeným.

Materiály na bázi tuhých roztoků titaničitanu - zirkoničitanu olovnatého. Pevné roztoky titaničitanu olovnatého mají velmi vysoké piezoelektrické vlastnosti. Na základě těchto pevných roztoků byla vyvinuta řada technologických piezokeramických materiálů s kódovým označením PZT (v zahraničí PZT).

Technologie výroby výrobků z materiálů jako je PZT je komplikovaná tím, že obsahují oxid olovnatý, který při vysokoteplotním výpalu částečně těká, což vede ke špatné reprodukovatelnosti vlastností. Proto se vypalování polotovarů piezoelektrických prvků provádí v atmosféře par oxidu olovnatého, pro které jsou polotovary umístěny v těsně uzavřených kapslích obsahujících zásyp sloučenin oxidu olovnatého. Díky vysokým vlastnostem tohoto typu materiálů jsou však velmi běžné pro výrobu piezoelektrických měničů pro různé účely: pro elektroakustická zařízení, ultrazvukovou techniku, piezometrii a také některé typy rádiových filtrů.

Materiály na bázi metaniobátu olovnatého. Pevné roztoky methaniobičitanů olova a barya mají vysoký Curieův bod. Materiály na nich založené jsou stabilní v širokém teplotním rozsahu piezoelektrických modulů a rezonančních frekvencí. Technologie výroby výrobků z nich je jednodušší než z materiálů značky PZT, protože oxid olovnatý obsažený v niobátové keramice je při vypalování prakticky netěkavý.

Piezoelektrika jsou polymery. Některé polymerní materiály ve formě mechanicky orientovaných filmů polarizovaných v elektrickém poli mají polární textury, ve kterých je pozorován piezoelektrický efekt. Mezi nimi je praktický zájem o polyvinylidenfluorid (PVDF). Když jsou filmy taženy z tohoto polymeru o 300...400%, jsou orientovány tak, aby vytvořily speciální konformaci, která po polarizaci v silném elektrickém poli získá piezoelektrický efekt.

Reference:

Handbook of Electrical Materials Volume 3

V roce 1756 ruský akademik F. Epinus zjistil, že při zahřívání krystalu turmalínu se na jeho tvářích objevují elektrostatické náboje. Následně dostal atomový jev název pyroelektrický efekt. F. Epinus předpokládal, že příčinou elektrických jevů pozorovaných při změnách teploty je nerovnoměrné zahřívání dvou povrchů, vedoucí ke vzniku mechanického napětí v krystalu. Zároveň upozornil, že stálost rozložení pólů na určitých koncích krystalu závisí na jeho struktuře a složení, čímž se F. Epinus přiblížil objevu piezoelektrického jevu.

Piezoelektrický jev v krystalech objevili v roce 1880 bratři P. a J. Curieovi, kteří pozorovali výskyt elektrostatických nábojů na povrchu desek vyřezaných v určité orientaci z krystalu křemene vlivem mechanického namáhání. Tyto náboje jsou úměrné mechanickému namáhání, mění s ním znaménko a po jeho odstranění zmizí. Vznik elektrostatických nábojů na povrchu dielektrika a vznik elektrické polarizace uvnitř dielektrika v důsledku vystavení mechanickému namáhání se nazývá přímý piezoelektrický jev.

Spolu s přímým dochází k reverznímu piezoelektrickému jevu, který spočívá v tom, že v destičce vyříznuté z piezoelektrického krystalu dochází vlivem elektrického pole, které na ni působí, k mechanické deformaci; a velikost mechanické deformace je úměrná intenzitě elektrického pole. Inverzní piezoelektrický jev by neměl být zaměňován s jevem elektrostrikce, tj. s deformací dielektrika vlivem elektrického pole. U elektrostrikce existuje kvadratický vztah mezi deformací a polem a u piezoelektrického jevu je lineární.

Kromě toho dochází k elektrostrikci v dielektrikách jakékoli struktury a vyskytuje se dokonce i v kapalinách a plynech, zatímco piezoelektrický jev je pozorován pouze u pevných dielektrik, zejména krystalických.

Piezoelektřina se objevuje pouze v těch případech, kdy je pružná deformace krystalu doprovázena posunem těžišť kladných a záporných nábojů základní buňky krystalu, tj. když způsobuje indukovaný dipólový moment, který je nezbytný pro vznik elektrické polarizace dielektrika vlivem mechanického namáhání. Ve strukturách, které mají střed symetrie, nemůže žádná rovnoměrná deformace narušit vnitřní rovnováhu krystalové mřížky, a proto je piezoelektrických pouze 20 tříd, které nemají střed symetrie. Absence středu symetrie je nutnou, ale ne postačující podmínkou pro existenci piezoelektrického jevu, a proto jej nemají všechny acentrické krystaly.

Piezoelektrický efekt nelze pozorovat u pevných amorfních a kryptokrystolických dielektrik, protože to odporuje jejich sférické symetrii. Výjimkou je situace, kdy se vlivem vnějších sil stávají anizotropními a tím částečně získávají vlastnosti monokrystalů.Piezoelektrický efekt je možný i u některých typů krystalických textur.

Každé piezoelektrikum je elektromechanický měnič, takže jeho důležitou charakteristikou je elektromechanický vazební koeficient k. Druhá mocnina tohoto koeficientu představuje poměr energie projevené v mechanické podobě pro daný typ deformace k celkové elektrické energii přijaté na vstupu ze zdroje energie.

V mnoha případech jsou piezoelektrika zásadní pro jejich elastické vlastnosti, které jsou popsány elastickými moduly c (Young moduli Eyu) nebo inverzními veličinami - elastickými konstantami s.

Při použití piezoelektrických prvků jako rezonátorů se v některých případech zavádí frekvenční koeficient, který je součinem rezonanční frekvence piezoelektrického prvku a geometrické velikosti, která určuje typ kmitání. Tato hodnota je úměrná rychlosti zvuku ve směru šíření elastických vln v piezoelektrickém prvku. V současné době je známo mnoho látek (více než 500), které prokázaly piezoelektrickou aktivitu. Praktické uplatnění však najde jen málo z nich.

2. Reverzní piezoelektrický jev.

Spolu s piezoelektrickým jevem dochází i k jeho opačnému jevu: v piezoelektrických krystalech je výskyt polarizace doprovázen mechanickými deformacemi. Pokud se tedy na kovové desky namontované na krystalu přivede elektrické napětí, krystal se vlivem pole polarizuje a deformuje.

Je snadné vidět, že potřeba existence inverzního piezoelektrického jevu vyplývá ze zákona zachování energie a z faktu existence přímého efektu. Uvažujme piezoelektrickou desku (obr. 5) a předpokládejme, že ji stlačíme vnějšími silami F. Pokud by nedošlo k piezoelektrickému jevu, pak by se práce vnějších sil rovnala potenciální energii pružně deformované desky. Za přítomnosti piezoelektrického jevu se na desce objevují náboje a vzniká elektrické pole, které obsahuje další energii. Podle zákona zachování energie z toho plyne, že při stlačování piezoelektrické destičky se vykoná spousta práce, což znamená, že v ní vznikají dodatečné síly F1 působící proti stlačení. To jsou síly inverzního piezoelektrického jevu. Z výše uvedené úvahy vyplývá souvislost mezi znaky obou účinků. Pokud jsou v obou případech známky nábojů na čelech stejné, pak jsou známky deformací odlišné. Pokud se při stlačení desky objeví na plochách náboje, jak je znázorněno na obr. 5, pak když je stejná polarizace vytvořena vnějším polem, deska se natáhne.

Obr.5. Vztah mezi přímými a inverzními piezoelektrickými jevy.

Inverzní piezoelektrický efekt je povrchně podobný elektrostrikci. Oba tyto jevy jsou však odlišné. Piezoelektrický jev závisí na směru pole a když se jeho směr změní na opačný, změní se znaménko. Elektrostrikce nezávisí na směru pole. Piezoelektrický jev je pozorován pouze u některých krystalů, které nemají střed symetrie. Elektrostrikce se vyskytuje ve všech dielektrikách, pevných i kapalných.

Pokud je deska pevná a nelze ji deformovat, pak se při vytvoření elektrického pole v ní objeví dodatečné mechanické napětí, jehož hodnota s je úměrná intenzitě elektrického pole uvnitř krystalu:

kde b je stejný piezoelektrický modul jako v případě přímého piezoelektrického jevu. Mínus v tomto vzorci odráží výše uvedený poměr znamének přímého a zpětného piezoelektrického efektu.

Celkové mechanické napětí uvnitř krystalu je součtem napětí způsobeného deformací a napětí vzniklého pod vlivem elektrického pole. Rovná se:

Zde C je modul pružnosti při jednostranné tahové deformaci (Youngův modul) při konstantním elektrickém poli. Vzorce (51.2) a (52.2) jsou hlavní vztahy v teorii piezoelektriky.

Při psaní vzorců jsme zvolili u a E jako nezávislé proměnné a D a s považovali za jejich funkce. To samozřejmě není nutné a za nezávislé proměnné bychom mohli považovat další dvojici veličin, z nichž jedna je mechanická a druhá elektrická. Pak bychom také obdrželi dva lineární vztahy mezi u, s, E a D, ale s různými koeficienty. V závislosti na typu uvažovaných problémů jsou vhodné různé formy zápisu základních piezoelektrických vztahů.

Protože všechny piezoelektrické krystaly jsou anizotropní, konstanty e, C a b závisí na orientaci čel desky vzhledem k osám krystalů. Navíc závisí na tom, zda jsou boční plochy desky pevné nebo volné (závisí na okrajových podmínkách při deformaci). Pro představu o řádové velikosti těchto konstant uvádíme jejich hodnoty pro křemen v případě, kdy je deska řezána kolmo k ose X a její boční plochy jsou volné:

e=4,5; C=7,81010 N/m2; b=0,18 C/m2.

Uvažujme nyní příklad aplikace základních vztahů (4) a (5) Předpokládejme, že křemenná deska, řezaná výše uvedeným způsobem, je natažena podél osy X a desky dotýkající se čel jsou otevřené. Protože náboj desek před deformací byl nulový a křemen je dielektrikum, pak po deformaci budou desky nenabité. Podle definice elektrického posuvu to znamená, že D=0. Ze vztahu (4) pak vyplývá, že při deformaci se uvnitř desky objeví elektrické pole o intenzitě:

Dosazením tohoto výrazu do vzorce (5) zjistíme pro mechanické napětí v desce:

s=Cu-b(-(b/e0e)u)=C(1+(b2/e0eC))u (7)

Napětí, stejně jako v nepřítomnosti piezoelektrického jevu, je úměrné napětí. Elastické vlastnosti desky jsou však nyní charakterizovány efektivním modulem pružnosti

С" == С (1 + b2/e0eС). (8)

která je větší než C. Zvýšení elastické tuhosti je způsobeno vznikem dodatečného napětí při zpětném piezoelektrickém jevu, které zabraňuje deformaci. Vliv piezoelektrických vlastností krystalu na jeho mechanické vlastnosti charakterizuje hodnota: K2=b2/e0eC (9)

Druhá odmocnina této hodnoty (K) se nazývá elektromechanická vazebná konstanta. Pomocí výše uvedených hodnot e, C a b zjistíme, že pro křemen K2 ~ 0,01 Pro všechny ostatní známé piezoelektrické krystaly je K2 také malá ve srovnání s jednota a nepřesahuje 0,1 .

Pojďme nyní odhadnout velikost piezoelektrického pole. Předpokládejme, že na čela křemenné desky kolmá k ose X působí mechanické napětí 1 1055 N/m2. Potom podle (7) bude deformace rovna u=1, 3 10-6. Dosazením této hodnoty do vzorce (6) získáme |E|==5900 V/m=59 V/cm. Při tloušťce desky řekněme d==0,5 cm se bude napětí mezi deskami rovnat U=Ed~30 V. Vidíme, že piezoelektrická pole a napětí mohou být velmi významná. Použitím silnějších piezoelektrik místo křemene a použitím vhodně zvolených typů deformace je možné získat piezoelektrická napětí měřená v mnoha tisících voltů.

Piezoelektrický jev (přímý a reverzní) je široce používán pro konstrukci různých elektromechanických měničů. K tomuto účelu se někdy používají kompozitní piezoelementy, určené k provádění různých typů deformací.

Obrázek 6 ukazuje dvojitý piezoelektrický prvek (složený ze dvou desek) pracující v tlaku. Destičky jsou vyřezány z křišťálu tak, že se buď stlačují, nebo zároveň natahují. Pokud je naopak takový piezoelektrický prvek stlačen nebo natažen vnějšími silami, objeví se mezi jeho deskami napětí. Zapojení desek v tomto piezoelektrickém prvku odpovídá paralelnímu zapojení kondenzátorů.

Obr.6. Dvojitý piezoelektrický prvek pracující v kompresi.

A také pro metrologické účely. 3. Základní kritéria pro hodnocení bezkontaktních snímačů vibrací Pro srovnání bezkontaktních metod měření parametrů vibrací a snímačů vibrací na nich založených je vhodné použít kromě uvedených parametrů také tato hodnotící kritéria: povaha fyzikální pole nebo záření interagující během procesu měření; ...

Tito. Pro ochranu zdroje před únikem informací je nutné narušit energetické a dočasné podmínky existence únikového kanálu použitím prostředků ochrany, které se liší fyzikálními principy. Technická charakteristika akusticko-transformačního kanálu Akustoelektrický měnič je zařízení, které přeměňuje elektromagnetickou energii na energii elastických vln v médiu a zpět. V...

Surovinová směs snižuje stabilitu jejich krystalových mřížek a tím urychluje proces tvorby materiálu. Studie vlivu přísad niklu a mědi na hustotu piezokeramických obrobků je uvedena na Obr. 2. Výsledky měření hustoty ukazují, že legovaná keramika má vyšší hustotu při všech teplotách vypalování. Takže keramika s přídavkem mědi má hustotu již...

Magnetostrikční efekt
Ultrazvukové generátory
Ultrazvukové řezání
Snížené mechanické síly při zpracování řeznými nástroji
Ultrazvukové čištění
Ultrazvukové svařování
Ultrazvukové pájení pocínování
Ultrazvukové testování
Ultrazvuková expresní analýza
Zrychlení výrobních procesů
Ultrazvuková impregnace
Ultrazvuk v metalurgii
Ultrazvuk v hornictví
Ultrazvuk v elektronice
Ultrazvuk v zemědělství
Ultrazvuk v potravinářském průmyslu
Ultrazvuk v biologii
Ultrazvuková diagnostika nemocí
Ultrazvuková léčba nemocí
Na souši i na moři

V roce 1880 objevili francouzští vědci bratři Jacques a Pierre Curie piezoelektrický jev. Jeho podstata spočívá v tom, že pokud se křemenná deska deformuje, objeví se na jejích plochách elektrické náboje opačného znaménka. Piezoelektřina je tedy elektřina vyplývající z mechanického působení na látku („piezo“ v řečtině znamená „lisovat“).
Poprvé byly piezoelektrické vlastnosti objeveny u horského křišťálu, jedné z odrůd křemene. Horský křišťál je průhledný, bezbarvý krystal podobný ledu. Sovětský mineralog A.E. Fersman ve své knize „Enterifying Mineralogy“ napsal: „Vezměte do ruky kus horského křišťálu a stejný kus skla – oba mají podobnou barvu a průhlednost. Pokud je rozbijete, budou mít stejně ostré řezy. „krystal“ z řeckého názvu pro „led“, protože křišťál je opravdu velmi podobný ledu...“
V přírodě se vyskytuje téměř dvě stě druhů křemene. Patří mezi ně zlatožlutý citrín, krvavě červený karneol, červenohnědý avanturín se zlatavým nádechem, fialový ametyst a mnoho dalších. Téměř desetinu zemské kůry tvoří různé druhy křemene. I obyčejný písek se skládá převážně z křemenných zrn.
Křemen je široce používán ve vědě a technice. Rozpouští ultrafialové paprsky, je tvrdý a žáruvzdorný. Nádobí z křemenného skla lze rozžhavit do červena a ihned ponořit do ledové vody. Je odolný téměř všem kyselinám a je špatným vodičem elektřiny. Ale jeho nejpozoruhodnější vlastností je piezoelektřina. Je-li deska, vyřezaná určitým způsobem z křemenného krystalu, stlačena a rozevřena, objeví se na jejích plochách elektrické náboje opačných znamének. Čím silnější je komprese, tím větší je náboj. Vznik elektrických nábojů na plochách křemenné desky během její deformace se nazývá přímý piezoelektrický jev.
Pokud se na takovou křemennou desku aplikuje elektrický náboj, změní se její velikost. Čím větší je náboj, tím více je deska deformována. Působí-li na desku střídavé elektrické pole, stahuje se nebo roztahuje v čase se změnou znamének přiloženého napětí. Pokud se tato mění s ultrazvukovou frekvencí, pak deska také vibruje ultrazvukovou frekvencí, což je základem pro použití křemene k produkci ultrazvukových vln. Změna velikosti křemenné desky vlivem elektrických nábojů se nazývá inverzní piezoelektrický jev.
Přímý piezoelektrický jev se používá v přijímačích ultrazvukových vibrací, kde se tyto přeměňují na střídavý proud. Ale pokud se na takový přijímač přivede střídavé napětí, plně se projeví inverzní piezoelektrický efekt. V tomto případě se střídavý proud přemění na ultrazvukové vibrace a přijímač funguje jako ultrazvukový emitor. V důsledku toho mohou být piezoelektrický přijímač a emitor znázorněny ve formě jednoho zařízení, které může střídavě vysílat a přijímat ultrazvukové vibrace. Takové zařízení se nazývá ultrazvukový akustický měnič.
Akustické měniče se úspěšně používají v různých druzích elektroakustických systémů, zejména v systémech určených pro akustická a hydroakustická měření a výzkum. Piezoelektrická zařízení jsou široce používána při průzkumu vesmíru. Dnes jsou reprezentovány některými senzory, které přenášejí data o stavu astronauta, o podmínkách uvnitř kosmické lodi, varování před nebezpečím meteoritů atd.
Piezoelektrická zařízení pomáhají „cítit“ části letadla, identifikovat chyby v jejich výpočtech a předcházet nebezpečným následkům těchto chyb; „podívat se“ do hlavně střelecké zbraně pro měření tlaku nebo získání dalších údajů. Piezoelektřina se používá v radiotechnice a televizi. Piezoelektrická zařízení pomáhají najít hejna ryb, zkoumat útroby Země, hledat minerály, diagnostikovat a léčit lidi, analyzovat a urychlovat chemické procesy atd.
Křemen je dlouho považován za jeden z hlavních materiálů používaných pro výrobu ultrazvukových měničů. Ale emitor, vyrobený z malé křemenné desky, má malý výkon. Pro jeho zvětšení se plocha vyzařovacího povrchu zvětšuje uspořádáním křemenných desek ve formě jakési mozaiky.
V přírodě se krystaly křemene nacházejí většinou v relativně malých velikostech, i když existují výjimky. Ve východních Alpách našli geologové v jednom hnízdě šest křišťálových krystalů o celkové hmotnosti přes jeden a půl tuny. Ještě unikátnější nález objevili uralští geologové, kteří objevili naleziště krystalů s celou rodinou obřích krystalů. Nejprve byly z horniny vytěženy krystaly o hmotnosti 800 kilogramů. Následné vytrvalé pátrání přineslo naprosto ohromující výsledky – bylo nalezeno souhvězdí dvaceti průhledných čistých krystalů. Jejich celková hmotnost přesáhla 9 tun. Takové nálezy však nemohou uspokojit stále se zvyšující potřeby vědy a techniky po krystalech křemene. Snaží se je proto pěstovat uměle v laboratořích, ale bohužel rostou pomalu a jejich výroba je drahá.
Při hledání dalších piezoelektrických materiálů vědci obrátili svou pozornost na Rochelle sůl. Poprvé ho ze solí kyseliny vinné získal francouzský lékárník Segnet. Rochelle sůl se snadno zpracovává, krystal Rochelle soli lze řezat běžnou nití navlhčenou vodou. Ve srovnání s jinými piezoelektrickými krystaly, včetně křemene, má krystal soli Rochelle výrazně větší piezoelektrický efekt, sebemenší mechanické působení na destičku vede ke vzniku elektrických nábojů. Sůl Rochelle má však i vážné nevýhody, které omezují její praktické použití. Jedná se především o nízký bod tání - asi 60 stupňů, při kterém krystal soli Rochelle ztrácí své piezoelektrické vlastnosti a již nejsou obnoveny. Rochelle sůl Rozpouští se ve vodě, a proto je citlivá na vlhkost. Navíc je křehký a nevydrží velké mechanické zatížení.
Výzkum nových piezoelektrických materiálů probíhal zvláště vytrvale během druhé světové války. Byly způsobeny „křemenným hladomorem“, který vznikl v důsledku širokého používání piezoelektrického křemene v hydroakustických zařízeních a ve vojenské radioelektronice. Krystaly dihydrogenfosforečnanu amonného se tedy v té době používaly k výrobě piezoelektrických měničů. Tento materiál je frekvenčně stabilní a umožňuje práci s vysokými výkony a v širokém frekvenčním rozsahu. Již dlouho se používají jiné piezoelektrické materiály, jako je fosforečnan amonný, síran lithný a dihydrogenfosforečnan draselný. V hydroakustických měničích byly použity ve formě mozaikových balíčků. Všechny tyto piezokrystaly však mají společnou nevýhodu - nízkou mechanickou pevnost. Vědci proto vytrvale hledali náhradu, která by jim byla blízká piezoelektrickými vlastnostmi a neměla by výše zmíněnou nevýhodu. A takovou náhradu našli sovětští vědci pracující pod vedením člena korespondenta Akademie věd SSSR B. M. Vul. Jednalo se o titaničitan barnatý, který není krystalem jako křemen a Rochellova sůl a sám o sobě nemá piezoelektrické vlastnosti.
Titanát barnatý se získává uměle, protože je v útrobách Země velmi vzácný. K tomu se při velmi vysoké teplotě vypaluje směs dvou minerálních látek – uhličitanu barnatého a oxidu titaničitého. Výsledkem je žlutobílá hmota, která svým vzhledem a mechanickými vlastnostmi připomíná běžnou hlínu. Tato hmota, stejně jako jíl, může mít jakýkoli tvar, ale bude mechanicky pevná a nerozpustná ve vodě. A aby se udělily piezoelektrické vlastnosti titaničitanu barnatému, spálená hmota se umístí do silného elektrického pole a poté se ochladí. V důsledku toho dochází k polarizaci krystalů titaničitanu barnatého, jejich dipóly (kombinace dvou opačných, ale v absolutní hodnotě stejných elektrických nábojů umístěných v určité vzdálenosti od sebe) zaujímají stejnou polohu a po ochlazení jsou pevné, jako by v tomto stavu „zmrazeno“. Výsledný materiál má piezoelektrický efekt 50krát větší než piezoelektrický efekt křemene a jeho cena je nízká, protože pro jeho výrobu je k dispozici velmi velké množství surovin. Mezi nevýhody titaničitanu barnatého patří velké mechanické a dielektrické ztráty, což vede k jeho přehřívání a při teplotách nad 90 stupňů se piezoelektrický efekt výrazně snižuje.
Keramiku z titaničitanu barnatého lze řezat, brousit, leštit, čímž převodník získá požadovaný tvar a velikost (plochá deska, válec, polokoule, část koule atd.). Konvertory titaničitanu barnatého jsou efektivnější při přeměně elektrické energie na mechanickou energii, mají větší odolnost proti elektrickému průrazu a mohou pracovat při nízkém napětí. Ultrazvukové snímače s titaničitanem barnatým jsou navíc schopny pracovat v pulzním režimu.
Pro výrobu piezoelektrických měničů se používá i další piezokeramika: směs zirkonia s titaničitanem olovnatým (PZT), tato piezokeramika má piezoelektrický efekt dvakrát silnější než titaničitan barnatý. Piezokeramika PZT je nerozpustná ve vodě a lze ji zpracovat i mechanicky.
Zároveň pokračovalo hledání krystalů, které mají piezoelektrické vlastnosti a splňují potřebné technické požadavky. Tak se sulfid kademnatý dostal do povědomí vědců. Kromě toho, že má výjimečnou schopnost zesilovat ultrazvukové vibrace, lze z něj vyrobit ultrazvukový měnič pro velmi vysoké frekvence, zcela nedostupný pro křemen a titaničitan barnatý. Výzkumníci naznačují, že krystal sulfidu kademnatého bude držet rekord v počtu možných aplikací. Nejen, že může sloužit jako ultrazvukový zesilovač a měnič, ale může být také použit spolu s germaniem a křemíkem jako běžný polovodič. Kromě toho je sulfid kademnatý vynikající fotorezistor.
Poněkud zjednodušeně lze říci, že piezoelektrický měnič je jeden nebo více jednotlivých piezoelektrických prvků s plochým nebo kulovitým povrchem spojených určitým způsobem, přilepených ke společné kovové desce. Pro získání vysoké intenzity záření se používají fokusační piezoelektrické měniče, neboli koncentrátory, které mohou mít různé tvary (polokoule, části dutých koulí, duté válce, části dutých válců). Takové převodníky se používají k vytváření silných ultrazvukových vibrací při vysokých frekvencích. V tomto případě je intenzita záření ve středu ohniska sférických snímačů 100-150krát vyšší než průměrná intenzita na vyzařovací ploše snímače.

"Zvuk, ultrazvuk, infrazvuk"