Ուղղակի և հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտներ: Պիեզոէլեկտրական էֆեկտի այբբենական ցուցիչի նկարագրությունը

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը (պիեզոէլեկտրական էֆեկտ) դիտվում է որոշակի համաչափություն ունեցող որոշ նյութերի բյուրեղներում։ Բնության մեջ ամենատարածված պիեզոէլեկտրական հանքանյութերը ներառում են քվարցը, տուրմալինը, սֆալերիտը և նեֆելինը: Որոշ պոլիբյուրեղային դիէլեկտրիկներ՝ պատվիրված կառուցվածքով (կերամիկական նյութեր և պոլիմերներ) ունեն պիեզոէլեկտրական էֆեկտ։ Դիէլեկտրիկները, որոնք ունեն պիեզոէլեկտրական ազդեցություն, կոչվում ենպիեզոէլեկտրիկներ.

Բրինձ. 1

Արտաքին մեխանիկական ուժերը, որոնք գործում են որոշակի ուղղություններով պիեզոէլեկտրական բյուրեղի վրա, առաջացնում են ոչ միայն մեխանիկական դեֆորմացիա (ինչպես ցանկացած պինդ մարմնում), այլև էլեկտրական բևեռացում, այսինքն՝ դրա մակերեսների վրա տարբեր նշանների էլեկտրական լիցքերի առաջացում (նկ. 1ա. Ֆ- գործող ուժեր, P - էլեկտրական բևեռացման վեկտոր): Երբ մեխանիկական ուժերը հակառակ ուղղությամբ են, լիցքերի նշանները փոխվում են(նկ. 1բ): Այս երեւույթը կոչվում էուղղակի պիեզոէլեկտրական ազդեցություն(նկ. 2ա):

Բրինձ. 2

Բայց պիեզոէլեկտրական էֆեկտը շրջելի է. Երբ պիեզոէլեկտրիկը ենթարկվում է էլեկտրական դաշտի համապատասխան ուղղությամբ, նրանում տեղի են ունենում մեխանիկական դեֆորմացիաներ (նկ. 1գ):Երբ էլեկտրական դաշտի ուղղությունը փոխվում է, դեֆորմացիաները համապատասխանաբար փոխվում են(նկ. 1 դ): Այս երեւույթը կոչվում էհակադարձ պիեզոէլեկտրական ազդեցություն(նկ. 2բ) .

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտբացատրվում է հետևյալ կերպ. Բյուրեղային ցանցում դրական և բացասական իոնների կենտրոնների անհամապատասխանության պատճառով առաջանում է ծավալային էլեկտրական լիցք։ Արտաքին էլեկտրական դաշտի բացակայության դեպքում այս բևեռացումը չի երևում, քանի որ այն փոխհատուցվում է մակերեսի լիցքերով: Երբ բյուրեղը դեֆորմացվում է, վանդակի դրական և բացասական իոնները տեղաշարժվում են միմյանց համեմատ, և բյուրեղի էլեկտրական մոմենտը համապատասխանաբար փոխվում է, ինչը առաջացնում է պոտենցիալների տեսքը մակերեսի վրա: Էլեկտրական մոմենտի այս փոփոխությունն է, որն արտահայտվում է պիեզոէլեկտրական էֆեկտով: Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը կախված է ոչ միայն մեխանիկական կամ էլեկտրական ազդեցության մեծությունից, այլև բյուրեղի բյուրեղագրական առանցքների նկատմամբ ուժերի բնույթից և ուղղությունից։

Պիեզոէլեկտրիկի դեֆորմացիաները, որոնք առաջանում են պիեզոէլեկտրական էֆեկտից, բացարձակ արժեքով աննշան են։ Օրինակ, 1 մմ հաստությամբ քվարցային թիթեղը 100 Վ լարման ազդեցության տակ փոխում է իր հաստությունը ընդամենը 0,23 միկրոնով։ Պիեզոէլեկտրիկների դեֆորմացիայի աննշանությունը բացատրվում է նրանց շատ բարձր կոշտությամբ։

Ուղղակի և հակադարձ պիեզոէլեկտրական ազդեցությունները գծային են և նկարագրվում են գծային կախվածություններով, որոնք կապում են էլեկտրական բևեռացումը P-ը մեխանիկական սթրեսի հետ g.

Р=αg (1):

Այս կախվածությունը կոչվում է ուղղակի պիեզոէլեկտրական ազդեցության հավասարում։ α համաչափության գործակիցը կոչվում է պիեզոէլեկտրական մոդուլ (պիեզոէլեկտրական մոդուլ): Այն ծառայում է որպես պիեզոէլեկտրական էֆեկտի չափիչ: Հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը նկարագրվում է կախվածությամբ

r=αE (2),

որտեղ r-ը դեֆորմացիա է;

E-ն էլեկտրական դաշտի ուժն է։

Բրինձ. 3

Ուղղակի և հակադարձ ազդեցությունների α պիեզոէլեկտրական մոդուլն ունի նույն արժեքը: Պիեզոէլեկտրական արտանետիչներչունեն մեխանիկական կոնտակտներ և բաղկացած են մետաղական սկավառակի վրա տեղադրված կերամիկական տարրից (նկ. 3):Սկավառակի թրթռումը առաջանում է դրա վրա կիրառվող լարման պատճառով: Որոշակի հաճախականության փոփոխական լարումը ստեղծում է ձայնային ազդանշան: Պիեզոէլեկտրական արտանետիչները չեն ենթարկվում կառուցվածքային տարրերի մեխանիկական մաշվածության, ունեն ցածր էներգիայի սպառում և չունեն էլեկտրական աղմուկ: Պիեզոկերամիկայի օգնությամբ հնարավոր է ստանալ ձայնի զգալի ծավալ։ Պիեզոկերամիկական փոխարկիչների որոշ նմուշներ կարող են զարգացնել ձայնային ճնշում 1 մ-ից մինչև 130 դԲ (ցավի շեմի մակարդակ) հեռավորության վրա:

Բրինձ. 4

Պիեզոէլեկտրական արտանետիչները հասանելի են երկու փոփոխությամբ.

- «մաքուր» փոխարկիչներ (առանց կառավարման շղթայի) - պիեզո զանգեր;
- հսկիչ սխեմայով արտանետիչներ (ներկառուցված գեներատորով) - sirens.

Որպեսզի առաջին տեսակի փոխարկիչները ձայներ գեներացնեն, պահանջվում են գեներացված կառավարման ազդանշաններ (կոնկրետ փոխարկիչի մոդելի համար սահմանված որոշակի հաճախականության սինուսային ալիք կամ քառակուսի ալիք): Ներկառուցված գեներատորով արտանետիչները պահանջում են միայն որոշակի լարման մակարդակ: Նման սարքերը հասանելի են 1-ից 250 Վ (DC և AC) անվանական լարման համար:

Օրինակ՝ պիեզոկերամիկական զանգ (պիեզո-զնգոց) ZP-1 (նկ. 4)բաղկացած է երկու պիեզոէլեկտրական բլոկից, որոնցից յուրաքանչյուրի թաղանթը պատրաստված է 32 մմ արտաքին տրամագծով մակերեսային ափսեի տեսքով։ Թիթեղները շարված են հակառակ ծալովի և զոդված են արտաքին եզրագծի երկայնքով: Զանգի պիեզոէլեմենտները միացված են այնպես, որ երբ փոփոխական լարում է կիրառվում, թիթեղների մակերեսները կա՛մ միանում են, կա՛մ շեղվում, այսինքն. Զանգի երկու կողմերում ձևավորվում են սեղմման և հազվագյուտ գոտիներ։ Զանգի ռեզոնանսային հաճախականությունը 2 կՀց է։

Բրինձ. 5

Այն արտադրում է 75 դԲ ձայնային ճնշում 1 մ հեռավորության վրա 10 Վ ռեզոնանսային հաճախականության լարման դեպքում։ Աղյուսակ 1-ումտրված են այլ պիեզո արտանետիչների պարամետրերը, որոնց տեսքը ներկայացված է նկ.5-ում. Նկ.6-ում ներկայացված են պիեզոէլեմենտների ամպլիտուդա-հաճախական բնութագրերը՝ PVA-1- Նկ.6ա և ԶՊ-5 - Նկ.6բ.

Աղյուսակ 1 պիեզո արտանետիչների բնութագրերը

Տիպ	Ձայն ճնշում, DB	Աշխատանքային Լարման,	Ռեզոնանսային հաճախականությունը, կՀց	Չափերը, մմ
Տիպ	Ձայն ճնշում, DB	Աշխատանքային Լարման,	Ռեզոնանսային հաճախականությունը, կՀց	Տրամագիծը	Բարձրություն
ԶՊ-1			1...3
ԶՊ-3			4,1 ± 0,05	42,7
ԶՊ-4			4,1±0,05
ԶՊ-5			1...3
ԶՊ-6			4,1±0,05
ԶՊ-18			4,1 ± 0,05
ԶՊ-19
ZP-22*			1 ...3,5
ԶՊ-25			4,1 ± 0,05
ԶՊ-31
ՊՎԱ-1
ՀԺԿ-1

Նշում: * - նախագծված է աշխատելու ինքնա-տատանողական ռեժիմում:

Բրինձ. 6, պիեզոէլեմենտների ամպլիտուդա-հաճախական բնութագրերը

Ա.Կաշկարով

Բովանդակություն:
Պիեզոէլեկտրական էֆեկտ
Պիեզոէլեկտրիկներ - միայնակ բյուրեղներ
Քվարց
Տուրմալին
Ռոշելի աղ
Ամոնիումի երկջրածին ֆոսֆատ
Կալիումի տարտրատ
Լիթիումի նիոբատ
Պոլիկյուրիստական պիեզոէլեկտրիկներ
Պիեզոէլեկտրական հյուսվածքներ
Պիեզոէլեկտրական կերամիկա
Կերամիկական պիեզո տարրերի արտադրության տեխնոլոգիայի առանձնահատկությունները
Արդյունաբերական պիեզոկերամիկական նյութեր և պիեզոէլեկտրիկներ՝ պոլիմերներ
Բարիումի տիտանատի վրա հիմնված նյութեր
Տիտանատի պինդ լուծույթների վրա հիմնված նյութեր՝ կապարի ցիրկոնատ
Կապարի մեթանիոբատի հիմքով նյութեր
Պիեզոէլեկտրիկներ - պոլիմերներ

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտ

1756 թվականին ռուս ակադեմիկոս Ֆ. Էպինուսը հայտնաբերեց, որ երբ տուրմալինի բյուրեղը տաքացվում է, նրա երեսին էլեկտրական լիցքեր են առաջանում։ Հետագայում այս երեւույթը ստացավ պիրոէլեկտրական էֆեկտ անվանումը: Ֆ. Էպինուսը ենթադրում էր, որ ջերմաստիճանի փոփոխության ժամանակ դիտվող էլեկտրական երևույթների պատճառը երկու մակերեսների անհավասար տաքացումն է, ինչը հանգեցնում է բյուրեղում մեխանիկական լարումների առաջացմանը։ Միևնույն ժամանակ, նա մատնանշեց, որ բյուրեղի որոշակի ծայրերում բևեռների բաշխման կայունությունը կախված է նրա կառուցվածքից և բաղադրությունից, ուստի Ֆ. Էպինուսը մոտեցավ պիեզոէլեկտրական էֆեկտի հայտնաբերմանը:

Բյուրեղներում պիեզոէլեկտրական էֆեկտը հայտնաբերվել է 1880 թվականին Պ. և Ջ. Կյուրի եղբայրների կողմից, ովքեր մեխանիկական սթրեսի ազդեցության տակ դիտարկել են էլեկտրաստատիկ լիցքերի տեսքը քվարցային բյուրեղից որոշակի կողմնորոշմամբ կտրված թիթեղների մակերեսին։ Այս մեղադրանքները համաչափ են մեխանիկական սթրեսին, փոխում են նշանը դրա հետ և անհետանում, երբ այն հանվում է:

Դիէլեկտրիկի մակերևույթի վրա էլեկտրաստատիկ լիցքերի առաջացումը և մեխանիկական սթրեսի ազդեցության հետևանքով դրա ներսում էլեկտրական բևեռացման առաջացումը կոչվում է ուղղակի պիեզոէլեկտրական էֆեկտ։

Հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը չպետք է շփոթել էլեկտրալարման երևույթի հետ, այսինքն՝ էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ դիէլեկտրիկի դեֆորմացիայի հետ։ Էլեկտրասպուլյացիայի դեպքում կա քառակուսային հարաբերություն դեֆորմացիայի և դաշտի միջև, իսկ պիեզոէլեկտրական էֆեկտի հետ՝ գծային հարաբերություն: Բացի այդ, էլեկտրաստրակցիան տեղի է ունենում ցանկացած կառուցվածքի դիէլեկտրիկում և տեղի է ունենում նույնիսկ հեղուկների և գազերի մեջ, մինչդեռ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը նկատվում է միայն պինդ դիէլեկտրիկների, հիմնականում բյուրեղային:

Պիեզոէլեկտրականությունը հայտնվում է միայն այն դեպքերում, երբ բյուրեղի առաձգական դեֆորմացիան ուղեկցվում է բյուրեղի տարրական բջիջի դրական և բացասական լիցքերի ծանրության կենտրոնների տեղաշարժով, այսինքն, երբ այն առաջացնում է անհատական դիպոլային մոմենտ, որն անհրաժեշտ է։ մեխանիկական սթրեսի ազդեցության տակ դիէլեկտրիկի էլեկտրական բևեռացման առաջացման համար. Համաչափության կենտրոն ունեցող կառույցներում ոչ մի համաչափ դեֆորմացիա չի կարող խաթարել բյուրեղային ցանցի ներքին հավասարակշռությունը և, հետևաբար, բյուրեղների միայն 20 դասեր, որոնք չունեն համաչափության կենտրոն, պիեզոէլեկտրական են: Համաչափության կենտրոնի բացակայությունը անհրաժեշտ, բայց ոչ բավարար պայման է պիեզոէլեկտրական էֆեկտի գոյության համար, և, հետևաբար, ոչ բոլոր ցենտրիկ բյուրեղներն ունեն այն։

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը չի կարող դիտվել պինդ ամորֆ և կրիպտոկրիստալային դիէլեկտրիկների մեջ (գրեթե իզոտրոպ), քանի որ դա հակասում է դրանց գնդաձև համաչափությանը: Բացառություն է, երբ արտաքին ուժերի ազդեցության տակ նրանք դառնում են անիզոտրոպ և դրանով մասամբ ձեռք են բերում միայնակ բյուրեղների հատկություններ: Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը հնարավոր է նաև բյուրեղային հյուսվածքների որոշ տեսակներում:

Մինչ օրս պիեզոէլեկտրական էֆեկտը բավարար քանակական նկարագրություն չի գտել բյուրեղային ցանցի ժամանակակից ատոմային տեսության շրջանակներում։ Նույնիսկ ամենապարզ տիպի կառույցների համար անհնար է նույնիսկ մոտավորապես հաշվարկել պիեզոէլեկտրական հաստատունների կարգը:

Ներկայումս մշակվել է պիեզոէլեկտրական էֆեկտի ֆենոմենոլոգիական տեսություն՝ դեֆորմացիաներն ու մեխանիկական լարումները կապելով էլեկտրական դաշտի և բյուրեղների բևեռացման հետ։ Ստեղծվել է պարամետրերի համակարգ, որը որոշում է բյուրեղի որպես պիեզոէլեկտրիկի արդյունավետությունը։ Պիեզոէլեկտրական մոդուլը (պիեզոմոդուլ) d որոշում է բյուրեղների բևեռացումը (կամ լիցքի խտությունը) տվյալ կիրառական մեխանիկական սթրեսի դեպքում. պիեզոէլեկտրական հաստատունը որոշում է մեխանիկական ուժերը, որոնք առաջանում են սեղմված բյուրեղում էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ. g պիեզոէլեկտրական հաստատունը բնութագրում է էլեկտրական լարումը բաց միացումում տվյալ մեխանիկական սթրեսի դեպքում. և վերջապես, h պիեզոէլեկտրական հաստատունը որոշում է էլեկտրական լարումը բաց միացումում տվյալ մեխանիկական դեֆորմացիայի համար: Այս հաստատունները փոխկապակցված մեծություններ են և կապված են միմյանց հետ առաձգական հաստատունների և բյուրեղների դիէլեկտրական հաստատունների առնչությամբ, ուստի դրանցից ցանկացածը կարող է օգտագործվել: Առավել հաճախ օգտագործվող պիեզոէլեկտրական մոդուլը դ. Պիեզոէլեկտրական հաստատունները թենզորներ են, և, հետևաբար, յուրաքանչյուր բյուրեղ կարող է ունենալ մի քանի անկախ պիեզոմոդուլներ:

Ընդհանուր առմամբ, ուղիղ պիեզոէլեկտրական ազդեցության հավասարումը միատեսակ մեխանիկական սթրեսի Tr-ի ազդեցության տակ գրված է հետևյալ կերպ.

Որտեղ Pi-ը բևեռացման վեկտորի բաղադրիչն է. dir - պիեզոմոդուլ; Tr-ը մեխանիկական սթրեսի բաղադրիչն է:

Հակադարձ պիեզոէլեկտրական ազդեցության հավասարումը գրված է հետևյալ կերպ.

Որտեղ Xi-ն առաձգական դեֆորմացիայի բաղադրիչն է. Er-ը էլեկտրական դաշտի ուժի բաղադրիչն է:

Յուրաքանչյուր պիեզոէլեկտրիկ էլեկտրամեխանիկական փոխարկիչ է, ուստի նրա կարևոր բնութագիրը էլեկտրամեխանիկական միացման գործակիցն է r: Այս գործակցի քառակուսին ներկայացնում է տվյալ տեսակի դեֆորմացիայի համար մեխանիկական ձևով դրսևորվող էներգիայի հարաբերակցությունը էլեկտրաէներգիայի աղբյուրից մուտքագրման ժամանակ ստացված ընդհանուր էլեկտրական էներգիային:

Պիեզոէլեկտրիկների շատ դեպքերում էական են նրանց առաձգական հատկությունները, որոնք նկարագրված են առաձգական մոդուլներով C (Young moduli Eyu) կամ դրանց հակադարձ մեծություններով՝ առաձգական հաստատուններ S:

Ներկայումս հայտնի են բազմաթիվ նյութեր (ավելի քան 500), որոնք դրսևորել են պիեզոէլեկտրական ակտիվություն։ Այնուամենայնիվ, դրանցից միայն մի քանիսն են գործնական կիրառություն գտնում:

Պիեզոէլեկտրիկներ - միայնակ բյուրեղներ

Քվարց.Քվարցը բնության մեջ տարածված հանքանյութ է, 573 Ցելսիուս ջերմաստիճանից ցածր այն բյուրեղանում է վեցանկյուն համակարգի եռանկյուն-տրապեզոեդրային դասում։ Այն պատկանում է էնանտիոմորֆ դասին և բնության մեջ հանդիպում է երկու ձևափոխմամբ՝ աջ և ձախ։

Քվարցի քիմիական բաղադրությունը անջուր սիլիցիումի երկօքսիդ է (SiO2) 60,06 մոլեկուլային զանգված:

Քվարցը ամենադժվար հանքանյութերից է և ունի բարձր քիմիական դիմադրություն:

Բնական քվարց բյուրեղների արտաքին ձևերը շատ բազմազան են։ Ամենատարածված ձևը վեցանկյուն պրիզմայի և ռոմբոեդրոնների (բրգաձև դեմքեր) համակցությունն է: Պրիզմայի երեսներն ընդարձակվում են դեպի բյուրեղի հիմքը և մակերեսի վրա ունեն հորիզոնական ստվեր։

Պիեզոէլեկտրական սարքավորումներում օգտագործելու համար պիտանի քվարցը բնության մեջ հանդիպում է բյուրեղների, դրանց բեկորների և կլորացված խճաքարերի տեսքով։ Գույնը տատանվում է անգույն-թափանցիկից (ժայռաբյուրեղ) մինչև սև (մորիոն):

Որպես կանոն, բնական քվարց բյուրեղները պարունակում են տարբեր թերություններ, որոնք նվազեցնում են դրանց արժեքը: Թերությունները ներառում են օտար հանքանյութերի (ռուտիլ քլորիտի), ճաքերի, փուչիկների, ուրվականների, կապույտ ասեղների, շերտերի և երկվորյակների ընդգրկումը:

Ներկայումս բնականների հետ մեկտեղ օգտագործվում են սինթետիկ քվարց բյուրեղներ, որոնք աճեցվում են ավտոկլավներում բարձր ջերմաստիճաններում և ճնշումներում սիլիցիումի երկօքսիդով հագեցած ալկալային լուծույթներից:

Քվարցի պիեզոէլեկտրական հատկությունները լայնորեն օգտագործվում են տեխնոլոգիայում ռադիոհաճախականությունների կայունացման և զտման, ուլտրաձայնային թրթռումների առաջացման և մեխանիկական մեծությունների չափման համար (պիեզոմետրիա):

Տուրմալին.Տուրմալինը բյուրեղանում է եռանկյունային համակարգի եռանկյուն-բրգաձեւ դասում։ Բյուրեղները պրիզմատիկ են՝ երկայնական ելուստով, երկարավուն, հաճախ ասեղաձև։

Իր քիմիական բաղադրությամբ տուրմալինը բարդ ալյումինե բորոսիլիկատ է՝ մագնեզիումի, երկաթի կամ ալկալիական մետաղների (Na, Li, K) կեղտերով։

Գույնը տատանվում է սևից մինչև կանաչ, նաև կարմիրից մինչև միայնակ, ավելի քիչ հաճախ՝ անգույն: Երբ քսում են, այն դառնում է էլեկտրիֆիկացված և ունի ուժեղ պիրոէլեկտրական ազդեցություն:

Տուրմալինը բնության մեջ տարածված է, բայց շատ դեպքերում բյուրեղները լի են ճաքերով։ Պիեզոէլեկտրական ռեզոնատորների համար հարմար առանց թերությունների բյուրեղները հազվադեպ են:

Տուրմալինի հիմնական առավելությունը քվարցի համեմատ մասնակի գործակցի ավելի բարձր արժեքն է։ Դրա շնորհիվ, ինչպես նաև տուրմալինի ավելի մեծ մեխանիկական ուժի շնորհիվ, հնարավոր է արտադրել ավելի բարձր հաճախականությունների ռեզոնատորներ:

Ներկայումս տուրմալինը գրեթե չի օգտագործվում պիեզոէլեկտրական ռեզոնատորների արտադրության համար և սահմանափակ օգտագործում է հիդրոստատիկ ճնշումը չափելու համար:

Rochette աղ.Ռոշելի աղը բյուրեղանում է ռոմբային համակարգի ռոմբոտետրաեդրային դասում։ Էնանտիոմորֆ դասին պատկանելը որոշում է Ռոշելի աղի աջակողմյան և ձախակողմյան բյուրեղների գոյության տեսական հնարավորությունը։ Այնուամենայնիվ, գինեգործության թափոններից ստացված Ռոշելի աղի բյուրեղները միայն աջակողմյան են:

Խոնավությունից պաշտպանվելու համար Rochelle աղից պատրաստված պիեզոէլեմենտները պատված են լաքի բարակ թաղանթներով։

Ռոշելի աղից պատրաստված պիեզոէլեկտրական տարրերը լայնորեն օգտագործվում էին համեմատաբար նեղ ջերմաստիճանային միջակայքում աշխատող սարքավորումներում, մասնավորապես՝ ձայնային պիկապներում: Սակայն ներկայումս դրանք գրեթե ամբողջությամբ փոխարինված են կերամիկական պիեզոէլեմենտներով։

Ամոնիումի երկջրածին ֆոսֆատ.Ամոնիումի երկջրածին ֆոսֆատը բյուրեղանում է քառանկյուն համակարգում։ Բյուրեղները քառանկյուն բուրգի և պրիզմայի համակցություն են։

Դիջրածին ֆոսֆատի բյուրեղները չեն պարունակում բյուրեղացած ջուր և չեն ջրազրկվում: 93% հարաբերական խոնավության դեպքում բյուրեղները սկսում են կլանել խոնավությունը և լուծարվել:

Ամոնիումի երկջրածին ֆոսֆատը հալվում է 190 աստիճան Ցելսիուսի ջերմաստիճանում, սակայն 100 աստիճանից բարձր ամոնիակը սկսում է գոլորշիանալ բյուրեղի մակերեւույթից։ Սա սահմանափակում է աշխատանքային ջերմաստիճանի վերին սահմանը:

Ներկայումս պիեզոէլեկտրական կերամիկայի համատարած զարգացման պատճառով սահմանափակված է ամոնիումի երկհիդրոֆոսֆատի օգտագործումը։

Կալիումի տարտրատ.Կալիումի տարտրատը (նշան VK) բյուրեղանում է միաբյուրեղային համակարգում։

VC-ից պատրաստված ռեզոնատորներն ունեն բարձր որակի գործակիցներ և էլեկտրամեխանիկական միացման գործակիցներ։ Նրանք կարող են փոխարինել քվարցը միջքաղաքային ֆիլտրերում:

Լիթիումի նիոբատ.Լիթիումի նիոբատը սինթետիկ բյուրեղ է, որը բյուրեղանում է ռոմբոեդրային համակարգի դիտրիգոնալ-բրգաձեւ դասում։

Լիթիումի նիոբատը ջրի մեջ չլուծվող է, բարձր ջերմաստիճանում չի քայքայվում և ունի բարձր մեխանիկական ուժ։ Էլեկտրական հատկությունների առումով այն ֆերոէլեկտրական է, որի ջերմաստիճանը Կյուրիի մոտ 1200 աստիճան Ցելսիուս է։

Իր բարձր պիեզոէլեկտրական և մեխանիկական հատկությունների, ներառյալ բարձր որակի գործոնի շնորհիվ, լիթիումի նիոբատը խոստումնալից նյութ է տարբեր նպատակների համար փոխարկիչների արտադրության համար: Լիթիումի նիոբատի բարակ (մոտ մեկ միկրոմետր հաստությամբ) թաղանթները, որոնք ստացվում են վակուումում կաթոդի ցրման արդյունքում, կողմնորոշված պոլիբյուրեղային հյուսվածքներ են, որոնք կարող են օգտագործվել որպես միկրոալիքային տիրույթում ուլտրաձայնային թրթռումների արտանետիչներ և ընդունիչներ:

Պոլիկյուրիստական պիեզոէլեկտրիկներ.

Պիեզոէլեկտրական հյուսվածքներ.Հյուսվածքները, որոնք պիեզոէլեկտրական բյուրեղների մի շարք են, որոնք որոշակիորեն կողմնորոշված են տարածության մեջ և առանց համաչափության կենտրոնի, կարող են ունենալ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ։ Պիեզոէլեկտրական ազդեցությունը Ռոշելի աղի հյուսվածքներում հայտնաբերել է Ա.Վ.Շուբնիկովը; Նա նաև հաստատեց պիեզոէլեկտրական էֆեկտի հիմնական սկզբունքները նմանատիպ լրատվամիջոցներում: Ռոշելի աղի պիեզո հյուսվածքները, որոնք ստացվում են հալած Ռոշելի աղը խոզանակի միջոցով հիմքի վրա քսելով, ունեն մեկ պիեզոմոդուլ d14 Ռոշելի աղ:

Ներկայումս նման հյուսվածքները գործնական հետաքրքրություն չեն ներկայացնում: Ամենաբարձր արժեքի imebt հյուսվածքը, որը հիմնված է բևեռացված պիեզոէլեկտրական կերամիկայի վրա:

Պիեզոէլեկտրական կերամիկա.Նման նյութերի ֆերոէլեկտրական հատկությունները որոշում են պիեզոէլեկտրական ազդեցության հնարավորությունը: Մշտական էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ որոշ տիրույթներ կողմնորոշվում են կիրառական դաշտի ուղղությամբ։ Արտաքին դաշտը հեռացնելուց հետո տիրույթների մեծ մասը պահվում է իրենց նոր դիրքում՝ ներքին դաշտի շնորհիվ, որն առաջանում է տիրույթների բևեռացման ուղղությունների զուգահեռ կողմնորոշման արդյունքում։ Դրա շնորհիվ կերամիկան դառնում է բևեռային հյուսվածք, որն ունի պիեզոէլեկտրական ազդեցություն։

Պիեզոէլեմենտների արտադրության կերամիկական տեխնոլոգիան հիմնարար սահմանափակումներ չի դնում դրանց ձևի և չափի վրա: Այս հանգամանքները, ինչպես նաև պիեզոէլեկտրական բնութագրերի բարձր արժեքները, հանգեցրել են կերամիկական պիեզո տարրերի լայն տարածմանը տեխնոլոգիայում, հատկապես ուլտրաձայնային թրթռումներ արտանետող և ընդունող սարքերում:

Կերամիկական պիեզո տարրերի արտադրության տեխնոլոգիայի առանձնահատկությունները.Պիեզոկերամիկական արտադրանքի արտադրության գործընթացի տարբերակիչ առանձնահատկությունը դրանց բևեռացումն է ուժեղ մշտական էլեկտրական դաշտով, որը սովորաբար կիրառվում է էլեկտրոդներ կիրառելուց հետո կերամիկական տեխնոլոգիայի մեթոդներից մեկով ձեռք բերված սինթրած աշխատանքային մասի վրա:

Արդյունաբերական պիեզոկերամիկական նյութեր և պիեզոկերամիկական պոլիմերներ:

Տարբեր հատկություններով նյութերը բաժանվում են ապրանքանիշերի (ըստ կազմի և բնութագրերի) և ֆունկցիոնալ խմբերի (ըստ նպատակի):

1-ին ֆունկցիոնալ խմբի նյութերը օգտագործվում են բարձր զգայուն պիեզոէլեկտրական տարրերի արտադրության համար, որոնք գործում են մեխանիկական թրթռումներ ընդունելու կամ արտանետելու ռեժիմում: 2-րդ ֆունկցիոնալ խմբի նյութերը նախատեսված են ուժեղ էլեկտրական դաշտերի կամ բարձր մեխանիկական սթրեսի պայմաններում գործող պիեզոէլեկտրական տարրերի համար: 3-րդ ֆունկցիոնալ խմբի նյութերն օգտագործվում են պիեզոէլեմենտների արտադրության համար՝ ռեզոնանսային հաճախականությունների բարձր կայունությամբ՝ կախված ջերմաստիճանից և ժամանակից, իսկ 4-րդ ֆունկցիոնալ խմբի նյութերը՝ բարձր ջերմաստիճանի պիեզո տարրերի համար։

Այժմ դիտարկենք տարբեր տեսակի պիեզոկերամիկայի հատկությունները:

Նյութեր, որոնք հիմնված են բարիումի տիտանատի վրա: Բարիումի տիտանատը ֆերոէլեկտրական է: Բարիումի տիտանատի պիեզոկերամիկան (TB-1) լայնորեն օգտագործվում է փոխարկիչների արտադրության համար, որոնք չեն ենթարկվում բնութագրերի ջերմաստիճանի և ժամանակի կայունության խիստ պահանջների: Հրաձգության ժամանակ բարիումի տիտանատի ձևավորման մեջ ցնդող բաղադրիչների բացակայությունը և պիեզոէլեկտրական տարրերի արտադրության տեխնոլոգիայի պարզությունը այս նյութը դարձնում են դեռևս լայն տարածում տեխնոլոգիայի մեջ:

Տիտանատի պինդ լուծույթների վրա հիմնված նյութեր՝ կապարի ցիրկոնատ։ Կապարի տիտանատի պինդ լուծույթներն ունեն շատ բարձր պիեզոէլեկտրական բնութագրեր։ Այս պինդ լուծույթների հիման վրա մշակվել են մի շարք տեխնոլոգիական պիեզոկերամիկական նյութեր՝ PZT (արտերկրում PZT) ծածկանունով։

PZT-ի նման նյութերից արտադրանքի արտադրության տեխնոլոգիան բարդ է նրանով, որ դրանք պարունակում են կապարի օքսիդ, որը մասամբ ցնդում է բարձր ջերմաստիճանի կրակման ժամանակ, ինչը հանգեցնում է հատկությունների վատ վերարտադրելիության: Հետևաբար, պիեզոէլեկտրական տարրերի բլանկների կրակումն իրականացվում է կապարի օքսիդի գոլորշու մթնոլորտում, որի համար բլանկները տեղադրվում են սերտորեն փակ պարկուճներում, որոնք պարունակում են կապարի օքսիդի միացությունների լցոնում: Այնուամենայնիվ, այս տեսակի նյութերի բարձր բնութագրերը դրանք շատ տարածված են դարձնում տարբեր նպատակներով պիեզոէլեկտրական փոխարկիչների արտադրության համար՝ էլեկտրաակուստիկ սարքերի, ուլտրաձայնային տեխնոլոգիայի, պիեզոմետրիայի, ինչպես նաև ռադիոզտիչների որոշ տեսակների համար:

Նյութեր, որոնք հիմնված են կապարի մեթանիոբատի վրա: Կապարի և բարիումի մեթանիոբատների պինդ լուծույթներն ունեն բարձր Կյուրիի կետ: Դրանց վրա հիմնված նյութերը կայուն են պիեզոէլեկտրական մոդուլների և ռեզոնանսային հաճախականությունների լայն ջերմաստիճանային տիրույթում: Դրանցից արտադրանքի արտադրության տեխնոլոգիան ավելի պարզ է, քան PZT ապրանքանիշի նյութերից, քանի որ նիոբատ կերամիկայի մեջ ներառված կապարի օքսիդը կրակելու ընթացքում գործնականում անկայուն է:

Պիեզոէլեկտրիկները պոլիմերներ են։Որոշ պոլիմերային նյութեր էլեկտրական դաշտում բևեռացված մեխանիկական կողմնորոշված թաղանթների տեսքով ունեն բևեռային հյուսվածքներ, որոնցում նկատվում է պիեզոէլեկտրական էֆեկտ: Դրանցից գործնական հետաքրքրություն է ներկայացնում պոլիվինիլիդեն ֆտորիդը (PVDF): Երբ այս պոլիմերից թաղանթները 300...400%-ով քաշվում են, դրանք կողմնորոշվում են ձևավորելու հատուկ կոնֆորմացիա, որը ուժեղ էլեկտրական դաշտում բևեռացումից հետո ձեռք է բերում պիեզոէլեկտրական էֆեկտ։

Հղումներ:

Էլեկտրական նյութերի ձեռնարկ հատոր 3

1756 թվականին ռուս ակադեմիկոս Ֆ. Էպինուսը հայտնաբերեց, որ երբ տուրմալինի բյուրեղը տաքացվում է, նրա դեմքերին առաջանում են էլեկտրաստատիկ լիցքեր։ Հետագայում ատոմի ֆենոմենին տրվեց պիրոէլեկտրական էֆեկտ անվանումը։ F. Epinus-ը ենթադրում էր, որ ջերմաստիճանի փոփոխության ժամանակ դիտվող էլեկտրական երևույթների պատճառը երկու մակերեսների անհավասար տաքացումն է, ինչը հանգեցնում է բյուրեղում մեխանիկական սթրեսի առաջացմանը։ Միևնույն ժամանակ, նա մատնանշեց, որ բյուրեղի որոշակի ծայրերում բևեռների բաշխման կայունությունը կախված է նրա կառուցվածքից և բաղադրությունից, ուստի Ֆ. Էպինուսը մոտեցավ պիեզոէլեկտրական էֆեկտի հայտնաբերմանը:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը բյուրեղներում հայտնաբերվեց 1880 թվականին Պ. և Ջ. Այս մեղադրանքները համաչափ են մեխանիկական սթրեսին, փոխում են նշանը դրա հետ և անհետանում, երբ այն հանվում է: Դիէլեկտրիկի մակերևույթի վրա էլեկտրաստատիկ լիցքերի առաջացումը և մեխանիկական սթրեսի ազդեցության հետևանքով դրա ներսում էլեկտրական բևեռացման առաջացումը կոչվում է ուղղակի պիեզոէլեկտրական էֆեկտ։

Ուղղակիի հետ մեկտեղ կա հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որը բաղկացած է նրանից, որ դրա վրա կիրառվող էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ պիեզոէլեկտրական բյուրեղից կտրված թիթեղում տեղի է ունենում մեխանիկական դեֆորմացիա. իսկ մեխանիկական դեֆորմացիայի մեծությունը համաչափ է էլեկտրական դաշտի ուժգնությանը։ Հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը չպետք է շփոթել էլեկտրալարման երևույթի հետ, այսինքն՝ էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ դիէլեկտրիկի դեֆորմացիայի հետ։ Էլեկտրասպուլյացիայի դեպքում դեֆորմացիայի և դաշտի միջև կա քառակուսի հարաբերություն, իսկ պիեզոէլեկտրական էֆեկտի դեպքում՝ գծային։

Բացի այդ, էլեկտրաստրակցիան տեղի է ունենում ցանկացած կառուցվածքի դիէլեկտրիկների մեջ և տեղի է ունենում նույնիսկ հեղուկների և գազերի մեջ, մինչդեռ պիեզոէլեկտրական ազդեցությունը դիտվում է միայն պինդ դիէլեկտրիկների, հիմնականում բյուրեղային:

Պիեզոէլեկտրականությունը հայտնվում է միայն այն դեպքերում, երբ բյուրեղի առաձգական դեֆորմացիան ուղեկցվում է բյուրեղի միավորի բջջի դրական և բացասական լիցքերի ծանրության կենտրոնների տեղաշարժով, այսինքն, երբ այն առաջացնում է ինդուկտիվ դիպոլային մոմենտ, որն անհրաժեշտ է։ մեխանիկական սթրեսի ազդեցության տակ դիէլեկտրիկի էլեկտրական բևեռացման առաջացման համար. Համաչափության կենտրոն ունեցող կառույցներում ոչ մի համաչափ դեֆորմացիա չի կարող խաթարել բյուրեղային ցանցի ներքին հավասարակշռությունը և, հետևաբար, միայն 20 դասեր, որոնք չունեն համաչափության կենտրոն, պիեզոէլեկտրական են: Համաչափության կենտրոնի բացակայությունը անհրաժեշտ, բայց ոչ բավարար պայման է պիեզոէլեկտրական էֆեկտի գոյության համար, և, հետևաբար, ոչ բոլոր ցենտրիկ բյուրեղներն ունեն այն։

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը չի կարող դիտվել պինդ ամորֆ և կրիպտոկրիստոլային դիէլեկտրիկների մեջ, քանի որ դա հակասում է դրանց գնդաձև համաչափությանը: Բացառություն է, երբ արտաքին ուժերի ազդեցության տակ նրանք դառնում են անիզոտրոպ և դրանով իսկ մասամբ ձեռք են բերում միայնակ բյուրեղների հատկություններ։Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը հնարավոր է նաև բյուրեղային հյուսվածքների որոշ տեսակների դեպքում։

Յուրաքանչյուր պիեզոէլեկտրիկ էլեկտրամեխանիկական փոխարկիչ է, ուստի նրա կարևոր բնութագիրը էլեկտրամեխանիկական միացման գործակիցն է k: Այս գործակցի քառակուսին ներկայացնում է տվյալ տեսակի դեֆորմացիայի համար մեխանիկական ձևով դրսևորվող էներգիայի հարաբերակցությունը էլեկտրաէներգիայի աղբյուրից մուտքագրման ժամանակ ստացված ընդհանուր էլեկտրական էներգիային:

Շատ դեպքերում պիեզոէլեկտրիկները էական նշանակություն ունեն իրենց առաձգական հատկությունների համար, որոնք նկարագրվում են առաձգական մոդուլներով c (Young moduli Eyu) կամ հակադարձ մեծություններով՝ առաձգական հաստատուններ s:

Պիեզոէլեկտրական տարրերը որպես ռեզոնատոր օգտագործելիս որոշ դեպքերում ներմուծվում է հաճախականության գործակից, որը պիեզոէլեկտրական տարրի ռեզոնանսային հաճախականության և թրթռման տեսակը որոշող երկրաչափական չափի արտադրյալն է։ Այս արժեքը համաչափ է ձայնի արագությանը պիեզոէլեկտրական տարրում առաձգական ալիքների տարածման ուղղությամբ։ Ներկայումս հայտնի են բազմաթիվ նյութեր (ավելի քան 500), որոնք դրսևորել են պիեզոէլեկտրական ակտիվություն։ Այնուամենայնիվ, միայն մի քանիսն են գործնական կիրառություն գտնում:

2. Հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտի հետ մեկտեղ առկա է նաև դրա հակառակ երեւույթը՝ պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում բևեռացման առաջացումը ուղեկցվում է մեխանիկական դեֆորմացիաներով։ Հետևաբար, եթե բյուրեղի վրա ամրացված մետաղական թիթեղների վրա էլեկտրական լարում է կիրառվում, դաշտի ազդեցության տակ բյուրեղը դառնում է բևեռացված և դեֆորմացված։

Հեշտ է նկատել, որ հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտի գոյության անհրաժեշտությունը բխում է էներգիայի պահպանման օրենքից և ուղղակի ազդեցության գոյության փաստից։ Դիտարկենք պիեզոէլեկտրական թիթեղը (նկ. 5) և ենթադրենք, որ այն սեղմում ենք արտաքին ուժերով F: Եթե չլիներ պիեզոէլեկտրական ազդեցություն, ապա արտաքին ուժերի աշխատանքը հավասար կլիներ առաձգական ձևափոխված թիթեղի պոտենցիալ էներգիային: Պիեզոէլեկտրական էֆեկտի առկայության դեպքում ափսեի վրա առաջանում են լիցքեր և առաջանում է էլեկտրական դաշտ, որը լրացուցիչ էներգիա է պարունակում։ Ըստ էներգիայի պահպանման օրենքի՝ հետևում է, որ երբ պիեզոէլեկտրական թիթեղը սեղմվում է, մեծ աշխատանք է կատարվում, ինչը նշանակում է, որ նրա մեջ առաջանում են լրացուցիչ ուժեր F1՝ հակազդելով սեղմմանը։ Սրանք հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտի ուժերն են: Վերոհիշյալ պատճառաբանությունից կապ է առաջանում երկու էֆեկտների նշանների միջև։ Եթե երկու դեպքում էլ դեմքերի վրա լիցքերի նշանները նույնն են, ապա դեֆորմացիաների նշանները տարբեր են։ Եթե, երբ թիթեղը սեղմվում է, դեմքերի վրա լիցքեր են հայտնվում, ինչպես ցույց է տրված Նկ. 5, ապա երբ արտաքին դաշտի կողմից ստեղծվի նույն բևեռացումը, թիթեղը կձգվի:

Նկ.5. Ուղղակի և հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտների կապը:

Հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը մակերեսորեն նման է էլեկտրաստրակցիային: Սակայն այս երկու երևույթներն էլ տարբեր են։ Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը կախված է դաշտի ուղղությունից և երբ վերջինիս ուղղությունը փոխվում է հակառակը, այն փոխում է նշանը։ Էլեկտրաստրացումը կախված չէ դաշտի ուղղությունից։ Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը դիտվում է միայն որոշ բյուրեղներում, որոնք չունեն համաչափության կենտրոն։ Էլեկտրաստրակումը տեղի է ունենում բոլոր դիէլեկտրիկների մեջ՝ և՛ պինդ, և՛ հեղուկ:

Եթե թիթեղը ամրացված է և չի կարող դեֆորմացվել, ապա երբ էլեկտրական դաշտ է ստեղծվում, դրանում լրացուցիչ մեխանիկական սթրես է առաջանում: Նրա s արժեքը համաչափ է բյուրեղի ներսում էլեկտրական դաշտի ուժգնությանը.

որտեղ b-ը նույն պիեզոէլեկտրական մոդուլն է, ինչ ուղղակի պիեզոէլեկտրական էֆեկտի դեպքում: Այս բանաձևի մինուսը արտացոլում է ուղղակի և հակադարձ պիեզոէլեկտրական ազդեցության նշանների վերը նշված հարաբերակցությունը:

Բյուրեղի ներսում ընդհանուր մեխանիկական սթրեսը դեֆորմացիայի և էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ առաջացած լարվածության գումարն է: Այն հավասար է.

Այստեղ C-ն առաձգականության մոդուլն է միակողմանի առաձգական դեֆորմացիայի ժամանակ (Յանգի մոդուլ) մշտական էլեկտրական դաշտում: Բանաձևերը (51.2) և (52.2) պիեզոէլեկտրականության տեսության հիմնական հարաբերություններն են։

Բանաձևեր գրելիս որպես անկախ փոփոխականներ ընտրեցինք u և E և համարեցինք D-ն և s-ը նրանց ֆունկցիաներ։ Սա, իհարկե, անհրաժեշտ չէ, և մենք կարող ենք որպես անկախ փոփոխականներ դիտարկել մեկ այլ զույգ մեծություններ, որոնցից մեկը մեխանիկական է, իսկ մյուսը՝ էլեկտրական։ Այնուհետև մենք կստանանք նաև երկու գծային հարաբերություններ u, s, E և D միջև, բայց տարբեր գործակիցներով: Կախված քննարկվող խնդիրների տեսակից, հարմար են հիմնական պիեզոէլեկտրական հարաբերությունները գրելու տարբեր ձևեր։

Քանի որ բոլոր պիեզոէլեկտրական բյուրեղները անիզոտրոպ են, e, C և b հաստատունները կախված են բյուրեղային առանցքների նկատմամբ թիթեղների երեսների կողմնորոշումից: Բացի այդ, դրանք կախված են նրանից, թե ափսեի կողային երեսները ամրացված են, թե ազատ (կախված են դեֆորմացիայի ժամանակ սահմանային պայմաններից): Այս հաստատունների մեծության կարգի մասին պատկերացում տալու համար մենք ներկայացնում ենք դրանց արժեքները քվարցի համար այն դեպքում, երբ թիթեղը կտրված է X առանցքին ուղղահայաց, և դրա կողային երեսները ազատ են.

e=4, 5; C=7, 8 1010 N/m2; b=0.18 C/m2.

Այժմ դիտարկենք հիմնական հարաբերությունների (4) և (5) կիրառման օրինակը.Ենթադրենք, որ վերևում նշված կվարցային թիթեղը ձգված է X առանցքի երկայնքով, իսկ երեսներին հպվող թիթեղները բաց են։ Քանի որ թիթեղների լիցքը մինչև դեֆորմացումը զրոյական էր, իսկ քվարցը դիէլեկտրիկ է, ապա դեֆորմացիայից հետո թիթեղները կմնան լիցքավորված։ Էլեկտրական տեղաշարժի սահմանման համաձայն դա նշանակում է, որ D=0: Այնուհետև (4) հարաբերությունից հետևում է, որ դեֆորմացիայի ժամանակ ափսեի ներսում կհայտնվի ինտենսիվությամբ էլեկտրական դաշտ.

Այս արտահայտությունը փոխարինելով (5) բանաձևով, մենք գտնում ենք ափսեի մեխանիկական սթրեսի համար.

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

Լարումը, ինչպես պիեզոէլեկտրական էֆեկտի բացակայության դեպքում, համաչափ է լարվածությանը: Այնուամենայնիվ, ափսեի առաձգական հատկությունները այժմ բնութագրվում են արդյունավետ առաձգական մոդուլով

С" == С (1 + b2/e0eС). (8)

որն ավելի մեծ է, քան C-ն: Առաձգական կոշտության աճը պայմանավորված է հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտի ժամանակ լրացուցիչ լարվածության առաջացմամբ, որը կանխում է դեֆորմացիան: Բյուրեղի պիեզոէլեկտրական հատկությունների ազդեցությունը նրա մեխանիկական հատկությունների վրա բնութագրվում է արժեքով՝ K2=b2/e0eC (9)

Այս արժեքի քառակուսի արմատը (K) կոչվում է էլեկտրամեխանիկական միացման հաստատուն: Օգտագործելով e, C և b վերը նշված արժեքները, մենք գտնում ենք, որ քվարցի K2 ~ 0,01 բոլոր մյուս հայտնի պիեզոէլեկտրական բյուրեղների համար K2-ը նույնպես փոքր է համեմատած. միասնություն և չի գերազանցում 0,1-ը:

Այժմ գնահատենք պիեզոէլեկտրական դաշտի մեծությունը: Ենթադրենք, որ X առանցքին ուղղահայաց քվարցային թիթեղների երեսների վրա կիրառվում է 1 1055 Ն/մ2 մեխանիկական լարվածություն։ Այնուհետեւ, ըստ (7)-ի, դեֆորմացիան հավասար կլինի u=1, 3 10-6: Այս արժեքը փոխարինելով (6) բանաձևով՝ ստանում ենք |E|==5900 V/m=59 V/cm: Ասենք d==0,5 սմ հաստությամբ թիթեղների դեպքում թիթեղների միջև լարումը հավասար կլինի U=Ed~30 V-ի: Մենք տեսնում ենք, որ պիեզոէլեկտրական դաշտերը և լարումները կարող են շատ նշանակալից լինել: Քվարցի փոխարեն ավելի ուժեղ պիեզոէլեկտրիկներ օգտագործելով և դեֆորմացիայի ճիշտ ընտրված տեսակների կիրառմամբ՝ հնարավոր է ստանալ պիեզոէլեկտրական լարումներ՝ չափված հազարավոր վոլտներով:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը (ուղիղ և հակադարձ) լայնորեն կիրառվում է տարբեր էլեկտրամեխանիկական փոխարկիչների նախագծման համար։ Այդ նպատակով երբեմն օգտագործվում են կոմպոզիտային պիեզո տարրեր, որոնք նախատեսված են տարբեր տեսակի դեֆորմացիաներ իրականացնելու համար։

Նկար 6-ը ցույց է տալիս սեղմման մեջ աշխատող կրկնակի պիեզոէլեկտրական տարր (կազմված երկու թիթեղներից): Թիթեղները բյուրեղից կտրված են այնպես, որ միաժամանակ կամ սեղմվում են, կամ ձգվում։ Եթե, ընդհակառակը, նման պիեզոէլեկտրական տարրը սեղմվում կամ ձգվում է արտաքին ուժերի կողմից, ապա նրա թիթեղների միջև լարվածություն է առաջանում։ Այս պիեզոէլեկտրական տարրում թիթեղների միացումը համապատասխանում է կոնդենսատորների զուգահեռ միացմանը:

Նկ.6. Կրկնակի պիեզոէլեկտրական տարր, որը գործում է սեղմման մեջ:

Եվ նաև չափագիտական նպատակներով: 3. Ոչ կոնտակտային թրթռման փոխարկիչների գնահատման հիմնական չափանիշները Թրթռման պարամետրերի և դրանց հիման վրա թրթռման չափման փոխարկիչների չափման ոչ կոնտակտային մեթոդները համեմատելու համար, ի լրումն թվարկված պարամետրերի, նպատակահարմար է օգտագործել գնահատման հետևյալ չափանիշները. չափման գործընթացում փոխազդող ֆիզիկական դաշտերը կամ ճառագայթումը. ...

Նրանք. Աղբյուրը տեղեկատվության արտահոսքից պաշտպանելու համար անհրաժեշտ է խախտել արտահոսքի ալիքի գոյության էներգիան և ժամանակավոր պայմանները՝ օգտագործելով ֆիզիկական սկզբունքներով տարբերվող պաշտպանության միջոցներ: Ակուստո-տրանսֆորմացվող ալիքի տեխնիկական բնութագրերը Acoustoelectric transducer-ը սարք է, որը էլեկտրամագնիսական էներգիան փոխակերպում է առաձգական ալիքների էներգիայի միջավայրում և ետ: ՄԵՋ...

Հումքի խառնուրդը նվազեցնում է դրանց բյուրեղյա վանդակաճաղերի կայունությունը և, հետևաբար, արագացնում է նյութի ձևավորման գործընթացը: Նիկելի և պղնձի հավելումների ազդեցության ուսումնասիրությունը պիեզոկերամիկական մշակման մասերի խտության վրա ներկայացված է Նկ. 2. Խտության չափման արդյունքները ցույց են տալիս, որ համաձուլված կերամիկան ավելի բարձր խտություն ունի կրակման բոլոր ջերմաստիճաններում: Այսպիսով, պղնձի հավելումով կերամիկան արդեն խտություն ունի...

Magnetostriction ազդեցություն
Ուլտրաձայնային գեներատորներ
Ուլտրաձայնային կտրում
Նվազեցված մեխանիկական ուժերը կտրող գործիքներով մշակելիս
Ուլտրաձայնային մաքրում
Ուլտրաձայնային զոդում
Ուլտրաձայնային զոդում tinning
Ուլտրաձայնային փորձարկում
Ուլտրաձայնային էքսպրես վերլուծություն
Արտադրական գործընթացների արագացում
Ուլտրաձայնային ներծծում
Ուլտրաձայնային հետազոտություն մետալուրգիայում
Ուլտրաձայնային հետազոտություն հանքարդյունաբերության մեջ
Ուլտրաձայնային հետազոտություն էլեկտրոնիկայի մեջ
Ուլտրաձայնային հետազոտությունը գյուղատնտեսության մեջ
Ուլտրաձայնային հետազոտություն սննդի արդյունաբերության մեջ
Ուլտրաձայնային հետազոտություն կենսաբանության մեջ
Հիվանդությունների ուլտրաձայնային ախտորոշում
Հիվանդությունների ուլտրաձայնային բուժում
Ցամաքի և ծովի վրա

1880 թվականին ֆրանսիացի գիտնականներ Ժակ և Պիեռ Կյուրի եղբայրները հայտնաբերեցին պիեզոէլեկտրական էֆեկտը։ Դրա էությունը կայանում է նրանում, որ եթե քվարցային թիթեղը դեֆորմացվում է, ապա դրա դեմքերին հայտնվում են հակառակ նշանի էլեկտրական լիցքեր։ Հետևաբար, պիեզոէլեկտրականությունը էլեկտրաէներգիա է, որն առաջանում է նյութի վրա մեխանիկական գործողության արդյունքում («piezo» հունարեն նշանակում է «սեղմել»):
Առաջին անգամ պիեզոէլեկտրական հատկությունները հայտնաբերվել են ժայռաբյուրեղի մեջ, որը քվարցի տեսակներից մեկն է: Ժայռաբյուրեղը թափանցիկ, անգույն, սառույցի նմանվող բյուրեղ է։ Խորհրդային հանքաբան Ա.Է. Ֆերսմանը իր «Զվարճալի հանքաբանություն» գրքում գրել է. «բյուրեղ» հունարեն «սառույց» անունից, քանի որ ռոք բյուրեղը իսկապես շատ նման է սառույցին...»:
Բնության մեջ հանդիպում են քվարցի գրեթե երկու հարյուր տեսակ։ Դրանց թվում են ոսկե-դեղին ցիտրինը, արյունա-կարմիր կարնելիան, կարմիր-շագանակագույն ավանտուրինը ոսկե երանգով, մանուշակագույն ամեթիստ և շատ ուրիշներ: Երկրակեղևի գրեթե մեկ տասներորդը բաղկացած է տարբեր տեսակի քվարցից։ Նույնիսկ սովորական ավազը կազմված է հիմնականում քվարցի հատիկներից։
Քվարցը լայնորեն օգտագործվում է գիտության և տեխնիկայի մեջ: Լուծում է ուլտրամանուշակագույն ճառագայթները, կոշտ է և հրակայուն։ Քվարցային ապակյա սպասքը կարելի է տաքացնել կարմիր տաք և անմիջապես ընկղմել սառցե ջրի մեջ: Այն դիմացկուն է գրեթե բոլոր թթուների նկատմամբ և էլեկտրական հոսանքի վատ հաղորդիչ է։ Բայց նրա ամենաուշագրավ հատկությունը պիեզոէլեկտրականությունն է։ Եթե քվարց բյուրեղից որոշակի ձևով կտրված ափսեը սեղմված և չսեղմված է, դրա դեմքերին կհայտնվեն հակառակ նշանների էլեկտրական լիցքեր: Որքան ուժեղ է սեղմումը, այնքան մեծ է լիցքը: Քվարցային ափսեի երեսին էլեկտրական լիցքերի հայտնվելը դրա դեֆորմացման ժամանակ կոչվում է ուղղակի պիեզոէլեկտրական էֆեկտ։
Եթե նման քվարցային ափսեի վրա էլեկտրական լիցք կիրառվի, այն կփոխի իր չափը։ Որքան մեծ է լիցքը, այնքան ափսեը դեֆորմացվում է: Երբ փոփոխական էլեկտրական դաշտը գործում է ափսեի վրա, այն կծկվում կամ ընդլայնվում է ժամանակին կիրառվող լարման նշանի փոփոխության հետ: Եթե վերջինս փոխվում է ուլտրաձայնային հաճախականությամբ, ապա թիթեղը թրթռում է նաև ուլտրաձայնային հաճախականությամբ, ինչը հիմք է հանդիսանում ուլտրաձայնային ալիքներ արտադրելու համար քվարցի օգտագործման համար։ Էլեկտրական լիցքերի ազդեցության տակ քվարցային ափսեի չափի փոփոխությունը կոչվում է հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ։
Ուղղակի պիեզոէլեկտրական էֆեկտն օգտագործվում է ուլտրաձայնային թրթռման ընդունիչներում, որտեղ վերջիններս վերածվում են փոփոխական հոսանքի։ Բայց եթե այդպիսի ընդունիչի վրա կիրառվի փոփոխական լարում, հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը լիովին բացահայտվում է։ Այս դեպքում փոփոխական հոսանքը վերածվում է ուլտրաձայնային թրթռումների և ընդունիչը գործում է որպես ուլտրաձայնային արտանետիչ: Հետևաբար, պիեզոէլեկտրական ընդունիչը և թողարկիչը կարող են ներկայացվել մեկ սարքի տեսքով, որը կարող է հերթափոխով արձակել և ստանալ ուլտրաձայնային թրթռումներ։ Նման սարքը կոչվում է ուլտրաձայնային ակուստիկ փոխարկիչ:
Ակուստիկ փոխարկիչները հաջողությամբ օգտագործվում են տարբեր տեսակի էլեկտրաակուստիկ համակարգերում, մասնավորապես ակուստիկ և հիդրոակուստիկ չափումների և հետազոտությունների համար նախատեսված համակարգերում: Պիեզոէլեկտրական սարքերը լայնորեն կիրառվում են տիեզերական հետազոտության մեջ։ Մեր օրերում դրանք ներկայացված են որոշ սենսորներով, որոնք տվյալներ են փոխանցում տիեզերագնացների վիճակի, տիեզերանավի ներսում պայմանների մասին, զգուշացնելով երկնաքարերի վտանգի մասին և այլն։
Պիեզոէլեկտրական սարքերը օգնում են «զգալ» օդանավի մասերը, հայտնաբերել սխալները դրանց հաշվարկներում և կանխել այդ սխալների վտանգավոր հետևանքները. «նայեք» կրակող ատրճանակի տակառին՝ ճնշումը չափելու կամ այլ տվյալներ ստանալու համար: Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է ռադիոտեխնիկայի և հեռուստատեսության մեջ: Պիեզոէլեկտրական սարքերը օգնում են գտնել ձկների խմբեր, ուսումնասիրել երկրի աղիքները, որոնել օգտակար հանածոներ, ախտորոշել և բուժել մարդկանց, վերլուծել և արագացնել քիմիական գործընթացները և այլն:
Քվարցը վաղուց համարվում էր ուլտրաձայնային փոխարկիչների արտադրության համար օգտագործվող հիմնական նյութերից մեկը: Բայց արտանետիչը, որը պատրաստված է փոքր քվարցային թիթեղից, քիչ ուժ ունի: Այն մեծացնելու համար ճառագայթող մակերեսի տարածքը մեծանում է քվարցային թիթեղները մի տեսակ խճանկարի տեսքով դասավորելով:
Բնության մեջ քվարցի բյուրեղները հիմնականում հանդիպում են համեմատաբար փոքր չափերի, թեև կան բացառություններ։ Արևելյան Ալպերում երկրաբանները մեկ բնում հայտնաբերել են վեց ժայռաբյուրեղային բյուրեղներ, որոնց ընդհանուր զանգվածը ավելի քան մեկուկես տոննա է: Էլ ավելի յուրօրինակ գտածո են հայտնաբերել Ուրալի երկրաբանները, ովքեր հայտնաբերել են բյուրեղների հանքավայր՝ հսկա բյուրեղների մի ամբողջ ընտանիքով: Նախ ժայռից 800 կիլոգրամ կշռող բյուրեղներ են հանվել։ Հետագա համառ որոնումը տվեց բացարձակապես ցնցող արդյունքներ՝ հայտնաբերվել է քսան թափանցիկ մաքուր բյուրեղների համաստեղություն: Նրանց ընդհանուր քաշը գերազանցել է 9 տոննան։ Այնուամենայնիվ, նման գտածոները չեն կարող բավարարել քվարց բյուրեղների համար գիտության և տեխնոլոգիայի անընդհատ աճող կարիքները։ Ուստի լաբորատորիաներում փորձում են արհեստականորեն աճեցնել, բայց, ցավոք, դանդաղ են աճում, իսկ արտադրությունը թանկ արժե։
Այլ պիեզոէլեկտրական նյութեր փնտրելիս գիտնականներն իրենց ուշադրությունը դարձրին Ռոշելի աղի վրա: Այն առաջին անգամ ստացվել է թաթարաթթվի աղերից ֆրանսիացի դեղագործ Սեգնետի կողմից։ Ռոշելի աղը հեշտ է մշակվում, Ռոշելի աղի բյուրեղը կարելի է կտրել ջրով թրջված սովորական թելով։ Համեմատած այլ պիեզոէլեկտրական բյուրեղների, ներառյալ քվարցի հետ, Ռոշելի աղի բյուրեղը զգալիորեն ավելի մեծ պիեզոէլեկտրական ազդեցություն ունի, ափսեի վրա ամենափոքր մեխանիկական ազդեցությունը հանգեցնում է էլեկտրական լիցքերի առաջացման: Այնուամենայնիվ, Rochelle աղը ունի նաև լուրջ թերություններ, որոնք սահմանափակում են դրա գործնական օգտագործումը: Սա հիմնականում ցածր հալման կետ է` մոտ 60 աստիճան, որի դեպքում Ռոշելի աղի բյուրեղը կորցնում է իր պիեզոէլեկտրական հատկությունները, և դրանք այլևս չեն վերականգնվում: Ռոշելի աղը լուծվում է ջրի մեջ և, հետևաբար, ենթակա է խոնավության: Բացի այդ, այն փխրուն է և չի կարող դիմակայել ծանր մեխանիկական բեռներին:
Նոր պիեզոէլեկտրական նյութերի հետազոտությունները հատկապես համառորեն իրականացվել են Երկրորդ համաշխարհային պատերազմի տարիներին։ Դրանք առաջացել են «քվարցային սովից», որն առաջացել է հիդրոակուստիկ սարքերում և ռազմական ռադիոէլեկտրոնիկայի մեջ պիեզոէլեկտրական քվարցի լայնածավալ օգտագործման արդյունքում։ Այսպիսով, ամոնիումի երկջրածին ֆոսֆատի բյուրեղները այն ժամանակ օգտագործվում էին պիեզոէլեկտրական փոխարկիչներ արտադրելու համար։ Այս նյութը հաճախականության կայուն է և թույլ է տալիս աշխատել բարձր հզորությամբ և հաճախականության լայն տիրույթում: Այլ պիեզոէլեկտրական նյութեր վաղուց օգտագործվել են, ինչպիսիք են ամոնիումի ֆոսֆատը, լիթիումի սուլֆատը և կալիումի երկջրածին ֆոսֆատը։ Հիդրոակուստիկ փոխարկիչներում դրանք օգտագործվել են խճանկարային փաթեթների տեսքով։ Այնուամենայնիվ, այս բոլոր պիեզոկրիստալներն ունեն ընդհանուր թերություն՝ ցածր մեխանիկական ուժ: Ուստի գիտնականները համառորեն փնտրում էին փոխարինող, որը պիեզոէլեկտրական հատկություններով մոտ կլինի նրանց և չէր ունենա վերը նշված թերությունը։ Եվ նման փոխարինող են գտել խորհրդային գիտնականները, որոնք աշխատում էին ԽՍՀՄ ԳԱ թղթակից անդամ Բ.Մ.Վուլ. Դա բարիումի տիտանատ էր, որը քվարցի և Ռոշելի աղի նման բյուրեղ չէ և ինքնին չունի պիեզոէլեկտրական հատկություններ։
Բարիումի տիտանատը ձեռք է բերվում արհեստականորեն, քանի որ այն շատ հազվադեպ է երկրի աղիքներում: Դրա համար շատ բարձր ջերմաստիճանում կրակում են երկու հանքային նյութերի խառնուրդ՝ բարիումի կարբոնատ և տիտանատ երկօքսիդ։ Ստացվում է դեղնասպիտակ զանգված, որն իր տեսքով և մեխանիկական հատկություններով հիշեցնում է սովորական կավի։ Այս զանգվածին, ինչպես կավը, կարելի է տալ ցանկացած ձև, բայց այն կլինի մեխանիկորեն ամուր և ջրի մեջ չլուծվող։ Իսկ բարիումի տիտանատին պիեզոէլեկտրական հատկություններ հաղորդելու համար այրված զանգվածը տեղադրում են ուժեղ էլեկտրական դաշտում, ապա սառչում։ Արդյունքում տեղի է ունենում բարիումի տիտանատի բյուրեղների բևեռացում, դրանց դիպոլները (երկու հակադիր, բայց բացարձակ արժեքով հավասար էլեկտրական լիցքերի համակցություն, որոնք գտնվում են միմյանցից որոշ հեռավորության վրա) զբաղեցնում են նույն դիրքը, և սառչելուց հետո դրանք ամրացվում են, կարծես. «սառեցված» այս վիճակում: Ստացված նյութն ունի պիեզոէլեկտրական էֆեկտ 50 անգամ ավելի մեծ, քան քվարցիը, և դրա արժեքը ցածր է, քանի որ դրա արտադրության համար հասանելի է շատ մեծ քանակությամբ հումք: Բարիումի տիտանատի թերությունները ներառում են մեծ մեխանիկական և դիէլեկտրական կորուստներ, ինչը հանգեցնում է դրա գերտաքացմանը, իսկ 90 աստիճանից բարձր ջերմաստիճանի դեպքում պիեզոէլեկտրական ազդեցությունը զգալիորեն նվազում է:
Բարիումի տիտանատ կերամիկան կարելի է կտրել, մանրացնել, փայլեցնել՝ փոխարկիչին տալով անհրաժեշտ ձևն ու չափը (հարթ ափսե, գլան, կիսագնդ, գնդիկի մաս և այլն)։ Բարիումի տիտանատի փոխարկիչները ավելի արդյունավետ են էլեկտրական էներգիան մեխանիկական էներգիայի փոխակերպելու համար, ունեն ավելի մեծ դիմադրություն էլեկտրական խզմանը և կարող են աշխատել ցածր լարման դեպքում: Բացի այդ, բարիումի տիտանատի ուլտրաձայնային փոխարկիչները կարող են աշխատել իմպուլսային ռեժիմում:
Պիեզոէլեկտրական փոխարկիչների արտադրության համար օգտագործվում է նաև մեկ այլ պիեզոկերամիկա՝ ցիրկոնիումի խառնուրդ կապարի տիտանատի հետ (PZT), այս պիեզոկերամիկան ունի պիեզոէլեկտրական էֆեկտ երկու անգամ ավելի ուժեղ, քան բարիումի տիտանատը: Piezoceramics PZT-ն անլուծելի է ջրի մեջ և կարող է նաև մշակվել մեխանիկական եղանակով:
Միաժամանակ շարունակվել են պիեզոէլեկտրական հատկություններ ունեցող և անհրաժեշտ տեխնիկական պահանջներին համապատասխանող բյուրեղների որոնումները։ Ահա թե ինչպես է կադմիումի սուլֆիդը հայտնվել գիտնականների ուշադրության կենտրոնում։ Բացի այն, որ այն ունի ուլտրաձայնային թրթռումները ուժեղացնելու բացառիկ ունակություն, այն կարող է օգտագործվել շատ բարձր հաճախականությունների համար ուլտրաձայնային փոխարկիչ պատրաստելու համար, որը լիովին անհասանելի է քվարցի և բարիումի տիտանատի համար: Հետազոտողները ենթադրում են, որ կադմիումի սուլֆիդի բյուրեղը կպահի ռեկորդը հնարավոր կիրառման քանակով: Այն ոչ միայն կարող է ծառայել որպես ուլտրաձայնային ուժեղացուցիչ և փոխարկիչ, այլ նաև կարող է օգտագործվել գերմանիումի և սիլիցիումի հետ միասին որպես ընդհանուր կիսահաղորդիչ: Բացի այդ, կադմիումի սուլֆիդը հիանալի ֆոտոռեզիստոր է:
Ինչ-որ չափով պարզեցնելով, կարող ենք ասել, որ պիեզոէլեկտրական փոխարկիչը մեկ կամ մի քանի առանձին պիեզոէլեկտրական տարրեր է՝ հարթ կամ գնդաձև մակերևույթով, որոնք կապված են որոշակի ձևով, սոսնձված ընդհանուր մետաղական ափսեի վրա: Բարձր ճառագայթման ինտենսիվություն ստանալու համար օգտագործվում են կենտրոնացված պիեզոէլեկտրական փոխարկիչներ կամ համակենտրոնիչներ, որոնք կարող են ունենալ տարբեր ձևեր (կիսագնդեր, խոռոչ գնդերի մասեր, խոռոչ գլաններ, խոռոչ գլանների մասեր): Նման փոխարկիչները օգտագործվում են բարձր հաճախականություններում հզոր ուլտրաձայնային թրթռումներ արտադրելու համար: Այս դեպքում գնդաձև փոխարկիչների կիզակետային կետի կենտրոնում ճառագայթման ինտենսիվությունը 100-150 անգամ գերազանցում է փոխարկիչի արտանետվող մակերեսի միջին ինտենսիվությունը:

«Ձայն, ուլտրաձայնային, ինֆրաձայնային»