პირდაპირი და საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტები. ანბანური ინდექსი პიეზოელექტრული ეფექტის აღწერა

პიეზოელექტრული ეფექტი (პიეზოელექტრული ეფექტი) შეინიშნება ზოგიერთი ნივთიერების კრისტალებში, რომლებსაც აქვთ გარკვეული სიმეტრია. ბუნებაში ყველაზე გავრცელებული პიეზოელექტრული მინერალებია კვარცი, ტურმალინი, სფალერიტი და ნეფელინი. ზოგიერთ პოლიკრისტალურ დიელექტრიკს მოწესრიგებული სტრუქტურით (კერამიკული მასალები და პოლიმერები) აქვს პიეზოელექტრული ეფექტი. დიელექტრიკები, რომლებსაც აქვთ პიეზოელექტრული ეფექტი ე.წპიეზოელექტრიკა.

ბრინჯი. 1

გარე მექანიკური ძალები, რომლებიც მოქმედებენ გარკვეული მიმართულებით პიეზოელექტრიკულ კრისტალზე, იწვევს მასში არა მხოლოდ მექანიკურ დეფორმაციას (როგორც ნებისმიერ მყარ სხეულში), არამედ ელექტრულ პოლარიზაციას, ანუ მის ზედაპირზე სხვადასხვა ნიშნის ელექტრული მუხტების გამოჩენას (ნახ. 1a, ფ- მოქმედი ძალები, P - ელექტრული პოლარიზაციის ვექტორი). როდესაც მექანიკური ძალები საპირისპირო მიმართულებით არიან, მუხტების ნიშნები იცვლება(ნახ. 1ბ). ამ ფენომენს ე.წპირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტი(ნახ. 2ა).

ბრინჯი. 2

მაგრამ პიეზოელექტრული ეფექტი შექცევადია. როდესაც პიეზოელექტრიკი ექვემდებარება ელექტრულ ველს შესაბამისი მიმართულებით, მასში ხდება მექანიკური დეფორმაციები (ნახ. 1c).როდესაც ელექტრული ველის მიმართულება იცვლება, დეფორმაციებიც შესაბამისად იცვლება(ნახ. 1დ). ამ ფენომენს ე.წსაპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტი(ნახ. 2ბ) .

პიეზოელექტრული ეფექტიახსნილია შემდეგნაირად. ბროლის ბადეში, დადებითი და უარყოფითი იონების ცენტრების შეუსაბამობის გამო, არის მოცულობითი ელექტრული მუხტი. გარე ელექტრული ველის არარსებობის შემთხვევაში, ეს პოლარიზაცია არ ჩანს, რადგან ის კომპენსირდება ზედაპირზე მუხტებით. ბროლის დეფორმაციისას გისოსის დადებითი და უარყოფითი იონები გადაადგილდებიან ერთმანეთთან შედარებით და შესაბამისად იცვლება ბროლის ელექტრული მომენტი, რაც იწვევს ზედაპირზე პოტენციალების გაჩენას. ელექტრული ბრუნვის ეს ცვლილება პიეზოელექტრული ეფექტით ვლინდება. პიეზოელექტრული ეფექტი დამოკიდებულია არა მხოლოდ მექანიკური ან ელექტრული ზემოქმედების სიდიდეზე, არამედ ბროლის კრისტალოგრაფიულ ღერძებთან მიმართებაში ძალების ბუნებასა და მიმართულებაზე.

პიეზოელექტრული ეფექტის შედეგად წარმოქმნილი პიეზოელექტრული დეფორმაციები უმნიშვნელოა აბსოლუტური მნიშვნელობით. მაგალითად, 1 მმ სისქის კვარცის ფირფიტა 100 ვ ძაბვის გავლენის ქვეშ ცვლის მის სისქეს მხოლოდ 0,23 მიკრონით. პიეზოელექტრიკის დეფორმაციის უმნიშვნელოობა აიხსნება მათი ძალიან მაღალი სიმტკიცით.

პირდაპირი და შებრუნებული პიეზოელექტრული ეფექტები წრფივია და აღწერილია წრფივი დამოკიდებულებით, რომლებიც აკავშირებს ელექტრო პოლარიზაციას P მექანიკურ სტრესს g:

Р=αg (1).

ამ დამოკიდებულებას ეწოდება პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის განტოლება. პროპორციულობის კოეფიციენტს α ეწოდება პიეზოელექტრული მოდული (პიეზოელექტრული მოდული). ის ემსახურება როგორც პიეზოელექტრული ეფექტის საზომს. ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი აღწერილია დამოკიდებულებით

r=αE (2),

სადაც r არის დეფორმაცია;

E არის ელექტრული ველის სიძლიერე.

ბრინჯი. 3

პიეზოელექტრული მოდული α პირდაპირი და საპირისპირო ეფექტებისთვის იგივე მნიშვნელობა აქვს. პიეზოელექტრული ემიტერებიარ გააჩნიათ მექანიკური კონტაქტები და შედგება ლითონის დისკზე დამაგრებული კერამიკული ელემენტისგან (ნახ. 3).დისკის ვიბრაცია გამოწვეულია მასზე გამოყენებული ძაბვით. გარკვეული სიხშირის ალტერნატიული ძაბვა ქმნის ხმოვან სიგნალს. პიეზოელექტრული ემიტერები არ ექვემდებარება სტრუქტურული ელემენტების მექანიკურ ცვეთას, აქვთ დაბალი ენერგიის მოხმარება და არ აქვთ ელექტრული ხმაური. პიეზოკერამიკის დახმარებით შესაძლებელია მნიშვნელოვანი ხმის მოცულობის მიღება. პიეზოკერამიკული გადამყვანების ზოგიერთ ნიმუშს შეუძლია განავითაროს ხმის წნევა 1 მ-დან 130 დბ-მდე (ტკივილის ზღურბლის დონე) მანძილზე.

ბრინჯი. 4

პიეზოელექტრული ემიტერები ხელმისაწვდომია ორი მოდიფიკაციით:

- "სუფთა" გადამყვანები (კონტროლის მიკროსქემის გარეშე) - პიეზო ზარები;
- ემიტერები საკონტროლო სქემით (ჩაშენებული გენერატორით) - სირენები.

იმისათვის, რომ პირველი ტიპის გადამყვანებმა გამოიმუშაონ ბგერები, საჭიროა გენერირებული საკონტროლო სიგნალები (კონვერტორის კონკრეტული მოდელისთვის განსაზღვრული გარკვეული სიხშირის სინუსური ტალღა ან კვადრატული ტალღა). ჩაშენებული გენერატორის მქონე ემიტერები საჭიროებენ მხოლოდ გარკვეულ ძაბვის დონეს. ასეთი მოწყობილობები ხელმისაწვდომია ნომინალური ძაბვისთვის 1-დან 250 ვ-მდე (DC და AC).

მაგალითად, პიეზოკერამიკული ზარი (პიეზო ზუმერი) ZP-1 (ნახ. 4)შედგება ორი პიეზოელექტრული ბლოკისგან, რომელთაგან თითოეული მემბრანა დამზადებულია არაღრმა ფირფიტის სახით, გარე დიამეტრით 32 მმ. ფირფიტები დაწყობილია საპირისპიროდ და შედუღებულია გარე საზღვრის გასწვრივ. ზარის პიეზოელემენტები დაკავშირებულია ისე, რომ ალტერნატიული ძაბვის გამოყენებისას ფირფიტების ზედაპირები ან ერთმანეთს ემთხვევა, ან შორდება, ე.ი. შეკუმშვისა და იშვიათობის ზონები იქმნება ზარის ორივე მხარეს. ზარის რეზონანსული სიხშირეა 2 კჰც.

ბრინჯი. 5

ის აწარმოებს 75 დბ ხმოვან წნევას 1 მ მანძილზე ძაბვის დროს რეზონანსული სიხშირეზე 10 ვ. ეს ზარი ერთნაირად ასხივებს ბგერით ტალღებს ორივე ნახევარ სივრცეში. ცხრილში 1მოცემულია სხვა პიეზო ემიტერების პარამეტრები, რომელთა გარეგნობა ნაჩვენებია ნახაზ 5-ში. ნახ.6-ში წარმოდგენილია პიეზოელემენტების ამპლიტუდა-სიხშირის მახასიათებლები: PVA-1- სურ.6a და ZP-5 - სურ.6ბ.

ცხრილი 1 პიეზო ემიტერების მახასიათებლები

ტიპი	ხმა წნევა, DB	სამუშაო ვოლტაჟი,	რეზონანსული სიხშირე, კჰც	ზომები, მმ
ტიპი	ხმა წნევა, DB	სამუშაო ვოლტაჟი,	რეზონანსული სიხშირე, კჰც	დიამეტრი	სიმაღლე
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

Შენიშვნა: * - შექმნილია თვითრხევის რეჟიმში მუშაობისთვის.

ბრინჯი. 6, პიეზოელემენტების ამპლიტუდა-სიხშირის მახასიათებლები

ა.კაშკაროვი

შინაარსი:
პიეზოელექტრული ეფექტი
პიეზოელექტრიკა - ერთკრისტალები
კვარცი
ტურმალინი
როშელის მარილი
ამონიუმის დიჰიდროფოსფატი
კალიუმის ტარტრატი
ლითიუმის ნიობატი
პოლიკრისტალური პიეზოელექტრიკა
პიეზოელექტრული ტექსტურები
პიეზოელექტრული კერამიკა
კერამიკული პიეზოელემენტების დამზადების ტექნოლოგიის თავისებურებები
სამრეწველო პიეზოკერამიკული მასალები და პიეზოელექტრიკა - პოლიმერები
ბარიუმის ტიტანატზე დაფუძნებული მასალები
ტიტანატის მყარ ხსნარებზე დაფუძნებული მასალები - ტყვიის ცირკონატი
ტყვიის მეთანობატზე დაფუძნებული მასალები
პიეზოელექტროები - პოლიმერები

პიეზოელექტრული ეფექტი

1756 წელს რუსმა აკადემიკოსმა ფ. ეპინუსმა აღმოაჩინა, რომ როდესაც ტურმალინის ბროლი თბება, მის სახეებზე ელექტრული მუხტები ჩნდება. მოგვიანებით ამ ფენომენს ეწოდა პიროელექტრული ეფექტი. F. Epinus-მა ჩათვალა, რომ ტემპერატურის ცვლილებების დროს დაფიქსირებული ელექტრული ფენომენების მიზეზი არის ორი ზედაპირის არათანაბარი გათბობა, რაც იწვევს კრისტალში მექანიკური სტრესების გამოჩენას. ამავდროულად, მან აღნიშნა, რომ ბროლის გარკვეულ ბოლოებზე ბოძების განაწილების მუდმივობა დამოკიდებულია მის სტრუქტურასა და შემადგენლობაზე, რითაც F. Epinus მიუახლოვდა პიეზოელექტრული ეფექტის აღმოჩენას.

კრისტალებში პიეზოელექტრული ეფექტი აღმოაჩინეს 1880 წელს ძმებმა P. და J. Curie-მ, რომლებიც აკვირდებოდნენ ელექტროსტატიკური მუხტების გამოჩენას კვარცის ბროლისგან მოჭრილი ფირფიტების ზედაპირზე გარკვეულ ორიენტაციაზე მექანიკური სტრესის გავლენის ქვეშ. ეს მუხტები მექანიკური სტრესის პროპორციულია, იცვლის ნიშანს და ქრება მისი მოხსნისას.

დიელექტრიკის ზედაპირზე ელექტროსტატიკური მუხტების წარმოქმნას და მის შიგნით ელექტრული პოლარიზაციის წარმოქმნას მექანიკური სტრესის ზემოქმედების შედეგად პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტი ეწოდება.

ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი არ უნდა აგვერიოს ელექტროსტრიქციის ფენომენთან, ანუ დიელექტრიკის დეფორმაციასთან ელექტრული ველის გავლენის ქვეშ. ელექტროსტრიქციის დროს დეფორმაციასა და ველს შორის არის კვადრატული ურთიერთობა, ხოლო პიეზოელექტრული ეფექტის შემთხვევაში - წრფივი ურთიერთობა. გარდა ამისა, ელექტროსტრიქცია ხდება ნებისმიერი სტრუქტურის დიელექტრიკულში და ხდება თუნდაც სითხეებსა და აირებში, ხოლო პიეზოელექტრული ეფექტი შეინიშნება მხოლოდ მყარ დიელექტრიკებში, ძირითადად კრისტალურში.

პიეზოელექტროენერგია ჩნდება მხოლოდ იმ შემთხვევებში, როდესაც კრისტალის ელასტიურ დეფორმაციას თან ახლავს ბროლის ელემენტარული უჯრედის დადებითი და უარყოფითი მუხტების სიმძიმის ცენტრების გადაადგილება, ანუ როდესაც ის იწვევს ინდივიდუალურ დიპოლურ მომენტს, რაც აუცილებელია. დიელექტრიკის ელექტრული პოლარიზაციის წარმოქმნისთვის მექანიკური სტრესის გავლენის ქვეშ. სტრუქტურებში, რომლებსაც აქვთ სიმეტრიის ცენტრი, ვერც ერთმა დეფორმაციამ არ შეიძლება დაარღვიოს კრისტალური მედის შიდა წონასწორობა და, შესაბამისად, კრისტალების მხოლოდ 20 კლასი, რომლებსაც არ აქვთ სიმეტრიის ცენტრი, არის პიეზოელექტრული. სიმეტრიის ცენტრის არარსებობა აუცილებელი, მაგრამ არა საკმარისი პირობაა პიეზოელექტრული ეფექტის არსებობისთვის და, შესაბამისად, ყველა აცენტრულ კრისტალს არ აქვს იგი.

პიეზოელექტრული ეფექტი არ შეიძლება შეინიშნოს მყარ ამორფულ და კრიპტოკრისტალურ დიელექტრიკებში (თითქმის იზოტროპული), რადგან ეს ეწინააღმდეგება მათ სფერულ სიმეტრიას. გამონაკლისია, როდესაც ისინი გარე ძალების გავლენის ქვეშ ხდებიან ანისოტროპული და ამით ნაწილობრივ იძენენ ერთკრისტალების თვისებებს. პიეზოელექტრული ეფექტი ასევე შესაძლებელია ზოგიერთი ტიპის კრისტალურ ტექსტურაში.

ამ დრომდე პიეზოელექტრული ეფექტი ვერ იპოვა დამაკმაყოფილებელი რაოდენობრივი აღწერა ბროლის ბადის თანამედროვე ატომური თეორიის ფარგლებში. უმარტივესი ტიპის სტრუქტურებისთვისაც კი შეუძლებელია პიეზოელექტრული მუდმივების რიგის დაახლოებით გამოთვლა.

ამჟამად შემუშავებულია პიეზოელექტრული ეფექტის ფენომენოლოგიური თეორია, რომელიც აკავშირებს დეფორმაციებსა და მექანიკურ სტრესებს ელექტრულ ველთან და კრისტალებში პოლარიზაციასთან. შეიქმნა პარამეტრების სისტემა, რომელიც განსაზღვრავს კრისტალის, როგორც პიეზოელექტრის ეფექტურობას. პიეზოელექტრული მოდული (პიეზომოდული) d განსაზღვრავს კრისტალების პოლარიზაციას (ან მუხტის სიმკვრივეს) მოცემულ გამოყენებული მექანიკური სტრესის დროს; პიეზოელექტრული მუდმივი განსაზღვრავს მექანიკურ ძალებს, რომლებიც წარმოიქმნება დამაგრებულ კრისტალში ელექტრული ველის გავლენის ქვეშ; პიეზოელექტრული მუდმივი g ახასიათებს ელექტრულ ძაბვას ღია წრეში მოცემულ მექანიკურ სტრესზე; და ბოლოს, პიეზოელექტრული მუდმივი h განსაზღვრავს ელექტრულ ძაბვას ღია წრეში მოცემული მექანიკური დეფორმაციისთვის. ეს მუდმივები დაკავშირებულია სიდიდეებით და დაკავშირებულია ერთმანეთთან მიმართებით, რომელიც მოიცავს ელასტიურ მუდმივებს და კრისტალების დიელექტრიკულ მუდმივას, ამიტომ ნებისმიერი მათგანის გამოყენება შესაძლებელია. ყველაზე ხშირად გამოყენებული პიეზოელექტრული მოდული არის d. პიეზოელექტრული მუდმივები ტენსორებია და, შესაბამისად, თითოეულ კრისტალს შეიძლება ჰქონდეს რამდენიმე დამოუკიდებელი პიეზომოდული.

ზოგადად, პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის განტოლება ერთიანი მექანიკური სტრესის გავლენის ქვეშ Tr იწერება შემდეგნაირად:

სადაც Pi არის პოლარიზაციის ვექტორის კომპონენტი; dir - პიეზომოდული; Tr არის მექანიკური სტრესის კომპონენტი.

შებრუნებული პიეზოელექტრული ეფექტის განტოლება იწერება შემდეგნაირად:

სადაც Xi არის ელასტიური დეფორმაციის კომპონენტი; Er არის ელექტრული ველის სიძლიერის კომპონენტი.

თითოეული პიეზოელექტრიკი არის ელექტრომექანიკური გადამყვანი, ამიტომ მისი მნიშვნელოვანი მახასიათებელია ელექტრომექანიკური შეერთების კოეფიციენტი r. ამ კოეფიციენტის კვადრატი წარმოადგენს მოცემული ტიპის დეფორმაციისთვის მექანიკურ ფორმაში გამოვლენილი ენერგიის თანაფარდობას ელექტროენერგიის წყაროდან შეყვანისას მიღებულ მთლიან ელექტრულ ენერგიასთან.

ხშირ შემთხვევაში, პიეზოელექტრიკები აუცილებელია მათი ელასტიური თვისებების გამო, რომლებიც აღწერილია დრეკადობის მოდულით C (Young moduli Eyu) ან მათი შებრუნებული რაოდენობით - დრეკადობის მუდმივები S.

პიეზოელექტრული ელემენტების რეზონატორებად გამოყენებისას, ზოგიერთ შემთხვევაში შემოდის სიხშირის კოეფიციენტი, რომელიც არის პიეზოელექტრული ელემენტის რეზონანსული სიხშირისა და გეომეტრიული ზომის პროდუქტი, რომელიც განსაზღვრავს ვიბრაციის ტიპს. ეს მნიშვნელობა პროპორციულია ხმის სიჩქარისა პიეზოელექტრიკულ ელემენტში ელასტიური ტალღების გავრცელების მიმართულებით.

ამჟამად ცნობილია მრავალი ნივთიერება (500-ზე მეტი), რომლებმაც აჩვენეს პიეზოელექტრული აქტივობა. თუმცა, მხოლოდ რამდენიმე მათგანი პოულობს პრაქტიკულ გამოყენებას.

პიეზოელექტრიკა - ერთკრისტალები

კვარცი.კვარცი ბუნებაში ფართოდ გავრცელებული მინერალია, 573 ცელსიუს ტემპერატურაზე დაბლა, ის კრისტალიზდება ექვსკუთხა სისტემის ტრიგონალურ-ტრაპეციულ კლასში. იგი მიეკუთვნება ენანტიომორფულ კლასს და ბუნებაში გვხვდება ორი მოდიფიკაციით: მარჯვენა და მარცხენა.

კვარცის ქიმიური შემადგენლობა არის უწყლო სილიციუმის დიოქსიდი (SiO2) მოლეკულური წონა 60,06.

კვარცი ერთ-ერთი უმძიმესი მინერალია და აქვს მაღალი ქიმიური წინააღმდეგობა.

ბუნებრივი კვარცის კრისტალების გარეგანი ფორმები ძალიან მრავალფეროვანია. ყველაზე გავრცელებული ფორმა არის ექვსკუთხა პრიზმისა და რომბოედრონების (პირამიდული სახეების) კომბინაცია. პრიზმის სახეები ფართოვდება ბროლის ფუძისკენ და აქვს ჰორიზონტალური დაჩრდილვა ზედაპირზე.

პიეზოელექტრული მოწყობილობების გამოსაყენებლად შესაფერისი კვარცი ბუნებაში გვხვდება კრისტალების, მათი ფრაგმენტების და მომრგვალებული კენჭების სახით. ფერი მერყეობს უფერო-გამჭვირვალე (კლდის კრისტალი) შავამდე (მორიონი).

როგორც წესი, ბუნებრივი კვარცის კრისტალები შეიცავს სხვადასხვა დეფექტებს, რაც ამცირებს მათ ღირებულებას. დეფექტები მოიცავს უცხო მინერალების ჩართვას (რუტილის ქლორიტი), ბზარები, ბუშტები, მოჩვენებები, ლურჯი ნემსები, ზოლები და ტყუპები.

ამჟამად, ბუნებრივებთან ერთად, გამოიყენება სინთეზური კვარცის კრისტალები, რომლებიც გაიზარდა ავტოკლავებში ამაღლებულ ტემპერატურასა და წნევაზე სილიციუმის დიოქსიდით გაჯერებული ტუტე ხსნარებიდან.

კვარცის პიეზოელექტრული თვისებები ფართოდ გამოიყენება ტექნოლოგიაში რადიო სიხშირეების სტაბილიზაციისა და გასაფილტრად, ულტრაბგერითი ვიბრაციების წარმოქმნისა და მექანიკური რაოდენობების გასაზომად (პიეზომეტრია).

ტურმალინი.ტურმალინი კრისტალიზდება ტრიგონალური სისტემის ტრიგონალურ-პირამიდულ კლასში. კრისტალები არის პრიზმული გრძივი გამოჩეკით, წაგრძელებული, ხშირად ნემსის ფორმის.

ქიმიური შემადგენლობით, ტურმალინი არის რთული ალუმინის ბოროსილიკატი მაგნიუმის, რკინის ან ტუტე ლითონების მინარევებით (Na, Li, K).

ფერი მერყეობს შავიდან მწვანემდე, ასევე წითელიდან ერთეულამდე, ნაკლებად ხშირად უფერო. გახეხვისას ის ელექტრიფიცირებული ხდება და აქვს ძლიერი პიროელექტრული ეფექტი.

ტურმალინი ბუნებაში ფართოდ არის გავრცელებული, მაგრამ უმეტეს შემთხვევაში კრისტალები სავსეა ბზარებით. იშვიათია პიეზოელექტრული რეზონატორებისთვის შესაფერისი დეფექტების გარეშე კრისტალები.

ტურმალინის მთავარი უპირატესობა კვარცთან შედარებით ნაწილობრივი კოეფიციენტის უფრო მაღალი ღირებულებაა. ამის გამო, ისევე როგორც ტურმალინის უფრო დიდი მექანიკური სიმტკიცის გამო, შესაძლებელია უფრო მაღალი სიხშირისთვის რეზონატორების დამზადება.

ამჟამად ტურმალინი თითქმის არ გამოიყენება პიეზოელექტრული რეზონატორების დასამზადებლად და შეზღუდულია ჰიდროსტატიკური წნევის გასაზომად.

როშეტის მარილი.როშელის მარილი კრისტალიზდება რომბის სისტემის რომბოტეტრაედრულ კლასში. ენანტიომორფული კლასის კუთვნილება განსაზღვრავს როშელის მარილის მარჯვენა და მარცხენა კრისტალების არსებობის თეორიულ შესაძლებლობას. თუმცა, მეღვინეობის ნარჩენებისგან მიღებული როშელის მარილის კრისტალები მხოლოდ მარჯვენა მხარესაა.

ტენისგან დასაცავად, როშელის მარილისგან დამზადებული პიეზოელემენტები დაფარულია ლაქის თხელი ფენებით.

როშელის მარილისგან დამზადებული პიეზოელექტრული ელემენტები ფართოდ გამოიყენებოდა აღჭურვილობაში, რომელიც მუშაობდა შედარებით ვიწრო ტემპერატურის დიაპაზონში, კერძოდ, ხმის პიკაპებში. თუმცა, ამჟამად ისინი თითქმის მთლიანად შეიცვალა კერამიკული პიეზოელემენტებით.

ამონიუმის დიჰიდროფოსფატი.ამონიუმის დიჰიდროფოსფატი კრისტალიზდება ტეტრაგონალურ სისტემაში. კრისტალები არის ტეტრაგონალური პირამიდისა და პრიზმის კომბინაცია.

დიჰიდროფოსფატის კრისტალები არ შეიცავს კრისტალიზებულ წყალს და არ დეჰიდრატდება. 93% ფარდობითი ტენიანობის დროს, კრისტალები იწყებენ ტენიანობის შეწოვას და დაშლას.

ამონიუმის დიჰიდროფოსფატი დნება 190 გრადუს ცელსიუს ტემპერატურაზე, მაგრამ 100 გრადუსზე ზემოთ ამიაკი იწყებს აორთქლებას ბროლის ზედაპირიდან. ეს ზღუდავს სამუშაო ტემპერატურის ზედა ზღვარს.

ამჟამად, პიეზოელექტრული კერამიკის ფართო განვითარების გამო, ამონიუმის დიჰიდროფოსფატის გამოყენება შეზღუდულია.

კალიუმის ტარტრატი.კალიუმის ტარტრატი (სიმბოლო VK) კრისტალიზდება ერთკრისტალურ სისტემაში.

VC-ისგან დამზადებულ რეზონატორებს აქვთ მაღალი ხარისხის ფაქტორები და ელექტრომექანიკური შეერთების კოეფიციენტები. მათ შეუძლიათ შეცვალონ კვარცი შორ მანძილზე ფილტრებში.

ლითიუმის ნიობატი.ლითიუმის ნიობატი არის სინთეზური კრისტალი, რომელიც კრისტალიზდება რომბოედრული სისტემის დიტრიგონალურ-პირამიდულ კლასში.

ლითიუმის ნიობატი წყალში უხსნადია, არ იშლება მაღალ ტემპერატურაზე და აქვს მაღალი მექანიკური სიმტკიცე. ელექტრული თვისებების თვალსაზრისით, ეს არის ფეროელექტროსადგური, რომლის ტემპერატურა დაახლოებით 1200 გრადუსია.

მაღალი პიეზოელექტრული და მექანიკური თვისებების, მათ შორის მაღალი ხარისხის ფაქტორის გამო, ლითიუმის ნიობატი პერსპექტიული მასალაა სხვადასხვა დანიშნულების გადამყვანების წარმოებისთვის. ლითიუმის ნიობატის თხელი (დაახლოებით ერთი მიკრომეტრის სისქის) ფირები, რომლებიც მიიღება კათოდური თხრილით ვაკუუმში, არის ორიენტირებული პოლიკრისტალური ტექსტურა, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას მიკროტალღურ დიაპაზონში ულტრაბგერითი ვიბრაციების ემიტერებად და მიმღებად.

პოლიკრისტალური პიეზოელექტრიკა.

პიეზოელექტრული ტექსტურები.ტექსტურებს, რომლებიც წარმოადგენს პიეზოელექტრული კრისტალების ერთობლიობას, რომლებიც ორიენტირებულია სივრცეში გარკვეულ გზაზე და სიმეტრიის ცენტრის გარეშე, შეიძლება ჰქონდეს პიეზოელექტრული ეფექტი. როშელის მარილის ტექსტურებში პიეზოელექტრული ეფექტი აღმოაჩინა ა.ვ.შუბნიკოვმა; მან ასევე დაადგინა პიეზოელექტრული ეფექტის ძირითადი პრინციპები მსგავს მედიაში. როშელის მარილის პიეზო ტექსტურებს, რომლებიც მიიღება როშელის მარილის მდნარი მარილის ფუნჯის გამოყენებით სუბსტრატზე წასმის შედეგად, აქვს როშელის მარილის ერთი პიეზომოდული d14.

ამჟამად, ასეთი ტექსტურები არ არის პრაქტიკული ინტერესი. ყველაზე მაღალი ღირებულების imebt ტექსტურა, რომელიც დაფუძნებულია პოლარიზებულ პიეზოელექტრიკულ კერამიკაზე.

პიეზოელექტრული კერამიკა.ასეთი მასალების ფეროელექტრული თვისებები განსაზღვრავს პიეზოელექტრული ეფექტის შესაძლებლობას. მუდმივი ელექტრული ველის გავლენის ქვეშ, ზოგიერთი დომენი ორიენტირებულია გამოყენებული ველის მიმართულებით. გარე ველის ამოღების შემდეგ, დომენების უმეტესობა ინარჩუნებს ახალ პოზიციას შიდა ველის გამო, რომელიც წარმოიქმნება დომენების პოლარიზაციის მიმართულებების პარალელური ორიენტაციის შედეგად. ამის წყალობით, კერამიკა ხდება პოლარული ტექსტურა, რომელსაც აქვს პიეზოელექტრული ეფექტი.

პიეზოელემენტების წარმოების კერამიკული ტექნოლოგია არ აწესებს ფუნდამენტურ შეზღუდვებს მათ ფორმასა და ზომაზე. ამ გარემოებებმა, ისევე როგორც პიეზოელექტრული მახასიათებლების მაღალმა მნიშვნელობებმა, განაპირობა კერამიკული პიეზოელემენტების ფართო გამოყენება ტექნოლოგიაში, განსაკუთრებით ულტრაბგერითი ვიბრაციების გამოსხივებისა და მიღების მოწყობილობებში.

კერამიკული პიეზოელემენტების დამზადების ტექნოლოგიის თავისებურებები.პიეზოკერამიკული პროდუქტების წარმოების პროცესის გამორჩეული თვისებაა მათი პოლარიზაცია ძლიერი მუდმივი ელექტრული ველით, რომელიც ჩვეულებრივ გამოიყენება კერამიკული ტექნოლოგიის ერთ-ერთი მეთოდით მიღებულ აგლომერირებულ სამუშაო ნაწილზე ელექტროდების გამოყენების შემდეგ.

სამრეწველო პიეზოკერამიკული მასალები და პიეზოკერამიკული პოლიმერები.

სხვადასხვა თვისებების მქონე მასალები იყოფა ბრენდებად (შემადგენლობისა და მახასიათებლების მიხედვით) და ფუნქციურ ჯგუფებად (მიზნის მიხედვით).

1-ლი ფუნქციური ჯგუფის მასალები გამოიყენება უაღრესად მგრძნობიარე პიეზოელექტრული ელემენტების დასამზადებლად, რომლებიც მოქმედებენ მექანიკური ვიბრაციების მიღების ან გამოსხივების რეჟიმში. 2 ფუნქციური ჯგუფის მასალები განკუთვნილია პიეზოელექტრული ელემენტებისთვის, რომლებიც მუშაობენ ძლიერი ელექტრული ველების ან მაღალი მექანიკური სტრესის პირობებში. 3 ფუნქციური ჯგუფის მასალები გამოიყენება პიეზოელემენტების დასამზადებლად, რეზონანსული სიხშირეების გაზრდილი სტაბილურობით, ტემპერატურისა და დროის მიხედვით, ხოლო 4 ფუნქციური ჯგუფის მასალები გამოიყენება მაღალი ტემპერატურის პიეზოელემენტებისთვის.

ახლა განვიხილოთ სხვადასხვა ტიპის პიეზოკერამიკის თვისებები.

მასალები ბარიუმის ტიტანატზე დაფუძნებული. ბარიუმის ტიტანატი არის ფეროელექტრული. ბარიუმის ტიტანატის პიეზოკერამიკა (TB-1) ფართოდ გამოიყენება კონვერტორების დასამზადებლად, რომლებიც არ ექვემდებარება მკაცრ მოთხოვნებს ტემპერატურისა და მახასიათებლების დროის სტაბილურობის შესახებ. სროლის დროს ბარიუმის ტიტანატის ფორმულირებაში აქროლადი კომპონენტების არარსებობა და პიეზოელექტრული ელემენტების წარმოების ტექნოლოგიის სიმარტივე ხდის ამ მასალას ჯერ კიდევ ფართოდ გავრცელებულ ტექნოლოგიაში.

ტიტანატის მყარ ხსნარებზე დაფუძნებული მასალები - ტყვიის ცირკონატი. ტყვიის ტიტანატის მყარ ხსნარებს აქვთ ძალიან მაღალი პიეზოელექტრული მახასიათებლები. ამ მყარი ხსნარების საფუძველზე შეიქმნა ტექნოლოგიური პიეზოკერამიკული მასალების სერია, კოდირებული PZT (საზღვარგარეთ PZT).

პროდუქციის წარმოების ტექნოლოგია ისეთი მასალებისგან, როგორიცაა PZT, გართულებულია იმით, რომ ისინი შეიცავს ტყვიის ოქსიდს, რომელიც ნაწილობრივ აორთქლდება მაღალი ტემპერატურის სროლისას, რაც იწვევს თვისებების ცუდ რეპროდუქციას. ამიტომ, პიეზოელექტრული ელემენტების ბლანკების სროლა ხორციელდება ტყვიის ოქსიდის ორთქლის ატმოსფეროში, რისთვისაც ბლანკები მოთავსებულია მჭიდროდ დახურულ კაფსულებში, რომლებიც შეიცავს ტყვიის ოქსიდის ნაერთების ავსებას. ამასთან, ამ ტიპის მასალების მაღალი მახასიათებლები მათ ძალიან გავრცელებულს ხდის პიეზოელექტრული გადამყვანების წარმოებისთვის სხვადასხვა მიზნებისთვის: ელექტროაკუსტიკური მოწყობილობებისთვის, ულტრაბგერითი ტექნოლოგიისთვის, პიეზომეტრიისთვის, ასევე ზოგიერთი ტიპის რადიოფილტრებისთვის.

ტყვიის მეთანიობატზე დაფუძნებული მასალები. ტყვიისა და ბარიუმის მეთანიობატების მყარ ხსნარებს აქვთ მაღალი კიური წერტილი. მათზე დაფუძნებული მასალები სტაბილურია პიეზოელექტრული მოდულებისა და რეზონანსული სიხშირეების ფართო ტემპერატურულ დიაპაზონში. მათგან პროდუქციის წარმოების ტექნოლოგია უფრო მარტივია, ვიდრე PZT ბრენდის მასალებისგან, რადგან ნიობატის კერამიკაში შემავალი ტყვიის ოქსიდი პრაქტიკულად არ არის არასტაბილური სროლის დროს.

პიეზოელექტროები არის პოლიმერები.ზოგიერთ პოლიმერულ მასალას ელექტრულ ველში პოლარიზებული მექანიკურად ორიენტირებული ფირის სახით აქვს პოლარული ტექსტურა, რომელშიც შეიმჩნევა პიეზოელექტრული ეფექტი. მათ შორის პოლივინილიდენ ფტორიდი (PVDF) პრაქტიკული ინტერესია. როდესაც ფილმები ამ პოლიმერიდან 300...400%-ით ამოღებულია, ისინი ორიენტირებულია სპეციალურ კონფორმაციაზე, რომელიც ძლიერ ელექტრულ ველში პოლარიზაციის შემდეგ იძენს პიეზოელექტრიკულ ეფექტს.

ცნობები:

ელექტრული მასალების სახელმძღვანელო ტომი 3

1756 წელს რუსმა აკადემიკოსმა ფ. ეპინუსმა აღმოაჩინა, რომ როდესაც ტურმალინის კრისტალები თბება, მის სახეებზე ელექტროსტატიკური მუხტები ჩნდება. შემდგომში ატომის ფენომენს ეწოდა პიროელექტრული ეფექტი. F. Epinus-მა ჩათვალა, რომ ტემპერატურის ცვლილებისას დაფიქსირებული ელექტრული ფენომენების მიზეზი არის ორი ზედაპირის არათანაბარი გათბობა, რაც იწვევს კრისტალში მექანიკური სტრესის გამოჩენას. ამავდროულად, მან აღნიშნა, რომ ბროლის გარკვეულ ბოლოებზე ბოძების განაწილების მუდმივობა დამოკიდებულია მის სტრუქტურასა და შემადგენლობაზე, რითაც F. Epinus მიუახლოვდა პიეზოელექტრული ეფექტის აღმოჩენას.

კრისტალებში პიეზოელექტრული ეფექტი აღმოაჩინეს 1880 წელს ძმებმა P. და J. Curie-მ, რომლებიც აკვირდებოდნენ ელექტროსტატიკური მუხტების გამოჩენას კვარცის ბროლისგან გარკვეული ორიენტაციის მიხედვით მოჭრილი ფირფიტების ზედაპირზე მექანიკური სტრესის გავლენის ქვეშ. ეს მუხტები მექანიკური სტრესის პროპორციულია, იცვლის ნიშანს და ქრება მისი მოხსნისას. დიელექტრიკის ზედაპირზე ელექტროსტატიკური მუხტების წარმოქმნას და მის შიგნით ელექტრული პოლარიზაციის წარმოქმნას მექანიკური სტრესის ზემოქმედების შედეგად პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტი ეწოდება.

პირდაპირთან ერთად, არსებობს საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტი, რომელიც მდგომარეობს იმაში, რომ მექანიკური დეფორმაცია ხდება პიეზოელექტრული ბროლისგან ამოჭრილ ფირფიტაში, მასზე გამოყენებული ელექტრული ველის გავლენის ქვეშ; ხოლო მექანიკური დეფორმაციის სიდიდე ელექტრული ველის სიძლიერის პროპორციულია. ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი არ უნდა აგვერიოს ელექტროსტრიქციის ფენომენთან, ანუ დიელექტრიკის დეფორმაციასთან ელექტრული ველის გავლენის ქვეშ. ელექტროსტრიქციის დროს დეფორმაციასა და ველს შორის არის კვადრატული კავშირი, ხოლო პიეზოელექტრული ეფექტით ის წრფივია.

გარდა ამისა, ელექტროსტრიქცია ხდება ნებისმიერი სტრუქტურის დიელექტრიკებში და ხდება თუნდაც სითხეებსა და აირებში, ხოლო პიეზოელექტრული ეფექტი შეინიშნება მხოლოდ მყარ დიელექტრიკებში, ძირითადად კრისტალურში.

პიეზოელექტროენერგია ჩნდება მხოლოდ იმ შემთხვევებში, როდესაც კრისტალის ელასტიურ დეფორმაციას თან ახლავს ბროლის ერთეული უჯრედის დადებითი და უარყოფითი მუხტების სიმძიმის ცენტრების გადაადგილება, ანუ როდესაც ის იწვევს ინდუცირებულ დიპოლურ მომენტს, რაც აუცილებელია. დიელექტრიკის ელექტრული პოლარიზაციის წარმოქმნისთვის მექანიკური სტრესის გავლენის ქვეშ. სტრუქტურებში, რომლებსაც აქვთ სიმეტრიის ცენტრი, ვერც ერთმა დეფორმაციამ არ შეიძლება დაარღვიოს კრისტალური მედის შიდა წონასწორობა და, შესაბამისად, მხოლოდ 20 კლასი, რომლებსაც არ აქვთ სიმეტრიის ცენტრი, არის პიეზოელექტრული. სიმეტრიის ცენტრის არარსებობა აუცილებელი, მაგრამ არა საკმარისი პირობაა პიეზოელექტრული ეფექტის არსებობისთვის და, შესაბამისად, ყველა აცენტრულ კრისტალს არ აქვს იგი.

პიეზოელექტრული ეფექტი არ შეიძლება შეინიშნოს მყარ ამორფულ და კრიპტოკრისტოლურ დიელექტრიკებში, რადგან ეს ეწინააღმდეგება მათ სფერულ სიმეტრიას. გამონაკლისია, როდესაც ისინი გარე ძალების გავლენით ხდებიან ანიზოტროპული და ამით ნაწილობრივ იძენენ ერთკრისტალების თვისებებს.პიეზოელექტრული ეფექტი ასევე შესაძლებელია ზოგიერთი ტიპის კრისტალურ ტექსტურაში.

თითოეული პიეზოელექტრიკი არის ელექტრომექანიკური გადამყვანი, ამიტომ მისი მნიშვნელოვანი მახასიათებელია ელექტრომექანიკური შეერთების კოეფიციენტი k. ამ კოეფიციენტის კვადრატი წარმოადგენს მოცემული ტიპის დეფორმაციისთვის მექანიკურ ფორმაში გამოვლენილი ენერგიის თანაფარდობას ელექტროენერგიის წყაროდან შეყვანისას მიღებულ მთლიან ელექტრულ ენერგიასთან.

ხშირ შემთხვევაში, პიეზოელექტრიკები აუცილებელია მათი დრეკადობის თვისებებისთვის, რომლებიც აღწერილია დრეკადობის მოდულებით c (Young moduli Eyu) ან შებრუნებული რაოდენობით - დრეკადობის მუდმივები s.

2. საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტი.

პიეზოელექტრული ეფექტის პარალელურად არის მისი საპირისპირო ფენომენიც: პიეზოელექტრული კრისტალებში პოლარიზაციის წარმოქმნას თან ახლავს მექანიკური დეფორმაციები. ამიტომ, თუ კრისტალზე დამაგრებულ ლითონის ფირფიტებზე ელექტრული ძაბვა ვრცელდება, ველის გავლენით ბროლი პოლარიზდება და დეფორმირდება.

ადვილი მისახვედრია, რომ ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტის არსებობის აუცილებლობა გამომდინარეობს ენერგიის შენარჩუნების კანონიდან და პირდაპირი ეფექტის არსებობის ფაქტიდან. განვიხილოთ პიეზოელექტრული ფირფიტა (სურ. 5) და ვივარაუდოთ, რომ მას ვკუმშავთ გარე ძალებით F. პიეზოელექტრული ეფექტი რომ არ არსებობდეს, მაშინ გარე ძალების მუშაობა ელასტიურად დეფორმირებული ფირფიტის პოტენციურ ენერგიას უტოლდება. პიეზოელექტრული ეფექტის არსებობისას ფირფიტაზე ჩნდება მუხტები და წარმოიქმნება ელექტრული ველი, რომელიც შეიცავს დამატებით ენერგიას. ენერგიის კონსერვაციის კანონის მიხედვით, აქედან გამომდინარეობს, რომ როდესაც პიეზოელექტრული ფირფიტა შეკუმშულია, კეთდება ბევრი სამუშაო, რაც ნიშნავს, რომ მასში წარმოიქმნება დამატებითი ძალები F1, რომლებიც ეწინააღმდეგება შეკუმშვას. ეს არის ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტის ძალები. ზემოაღნიშნული მსჯელობიდან ჩნდება კავშირი ორივე ეფექტის ნიშანს შორის. თუ ორივე შემთხვევაში სახეებზე მუხტის ნიშნები ერთნაირია, მაშინ დეფორმაციების ნიშნები განსხვავებულია. თუ, როდესაც ფირფიტა შეკუმშულია, მუხტები გამოჩნდება სახეებზე, როგორც ნაჩვენებია ნახ. 5, მაშინ როდესაც იგივე პოლარიზაცია იქმნება გარე ველით, ფირფიტა გაჭიმავს.

ნახ.5. პირდაპირი და შებრუნებული პიეზოელექტრული ეფექტების კავშირი.

ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი ზედაპირულად ჰგავს ელექტროსტრიქციას. თუმცა, ორივე ეს ფენომენი განსხვავებულია. პიეზოელექტრული ეფექტი დამოკიდებულია ველის მიმართულებაზე და როდესაც ამ უკანასკნელის მიმართულება იცვლება საპირისპიროდ, ის იცვლის ნიშანს. ელექტროსტრიქცია არ არის დამოკიდებული ველის მიმართულებაზე. პიეზოელექტრული ეფექტი შეინიშნება მხოლოდ ზოგიერთ კრისტალში, რომლებსაც არ აქვთ სიმეტრიის ცენტრი. ელექტროსტრიქცია ხდება ყველა დიელექტრიკში, როგორც მყარ, ასევე თხევადში.

თუ ფირფიტა ფიქსირდება და მისი დეფორმაცია შეუძლებელია, მაშინ ელექტრული ველის შექმნისას მასში გაჩნდება დამატებითი მექანიკური დაძაბულობა.მისი მნიშვნელობა s არის ბროლის შიგნით ელექტრული ველის სიძლიერის პროპორციული:

სადაც b არის იგივე პიეზოელექტრული მოდული, როგორც პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის შემთხვევაში. ამ ფორმულაში მინუსი ასახავს პირდაპირი და საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტების ნიშნების ზემოთ მოცემულ თანაფარდობას.

ბროლის შიგნით მთლიანი მექანიკური ძაბვა არის დეფორმაციის შედეგად გამოწვეული სტრესისა და ელექტრული ველის გავლენის ქვეშ წარმოქმნილი სტრესის ჯამი. ის უდრის:

აქ C არის ელასტიურობის მოდული ცალმხრივი დაჭიმვის დეფორმაციის დროს (იანგის მოდული) მუდმივ ელექტრულ ველზე. ფორმულები (51.2) და (52.2) არის ძირითადი მიმართებები პიეზოელექტროენერგიის თეორიაში.

ფორმულების დაწერისას ჩვენ ავირჩიეთ u და E დამოუკიდებელ ცვლადებად და მივიჩნიეთ D და s მათ ფუნქციებად. ეს, რა თქმა უნდა, არ არის აუცილებელი და დამოუკიდებელ ცვლადებად შეგვიძლია მივიჩნიოთ სიდიდეების კიდევ ერთი წყვილი, რომელთაგან ერთი მექანიკურია, მეორე კი ელექტრო. მაშინ ჩვენ ასევე მივიღებთ ორ წრფივ ურთიერთობას u, s, E და D შორის, მაგრამ განსხვავებული კოეფიციენტებით. განხილული პრობლემების ტიპებიდან გამომდინარე, მოსახერხებელია ძირითადი პიეზოელექტრული ურთიერთობების ჩაწერის სხვადასხვა ფორმა.

ვინაიდან ყველა პიეზოელექტრული კრისტალები ანისოტროპულია, მუდმივები e, C და b დამოკიდებულია ფირფიტის პირის ორიენტაციაზე ბროლის ღერძებთან მიმართებაში. გარდა ამისა, ისინი დამოკიდებულია იმაზე, არის თუ არა ფირფიტის გვერდითი სახეები ფიქსირებული თუ თავისუფალი (ისინი დამოკიდებულია საზღვრის პირობებზე დეფორმაციის დროს). ამ მუდმივთა სიდიდის რიგის წარმოდგენის მიზნით, წარმოგიდგენთ მათ მნიშვნელობებს კვარცისთვის იმ შემთხვევაში, როდესაც ფირფიტა მოჭრილია X ღერძის პერპენდიკულურად და მისი გვერდითი მხარეები თავისუფალია:

e=4, 5; C=7, 8 1010 ნ/მ2; b=0,18 ც/მ2.

ახლა განვიხილოთ ძირითადი მიმართებების გამოყენების მაგალითი (4) და (5) დავუშვათ, რომ კვარცის ფირფიტა, გაჭრილი, როგორც ზემოთ აღინიშნა, გადაჭიმულია X ღერძის გასწვრივ, ხოლო ფირფიტები, რომლებიც ეხება სახეებს, ღიაა. ვინაიდან დეფორმაციამდე ფირფიტების დამუხტვა იყო ნული, ხოლო კვარცი დიელექტრიკია, დეფორმაციის შემდეგ ფირფიტები დატენილი იქნება. ელექტრული გადაადგილების განმარტების მიხედვით, ეს ნიშნავს, რომ D=0. შემდეგ (4) მიმართებიდან გამომდინარეობს, რომ დეფორმაციის დროს, ფირფიტის შიგნით გამოჩნდება ელექტრული ველი ინტენსივობით:

ამ გამოთქმის (5) ფორმულით ჩანაცვლებით, ჩვენ ვპოულობთ ფირფიტის მექანიკურ სტრესს:

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

ძაბვა, როგორც პიეზოელექტრული ეფექტის არარსებობის შემთხვევაში, დაძაბულობის პროპორციულია. თუმცა, ფირფიტის ელასტიური თვისებები ახლა ხასიათდება ეფექტური ელასტიური მოდულით

С" == С (1 + b2/e0eС). (8)

რომელიც აღემატება C. დრეკადობის სიმტკიცეს უკუპიეზოელექტრული ეფექტის დროს დამატებითი სტრესის გამოჩენა იწვევს, რაც ხელს უშლის დეფორმაციას. ბროლის პიეზოელექტრული თვისებების გავლენა მის მექანიკურ თვისებებზე ხასიათდება მნიშვნელობით: K2=b2/e0eC (9)

ამ მნიშვნელობის კვადრატულ ფესვს (K) ეწოდება ელექტრომექანიკური შეერთების მუდმივი. e, C და b ზემოაღნიშნული მნიშვნელობების გამოყენებით აღმოვაჩენთ, რომ კვარცისთვის K2 ~ 0,01 ყველა სხვა ცნობილი პიეზოელექტრული კრისტალებისთვის, K2 ასევე მცირეა ერთიანობა და არ აღემატება 0.1 .

მოდით შევაფასოთ პიეზოელექტრული ველის სიდიდე. დავუშვათ, რომ X ღერძის პერპენდიკულარულ კვარცის ფირფიტის ზედაპირებზე მოქმედებს მექანიკური ძაბვა 1 1055 N/m2. მაშინ, (7) მიხედვით დეფორმაცია უდრის u=1, 3 10-6. ამ მნიშვნელობის (6) ფორმულით ჩანაცვლებით მივიღებთ |E|==5900 V/m=59 V/cm. ფირფიტის სისქის შემთხვევაში, ვთქვათ, d==0,5 სმ, ფირფიტებს შორის ძაბვა ტოლი იქნება U=Ed~30 V. ჩვენ ვხედავთ, რომ პიეზოელექტრული ველები და ძაბვები შეიძლება იყოს ძალიან მნიშვნელოვანი. კვარცის ნაცვლად უფრო ძლიერი პიეზოელექტრიკის გამოყენებით და დეფორმაციის სწორად შერჩეული ტიპების გამოყენებით, შესაძლებელია ათასობით ვოლტში გაზომილი პიეზოელექტრული ძაბვის მიღება.

პიეზოელექტრული ეფექტი (პირდაპირი და საპირისპირო) ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა ელექტრომექანიკური გადამყვანების დიზაინისთვის. ამ მიზნით, ზოგჯერ გამოიყენება კომპოზიტური პიეზოელემენტები, რომლებიც შექმნილია სხვადასხვა სახის დეფორმაციების შესასრულებლად.

სურათი 6 გვიჩვენებს ორმაგ პიეზოელექტრულ ელემენტს (რომელიც შედგება ორი ფირფიტისგან), რომელიც მუშაობს შეკუმშვაში. ფირფიტები ბროლისგან ისე იჭრება, რომ ერთდროულად ან შეკუმშოს ან იჭიმება. თუ, პირიქით, ასეთი პიეზოელექტრული ელემენტი შეკუმშულია ან გაჭიმულია გარე ძალებით, მაშინ დაძაბულობა ჩნდება მის ფირფიტებს შორის. ამ პიეზოელექტრიკულ ელემენტში ფირფიტების კავშირი შეესაბამება კონდენსატორების პარალელურ კავშირს.

სურ.6. ორმაგი პიეზოელექტრული ელემენტი, რომელიც მუშაობს შეკუმშვაში.

და ასევე მეტროლოგიური მიზნებისთვის. 3. უკონტაქტო ვიბრაციის გადამყვანების შეფასების ძირითადი კრიტერიუმები ვიბრაციის პარამეტრების და მათზე დაფუძნებული ვიბრაციის საზომი გადამყვანების გაზომვის უკონტაქტო მეთოდების შესადარებლად მიზანშეწონილია, ჩამოთვლილი პარამეტრების გარდა, გამოიყენოთ შემდეგი შეფასების კრიტერიუმები: ბუნება ფიზიკური ველები ან რადიაცია, რომლებიც ურთიერთქმედებენ გაზომვის პროცესში; ...

იმათ. ინფორმაციის გაჟონვისგან წყაროს დასაცავად აუცილებელია გაჟონვის არხის არსებობის ენერგეტიკული და დროებითი პირობების დარღვევა ფიზიკური პრინციპებით განსხვავებული დაცვის საშუალებების გამოყენებით. აკუსტო-ტრანსფორმატორული არხის ტექნიკური მახასიათებლები Acoustoelectric transducer არის მოწყობილობა, რომელიც გარდაქმნის ელექტრომაგნიტურ ენერგიას ელასტიური ტალღების ენერგიად საშუალო და უკან. ში...

ნედლეულის ნარევი ამცირებს მათი ბროლის გისოსების სტაბილურობას და, შესაბამისად, აჩქარებს მასალის ფორმირების პროცესს. ნიკელის და სპილენძის დანამატების გავლენის შესწავლა პიეზოკერამიკული სამუშაო ნაწილების სიმკვრივეზე წარმოდგენილია ნახ. 2. სიმკვრივის გაზომვის შედეგები აჩვენებს, რომ შენადნობის კერამიკას აქვს უმაღლესი სიმკვრივე ყველა ცეცხლგამძლე ტემპერატურაზე. ასე რომ, კერამიკას სპილენძის დამატებით აქვს სიმკვრივე უკვე...

მაგნიტოსტრიქციის ეფექტი
ულტრაბგერითი გენერატორები
ულტრაბგერითი ჭრა
შემცირებული მექანიკური ძალები საჭრელი ხელსაწყოებით დამუშავებისას
ულტრაბგერითი წმენდა
ულტრაბგერითი შედუღება
ულტრაბგერითი შედუღება
ულტრაბგერითი ტესტირება
ულტრაბგერითი ექსპრეს ანალიზი
წარმოების პროცესების დაჩქარება
ულტრაბგერითი გაჟღენთვა
ულტრაბგერა მეტალურგიაში
ულტრაბგერა სამთო საქმეში
ულტრაბგერა ელექტრონიკაში
ულტრაბგერა სოფლის მეურნეობაში
ულტრაბგერა კვების მრეწველობაში
ულტრაბგერა ბიოლოგიაში
დაავადებების ულტრაბგერითი დიაგნოსტიკა
დაავადებების ულტრაბგერითი მკურნალობა
ხმელეთზე და ზღვაზე

1880 წელს ფრანგმა მეცნიერებმა ძმებმა ჟაკ და პიერ კიურიმ აღმოაჩინეს პიეზოელექტრული ეფექტი. მისი არსი მდგომარეობს იმაში, რომ თუ კვარცის ფირფიტა დეფორმირებულია, მაშინ მის სახეებზე საპირისპირო ნიშნის ელექტრული მუხტები ჩნდება. ამრიგად, პიეზოელექტროენერგია არის ელექტროენერგია, რომელიც წარმოიქმნება ნივთიერებაზე მექანიკური მოქმედების შედეგად („პიეზო“ ბერძნულად ნიშნავს „დაჭერას“).
პირველად პიეზოელექტრული თვისებები აღმოაჩინეს კლდის კრისტალში, კვარცის ერთ-ერთ სახეობაში. კლდის კრისტალი არის გამჭვირვალე, უფერო, ყინულის მსგავსი კრისტალი. საბჭოთა მინერალოგი A.E. Fersman თავის წიგნში "გასართობი მინერალოგია" წერდა: "აიღეთ ხელში კლდის ბროლის ნაჭერი და იგივე მინის ნაჭერი - ორივე მსგავსია ფერით და გამჭვირვალობით. თუ დაამტვრევთ, მათ ექნებათ თანაბრად მკვეთრი, ჭრელი. "კრისტალი" ბერძნული სახელიდან "ყინული", რადგან კლდის კრისტალი მართლაც ძალიან ჰგავს ყინულს..."
ბუნებაში გვხვდება კვარცის თითქმის ორასი სახეობა. მათ შორისაა ოქროსფერ-ყვითელი ციტრინი, სისხლის წითელი კარნელი, მოწითალო-ყავისფერი ავენტურინი ოქროსფერი ელფერით, მეწამული ამეთვისტო და მრავალი სხვა. დედამიწის ქერქის თითქმის მეათედი შედგება სხვადასხვა ტიპის კვარცისგან. ჩვეულებრივი ქვიშაც კი ძირითადად კვარცის მარცვლებისგან შედგება.
კვარცი ფართოდ გამოიყენება მეცნიერებასა და ტექნოლოგიაში. ის ხსნის ულტრაიისფერ სხივებს, არის მყარი და ცეცხლგამძლე. კვარცის მინის ჭურჭელი შეიძლება გაცხელდეს წითლად და დაუყოვნებლივ ჩაეფლო ყინულის წყალში. იგი მდგრადია თითქმის ყველა მჟავის მიმართ და არის ელექტროენერგიის ცუდი გამტარი. მაგრამ მისი ყველაზე მნიშვნელოვანი თვისება არის პიეზოელექტროენერგია. თუ კვარცის კრისტალისგან გარკვეული გზით მოჭრილი ფირფიტა შეკუმშული და გატეხილია, მის სახეებზე საპირისპირო ნიშნების ელექტრული მუხტები გამოჩნდება. რაც უფრო ძლიერია შეკუმშვა, მით მეტია მუხტი. კვარცის ფირფიტის სახეებზე ელექტრული მუხტების გამოჩენას მისი დეფორმაციის დროს პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტი ეწოდება.
თუ ასეთ კვარცის ფირფიტაზე ელექტრული მუხტი დაიდება, ის ზომავს. რაც უფრო დიდია მუხტი, მით უფრო დეფორმირებულია ფირფიტა. როდესაც ალტერნატიული ელექტრული ველი მოქმედებს ფირფიტაზე, ის დროთა განმავლობაში იკუმშება ან ფართოვდება გამოყენებული ძაბვის ნიშნების ცვლილებით. თუ ეს უკანასკნელი იცვლება ულტრაბგერითი სიხშირით, მაშინ ფირფიტა ასევე ვიბრირებს ულტრაბგერითი სიხშირით, რაც ულტრაბგერითი ტალღების წარმოებისთვის კვარცის გამოყენების საფუძველია. კვარცის ფირფიტის ზომის ცვლილებას ელექტრული მუხტების გავლენის ქვეშ ეწოდება ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი.
პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტი გამოიყენება ულტრაბგერითი ვიბრაციის მიმღებებში, სადაც ეს უკანასკნელი გარდაიქმნება ალტერნატიულ დენად. მაგრამ თუ ალტერნატიული ძაბვა გამოიყენება ასეთ მიმღებზე, შებრუნებული პიეზოელექტრული ეფექტი სრულად ვლინდება. ამ შემთხვევაში, ალტერნატიული დენი გარდაიქმნება ულტრაბგერით ვიბრაციაში და მიმღები მოქმედებს როგორც ულტრაბგერითი ემიტერი. შესაბამისად, პიეზოელექტრული მიმღები და ემიტერი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს ერთი მოწყობილობის სახით, რომელსაც შეუძლია მონაცვლეობით ასხივოს და მიიღოს ულტრაბგერითი ვიბრაციები. ასეთ მოწყობილობას ულტრაბგერითი აკუსტიკური გადამყვანი ეწოდება.
აკუსტიკური გადამყვანები წარმატებით გამოიყენება სხვადასხვა სახის ელექტროაკუსტიკური სისტემებში, კერძოდ სისტემებში, რომლებიც განკუთვნილია აკუსტიკური და ჰიდროაკუსტიკური გაზომვებისა და კვლევისთვის. პიეზოელექტრული მოწყობილობები ფართოდ გამოიყენება კოსმოსის გამოკვლევებში. დღესდღეობით ისინი წარმოდგენილია ზოგიერთი სენსორებით, რომლებიც გადასცემენ მონაცემებს ასტრონავტის მდგომარეობის შესახებ, კოსმოსური ხომალდის შიგნით არსებული პირობების შესახებ, აფრთხილებენ მეტეორიტების საფრთხის შესახებ და ა.შ.
პიეზოელექტრული მოწყობილობები ხელს უწყობენ თვითმფრინავის ნაწილების „შეგრძნებას“, მათ გამოთვლებში არსებული შეცდომების იდენტიფიცირებას და ამ შეცდომების სახიფათო შედეგების თავიდან აცილებას; „ჩაიხედე“ ცეცხლსასროლი იარაღის ლულაში წნევის გასაზომად ან სხვა მონაცემების მისაღებად. პიეზოელექტროენერგია გამოიყენება რადიოინჟინერიასა და ტელევიზიაში. პიეზოელექტრული მოწყობილობები ხელს უწყობენ თევზის სკოლების პოვნას, დედამიწის ნაწლავების შესწავლას, მინერალების ძიებას, ადამიანების დიაგნოსტიკასა და მკურნალობას, ანალიზს და აჩქარებენ ქიმიურ პროცესებს და ა.შ.
კვარცი დიდი ხანია ითვლებოდა ერთ-ერთ მთავარ მასალად, რომელიც გამოიყენება ულტრაბგერითი გადამყვანების წარმოებისთვის. მაგრამ ემიტერს, რომელიც დამზადებულია პატარა კვარცის ფირფიტისგან, მცირე სიმძლავრე აქვს. მის გასაზრდელად, გამოსხივების ზედაპირის ფართობი იზრდება კვარცის ფირფიტების მოწყობით ერთგვარი მოზაიკის სახით.
ბუნებაში კვარცის კრისტალები ძირითადად შედარებით მცირე ზომებში გვხვდება, თუმცა არის გამონაკლისებიც. აღმოსავლეთ ალპებში გეოლოგებმა ერთ ბუდეში აღმოაჩინეს კლდის ბროლის ექვსი კრისტალი, რომელთა საერთო მასა ერთნახევარ ტონაზე მეტია. კიდევ უფრო უნიკალური აღმოჩენა აღმოაჩინეს ურალის გეოლოგებმა, რომლებმაც აღმოაჩინეს ბროლის საბადო გიგანტური კრისტალების მთელი ოჯახით. ჯერ კლდიდან ამოიღეს 800 კილოგრამი წონის კრისტალები. შემდგომმა დაჟინებულმა ძიებამ გამოიღო აბსოლუტურად განსაცვიფრებელი შედეგები - ნაპოვნი იქნა ოცი გამჭვირვალე სუფთა კრისტალის თანავარსკვლავედი. მათი საერთო წონა 9 ტონას აღემატებოდა. თუმცა, ასეთი აღმოჩენები ვერ დააკმაყოფილებს კვარცის კრისტალების მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების მუდმივად მზარდ საჭიროებებს. ამიტომ ცდილობენ მათ ხელოვნურად მოყვანას ლაბორატორიებში, მაგრამ, სამწუხაროდ, ნელა იზრდებიან და მათი წარმოება ძვირია.
სხვა პიეზოელექტრული მასალების ძიებაში მეცნიერებმა ყურადღება მიაქციეს როშელის მარილს. იგი პირველად ფრანგმა ფარმაცევტმა სეგნეტმა მიიღო ღვინის მჟავას მარილებისგან. როშელის მარილი ადვილად დასამუშავებელია; როშელის მარილის კრისტალის მოჭრა შესაძლებელია წყლით დასველებული ჩვეულებრივი ძაფით. სხვა პიეზოელექტრულ კრისტალებთან, მათ შორის კვარცთან შედარებით, როშელის მარილის კრისტალს აქვს მნიშვნელოვნად დიდი პიეზოელექტრული ეფექტი; ფირფიტაზე ოდნავი მექანიკური ეფექტი იწვევს ელექტრული მუხტების გაჩენას. თუმცა, როშელის მარილს ასევე აქვს სერიოზული უარყოფითი მხარეები, რაც ზღუდავს მის პრაქტიკულ გამოყენებას. ეს არის, პირველ რიგში, დაბალი დნობის წერტილი - დაახლოებით 60 გრადუსი, რომლის დროსაც როშელის მარილის კრისტალი კარგავს თავის პიეზოელექტრიულ თვისებებს და ისინი აღარ აღდგება. როშელის მარილი იხსნება წყალში და ამიტომ მგრძნობიარეა ტენიანობის მიმართ. გარდა ამისა, ის მყიფეა და ვერ უძლებს მძიმე მექანიკურ დატვირთვას.
ახალი პიეზოელექტრული მასალების კვლევა განსაკუთრებით დაჟინებით მიმდინარეობდა მეორე მსოფლიო ომის დროს. ისინი გამოწვეული იყო „კვარცის შიმშილით“, რომელიც წარმოიშვა პიეზოელექტრული კვარცის ფართო გამოყენების შედეგად ჰიდროაკუსტიკური მოწყობილობებში და სამხედრო რადიო ელექტრონიკაში. ამრიგად, ამონიუმის დიჰიდროფოსფატის კრისტალები იმ დროს გამოიყენებოდა პიეზოელექტრული გადამყვანების წარმოებისთვის. ეს მასალა სიხშირეზე სტაბილურია და იძლევა მაღალი სიმძლავრის და სიხშირის ფართო დიაპაზონში მუშაობის საშუალებას. სხვა პიეზოელექტრული მასალები დიდი ხანია გამოიყენება, როგორიცაა ამონიუმის ფოსფატი, ლითიუმის სულფატი და კალიუმის დიჰიდროფოსფატი. ჰიდროაკუსტიკური გადამყვანებში მათ იყენებდნენ მოზაიკის პაკეტების სახით. თუმცა, ყველა ამ პიეზოკრისტალს აქვს საერთო ნაკლი - დაბალი მექანიკური სიმტკიცე. ამიტომ, მეცნიერები დაჟინებით ეძებდნენ შემცვლელს, რომელიც მათთან ახლოს იქნებოდა პიეზოელექტრული თვისებებით და არ ექნება ზემოხსენებული მინუსი. და ასეთი შემცვლელი იპოვეს საბჭოთა მეცნიერებმა, რომლებიც მუშაობდნენ სსრკ მეცნიერებათა აკადემიის წევრ-კორესპონდენტის B.M. Vul-ის ხელმძღვანელობით. ეს იყო ბარიუმის ტიტანატი, რომელიც არ არის კვარცისა და როშელის მარილის მსგავსი კრისტალი და თავისთავად არ გააჩნია პიეზოელექტრული თვისებები.
ბარიუმის ტიტანატი მიიღება ხელოვნურად, რადგან ის ძალიან იშვიათია დედამიწის ნაწლავებში. ამისათვის ორი მინერალური ნივთიერების - ბარიუმის კარბონატისა და ტიტანატის დიოქსიდის ნარევს იწვება ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე. შედეგად მიიღება მოყვითალო-თეთრი მასა, რომელიც თავისი გარეგნობითა და მექანიკური თვისებებით ჩვეულებრივ თიხას წააგავს. ამ მასას, თიხის მსგავსად, ნებისმიერი ფორმის მიცემა შეიძლება, მაგრამ მექანიკურად ძლიერი და წყალში უხსნადი იქნება. და ბარიუმის ტიტანატისთვის პიეზოელექტრული თვისებების მინიჭების მიზნით, დამწვარი მასა მოთავსებულია ძლიერ ელექტრულ ველში და შემდეგ გაცივდება. შედეგად, ხდება ბარიუმის ტიტანატის კრისტალების პოლარიზაცია, მათი დიპოლები (ორი საპირისპირო, მაგრამ აბსოლუტური მნიშვნელობით თანაბარი ელექტრული მუხტების კომბინაცია, რომლებიც მდებარეობს ერთმანეთისგან გარკვეულ მანძილზე) ერთსა და იმავე პოზიციას იკავებს და გაციების შემდეგ ისინი ფიქსირდება, თითქოს. "გაყინული" ამ მდგომარეობაში. მიღებულ მასალას აქვს პიეზოელექტრული ეფექტი 50-ჯერ მეტი ვიდრე კვარცისა და მისი ღირებულება დაბალია, რადგან მისი წარმოებისთვის ძალიან დიდი რაოდენობით ნედლეულია ხელმისაწვდომი. ბარიუმის ტიტანატის ნაკლოვანებები მოიცავს დიდ მექანიკურ და დიელექტრიკულ დანაკარგებს, რაც იწვევს მის გადახურებას, ხოლო 90 გრადუსზე მაღლა ტემპერატურაზე პიეზოელექტრული ეფექტი მნიშვნელოვნად მცირდება.
ბარიუმის ტიტანატის კერამიკა შეიძლება დაიჭრას, დაფქვას, გაპრიალდეს, რაც გადამყვანს აძლევს საჭირო ფორმას და ზომას (ბრტყელი ფირფიტა, ცილინდრი, ნახევარსფერო, სფეროს ნაწილი და ა.შ.). ბარიუმის ტიტანატის გადამყვანები უფრო ეფექტურია ელექტრო ენერგიის მექანიკურ ენერგიად გადაქცევაში, აქვთ უფრო დიდი წინააღმდეგობა ელექტრული ავარიის მიმართ და შეუძლიათ იმუშაონ დაბალ ძაბვაზე. გარდა ამისა, ბარიუმის ტიტანატის ულტრაბგერითი გადამყვანებს შეუძლიათ იმუშაონ პულსირებულ რეჟიმში.
პიეზოელექტრული გადამყვანების წარმოებისთვის, ასევე გამოიყენება სხვა პიეზოკერამიკა: ცირკონიუმის ნარევი ტყვიის ტიტანატთან (PZT), ამ პიეზოკერამიკას აქვს პიეზოელექტრული ეფექტი ორჯერ უფრო ძლიერი, ვიდრე ბარიუმის ტიტანატი. Piezoceramics PZT წყალში უხსნადია და ასევე შეიძლება დამუშავდეს მექანიკურად.
ამავდროულად, გაგრძელდა კრისტალების ძებნა, რომლებსაც აქვთ პიეზოელექტრული თვისებები და აკმაყოფილებენ აუცილებელ ტექნიკურ მოთხოვნებს. ასე მოექცა მეცნიერთა ყურადღების ცენტრში კადმიუმის სულფიდი. გარდა იმისა, რომ მას აქვს ულტრაბგერითი ვიბრაციების გაძლიერების განსაკუთრებული უნარი, მისი გამოყენება შესაძლებელია ულტრაბგერითი გადამცემის დასამზადებლად ძალიან მაღალი სიხშირეებისთვის, სრულიად მიუწვდომელი კვარცისა და ბარიუმის ტიტანატისთვის. მკვლევარები ვარაუდობენ, რომ კადმიუმის სულფიდის კრისტალს ექნება რეკორდი შესაძლო გამოყენების რაოდენობით. ის არა მხოლოდ შეიძლება იყოს ულტრაბგერითი გამაძლიერებელი და გადამყვანი, არამედ შეიძლება გამოყენებულ იქნას გერმანიუმთან და სილიკონთან ერთად, როგორც ჩვეულებრივი ნახევარგამტარი. გარდა ამისა, კადმიუმის სულფიდი შესანიშნავი ფოტორეზისტორია.
გარკვეულწილად გამარტივებით, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ პიეზოელექტრული გადამყვანი არის ერთი ან მეტი ინდივიდუალური პიეზოელექტრული ელემენტი ბრტყელი ან სფერული ზედაპირით, რომელიც დაკავშირებულია გარკვეულწილად, დამაგრებულია საერთო ლითონის ფირფიტაზე. გამოსხივების მაღალი ინტენსივობის მისაღებად გამოიყენება ფოკუსირებული პიეზოელექტრული გადამყვანები ან კონცენტრატორები, რომლებსაც შეიძლება ჰქონდეთ სხვადასხვა ფორმის (ჰემისფეროები, ღრუ სფეროების ნაწილები, ღრუ ცილინდრები, ღრუ ცილინდრების ნაწილები). ასეთი გადამყვანები გამოიყენება ძლიერი ულტრაბგერითი ვიბრაციების წარმოებისთვის მაღალ სიხშირეებზე. ამ შემთხვევაში, რადიაციის ინტენსივობა სფერული გადამყვანების ფოკუსური წერტილის ცენტრში 100-150-ჯერ აღემატება გადამყვანის გამოსხივების ზედაპირზე საშუალო ინტენსივობას.

"ხმა, ულტრაბგერა, ინფრაბგერა"