Efecte piezoelectrice directe și inverse. Index Descrierea efectului piezoelectric

Efectul piezoelectric (efectul piezoelectric) se observă în cristalele unor substanțe care au o anumită simetrie. Cele mai comune minerale piezoelectrice din natură includ cuarțul, turmalina, sfalerita și nefelina. Unii dielectrici policristalini cu o structură ordonată (materiale ceramice și polimeri) au efect piezoelectric. Se numesc dielectricii care au un efect piezoelectricpiezoelectrice.

Orez. 1

Forțele mecanice externe, care acționează în anumite direcții asupra unui cristal piezoelectric, provoacă nu numai deformarea mecanică în acesta (ca în orice corp solid), ci și polarizarea electrică, adică apariția sarcinilor electrice de diferite semne pe suprafețele sale (Fig. 1a, F- forțe care acționează, P - vector de polarizare electrică). Când forțele mecanice sunt în direcția opusă, semnele sarcinilor se modifică(Fig. 1b). Acest fenomen se numeșteefect piezoelectric direct(Fig. 2a).

Orez. 2

Dar efectul piezoelectric este reversibil. Când un piezoelectric este expus unui câmp electric în direcția corespunzătoare, în el apar deformații mecanice (Fig. 1c).Când direcția câmpului electric se schimbă, deformațiile se modifică în consecință(Fig. 1 d). Acest fenomen se numeșteefect piezoelectric invers(Fig. 2b) .

Efect piezoelectricse explică după cum urmează. În rețeaua cristalină, din cauza nepotrivirii centrelor ionilor pozitivi și negativi, există o sarcină electrică volumetrică. În absența unui câmp electric extern, această polarizare nu apare, deoarece este compensată de sarcinile de pe suprafață. Când cristalul este deformat, ionii pozitivi și negativi ai rețelei sunt deplasați unul față de celălalt, iar momentul electric al cristalului se modifică în consecință, ceea ce determină apariția potențialelor la suprafață. Această modificare a cuplului electric se manifestă prin efectul piezoelectric. Efectul piezoelectric depinde nu numai de amploarea impactului mecanic sau electric, ci și de natura și direcția forțelor în raport cu axele cristalografice ale cristalului.

Deformațiile piezoelectricului rezultate din efectul piezoelectric sunt nesemnificative în valoare absolută. De exemplu, o placă de cuarț de 1 mm grosime sub influența unei tensiuni de 100 V își modifică grosimea cu doar 0,23 microni. Nesemnificația deformării piezoelectricilor se explică prin rigiditatea lor foarte mare.

Efectele piezoelectrice directe și inverse sunt liniare și sunt descrise prin dependențe liniare care conectează polarizarea electrică P cu solicitarea mecanică g:

Р=αg (1).

Această dependență se numește ecuația efectului piezoelectric direct. Coeficientul de proporționalitate α se numește modul piezoelectric (modul piezoelectric). Servește ca măsură a efectului piezoelectric. Efectul piezoelectric invers este descris de dependență

r=αE (2),

unde r este deformarea;

E este puterea câmpului electric.

Orez. 3

Modulul piezoelectric α pentru efecte directe și inverse are aceeași valoare. Emițători piezoelectrici nu au contacte mecanice și constau dintr-un element ceramic montat pe un disc metalic (Fig. 3).Vibrația discului este cauzată de tensiunea aplicată acestuia. O tensiune alternativă de o anumită frecvență creează un semnal sonor. Emițătoarele piezoelectrice nu sunt supuse uzurii mecanice a elementelor structurale, au un consum redus de energie și nu au zgomot electric. Cu ajutorul piezoceramicelor, este posibil să obțineți un volum semnificativ al sunetului. Unele mostre de traductoare piezoceramice pot dezvolta presiune acustică la o distanță de 1 m până la 130 dB (nivelul pragului durerii)

Orez. 4

Emițătoarele piezoelectrice sunt disponibile în două modificări:

- convertoare „pure” (fără circuit de control) - clopoței piezo;
- emițătoare cu circuit de control (cu generator încorporat) - sirene.

Pentru ca convertoarele de primul tip să genereze sunete, sunt necesare semnale de control generate (undă sinusoidală sau undă pătrată de o anumită frecvență specificată pentru un anumit model de convertor). Emițătoarele cu generator încorporat necesită doar un anumit nivel de tensiune. Astfel de dispozitive sunt disponibile pentru tensiuni nominale de la 1 la 250 V (DC și AC).

De exemplu, sonerie piezoceramică (buzzer piezo) ZP-1 (Fig. 4)constă din două blocuri piezoelectrice, membrana fiecăruia fiind realizată sub forma unei plăci de mică adâncime cu un diametru exterior de 32 mm. Plăcile sunt stivuite în contra-pliere și lipite de-a lungul marginii exterioare. Piezoelementele din clopot sunt conectate în așa fel încât atunci când se aplică o tensiune alternativă, suprafețele plăcilor fie converg, fie diverg, adică. zone de compresie și rarefacție se formează pe ambele părți ale clopotului. Frecvența de rezonanță a soneriei este de 2 kHz.

Orez. 5

Produce o presiune sonoră de 75 dB la o distanță de 1 m la o tensiune la frecvența de rezonanță de 10 V. Acest clopot emite unde sonore în mod egal în ambele semi-spații. În tabelul 1sunt dați parametrii altor emițători piezo, al căror aspect este prezentat în Fig. 5. În Fig.6 sunt prezentate caracteristicile amplitudine-frecvenţă ale piezoelementelor: PVA-1- Fig.6a și ZP-5 - Fig.6b.

Tabelul 1 caracteristicile emițătorilor piezo

Tip	Sunet presiune, DB	Lucru Voltaj,	Rezonant frecvență, kHz	Dimensiuni, mm
Tip	Sunet presiune, DB	Lucru Voltaj,	Rezonant frecvență, kHz	Diametru	Înălţime
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

Notă: * - conceput pentru a funcționa în modul auto-oscilant.

Orez. 6, caracteristicile amplitudine-frecvență ale piezoelementelor

A. Kashkarov

Conţinut:
Efect piezoelectric
Piezoelectrice - monocristale
Cuarţ
Turmalina
sare Rochelle
Fosfat dihidrogen de amoniu
tartrat de potasiu
Niobat de litiu
Piezoelectrice policristaline
Texturi piezoelectrice
Ceramica piezoelectrică
Caracteristici ale tehnologiei de fabricație a piezoelementelor ceramice
Materiale piezoceramice industriale și piezoelectrice - polimeri
Materiale pe bază de titanat de bariu
Materiale pe bază de soluții solide de titanat - zirconat de plumb
Materiale pe bază de metaniobat de plumb
Piezoelectrice - polimeri

Efect piezoelectric

În 1756, academicianul rus F. Epinus a descoperit că atunci când un cristal de turmalină este încălzit, pe fețele lui apar sarcini electrice. Acest fenomen a primit mai târziu numele de efect piroelectric. F. Epinus a presupus că cauza fenomenelor electrice observate la schimbările de temperatură este încălzirea neuniformă a două suprafeţe, ducând la apariţia unor tensiuni mecanice în cristal. În același timp, el a subliniat că constanța în distribuția polilor la anumite capete ale cristalului depinde de structura și compoziția acestuia, astfel F. Epinus s-a apropiat de descoperirea efectului piezoelectric.

Efectul piezoelectric în cristale a fost descoperit în 1880 de frații P. și J. Curie, care au observat apariția sarcinilor electrostatice pe suprafața plăcilor tăiate la o anumită orientare dintr-un cristal de cuarț sub influența solicitărilor mecanice. Aceste sarcini sunt proporționale cu solicitarea mecanică, își schimbă semnul cu ea și dispar atunci când este îndepărtată.

Formarea sarcinilor electrostatice pe suprafața unui dielectric și apariția polarizării electrice în interiorul acestuia ca urmare a expunerii la stres mecanic se numește efect piezoelectric direct.

Efectul piezoelectric invers nu trebuie confundat cu fenomenul de electrostricție, adică cu deformarea dielectricului sub influența unui câmp electric. Cu electrostricția, există o relație pătratică între deformare și câmp, iar cu efectul piezoelectric, există o relație liniară. În plus, electrostricția are loc într-un dielectric de orice structură și apare chiar și în lichide și gaze, în timp ce efectul piezoelectric se observă doar la dielectricii solizi, în principal cristalini.

Piezoelectricitatea apare numai în acele cazuri când deformarea elastică a cristalului este însoțită de o deplasare a centrelor de greutate a sarcinilor pozitive și negative ale celulei elementare a cristalului, adică atunci când determină un moment dipol individual, care este necesar. pentru apariția polarizării electrice a dielectricului sub influența solicitărilor mecanice. În structurile care au un centru de simetrie, nicio deformare uniformă nu poate perturba echilibrul intern al rețelei cristaline și, prin urmare, doar 20 de clase de cristale care nu au un centru de simetrie sunt piezoelectrice. Absența unui centru de simetrie este o condiție necesară, dar nu suficientă pentru existența efectului piezoelectric și, prin urmare, nu toate cristalele acentrice îl au.

Efectul piezoelectric nu poate fi observat în dielectricii solidi amorfi și criptocristalini (aproape izotropi), deoarece acest lucru contrazice simetria lor sferică. Excepția este atunci când devin anizotrope sub influența forțelor externe și prin aceasta dobândesc parțial proprietățile cristalelor simple. Efectul piezoelectric este posibil și în unele tipuri de texturi cristaline.

Până acum, efectul piezoelectric nu a găsit o descriere cantitativă satisfăcătoare în cadrul teoriei atomice moderne a rețelei cristaline. Chiar și pentru structurile de cel mai simplu tip este imposibil să se calculeze chiar aproximativ ordinea constantelor piezoelectrice.

În prezent, a fost elaborată o teorie fenomenologică a efectului piezoelectric, conectând deformațiile și solicitările mecanice cu câmpul electric și polarizarea din cristale. A fost stabilit un sistem de parametri care determină eficacitatea cristalului ca piezoelectric. Modulul piezoelectric (piezomodulus) d determină polarizarea cristalului (sau densitatea de sarcină) la o solicitare mecanică aplicată dată; constanta piezoelectrică determină forțele mecanice care apar într-un cristal prins sub influența unui câmp electric; constanta piezoelectrică g caracterizează tensiunea electrică într-un circuit deschis la o solicitare mecanică dată; iar în final, constanta piezoelectrică h determină tensiunea electrică într-un circuit deschis pentru o deformare mecanică dată. Aceste constante sunt mărimi înrudite și sunt legate între ele prin relații care includ constante elastice și constanta dielectrică a cristalelor, astfel încât oricare dintre ele poate fi utilizată. Modulul piezoelectric cel mai des folosit este d. Constantele piezoelectrice sunt tensoare și, prin urmare, fiecare cristal poate avea mai multe piezomodule independente.

În general, ecuația pentru efectul piezoelectric direct sub influența unei solicitări mecanice uniforme Tr se scrie astfel:

Unde Pi este componenta vectorului de polarizare; dir - piezomodul; Tr este componenta tensiunii mecanice.

Ecuația efectului piezoelectric invers se scrie după cum urmează:

Unde Xi este componenta de deformare elastică; Er este componenta intensității câmpului electric.

Fiecare piezoelectric este un traductor electromecanic, deci caracteristica sa importantă este coeficientul de cuplare electromecanic r. Pătratul acestui coeficient reprezintă raportul dintre energia manifestată sub formă mecanică pentru un anumit tip de deformare și energia electrică totală primită la intrarea de la sursa de alimentare.

În multe cazuri, piezoelectricele sunt esențiale datorită proprietăților lor elastice, care sunt descrise de modulele elastice C (Young modules Eyu) sau de mărimile lor inverse - constantele elastice S.

Atunci când se folosesc elemente piezoelectrice ca rezonatoare, în unele cazuri se introduce un coeficient de frecvență, care este produsul dintre frecvența de rezonanță a elementului piezoelectric și dimensiunea geometrică care determină tipul de vibrație. Această valoare este proporțională cu viteza sunetului în direcția de propagare a undelor elastice în elementul piezoelectric.

În prezent, sunt cunoscute multe substanțe (mai mult de 500) care au demonstrat activitate piezoelectrică. Cu toate acestea, doar câteva dintre ele își găsesc aplicații practice.

Piezoelectrice - monocristale

Cuarţ. Cuarțul este un mineral larg răspândit în natură; sub o temperatură de 573 Celsius, se cristalizează în clasa trigonal-trapezoedrică a sistemului hexagonal. Aparține clasei enantiomorfe și se găsește în natură în două modificări: dreapta și stânga.

Compoziția chimică a cuarțului este dioxid de siliciu anhidru (SiO2) greutate moleculară 60,06.

Cuarțul este unul dintre cele mai dure minerale și are o rezistență chimică ridicată.

Formele exterioare ale cristalelor naturale de cuarț sunt foarte diverse. Cea mai comună formă este o combinație între o prismă hexagonală și romboedre (fețe piramidale). Fețele prismei se extind spre baza cristalului și au umbrire orizontală la suprafață.

Cuarțul potrivit pentru utilizarea în echipamentele piezoelectrice se găsește în natură sub formă de cristale, fragmente ale acestora și pietricele rotunjite. Culoarea variază de la incolor-transparent (cristal de stâncă) la negru (morion).

De obicei, cristalele de cuarț natural conțin diverse defecte care le reduc valoarea. Defectele includ includerea de minerale străine (clorit rutil), fisuri, bule, fantome, ace albastre, dungi și gemeni.

În prezent, alături de cele naturale, se folosesc cristale de cuarț sintetice, crescute în autoclave la temperaturi și presiuni ridicate din soluții alcaline saturate cu dioxid de siliciu.

Proprietățile piezoelectrice ale cuarțului sunt utilizate pe scară largă în tehnologie pentru a stabiliza și filtra frecvențele radio, pentru a genera vibrații ultrasonice și pentru a măsura cantități mecanice (piezometrie).

Turmalina. Turmalina se cristalizează în clasa trigonal-piramidală a sistemului trigonal. Cristalele sunt prismatice cu hașura longitudinală, alungite, adesea în formă de ac.

Din punct de vedere al compoziției sale chimice, turmalina este un borosilicat complex de aluminiu cu impurități de magneziu, fier sau metale alcaline (Na, Li, K).

Culoarea variază de la negru la verde, de asemenea roșu la unic, mai rar incolor. Când este frecat, se electrifică și are un efect piroelectric puternic.

Turmalina este larg răspândită în natură, dar în cele mai multe cazuri cristalele sunt pline de crăpături. Cristalele fără defecte potrivite pentru rezonatoarele piezoelectrice sunt rare.

Principalul avantaj al turmalinei este valoarea mai mare a coeficientului parțial în comparație cu cuarțul. Datorită acestui fapt, precum și datorită rezistenței mecanice mai mari a turmalinei, este posibilă fabricarea rezonatoarelor pentru frecvențe mai mari.

În prezent, turmalina este foarte greu utilizată pentru fabricarea rezonatoarelor piezoelectrice și are o utilizare limitată pentru măsurarea presiunii hidrostatice.

sare Rochette. Sarea Rochelle cristalizează în clasa rombotetraedrică a sistemului rombic. Apartenența la clasa enantiomorfă determină posibilitatea teoretică a existenței cristalelor drepte și stângaci de sare Rochelle. Cu toate acestea, cristalele de sare Rochelle obținute din deșeurile de vinificație sunt doar pe partea dreaptă.

Pentru a proteja împotriva umezelii, piezoelementele din sare Rochelle sunt acoperite cu pelicule subțiri de lac.

Elementele piezoelectrice fabricate din sare Rochelle au fost utilizate pe scară largă în echipamentele care funcționează într-un interval de temperatură relativ îngust, în special, în pickup-urile de sunet. Cu toate acestea, în prezent ele sunt aproape complet înlocuite cu piezoelemente ceramice.

Fosfat dihidrogen de amoniu. Fosfatul dihidrogen de amoniu cristalizează în sistemul tetragonal. Cristalele sunt o combinație între o piramidă tetragonală și o prismă.

Cristalele de fosfat dihidrogen nu conțin apă cristalizată și nu se deshidratează. La 93% umiditate relativă, cristalele încep să absoarbă umiditatea și să se dizolve.

Fosfatul dihidrogen de amoniu se topește la o temperatură de 190 de grade Celsius, dar peste 100 de grade amoniacul începe să se evapore de pe suprafața cristalului. Aceasta limitează limita superioară a temperaturilor de funcționare.

În prezent, datorită dezvoltării pe scară largă a ceramicii piezoelectrice, utilizarea fosfatului dihidrogen de amoniu este limitată.

tartrat de potasiu. Tartratul de potasiu (simbol VK) cristalizează într-un sistem monocristal.

Rezonatoarele din VC au factori de înaltă calitate și coeficienți de cuplare electromecanic. Ele pot înlocui cuarțul în filtrele de distanță lungă.

Niobat de litiu. Niobatul de litiu este un cristal sintetic care cristalizează în clasa ditrigonal-piramidală a sistemului romboedric.

Niobatul de litiu este insolubil în apă, nu se descompune la temperaturi ridicate și are rezistență mecanică ridicată. Din punct de vedere al proprietăților electrice, este un feroelectric cu o temperatură Curie de aproximativ 1200 de grade Celsius.

Datorită proprietăților sale piezoelectrice și mecanice ridicate, inclusiv factorul de înaltă calitate, niobatul de litiu este un material promițător pentru fabricarea convertoarelor pentru diverse scopuri. Filmele subțiri (aproximativ un micrometru grosime) de niobat de litiu, obținute prin pulverizare catodică în vid, sunt texturi policristaline orientate care pot fi folosite ca emițători și receptori de vibrații ultrasonice în domeniul microundelor.

Piezoelectrice policristaline.

Texturi piezoelectrice. Texturile, care sunt un set de cristale piezoelectrice orientate într-un anumit mod în spațiu și fără centru de simetrie, pot avea un efect piezoelectric. Efectul piezoelectric în texturile sării Rochelle a fost descoperit de A.V. Shubnikov; El a stabilit, de asemenea, principiile de bază ale efectului piezoelectric în medii similare. Texturile piezo de sare Rochelle, obținute prin aplicarea de sare Rochelle topită pe un substrat cu ajutorul unei pensule, au un piezomodulus d14 de sare Rochelle.

În prezent, astfel de texturi nu prezintă interes practic. Textura imebt de cea mai mare valoare bazată pe ceramică piezoelectrică polarizată.

Ceramica piezoelectrică. Proprietățile feroelectrice ale unor astfel de materiale determină posibilitatea efectului piezoelectric. Sub influența unui câmp electric constant, unele dintre domenii sunt orientate în direcția câmpului aplicat. După ce câmpul extern este îndepărtat, majoritatea domeniilor sunt menținute în noua lor poziție datorită câmpului intern, care apare ca urmare a orientării paralele a direcțiilor de polarizare ale domeniilor. Datorită acestui fapt, ceramica devine o textură polară, care are un efect piezoelectric.

Tehnologia ceramică pentru fabricarea piezoelementelor nu impune restricții fundamentale asupra formei și dimensiunii acestora. Aceste circumstanțe, precum și valorile ridicate ale caracteristicilor piezoelectrice, au dus la utilizarea pe scară largă a piezoelementelor ceramice în tehnologie, în special în dispozitivele pentru emiterea și recepția vibrațiilor ultrasonice.

Caracteristici ale tehnologiei de fabricație a piezoelementelor ceramice. O trăsătură distinctivă a procesului de fabricație a produselor piezoceramice este polarizarea acestora printr-un câmp electric constant puternic, care se aplică de obicei după aplicarea electrozilor pe o piesa de prelucrat sinterizată obținută prin una dintre metodele tehnologiei ceramice.

Materiale piezoceramice industriale și polimeri piezoceramici.

Materialele cu proprietăți diferite sunt împărțite în mărci (după compoziție și caracteristici) și grupuri funcționale (după scop).

Materialele din grupa funcțională 1 sunt utilizate pentru fabricarea elementelor piezoelectrice foarte sensibile care funcționează în modul de recepție sau emisiune de vibrații mecanice. Materialele din grupa funcțională 2 sunt destinate elementelor piezoelectrice care funcționează în condiții de câmpuri electrice puternice sau solicitări mecanice ridicate. Materialele din grupa funcțională 3 sunt utilizate pentru fabricarea piezoelementelor cu stabilitate crescută a frecvențelor de rezonanță în funcție de temperatură și timp, iar materialele din grupa funcțională 4 sunt utilizate pentru piezoelementele de temperatură înaltă.

Să luăm acum în considerare proprietățile diferitelor tipuri de piezoceramice.

Materiale pe bază de titanat de bariu. Titanatul de bariu este feroelectric. Piezoceramica de titanat de bariu (TB-1) este utilizată pe scară largă pentru fabricarea convertoarelor, care nu sunt supuse unor cerințe stricte pentru temperatura și stabilitatea în timp a caracteristicilor. Absența componentelor volatile în formularea de titanat de bariu în timpul arderii și simplitatea tehnologiei de fabricare a elementelor piezoelectrice fac ca acest material să fie încă larg răspândit în tehnologie.

Materiale pe bază de soluții solide de titanat - zirconat de plumb. Soluțiile solide de titanat de plumb au caracteristici piezoelectrice foarte ridicate. Pe baza acestor soluții solide au fost dezvoltate o serie de materiale piezoceramice tehnologice, denumite de cod PZT (în străinătate PZT).

Tehnologia de fabricare a produselor din materiale precum PZT este complicată de faptul că acestea conțin oxid de plumb, care se volatilizează parțial în timpul arderii la temperaturi ridicate, ceea ce duce la reproductibilitatea slabă a proprietăților. Prin urmare, arderea semifabricatelor de elemente piezoelectrice se efectuează într-o atmosferă de vapori de oxid de plumb, pentru care semifabricatele sunt plasate în capsule bine închise care conțin o umplere de compuși de oxid de plumb. Cu toate acestea, caracteristicile ridicate ale acestui tip de materiale le fac foarte comune pentru fabricarea traductoarelor piezoelectrice pentru diverse scopuri: pentru dispozitive electroacustice, tehnologie ultrasonică, piezometrie, precum și unele tipuri de filtre radio.

Materiale pe bază de metaniobat de plumb. Soluțiile solide de plumb și metaniobați de bariu au un punct Curie ridicat. Materialele bazate pe acestea sunt stabile într-o gamă largă de temperaturi de module piezoelectrice și frecvențe de rezonanță. Tehnologia de fabricare a produselor din acestea este mai simplă decât din materialele mărcii PZT, deoarece oxidul de plumb inclus în ceramica niobat este practic nevolatil în timpul arderii.

Piezoelectricii sunt polimeri. Unele materiale polimerice sub formă de pelicule orientate mecanic polarizate într-un câmp electric au texturi polare în care se observă un efect piezoelectric. Printre acestea, fluorura de poliviniliden (PVDF) este de interes practic. Atunci când filmele sunt extrase din acest polimer cu 300...400%, ele sunt orientate pentru a forma o conformație specială, care, după polarizare într-un câmp electric puternic, capătă un efect piezoelectric.

Referinte:

Manual de materiale electrice volumul 3

În 1756, academicianul rus F. Epinus a descoperit că atunci când un cristal de turmalină este încălzit, pe fețele lui apar sarcini electrostatice. Ulterior, fenomenului atomic a primit denumirea de efect piroelectric. F. Epinus a presupus că cauza fenomenelor electrice observate la schimbările de temperatură este încălzirea neuniformă a două suprafețe, ducând la apariția unor solicitări mecanice în cristal. În același timp, el a subliniat că constanța în distribuția polilor la anumite capete ale cristalului depinde de structura și compoziția acestuia, astfel F. Epinus s-a apropiat de descoperirea efectului piezoelectric.

Efectul piezoelectric în cristale a fost descoperit în 1880 de frații P. și J. Curie, care au observat apariția sarcinilor electrostatice pe suprafața plăcilor tăiate într-o anumită orientare dintr-un cristal de cuarț sub influența solicitărilor mecanice. Aceste sarcini sunt proporționale cu solicitarea mecanică, își schimbă semnul cu ea și dispar atunci când este îndepărtată. Formarea sarcinilor electrostatice pe suprafața unui dielectric și apariția polarizării electrice în interiorul acestuia ca urmare a expunerii la stres mecanic se numește efect piezoelectric direct.

Alături de cel direct, există un efect piezoelectric invers, care constă în faptul că într-o placă tăiată dintr-un cristal piezoelectric are loc o deformare mecanică sub influența unui câmp electric aplicat acesteia; iar magnitudinea deformării mecanice este proporțională cu intensitatea câmpului electric. Efectul piezoelectric invers nu trebuie confundat cu fenomenul de electrostricție, adică cu deformarea dielectricului sub influența unui câmp electric. Cu electrostricția, există o relație pătratică între deformare și câmp, iar cu efectul piezoelectric, este liniar.

În plus, electrostricția apare în dielectricii de orice structură și apare chiar și în lichide și gaze, în timp ce efectul piezoelectric se observă doar la dielectricii solizi, în principal cristalini.

Piezoelectricitatea apare doar în acele cazuri când deformarea elastică a cristalului este însoțită de o deplasare a centrelor de greutate a sarcinilor pozitive și negative ale celulei unitare a cristalului, adică atunci când determină un moment dipol indus, care este necesar. pentru apariția polarizării electrice a dielectricului sub influența solicitărilor mecanice. În structurile care au un centru de simetrie, nicio deformare uniformă nu poate perturba echilibrul intern al rețelei cristaline și, prin urmare, doar 20 de clase care nu au centru de simetrie sunt piezoelectrice. Absența unui centru de simetrie este o condiție necesară, dar nu suficientă pentru existența efectului piezoelectric și, prin urmare, nu toate cristalele acentrice îl au.

Efectul piezoelectric nu poate fi observat în dielectricii solidi amorfi și criptocristolici, deoarece acest lucru contrazice simetria lor sferică. Excepția este atunci când devin anizotrope sub influența forțelor externe și prin aceasta dobândesc parțial proprietățile monocristalelor.Efectul piezoelectric este posibil și în unele tipuri de texturi cristaline.

Fiecare piezoelectric este un traductor electromecanic, deci caracteristica sa importantă este coeficientul de cuplare electromecanic k. Pătratul acestui coeficient reprezintă raportul dintre energia manifestată sub formă mecanică pentru un anumit tip de deformare și energia electrică totală primită la intrarea de la sursa de alimentare.

În multe cazuri, piezoelectricele sunt esențiale pentru proprietățile lor elastice, care sunt descrise prin module elastice c (Young module Eyu) sau mărimi inverse - constante elastice s.

2. Efect piezoelectric invers.

Alături de efectul piezoelectric, există și fenomenul său opus: în cristalele piezoelectrice, apariția polarizării este însoțită de deformații mecanice. Prin urmare, dacă pe plăcile metalice montate pe cristal se aplică o tensiune electrică, cristalul se polarizează și se deformează sub influența câmpului.

Este ușor de observat că necesitatea existenței efectului piezoelectric invers rezultă din legea conservării energiei și din faptul existenței efectului direct. Să considerăm o placă piezoelectrică (Fig. 5) și să presupunem că o comprimăm prin forțe externe F. Dacă nu ar exista efect piezoelectric, atunci munca forțelor externe ar fi egală cu energia potențială a plăcii deformate elastic. În prezența efectului piezoelectric, pe placă apar sarcini și apare un câmp electric, care conține energie suplimentară. Conform legii conservării energiei, rezultă că atunci când o placă piezoelectrică este comprimată, se lucrează mult, ceea ce înseamnă că în ea apar forțe suplimentare F1, contracarând compresia. Acestea sunt forțele efectului piezoelectric invers. Din raționamentul de mai sus reiese o legătură între semnele ambelor efecte. Dacă în ambele cazuri semnele sarcinilor de pe fețe sunt aceleași, atunci semnele deformărilor sunt diferite. Dacă, atunci când placa este comprimată, pe fețe apar încărcături așa cum se arată în Fig. 5, atunci când aceeași polarizare este creată de un câmp extern, placa se va întinde.

Fig.5. Relația dintre efectele piezoelectrice directe și inverse.

Efectul piezoelectric invers este superficial similar cu electrostricția. Cu toate acestea, ambele fenomene sunt diferite. Efectul piezoelectric depinde de direcția câmpului și atunci când direcția acestuia din urmă se schimbă în invers, acesta își schimbă semnul. Electrostricția nu depinde de direcția câmpului. Efectul piezoelectric se observă doar la unele cristale care nu au centru de simetrie. Electrostricția are loc în toate dielectricii, atât cei solizi cât și cei lichizi.

Dacă placa este fixă și nu poate fi deformată, atunci când se creează un câmp electric, va apărea în ea un stres mecanic suplimentar.Valoarea sa s este proporțională cu puterea câmpului electric din interiorul cristalului:

unde b este același modul piezoelectric ca și în cazul efectului piezoelectric direct. Minusul din această formulă reflectă raportul de mai sus dintre semnele efectelor piezoelectrice directe și inverse.

Tensiunea mecanică totală din interiorul cristalului este suma tensiunii cauzate de deformare și a tensiunii generate sub influența câmpului electric. Este egal cu:

Aici C este modulul de elasticitate sub deformare la tracțiune unilaterală (modulul Young) la un câmp electric constant. Formulele (51.2) și (52.2) sunt principalele relații în teoria piezoelectricității.

Când scriem formule, am ales u și E ca variabile independente și am considerat D și s ca fiind funcțiile lor. Acest lucru, desigur, nu este necesar și am putea considera ca variabile independente o altă pereche de mărimi, dintre care una este mecanică și cealaltă electrică. Atunci am primi și două relații liniare între u, s, E și D, dar cu coeficienți diferiți. În funcție de tipul de probleme luate în considerare, sunt convenabile diferite forme de scriere a relațiilor piezoelectrice de bază.

Deoarece toate cristalele piezoelectrice sunt anizotrope, constantele e, C și b depind de orientarea fețelor plăcii față de axele cristalului. În plus, ele depind de faptul dacă fețele laterale ale plăcii sunt fixe sau libere (depind de condițiile la limită în timpul deformării). Pentru a face o idee despre ordinul de mărime al acestor constante, prezentăm valorile lor pentru cuarț în cazul în care placa este tăiată perpendicular pe axa X și fețele sale laterale sunt libere:

e=4, 5; C=7, 8 1010 N/m2; b=0,18 C/m2.

Să considerăm acum un exemplu de aplicare a relațiilor de bază (4) și (5). Să presupunem că o placă de cuarț, tăiată așa cum este indicat mai sus, este întinsă de-a lungul axei X, iar plăcile care ating fețele sunt deschise. Deoarece sarcina plăcilor înainte de deformare a fost zero, iar cuarțul este un dielectric, atunci după deformare plăcile vor fi neîncărcate. Conform definiției deplasării electrice, aceasta înseamnă că D=0. Apoi din relația (4) rezultă că în timpul deformării, în interiorul plăcii va apărea un câmp electric cu intensitatea:

Înlocuind această expresie în formula (5), găsim pentru solicitarea mecanică din placă:

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

Tensiunea, ca și în absența efectului piezoelectric, este proporțională cu deformarea. Cu toate acestea, proprietățile elastice ale plăcii sunt acum caracterizate de modulul elastic efectiv

С" == С (1 + b2/e0eС). (8)

care este mai mare decât C. Creșterea rigidității elastice este cauzată de apariția unei solicitări suplimentare în timpul efectului piezoelectric invers, care previne deformarea. Influența proprietăților piezoelectrice ale cristalului asupra proprietăților sale mecanice se caracterizează prin valoarea: K2=b2/e0eC (9)

Rădăcina pătrată a acestei valori (K) se numește constantă de cuplare electromecanică. Folosind valorile de mai sus ale lui e, C și b, aflăm că pentru cuarțul K2 ~ 0,01 Pentru toate celelalte cristale piezoelectrice cunoscute, K2 este, de asemenea, mic în comparație cu unitate și nu depășește 0,1 .

Să estimăm acum mărimea câmpului piezoelectric. Să presupunem că pe fețele plăcii de cuarț se aplică o solicitare mecanică de 1 1055 N/m2 perpendicular pe axa X. Apoi, conform (7), deformarea va fi egală cu u=1, 3 10-6. Înlocuind această valoare în formula (6), obținem |E|==5900 V/m=59 V/cm. Cu o grosime a plăcii de, să zicem, d==0,5 cm, tensiunea dintre plăci va fi egală cu U=Ed~30 V. Vedem că câmpurile și tensiunile piezoelectrice pot fi foarte semnificative. Folosind piezoelectrice mai puternice în loc de cuarț și folosind tipuri de deformare selectate corespunzător, este posibil să se obțină tensiuni piezoelectrice măsurate în multe mii de volți.

Efectul piezoelectric (direct și invers) este utilizat pe scară largă pentru proiectarea diferitelor convertoare electromecanice. În acest scop, se folosesc uneori piezoelemente compozite, concepute pentru a efectua diverse tipuri de deformații.

Figura 6 prezintă un element piezoelectric dublu (compus din două plăci) care lucrează în compresie. Plăcile sunt tăiate din cristal în așa fel încât fie să se comprima, fie să se întindă în același timp. Dacă, dimpotrivă, un astfel de element piezoelectric este comprimat sau întins de forțe externe, atunci între plăcile sale apare tensiune. Conexiunea plăcilor din acest element piezoelectric corespunde conexiunii paralele a condensatoarelor.

Fig.6. Element piezoelectric dublu care funcționează în compresie.

Și, de asemenea, în scopuri metrologice. 3. Criterii de bază de evaluare a traductoarelor de vibrații fără contact Pentru a compara metodele fără contact de măsurare a parametrilor de vibrații și traductoarele de măsurare a vibrațiilor pe baza acestora, este recomandabil să se utilizeze, pe lângă parametrii enumerați, următoarele criterii de evaluare: natura câmpurile fizice sau radiațiile care interacționează în timpul procesului de măsurare; ...

Acestea. Pentru a proteja o sursă de scurgerile de informații, este necesară încălcarea condițiilor energetice și temporare ale existenței canalului de scurgere prin utilizarea unor mijloace de protecție care diferă prin principii fizice. Caracteristicile tehnice ale canalului de transformare acustică Traductorul acustoelectric este un dispozitiv care convertește energia electromagnetică în energia undelor elastice într-un mediu și înapoi. ÎN...

Amestecul de materie primă reduce stabilitatea rețelelor lor cristaline și, prin urmare, accelerează procesul de formare a materialului. Un studiu al influenței aditivilor de nichel și cupru asupra densității pieselor piezoceramice este prezentat în Fig. 2. Rezultatele măsurării densității arată că ceramica aliată are densitate mai mare la toate temperaturile de ardere. Deci, ceramica cu adaos de cupru are deja o densitate...

Efect de magnetostricție
Generatoare cu ultrasunete
Tăiere cu ultrasunete
Forțe mecanice reduse la prelucrarea cu scule de tăiere
Curățare cu ultrasunete
Sudarea cu ultrasunete
Coitorizare prin lipire cu ultrasunete
Testare cu ultrasunete
Analiza rapidă cu ultrasunete
Accelerarea proceselor de producție
Impregnare cu ultrasunete
Ultrasunetele în metalurgie
Ultrasunetele în minerit
Ultrasunetele în electronică
Ultrasunetele în agricultură
Ultrasunetele în industria alimentară
Ecografia în biologie
Diagnosticul ecografic al bolilor
Tratamentul cu ultrasunete al bolilor
Pe uscat și pe mare

În 1880, frații de știință francezi Jacques și Pierre Curie au descoperit efectul piezoelectric. Esența sa constă în faptul că, dacă o placă de cuarț este deformată, pe fețele acesteia apar sarcini electrice de semn opus. Prin urmare, piezoelectricitatea este electricitatea rezultată din acțiunea mecanică asupra unei substanțe („piezo” în greacă înseamnă „a apăsa”).
Pentru prima dată, proprietățile piezoelectrice au fost descoperite în cristalul de rocă, una dintre varietățile de cuarț. Cristalul de stâncă este un cristal transparent, incolor, asemănător gheții. Mineralogul sovietic A.E. Fersman a scris în cartea sa „Mineralogie distractivă”: „Luați în mână o bucată de cristal de stâncă și aceeași bucată de sticlă - ambele sunt similare ca culoare și transparență. Dacă le spargeți, vor avea la fel de ascuțite, tăietoare. „cristal” de la numele grecesc pentru „gheață”, deoarece cristalul de stâncă este într-adevăr foarte asemănător cu gheața...”
Aproape două sute de soiuri de cuarț se găsesc în natură. Acestea includ citrin galben-auriu, carnelian roșu sânge, aventurin maro-roșcat cu o tentă aurie, ametist violet și multe altele. Aproape o zecime din scoarța terestră este formată din diferite tipuri de cuarț. Chiar și nisipul obișnuit este format în principal din granule de cuarț.
Cuarțul este utilizat pe scară largă în știință și tehnologie. Dizolvă razele ultraviolete, este dur și refractar. Vasele din sticlă de cuarț pot fi încălzite la roșu și imediat scufundate în apă cu gheață. Este rezistent la aproape toți acizii și este un slab conductor de electricitate. Dar proprietatea sa cea mai remarcabilă este piezoelectricitatea. Dacă o placă, tăiată într-un anumit fel dintr-un cristal de cuarț, este comprimată și nestrânsă, pe fețele ei vor apărea sarcini electrice de semne opuse. Cu cât compresia este mai puternică, cu atât sarcina este mai mare. Apariția sarcinilor electrice pe fețele unei plăci de cuarț în timpul deformării acesteia se numește efect piezoelectric direct.
Dacă o sarcină electrică este aplicată unei astfel de plăci de cuarț, aceasta își va schimba dimensiunea. Cu cât sarcina este mai mare, cu atât placa este mai deformată. Când un câmp electric alternativ acționează asupra plăcii, acesta se contractă sau se extinde în timp odată cu modificarea semnelor tensiunii aplicate. Dacă acesta din urmă se schimbă cu o frecvență ultrasonică, atunci placa vibrează și cu o frecvență ultrasonică, care este baza pentru utilizarea cuarțului pentru a produce unde ultrasonice. Modificarea dimensiunii unei plăci de cuarț sub influența sarcinilor electrice se numește efect piezoelectric invers.
Efectul piezoelectric direct este utilizat în receptoarele cu vibrații ultrasonice, unde acestea din urmă sunt transformate în curent alternativ. Dar dacă unui astfel de receptor i se aplică o tensiune alternativă, efectul piezoelectric invers este pe deplin dezvăluit. În acest caz, curentul alternativ este convertit în vibrații ultrasonice, iar receptorul funcționează ca un emițător de ultrasunete. În consecință, receptorul și emițătorul piezoelectric pot fi reprezentați sub forma unui singur dispozitiv, care poate emite și recepționa alternativ vibrații ultrasonice. Un astfel de dispozitiv se numește traductor acustic cu ultrasunete.
Traductoarele acustice sunt utilizate cu succes în diferite tipuri de sisteme electroacustice, în special în sistemele destinate măsurătorilor și cercetării acustice și hidroacustice. Dispozitivele piezoelectrice sunt utilizate pe scară largă în explorarea spațiului. În zilele noastre sunt reprezentați de niște senzori care transmit date despre starea astronautului, despre condițiile din interiorul navei spațiale, avertizarea despre pericolul meteoritilor etc.
Dispozitivele piezoelectrice ajută la „simțirea” părților aeronavei, la identificarea erorilor în calculele lor și la prevenirea consecințelor periculoase ale acestor erori; „Uitați-vă” în țeava unui pistol de tragere pentru a măsura presiunea sau pentru a obține alte date. Piezoelectricitatea este utilizată în inginerie radio și televiziune. Dispozitivele piezoelectrice ajută la găsirea bancilor de pești, explorarea intestinelor pământului, căutarea de minerale, diagnosticarea și tratarea oamenilor, analizarea și accelerarea proceselor chimice etc.
Cuarțul a fost mult timp considerat unul dintre principalele materiale utilizate pentru fabricarea traductoarelor cu ultrasunete. Dar emițătorul, realizat dintr-o placă mică de cuarț, are puțină putere. Pentru a o mări, aria suprafeței radiante este mărită prin aranjarea plăcilor de cuarț sub forma unui fel de mozaic.
În natură, cristalele de cuarț se găsesc mai ales la dimensiuni relativ mici, deși există și excepții. În Alpii de Est, geologii au găsit șase cristale de rocă într-un singur cuib, cu o masă totală de peste o tonă și jumătate. O descoperire și mai unică a fost descoperită de geologii Urali, care au descoperit un depozit de cristale cu o întreagă familie de cristale gigantice. Mai întâi, din rocă au fost extrase cristale cu o greutate de 800 de kilograme. Căutarea persistentă ulterioară a dat rezultate absolut uimitoare - a fost găsită o constelație de douăzeci de cristale pure transparente. Greutatea lor totală a depășit 9 tone. Cu toate acestea, astfel de descoperiri nu pot satisface nevoile tot mai mari ale științei și tehnologiei pentru cristalele de cuarț. Prin urmare, încearcă să le cultive artificial în laboratoare, dar, din păcate, cresc încet, iar producția lor este costisitoare.
În căutarea altor materiale piezoelectrice, oamenii de știință și-au îndreptat atenția către sarea Rochelle. A fost obținut pentru prima dată din sărurile acidului tartric de către farmacistul francez Segnet. Sarea Rochelle este ușor de prelucrat; un cristal de sare Rochelle poate fi tăiat cu un fir obișnuit umezit cu apă. În comparație cu alte cristale piezoelectrice, inclusiv cuarț, cristalul de sare Rochelle are un efect piezoelectric semnificativ mai mare; cel mai mic efect mecanic asupra plăcii duce la apariția sarcinilor electrice. Cu toate acestea, sarea Rochelle are și dezavantaje serioase care îi limitează utilizarea practică. Acesta este în primul rând un punct de topire scăzut - aproximativ 60 de grade, la care cristalul de sare Rochelle își pierde proprietățile piezoelectrice și nu mai sunt restaurate. Sarea Rochelle Se dizolvă în apă și, prin urmare, este susceptibilă la umiditate. În plus, este fragil și nu poate rezista la sarcini mecanice grele.
Cercetarea noilor materiale piezoelectrice s-a desfășurat în mod deosebit în mod persistent în timpul celui de-al Doilea Război Mondial. Acestea au fost cauzate de o „foamete de cuarț” care a apărut ca urmare a utilizării pe scară largă a cuarțului piezoelectric în dispozitivele hidroacustice și în electronicele radio militare. Astfel, cristalele de dihidrogen fosfat de amoniu au fost folosite la acea vreme pentru a produce traductoare piezoelectrice. Acest material este stabil în frecvență și permite lucrul cu puteri mari și pe o gamă largă de frecvență. Alte materiale piezoelectrice au fost utilizate de mult timp, cum ar fi fosfatul de amoniu, sulfatul de litiu și fosfatul dihidrogen de potasiu. La traductoarele hidroacustice au fost folosite sub formă de pachete de mozaic. Cu toate acestea, toate aceste piezocristale au un dezavantaj comun - rezistența mecanică scăzută. Prin urmare, oamenii de știință au căutat cu insistență un înlocuitor care să fie aproape de ei în proprietăți piezoelectrice și să nu aibă dezavantajul menționat mai sus. Și un astfel de înlocuitor a fost găsit de oamenii de știință sovietici care lucrau sub conducerea membrului corespondent al Academiei de Științe a URSS B. M. Vul. Era titanat de bariu, care nu este un cristal precum cuarțul și sarea Rochelle și nu are în sine proprietăți piezoelectrice.
Titanatul de bariu este obținut artificial, deoarece este foarte rar în intestinele pământului. Pentru a face acest lucru, un amestec de două substanțe minerale - carbonat de bariu și dioxid de titanat - este ars la o temperatură foarte ridicată. Rezultatul este o masă alb-gălbuie, care, prin aspect și proprietăți mecanice, seamănă cu argila obișnuită. Această masă, ca și argila, poate avea orice formă, dar va fi puternic mecanic și insolubilă în apă. Și pentru a conferi proprietăți piezoelectrice titanatului de bariu, masa arsă este plasată într-un câmp electric puternic și apoi răcită. Ca urmare, are loc polarizarea cristalelor de titanat de bariu, dipolii lor (o combinație de doi sarcini electrice opuse, dar egale în valoare absolută, situate la o oarecare distanță una de cealaltă) ocupă aceeași poziție, iar după răcire sunt fixate, ca și cum „înghețat” în această stare. Materialul rezultat are un efect piezoelectric de 50 de ori mai mare decât cel al cuarțului, iar costul său este scăzut, deoarece pentru producerea sa este disponibilă o cantitate foarte mare de materii prime. Dezavantajele titanatului de bariu includ pierderi mecanice și dielectrice mari, ceea ce duce la supraîncălzirea acestuia, iar la temperaturi peste 90 de grade efectul piezoelectric este redus semnificativ.
Ceramica cu titanat de bariu poate fi tăiată, șlefuită, șlefuită, oferind traductorului forma și dimensiunea necesară (placă plată, cilindru, emisferă, parte dintr-o sferă etc.). Convertizoarele de titanat de bariu sunt mai eficiente în transformarea energiei electrice în energie mecanică, au o rezistență mai mare la defecțiuni electrice și pot funcționa la tensiuni joase. În plus, traductoarele ultrasonice cu titanat de bariu sunt capabile să funcționeze în modul pulsat.
Pentru fabricarea traductoarelor piezoelectrice se mai folosește o altă piezoceramică: un amestec de zirconiu cu titanat de plumb (PZT), această piezoceramică are un efect piezoelectric de două ori mai puternic decât cel al titanatului de bariu. Piezoceramics PZT este insolubil în apă și poate fi, de asemenea, prelucrat mecanic.
Totodată, a continuat căutarea cristalelor care au proprietăți piezoelectrice și care îndeplinesc cerințele tehnice necesare. Așa a ajuns sulfura de cadmiu în atenția oamenilor de știință. Pe langa faptul ca are o capacitate exceptionala de a amplifica vibratiile ultrasonice, poate fi folosit si la realizarea unui traductor ultrasonic pentru frecvente foarte inalte, complet inaccesibil la cuartul si titanatul de bariu. Cercetătorii sugerează că cristalul de sulfură de cadmiu va deține recordul pentru numărul de aplicații posibile. Nu numai că poate servi ca amplificator de ultrasunete și traductor, dar poate fi folosit și împreună cu germaniu și siliciu ca semiconductor comun. În plus, sulfura de cadmiu este un excelent fotorezistor.
Simplificând oarecum, putem spune că un traductor piezoelectric este unul sau mai multe elemente piezoelectrice individuale cu o suprafață plană sau sferică conectată într-un anumit fel, lipite de o placă metalică comună. Pentru a obține o intensitate mare de radiație, se folosesc traductoare piezoelectrice de focalizare, sau concentratoare, care pot avea o varietate de forme (emisfere, părți de sfere goale, cilindri goale, părți de cilindri goale). Astfel de traductoare sunt folosite pentru a produce vibrații ultrasonice puternice la frecvențe înalte. În acest caz, intensitatea radiației în centrul punctului focal al traductoarelor sferice este de 100-150 de ori mai mare decât intensitatea medie de pe suprafața emițătoare a traductorului.

„Sunete, ultrasunete, infrasunete”