Пиезоелектрични ефекат открили су француски научници браћа Кири крајем 19. века. У то време је било прерано говорити о практичној примени откривеног феномена, али у данашње време пиезоелектрични елементи имају широку примену како у техници, тако иу свакодневном животу.
Садржај
Суштина пиезоелектричног ефекта
Познати физичари су установили да када се неки кристали (горски кристал, турмалин, итд.) деформишу, на њиховим лицима настају електрични набоји. Истовремено, разлика потенцијала је била мала, али су је поуздано фиксирали уређаји који су постојали у то време, а повезивањем секција са супротно поларним наелектрисањем помоћу проводника, било је могуће добити електрична енергија. Феномен је фиксиран само у динамици, у тренутку компресије или истезања. Деформација у статичком режиму није изазвала пиезоелектрични ефекат.
Убрзо је супротан ефекат теоријски оправдан и откривен у пракси – када се примени напон, кристал се деформише.Испоставило се да су оба феномена међусобно повезана - ако супстанца испољава директан пиезоелектрични ефекат, онда јој је инхерентно и супротно, и обрнуто.
Феномен се примећује код супстанци са кристалном решетком анизотропног типа (чије су физичке особине различите у зависности од правца) са довољном асиметријом, као и код неких поликристалних структура.
У сваком чврстом телу примењене спољне силе изазивају деформацију и механичка напрезања, а у материјама са пиезоелектричним ефектом изазивају и поларизацију наелектрисања, а поларизација зависи од смера примењене силе. Приликом промене смера експозиције мењају се и смер поларизације и поларитет наелектрисања. Зависност поларизације од механичког напрезања је линеарна и описује се изразом П=дт, где је т механичко напрезање, а д је коефицијент који се назива пиезоелектрични модул (пиезоелектрични модул).
Слична појава се јавља са обрнутим пиезоелектричним ефектом. Када се промени смер примењеног електричног поља мења се и смер деформације. Овде је зависност такође линеарна: р=дЕ, где је Е јачина електричног поља, а р деформација. Коефицијент д је исти за директне и инверзне пиезоелектричне ефекте за све супстанце.
У ствари, горње једначине су само процене. Стварне зависности су много компликованије и такође су одређене правцем сила у односу на осе кристала.
Супстанце са пиезоелектричним ефектом
По први пут је пиезоелектрични ефекат пронађен у каменим кристалима (кварц). До данас је овај материјал веома чест у производњи пиезоелектричних елемената, али се у производњи не користе само природни материјали.
Многи пиезоелектрици су направљени од супстанци са АБО формулом.3, на пример БаТиО3, РбТиО3. Ови материјали имају поликристалну (састоје се од много кристала) структуру, а да би им се дала способност да испоље пиезоелектрични ефекат, морају бити подвргнути поларизацији помоћу спољашњег електричног поља.
Постоје технологије које омогућавају добијање филмских пиезоелектрика (поливинилиден флуорид, итд.). Да би им дали потребна својства, такође треба да буду поларизовани дуго времена у електричном пољу. Предност таквих материјала је врло мала дебљина.
Особине и карактеристике супстанци са пиезоелектричним ефектом
Пошто се поларизација јавља само током еластичне деформације, важна карактеристика пиезоматеријала је његова способност да мења облик под дејством спољних сила. Вредност ове способности је одређена еластичном усклађеношћу (или еластичном ригидношћу).
Кристали са пиезоелектричним ефектом су високо еластични - када се сила (или спољашњи стрес) уклони, враћају се у првобитни облик.
Пиезокристали такође имају своју механичку резонантну фреквенцију. Ако учините да кристал вибрира на овој фреквенцији, амплитуда ће бити посебно велика.
Пошто се пиезоелектрични ефекат манифестује не само целим кристалима, већ и њиховим плочама исеченим под одређеним условима, могуће је добити комаде пиезоелектричних супстанци са резонанцом на различитим фреквенцијама, у зависности од геометријских димензија и правца реза.
Такође, вибрациона својства пиезоелектричних материјала карактерише механички фактор квалитета. Показује колико се пута повећава амплитуда осцилација на резонантној фреквенцији са једнаком примењеном силом.
Постоји јасна зависност особина пиезоелектрика од температуре, што се мора узети у обзир приликом употребе кристала. Ову зависност карактеришу коефицијенти:
- температурни коефицијент резонантне фреквенције показује колико резонанција нестаје када се кристал загреје / охлади;
- коефицијент температурног ширења одређује колико се линеарне димензије пиезоелектричне плоче мењају са температуром.
На одређеној температури пиезокристал губи својства. Ова граница се назива Киријева температура. Ова граница је индивидуална за сваки материјал. На пример, за кварц је +573 °Ц.
Практична употреба пиезоелектричног ефекта
Најпознатија примена пиезоелектричних елемената је као елемент за паљење. Пиезоелектрични ефекат се користи у џепним упаљачима или кухињским упаљачима за плинске пећи. Када се кристал притисне, настаје разлика потенцијала и искра се појављује у ваздушном зазору.
Ова област примене пиезоелектричних елемената није исцрпљена. Кристали са сличним ефектом могу се користити као мерачи напрезања, али је ова област употребе ограничена својством пиезоелектричног ефекта да се појављује само у динамици - ако промене престану, сигнал престаје да се генерише.
Пиезокристали се могу користити као микрофон - када су изложени акустичним таласима, формирају се електрични сигнали. Обрнути пиезоелектрични ефекат такође омогућава (понекад истовремено) употребу таквих елемената као емитера звука. Када се електрични сигнал примени на кристал, пиезоелектрични елемент ће почети да генерише акустичне таласе.
Такви емитери се широко користе за стварање ултразвучних таласа, посебно у медицинској технологији. Ат ово могу се користити и резонантна својства плоче.Може се користити као акустични филтер који бира само таласе природне фреквенције. Друга опција је употреба пиезоелектричног елемента у генератору звука (сирена, детектор, итд.) истовремено као елемент за подешавање фреквенције и елемент који емитује звук. У овом случају, звук ће се увек генерисати на резонантној фреквенцији, а максимална јачина се може постићи уз малу потрошњу енергије.
Резонантна својства се користе за стабилизацију фреквенција генератора који раде у радио-фреквентном опсегу. Кварцне плоче играју улогу високо стабилних и висококвалитетних осцилаторних кола у колима за подешавање фреквенције.
Још увек постоје фантастични пројекти за претварање енергије еластичне деформације у електричну енергију у индустријском обиму. Можете користити деформацију коловоза под утицајем гравитације пешака или аутомобила, на пример, да осветлите делове стаза. Можете користити енергију деформације крила авиона да бисте обезбедили мрежу авиона. Таква употреба је ограничена недовољном ефикасношћу пиезоелектричних елемената, али су пилот постројења већ направљена, а обећавају даља побољшања.
Слични чланци:
