Пьезоэффект что это такое: Пьезоэффект — это… Что такое Пьезоэффект?

Пьезоэлектрический эффект — прямой и обратный пьезоэффект

Современное производство электронной компонентной базы тесно связано с термином «пьезоэлектричество». Прямой пьезоэлектрический эффект — явление возникновения электрической поляризации в кристалле под действием механического напряжения. Данное явление впервые наблюдали братья Кюри —  Жак и Пьер в 1880 году. Тогда в качестве испытуемых выступили кристаллы хрусталя, турмалина и сегнетовой соли. Обратный пьезоэлектрический эффект — вознинкновение механических напряжений в кристалле под действием электрического поля был предсказан в 1881 году французским физиком Габриэлем Липпманом. Предсказание сложилось исходя из термодинамических соображений и позднее было экспериментально подтверждено братьями Кюри. Однако, практическое применение пьезоэффект обрел лишь 37 лет спустя, а началось все с работы создателя теории диамагнетизма и парамагнетизма Поля Ланжевена. Суть его предложения заключалась в использовании мощного ультразвука, получаемого от возбужденной электрическим полем кварцевой пластинки, для подводной беспроволочной связи и гидроакустики. Еще через 5 лет пьезоэлектрические пластины стали обязательными компонентами устройств фильтрации и стабилизации частот в аппаратуре связи.

Отечественные кварцевые резонаторы впервые были спроектированы в институте кристаллографии АН СССР.  1928 год запомнился важным для массового применения пьезоэлектричества этапом, связанным с Сергеем Яковлевичем Соколовым, открывшим возможность применения ультразвуковых волн для обнаружения внутренних дефектов в металлах, положив, таким образом, начало ультразвуковой дефектоскопии.

Возвращаясь к нашему времени, хочется отметить, что на основе пьезоэлектрических материалов таких как: лангасит, лангатат, катангасит, ниобат и танталат лития, а также кварца изготавливают элементы на прямом пьезоэлектрическом эффекте, применяющиеся в микрофонах, гидрофонах, датчиках давлений, датчиках механических перемещений и ускорения. Обратный пьезоэлектрический эффект используется в акустических и ультразвуковых излучателях для увлажнителей воздуха и ультразвуковой гидроочистки, в излучателях гидролокаторов (сонарах), в системах сверхточного позиционирования, например, в системе позиционирования иглы в сканирующем туннельном микроскопе или как позиционер перемещения головки жёсткого диска.   Высокочастотные пьезоэлектрические резонаторы, на объемных акустических волнах (ОАВ) являются базовыми комплектующими элементами для создания новых видов радиоэлектронных систем и аппаратуры.

Что такое пьезоэлектрический эффект, принцип его работы, как и где это применяется

Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) наблюдается в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной симметрией. К наиболее распространенным в природе минералам-пьезоэлектрикам относятся кварц, турмалин, сфалерит, нефелин. Пьезоэффектом обладают некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (керамические материалы и полимеры).

Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называются пьезоэлектриками. Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механическую деформацию (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию, т.е появление на его поверхностях электрических зарядов разных знаков (рис. 1а, F — действующие силы, Р — вектор электрической поляризации).

При противоположном направлении механических сил меняются знаки зарядов (рис.16). Это явление называют прямым пьезоэффектом (рис.2а).

Рис. 1. Как работает пьезоэлемент.

Рис. 2. Прямой пьезоэффект.

Эффект электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические деформации (рис.1в). При изменении направления электрического поля соответственно изменяются деформации (рис.1 г). Это явление получило название обратного пьезоэффекта (рис.2б).

Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом. В кристаллической решетке вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется объемный электрический заряд.

В отсутствие внешнего электрического поля эта поляризация не проявляется,так как она компенсируется зарядами на поверхности. При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются друг относительно друга, и соответственно изменяется электрический момент кристалла, который вызывает появление потенциалов на поверхности.

Именно это изменение электрического момента и проявляется в пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэффект зависит не только от величины механического или электрического воздействия, но и от характера и направления сил относительно кристаллографических осей кристалла.

Деформации пьезоэлектрика, возникающие вследствие пьезоэффекта, незначительны по абсолютной величине. Например, кварцевая пластина толщиной 1 мм под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на 0,23 мкм. Незначительность деформаций пьезоэлектриков объясняется их очень высокой жесткостью.

Прямой и обратный пьезоэффект линейны и описываются линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением д:

Данную зависимость называют уравнением прямого пьезоэффекта. Коэффициент пропорциональности а называется пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем). Он служит мерой пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект описывается зависимостью

где:

• г — деформация;
• Е — напряженность электрического поля.

Пьезомодуль а для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение. Пьезоэлектрические излучатели не имеют механических контактов и состоят из керамического пьезоэлемента, закрепленного на металлическом диске (рис.З).

Вибрация диска вызвана приложенным к нему напряжением. Переменное напряжение определенной частоты создает звуковой сигнал.

Пьезоэлектрические излучатели не подвержены механическому износу элементов конструкции, имеют малое энергопотребление, у них отсутствуют электрические шумы.

С помощью пьезокерамики удается получать значительную громкость звука. Отдельные образцы пьезокерамических преобразователей могут развивать звуковое давление на расстоянии 1 м до 130 дБ (уровень болевого порога).

Рис. 3. Конструкция пьезоэлектрического излучателя.

Пьезоэлектрические излучатели выпускаются в двух модификациях:

• “чистые” преобразователи (без схемы управления) — пьезозвонки;
• излучатели со схемой управления (с встроенным генератором) — оповещатели.

Чтобы преобразователи первого типа генерировали звуки, необходимы сформированные управляющие сигналы (синусоида или меандр определенной частоты, указанной для конкретной модели преобразователя).

Излучатели со встроенным генератором требуют подачи только определенного уровня напряжения. Такие устройства выпускаются на номинальные напряжения от 1 до 250 В (постоянного и переменного тока).

Рис. 4. Пьезозуммер ЗП-1.

Например, пьезокерамический звонок (пьезозуммер) ЗП-1 (рис.4) состоит из двух пьезоблоков, мембрана каждого из которых выполнена в форме неглубокой тарелки с внешним диаметром 32 мм.

Тарелки сложены встречно и пропаяны по внешней границе. Пьезоэлементы в звонке скоммутированы таким образом, что при подаче переменного напряжения поверхности тарелок либо сходятся, либо расходятся, т.е. с обеих сторон звонка образуются зоны сжатия и разрежения.

Резонансная частота звонка-2 кГц. Он создает звуковое давление 75 дБ на расстоянии 1 м при напряжении на резонансной частоте 10 В.

Табл. 1. Характеристики и размеры пьезозуммеров.

Примечание: * — предназначен для работы в автоколебательном режиме.

Рис. 5. Внешний вид пьезозвонков.

Рис. 6. Типовые амплитудно-частотные характеристики пьезозвонков: ПВА-1 и ЗП-5.

Этот звонок излучает звуковые волны одинаково в оба полупространства. В табл.1 приведены параметры других пьезозвонков, внешний вид которых показан на рис.5. На рис.6 представлены типовые амплитудно-частотные характеристики пьезозвонков: ПВА-1 — рис.ба и ЗП-5 — рис.66.

Широкое распространение получили пьезокерамические звонки с акустической камерой. Их основное преимущество- большая громкость звучания при малых габаритах.

Конструкция пьезокерамического звонка с акустической камерой проста. Это — полый цилиндр, одно основание которого — пьезоблок, другое — крышка с отверстием.

Соотношение объемавнутренней полости и размера отверстия рассчитывают так, чтобы акустический резонанс камеры и механический резонанс пьезоблока были близки по частоте. Звонок излучает звук благодаря отверстию, в котором частицы воздуха имеют большую амплитуду колебаний. Внешний вид звонков такого типа показан на рис.7.

Рис. 7. Примеры звонков.

Пьезокерамические оповещатели (пьезосирены) — это звукоизлучающие устройства, предназначенные для привлечения внимания на сравнительно большом расстоянии или в условиях шумового фона.

Они представляют собой электроакустические преобразователи с встроенными генераторами звуковой частоты и питанием от источника постоянного напряжения.

Оповещатели по сравнению со звонками должны развивать большее звуковое давление. Это достигается двумя путями. Во-первых, используются повышенные напряжения питания.

Во-вторых, принимаются конструктивные меры для увеличения излучающей поверхности.

Так, чтобы превратить в оповещатель звонок с акустической камерой, нужно снабдить его рупором. Рупор — это труба с увеличивающейся площадью поперечного сечения.

В узком начале трубы находится источник звука, а широкий конец — излучающий. В оповещателях для уменьшения габаритов используются свернутые рупоры.

На рис.8 схематично изображен разрез по вертикали оповещателя со свернутым рупором. Звуковая волна от отверстия акустической камеры радиально распространяется по лабиринту, меняя направление (вверх-вниз). С каждой сменой направления поперечное сечение становится все больше.

Рис. 8. Разрез по вертикали оповещателя со свернутым рупором.

Табл. 2. Параметры распространенных оповещателей разных производителей.

В итоге, площадь излучающего кольцевого отверстия многократно превышает площадь первоначального источника звука. Пример оповещателей с рупором — ОСА-100 и ОСА-110 (рис.9). Иной способ увеличения излучающей поверхности — использование диффузора или диафрагмы.

Рис. 9. Пример оповещателей с рупором ОСА-100 и ОСА-110.

Например так, как схематично показано на рис.10. Воронкообразный диффузор своим основанием приклеивается к центру пьезоблока в точке максимальной амплитуды колебаний.

Параметры распространенных оповещателей разных производителей приведены в табл.2, а их конструктивное исполнение — на рис.11.

Рис. 10. Способ увеличения излучающей поверхности.

Рис. 11. Конструктивное исполнение распространенных оповещателей разных производителей.

Поскольку пьезоэлектрический эффект обратим, пьезоизлучатели можно использовать в качестве тензодатчиков, т.е. элементов, преобразующих толчки, удары и другие механические воздействия на них в электрические сигналы. На основе пьезоэлектрического капсюля ЗП-1 (рис.4) можно создать простое и надежное устройство охранной сигнализации.

Я применил его для контроля “состояния” входной двери в квартире, и оно автоматически включает звуковую сигнализации при любом механическом воздействии на дверь, в том числе, при ее открывании и закрывании.

Схема устройства представлена на рис. 12. Пьезодатчик фиксируется каплей клея “Супер-момент” на дверь с внутренней стороны квартиры (рис. 13).

Рис. 12. Простое и надежное устройство охранной сигнализации.

Капсюль ЗП-1, служащий тензодатчиком, включается в разрыв шлейфа, подключенного к разъему Х2 (рис.12). Триггер Шмитта на элементе DD1 микросхемы К561ТЛ1 (зарубежный аналог — CD4093B) переключается пропорционально силе механического воздействия на ЗП-1. Эта микросхема имеет в своем составе 4 однотипных элемента с функцией 2И-НЕ и триггерами Шмитта.

Незадействованные входы остальных элементов (выводы 5, 6, 8, 9, 12 и 13), по правилам эксплуатации КМОП-микросхем, нужно соединить с общим проводом или питанием.

При механическом воздействии на пьезокапсюль, когда дверь открылась или закрылась, после стука по ней, задвигания щеколды или любого иного механического воздействия раздается акустический сигнал длительностью 1…5 с в зависимости от силы механического воздействия и положения движка резистора R1.

В исходном состоянии (после включения питания) на входах элемента DD1 за счет резисторов R1 и R2 присутствует высокий уровень (логическая “1”), на выходе — низкий (“0”).

Транзистор VТ1 закрыт, и звуковой капсюль НА1 не активен. Сотрясение, вибрация и удары влияют на капсюль ЗП-1 и преобразуются с его помощью в электрический сигнал.

Триггер Шмитта реагирует на изменение входного уровня и перебрасывается в другое состояние. Транзистор VТ1 открывается, почти все напряжение питания прикладывается к звуковому капсюлю НА1, и он громко звучит с частотой примерно 1000 Гц.

А. Кашкаров, г. С.-Петербург. РМ-07-12, 08-12.

Пьезоэлектрический эффект и его роль в современной электронике

Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что при давлении на кварц или отдельные кристаллы образуется электрический заряд. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта.

Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после приложения к материалу или кристаллу электрического поля, которое привело к механической деформации объекта.

Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова «пьезо», что обозначает сжатие. Стоит отметить, что от греческого слова «янтарь» происходит слово «электричество». Янтарь тоже может быть источником электрической энергии.

Многие современные электронные устройства используют пьезоэлектрический эффект для своей работы. Например, при использовании некоторых устройств распознавания звука микрофоны, которые они используют, работают на основе упомянутого выше эффекта. Пьезоэлектрический кристалл превращает энергию вашего голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства.

Создание некоторых продвинутых технологий тоже стало возможно благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Например, мощные гидролокаторы используют маленькие чувствительные микрофоны и керамический звуковой датчик, созданные на основе пьезоэлектрического эффекта.

 Прямой пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический материал (керамический или кристаллический) помещают между двумя металлическими пластинами. Для генерации электрического заряда необходимо приложить механическое усилие (сжать или разжать). При приложении механического усилия на металлических пластинах начинает скапливаться электрический заряд:

Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрный аккумулятор. Микрофоны, датчики давления, гидролокаторы и другие чувствительные устройства используют этот эффект для своей работы.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Выше упоминалось, что существует и обратный пьезоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет механическая деформация тела, под которой оно будет расширяться или сжиматься:

Обратный пьезоэлектрический эффект значительно помогает при разработке акустических устройств. Примером могут послужить звуковые колонки, сирены, звонки. Преимущества таких динамиков в том, что они очень тонкие, а это делает их практически незаменимыми при использовании в мелких устройствах, например, в мобильных телефонах. Также этот эффект часто используют медицинские ультразвуковые и гидроакустические датчики.

Пьезоэлектрические материалы

Данные материалы должны производить электрическую энергию из-за механических воздействий, таких как сжатие. Также эти материалы должны деформироваться при приложении к ним напряжения.

Данные материалы условно разделяют на две группы – кристаллы и керамические изделия. ЦТС (известный как цирконат-титанат свинца), титанат бария, ниобат лития – примеры искусственных пьезоэлектрических материалов, обладающих более ярко выраженным эффектом, чем кварц и другие природные материалы.

Давайте сравним искусственно полученный цирконат-титанат свинца ЦТС и природный элемент кварц. Итак, ЦТС способен вырабатывать гораздо большее напряжение при одинаковой деформации. Соответственно при обратном эффекте он склонен к большей деформации при одном и том же напряжении. Кварц – первый известный пьезоэлектрический материал.

ЦТС производится при высоких температурах с двух химических элементов – свинца и циркония, с добавлением химического соединения под названием титанат. Химическая формула ЦТС Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O₃. Он широко используется для производства ультразвуковых преобразователей, керамических конденсаторов, датчиков и других электронных устройств. Он также имеет специфический диапазон различных свойств. Впервые был изготовлен в 1952 году в Токийском технологическом институте.

Титанат бария представляет собой сегнетоэлектрический керамический материал с пьезоэлектрическими свойствами. По этой причине титанат бария использовался в качестве пьезоэлектрического материала больше, чем другие. Титанат бария был открыт в 1941 году во время Второй мировой войны и имеет химическую формулу BaTiO₃.

Ниобат лития – соединение, сочетающее в себе кислород, литий и ниобий. Имеет химическую формулу LiNbO₃. Как и титанат бария, является сегнетоэлектрическим керамическим материалом.

Пьезоэлектрические устройства

Гидролокатор

Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов. Однако интерес к нему очень сильно возрос в период Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок. В наше время гидролокатор является распространенным прибором с большим количеством различного рода применений.

На рисунке ниже показан принцип работы гидролокатора:

А принцип работы довольно прост – передатчик, который использует обратный пьезоэлектрический эффект, посылает звуковые волны в определенном направлении. При попадании волны на объект она отражается и возвращается обратно, где ее обнаруживает приемник.

Приемник, в отличии от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Он преобразует возвращаемую отраженную звуковую волну в электрический сигнал и передает его в электронную систему, которая и будет производит дальнейшую обработку сигнала. Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.

Пьезоэлектрические исполнительные устройства

Ниже показана работа силового привода на  основе пьезоэлектрического эффекта:

Работа привода довольно проста – под воздействием приложенного к материалу напряжения происходит его расширение или сужение, которое и приводит привод в движение.

Например, некоторые вязальные машины используют этот эффект для своей работы благодаря его простоте и минимальному количеству вращающихся частей. Такие приводы применяются даже в некоторых видеокамерах и мобильных телефонах в качестве приводов фокусировки.

Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры

Такие устройства используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания и воспроизведения звука. При подаче напряжения к динамикам и зуммерам он начинает вибрировать и таким образом генерирует звуковые волны.

Пьезоэлектрические динамики обычно используют в будильниках или других несложных акустических системах для создания простой аудиосистемы. Эти ограничение вызваны частотой среза данных систем.

Пьезо драйверы

Пьезо драйверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое для питания силовых пьезоэлектрических устройств. Пьезо драйверы помогают инженерам создавать большие значения синусоидального напряжения.

Ниже представлена блок схема, показывающая принцип работы пьезо драйвера:

Пьезо драйвер будет получать низкое напряжение от батареи и повышать его с помощью усилителя. Осциллятор будет подавать на вход драйвера синусоидальное напряжение малой амплитуды, которое в последующем будет повышено пьезо драйвером и отправлено на пьезо устройство.

Пьезоэффект — Энциклопедия по машиностроению XXL

Для этих целей пьезоэлектрическим преобразователем возбуждаются ультразвуковые колебания. Возбуждение их происходит в результате так называемого пьезоэффекта — электрические колебания, поданные на пластину, преобразуются в механические. Это имеет место вследствие перестройки в расположении кристаллов пластины из кварца, титаната бария и д )., оси которых под действием проходящего тока поворачиваются в металле, а в результате этого поворота изменяется и суммарная длина пластины. Эти удлинения, следующие непрерывно друг за другом, создают волну.  [c.125]










Расширенный набор независимых переменных позволяет анализировать перекрестные эффекты, возникающие при сочетании различных по своей природе процессов. В электрических и магнитных полях за счет взаимного влияния механических явлений, с одной стороны, и электрических или магнитных, с другой, возникают такие эффекты, как электрострикция, магнитострикция, пьезоэффект, магнитоупругий эффект и др. Сочетание термических и электрических (магнитных) процессов приводит к термоэлектрическим (термомагнитным) эффектам и соответствующим свойствам. Рассмотрим эти дополнительные возможности термодинамики на примере процессов магнитного охлаждения тел, лежащих в основе современных методов получения сверхнизких температур.  [c.162]

Сканирование обычно осуществляют изменением давления газа внутри интерферометра (что приводит к изменению показателя преломления среды) или геометрического расстояния между зеркалами, Последнее может быть достигнуто перемещением одного из зеркал (с помощью пьезоэффекта, термического расширения распорных колец и т.д.).  [c.251]

Возникал вопрос о познавательной сущности второго закона Ньютона. Некоторые ученые полагали, что второй закон Ньютона по существу не является физическим законом, а является лишь количественным определением силы. Но с такой точкой зрения нельзя согласиться, так как основной закон механики — второй закон Ньютона невозможно по его содержанию привести лишь к формуле, которой определяется сила. Законы Ньютона отражают объективную реальность, что, конечно, нельзя согласовать с возможностью предварительного определения силы одной из формул (И 1.5а) или (111.5b), так как с такой возможностью связывается неявное представление об известной произвольности определения , не опирающегося на эксперимент. В действительности же, как было разъяснено выше, можно найти величину силы, не обращаясь к характеристике динамических свойств тел — к количеству движения. Например, можно измерять силы деформациями упругих тел или иными средствами, основанными, например, на существовании пьезоэффектов. Итак, количественное измерение силы не зависит от количества движения материальной точки.  [c.229]

Появление поляризации в диэлектрике под действием механических напряжений называют прямым пьезоэффектом. Кроме прямого пьезоэффекта существует и обратный. Он заключается в том, что при наложении внешнего электрического поля кристалл несколько сжимается или расширяется. Пьезоэффект наблюдается во всех нецентросимметричных кристаллах. Под действием механических напряжений происходит смещение заряженных частиц и, таким образом, возникает дипольный момент. Смещение частиц в кристаллах с центром симметрии не приводит к появлению поляризованного состояния, так как в этом случае в силу наличия центра симметрии происходит электрическая компенсация моментов, образованных за счет смещения положительно и отрицательно заряженных частиц.  [c.295]

Для вторичного пироэффекта пропорциональность между АР и А7 вытекает из линейного закона теплового расширения А/= —аАТ и рассмотренного выше пьезоэффекта.  [c.297]

Магнитострикция, электрострикция и пьезоэффект. Выражения (10.22) и (10.23) для дифференциалов термодинамических потенциалов диэлектриков (и аналогичные для магнетиков) позволяют установить ряд соотношений между различными их свойствами.  [c.193]

Классы симметрии, для которых все компоненты тензора третьего ранга равны нулю, обладают общим элементом симметрии — центром симметрии. Это не случайно, а является следствием принципа Неймана. Суть этого принципа в том, что группа симметрии любого физического свойства какого-либо кристалла включает элементы симметрии класса, к которому принадлежит данный кристалл. Это условие необходимое, но недостаточное. Например, для существования пьезоэлектричества отсутствие центра симметрии обязательно. Но в кристалле без центра симметрии пьезоэффекта может и не быть.  [c.45]

Например, для класса 32 (случай кристалла кварца) есть только две независимые компоненты матрицы, описывающей пьезоэффект. Однако, как следует из матрицы (см. табл. 2.10), компонента деформацию растяжения — сжатия по оси X при приложении электрического поля по той же оси, во-вторых, деформацию растяжения — сжатия по оси У при приложении электрического поля по оси X и, в-третьих, деформацию сдвига ХК при приложении поля по оси У.  [c.45]

Помимо пьезомодуля, значение которого зависит от кристаллографического направления, для оценки пьезоэлементов применяют коэффициент электромеханической связи К, характеризующий эффективность преобразования механической энергии в электрическую и наоборот (при прямом и обратном пьезоэффекте), а также механическую добротность Qm, определяемую потерями на внутреннее трение в. материале, от значения которой существенно зависит увеличение амплитуды колебаний элемента при резонансной частоте. Работоспособность пьезоматериалов определяется также значениями г,, tg б и точкой Кюри Тс.  [c.558]

Пьезомодуль измеряется в пКл/Н (1 пКл= 10 Кл). Если направление остаточной поляризации Яо принять за ось 3, то пьезоэффект вдоль этой оси характеризуется пьезомодулем йзз при сжатии— растяжении материала вдоль оси 3, а пьезомодулем dai — при деформации в перпендикулярной плоскости.  [c.558]

Так, например, центросимметричные кристаллы не могут быть пиро- и пьезоэлектриками, поскольку для возникновения пиро- и пьезоэффекта какие-то направления в кристалле должны быть полярными, вследствие чего в кристалле не должно быть центра симметрии. И действительно, пьезо- и пироэффекты обнаруживаются только в полярных кристаллах, причем вдоль полярных осей кристалла. Например, один из пьезоэлектриков — кварц, относится к тригональной системе, в которой оси 3-го порядка неполярны, а оси 2-го порядка полярны. Пьезоэффект наблюдается вдоль осей 2 и не наблюдается вдоль осей 3.  [c.153]

Заметим, что в силу обратимости явления пьезоэффекта равенство (50.10) позволяет также определить критическую величину напряженности электрического поля, заданного на бесконечности. Действительно, если при х + вектор напряженности электрического поля равен Е = О, Е» , где = — [(с зОо/ /([c.402]

Пьезоэлектрические материалы. В приборах акустического контроля чаще всего используют контактные преобразователи, принцип работы которых основан на пьезоэлектрическом эффекте. Активный элемент такого преобразователя изготовляют из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют появление в некоторых веществах электрической поляризации под действием приложенных к ним механических напряжений или деформаций. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении механического напряжения и деформации в пьезоматериале, помещенном в электрическом поле. Обратный пьезоэффект используют для излучения, а прямой — для приема акустических колебаний.  [c.60]

Первый член в правой части этого уравнения показывает связь напряжения с деформацией, соответствующую обычным условиям распространения плоской упругой волны в материале. Второй член представляет собой механическое напряжение, вызываемое электрическим генератором Дф — разность электрических потенциалов на электродах пластины. Третий член учитывает влияние относительного изменения толщины пластины Au/h под действием пьезоэффекта. Величина  [c.64]

Импеданс преобразователя. Рассмотрим колебания свободной пластины. Демпфер и среда, в которую излучается ультразвук, отсутствуют. Если не учитывать внутренних потерь в пластине, то сопротивление Zp, обусловленное пьезоэффектом, должно быть чисто реактивным, так как энергия из пластины никуда не уходит.  [c.64]

Передаточная функция достигает максимума на частоте свободных колебаний кольца, когда d = Я, /2 = j 2fi) (с — скорость ультразвука в пьезоматериале). С этой частотой совпадает резонансная частота электрического контура. Явление вторичного пьезоэффекта учитывать не будем.  [c.166]

Пьезоэлектрические возбудители колебаний (ПЭВ) основаны на обратном пьезоэффекте. Удлинение или укорочение пьезоэлектрической пластины в направлении размера I  [c.274]

При изготовлении электромеханических преобразователей особенно ультразвуковых значительное распространение получил титанат бария. Как известно, титанат бария обладает в сегнето-электрической области при температуре от О до 120° С значительным пьезоэффектом. Точка Кюри для него находится около 120° С. Монокристаллы ВаТЮз в природе не встречаются и выращиваются искусственно по определенным методикам лишь в очень небольших размерах.  [c.313]

Кварц. Пьезоэффект слабый, но очень постоянный, почти не зависящий от влажности окружающей среды. Исчезает только при нагревании до 576°. При 1700° кварц плавится. Кристаллы очень прочные. Используются при больших ускорениях или высоких температурах.  [c.400]

Некоторые кристаллы (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.) дают пьезоэлектрический эффект под действием упругой деформации на поверхности кристалла появляются электрические заряды (прямой пьезоэффект) и наоборот, под действием электрического поля они испытывают упругие деформации — сжимаются или растягиваются в зависимости от направления поля (обратный пьезоэф( )ект). Поэтому, если пластинку, вырезанную из пьезоэлектрического кристалла, поместить между обкладками конденсатора, к которому подводится переменное электрическое напряжение, то в пластинке будут возникать переменные упругие деформации, т. е. будут происходить вынужденные механические колебания. Но сама пластинка, как и всякое упругое тело, обладает собственными частотами колебаний, зависящими от  [c.744]

Формула (10.30), как и (10.29), также относится к объемному пьезоэффекту, хотя обычно пьезоэлектрические явления наблюдаются в кристаллах в определенных кристаллографических направлениях . Пластинка, вырезанргая из пьезоэлектрического кристалла и снабженная двумя электродами, под действием внешнего электрического ноля испытывает деформацию, что вызывает в ней упругие колебания. И наоборот, механически возбужденная деформация вызывает на электродах пластинки электрические заряды.  [c.194]

Пьезоэлектрики — кристаллические диэлег.трики, не имеющие центра симметрии, в которых под действпе. м механических напряжений возникает электрическая поляризация (прямой пьезоэлектрический эффект), а под действием внешнего электрического поля — механическая деформация (обратный пьезоэлектрический эффект). Таким образом, с помощью пьезоэлектриков можно преобразовывать электрические сигналы в механические и наоборот. Между поверхностной плотностью заряда (/, образующегося при прямом пьезоэффекте на поверхности поляризованного кристалла, и механическим напряжением а существует прямо пропорциональная зависимость q = do, причем знаки зарядов на электродах пьезоэлемента зависят от направления механических напряжений (сжатие — растяжение). Механическая деформация и в такой же зависимости находится с напряженностью внешнего электрического поля Е при обратном пьезоэффекте u = dE, а характер деформации (сжатие или растяже-  [c.557]

Коэффициент d (пьезомодуль) у одного и того же диэлектрика одинаков как для прямого, так и для обратного пьезоэффекта. В качестве пьезоэлектрических применяются материалы с ярко выраженными пьезосвойствами пьезоэлектрические монокристаллы и пьезокерамика. Обычная сегнетокерамика как изотропная среда не обладает пьазосвойствами. Для придания этих свойств сегнетокерамику поляризуют выдерживают в нагретом состоянии в сг льном постоянном электрическом поле [33, 34]. В итоге векторы спонтанной поляри-зованности доменов внешним полем ориентируются, из изотропного тела керамика превращается в анизотропное, обладающее устойчивой остаточной поляризованно-стью Рй, направление которой определенд поляризующим полем. Это приводит к появлению пьезоэффекта.  [c.558]

Исследования взаимодействия упругих и температурных полей явились началом углубленного изучения и других сопряженных физических процессов и в первую очередь таких, как электроупругость и магнитоупругость. Интерес к сопряженным электроупругим процессам в сплошных средах связан с широким применением в различных областях техники устройств, работа которых основана на использовании явления пьезоэффекта. Открытый братьями Кюри пьезоэлектрический эффект состоит в том, что при деформировании некоторых анизотропных кристаллов на их поверхности появляются электрические заряды. Имеет место также и обратный пьезоэффект, который состоит в возникновении внутренних напряжений при действии электрического поля. Данное явление существенно связано с симметрией  [c.235]

Напомним, что пьезоэффект возможен только для сред, не обладающих центром -еимметрии, и, следовательно, пьезоэлектрические материалы являются существенно анизотропными. Комплекс постоянных, входящих в уравнения состояния (5.8) для среды с самой низкой симметрией (триклинная система, класс 1), состоит из 21 модуля упругости, 18 пьезоэлектрических и шести диэлектрических постоянных. Учет симметрии кристалла приводит к уменьщению количества постоянных в соотношениях (5.8). Подробный анализ зависимости свойств пьезоэлектрического кристалла от его симметрии представлен в [229].  [c.237]

Развитие электроники, электроакустики, измерительной техники привело в последние юды к интенсивному развитию новых областей физики диэлектриков. Одно из таких направлений связано с изучением линейного взаимодействия электрических, механических и тепловых нолей при ньезо- и пироэлектрическом эффекте. В настоящее время существуют различные технические устройства, в которых успешно используется явление пьезоэффекта. Пьезоэлектрические л атериалы широко применяются в дефектоскопии, в электроакустических преобразователях, в радиотехнических устройствах типа резонаторов, полосовых фильтров, ультразвуковых линий задержки и т. д. Особое внимание исследователей к таким материалам, как пьезоэлектрики, связано с явлением пьезоэффекта, обнаруженным братьями Кюри в 1880 г. Это явление состоит в том, что при деформировании кристаллов некоторых кристаллографических классов на их поверхностях появляются электрические заряды, пропорциональные величине деформации. Термодинамический анализ показывает существование обратного эффекта, который проявляется в возникновении механических напряжений в кристалле при действии электрического поля. Характерной особенностью пьезоэффекта является его связь  [c.69]

При прямом пьезоэффекте изменение поляризованностп АР, равное поверхностной плотности выступивших зарядов, пропорционально механическим нанрял[c. 158]

Пьезоматериалы. Пьезоэлектрические материалы — материалы, обладающие пьезоэффектом, используются для изготовления пьезоэлементов (пье-зопластин), служащих в акустических приборах НК для преобразования электрических колебаний в упругие и упругих колебаний в электрические.  [c.204]

Способ с раздельно-совмещенным преобразователем, В импедансном дефектоскопе с РС-пресбразователем (рис. 101) нреоГрззователь / содержит идентичные, раздельные, акустически и электрически изолированные друг от друга излучающий И и приемный П составные пьезовибраторы. Каждый вибратор состоит нз пьезоэлемента 2 в виде прямоугольного бруска с электродами на боковых сторонах (поперечный пьезоэффект) и накладок 3 и 4. Для повышения чувствительности база преобразователя уменьшена путем размещения контактных наконеч-  [c.299]

Пьезоэлектрический эффект был открыт при исследовании кристаллических материалов типа кварца, и первоначально в технике применяли кристаллические пьезопреобразователи. В на-стояш,ее время открыты различные классы пьезоматериалов, отличающиеся физическим механизмом возникновения пьезоэффекта. Согласно этой классификации кварц относят к неполярным пьезодиэлектрикам.  [c.61]

В серийно выпускаемых ультразвуковых дефектоскопах для излучения и приема ультразвука чаще всего используют пьезопластины, обладающие пьезоэлектрическим эффектом. Прямой пьезоэффект состоит в появлении электрических зарядов на обкладках пьезопластины в результате ее деформации. Обратный пьезоэффект заключается в деформации пьезопластины под действием приложенного электрического поля. Обычно используют деформации растяжения —сжатия пластины по толщине. Обратный пьезоэффект, вызывающий такую деформацию, применяют для излучения продольных волн, а прямой пьезоэффект, связанный с деформацией по толщине, —для приема этих волн. Для возбуждения и приема поперечных волн используют деформацию сдвига по толщине. В этом случае для передачи деформации от пластины к изделию используют густые смазочные материалы, так как через жидкотекучие вещества поперечные волны практически не проходят. В качестве такой передающей среды используют нетвердеющие эпоксидные смолы.  [c.133]

Коэффициент преобразования определяется соотношением между взаимосвязанными акустическими и электрическими величинами. Вследствие обратного пьезоэффекта при подаче на пьезопластину электрического напряжения она излучает упругие колебания с амплитудой Коэффициент преобразования (передаточная функция) при излучении /Си = PnlU . В режиме приема, когда на пьезоэлемент падает акустический сигнал с амплитудой ра, на обкладках пьезоэлемента возникает напряжение Un- Коэффициент преобразования на приеме Кп = UJPn-  [c.134]

В УЗ дефектоскопии в качестве источников и приемников ультразвука используют материалы, обладающие пьезоэлектрическим эффектом, который заключается в появлении электрического заряда на гранях кристалла материала при приложении механического напряжения (прямой пьезоэффект). При воздействии механических колебаний на пластину из пьезоматериала (пьезопластину) между ее поверхностями возникает переменная электродвижущая сила. Существует и обратный пьезоэффект, заключающийся в деформации (изменении размеров) пластины под действием электрического поля. Характер деформации определяется полярностью приложенного напряжения если напряжение переменное, то размеры пластины изменйются с частотой приложенного поля. Таким образом, с помощью пьезопластины можно преобразовывать УЗ колебания в электрические и наоборот. Впервые пьезоэлектрические свойства были обнаружены у горного хрусталя — одной из разновидностей кварца.  [c.23]

В последнее время для изготовления пьезопреобразователей широко использовали пьезопластины из титаната бария — материала, получаемого искусственно, его пьезоэффект в 50 раз больше, чем у кварца. К недостаткам титаната бария следует отнести большие механические и диэлектрические потери, что приводит к его перегреву при работе при температуре 90° С пьезоэлектрические свойства значительно снижаются, а при 120° С (точка Кюри) исчезают. Широко используют и другую керамику — смесь циркония с титанатом свинца (ЦТС), у которой пьезоэффект вдвое выше, чем у титаната бария, и сохраняется до температуры 320° С. Толщину d пьезопластины в УЗ преобразователе для обеспечения резонансного режима и максимальной мощности излучения выбирают такой, чтобы собственная частота /о пластины соответствовала частоте УЗ колебаний = Х/2.  [c.23]

Одной из важных и интереснейших областей применения достижений физики в радиотехнике 20—30-х годов было использование пьезоэффекта. Кварц, турмалин и некоторые другие кристаллы получили в эти годы широкое распространение для стабилизации и эталонирования частоты электрических колебаний и для ультраакустики. В области теории и практики применения кварца для стабилизации частот в радиотехнике известны работы Д. А. Рожанского, М. С. Неймана, Ю. Б. Кобзарева и др.  [c.319]

Работа прибора основана на пьезоэффекте от действия на ньеэоэлемент возникающих при колебаниях объекта сил (4 и б — выводы, 2 — места склейки).  [c.657]

В вибрризмерительных приборах используются различные материалы, обладающие пьезоэффектом. Наибольшее применение имеют следующие материалы.  [c.400]

Сегнетова соль. Пьезоэффект в сотни раз сильнее, чем у кварца. При температуре —18 и 24° происходят резкие изменения силы эффекта. При 45° эффект пропадает, и при 55° сегнетова соль плавится. Кроме того, она гигроскопичная и выветривается. Вибродатчики из сегнетовой соли применяются главным образом в качестве Ндикаторов и сигнализаторов.  [c.400]

Дигидрофосфат аммония. Пьезоэффект слабее, чем у сегнетовой соли, но значительно устойчивее. При температуре 100° кристаллы начинают разрушаться (выделяется аммиак). Небольшая диэлектрическая постоянная создает очень малую емкость пьезодатчиков, поэтому, чтобы избежать шунтирующего действия емкости проводов, требуется высокое качество изоляции выводов и подводящие провода следует делать возможно короче. Несмотря на эти недостатки, некоторые иностранные фирмы продолжают выпускать вибродатчики с пьезоэлементами из дигпдрофосфата аммония.  [c.400]

Пьезоэлектрический эффект — Справочник химика 21

    Некоторые кристаллы способны непосредственно превращать механическую или тепловую энергию в электрическую. Такое свойство присуще кристаллам-диэлектрикам, в которых имеются полярные направления. Так, при сжатии кристалла кварца в направлении, перпендикулярном к з, на его ребрах,, там где выходят /-2. возникают электрические заряды. Один конец Ьг приобретает положительный заряд, второй — отрицательный, так что эта ось является полярной. При растяжении заряды на ее концах меняются знаками. Это явление получило название пьезоэлектричество. Пьезоэлектрический эффект обратимый если менять электрические заряды на полярной оси 2, то кристалл кварца будет увеличиваться и уменьшаться в объеме. Специально вырезанная пластинка из него под влиянием электрических зарядов будет возбуждаться и колебаться, как струна, являясь одним из самых устойчивых резонаторов. Период колебания пластинки зависит от ее свойств (качества материала, размеров, направления среза), но не зависит от периода колебания возбудителя. Возникшие при механических колебаниях на пластинке электрические заряды можно снять. Все это широко используется в конструкциях ультразвуковых генераторов и стабилизаторов частот. [c.121]








    В ультразвуковых дефектоскопах используются пьезоэлектрические эффекты некоторых кристаллов, например кварца и титаната бария, выражающиеся в том, что под действием механических колебаний (в данном случае — колебаний ультразвуковой волны) на обкладках кристаллической пластинки появляется переменное электрическое напряжение (электрические заряды переменного [c.39]

    Электрический момент ряда кристаллов возникает при приложении к ним механического напряжения. Это явление, открытое братьями Кюри в 1880 г., называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Если же к таким кристаллам приложить электрическое поле, то они деформируются — обратный пьезоэлектрический эффект, для которого [c.38]

    Пьезоэлектрические излучатели. Принцип действия их основан на явлении изменения размеров некоторых криста.л.лов в электрическом поле, получившем название обратного пьезоэлектрического эффекта. Широкое распространение получили излучатели на основе синтетической керамики титаната бария и цирконат-титаната свинца (ЦТС). Важным преимуш еством этих материалов является возможность изготовления излучателей плоской, цилиндрической или сферической формы. Недостатком являются большие механические и [c.222]

    Пьезоэлектрик — диэлектрик, обладающий пьезоэлектрическим эффектом. [c.399]

    Пьезоэлектрические материалы при деформировании электрически поляризуются (прямой пьезоэлектрический эффект, или эффект Кюри), и на электродах, нанесенных на поверхность пьезоэлектрика, возникает пьезоэлектрический заряд. Приложение электрического напряжения к электродам вызывает их механическую деформацию (эффект Джоуля, или обратный пьезоэлектрический эффект). Пьезоэлектрическими свойствами обладают очень многие (почти все) кристаллические диэлектрики, однако у большинства из них пьезоэффект мал. Многие из пьезоэлектриков не нашли широкого применения из-за неудовлетворительных физико-механических свойств. В настоящее время созданы синтетические материалы, обладающие хорошими пьезоэлектри -ческими и механическими свойствами, которые вместе с естественным пьезо-электриком — кристаллическим кварцем — широко используют в акустике. Основные преимущества пьезоэлектрических преобразователей — высокая эффективность преобразования и простота крнструкции. Для описания свойств пьезоэлектрических материалов используют тензорные представления теории электроупругости. [c.90]

    Пьезоэлектрический эффект (см. гл. V) широко используется в науке и технике [2]. Не останавливаясь на известных примерах применения этого эффекта, рассмотрим некоторые перспективные направления его использования. [c.509]

    Кварц и кварцевое стекло. Кристаллы кварца бывают природные, а в настоящее время их готовят искусственно, причем качество кристаллов, полученных в промышленных условиях, выше, так как они более однородны. Кристаллы кварца вращают плоскость поляризации вправо или влево в зависимости от расположения тетраэдров [ЗЮц]» , образующих зеркальную симметрию (правый и левый кварцы). Кристалл кварца — шестигранная призма, завершенная двумя пирамидами, с рядом дополнительных граней. Оптическая ось 2 является главной осью симметрии. Оси х и у, перпендикулярные оси I и показанные в сечении на рис. 196, формируют пьезоэлектрический эффект, так как кварц является сегнетоэлектриком. Специальным образом вырезанные из кристалла пластинки позволяют преобразовывать механические напряжения в электрические и наоборот. Поэтому кварц является весьма ценным материалом (пьезодатчики, генераторы ультразвуковых колебаний, стабилизаторы частоты и т. д.). [c.419]

    ВИИ на пластину сжимающей или растягивающей силы в направлениях X или у, перпендикулярных оптической оси г (например, на поверхностях АА к ВВ, рис. до, при действии силы вдоль или /1), оптическая ось 2 проходит перпендикулярно плоскости рисунка (рис. 90) и параллельно ребрам гексагональной призмы кристаллов горного хрусталя, обычно увенчанных шестигранными пирамидами. Это явление было открыто братьями Кюри в 1880 г. При обратном пьезоэлектрическом эффекте изменяются размеры диэлектрика в зависимости от величины и направления приложенного электрического [c.294]

    Поляризация диэлектриков в отсутствии внешнего электрического поля наблюдается у ряда твердых диэлектриков и объясняется особенностями их структуры, в пьезо-электриках поляризация возникает при определенной деформации кристалла, причем имеет место линейная связь между и соответствующими компонентами тензора напряжений или деформаций) кристалла в соответствующих направлениях. Пьезоэлектрический эффект обратим — при наложении электрического поля в пьезоэлектриках возникают деформации, пропорциональные э. [c.418]

    Дитионаты рубидия и цезия обладают очень четким пьезоэлектрическим эффектом. [c.118]

    Здесь можно кратко пояснить пьезоэлектрический эффект [c. 138]

    Жак и Пьер Кюри в 1880—1881 гг. обнаружили обратимый пьезоэлектрический эффект [281, 282], что позволило-использовать кварц как преобразователь электрических колебаний в звуковые  [c.16]

    Ранее рассматривалось распространение и поведение ультразвуковых волн в различных веществах, причем об их возбуждении говорилось не больше того, что они возникают в веществе при контакте его поверхности с поверхностью излучателя, который создает волны желаемой формы и частоты. Предполагалось, что они обнаруживаются микрофоном, который тоже имеет контактную поверхность с веществом и позволяет измерить звуковое давление падающей на него волны. Оба эти устройства в технике ультразвукового контроля называют искателем, более конкретно излучающим или приемным искателем. Теперь следует рассмотреть принцип их действия, который почти во всех случаях без исключения основывается на пьезоэлектрическом эффекте. Другие способы возбуждения ультразвука будут описаны в главе 8.  [c.138]

    Следовательно, прямой пьезоэлектрический эффект позволяет получить приемник ультразвука. Обратный пьезоэффект [c.140]

    Поляризованные полярные полимерные материалы обладают пьезоэлектрическим эффектом вследствие наличия остаточной [c.38]

    Наряду с рассматривавшейся выше пьезоэлектрической керамикой, которая обнаруживает макроскопический пьезоэлектрический эффект только после процесса поляризации, имеется также ряд монокристаллических веществ, которые являются пьезоэлектрическими в связи с особенностями своей внутренней структуры. Нижеследующие соображения, относящиеся к пьезоэлектрическим константам, характеризующим материал, распространяются и на все пьезоэлектрические вещества. Так как эти вещества используются для контроля материалов, главным образом, в форме пластин для возбуждения акустических колебаний и служат для их преобразования в электрические сигналы, их сокращенно именуют излучателями или преобразователями.  [c.143]

    Кроме пьезоэлектрического имеются и другие физические эффекты, пригодные для получения или приема ультразвуковых волн. Хотя многие из ннх дают более слабые сигналы, чем пьезоэлектрический эффект, но с другой стороны они имеют ряд преимуществ, так что в специальных случаях их применение для контроля вполне рационально. [c.166]

    Возможно также применение и в медицине. Однако чувствительность получается примерно на 50 дБ ниже, чем при обычной эхо-импульсной технике (основанной на пьезоэлектрическом эффекте). Поэтому вероятны только специальные применения [628]. [c.298]

    Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) — устройство, предназначенное для преобразования электрической (акустической) энергии в акустическую (электрическую). Принцип работы преобразователя основан на использовании пьезоэлектрического эффекта. [c.217]

    Для измерения давлений особенно удобен кварц, обладающий высокими механическими и электрическими свойствами. Пьезоэлектрический эффект кварца сохраняет прямую пропорциональность между величиной силы и электрического заряда в интервале температур от О до 500° и выражается следующим соотношением  [c.314]

    В пьезоэлектрических излучателях, так же как и в магнитострикционных, электрические колебания высокой частоты, вырабатываемые ламповыми генераторами, преобразуются вибраторами в интенсивные механические колебания за счет использования пьезоэлектрического эффекта. [c.123]

    Сжатие электролитов легко попять как проявление электрострикции. Так нагывается наблюдаемое на опыте сжатие диэлектриков в электрическом поле. Это явление противоположно пьезоэлектрическому эффекту. Очевидно, сжатие растворителя особенно велико вблизи поверхности иона, где электри-ческо ) поле достигает огромных величии, сжатие убывает в участках растворителя, более удаленных от иона, Используя теорию электрострикции, можно рассчитать распределение эффективного дополнительного давления вокруг иоиа этим давлением можно заменить электростатические силы так, чтобы возни сжатие растворителя. Это давление на расстояниях от центра иона, лежащих между 0,8 и 12 А, изменяется от 5-10 до 0,5 бар (1 ба з= 10 н/л4 яс1 атм). Расчет сжатия под этими давлениями с учетом поляризации дает велич11Ны одного порядка с опытными. [c.419]

    Звукохимические реакции протекают под воздействием высокочастотных ультразвуковых колебаний, генерируемых пьезоэлектрическими излучателями, действие которых основано иа обратном пьезоэлектрическом эффекте — возникновении ультразвуковых колебаний в пьезокристаллическом материале в электрическом поле. Ультразвуковые колебания генерируются пьезокварцевой пли пьезокерамической пластиной, возбуждаемой от высокочастотного генератора на резонансной частоте. [c.102]

    В последнее время все большее применение находят самоочищающиеся плиты, не только электрические, но и газовые, на внутренние поверхности стенок которых наносится слой катализатора, способствующего окислению жира и сажи. Наряду с электрическими запально-защитными устройствами и терморегуляторами могут применяться запальные устройства, которые питаются от батареи или при работе которых используется пьезоэлектрический эффект. В последнем случае при открытии крана на плите под давлением потока газа пьезокристалл воспроизводит искру. Возможно применение запальных устройств, в которых осуществляется самогенерация электрического тока в специальном нагреваемом пилотной горелкой термоэлементе, воздействующем на соленоид [c.198]

    Первый метод основан на пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что кристаллы некоторых веществ при внесении их в электрическое поле иапытывают механическую деформацию и становятся источниками ультразвука. [c.165]

    В ЭАП для акустических методов контроля чаще всего используют пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектричество (от греч. piezo — давлю)—возникновение электрической поляризации некоторых диэлектриков при их механической деформации. Соответствующие преобразователи называют пьезоэлектрическими (ПЭП). Чувствительный элемент из пьезоматериала (пьезоэлемент) обычно имеет форму пластины. На противоположные ее поверхности наносят металлические (серебряные, медные) электроды. Значительно реже применяют пьезоэлементы другой формы 13], поэтому здесь они не рассматриваются. [c.57]

    Электрическое оборудование ультразвуковых установок. Излучатели ультразвуковых колебаний выполняются на основе либо магнитострикционных, либо пьезоэлектрических эффектов. На рис. 9.9 показана схема маг-нитострикционного преобразователя. Сердечник вибратора 4 под действием высокочастотного электромагнит-но о поля, создаваемого обмоткой 5, сокращается, когда налряженность магнитного поля достигает максимума, и удлиняется, когда она уменьшается, создавая вибрации с удвоенной частотой по сравнению с частотой генератора 1. Эта вибрация через концентратор и инструмент передается обрабатываемому изделию в виде ударов с частотой 20—40 тыс. в секунду. Так как в суспензии, подаваемой под инструмент по трубке 9, имеется мно-же тво зерен абразива, то суммарное их действие весьма эффективно. Например, в стекле сверление круглого отверстия диаметром 12 мм происходит со скоростью 0,2 мм/с. Концентратор усиливает амплитуду упругих колебаний во столько раз, во сколько его верхнее сечение больше нижнего. [c.376]

    Пьезоматериалы и их характеристики. Пьезоэлектрический эффект был открыт на кристаллических материалах типа кварца, и первоначально в технике применяли кристаллические пьезопреобразователи. Пьезопластина кварца Х-среза (вырезанная перпендикулярно оптической оси X) колеблется по толщине, а У-среза совершает сдвиговые колебания. В настоящее время открыты различные классы пьезоматериалов, отличающиеся физическим механизмом возникновения пьезоэффекта. Согласно современной классификации кварц относят к неполярным пьезодиэлектрикам. [c.59]

    Если кристалл сегнетоэлектрика подвергнуть сжатию или растяжению, то на его противоположных поверхностях возникают электрические заряды разных знаков (т. н. прямой пьезоэлектрический эффект). Наоборот, наложение на сегнетоэлек-трик электрического поля вызывает некоторое изменение его размеров (т. н. обратный пьезоэлектрический эффект). Оба эти эффекта обусловлены смещением друг относительно друга пространственных решеток катионов и анионов данного вещества. Сег-нетоЭлектрики находят разнообразное использование в электроте.хнике. [c.564]

    Кварц — пьезоэлектрик (от греч. piezo — давление), в котором очень ярко проявляется пьезоэлектрический эффект. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называется появление противоположных электрических зарядов на поверхности пластин, вырезанных из кристаллов перпендикулярно электрическим осям х (рис. 90). При дейст- [c.293]

    Кварц — пьезоэлектрик (от греч. piezo — давление), в котором очень ярко проявляется пьезоэлектрический эффект. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называется появление противоположных электрических зарядов на поверхности пластин, вырезанных нз кристаллов иер-пендикулярно электрическим осям х (рнс. 90), при действии на пластину сжимающей или растягивающей силы в направлениях х или у, перпендикулярных оптической оси 2 (например, на поверхностях АА и ВВ при действии силы вдоль х 2 или yi). Оптическая ось 2 проходит перпендикулярно плоскости рисунка и параллельно ребрам гексагональной призмы кристаллов горного хрусталя, обычно увенчанных шестигранными пирамидами. Это явление было открыто братьями Кюри в 1880 г. При об- [c.365]

    Пьезоэффект. Пьезоэлектрический эффект заключается в том что при сжатии и растяжении некоторых кристаллов в определенных направлениях на их поверхностях возникают электрические заряды. Пьезоэффект обратим — если приложить к этим поверхностям электрическое напряжение, то кристалл соответственно растянется или сожмется. Таким образом, механические колебания преобразуются в переменное электрическое напряжение (пьезоприемник — прямой пьезоэффект), а переменное электрическое напряжение преобразуется в механические колебания (пьезоизлучатель — обратный пьезоэффект). [c.21]

    Сахароза — диамагнит, ей присущ пьезоэлектрический эффект. Удельная магнитная восприимчивость сахарозы 0,57. Она мало гигроскопична, но при относительной влажности воздуха 90 % увлажняется. С увеличением содержания глюкозы и фруктозы гигроскопичность увеличивается. [c.39]

    Точка Кюри у обоих дигидроортофосфатов заметно понижается в присутствии ряда примесей (щелочные металлы, таллий, барий и др.). В последние годы было проведено большое число исследований сегнетоэлектрических свойств дигпдроортофосфатов калия, рубидия и цезия в связи с возможным их использованием при изготовлении небольших конденсаторов высокой мощности. Дигидроортофосфаты рубидия и цезия можно применять также в качестве пьезоэлектрических материалов, в которых электрический ток или полярность возбуждается давлением [318]. По механическим и пьезоэлектрическим свойствам дигидроортофосфаты находятся между кварцем и тартратом калия—натрия. По сравнению с кварцем их пьезоэлектрический эффект примерно в семь раз больше в отличие от тартратов они более устойчивы по отношению к влаге. Не менее важным представляется использование дигидроортофосфатов рубидия и цезия в качестве электрооптиче-ских модуляторов. Если требуется осуществить быстрый поворот пучка световых лучей под действием электрического тока, то кристаллы дигидроортофосфатов следует предпочесть обычной ячейке Керра. [c.129]

    К свойствам минералов, определяющим их электрический заряд, а следовательно, и разделение, относятся электропроводность, диэлектрическая проницаемость, электризация трением (трибоадгезионный эффект), контактный потенциал и пироэлектрический эффект. Кроме того, существуют пьезоэлектрический эффект и униполярная (детекторная) проводимость кристаллов, которые пока не используются в процессах обогащения. [c.22]

    В пьезоэлектрических кристаллах поляризация и электрический заряд противоположных граней возникают под действием приложенного механического напряжения. Как и в случае сег-ието-и пироэлектриков, для возникновения пьезоэлектрических свойств, необходимо, чтобы кристалл относился к одной из нецентросимметричных точечных групп. Появление пьезоэлектрического эффекта определяется кро. ме кристаллической структуры материала еще и направлением приложенного напряжения. Так. например, в кварце поляризация возникает ири сжатии вдоль направления [ЮО] и отсутствует, если механическое напряжение направлено в.толь [001]. Возникающая поля-ри.аация Р и напряжение о связаны сооиюшением [c.122]

    Масс-чувствительные. Этот тип сенсоров основан на использовании пьезоэлеетрического эффекта. Сюда включают такие устройства, как поверхностные акустоволно-вые сенсоры (ПАВ-сенсоры), основанные на использовании пьезоэлектрического эффекта и особенно полезные в качестве газовых сенсоров. [c.710]

    Пьезоэлектрический эффект — явление поляризации диэлектрика под воздействием механических напряжений (прямой пьезоэффект) или явление деформации диэлетрика под воздействием электрического поля, линейно зависящей от напряженности этого поля (обратный пьезоэффект). [c.399]

    Пьезоэлектрические датчики основаны на принципе пьезоэлектрического эффекта, который заключается в том, что на некоторых кристаллах (кварц, турмалин, сегнетовая соль, титанат бария и др. ) возникают электрические заряды при сжатии или растяжении. При этом получают так называемый прямой пьезоэффект в отличие от обратного пьезоэффекта, вызываемого изменением размеров кристалла под влиянием приложенного заряда. [c.84]

Прямой пьезоэлектрический эффект — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Прямой пьезоэлектрический эффект

Cтраница 1

Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в образовании электрического тока при сдавливании некоторых материалов, например, кристаллов кварца; обратный — в изменении геометрических размеров, например толщины данных пьезоматериалов, при подаче на них электрического напряжения. Если напряжение знакопеременное, пьезоматериал колеблется в такт его частоты.
 [1]

Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при сжатии и растяжении кварцевой пластины или пластины из искусственного кристалла на ее гранях возникают электрические заряды.
 [3]

Прямой пьезоэлектрический эффект используют в приемниках ультразвуковых колебаний, где механические колебания преобразуются в переменный электрический ток. Пьезоэлектрический приемник и излучатель могут быть представлены в виде одного прибора, который может поочередно излучать и принимать ультразвуковые колебания.
 [4]

Прямой пьезоэлектрический эффект, который используется в преобразователях, заключается в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллических диэлектриков ( кварц, титанит бария) под воздействием механических напряжений или деформаций.
 [6]

Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых диэлектриков и электрической поляризации внутри них под влиянием механических напряжений или деформаций. При исчезновении напряжений диэлектрик снова приходит в ненаэлектризованное состояние.
 [7]

Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллических диэлектриков и электрической поляризации внутри них под влиянием механических напряжений или деформаций. При исчезновении напряжений диэлектрик снова приходит в ненаэлектризованное состояние.
 [8]

Прямой пьезоэлектрический эффект состоит в возникновении электрических зарядов на гранях пьезокристаллов при их деформации. Обратный пьезоэффект заключается в изменении размеров кристаллов под действием электрического поля.
 [9]

Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в образовании электрического тока при сдавливании некоторых материалов, например, кристаллов кварца; обратный — в изменении геометрических размеров, например толщины данных пьезоматериалов, при подаче на них электрического напряжения. Если напряжение знакопеременное, пьезоматериал колеблется в такт его частоты.
 [10]

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют эффект образования электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и электрическую поляризацию внутри него, которые происходят в результате механического напряжения.
 [12]

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют эффект образования электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и электрическую поляризацию внутри него, которые происходят в результате механического напряжения.
 [14]

Явление прямого пьезоэлектрического эффекта используется в пьезоэлектрических адаптерах, а обратного — в пьезоэлектрических телефонах и громкоговорителях. Пьезоэлектрические резонаторы широко используются для стабилизации частоты генераторов и при изготовлении высокостабильных электрических фильтров.
 [15]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4

   5

Пьезоэлектрический эффект и его модуль.

	Навигация по справочнику TehTab.ru:  главная страница  / / Техническая информация / / Физический справочник / / Электрические и магнитные величины / / Понятия и формулы для электричества и магнетизма. / / Электростатика.  / / Пьезоэлектрический эффект и его модуль. Пьезоэлектрический эффект и его модуль. При механической деформации некоторых кристаллов в определенных направлениях на их поверхностях образуются электрические заряды противоположных знаков, а в самих кристаллах возникает электрическое поле. При изменении направления деформации изменяются и знаки зарядов. Это явление называют пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрический эффект обратим, т.е. при помещении кристалла в электрическое поле он будет изменять свои линейные размеры. Обратный пьезоэффект используется для получения ультразвуков. Величина заряда, возникающего при пьезоэлектрическом эффекте, определяется соотношением q = d11Fx где Fx — величина силы, вызвавшей деформацию d11 — постоянный для данного кристалла коэффициент, называемый пьезоэлектрическим модулем.
Нашли ошибку? Есть дополнения? Напишите нам об этом, указав ссылку на страницу.
TehTab.ru Реклама, сотрудничество: [email protected]	Обращаем ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер. Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Все риски за использование информаци с сайта посетители берут на себя. Проект TehTab.ru является некоммерческим, не поддерживается никакими политическими партиями и иностранными организациями.

Пьезоэлектрический эффект — Пьезоэлектрические двигатели и системы движения

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектрический эффект — это способность определенных материалов генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Слово «пьезоэлектрический» происходит от греческого слова piezein, что означает «сжимать или давить», и «пьезо», что по-гречески означает «толкать».

Одной из уникальных характеристик пьезоэлектрического эффекта является то, что он обратим, что означает, что материалы, демонстрирующие прямой пьезоэлектрический эффект (генерирование электричества при приложении напряжения), также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект (создание напряжения при воздействии электрического поля). применяемый).

Когда пьезоэлектрический материал подвергается механическому воздействию, происходит смещение центров положительного и отрицательного заряда в материале, что затем приводит к возникновению внешнего электрического поля. При изменении направления внешнее электрическое поле либо растягивает, либо сжимает пьезоэлектрический материал.

Пьезоэлектрический эффект очень полезен во многих приложениях, которые включают в себя создание и обнаружение звука, генерацию высокого напряжения, генерацию электронной частоты, микровесы и сверхтонкую фокусировку оптических сборок.Это также основа ряда научных инструментальных методов с атомным разрешением, таких как сканирующие зондовые микроскопы (СТМ, АСМ и т. Д.). Пьезоэлектрический эффект также находит свое применение в более приземленных применениях, например, в качестве источника зажигания для зажигалок.

История пьезоэффекта

Прямой пьезоэлектрический эффект был впервые обнаружен в 1880 году и был инициирован братьями Пьером и Жаком Кюри. Объединив свои знания о пироэлектричестве с пониманием кристаллических структур и поведения, братья Кюри продемонстрировали первый пьезоэлектрический эффект, используя кристаллы турмалина, кварца, топаза, тростникового сахара и соли Рошель.Их первоначальная демонстрация показала, что кварц и соль Рошеля проявляли наибольшую пьезоэлектрическую способность в то время.

В течение следующих нескольких десятилетий пьезоэлектричество оставалось в лаборатории, над чем нужно было экспериментировать, поскольку были предприняты дополнительные работы по исследованию огромного потенциала пьезоэлектрического эффекта. Начало Первой мировой войны ознаменовало появление первого практического применения пьезоэлектрических устройств — гидролокатора. Это первоначальное использование пьезоэлектричества в гидролокаторах вызвало большой международный интерес к пьезоэлектрическим устройствам.В течение следующих нескольких десятилетий были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые применения для этих материалов.

Во время Второй мировой войны исследовательские группы в США, России и Японии открыли новый класс искусственных материалов, названных сегнетоэлектриками, пьезоэлектрические постоянные которых во много раз выше, чем у природных пьезоэлектрических материалов. Хотя кристаллы кварца были первым коммерчески используемым пьезоэлектрическим материалом и до сих пор используются в приложениях для обнаружения сонаров, ученые продолжали искать материалы с более высокими характеристиками.Эти интенсивные исследования привели к разработке титаната бария и титаната цирконата свинца, двух материалов, которые обладали очень специфическими свойствами, подходящими для конкретных применений.

Пьезоэлектрические материалы

Существует множество материалов, как природных, так и искусственных, которые проявляют ряд пьезоэлектрических эффектов. Некоторые природные пьезоэлектрические материалы включают берлинит (структурно идентичный кварцу), тростниковый сахар, кварц, соль Рошеля, топаз, турмалин и кость (сухая кость проявляет некоторые пьезоэлектрические свойства из-за кристаллов апатита, и обычно считается, что пьезоэлектрический эффект действует как датчик биологической силы). Примером искусственных пьезоэлектрических материалов являются титанат бария и титанат цирконата свинца.

В последние годы из-за растущей обеспокоенности окружающей среды токсичностью свинцовых устройств и директивы RoHS, принятой в Европейском Союзе, возникла тенденция к разработке пьезоэлектрических материалов, не содержащих свинец. На сегодняшний день эта инициатива по разработке новых пьезоэлектрических материалов, не содержащих свинец, привела к появлению множества новых пьезоэлектрических материалов, которые более безопасны для окружающей среды.

Приложения, наиболее подходящие для пьезоэлектрического эффекта

Из-за внутренних характеристик пьезоэлектрических материалов существует множество приложений
, которые выигрывают от их использования:

Источники высокого напряжения и энергии

Примером применения в этой области является электрическая прикуриватель, где нажатие кнопки заставляет подпружиненный молоток ударять по пьезоэлектрическому кристаллу, тем самым создавая достаточно высокое напряжение, чтобы электрический ток протекал через небольшой искровой промежуток, нагревая и зажигая газ. Большинство типов газовых горелок и плит имеют встроенные пьезоэлектрические системы впрыска.

Датчики

Принцип действия пьезоэлектрического датчика заключается в том, что физический размер, преобразованный в силу, действует на две противоположные поверхности чувствительного элемента. Обнаружение изменений давления в форме звука — наиболее распространенное приложение датчика, которое можно увидеть в пьезоэлектрических микрофонах и пьезоэлектрических датчиках для гитар с электрическим усилителем. В частности, пьезоэлектрические датчики используются с высокочастотным звуком в ультразвуковых преобразователях для медицинской визуализации и промышленного неразрушающего контроля.

Пьезоэлектрические двигатели

Поскольку очень высокие напряжения соответствуют лишь крошечным изменениям ширины кристалла, этой шириной кристалла можно управлять с точностью выше микрометра, что делает пьезокристаллы важным инструментом для позиционирования объектов с чрезвычайной точностью, что делает их идеальными для использования в двигатели, такие как различные серии двигателей, предлагаемые Nanomotion.

Что касается пьезоэлектрических двигателей, пьезоэлектрический элемент получает электрический импульс, а затем прикладывает направленную силу к противоположной керамической пластине, заставляя ее двигаться в желаемом направлении.Движение возникает, когда пьезоэлектрический элемент движется против статической платформы (например, керамических полос).

Характеристики пьезоэлектрических материалов обеспечили совершенную технологию, на основе которой Nanomotion разработала различные линейки уникальных пьезоэлектрических двигателей. Используя запатентованную пьезоэлектрическую технологию, Nanomotion разработала различные серии двигателей, размер которых варьируется от одноэлементного (обеспечивающего усилие 0,4 кг) до восьмиэлементного двигателя (обеспечивающего силу 3,2 кг). Двигатели Nanomotion могут приводить в движение как линейные, так и вращательные ступени, имеют широкий динамический диапазон скоростей от нескольких микрон в секунду до 250 мм / с и могут легко устанавливаться на традиционные ступени с низким коэффициентом трения или другие устройства. Рабочие характеристики двигателей Nanomotion обеспечивают внутреннее торможение и способность устранять дрожание сервопривода в статическом положении.

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектричество было открыто двумя братьями французских ученых, Жаком и Пьером Кюри, в 1880 году. Они узнали о пьезоэлектричестве после того, как впервые осознали, что давление, приложенное к кварцу или даже некоторым определенным кристаллам, создает электрический заряд в этом определенном материале. ¹ Позже они назвали это странное и научное явление пьезоэлектрическим эффектом.

Братья Кюри вскоре открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после того, как они подтвердили, что когда электрическое поле было приложено к выводам кристалла, это привело к деформации или беспорядку к выводам кристалла, что теперь называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Термин «пьезоэлектричество» происходит от греческого слова «пьезо», означающего «сжимать». Интересно, что электрический в переводе с греческого означает янтарь. Янтарь также оказался источником электрического заряда. ²

Многие электронные устройства сегодня используют пьезоэлектричество.Например, когда вы используете какое-то программное обеспечение для распознавания голоса или даже Siri на своем смартфоне, микрофон, в который вы говорите, вероятно, использует пьезоэлектричество. Этот пьезокристалл преобразует звуковую энергию в вашем голосе в электрические сигналы, которые компьютер или телефон интерпретируют. ³ Все это становится возможным с пьезоэлектричеством.

Создание различных более совершенных технологий можно проследить до открытия пьезоэлектричества. Например, мощные небольшие чувствительные микрофоны гидроакустического буйка и керамический преобразователь звукового тона стали возможными благодаря пьезоэлектричеству.Сегодня мы наблюдаем развитие все большего количества пьезоэлектрических материалов и устройств.

Прямой пьезоэлектрический эффект

Как уже говорилось, при сжатии пьезоэлектрического материала образуется электричество (пьезоэлектричество). Рисунок 1 поясняет концепцию.

1. Пьезоэлектрический эффект возникает при сжатии пьезоэлектрического материала.

Пьезокерамический материал — непроводящая пьезоэлектрическая керамика или кристалл — помещается между двумя металлическими пластинами.Чтобы создать пьезоэлектричество, этот материал необходимо сжать или сжать. Механическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому керамическому материалу, генерирует электричество.

Как показано на рис. 1, на материале имеется потенциал напряжения. Две металлические пластины окружают пьезокристалл. Металлические пластины собирают заряды, которые создают / вырабатывают напряжение (символ молнии), то есть пьезоэлектричество. Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрная батарея, поскольку производит электричество.Это прямой пьезоэлектрический эффект. К устройствам, использующим прямой пьезоэлектрический эффект, относятся микрофоны, датчики давления, гидрофоны и многие другие типы датчиков.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект можно обратить, это называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Это создается путем приложения электрического напряжения, заставляющего пьезоэлектрический кристалл сжиматься или расширяться (рис. 2) . Обратный пьезоэлектрический эффект преобразует электрическую энергию в механическую.

2. Инверсия пьезоэлектрического эффекта, называемая обратным пьезоэлектрическим эффектом, возникает при приложении напряжения для сжатия или расширения пьезоэлектрического кристалла.

Использование обратного пьезоэлектрического эффекта может помочь в разработке устройств, генерирующих и производящих акустические звуковые волны. Примерами пьезоэлектрических акустических устройств являются динамики (обычно встречающиеся в портативных устройствах) или зуммеры. Преимущество таких динамиков в том, что они очень тонкие, что делает их полезными в различных телефонах.Даже в медицинских датчиках ультразвука и сонарах используется обратный пьезоэлектрический эффект. Неакустические обратные пьезоэлектрические устройства включают двигатели и исполнительные механизмы.

Пьезоэлектрические материалы

Пьезоэлектрические материалы — это материалы, которые могут вырабатывать электричество из-за механического напряжения, например сжатия. Эти материалы также могут деформироваться при приложении напряжения (электричества).

Все пьезоэлектрические материалы непроводящие, чтобы пьезоэлектрический эффект возник и работал.Их можно разделить на две группы: кристаллы и керамики. ⁴

Некоторыми примерами пьезоэлектрических материалов являются PZT (также известный как титанат цирконата свинца), титанат бария и ниобат лития. Эти искусственные материалы имеют более выраженный эффект (лучший материал для использования), чем кварц и другие природные пьезоэлектрические материалы.

Сравните PZT с кварцем. PZT может производить большее напряжение при той же величине приложенного механического напряжения. И наоборот, подача напряжения на PZT вместо кварца обеспечивает большее движение.Кварц, хорошо известный пьезоэлектрический материал, также является первым известным пьезоэлектрическим материалом.

PZT создается и производится (при высоких температурах) из двух химических элементов — свинца и циркония — и в сочетании с химическим соединением, называемым титанатом. Химическая формула PZT: (Pb [Zr (x) Ti (1-x)] O ₃ ). Он обычно используется для производства ультразвуковых преобразователей, керамических конденсаторов и других датчиков и исполнительных механизмов. Он также демонстрирует особый набор различных свойств. В 1952 году PZT был изготовлен Токийским технологическим институтом. ⁵

Титанат бария — сегнетоэлектрический керамический материал с пьезоэлектрическими свойствами. ⁶ По этой причине титанат бария использовался в качестве пьезоэлектрического материала дольше, чем большинство других. Его химическая формула — BaTiO ₃ . Титанат бария был открыт в 1941 году во время Второй мировой войны. ⁷

Ниобат лития — это соединение, в котором сочетаются кислород, литий и ниобий. Его химическая формула — LiNbO ₃ . ⁸ Также сегнетоэлектрический керамический материал, он похож на титанат бария в том, что он также обладает пьезоэлектрическими свойствами. ⁹

Пьезоэлектрические устройства

Эхолот

Сонар

, появившийся в 1900-х годах, был изобретен Льюисом Никсоном. Первоначально он разработал гидролокатор для обнаружения айсбергов. Тем не менее, интерес к гидролокаторам возрос во время Первой мировой войны, чтобы помочь обнаружить подводные лодки под водой. Конечно, сегодня сонар имеет множество целей и применений, от поиска рыбы до подводной навигации и так далее.

3. С помощью пьезоэлектрического сонара передатчик, использующий обратный пьезоэлектрический эффект, излучает звуковую волну для поиска объектов впереди.

На Рисунке 3 сонар посылает через передатчик звуковую волну (сигнал) для поиска объектов впереди. В передатчике используется обратный пьезоэлектрический эффект, когда передатчик использует напряжение, чтобы излучать звуковую волну. Как только звуковая волна ударяется о объект, он отскакивает обратно. Звуковая волна, которая отражается назад, будет обнаружена приемником.

В приемнике, в отличие от передатчика, используется прямой пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрическое устройство приемника сжимается возвращающейся звуковой волной.Он отправляет сигнал (напряжение) в электронику обработки сигналов, которая принимает отраженную звуковую волну и начинает ее обработку. Он определит расстояние до объекта, вычислив синхронизирующие сигналы от передатчика и приемника.

Пьезоэлектрические приводы

На рисунке 4 показана работа пьезоэлектрического привода. Основание остается неподвижным и действует как металлическая пластина, которая заживает средний пьезоэлектрический материал. Затем к материалу прикладывается напряжение, которое расширяется и сжимается под действием электрического поля приложенного напряжения.Пьезокристалл очень мало движется вперед или назад. Как только пьезоматериал или кристалл перемещается, он медленно толкает и тянет привод.

4. В пьезоэлектрическом приводе к пьезоэлектрическому материалу прикладывается напряжение, вызывая расширение и сжатие.

Пьезоэлектрический привод имеет множество применений и применений. Например, вязальные машины и машины Брайля используют эти приводы, поскольку они имеют небольшое количество движущихся частей и очень простую конструкцию.Их даже можно найти в видеокамерах и сотовых телефонах, потому что они доказали свою эффективность в качестве механизма автофокусировки. ¹⁰

Пьезоэлектрические динамики и зуммеры

Пьезоэлектрические динамики и зуммеры используют обратный пьезоэлектрический эффект для генерации и воспроизведения звука. Когда напряжение подается на динамики и зуммеры, создаются звуковые волны (снова рис. 2) . Звуковой сигнал напряжения, приложенный к пьезоэлектрической керамике динамиков или зуммеров, заставит материал вибрировать в воздухе.Эта вибрация производит звуковые волны, которые исходят из динамика.

Пьезоэлектрические динамики обычно используются в будильниках или других небольших механических устройствах для создания простых высококачественных звуков. Это потому, что они ограничены небольшой частотной характеристикой. ¹¹

Пьезоприводы

Пьезодрайверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое напряжение для питания пьезоэлектрических устройств. Пьезодрайверы очень важны, потому что они помогают инженерам производить большее напряжение для создания больших синусоидальных волн.

5. Пьезодрайвер преобразует низкое напряжение батареи в более высокое напряжение, которое используется для питания усилителя, управляющего устройством. Осциллятор вводит небольшие синусоидальные волны, которые усилитель преобразует в синусоиды большего размера.

Рисунок 5 — это блок-схема, иллюстрирующая работу пьезодвигателя. Пьезодрайверы принимают низкое напряжение батареи и используют усилитель для преобразования его в более высокое напряжение. Затем более высокое напряжение используется для питания усилителя. Генератор будет вводить небольшие синусоидальные волны, которые усилитель преобразует в синусоиды большего напряжения.Усилитель приводит в действие пьезоустройство.

В таблице ниже перечислены несколько компаний, которые продают и производят различные типы пьезодатчиков.

Артикул:

1. http://www.piezo.com/tech5history.html

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricity

3. http://www.explainthatstuff.com/piezoelectricity.html

4. http://www.piezomaterials.com/

5. https: //www.americanpiezo.ru / piezo-theory / pzt.html

6. https://en.wikipedia.org/wiki/Barium_titanate

7. http://ceramics. org/wp-content/uploads/2009/03/elec_division_member_papers1.pdf

8. https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_niobate

9. http://www.inradoptics.com/products/non-linear-crystals/lithium-niobate-linbo3

10. https://www.americanpiezo.com/piezo-theory/actuators.html

11. http://www.edisontechcenter.org/speakers.html#sound

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Позвольте нам сначала дать вам очень простое определение, чтобы прояснить ситуацию.Некоторые материалы имеют тенденцию накапливать электрические заряды при приложении к ним механического напряжения. Пьезоэлектрический эффект — это эффект, который просто описывает тот факт, что давление, приложенное к пьезоэлектрическому материалу, будет генерировать напряжение.

А как это работает? А откуда оно взялось?

Пьезоэлектричество и пьезоэлектрический эффект

Слово пьезоэлектричество происходит от греческого слова piezein, что означает «сжимать или нажимать», и «электрон», что означает «янтарь» и является древним источником электрического заряда.

Французские физики Жак и Пьер Кюри в 1880 году открыли, что электрические заряды могут накапливаться в определенных твердых материалах в ответ на приложенное механическое напряжение.

Пьезоэлектрические материалы позволяют преобразовывать энергию из механической области в электрическую и наоборот. . Их можно использовать для создания различных датчиков или исполнительных механизмов: приложенный периодический электрический сигнал может приводить к генерации ультразвуковых волн для визуализации.

Пьезоэлектрические материалы обычно делятся на три категории:

• природных (монокристаллических) подложек,
• керамика со структурой перовскита
• полимерных пленок.

Например, некоторые материалы с более выраженным пьезоэлектрическим эффектом:

• Кристаллы (кварц, нибонат калия…)
• Определенная керамика (цирконат, титанат свинца или PZT, титанат бария,…)
• Биологический материал (кость,…)
• ДНК и различные белки

Пьезокерамические диски

Что интересно, пьезоэлектрический эффект в основном линейный и обратимый. Например, возьмем один из наиболее часто используемых пьезоэлектрических материалов, кристаллы цирконата-титаната свинца (или PZT) будут генерировать измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется примерно на 0,1% от первоначального размера. И наоборот, те же самые кристаллы изменят примерно 0,1% своего статического размера, когда к материалу приложено внешнее электрическое поле.

Обратный пьезоэлектрический эффект очень полезен, поскольку он реализован во многих преобразователях для создания ультразвуковых звуковых волн.

А теперь давайте посмотрим, откуда это взялось.

В чем разница между непьезоэлектрическим материалом и пьезоэлектрическим материалом?

Во-первых, давайте посмотрим на непьезоэлектрический материал : общий центр заряда положительных и отрицательных ионов в элементарной ячейке совпадает, и даже при приложенной деформации они компенсируются, и общая поляризация не возникает. Обратите внимание, что даже если мы рассматриваем удлинение в горизонтальном направлении из-за сжатия, заряды все равно сокращаются.

В кристаллических пьезоэлектрических материалах уникальное распределение зарядов вызывает дипольный момент, когда материал деформируется.

Рассмотрим пример 2D-решетки, как показано ниже. Элементарная ячейка показана пунктирными линиями. Без какого-либо внешнего напряжения центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают и отмечены черной точкой.

Когда материал сжимается (правый рисунок), расстояние между атомами остается неизменным, что возможно только при расширении материала по горизонтали.Это, в свою очередь, сдвигает положительный и отрицательный заряды, обозначенные звездочкой (*), и их центроид больше не совпадает, а отображается синими и красными точками, создавая электрический диполь.

Давайте более наглядно посмотрим, как все это работает, в следующей части.

Как пьезоэлектричество проявляется под давлением в керамических или кристаллических материалах?

Материалы (как и все в мире) состоят из молекул, которые расположены определенным образом.

Когда материал находится в свободном состоянии (без какого-либо давления), эти молекулы будут расположены определенным образом, который соответствует равновесию вещества, в котором заряды молекул нейтрализуются, если мы посмотрим на целое.

Однако при приложении давления эти молекулы меняют положение и выстраиваются в диполярное состояние, в котором глобальное распределение заряда больше не равно нулю, а две стороны материалов становятся поляризованными.

Но почему меняется заряд для пьезоэлектрических материалов, а не для любого другого материала?

Как мы упоминали в предыдущей части, это из-за особого расположения кристаллов пьезоэлектрического материала в гексагональной конфигурации.

Если вы посмотрите, например, на атомы, составляющие кристалл кварцевого материала (обычно используемый в часах в качестве резонаторов), вы заметите, что они расположены следующим образом:

Что происходит при сжатии пьезоэлектрического кристалла?

Чтобы понять, как это работает, мы должны посмотреть на центр положительного и отрицательного зарядов.

Когда вы сжимаете кристалл, два положительных заряда наверху перемещаются горизонтально, а не вертикально, в результате чего центр положительного заряда перемещается вверх.

То же для отрицательных зарядов.

Среднее значение трех отрицательных зарядов движется вниз.

В несжатом кристалле положительные и отрицательные заряды просто компенсируют друг друга, и результирующее распределение зарядов равно нулю.

Когда вы сжимаете кристалл в определенной ориентации, вы слегка смещаете среднее положение положительных зарядов в одном направлении и среднее положение отрицательных зарядов в другом направлении.

Это создает накопление положительных зарядов на одной стороне и накопление отрицательных зарядов на другой стороне.

Если вы затем соедините эти грани, положительно заряженная грань начнет притягивать к себе отрицательно заряженные электроны через провод, а отрицательно заряженная грань будет отталкивать электроны.

Вот как возникает напряжение от пьезоэффекта!

Примечание: Важно рассматривать пьезоэлектрическое явление как динамический процесс : даже если материал остается сжатым, его нельзя использовать в качестве «батареи», удаленные заряды не будут восстанавливаться. Новые поверхностные заряды появляются либо при дальнейшем сжатии, либо при расширении материала.

Теперь здорово знать, как это работает… но есть ли способ немного «поэкспериментировать» со всем этим, чтобы получить практическое представление о том, как работает пьезоэлектрический эффект ??

Конечно! Моделирование может это сделать.

Как смоделировать пьезоэффект?

С помощью OnScale вы можете легко создать модель и смоделировать пьезоэлектрический эффект, а также обратный пьезоэлектрический эффект.

OnScale рассчитывает электрическое напряжение, механическую деформацию, напряжения и акустическое давление в единой уникальной модели и полностью совмещенным образом.

Ознакомьтесь с нашим пошаговым руководством, чтобы узнать, как создать простую 2D-модель диска PZT, находящегося в резервуаре для воды, с использованием основных геометрических фигур в режиме конструктора.

пьезоэлектричество — как это работает?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 11 декабря 2020 г.

Вы, наверное, использовали пьезоэлектричество (произносится как «пи-ай-зо-электричество»).
довольно много раз сегодня. Если у вас есть кварцевые часы,
пьезоэлектричество — вот что помогает ему сохранять регулярное время. Если ты был
написать письмо или сочинение на вашем компьютере с помощью
программное обеспечение для распознавания голоса,
микрофон, в который вы говорили, вероятно, использовал
пьезоэлектричество, чтобы превратить звуковую энергию вашего голоса в
электрические сигналы, которые ваш компьютер может интерпретировать. Если ты немного
аудиофил и любит слушать музыку на виниле, ваш граммофон
использовал бы пьезоэлектричество, чтобы «читать» звуки из
ваши пластинки LP.Пьезоэлектричество (буквально «давящее электричество»)
намного проще, чем кажется: это просто означает использование кристаллов для преобразования механической энергии в
электричество или наоборот. Давайте подробнее разберемся, как это работает
и почему это так полезно!

Фото: пьезоэлектрический привод, используемый НАСА для различных испытаний. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром НАСА в Лэнгли (NASA-LaRC).

Что такое пьезоэлектричество?

Выдавите определенные кристаллы (например, кварц), и вы сможете
электричество проходит через
их.Обычно верно и обратное: если вы пропускаете электричество
через те же кристаллы они «сжимаются», вибрируя
взад и вперед. Вкратце, это пьезоэлектричество
но, ради науки, дадим формальное определение:

Пьезоэлектричество (также называемое пьезоэлектрическим эффектом) — это
появление электрического потенциала (другими словами, напряжения)
через стороны кристалла, когда вы подвергаете его механическому
стресс (сжимая его).

На практике кристалл становится своего рода
крошечный аккумулятор с положительным зарядом на одной грани и отрицательным зарядом
на противоположном лице; ток течет, если мы соединим две грани
вместе, чтобы сделать схему.В обратном пьезоэффекте a
кристалл становится механически напряженным (деформируется по форме), когда
напряжение приложено к его противоположным граням.

Что вызывает пьезоэлектричество?

Представьте кристалл, и вы, вероятно, представите шары (атомы), установленные на стержнях (связях,
держите их вместе), что-то вроде рамы для лазанья. Теперь кристаллами,
ученые не обязательно имеют в виду интересные кусочки камня, которые вы найдете
в сувенирных магазинах: кристалл — научное название любого
твердый, чей
атомы или молекулы расположены очень упорядоченным образом на основе
бесконечные повторения одного и того же основного строительного блока атома
(называется элементарной ячейкой).Так кусок
железо — это такой же кристалл, как и кусок кварца.
В кристалле то, что у нас есть, на самом деле меньше похоже на карабин.
(который не обязательно имеет упорядоченную повторяющуюся структуру) и
больше нравятся трехмерные обои с рисунком.

Иллюстрация: Что ученые подразумевают под кристаллом: правильное, повторяющееся расположение атомов в твердом теле. Атомы практически неподвижны, но могут слегка колебаться.

В большинстве кристаллов (например, металлов) элементарная ячейка (основная повторяющаяся единица) симметрична; в пьезоэлектрических кристаллах это не так.Обычно пьезоэлектрические кристаллы
электрически нейтральны: атомы внутри них могут не быть
симметрично расположены, но их электрические заряды идеально
сбалансированный: положительный заряд в одном месте нейтрализует отрицательный
зарядить поблизости. Однако, если сжать или растянуть пьезоэлектрический
кристалл, вы деформируете структуру, подталкивая некоторые атомы ближе
вместе или дальше друг от друга, нарушая баланс положительного и
отрицательный и вызывает появление чистых электрических зарядов. Этот эффект
пронизывает всю структуру, так что чистые положительные и отрицательные
заряды появляются на противоположных внешних гранях кристалла.

Обратный пьезоэлектрический эффект происходит наоборот. Поставить
напряжение на пьезоэлектрическом кристалле, и вы подвергаете
атомы внутри него к «электрическому давлению». Они должны двигаться
чтобы сбалансировать себя — и это то, что вызывает пьезоэлектрические
кристаллы деформироваться (немного менять форму) при подаче напряжения
через них.

Для чего используется пьезоэлектричество?

Фото: Типичный пьезоэлектрический преобразователь. Это звонок внутри моего стационарного телефона: он издает особенно пронзительный и ужасный щебечущий звук, когда звонит телефон!

Есть все виды ситуаций, когда нам нужно преобразовать механическую энергию (давление или
какое-либо движение) в электрические сигналы или наоборот.Часто мы можем
сделайте это с помощью пьезоэлектрического преобразователя. Преобразователь — это просто
устройство, которое преобразует небольшое количество энергии из одного вида в другой (например,
преобразование света, звука или механического давления в электрические сигналы).

В ультразвуковом оборудовании пьезоэлектрический преобразователь преобразует электрическую энергию в чрезвычайно быстрые механические колебания — фактически настолько быстрые, что он издает звуки,
но слишком высокие, чтобы наши уши могли их услышать. Эти ультразвуковые колебания можно использовать для
сканирование, чистка и многое другое.

В микрофоне нам нужно преобразовать
звуковая энергия (волны давления, проходящие через
воздух) в электрическую энергию — и это что-то пьезоэлектрическое
кристаллы могут нам помочь. Просто приклейте вибрирующую часть
микрофон к кристаллу и, как волны давления от вашего голоса
прибыть, они заставят кристалл двигаться вперед и назад, генерируя
соответствующие электрические сигналы. «Игла» в граммофоне
(иногда называемый проигрывателем) работает наоборот. Как
игла с ромбовидным наконечником движется по спиральной канавке в вашем LP, это
неровности вверх и вниз.Эти колебания толкают и тянут легкий
пьезоэлектрический кристалл, производящий электрические сигналы, которые ваша стереосистема
затем преобразует обратно в слышимые звуки.

Фото: Стилус проигрывателя (сфотографировано снизу): Если вы все еще проигрываете пластинки, вы воспользуетесь таким стилусом, чтобы преобразовать механические удары на пластинке в звуки, которые вы слышите. Стилус (серебряная горизонтальная полоса) содержит крошечный кристалл алмаза (маленькая точка на конце справа), который подпрыгивает вверх и вниз в канавке для пластинки.Вибрации искажают пьезоэлектрический кристалл внутри желтого картриджа, который производит электрические сигналы, которые усиливаются, чтобы издавать звуки, которые вы слышите.

В кварцевых часах обратный пьезоэлектрический эффект
используется для очень точного отсчета времени. Электрическая энергия от батареи подается в кристалл, чтобы
заставить его колебаться тысячи раз в секунду. Затем часы используют
электронная схема, которая превращает это в более медленные удары с частотой один раз в секунду
что крошечный мотор и некоторая точность
шестерни используются для вращения секундной, минутной и часовой стрелок вокруг циферблата.

Пьезоэлектричество также используется, гораздо более грубо, в искровых зажигалках для газовых плит и
барбекю. Нажмите выключатель прикуривателя, и вы услышите щелчок
и вижу, как появляются искры. Что ты делаешь, когда нажимаешь переключатель,
сжимает пьезоэлектрический кристалл, генерируя напряжение, и
заставляя искру летать через небольшой промежуток.

Если у вас на столе стоит струйный принтер, он использует точные «шприцы» для разбрызгивания капель
чернила на бумаге. Некоторые струйные принтеры распыляют свои шприцы с помощью пьезоэлектрических кристаллов с электронным управлением, которые сжимают их «поршни» внутрь и наружу; Canon Bubble Jets поджигает чернила, вместо этого нагревая их.(Более подробную информацию об обоих методах вы найдете в нашей статье о струйных принтерах.)

Фото: НАСА экспериментировало с использованием пьезоэлектрических материалов для уменьшения вибрации и шума от быстро вращающихся роторов вертолетов. Фото любезно предоставлено НАСА.

Сбор энергии с помощью пьезоэлектричества?

Если вы можете получить крошечный кусочек электричества, нажав один раз на один пьезоэлектрический кристалл, сможете ли вы получить значительное количество, нажимая много кристаллов снова и снова? Что, если мы закопаем кристаллы под городскими улицами и тротуарами, чтобы улавливать энергию при проезде автомобилей и людей? Эта идея, известная как сбор энергии , вызвала интерес многих людей. Изобретатели предложили всевозможные идеи для хранения энергии с помощью скрытых пьезоэлектрических устройств, от обуви, которая преобразует ваши движения при ходьбе в тепло, чтобы согреть ноги, и мобильных телефонов, которые заряжаются от движений вашего тела, до дорог с питанием уличных фонарей, контактных линз, которые фиксируют энергия, когда вы моргаете, и даже гаджеты, которые получают энергию от напора падающего дождя.

Работа: Сбор энергии? Изобретатели зарегистрировали множество патентов на носимые устройства, которые будут генерировать небольшое количество электричества от движений вашего тела.Этот пример представляет собой обувь со встроенным пьезоэлектрическим преобразователем (1), который подпрыгивает вверх и вниз, когда вы идете, отправляя электричество в цепь (2), а затем накапливая его в батарее (3).

Сбор энергии — хорошая идея? На первый взгляд все, что сводит к минимуму потери энергии и повышает эффективность, звучит действительно разумно. Если бы вы могли использовать пол продуктового магазина, чтобы улавливать энергию ног спешащих покупателей, толкающих свои тяжелые тележки, и использовать ее для питания освещения магазина или его холодильных шкафов, безусловно, это должно быть хорошо? Иногда сбор энергии действительно может обеспечить приличное, хотя и довольно скромное количество энергии.

Проблема, однако, в том, что схемы сбора энергии могут сильно отвлекать от лучших идей. Рассмотрим, например, концепцию строительства улиц с пьезоэлектрическими «грохочущими полосами», которые поглощают энергию проезжающего транспорта. Автомобили — крайне неэффективные машины, и лишь небольшое количество (около 15 процентов) энергии, содержащейся в их топливе, позволяет вам двигаться по дороге. Только часть этой фракции доступна для извлечения с дороги — и вы не сможете извлечь всю эту часть со 100-процентной эффективностью.Таким образом, количество энергии, которое вы могли бы практически восстановить, и повышение эффективности, которое вы могли бы получить за потраченные деньги, были бы ничтожными. Если вы действительно хотите сэкономить электроэнергию, получаемую от автомобилей, разумный способ сделать это — решить проблему неэффективности автомобильной транспортировки гораздо раньше; например, создавая более эффективные двигатели, побуждая людей делиться автомобилями, переходя с
бензиновые двигатели
электромобили и тому подобное.

Нельзя сказать, что сбор энергии не имеет места; это может быть действительно полезно для зарядки мобильных устройств с использованием энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую.Представьте, например, мобильный телефон, который автоматически заряжается каждый раз, когда он трясется в вашем кармане. Даже в этом случае, когда дело доходит до экономии энергии, мы всегда должны рассматривать более широкую картину и убедиться, что время и деньги, которые мы вкладываем, дают наилучшие возможные результаты.

Кто открыл пьезоэлектричество?

Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 году двумя французскими физиками братьями
Пьер и Поль-Жак Кюри в кристаллах кварца, турмалина и
Рошельская соль (тартрат калия-натрия). Они взяли имя из
греческое слово «пьезеин» означает «прижимать».
Жак резюмировал свои наблюдения в статье 1889 года в Annales de Chimie et de Physique .
(мой собственный очень грубый перевод с французского):

«Если кто-то тянет или сжимает по главной оси [кварцевого блока], на концах этой оси появляется равное количество электричества противоположных знаков, пропорциональное действующей силе и независимо от размеров кварца».

Работа: Иллюстрации к работе Кюри из Quartz Piezo-Electrique: Extrait de la These de J.КЮРИ: Анналы химии и тела, т. XVII, 1889, с. 392.

Как работает пьезоэлектричество | ОРЕЛ

Пьезо что? Кажется, это сложно понять, но понять это просто. Слово пьезоэлектрический происходит от греческого слова piezein, что буквально означает сжимать или давить. Вместо того чтобы сжимать виноград, чтобы сделать вино, мы сжимаем кристаллы, чтобы создать электрический ток! Пьезоэлектричество встречается в тоннах повседневных электронных устройств, от кварцевых часов до динамиков и микрофонов. Вкратце:

Пьезоэлектричество — это процесс использования кристаллов для преобразования механической энергии в электрическую или наоборот.

Обычные кристаллы характеризуются своей организованной и повторяющейся структурой атомов, которые удерживаются вместе связями, это называется элементарной ячейкой. Большинство кристаллов, таких как железо, имеют симметричную элементарную ячейку, что делает их бесполезными для пьезоэлектрических целей.

( Источник изображения )

Существуют и другие кристаллы, которые объединяются в пьезоэлектрических материалов .Структура этих кристаллов несимметрична, но они все еще находятся в электрически нейтральном балансе. Однако, если вы приложите механическое давление к пьезоэлектрическому кристаллу, структура деформируется, атомы будут выталкиваться, и внезапно вы получите кристалл, который может проводить электрический ток. Если вы возьмете тот же пьезоэлектрический кристалл и приложите к нему электрический ток, кристалл будет расширяться и сжиматься, преобразовывая электрическую энергию в механическую.

( Источник изображения )

Типы пьезоэлектрических материалов

Существуют различные пьезоэлектрические материалы, которые могут проводить электрический ток, как искусственный, так и естественный.Самый известный и первый пьезоэлектрический материал, используемый в электронных устройствах, — это кристалл кварца. Другие природные пьезоэлектрические материалы включают тростниковый сахар, соль Рошель, топаз, турмалин и даже кость.

Кристалл кварца. ( Источник изображения )

Поскольку пьезоэлектрические технологии начали развиваться после Первой мировой войны, мы начали разработку искусственных материалов, которые по своим характеристикам не уступали кварцу. К искусственным пьезоэлектрическим материалам относятся:

PZT изготовлен из цирконата-титаната свинца и может производить большее напряжение, чем кварц, при таком же механическом давлении.

Пьезокерамика PZT, используемая в ультразвуковых датчиках. ( Источник изображения )

Титанат бария — керамический пьезоэлектрический материал, который был открыт во время Второй мировой войны и известен своей долговечностью.

Титанат бария. ( Источник изображения )

Ниобат лития — это материал, который сочетает в себе кислород, литий и нобий в керамическом материале, который по своим характеристикам аналогичен титанату бария.

Ниобат лития. ( Источник изображения )

Как работает пьезоэлектричество

У нас есть специальные материалы, подходящие для пьезоэлектричества, но как именно работает этот процесс? С пьезоэлектрическим эффектом. Самая уникальная черта этого эффекта в том, что он работает двумя способами. Вы можете приложить механическую или электрическую энергию к тому же пьезоэлектрическому материалу и получить противоположный результат.

Приложение механической энергии к кристаллу называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и работает следующим образом:

1. Пьезоэлектрический кристалл помещен между двумя металлическими пластинами. На данный момент материал находится в идеальном балансе и не проводит электрический ток.
2. Затем к материалу прикладывается механическое давление со стороны металлических пластин, что приводит к нарушению баланса электрических зарядов внутри кристалла. На противоположных сторонах грани кристалла появляются избыточные отрицательный и положительный заряды.
3. Металлическая пластина собирает эти заряды, которые можно использовать для создания напряжения и пропускания электрического тока по цепи.

( Источник изображения )

Вот и все, простое приложение механического давления, сжатие кристалла, и внезапно у вас есть электрический ток.Вы также можете сделать наоборот, подав электрический сигнал на материал в виде обратного пьезоэлектрического эффекта . Это работает так:

1. В той же ситуации, что и в примере выше, у нас есть пьезоэлектрический кристалл, расположенный между двумя металлическими пластинами. Структура кристалла идеально сбалансирована.
2. Затем к кристаллу прикладывается электрическая энергия, которая сжимается и расширяет структуру кристалла.
3. По мере того, как структура кристалла расширяется и сжимается, он преобразует полученную электрическую энергию и высвобождает механическую энергию в виде звуковой волны.

( Источник изображения )

Обратный пьезоэлектрический эффект используется во множестве приложений. Возьмем, к примеру, динамик, который подает напряжение на пьезоэлектрическую керамику, заставляя материал вибрировать воздух в виде звуковых волн.

Открытие пьезоэлектричества

Пьезоэлектричество было впервые открыто в 1880 году двумя братьями и французскими учеными, Жаком и Пьером Кюри. Экспериментируя с множеством кристаллов, они обнаружили, что приложение механического давления к определенным кристаллам, таким как кварц, высвобождает электрический заряд.Они назвали это пьезоэлектрическим эффектом.

Пьер Кюри с женой Марией в своей лаборатории. ( Источник изображения )

В следующие 30 лет пьезоэлектричество использовалось в основном для лабораторных экспериментов и дальнейшего совершенствования. Только в Первой мировой войне пьезоэлектричество использовалось для практических применений в гидролокаторах. Сонар работает путем подключения напряжения к пьезоэлектрическому передатчику. Это обратный пьезоэлектрический эффект, который преобразует электрическую энергию в механические звуковые волны.

( Источник изображения )

Звуковые волны проходят через воду, пока не ударяются о предмет. Затем они возвращаются к исходному приемнику. Этот приемник использует прямой пьезоэлектрический эффект для преобразования звуковых волн в электрическое напряжение, которое затем может обрабатываться устройством обработки сигнала. Используя время между уходом сигнала и его возвращением, можно легко рассчитать расстояние до объекта под водой.

С успехом сонара пьезоэлектричество привлекло внимание военных.Вторая мировая война продвинула технологию еще дальше, поскольку исследователи из США, России и Японии работали над созданием новых искусственных пьезоэлектрических материалов, называемых сегнетоэлектриками. Это исследование привело к созданию двух искусственных материалов, которые используются наряду с кристаллами природного кварца, титанатом бария и титанатом цирконата свинца.

Пьезоэлектричество сегодня

В современном мире электроники пьезоэлектричество используется повсеместно. Когда вы спрашиваете Google, как добраться до нового ресторана, в микрофоне используется пьезоэлектричество.В Токио есть даже метро, ​​которое использует силу человеческих шагов для питания пьезоэлектрических структур в земле. Пьезоэлектричество используется в следующих электронных приложениях:

Приводы

Приводы

используют пьезоэлектричество для питания таких устройств, как вязальные машины и машины Брайля, видеокамеры и смартфоны. В этой системе металлическая пластина и исполнительное устройство скрепляют вместе пьезоэлектрический материал. Затем к пьезоэлектрическому материалу прикладывается напряжение, которое расширяется и сжимается.Это движение также заставляет привод двигаться.

( Источник изображения )

Динамики и зуммеры

В динамиках

пьезоэлектричество используется для питания таких устройств, как будильники и других небольших механических устройств, для которых требуется высокое качество звука. Эти системы используют обратный пьезоэлектрический эффект путем преобразования звукового сигнала напряжения в механическую энергию в виде звуковых волн.

( Источник изображения )

Драйверы

Драйверы

преобразуют низковольтную батарею в более высокое напряжение, которое затем можно использовать для управления пьезоустройством.Этот процесс усиления начинается с генератора, который выдает синусоидальные волны меньшего размера. Затем эти синусоидальные волны усиливаются пьезоусилителем.

( Источник изображения )

Датчики

Датчики

используются в различных приложениях, таких как микрофоны, гитары с усилителями и медицинское оборудование для обработки изображений. В этих устройствах используется пьезоэлектрический микрофон для обнаружения изменений давления в звуковых волнах, которые затем могут быть преобразованы в электрический сигнал для обработки.

( Источник изображения )

Мощность

Одно из самых простых применений пьезоэлектричества — это зажигалка для сигарет. При нажатии на кнопку зажигалки подпружиненный молоток попадает в пьезоэлектрический кристалл. Это создает электрический ток, который проходит через искровой промежуток для нагрева и воспламенения газа. Эта же пьезоэлектрическая система питания используется в более крупных газовых горелках и плитах духовок.

( Источник изображения )

Двигатели

Пьезоэлектрические кристаллы идеально подходят для приложений, требующих высокой точности, таких как движение двигателя. В этих устройствах пьезоэлектрический материал получает электрический сигнал, который затем преобразуется в механическую энергию, чтобы заставить керамическую пластину двигаться.

( Источник изображения )

Пьезоэлектричество и будущее

Что ждет пьезоэлектричество в будущем? Возможностей предостаточно. Одна популярная идея, которую выдвигают изобретатели, — это использование пьезоэлектричества для сбора энергии. Представьте себе, что в вашем смартфоне есть пьезоэлектрические устройства, которые можно активировать простым движением вашего тела, чтобы они оставались заряженными.

Если подумать немного шире, вы также можете встроить пьезоэлектрическую систему под тротуарную дорогу, которая может приводиться в действие колесами проезжающих автомобилей. Эту энергию затем можно было использовать для светофоров и других близлежащих устройств. Добавьте к этому дорогу, заполненную электромобилями, и вы окажетесь в чистой положительной энергетической ситуации.

Хотите помочь продвинуть пьезоэлектричество в будущее? Autodesk EAGLE предлагает множество бесплатных пьезобиблиотек, готовых для использования в вашем следующем проекте.Попробуйте Autodesk EAGLE бесплатно сегодня!

Основы пьезо | CTS

Это руководство представляет собой введение в основы пьезоэлектричества. Это включает введение в природу пьезоэлектричества и описание двух основных семейств пьезокерамических материалов (твердолегированных и мягколегированных). В этом руководстве вы также познакомитесь с определяющими уравнениями, а также со свойствами пьезокерамического материала в сильном поле. Вы также найдете описание тепловых свойств пьезокерамического материала, а также обзор, который поможет вам выбрать керамический материал.

Природа пьезоэлектричества

Пьезоэлектрический эффект был открыт Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Первым наблюдением было появление диэлектрического заряда на кристалле, пропорционального приложенному механическому напряжению. Вскоре после этого был обнаружен обратный эффект — геометрическая деформация кристалла, пропорциональная приложенному электрическому полю.

Основы пьезоэлектрических материалов

Пьезоэлектричество — это свойство некоторых материалов накапливать электрический заряд на своей поверхности, когда на них действует механическое напряжение.Приложенное электрическое поле вызывает в этих материалах линейно пропорциональную деформацию. Электрический ответ на механическую стимуляцию называется прямым пьезоэлектрическим эффектом, а механический ответ на электрическое моделирование называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрические материалы разные

Пьезоэлектрический эффект проявляется в большинстве материалов с нецентросимметричной кристаллической структурой. Некоторые встречающиеся в природе кристаллические материалы, обладающие этими свойствами, — это кварц и турмалин.Некоторые искусственно созданные пьезоэлектрические кристаллы представляют собой соль Рошеля, дигидрофосфат аммония и сульфат лития. Еще один класс материалов, обладающих такими свойствами, — это пьезокерамика.

В отличие от пьезоэлектрических кристаллов природного происхождения, пьезокерамика имеет «поликристаллическую» структуру. Наиболее часто производимая пьезокерамика — это цирконат-титанат свинца (PZT), титанат бария и титанат свинца. Поликристаллические керамические материалы имеют ряд преимуществ перед монокристаллическими пьезоэлектрическими материалами, включая простоту изготовления и формовки различных форм и размеров.Напротив, монокристаллы необходимо разрезать по определенным кристаллографическим направлениям, ограничивая возможные геометрические формы, но предлагая превосходные пьезоэлектрические свойства, за исключением температур Кюри и фазового перехода.

Загрузите наш список пьезоэлектрических материалов CTS

Кристаллическая структура PZT

Кристаллическая структура PZT

PZT имеет кристаллическую структуру, принадлежащую к семейству перовскитов с общей формулой AB0 ₃ . На следующем рисунке показана идеальная кубическая структура перовскита.Кристаллиты PZT являются центросимметричными кубическими (изотропными) выше температуры Кюри и демонстрируют тетрагональную симметрию (анизотропную структуру) ниже температуры Кюри.

Процесс опроса

Пьезоэлектрическая керамика состоит из зерен (кристаллитов), каждое из которых содержит домены, которые до полировки ориентированы случайным образом, как показано на левом рисунке ниже. В результате чистая поляризация материала равна нулю, и поэтому керамика не проявляет пьезоэлектрических свойств.Во время процесса полирования применяется соответствующее электрическое поле постоянного тока, и это приложенное электрическое поле ориентирует домены в направлении электрического поля (как показано на среднем рисунке ниже) и приводит к остаточной поляризации материала (как показано на правом рисунке ниже). .

Процесс опроса PZT

Твердый и мягкий пьезокерамический материал

Несмотря на то, что сегодня доступно несколько типов пьезокерамических материалов, большинство из них можно отнести к одной из двух общих категорий: «твердые» или «мягкие» материалы PZT.Структура перовскита очень устойчива к замещению элементов (легированию) — поэтому используются термины «жесткий» и «мягкий». Даже небольшое количество легирующей примеси (~ 1%) может вызвать существенные изменения свойств материала.

Характеристики твердого пьезокерамического материала

Твердая пьезокерамика имеет более высокую механическую добротность и подходит для динамических / резонансных применений. Поскольку более высокий механический коэффициент качества обеспечивает более эффективное преобразование энергии (из электрической в ​​рабочую), твердые материалы могут выдерживать высокий уровень электрического возбуждения и механических нагрузок, выделяют меньше тепла во время этого процесса и их нелегко полюсить или удалить, кроме как при повышенной температуре.По сравнению с мягкими пьезоэлектрическими материалами твердые пьезоэлектрические материалы не подвержены деформации из-за более низких коэффициентов d.

Характеристики мягкого пьезокерамического материала

Мягкая пьезокерамика имеет более высокие пьезоэлектрические коэффициенты по сравнению с твердой пьезокерамикой за счет добротности. Мягкая пьезокерамика также обеспечивает более высокую чувствительность и диэлектрическую проницаемость и хорошо подходит для статических или полустатических приложений, где требуется большая деформация.Мягкая пьезокерамика при работе в динамическом режиме в сильном поле страдает высокими диэлектрическими потерями и низкими показателями качества, что может привести к перегреву в течение длительного периода эксплуатации.

Ниже приведено сравнение характеристик твердого и мягкого легированного пьезокерамического материала.

Основные уравнения

Из-за анизотропной природы пьезокерамики свойства меняются в зависимости от направления.Для определения направлений в пьезоэлектрическом керамическом элементе используется определенная система координат. Определены три оси, обозначенные 1, 2 и 3, аналогично X, Y и Z классического трехмерного ортогонального набора осей.

Пьезоэлектрические коэффициенты и направления

Полярная или 3-х осевая определяется направлением опроса. Если компонент не должен использоваться в режиме сдвига, электрическое поле прикладывается в направлении 3. Направления 1 и 2 физически эквивалентны, поэтому их можно определять произвольно, перпендикулярно направлению 3 и друг другу.Направления, обозначенные 4, 5 и 6, соответствуют наклонным (касательным) движениям вокруг осей 1, 2 и 3 соответственно.

В режиме сдвига, после полирования, электроды снимаются и повторно размещаются перпендикулярно оси 1. В этом случае при приложении электрического поля компонент сдвигается в одном измерении без каких-либо изменений в других измерениях.

Пьезоэлектрические материалы можно характеризовать несколькими коэффициентами. Пьезоэлектрические коэффициенты с двойными индексами связывают электрические и механические величины.Первый индекс указывает направление электрического поля или производимого диэлектрического заряда. Второй индекс указывает направление механического напряжения или деформации.

Пьезоэлектрические постоянные, относящиеся к механической деформации, создаваемой приложенным электрическим полем, называются константами пьезоэлектрической деформации или коэффициентами «d». Они выражаются в метрах на вольт [м / В]. И наоборот, эти коэффициенты, которые также называют константами пьезоэлектрического заряда, можно рассматривать как связывающие заряд, накопленный на электродах, с приложенным механическим напряжением.Таким образом, единицы измерения также могут быть выражены в кулонах на ньютон [C / N].

Кроме того, некоторые константы пьезоэлектрического материала могут быть записаны с «надстрочным индексом», который указывает либо механическое, либо электрическое граничное условие. Верхние индексы — T, E, D и S, означающие:

.

• T = постоянное напряжение = не механически
• E = постоянное поле = короткое замыкание
• D = постоянное электрическое смещение = обрыв цепи
• S = постоянная деформация = механический зажим

Вот три примера параметров, используемых в пьезоэлектрических уравнениях, вместе с объяснением их обозначений:

Основные пьезоэлектрические уравнения

Существуют разные способы записи основных уравнений пьезоэлектрических материалов в зависимости от того, какие переменные представляют интерес.Две наиболее распространенные формы (верхний индекс t означает транспонирование матрицы):

Эти матричные отношения широко используются для моделирования методом конечных элементов. Для аналитических подходов, как правило, полезны только некоторые из соотношений, поэтому проблему можно еще больше упростить. Например, это соотношение, извлеченное из строки 3 первого матричного уравнения, описывает деформацию в направлении 3 как функцию напряжения и поля.

Как и любой другой эластичный материал, деформация пропорциональна приложенному напряжению.Но в дополнение к пьезоэлектрическим материалам присутствует дополнительный пьезоэлектрический член, который также связывает деформацию с электрическим полем.

Ограничения линейных материальных уравнений

Есть ряд ограничений линейных материальных уравнений. Пьезоэлектрический эффект на самом деле нелинейный по своей природе из-за гистерезиса и ползучести.

Кроме того, динамика материала не описывается линейными материальными уравнениями. Пьезоэлектрические коэффициенты зависят от температуры.Пьезоэлектрические коэффициенты сильно зависят от электрического поля.

Свойства пьезокерамического материала в сильном поле

Пьезоэлектрические материалы проявляют нелинейность, гистерезис и ползучесть. В этом разделе представлены типичные данные о материалах, чтобы понять и компенсировать эти эффекты.

Линейность: приводы (индивидуальные и многоуровневые) и гибочные машины

Зависимость хода от приложенного напряжения для пьезоэлектрических приводов не является абсолютно линейной, как предсказывают пьезоэлектрические уравнения.Типичные характеристики показаны на следующих рисунках. Как можно видеть, кривая растяжения в зависимости от напряжения на самом деле имеет слегка S-образную форму. При низком напряжении кривая увеличения напряжения вогнута вверх и по форме близка к квадратичной.

Пример ниже показывает смещение во время зарядки привода с использованием пьезоэлектрического материала NCE57. Кривые с более высоким разрешением можно найти в разделе «гистерезис». Нелинейность означает, что ход при 1 кВ / мм меньше, чем ожидалось при линейной экстраполяции с использованием хода при максимальном рекомендованном поле (что соответствует 3 кВ / мм).

Нелинейность для NCE51

Данные материала с очень высоким электрическим полем: приводы (индивидуальные и многослойные) и гибочные машины

В некоторых приложениях желательно архивировать максимальную деформацию пьезоэлемента только путем приложения очень сильного электрического поля. В некоторых случаях может быть превышена максимальная рекомендуемая напряженность поля 3 кВ / мм, например для краткосрочного использования или статических приложений. Обычно приемлемо рабочее поле 4 кВ / мм, однако рекомендуется тестирование.

На рисунке ниже показано, как напряжение изменяется с электрическим полем для наших различных материалов до максимальной напряженности электрического поля 9 кВ / мм. Недостатком приложения очень сильного электрического поля является резкое сокращение срока службы привода.

Данные на рисунке носят исключительно информативный характер, и мы рекомендуем связаться с нашим отделом НИОКР перед проектированием приводов, работающих в очень сильном электрическом поле.

Зависимость деформации от электрического поля для пьезоэлектрических материалов NCE46, NCE51F, NCE57 и NCE59

Линейность: срезные пластины

Зависимость между размахом хода и пиковым приложенным напряжением для срезных пластин нелинейна.Типичные размеры показаны на следующем рисунке. Как можно видеть, смещение увеличивается, когда привод используется близко к максимальному рекомендованному напряжению.

Полиномиальная тенденция следует экспериментальной зависимости. Где d — смещение, t — высота привода, а E — приложенное электрическое поле (напряжение / высота):

Гистерезис: приводы (индивидуальные и многоуровневые) и гибочные устройства

Все пьезоэлектрические материалы демонстрируют механический гистерезис, поскольку напряжение не следует по одной и той же дорожке при зарядке и разрядке.Гистерезис выражается как максимальная разница между двумя дорожками, деленная на максимальную деформацию, как показано на рисунке ниже. Гистерезис имеет тенденцию уменьшаться с возрастом. Если гистерезис является проблемой для конкретного приложения, для его компенсации обычно используют компенсацию на основе модели или контур обратной связи. Сигнал обратной связи может быть положительным, силовым или диэлектрическим.

Рисунок, показывающий принципиальную взаимосвязь между деформацией и напряженностью электрического поля

Взаимосвязь четырех различных материалов

Гистерезис зависит от типа керамики и амплитуды входного сигнала и может варьироваться от 13% до 20%.

На приводах гибки присутствует такой же гистерезис. Однако из-за двухтактной конфигурации он имеет симметричную форму.

Гистерезис: срезные пластины

Из-за своей высокой нелинейности срезные пластины демонстрируют гораздо более высокий гистерезис, чем другие типы приводов.Гистерезис при полной амплитуде напряжения составляет порядка 35%. Уменьшение амплитуды напряжения уменьшит гистерезис.

Смещение в зависимости от напряжения для срезной пластины

Работа при обратном смещении: приводы (индивидуальные и многоярусные) и гибочные машины

В дополнение к нормальной кривой гистерезиса AB, когда приложенное напряжение положительно, диаграмма «бабочка» CDEFG определяет поведение материала через полный цикл положительных и отрицательных рабочих электрических полей.Отрицательные электрические поля создают отрицательную деформацию вдоль кривой C до тех пор, пока поле деполирования (коэрцитивное поле) не становится положительным, следуя кривой D. Процесс повторяется вдоль кривых EFG, когда электрическое поле снова становится положительным. Диаграмма «бабочка» дает полную характеристику процесса деполирования и реполинга.

Большинство твердых пьезоэлектрических материалов могут быть полностью поляризованы или сняты только при повышенных температурах, поэтому после полюса они могут без труда выдерживать сильные обратные поля.

Мы не рекомендуем работу в обратном поле для квазистатических приводов. Однако в некоторых случаях это может вызвать дополнительную нагрузку. К недостаткам можно отнести меньшую линейность, повышенный гистерезис и потери. Кроме того, необходимо контролировать температуру, поскольку коэрцитивное поле изменяется в зависимости от температуры (см. «Тепловые свойства»).

Мягкие пьезоэлектрические материалы легко снимаются под действием электрического поля, противоположного направлению поляризации. Эффект чередования положительных и отрицательных напряжений для различных пьезоэлектрических материалов показан на следующих рисунках:

Принцип деформации vs.электрическое поле

Зависимость деформации от электрического поля для NCE46

Зависимость деформации от электрического поля для NCE51

Зависимость деформации от электрического поля для NCE57

Зависимость деформации от электрического поля для NCE59

Ползучесть

Пьезоэлектрические материалы проявляют эффект ползучести, то есть материал продолжает расширяться в течение некоторого времени при приложении напряжения. Соответственно, материал не сразу возвращается к исходному уровню деформации после возврата к 0 В. Во время ползучести материал продолжает накапливать заряд на очень низком уровне.Эффект ползучести для различных материалов привода сравнивается на следующем рисунке, где максимальное электрическое поле устанавливается через 1 с, что соответствует базовой линии смещения (относительное смещение = 1).

Ползучесть всегда происходит в том же направлении, что и изменение размеров, вызванное скачком напряжения. Эффект является логарифмическим, поэтому дополнительное расширение между 10 и 100 будет аналогично расширению, полученному между 1 и 10. Для линейных / многоярусных приводов типичные значения составляют 4% за декаду при использовании пьезоэлектрического материала NCE51 / 51F и 9% за декаду при использовании NCE46.Для гибочных приводов значения в 2-3 раза выше. Ползучесть связана с длительным средним значением, которое привод испытывал за свой срок службы.

Ползучесть для NCE46, NCE51, NCE57 и NCE59

Тепловые свойства пьезокерамического материала

На электрические и пьезоэлектрические свойства влияют колебания температуры. На каждый пьезоэлектрический материал по-разному влияют изменения температуры в зависимости от способа производства и химического состава материала.

Максимальная температура

Пьезоэлектрические материалы следует использовать при температуре ниже температуры Кюри, чтобы избежать деполирования. Эмпирическое правило — половина температуры Кюри. Если температура повысится до температуры, близкой к температуре Кюри или выше, это приведет к частичному или полному обезвоживанию пьезоэлектрического материала и серьезному ухудшению характеристик. Для приложений, требующих работы при повышенной температуре, следует выбирать материал с достаточно высокой температурой Кюри.Максимальные рекомендуемые рабочие температуры указаны для каждого продукта. Важно контролировать температуру, особенно для динамических приложений, где компонент может нагреваться во время работы из-за внутреннего рассеивания.

Минимальная температура

Наши многослойные продукты могут использоваться при криогенных температурах и были продемонстрированы до 4 мК. Для этих применений требуется специальная подготовка (проволока, клей и т. Д.).

Механические и электрические свойства пьезокерамики значительно ухудшаются при криогенных температурах.Когда пьезоэлектрические приводы охлаждаются до криогенных температур, пьезокерамика ведет себя как очень твердый пьезоэлектрический материал с такими характеристиками:

• Сильное уменьшение электрической емкости
• Снижение коэффициента потерь
• Приведенные коэффициенты деформации d33 и d31
• Значительное улучшение коэрцитивного поля.

Улучшение коэрцитивного поля при низкой температуре позволяет пьезоэлектрическому актуатору стать чрезвычайно устойчивым к электрическому деполу.Следовательно, возможен гораздо более широкий биполярный режим по сравнению с комнатной температурой. Таким образом, падение коэффициента деформации при низких температурах можно частично компенсировать.

Ниже приведен пример криогенных измерений при двух разных температурах, показывающий взаимосвязь между ходом (смещением) и напряжением. Как видно, ход при 77 К уменьшается примерно вдвое от значения при комнатной температуре. Из-за сильного увеличения коэрцитивного поля можно также наблюдать, что актуатор демонстрирует довольно линейную характеристику смещения напряжения при отрицательном напряжении.Пьезоэлектрический привод становится чрезвычайно устойчивым к электрическому срыву, а потеря хода при низкой температуре может быть частично компенсирована за счет использования широкого биполярного режима.

Более проблематичным параметром является коэффициент теплового расширения керамики, который необходимо учитывать при проектировании устройств, в которых пьезоэлектрические приводы будут частью композитной конструкции, а другие элементы конструкции, например, являются металлами. Коэффициент теплового расширения керамики аналогичен многим керамикам и стеклам и обычно находится в диапазоне от 10 ^-5 метр / метр ° C до 10 ^-6 метр / метр ° C.Основное отличие от обычных материалов заключается в том, что коэффициент теплового расширения анизотропен по отношению к направлению полинга.

Пример криогенных измерений при двух разных температурах

Изменение максимального рабочего объема в зависимости от температуры

Как выбрать пьезокерамический материал

В таблице ниже дается обзор характеристик двух различных пьезокерамических материалов.

Диапазон значений от — до ++, где — низкий, а ++ высокий.

Дополнительная информация о пьезокерамике?

Если вам нужна помощь в выборе правильного пьезокерамического материала для вашего применения или вам нужна дополнительная информация, обратитесь в отдел продаж.

Что такое пьезоэлектрические материалы? | Sciencing

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор: Francine Mends

Если вы когда-либо пользовались зажигалкой, проходили медицинское ультразвуковое исследование в кабинете врача или зажигали газовую горелку, вы использовали пьезоэлектричество.

Пьезоэлектрические материалы — это материалы, которые обладают способностью генерировать внутренний электрический заряд от приложенного механического напряжения. Термин пьезо в переводе с греческого означает «толкать».

Некоторые природные вещества демонстрируют пьезоэлектрический эффект. К ним относятся:

• Кость
• Кристаллы
• Определенная керамика
• ДНК
• Эмаль
• Шелк
• Дентин и многое другое.

Материалы, демонстрирующие пьезоэлектрический эффект, также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект (также называемый обратным пьезоэлектрическим эффектом). Обратный пьезоэлектрический эффект — это внутреннее создание механической деформации в ответ на приложенное электрическое поле.

История пьезоэлектрических материалов

Кристаллы были первым материалом, использованным в ранних экспериментах с пьезоэлектричеством. Братья Кюри, Пьер и Жак впервые доказали прямой пьезоэлектрический эффект в 1880 году.Братья расширили свои практические знания о кристаллических структурах и пироэлектрических материалах (материалах, которые генерируют электрический заряд в ответ на изменение температуры).

Они измерили поверхностные заряды следующих конкретных кристаллов:

• Тростниковый сахар
• Турмалин
• Кварц
• Топаз
• Рошельская соль (тетрагидрат тартрата натрия и калия)

Кварц и Рошеллеэлектрическая соль продемонстрировали самые высокие пьезоэлектрические эффекты. .

Однако братья Кюри не предсказывали обратный пьезоэлектрический эффект. Обратный пьезоэлектрический эффект был математически выведен Габриэлем Липпманом в 1881 году. Затем Кюри подтвердили эффект и предоставили количественное доказательство обратимости электрических, упругих и механических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах.

К 1910 году 20 классов природных кристаллов, в которых возникает пьезоэлектричество, были полностью определены и опубликованы в книге Вольдемара Фойгта Lehrbuch Der Kristallphysik .Но это оставалось малоизвестной и высокотехнологичной нишевой областью физики без каких-либо видимых технологических или коммерческих приложений.

Первая мировая война: Первым технологическим применением пьезоэлектрического материала стал ультразвуковой подводный детектор, созданный во время Первой мировой войны. Детекторная пластина была сделана из преобразователя (устройства, которое преобразует один тип энергии в другой) и тип детектора, называемый гидрофоном. Преобразователь был изготовлен из тонких кристаллов кварца, вклеенных между двумя стальными пластинами.

Огромный успех ультразвукового детектора подводных лодок во время войны стимулировал интенсивное технологическое развитие пьезоэлектрических устройств. После Первой мировой войны пьезокерамика использовалась в картриджах фонографов.

Вторая мировая война: Применение пьезоэлектрических материалов значительно расширилось во время Второй мировой войны благодаря независимым исследованиям, проведенным Японией, СССР и США.

В частности, прогресс в понимании взаимосвязи между кристаллической структурой и электромеханической активностью наряду с другими достижениями в исследованиях полностью изменил подход к пьезоэлектрической технологии.Впервые инженеры смогли манипулировать пьезоэлектрическими материалами для конкретного применения устройства, вместо того, чтобы наблюдать свойства материалов и затем искать подходящие применения наблюдаемых свойств.

Эта разработка позволила создать множество связанных с войной применений пьезоэлектрических материалов, таких как сверхчувствительные микрофоны, мощные гидроакустические устройства, гидроакустические буи (небольшие буи с гидрофоном для прослушивания и радиопередачей для мониторинга движения океанских судов) и системы пьезозажигания для одноцилиндровых возгораний.

Механизм пьезоэлектричества

Как упоминалось выше, пьезоэлектричество — это свойство вещества генерировать электричество, если к нему приложено напряжение, такое как сжатие, изгиб или скручивание.

Когда пьезоэлектрический кристалл находится под напряжением, он создает поляризацию, P , пропорциональную создаваемому напряжению.

Основное уравнение пьезоэлектричества :

P = d \ times \ text {stress}

, где d — пьезоэлектрический коэффициент, коэффициент, уникальный для каждого типа пьезоэлектрического материала.Пьезоэлектрический коэффициент для кварца составляет 3 × 10 ^-12 . Пьезоэлектрический коэффициент для цирконата-титаната свинца (PZT) составляет 3 × 10 ^-10 .

Небольшие смещения ионов в кристаллической решетке создают поляризацию, наблюдаемую в пьезоэлектричестве. Это происходит только в кристаллах, не имеющих центра симметрии.

Пьезоэлектрические кристаллы: список

Ниже приводится неполный список пьезоэлектрических кристаллов с некоторыми краткими описаниями их использования.Позже мы обсудим некоторые конкретные применения наиболее часто используемых пьезоэлектрических материалов.

Кристаллы естественного происхождения:

• Кварц. Стабильная кристалл используется в кристаллах часов и эталонных частот кристаллов для радиопередатчиков.
• Сахароза (столовый сахар)
• Рошельская соль. Выдает большое напряжение со сжатием; использовался в ранних кристаллических микрофонах.
• Топаз
• Турмалин
• Берлинит (AlPO ₄ ).Редкий фосфатный минерал, структурно идентичный кварцу.

• Ортофосфат галлия (GaPO ₄ ), аналог кварца.
• Лангасит (La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ ), кварцевый аналог.

Пьезоэлектрическая керамика:

• Титанат бария (BaTiO ₃ ). Открыта первая пьезоэлектрическая керамика.
• Титанат свинца (PbTiO ₃ )
• Цирконат титанат свинца (PZT).В настоящее время наиболее часто используется пьезоэлектрическая керамика.
• Ниобат калия (KNbO ₃ )
• Ниобат лития (LiNbO ₃ )
• Танталат лития (LiTaO ₃ )
• Вольфрамат натрия (Na 901 901 901 4

  WO ₉₀₂ без пьезокерамики:

  Следующие материалы были разработаны в ответ на опасения по поводу вредного воздействия свинца в окружающей среде.

  • Ниобат натрия-калия (NaKNb).Этот материал имеет свойства, аналогичные PZT.
  • Феррит висмута (BiFeO ₃ )
  • Ниобат натрия (NaNbO ₃ )

  Биологические пьезоэлектрические материалы:

  • Сухожилие
  • Древесина
  • Эмадаль

  Пьезоэлектрические полимеры: Пьезополимеры легкие и небольшие по размеру, поэтому их популярность для технологических применений растет.

  Поливинилиденфторид (ПВДФ) демонстрирует пьезоэлектричество, которое в несколько раз больше, чем у кварца. Он часто используется в медицине, например, для наложения швов и медицинского текстиля.

  Применение пьезоэлектрических материалов

  Пьезоэлектрические материалы используются во многих отраслях, в том числе:

  • Производство
  • Медицинское оборудование
  • Телекоммуникации
  • Автомобильная промышленность
  • Информационные технологии (ИТ)

  Источники питания высокого напряжения:

  • Зажигалки электрические.Когда вы нажимаете кнопку на зажигалке, кнопка заставляет небольшой подпружиненный молоток ударять по пьезоэлектрическому кристаллу, создавая ток высокого напряжения, который течет через зазор, чтобы нагреть и воспламенить газ.
  • Газовые грили или плиты и газовые горелки. Они работают так же, как и зажигалки, но в большем масштабе.
  • Пьезоэлектрический преобразователь. Он используется в качестве умножителя переменного напряжения в люминесцентных лампах с холодным катодом.

  Пьезоэлектрические датчики

  Ультразвуковые преобразователи используются в повседневной медицинской визуализации.Преобразователь представляет собой пьезоэлектрическое устройство, которое действует как датчик и как исполнительный механизм. Ультразвуковые преобразователи содержат пьезоэлектрический элемент, который преобразует электрический сигнал в механическую вибрацию (режим передачи или компонент исполнительного механизма) и механическую вибрацию в электрический сигнал (режим приема или компонент датчика).

  Пьезоэлектрический элемент обычно обрезается на 1/2 длины волны от желаемой длины волны ультразвукового преобразователя.

  К другим типам пьезоэлектрических датчиков относятся:

  • Пьезоэлектрические микрофоны.
  • Пьезоэлектрические звукосниматели для электроакустических гитар.
  • Волны сонара. Звуковые волны генерируются и воспринимаются пьезоэлектрическим элементом.
  • Электронные барабанные пэды. Элементы обнаруживают удар палок барабанщика о пэды.
  • Медицинская акселеромиография. Это используется, когда человек находится под наркозом и ему вводят миорелаксанты. Пьезоэлектрический элемент в акселеромиографе определяет силу, возникающую в мышце после нервной стимуляции.

  Пьезоэлектрические приводы

  Одно из преимуществ пьезоэлектрических приводов состоит в том, что высокие напряжения электрического поля соответствуют крошечным микрометровым изменениям ширины пьезоэлектрического кристалла. Эти микромассы делают пьезоэлектрические кристаллы полезными в качестве исполнительных механизмов, когда требуется точное позиционирование крошечных объектов, например, в следующих устройствах:

  • Громкоговорители
  • Пьезоэлектрические двигатели
  • Лазерная электроника
  • Струйные принтеры (кристаллы управляют выбросом чернил от печатающей головки на бумагу)
  • Дизельные двигатели
  • Рентгеновские заслонки

  Умные материалы

  Умные материалы — это широкий класс материалов, свойства которых могут быть изменены контролируемым способом с помощью внешнего воздействия, такого как pH, температура, химические вещества, приложенное магнитное или электрическое поле или напряжение. Умные материалы также называют интеллектуальными функциональными материалами.

  Пьезоэлектрические материалы соответствуют этому определению, потому что приложенное напряжение создает напряжение в пьезоэлектрическом материале, и, наоборот, приложение внешнего напряжения также производит электричество в материале.