Pjezoelektrisko efektu 19. gadsimta beigās atklāja franču zinātnieki, brāļi Kirī. Tobrīd vēl bija pāragri runāt par atklātās parādības praktisko pielietojumu, taču šobrīd pjezoelektriskie elementi tiek plaši izmantoti gan tehnoloģijās, gan sadzīvē.
Saturs
Pjezoelektriskā efekta būtība
Slaveni fiziķi ir noskaidrojuši, ka tad, kad daži kristāli (kalnu kristāls, turmalīns u.c.) tiek deformēti, uz to sejām rodas elektriski lādiņi. Tajā pašā laikā potenciālu starpība bija neliela, taču to pārliecinoši fiksēja tajā laikā pastāvošās ierīces un, izmantojot vadītājus savienojot sekcijas ar pretēji polāriem lādiņiem, bija iespējams iegūt elektrība. Parādība tika fiksēta tikai dinamikā, saspiešanas vai stiepšanās brīdī. Deformācija statiskā režīmā neizraisīja pjezoelektrisko efektu.
Drīz vien teorētiski tika pamatots un praksē atklāts pretējs efekts – pieliekot spriegumu, kristāls deformējās.Izrādījās, ka abas parādības ir savstarpēji saistītas - ja viela uzrāda tiešu pjezoelektrisko efektu, tad tai ir raksturīgs arī pretējais, un otrādi.
Parādība novērojama vielās ar anizotropa tipa kristālisko režģi (kuru fizikālās īpašības atšķiras atkarībā no virziena) ar pietiekamu asimetriju, kā arī dažām polikristāliskām struktūrām.
Jebkurā cietā ķermenī pieliktie ārējie spēki izraisa deformāciju un mehāniskus spriegumus, savukārt vielās ar pjezoelektrisko efektu tie izraisa arī lādiņu polarizāciju, un polarizācija ir atkarīga no pieliktā spēka virziena. Mainot ekspozīcijas virzienu, mainās gan polarizācijas virziens, gan lādiņu polaritāte. Polarizācijas atkarība no mehāniskā sprieguma ir lineāra, un to raksturo izteiksme P=dt, kur t ir mehāniskais spriegums, bet d ir koeficients, ko sauc par pjezoelektrisko moduli (pjezoelektrisko moduli).
Līdzīga parādība notiek ar reverso pjezoelektrisko efektu. Mainoties pielietotā elektriskā lauka virzienam, mainās deformācijas virziens. Šeit arī atkarība ir lineāra: r=dE, kur E ir elektriskā lauka stiprums un r ir deformācija. Koeficients d ir vienāds tiešiem un apgrieztiem pjezoelektriskiem efektiem visām vielām.
Faktiski iepriekš minētie vienādojumi ir tikai aprēķini. Faktiskās atkarības ir daudz sarežģītākas, un tās nosaka arī spēku virziens attiecībā pret kristāla asīm.
Vielas ar pjezoelektrisku efektu
Pirmo reizi pjezoelektriskais efekts tika konstatēts kalnu kristālos (kvarcā). Līdz mūsdienām šis materiāls ir ļoti izplatīts pjezoelektrisko elementu ražošanā, taču ražošanā tiek izmantoti ne tikai dabīgie materiāli.
Daudzi pjezoelektriskie elementi ir izgatavoti no vielām ar ABO formulu.3, piemēram, BaTiO3, РbТiO3. Šiem materiāliem ir polikristāliska (sastāv no daudziem kristāliem) struktūra, un, lai tie spētu izrādīt pjezoelektrisko efektu, tie ir jāpakļauj polarizācijai, izmantojot ārēju elektrisko lauku.
Ir tehnoloģijas, kas ļauj iegūt plēves pjezoelektriskos elementus (polivinilidēnfluorīdu u.c.). Lai tiem piešķirtu nepieciešamās īpašības, tiem arī ilgstoši jābūt polarizētiem elektriskā laukā. Šādu materiālu priekšrocība ir ļoti mazs biezums.
Vielu ar pjezoelektrisko efektu īpašības un raksturojums
Tā kā polarizācija notiek tikai elastīgās deformācijas laikā, svarīga pjezomateriāla īpašība ir tā spēja mainīt formu ārējo spēku iedarbībā. Šīs spējas vērtību nosaka elastīgā atbilstība (vai elastīgā stingrība).
Kristāli ar pjezoelektrisko efektu ir ļoti elastīgi – kad tiek noņemts spēks (vai ārējais spriegums), tie atgriežas sākotnējā formā.
Pjezokristāliem ir arī sava mehāniskā rezonanses frekvence. Ja liksiet kristālam vibrēt šajā frekvencē, amplitūda būs īpaši liela.
Tā kā pjezoelektriskais efekts izpaužas ne tikai veselos kristālos, bet arī noteiktos apstākļos nogrieztām to plāksnēm, ir iespējams iegūt pjezoelektrisko vielu gabalus ar rezonansi dažādās frekvencēs atkarībā no griezuma ģeometriskajiem izmēriem un virziena.
Tāpat pjezoelektrisko materiālu vibrācijas īpašības raksturo mehānisks kvalitātes faktors. Tas parāda, cik reizes palielinās svārstību amplitūda pie rezonanses frekvences ar vienādu pielikto spēku.
Pastāv skaidra pjezoelektrisko īpašību atkarība no temperatūras, kas jāņem vērā, izmantojot kristālus. Šo atkarību raksturo koeficienti:
- rezonanses frekvences temperatūras koeficients parāda, cik lielā mērā rezonanse izzūd, kad kristāls tiek uzkarsēts / atdzesēts;
- temperatūras izplešanās koeficients nosaka, cik lielā mērā pjezoelektriskās plāksnes lineārie izmēri mainās līdz ar temperatūru.
Noteiktā temperatūrā pjezokristāls zaudē savas īpašības. Šo robežu sauc par Kirī temperatūru. Šis ierobežojums katram materiālam ir individuāls. Piemēram, kvarcam tas ir +573 °C.
Pjezoelektriskā efekta praktiska izmantošana
Slavenākais pjezoelektrisko elementu pielietojums ir kā aizdedzes elements. Pjezoelektrisko efektu izmanto kabatas šķiltavas vai virtuves aizdedzes gāzes plītīm. Nospiežot kristālu, rodas potenciālu starpība un gaisa spraugā parādās dzirkstele.
Šī pjezoelektrisko elementu pielietojuma joma nav izsmelta. Kristālus ar līdzīgu efektu var izmantot kā deformācijas mērītājus, taču šo lietošanas jomu ierobežo pjezoelektriskā efekta īpašība parādīties tikai dinamikā - ja izmaiņas apstājas, signāls pārstāj ģenerēt.
Pjezokristālus var izmantot kā mikrofonu – pakļaujoties akustisko viļņu iedarbībai, veidojas elektriskie signāli. Reversais pjezoelektriskais efekts arī ļauj (dažreiz vienlaikus) izmantot šādus elementus kā skaņas izstarotājus. Kad kristālam tiek pielietots elektrisks signāls, pjezoelektriskais elements sāks radīt akustiskus viļņus.
Šādus izstarotājus plaši izmanto ultraskaņas viļņu radīšanai, jo īpaši medicīnas tehnoloģijās. Plkst šis var izmantot arī plāksnes rezonanses īpašības.To var izmantot kā akustisko filtru, kas atlasa tikai dabiskās frekvences viļņus. Vēl viena iespēja ir izmantot pjezoelektrisko elementu skaņas ģeneratorā (sirēnā, detektorā utt.) vienlaikus kā frekvences iestatīšanas un skaņas izstarojošo elementu. Šajā gadījumā skaņa vienmēr tiks ģenerēta rezonanses frekvencē, un maksimālo skaļumu var iegūt ar mazu enerģijas patēriņu.
Rezonanses īpašības tiek izmantotas, lai stabilizētu radiofrekvenču diapazonā strādājošo ģeneratoru frekvences. Kvarca plāksnēm ir ļoti stabilu un kvalitatīvu svārstību ķēžu loma frekvences iestatīšanas shēmās.
Joprojām ir fantastiski projekti, lai rūpnieciskā mērogā pārveidotu elastīgās deformācijas enerģiju elektroenerģijā. Seguma deformāciju gājēju vai automašīnu gravitācijas ietekmē var izmantot, piemēram, sliežu ceļu posmu apgaismošanai. Lidmašīnas tīkla nodrošināšanai varat izmantot lidmašīnas spārnu deformācijas enerģiju. Šādu izmantošanu ierobežo pjezoelektrisko elementu nepietiekamā efektivitāte, taču jau ir izveidotas izmēģinājuma rūpnīcas, kas sola turpmākus uzlabojumus.
Līdzīgi raksti:
