Пьезоэлектрический эффект и его применение в технике

Вещества, обладающие пьезоэффектом

Впервые пьезоэффект был найден у кристаллов горного хрусталя (кварца). По сегодняшнее время этот материал очень распространен в производстве пьезоэлементов, но в производстве применяются не только природные материалы.

Много пьезоэлектриков изготавливается на основе веществ с формулой ABO3, например BaTiO3, РbТiO3. Эти материалы обладают поликристаллической (состоящей из множества кристаллов) структурой, и чтобы придать им способность проявлять пьезоэффект они должны быть подвергнуты поляризации с помощью внешнего электрического поля.

Существую технологии, позволяющие получить плёночные пьезоэлектрики (поливинилиденфторид и т.п.). Чтобы придать им необходимые свойства, их также надо длительное время поляризовать в электрическом поле. Преимущество таких материалов – очень малая толщина.

Свойства и характеристики веществ, обладающих пьезоэффектом

Так как поляризация происходит только во время упругой деформации, важной характеристикой пьезоматериала является его способность изменять форму под действием внешних сил. Величину этой способности определяет упругая податливость (или упругая жесткость)

Кристаллы, обладающие пьезоэффектом, обладают высокой упругостью – при снятии усилия (или внешнего напряжения) они возвращаются к первоначальной форме.

Также пьезокристаллам присуща собственная механическая резонансная частота. Если заставить кристалл колебаться на этой частоте, амплитуда будет особенно большой.

Так как пьезоэффект проявляют не только целые кристаллы, а и пластины из них, нарезанные с соблюдением определенных условий, то можно получать куски пьезовеществ с резонансом на различных частотах – в зависимости от геометрических размеров и направления реза.

Также колебательные свойства пьезоэлектрических материалов характеризует механическая добротность. Она показывает, во сколько раз возрастает амплитуда колебаний на резонансной частоте при равной приложенной силе.

Существует явная зависимость свойств пьезоэлектрика от температуры, которую надо учитывать при использовании кристаллов. Эту зависимость характеризуют коэффициенты:

  • температурный коэффициент резонансной частоты показывает, насколько уходит резонанс при нагревании/охлаждении кристалла;
  • температурный коэффициент расширения определяет, насколько изменяются линейные размеры пьезопластины при изменении температуры.

При определенной температуре пьезокристалл теряет свои свойства. Этот предел называется температурой Кюри. Эта граница индивидуальна для каждого материала. Например, для кварца она составляет +573 °C.

Описание и свойства [ править | править код ]

Пьезоэлектрики — кристаллы (пьезокристаллы), которые обладают (наделены) свойством при сжатии продуцировать электрический заряд (прямой пьезоэффект) или обратным свойством под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект).

Пьезоэлектричество открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг.

Исполнительные устройства — конвертируют электрическую энергию в механическую.

Сенсоры (датчики, генераторы), наоборот, конвертируют механическую энергию в электрическую.

Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы.

Однослойные — под воздействием электричества изменяются в ширину, длину и толщину. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество.

Двухслойные — могут быть использованы как однослойные, могут сгибаться или удлиняться. «Сгибатели» создают наибольшую величину перемещения относительно других видов, а «расширители», будучи более упругими, развивают гораздо большее усилие при гораздо меньшем перемещении.

Многослойные — развивают наибольшую силу при минимальном перемещении (изменении формы).

Механизм действия пьезоэлемента

Основа

— это блок пьезоэлемента, который отправляет от кнопки силу давления на сам пьезоэлемент. Основная составляющая пьезоэлемента —пьезокристалл . Это пластинка, вырезанная из кварцевого кристалла.Ее функция — механическую деформацию превращать в электрическое напряжение . Пластинка очень твердая, способна выдержать значительные изгибы и сжатия и выдавать высокое напряжение. При плавном нажатии на кристалл, выдаваемое напряжение будет невелико, но оно будет длительным. При нажатии на кристалл с той же силой, но быстро и мгновенно — выдаваемое напряжение сильнее, но оно будет моментальным.Поэтому для создания искры в пьезозажигалке используется это свойство кристалла . Для изменения силы удара с плавного на резкий в зажигалке имеется механизм: упругая пружина, которая находится под кнопкой пьезозажигалки. Нажимая на кнопку — сжимается и пружина. После нажатия на кнопку до конца — пружина отодвигает рычажок, на который она опирается. После этого пружина резко распрямляется. На другом конце пружины расположен металлический молоточек, который при раскрытии пружины с огромной скоростью ударяет в кристалл. На обратной стороне кристалла имеется металлическая подкладка, которая не дает кристаллу сдвинуться от движения молоточка. В результате получается мгновенный и сильный удар по кристаллу, который вызывает искру.

Умельцы научились применять его в ремонте (точнее, в «убийстве») смартфонов или мобильных телефонов. Сразу же появляется логичный вопрос: а зачем индивиду со здоровой нервной системой ломать свой смартфон? Ситуация может быть разной. Кто-то желает сдать телефон по гарантии, так как он ему уже разонравился. Кто-то просто решил приколоться над дружком.

Принцип работы

Действие пьезоэлемента наиболее четко просматривается на примере зажигалки нажимного действия. При нажатии на клавишу, зажигалка выдает целую серию искр, что свидетельствует о наиболее удачном использовании пьезогенератора в данной конструкции. Чтобы представить себе принцип работы, рекомендуется рассмотреть схему упрощенной модели этого устройства. Она выполнена в виде опоры с рычагом, создающим большое усилие, воздействующее на пьезоэлемент.

Сами элементы представляют собой сплошные цилиндрические конструкции, на торцах которых расположены электроды. Они соприкасаются друг с другом, поэтому на них воздействует одинаковая сила. Ориентация каждого пьезоэлемента между собой выполнена таким образом, чтобы электроды соприкасающихся поверхностей имели один заряд, например, положительный, а противоположные концы – заряд с другим знаком. Порядок подключения необходимо обязательно соблюдать, особенно при изготовлении подобного устройства своими руками.

Под действием рычага электроды замыкаются, и возникает электрическое параллельное соединение каждого пьезоэлемента между собой. От точки соприкосновения выводится токовод с закругленным наконечником, расположенным от металлической основы на определенном расстоянии. Во время нажатия на рычаг воздушный промежуток между основой и наконечником пробивается электрической искрой. Теперь уже понятно, как работает такая зажигалка. При дальнейшем нажатии усилие возрастает, что приводит к появлению второй и последующей искр. Это будет происходить до тех пор, пока пьезоэлементы не разрушатся полностью.

Популярные статьи  Выбор основных параметров и элементов системы электроснабжения промышленных предприятий

Практическое использование пьезоэффекта

Самое известное применение пьезоэлементов – в качестве элемента для зажигания. Пьезоэффект используется в карманных зажигалках или в кухонных воспламенителях для газовых плит. При нажатии на кристалл возникает разность потенциалов и в воздушном промежутке появляется искра.

Этим область применения пьезоэлементов не исчерпывается. Кристаллы, обладающие подобным эффектом, могут применяться в качестве датчиков деформации, но эту сферу использования ограничивает свойство пьезоэффекта проявляться только в динамике – если изменения остановились, сигнал перестает генерироваться.

Пьезокристаллы могут быть использованы в качестве микрофона – при воздействии акустических волн формируются электрические сигналы. Обратный пьезоэффект позволяет также (иногда одновременно) применять такие элементы в качестве звукоизлучателей. При подаче на кристалл электрического сигнала, пьезоэлемент начнет генерировать акустические волны.

Такие излучатели широко применяются для создания ультразвуковых волн, в частности, в медицинской технике. При этом можно использовать и резонансные свойства пластины. Она может применяться в качестве акустического фильтра, выделяющего волны только собственной частоты. Другой вариант – использование в звуковом генераторе (сирене, извещателе и т.п.) пьезоэлемента одновременно в качестве частотозадающего и звукоизлучающего элемента. В этом случае звук всегда будет генерироваться на резонансной частоте, и можно получить максимальную громкость с небольшими энергозатратами.

Резонансные свойства используются для стабилизации частот генераторов, работающих в радиочастотном диапазоне. Пластинки из кварца выполняют роль высокостабильных и высокодобротных колебательных контуров в частотозадающих цепях.

Существуют фантастические пока проекты преобразовывать энергию упругой деформации в электрическую энергию в промышленных масштабах. Можно использовать деформацию дорожного покрытия под действием тяжести пешеходов или автомобилей, например, для освещения участков трасс. Можно применять энергию деформации крыльев самолета для обеспечения бортсети. Такое использование сдерживается недостаточным КПД пьезоэлементов, но опытные установки уже созданы, и они показали перспективность дальнейшего совершенствования.

Что такое диэлектрическая проницаемость

Что такое симистор и как с его помощью управлять нагрузкой

Что такое датчик Холла: принцип работы, устройство и способы проверки на работоспособность

Что такое ЭДС индукции и когда возникает?

Что такое электрофорная машина и как она работает?

Что такое кварцевый резонатор и как он работает?

Пьезоэлектрические материальные уравнения

Поляризованные пьезоэлектрические материалы характеризуются несколькими коэффициентами и соотношениями. Четыре возможные формы для пьезоэлектрических материальных уравнений показаны ниже :

  • Форма механическое напряжение — заряд
  • Форма механическое напряжение — электрическое напряжение
  • Форма деформация — заряд
  • Форма деформация — электрическое напряжение

    ,

  • где {T} — 6×1 вектор механического напряжения, Па,
  • {S} — 6×1 вектор механической относительной деформации (упругая деформация), м/м,
  • {D} — 3×1 вектор электрической индукции (электрическое смещение), Кл/м2,
  • {E} — 3×1 вектор напряженности электрического поля, В/м,
  • [cE/D] — 6×6 матрица коэффициентов упругой жесткости (при постоянной E/D), Н/м2
  • [sE/D] — 6×6 матрица коэффициентов упргой поддатливости (при постоянной E/D), м2/Н,
  • [εS/T] — 3×3 матрица диэлектрической проницаемости (для S = постоянная/T = 0), Ф/м,
  • — 3×6 матрица пьезоэлектрических коэффициентов механического напряжения, Кл/м2 или Н/Вм,
  • — 3×6 матрица пьезоэлектрических коэффициентов деформации, Н/Кл или В/м,
  • — 3×6 матрица пьезоэлектрических коэффициентов заряда (относительной деформации), Кл/Н или м/В,
  • — 3×6 матрица пьезоэлектрических постоянных электрического напряжения (давления), м2/Кл или Вм/Н,
  • t (верхний индекс) — транспонированная матрица

Механизм

Пьезоэлектрическая пластина, используемая для преобразования звуковой сигнал к звуковым волнам

Природа пьезоэлектрического эффекта тесно связана с возникновением электрические дипольные моменты в твердых телах. Последнее может быть индуцировано для ионы на кристаллическая решетка сайты с асимметричным зарядовым окружением (как в BaTiO3 и ПЗЦ) или могут непосредственно переноситься молекулярными группами (как в тростниковый сахар). Дипольная плотность или поляризация (размерность [См · м / м3]) легко вычисляется для кристаллы суммируя дипольные моменты на объем кристаллографической ячейка. Поскольку каждый диполь является вектором, плотность диполя п это векторное поле. Диполи рядом друг с другом имеют тенденцию выстраиваться в областях, называемых доменами Вейсса. Домены обычно ориентированы случайным образом, но могут быть выровнены с помощью процесса опрос (не то же самое, что ), процесс, при котором к материалу прикладывается сильное электрическое поле, обычно при повышенных температурах. Не все пьезоэлектрические материалы можно полюсировать.

Решающее значение для пьезоэффекта имеет изменение поляризации п при применении механическое напряжение. Это может быть вызвано либо реконфигурацией диполь-индуцирующего окружения, либо переориентацией молекулярных дипольных моментов под влиянием внешнего напряжения. Затем пьезоэлектричество может проявляться в изменении силы поляризации, ее направления или обоих, причем детали зависят от: 1. ориентации п внутри кристалла; 2. симметрия кристалла; и 3. приложенное механическое напряжение. Изменение в п появляется как вариация поверхности плотность заряда на гранях кристалла, т.е. как вариант электрическое поле распространение между гранями, вызванное изменением дипольной плотности в объеме. Например, 1 см3 Куб кварца с правильно приложенной силой 2 кН (500 фунт-сила) может производить напряжение 12500 V.

Пьезоэлектрические материалы также показывают обратный эффект, называемый обратный пьезоэлектрический эффект, где приложение электрического поля создает механическую деформацию в кристалле.

Математическое описание

Линейное пьезоэлектричество — это совокупный эффект

Линейное электрическое поведение материала:

D=εE⟹Dя=εяjEj{displaystyle mathbf {D} = {oldsymbol {varepsilon}}, mathbf {E} quad подразумевает quad D_ {i} = varepsilon _ {ij}, E_ {j};}
куда D это плотность электрического потока (электрическое перемещение), ε является диэлектрическая проницаемость (диэлектрическая проницаемость свободного тела), E является напряженность электрического поля, и ∇⋅D=,∇×E={displaystyle abla cdot mathbf {D} = 0 ,,,, abla imes mathbf {E} = mathbf {0}}.

Закон Гука для линейно-упругих материалов:

S=sТ⟹Sяj=sяjkлТkл{displaystyle {oldsymbol {S}} = {mathsf {s}}, {oldsymbol {T}} quad подразумевает quad S_ {ij} = s_ {ijkl}, T_ {kl};}
куда S линеаризованный напряжение, s является согласие в условиях короткого замыкания, Т является стресс, и
∇⋅Т=,S=∇ты+ты∇2{displaystyle abla cdot {oldsymbol {T}} = mathbf {0} ,,,, {oldsymbol {S}} = {frac {abla mathbf {u} + mathbf {u} abla} {2}}}.
Популярные статьи  Что такое электрическая дуга, как она возникает и где применяется?

Их можно объединить в так называемые связанные уравнения, из которых форма деформационного заряда является:

S=sТ+dтE⟹Sяj=sяjkлТkл+dkяjEkD=dТ+εE⟹Dя=dяjkТjk+εяjEj.{displaystyle {egin {align} {oldsymbol {S}} & = {mathsf {s}}, {oldsymbol {T}} + {mathfrak {d}} ^ {t}, mathbf {E} quad подразумевает четырехъядерный S_ {ij } = s_ {ijkl}, T_ {kl} + d_ {kij}, E_ {k} mathbf {D} & = {mathfrak {d}}, {oldsymbol {T}} + {oldsymbol {varepsilon}}, mathbf {E} quad подразумевает quad D_ {i} = d_ {ijk}, T_ {jk} + varepsilon _ {ij}, E_ {j} ,. end {выравнивается}}}

В матричной форме

{S}=sE{Т}+dт{E}{D}=d{Т}+εТ{E},{Displaystyle {начало {выровнено} {S} & = left {T} + {E} {D} & = {T} + left {E} ,, конец {выровнен}}}

куда [d] — матрица прямого пьезоэффекта, а [dт] — матрица обратного пьезоэффекта. Верхний индекс E указывает на нулевое или постоянное электрическое поле; верхний индекс Т указывает на нулевое или постоянное поле напряжений; а верхний индекс t означает транспозиция из матрица.

Обратите внимание, что тензор третьего порядка d{displaystyle {mathfrak {d}}} отображает векторы в симметричные матрицы. Нетривиальных инвариантных к вращению тензоров, обладающих этим свойством, не существует, поэтому не существует изотропных пьезоэлектрических материалов

Деформационный заряд для материала 4мм (C) кристалл класс (например, пьезоэлектрическая керамика с поляризацией, такая как тетрагональный PZT или BaTiO3) так же хорошо как класс кристалла также можно записать как (ANSI IEEE 176):

Сущность пьезоэффекта

Знаменитые физики установили, что при деформации некоторых кристаллов (горный хрусталь, турмалин и т.д.) на их гранях возникают электрические заряды. При этом разность потенциалов была невелика, но её уверенно фиксировали существовавшие в то время приборы, а соединив участки с разнополярными зарядами с помощью проводников, удавалось получить электрический ток. Явление фиксировалось только в динамике, в момент сжатия или растяжения. Деформация в статическом режиме пьезоэффект не вызывала.

Вскоре был теоретически обоснован и открыт на практике обратный эффект – при подаче напряжения кристалл деформировался. Выяснилось, что оба явления взаимосвязаны – если вещество проявляет прямой пьезоэффект, то ему присущ и обратный, и наоборот.

Явление наблюдается в веществах с кристаллической решеткой анизотропного типа (у которых физические свойства различны в зависимости от направления) с достаточной асимметрией, а также некоторые поликристаллические структуры.

В любом твердом теле приложенные внешние силы вызывают деформацию и механические напряжения, а в веществах, обладающих пьезоэффектом ещё и поляризацию зарядов, причём поляризация зависит от направления приложенной силы. При смене направления воздействия меняется и направление поляризации, и полярность зарядов. Зависимость поляризации от механического напряжения линейна и описывается выражением P=dt, где t – механическое напряжение, а d – коэффициент, называемый пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем).

Подобное явление происходит и при обратном пьезоэффекте. При изменении направления приложенного электрического поля изменяется направление деформации. Здесь зависимость также линейна: r=dE, где E – напряжённость электрического поля, а r – деформация. Коэффициент d одинаков при прямом и обратном пьезоэффекте у всех веществ.

На самом деле приведенные уравнения лишь оценочны. Фактические зависимости намного сложнее и определяются ещё и направлением сил относительно кристаллических осей.

Конструкционные особенности преобразователей

Если необходимо изготовить датчик акселерометра, то важно правильно прикрепить пьезочувствительные пластины к основанию. Это действие осуществляется паянием

Кабель должен соответствовать следующим требованиям:

  • изоляционное сопротивление должно быть высоким;
  • экран размещен рядом с жилой;
  • антивибрационность;
  • гибкость.

То есть на вход усилителя не должна производиться тряска кабеля. Измерительная цепь создается симметрично, чтобы не возникало помех. В датчике связь несимметричная, сопротивление выводов и корпуса соединено таким образом, что получается изоляция внешних пластин. Чтобы добиться нужного результата, требуется измеритель выполнить из нечетного количества материалов, которые используются в процессе. Элементы прижимаются к усилителю сквозь отверстия в центральной части и через изоляторы, которые привинчены к корпусу.

Применение пьезокерамики

Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента

обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.

В генераторах

, пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.

В сенсорах

, пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.

В силовых приводах

, пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.

В преобразователях

, пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики .

Ультразвук Преобразователи Проектирование

Ranier Clement Tjiptoprodjo. On a Finite Element Approach to Modeling of Piezoelectric Element Driven Compliant Mechanisms.- Saskatchewan, Canada.: University of Saskatchewan Saskatoon, April 2005
Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
David H. Johnson. Simulation of an ultrasonic piezoelectric transducer for NASA/JPL Mars rover.- PA, USA.: Cybersonic, Inc. of Erie, 2003.
www.piezo.com
ОСТ 11 0444-87 «Материалы пьезокерамические»
Tokin. Multilayer Piezoelectic Actuators. User’s Manual, Tokin Corporate Publisher.: 1996.
Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.I. Механика.- Москва.:1979.
Голямина И.П. Ультразвук.-Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
Jan Tichy, Jiry Erhart, Erwin Kittinger, Jana Privratska. Fundamentals of Piezoelectric Sensorics.- Heidelberg, Dordrecht, London, New York.: Springer, 2010

Популярные статьи  Регулятор оборотов электродвигателя: назначение, принцип работы

ремонт зажигалки газовой плиты

Но я ставил в нее другой кремень, тоже зиппо покупал вместе с зажигалкой — тоже колесико не вращалось. Я просто не знаю мне продавцу что написать, что он прислал брак и просить вернуть деньги или как поступить. Здравствуйте, вот доехала моя зажигалка zippo satin chrome. Но есть проблема, колесико не крутится, не удается его сдвинуть с места чтобы высечь искру. Открутил винтик, вынул кремень из зажигалки, колесико вращается, вернул кремень на место, закрутил винт — снова не проворачивается. В одноразовой зажигалке стерся кремень, я решил вставить туда новый кремень 2 способа вставить кремень Он выглядит как крохотный черный цилиндр длиной около 6 миллиметров. Чтобы поменять кремень, снимите прикрывающие его металлическую крышку и колесико.

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики

), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называетсяпрямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

Справка: Первая статья Жака и Пьера Кюри о пьезоэлектричестве была представлена Минералогическому обществу Франции (Societe mineralogique de France) на сессии 8 Апреля 1880 года и позже Академии наук (Academie des Sciences) на сессии 24 августа 1880 года. Пьер и Жак Кюри впервые открыли прямой пьезоэлектрический эффект у кристалла турмалина

. Они заметили, что если оказывать механическое давление на кристалл в определенном направлении, на противоположных сторонах кристалла возникают электрические заряды пропорциональные давлению и противоположной полярности. Позже они открыли подобный эффект у кварца и других кристаллов . В 1880 году Пьеру Кюри был только 21 год .

Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект

, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.

Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.

Рисунок 1 – Элементарная ячейка цирконата титоната свинца (ЦТС) при температуре выше точки Кюри (слева) и при температуре ниже точки Кюри (справа)

Здесь можно кратко пояснить пьезоэлектрический эффект

на примере титаната бария, часто применяемой пьезоэлектрической керамики со сравнительно простой конструкцией элементарной ячейки. Титанат бария ВаТiO3, как и многие другие пьезокерамические вещества, аналогичен по структуре перовскиту (СаТiО3), по которому и назван этот класс материалов. Элементарная ячейка при температурах выше, критической, которая называется также точкой Кюри, является кубической. Если температура ниже этой критической, то элементарная ячейка тетрагонально искажается по направлению к одной из кромок. В результате изменяются и расстояния между положительно и отрицательно заряженными ионами (рисунок 1, для ВаТiO3 вместо Pb — Ba). Смещение ионов из их первоначального положения очень мало: оно составляет несколько процентов параметра элементарной ячейки. Однако такое смещение приводит к разделению центров тяжести зарядов внутри ячейки, так что образуется электрический дипольный момент. По энергетическим условиям диполи соседних элементарных ячеек кристалла упорядочиваются по областям в одинаковом направлении, образуя так называемые домены.

Рисунок 2 – Неупорядоченная поляризация (слева) и упорядоченная поляризация доменов при наложениии сильного электрического поля (справа)

Направления поляризации доменов распределяются в поликристаллической структуре по статическому закону. Таким образом, неупорядоченные скопления отдельных микрокристаллов в структуре вещества, образующиеся только в спеченной керамики, в макроскопическом смысле вообще не могут давать никакого пьезоэлектрического эффекта. Только после так называемого процесса поляризации, в котором при наложении сильного электрического поля на керамику происходит выравнивание возможно большего числа доменов параллельно друг другу, удается использовать пьезоэлектрические свойства элементарных ячеек. Поляризация обычно проводится при температуре немного ниже температуры Кюри, чтобы облегчить ориентацию доменов. После охлаждения это упорядоченное состояние остается стабильным.

Современные средства проектирования позволяют рассчитать / промоделировать отдельно пьезоэлемент или пьезоэлектрический преобразователь целиком. По согласованию с Инженерными решениями Вы можете заказать расчет парметров пьезоэлектрического преобразователя

Механическое сжатие или растяжение, действующее на пьезоэлектрическую пластину параллельно направлению поляризации, приводит к деформации всех элементарных ячеек. При этом центры тяжести зарядов взаимно смещаются внутри элементарных ячеек, которые расположены теперь преимущественно параллельно, и в результате получается заряд на поверхности .

Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь

Этот прибор устроен таким образом, что не требует дополнительных настроек. Он снабжен блоком памяти, который выдает технический результат. Относится к контрольно-измерительным аппаратам. Подобные устройства отличаются по типу, техническим характеристикам, которые составляются на основе данных о конструкции и предназначении с минимальными погрешностями. Все требования учитываются на основе конструкции.

Для всех подобных аппаратов предусмотрена стандартная схема создания: дефектоскоп, корпус, электроды, главный элемент, который скрепляют с основанием, жила, фольга и другие материалы. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь является полезной моделью. Он позволяет получать данные непосредственно с помощью звука, установленного на основании устройства.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Денис Серебряков/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: