A piezoelektromos hatást a 19. század végén fedezték fel a francia Curie testvérek. Akkoriban még túl korai volt a felfedezett jelenség gyakorlati alkalmazásáról beszélni, de ma már a piezoelektromos elemeket széles körben használják a technológiában és a mindennapi életben egyaránt.
Tartalomjegyzék
A piezo hatás lényege
Ismert fizikusok felfedezték, hogy amikor bizonyos kristályok (hegyikristály, turmalin stb.) homlokfelületeiken deformálódnak, elektromos töltések keletkeznek. A potenciálkülönbség ennek ellenére kicsi volt, de az akkor rendelkezésre álló műszerekkel egyértelműen kimutatható volt, és az ellentétes poláris töltésű területeket vezetőkkel összekötve az alábbiakat lehetett kapni elektromos áram. A jelenséget csak dinamikában, az összehúzódás vagy nyújtás pillanatában regisztrálták. A statikus deformáció nem váltotta ki a piezo hatást.
Hamarosan az ellenkező hatást is elméletben elmagyarázták és a gyakorlatban is felfedezték - amikor feszültséget alkalmaztak, a kristály deformálódott. Kiderült, hogy a két jelenség összefügg egymással - ha egy anyag közvetlen piezo hatást mutat, akkor fordított hatást is mutat, és fordítva.
A jelenséget anizotróp kristályráccsal rendelkező (az iránytól függően eltérő fizikai tulajdonságokkal rendelkező), kellően aszimmetrikus anyagokban, valamint egyes polikristályos szerkezetekben figyelhetjük meg.
Bármely szilárd anyagban az alkalmazott külső erők deformációt és mechanikai feszültségeket, a piezo hatású anyagokban pedig a töltések polarizációját idézik elő, ahol a polarizáció az alkalmazott erő irányától függ. Ha a hatás iránya megfordul, a töltések polarizációs iránya és polaritása is megváltozik. A polarizáció függése a mechanikai feszültségtől lineáris, és a P=dt kifejezéssel írható le, ahol t a mechanikai feszültség és d a piezoelektromos modulusnak (piezomodulus) nevezett együttható.
Hasonló jelenség fordul elő az inverz piezo-hatásnál is. Ha az alkalmazott elektromos tér iránya megváltozik, a deformáció iránya is megváltozik. Itt a függés szintén lineáris: r=dE, ahol E az elektromos térerősség és r az alakváltozás. A d együttható minden anyag esetében azonos az előremenő és a hátramenő piezohatás esetében.
Ezek az egyenletek valójában csak becslések. A tényleges összefüggések sokkal összetettebbek, és a kristálytengelyekhez viszonyított erők iránya határozza meg őket.
Piezo hatású anyagok
A piezoeffektust először a hegyikristály (kvarc) kristályaiban fedezték fel. Ma ez az anyag nagyon elterjedt a piezoelektromos elemek gyártásában, de nem csak természetes anyagokat használnak a gyártás során.
Számos piezoelektromos elem az ABO képletű anyagokon alapul.3képlet, például BaTiO3, PbTiO3. Ezek az anyagok polikristályos (több kristályból álló) szerkezetűek, és külső elektromos térrel kell polarizálni őket, hogy piezohatást tudjanak kifejteni.
A piezoelektromos filmek (polivinilidén-fluorid stb.) előállítására rendelkezésre állnak technológiák. Ahhoz, hogy a szükséges tulajdonságokkal rendelkezzenek, hosszú ideig elektromos mezőben kell polarizálni őket. Az ilyen anyagok előnye, hogy nagyon kis vastagságúak.
A piezo hatású anyagok tulajdonságai és jellemzői
Mivel a polarizáció csak a rugalmas deformáció során megy végbe, a piezo-anyagok fontos jellemzője, hogy külső erők hatására képesek alakot változtatni. Ennek a képességnek az értékét a rugalmasság (vagy rugalmas merevség) határozza meg.
A piezo hatású kristályok rendkívül rugalmasak - az erő (vagy a külső feszültség) megszüntetésekor visszatérnek eredeti alakjukba.
A piezokristályoknak is van egy saját mechanikai rezonanciafrekvenciájuk. Ha a kristály ezen a frekvencián rezgésre kényszerül, az amplitúdó különösen nagy lesz.
Mivel nem csak a teljes kristályok mutatják a piezoelektromos hatást, hanem a bizonyos feltételek mellett vágott kristályok is, lehetséges olyan piezoelektromos darabok előállítása, amelyek különböző frekvenciákon rezonálnak - a geometriai méretektől és a vágási iránytól függően.
A piezoelektromos anyagok rezgési tulajdonságait mechanikai minőségi tényezőjük is jellemzi. Ez azt jelzi, hogy azonos erőhatás esetén hányszorosára nő a rezgés amplitúdója a rezonanciafrekvencián.
A piezoelektromos tulajdonságok egyértelműen függnek a hőmérséklettől, amit a kristályok használatakor figyelembe kell venni. Ezt a függőséget együtthatókkal jellemzik:
- a rezonanciafrekvencia hőmérsékleti együtthatója azt jelzi, hogy a rezonancia mennyire tűnik el, amikor a kristályt melegítjük/hűtjük;
- A hőmérséklet-tágulási együttható azt mutatja meg, hogy a piezo lemez lineáris méretei mennyire változnak a hőmérséklet függvényében.
Egy bizonyos hőmérsékleten a piezokristály elveszíti tulajdonságait. Ezt a határértéket Curie-hőmérsékletnek nevezik. Ez a határérték minden egyes anyag esetében egyedi. A kvarc esetében ez például +573 °C.
A piezo effektus gyakorlati alkalmazása
A piezoelemek legismertebb alkalmazása a gyújtóelemként való felhasználás. A piezo-hatást a zsebgyújtókban vagy a gáztűzhelyek konyhai gyújtószerkezeteiben használják. A kristály megnyomásakor potenciálkülönbség keletkezik, és a légrésben szikra keletkezik.
Ez nem meríti ki a piezoelektromos cellák alkalmazási területét. Az ugyanilyen hatású kristályok használhatók nyúlásmérőként, de ezt az alkalmazást korlátozza a piezo hatás dinamikus tulajdonsága - ha a változás megállt, a jel már nem generálódik.
A piezokristályok mikrofonként használhatók - akusztikus hullámok hatására elektromos jelek keletkeznek. Az inverz piezo effektus lehetővé teszi (néha egyidejűleg) az ilyen elemek hangkibocsátóként való használatát is. Amikor elektromos jelet adunk a kristályra, a piezoelem akusztikus hullámokat kezd el generálni.
Az ilyen sugárzókat széles körben használják ultrahanghullámok előállítására, különösen az orvostechnikában. A címen. a címen. a lemez rezonanciatulajdonságai is kihasználhatók. Akusztikai szűrőként használható, csak a saját frekvenciájú hullámokat bocsátja ki. Egy másik lehetőség egy piezoelem használata egy hanggenerátorban (sziréna, érzékelő stb.), amely egyszerre frekvenciatartó és hangkibocsátó elem. Ebben az esetben a hang mindig a rezonanciafrekvencián keletkezik, és a maximális hangerő kis energiabefektetéssel érhető el.
A rezonancia tulajdonságait a rádiófrekvenciás tartományban működő oszcillátorok frekvenciájának stabilizálására használják. A kvarclapok rendkívül stabil és kiváló minőségű rezgőkörként működnek a frekvenciatartó áramkörökben.
Eddig fantasztikus projektek léteznek arra, hogy a rugalmas deformáció energiáját ipari méretekben elektromos energiává alakítsák. A járdáknak a gyalogosok vagy autók súlya által okozott deformációját például az autópályák szakaszainak megvilágítására használhatja. A repülőgépszárnyak deformációs energiája felhasználható a repülőgép fedélzeti hálózatának energiaellátására. Az ilyen felhasználást a piezoelemek elégtelen hatékonysága korlátozza, de már építettek prototípusokat, amelyek ígéretesnek bizonyultak a további javulás szempontjából.
Kapcsolódó cikkek:
