Pjezoelektrinį efektą XIX a. pabaigoje atrado prancūzai broliai Kiuri. Tuo metu dar buvo per anksti kalbėti apie praktinį atrasto reiškinio pritaikymą, tačiau šiandien pjezoelektriniai elementai plačiai naudojami tiek technologijose, tiek kasdieniame gyvenime.
Turinys
Pjezoefekto esmė
Žinomi fizikai atrado, kad deformuojant tam tikrų kristalų (kalnų krištolo, turmalino ir kt.) briaunas atsiranda elektros krūvis. Potencialų skirtumas vis dėlto buvo nedidelis, tačiau jį buvo galima aiškiai nustatyti tuo metu turimais prietaisais, o laidininkais sujungus sritis su priešingais poliariniais krūviais buvo galima gauti elektros srovė. Šis reiškinys buvo užfiksuotas tik dinamikoje, susitraukimo ar tempimo metu. Statinė deformacija nesukėlė pjezoefekto.
Netrukus buvo teoriškai pagrįstas ir praktiškai atrastas priešingas efektas - kristalas deformavosi, kai buvo įjungta įtampa. Paaiškėjo, kad šie du reiškiniai tarpusavyje susiję - jei medžiaga pasižymi tiesioginiu pjezoefektu, ji taip pat pasižymi atvirkštiniu poveikiu, ir atvirkščiai.
Šis reiškinys pastebimas medžiagose, kurių kristalinė gardelė yra anizotropinė (priklausomai nuo krypties pasižymi skirtingomis fizikinėmis savybėmis) ir turi pakankamą asimetriją, taip pat kai kuriose polikristalinėse struktūrose.
Bet kokiame kietajame kūne veikiančios išorinės jėgos sukelia deformaciją ir mechaninius įtempius, o medžiagose su pjezoefektu - krūvininkų poliarizaciją, kai poliarizacija priklauso nuo veikiančios jėgos krypties. Pakeitus veikimo kryptį, pasikeičia ir poliarizacijos kryptis, ir krūvių poliškumas. Poliarizacijos priklausomybė nuo mechaninio įtempio yra tiesinė ir aprašoma išraiška P=dt, kur t - mechaninis įtempis, o d - koeficientas, vadinamas pjezoelektriniu moduliu (pjezomoduliu).
Panašus reiškinys pasireiškia ir atvirkštinio pjezoefekto atveju. Keičiantis taikomo elektrinio lauko krypčiai, keičiasi ir deformacijos kryptis. Čia priklausomybė taip pat yra tiesinė: r=dE, kur E yra elektrinio lauko stipris, o r - deformacija. Visose medžiagose tiesioginio ir atvirkštinio pjezoefekto koeficientas d yra vienodas.
Iš tikrųjų šios lygtys yra tik įverčiai. Tikrieji ryšiai yra daug sudėtingesni ir priklauso nuo jėgų krypties kristalo ašių atžvilgiu.
Pjezoefektą turinčios medžiagos
Pirmą kartą pjezoefektas atrastas kalnų krištolo (kvarco) kristaluose. Šiandien ši medžiaga labai paplitusi pjezoelektrinių elementų gamyboje, tačiau gamyboje naudojamos ne tik natūralios medžiagos.
Daugelio pjezoelektrinių elementų pagrindą sudaro medžiagos, kurių formulė ABO3formulė, pavyzdžiui, BaTiO3, PbTiO3. Šios medžiagos yra polikristalinės struktūros (sudarytos iš daugelio kristalų) ir turi būti poliarizuojamos išoriniu elektriniu lauku, kad galėtų pasireikšti pjezoefektas.
Yra technologijų, leidžiančių gaminti plėvelinius pjezoelektrikus (polivinilidenfluoridą ir kt.). Kad jie įgytų reikiamų savybių, juos taip pat reikia ilgai poliarizuoti elektriniame lauke. Tokių medžiagų privalumas - labai mažas storis.
Pjezoefektą turinčių medžiagų savybės ir charakteristikos
Kadangi poliarizacija vyksta tik tampriosios deformacijos metu, svarbi pjezomedžiagų savybė yra jų gebėjimas keisti formą veikiant išorinėms jėgoms. Šio gebėjimo reikšmę lemia tamprusis paslankumas (arba tamprusis standumas).
Pjezoefektą turintys kristalai yra labai elastingi - pašalinus jėgą (arba išorinį įtempimą) jie grįžta į pradinę formą.
Pjezo kristalams taip pat būdingas mechaninio rezonanso dažnis. Jei kristalas priverstas virpėti šiuo dažniu, amplitudė būna ypač didelė.
Kadangi pjezoelektriniu poveikiu pasižymi ne tik ištisi kristalai, bet ir tam tikromis sąlygomis supjaustyti kristalai, galima pagaminti pjezoelektrinius gabalus, kurių rezonansas priklauso nuo geometrinių matmenų ir pjovimo krypties.
Pjezoelektrinių medžiagų vibracines savybes taip pat apibūdina jų mechaninės kokybės koeficientas. Tai rodo, kiek kartų padidėja virpesių amplitudė rezonanso dažniu, kai veikiama vienoda jėga.
Pjezoelektrinių savybių priklausomybė nuo temperatūros yra akivaizdi, todėl naudojant kristalus būtina į tai atsižvelgti. Šią priklausomybę apibūdina koeficientai:
- rezonanso dažnio temperatūrinis koeficientas rodo, kiek rezonansas išnyksta kristalą kaitinant/šaldant;
- Temperatūrinis plėtimosi koeficientas rodo, kiek keičiasi pjezo plokštelės linijiniai matmenys priklausomai nuo temperatūros.
Tam tikroje temperatūroje pjezokristalas praranda savo savybes. Ši riba vadinama Kiuri temperatūra. Ši riba kiekvienai medžiagai yra individuali. Pavyzdžiui, kvarco temperatūra yra +573 °C.
Praktinis pjezoefekto taikymas
Geriausiai žinomas pjezoelementų pritaikymas yra uždegimo elementas. Pjezoefektas naudojamas kišeniniuose žiebtuvėliuose arba virtuvės dujinių viryklių uždegikliuose. Paspaudus kristalą, susidaro potencialų skirtumas ir oro tarpe atsiranda kibirkštis.
Tai neišsemia pjezoelektrinių elementų taikymo srities. Tokio pat poveikio kristalai gali būti naudojami kaip tenzometrai, tačiau šį taikymą riboja pjezoefekto savybė būti dinaminiam - jei pokytis nutrūko, signalas nebegeneruojamas.
Pjezokristalai gali būti naudojami kaip mikrofonas - veikiant akustinėms bangoms generuojami elektriniai signalai. Dėl atvirkštinio pjezoefekto tokius elementus taip pat galima (kartais vienu metu) naudoti kaip garso skleidėjus. Kai į kristalą paduodamas elektrinis signalas, pjezoelementas pradeda generuoti akustines bangas.
Tokie skleidikliai plačiai naudojami ultragarso bangoms generuoti, ypač medicinos technikoje. Svetainėje adresu taip pat galima pasinaudoti plokštės rezonansinėmis savybėmis. Jį galima naudoti kaip akustinį filtrą, kuris skleidžia tik savo dažnio bangas. Kita galimybė - naudoti pjezoelementą garso generatoriuje (sirenoje, detektoriuje ir t. t.) kaip dažnį išlaikantį ir garsą skleidžiantį elementą. Tokiu atveju garsas visada sklinda rezonansiniu dažniu, o maksimalų garsą galima pasiekti su nedidelėmis energijos sąnaudomis.
Rezonansinės savybės naudojamos radijo dažnių diapazone veikiančių osciliatorių dažniams stabilizuoti. Kvarcinės plokštelės veikia kaip labai stabilios ir aukštos kokybės virpesių grandinės dažnį išlaikančiose grandinėse.
Kol kas yra fantastiškų projektų, kaip pramoniniu mastu tampriosios deformacijos energiją paversti elektros energija. Grindinio deformaciją dėl pėsčiųjų ar automobilių svorio galite panaudoti, pavyzdžiui, apšviesdami greitkelių ruožus. Lėktuvo sparnų deformacijos energija galėtų būti naudojama lėktuvo borto tinklui maitinti. Tokį naudojimą riboja nepakankamas pjezoelementų efektyvumas, tačiau jau yra sukurti įrenginių prototipai, kuriuos galima tobulinti.
Susiję straipsniai:
