Что такое пьезоэлектрический эффект

5 Пьезоэффект

Пьезоэлектрический эффект был открыт братьями Кюри в 1880г. Пьезоэффект бывает прямой и обратный.

Прямой пьезоэффект – это процесс образования равных, но противоположных по знаку электрических зарядов на противоположных гранях некоторых кристаллических тел, называемых пьезоэлектриками, при давлении на эти тела.

Если изменить направление деформации, т.е. не сжимать, а растягивать пьезоэлектрик, то заряды на гранях изменят знак на обратный. К пьезоэлектрикам относятся кварц, сегнетова соль, титанат бария и т.д.

Обратный пьезоэффект – это процесс сжатия или расширения пьезоэлектрика под действием электрического поля в зависимости от направления вектора напряженности поля.

Для практических целей применяют пьезоэлектрики различной формы: прямоугольные или круглые пластинки, цилиндры, кольца. Пьезоэлемент помещают между металлическими обкладками или наносят металлические пленки на противоположные грани пьезоэлемента. Таким образом получается конденсатор с диэлектриком из пьезоэлектрика.

Если к такому пьезоэлементу подвести переменное напряжение, то пьезоэлемент за счет обратного пьезоэффекта будет сжиматься и расширяться, т.е. совершать механические колебания. В этом случае энергия электрических колебаний превращается в энергию механических колебаний с частотой, равной частоте приложенного переменного напряжения. Так как пьезоэлемент обладает собственной частотой механических колебаний, то возможно явление резонанса, когда частота приложенного напряжения совпадает с собственной частотой колебаний пластинки. При этом получается максимальная амплитуда колебаний пластинки пьезоэлемента.

Если на пьезоэлемент воздействовать механически с некоторой частотой, то возникает переменное напряжение той же частоты. В этом случае механическая энергия преобразуется в электрическую, и пьезоэлемент становится генератором переменной ЭДС. Таким образом, можно сказать, что пьезоэлемент является колебательной системой с электромеханическими колебаниями.

На основе пьезоэффекта работает кварцевый резонатор, содержащий кварцевый элемент, электроды и кварцедержатели, помещенные в герметичный металлический или стеклянный баллон.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора:

L, С, R – параметры кварцевого элемента. Индуктивность L отражает инерционные свойства кварцевой пластики, С – характеризует ее упругие свойства и активное сопротивление, R – сопротивление потерь. C_о – паразитная межэлектродная емкость.

Как видно из эквивалентной схемы, кварцевый резонатор имеет два резонанса: последовательный (частота которого зависит от параметров резонатора L и С) и параллельный (частота которого зависит от паразитной межэлектродной емкости С_о). Частота последовательного резонанса является более стабильной, чем частота параллельного резонанса. На практике используют оба вида резонанса.

Кварцевые резонаторы успешно работают в полосе частот от 70 Гц до десятков МГц. На их основе работают кварцевые генераторы, обеспечивающие высокую точность и стабильность частоты.

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

• 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.

12.7. Пьезоэлектрический эффект

Различают поперечный (рис. 12.24) и продольный (рис. 12.25) пьезоэффекты. Стрелки показывают силы, действующие на крис­талл. При изменении характера деформации, например, при пе­реходе от сжатия к растяжению, изменится и знак возникающих поляризационных зарядов.

Пьезоэлектрический эффект обусловлен деформацией элемен­тарных кристаллических ячеек и сдвигом подрешеток относительно друг друга при механических деформациях. Поляризован-ность при небольших механических деформациях пропорциональна их величине. Пьезоэффект возникает в кварце, сегнетовой соли и некоторых других кристаллах.

Для демонстрации пьезоэффекта можно использовать установ­ку, схема которой изображена на рис. 12.26. К кристаллу К, обладающему пьезоэлектрическими свойствами, приложены металли­ческие пластины М, которые замкнуты через неоновую лампу Н. Эта лампа потребляет небольшой силы ток и загорается при опре­деленном напряжении, т. е. является своеобразным индикатором напряжения.

При ударе по кристаллу (деформации) появляется напряжение на его гранях, а значит, и на металлических пластинах, и неоновая лампа вспыхивает.

Наряду с рассмотренным прямым пьезоэлектрическим эффектом наблюдается и обратный пьезоэффект: при наложении элект­рического поля на кристаллы последние деформируются.

Оба пьезоэффекта — прямой и обратный — применяют в тех случаях, когда необходимо преобразовать механическую величи­ну в электрическую или наоборот.

Так, прямой пьезоэффект используют в медицине — в датчиках для регистрации пульса, в технике — в адаптерах, микрофонах и для измерения вибраций, а обратный пьезоэффект — для создания механических колебаний и волн ультразвуковой частоты.

Существенный пъезоэффект возникает в костной ткани при наличии сдвиговых деформаций.

Причина эффекта — деформация коллагена — основного белка соединительной ткани. Поэтому пьезоэлектрическими свойства­ми обладают также сухожилия и кожа. При нормальной функци­ональной нагрузке, а также при отсутствии дефектов в строении кости в ней существуют только деформации сжатия — растяжения и пьезоэффект отсутствует. Когда что-то ненормально и возникает сдвиговая деформация, то возникает пьезоэффект. Он оказывает влияние на постоянно идущие в кости процессы разрушения и созидания и содействует тому, чтобы исчез сдвиг (меняется архитектура и даже форма кости). Указывают два возможных меха­низма воздействия пьезоэффекта: а) электрическое поле изменяет активность клеток, продуцирующих коллаген, и б) электрическое поле участвует в укладке макромолекул. Исследованием этого вопроса занимался В. Ф. Чепель.

12.8. Энергия электрического поля

Система зарядов или заряженных тел, заряженный конденса­тор обладают энергией.

В этом можно убедиться, разряжая, например, конденсатор че­рез лампочку, присоединенную к нему: лампочка вспыхнет.

Вычислим энергию поля конденсатора. Чтобы зарядить его, будем многократно переносить положительный заряд dq с одной обкладки на другую. По мере его переноса увеличивается напряжение между обкладками конденсатора. Работа, которую необходимо совершить против сил электрического поля для зарядки конденсатора, равна энергии конденсатора:

Элементарная работа по перемещению заряда против сил поля равна dA = Udq. Перенос заряда dq с одной обкладки конденсатора на другую изменяет напряжение его на dU, и тогда из формулы для электроемкости запишем dq = CdU, a значит, dA = CUdU.

Проинтегрировав это равенство в пределах от U₀ = 0 до некоторого конечного значения U, найдем выражение для энергии поля заряженного конденсатора:

Если, не изменяя заряда на обкладках конденсатора, отключенного от источника напряжения, раздвинуть его пластины от расстояния l₁ до l₂, то электроемкость уменьшится (см. 12.34). Как видно из (12.44), при этом энергия конденсатора с увеличением объема, занимаемого электрическим полем (рис. 12.27), возрастет, а напряженность поля останется постоянной. Отсюда ясно, что энергия заряженного конденсатора сосредоточена в объеме, занимаемом электрическим полем.

Более убедительно пояснить существование энергии электрического поля можно на примере переменного электромагнитного поля (передача сигнала на расстояние, давление света и т. п.).

Выразим энергию поля через его характеристики. С этой целью преобразуем (12.43), подставив выражение для емкости плоского конденсатора (12.34) и напряжение из (12.14):

(12.45)

где V = SI — объем, занимаемый электрическим полем конденсатора.

Предполагая, что электрическое поле плоского конденсатора однородно, разделим (12.45) на объем и получим объемную плотность энергии поля:

(12.46)

Единицей объемной плотности является джоуль на кубический метр (Дж/м 3 ).

В заключение заметим, что формула (12.46) справедлива и для неоднородного электрического поля, но тогда она выражает объемную плотность энергии в точке. Энергия неоднородного поля может быть найдена интегрированием (12.46) по соответствующему объему

В общем случае диэлектрическая проницаемость различна в разных точках среды, т. е. зависит от координат, поэтому в этой формулевходит под знак интеграла.

Что такое пьезоэлектрические материалы и почему за ними будущее

Если вы когда-либо пользовались зажигалкой, проходили медицинское ультразвуковое исследование в кабинете врача или включали газовую горелку, то использовали пьезоэлектричество. Рассказываем подробно, что это такое, какие пьезоэлектрические материалы бывают и почему за ними будущее.

Читайте «Хайтек» в

Пьезоэлектрический эффект — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля. В свою очередь, поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно. При прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектрического образца приводит к возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твердого тела, при обратном пьезоэффекте приложение напряжения к телу вызывает его деформацию.

Что такое пьезоэлектрические материалы?

• кость,
• кристаллы,
• определенная керамика,
• ДНК,
• эмаль,
• шелк,
• дентин и многое другое.

Материалы, которые демонстрируют пьезоэлектрический эффект, также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект (также называемый обратным или обратным пьезоэлектрическим эффектом). Обратный пьезоэлектрический эффект является внутренняя генерация механического напряжения 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. Ученые 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, а именно:

• тростникового сахара,
• турмалина,
• кварца,
• топаза,
• соли Рошеля (натрий-калиевая соль винной кислоты),

В итоге именно кварц и соль Рошеля продемонстрировали самые высокие пьезоэлектрические эффекты.

Однако братья Кюри не предсказывали обратный пьезоэлектрический эффект. Он 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 наблюдается пьезоэлектрический эффект, были полностью определены и опубликованы в Lehrbuch Der Kristallphysik — «Учебнике физики кристаллов». Но это оставалось малоизвестной и высокотехнологичной нишевой областью физики без каких-либо видимых технологических или коммерческих применений.

Пока не наступила война.

Мировая война

Первое технологическое применение пьезоэлектрического материала было в качестве ультразвукового детектора подводной лодки. Пластика-детектор сделана из преобразователя (устройства, которое переводит один вид энергии в другой) и гидрофон. Преобразователь 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 продвинулось во время Второй мировой войны из-за независимых исследований Японии, СССР и США.

В частности достижения в понимании взаимосвязи между кристаллической структурой и электромеханической активностью наряду с другими достижениями в исследованиях полностью изменили 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 возможностью прослушивания гидрофона и радиопередачей для мониторинга движения океанских судов) и системы пьезозажигания для одноцилиндрового зажигания.

Пьезоэлектрические кристаллы — какие они?

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

Встречающиеся в природе кристаллы:

• кварц — стабильный кристалл, используемый в кристаллах часов и кристаллах эталона частоты для радиопередатчиков,
• сахароза (столовый сахар),
• рошельская соль — выдает большое напряжение со сжатием; использовалась в ранних кристальных микрофонах,
• топаз,
• турмалин,
• берлинит (AlPO₄.) — редкий фосфатный минерал, структурно идентичный кварцу.

Техногенные кристаллы — ортофосфат галлия (GaPO₄), аналог кварца и лангасит, аналог кварца.

Пьезоэлектрические керамики:

• титанат бария (BaTiO₃ ); обнаружена первая пьезоэлектрическая керамика,
• титанат свинца (PbTiO₃),
• цирконат-титанат свинца (PZT),
• ниобат калия (KNbO₃),
• ниобат лития (LiNbO₃),
• танталат лития (LiTaO₃),
• оольфрамат натрия (Na₂WO₄).

Бессвинцовые пьезокерамики:

Следующие ниже материалы были разработаны в ответ на опасения по поводу вредного воздействия свинца на окружающую среду:

• ниобат натрия-калия (NaKNb) — этот материал имеет свойства, аналогичные PZT,
• феррит висмута (BiFeO₃),
• ниобат натрия (NaNbO₃).

Биологические пьезоэлектрические материалы:

• сухожилие,
• дерево,
• шелк,
• эмаль,
• дентин,
• коллаген.

Применение пьезоэлектрических материалов

Пьезоэлектрические материалы используются во многих отраслях промышленности, в том числе:

• производство,
• медицинское оборудование,
• телекоммуникации,
• автомобильная промышленность,
• информационные технологии (ИТ).

Высоковольтные источники питания:

• Электрические зажигалки. Когда вы нажимаете кнопку на зажигалке, кнопка заставляет небольшой подпружиненный молоток ударять по пьезоэлектрическому кристаллу, создавая ток высокого напряжения, который течет через зазор для нагрева и воспламенения газа.
• 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 пьезоэлектрический устройство, которое действует и как датчик, и исполнительный механизм. Ультразвуковые преобразователи содержат пьезоэлектрический элемент, который преобразует электрический сигнал в механическую вибрацию (режим передачи или компоненты привода) и механическую вибрацию в электрический сигнал (режим или компонент датчика приема).

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

К другим типам пьезоэлектрических датчиков относятся:

• Пьезоэлектрические микрофоны.
• Пьезоэлектрические звукосниматели для электроакустических гитар.
• Сонарные волны. Звуковые волны генерируются и воспринимаются пьезоэлектрическим элементом.
• Электронные барабанные пэды. Элементы обнаруживают удар палок барабанщиков 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 высокое напряжение электрического поля соответствует 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:

• музыкальные колонки,
• пьезоэлектрические двигатели,
• лазерная электроника,
• струйные принтеры (кристаллы управляют выбросом чернил из печатающей головки на бумагу),
• дизельные двигатели,
• рентгеновские ставни.

Умные материалы

Умные материалы — это широкий класс материалов, свойства которых могут быть изменены контролируемым методом под воздействием внешнего воздействия, такого как pH, температура, химические вещества, приложенное магнитное или электрическое поле или напряжение.

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

Дополнительные интеллектуальные материалы включают сплавы с памятью формы, галохромные материалы, магнитокалорические материалы, термочувствительные полимеры, фотоэлектрические материалы и многие другие.

Что ждет пьезоэлектрические материалы будущем?

Так что же ждет пьезоэлектрические материалы в будущем? Возникает захватывающая идея, что пьезоматериалы из нановолокна могут быть коммерчески использованы в качестве источника энергии. Они полагаются на механическое усилие для выработки электричества. Поэтому, если расположить их, например, на сенсорном экране, то они могут выступить в качестве подзарядки устройства. Конечно, часть созданной мощности идет на выполнение действия на сенсорном экране. Но есть вариант создания дополнительных ресурсов.

Два самых популярных материала, используемых для наногенераторов, — это полимер поливинилиденфторид (ПВДФ) и керамический цирконат-титанат свинца (PZT). ПВДФ демонстрирует более высокие пьезоэлектрические свойства, чем другие полимеры. Это связано с его полярной кристаллической структурой. В свою очередь PZT также имеет кристаллическую структуру и способен генерировать гораздо более высокие напряжения, чем другие пьезоэлектрические материалы для сбора энергии. Он также механически более прочен, особенно в форме нанопроволоки.

Промышленный дизайнер Чон-Хун Кимхас придумал блестящую идею использования пьезоэлектричества для питания автомобиля. Такие устройства, которые заряжают аккумуляторы, получают энергию от вибраций, возникающих при движении машины. Эта технология не производит выбросов и не зависит от ископаемого топлива, что делает ее экологически чистой.

Другой промышленный дизайнер, Пол Фригу, разработал мобильный телефон, который может заряжаться сам! Модель Zeri использует термоэлектрические и пьезоэлектрические системы. Первый использует изменения температуры для генерации заряда; второй — колебания воздуха. Эти две функции делают смартфон на 100% экологически чистым.

Мексиканец Альберто Вильярреал создал пару обуви, которая освещает путь ее владельцу. Используя кинетическую энергию ходьбы или бега, электролюминесцентные полимеры могут производить свет. Эти эффекты буду полезны для бегунов.

Следующая инновационная технология — в секторе планшетов. Использование регенеративного ввода на сенсорном экране вполне может стать предпочтительным способом зарядки этих популярных гаджетов. В среднем (статистически) средний человек нажимает на сенсорный экран 1 000 раз в день. Этого более чем достаточно для питания планшета.

Напоследок, пожалуй, самый интересный пьезоэлектрический гаджет — душ. Разработанный финскими, мексиканскими и немецкими инженерами, он содержит множество крошечных нанопроволок. Эти нанопровода используют энергию проходящей воды для производства электричества, которое используется для нагрева воды. Устройство также имеет сенсорные панели, которые контролируют количество использованной воды и подсчитывают время, проведенное пользователем в душе. Также имеется регулятор, который контролирует давление воды.

Читать далее

Диэлектрик — вещество, относительно плохо проводящее электрический ток. Электрические свойства диэлектриков определяются их способностью к поляризации во внешнем электрическом поле. Термин введён в науку английским физиком М. Фарадеем. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ см⁻³.