Het piëzo-elektrisch effect werd aan het eind van de 19e eeuw ontdekt door de Franse wetenschappers de gebroeders Curie. In die tijd was het te vroeg om te praten over de praktische toepassing van het ontdekte fenomeen, maar tegenwoordig worden piëzo-elektrische elementen veel gebruikt, zowel in de technologie als in het dagelijks leven.
Inhoud
De essentie van het piëzo-elektrische effect
Beroemde natuurkundigen hebben vastgesteld dat wanneer sommige kristallen (bergkristal, toermalijn, enz.) worden vervormd, er elektrische ladingen op hun gezicht ontstaan. Tegelijkertijd was het potentiaalverschil klein, maar het werd met vertrouwen vastgesteld door de apparaten die op dat moment bestonden, en door secties met tegengestelde polaire ladingen te verbinden met behulp van geleiders, was het mogelijk om te verkrijgen elektriciteit. Het fenomeen was alleen gefixeerd in de dynamiek, op het moment van compressie of rek. Vervorming in de statische modus veroorzaakte geen piëzo-elektrisch effect.
Al snel werd het tegenovergestelde effect theoretisch gerechtvaardigd en in de praktijk ontdekt - wanneer een spanning werd aangelegd, werd het kristal vervormd.Het bleek dat beide fenomenen met elkaar verbonden zijn - als een stof een direct piëzo-elektrisch effect vertoont, dan is het tegenovergestelde er ook inherent aan, en vice versa.
Het fenomeen wordt waargenomen in stoffen met een anisotroop type kristalrooster (waarvan de fysische eigenschappen verschillen afhankelijk van de richting) met voldoende asymmetrie, evenals enkele polykristallijne structuren.
In elk vast lichaam veroorzaken de uitgeoefende externe krachten vervorming en mechanische spanningen, en in stoffen met een piëzo-elektrisch effect veroorzaken ze ook polarisatie van ladingen, en de polarisatie hangt af van de richting van de uitgeoefende kracht. Bij het veranderen van de belichtingsrichting veranderen zowel de polarisatierichting als de polariteit van de ladingen. De afhankelijkheid van polarisatie van mechanische spanning is lineair en wordt beschreven door de uitdrukking P=dt, waarbij t mechanische spanning is, en d een coëfficiënt is die de piëzo-elektrische module (piëzo-elektrische module) wordt genoemd.
Een soortgelijk fenomeen doet zich voor bij het omgekeerde piëzo-elektrische effect. Wanneer de richting van het aangelegde elektrische veld verandert, verandert de richting van de vervorming. Ook hier is de afhankelijkheid lineair: r=dE, waarbij E de elektrische veldsterkte is en r de rek. De coëfficiënt d is hetzelfde voor directe en inverse piëzo-elektrische effecten voor alle stoffen.
In feite zijn de bovenstaande vergelijkingen slechts schattingen. De feitelijke afhankelijkheden zijn veel gecompliceerder en worden ook bepaald door de richting van krachten ten opzichte van de kristalassen.
Stoffen met een piëzo-elektrisch effect
Voor het eerst werd het piëzo-elektrisch effect gevonden in bergkristallen (kwarts). Tot op de dag van vandaag is dit materiaal heel gebruikelijk bij de productie van piëzo-elektrische elementen, maar bij de productie worden niet alleen natuurlijke materialen gebruikt.
Veel piëzo-elektrische apparaten zijn gemaakt van stoffen met de ABO-formule.3, bijv. BaTiO3, bТiO3. Deze materialen hebben een polykristallijne (bestaande uit veel kristallen) structuur en om ze het vermogen te geven om een piëzo-elektrisch effect te vertonen, moeten ze worden onderworpen aan polarisatie met behulp van een extern elektrisch veld.
Er zijn technologieën die het mogelijk maken om filmpiëzo-elektrisch materiaal te verkrijgen (polyvinylideenfluoride, enz.). Om ze de nodige eigenschappen te geven, moeten ze ook lange tijd gepolariseerd zijn in een elektrisch veld. Het voordeel van dergelijke materialen is een zeer kleine dikte.
Eigenschappen en kenmerken van stoffen met een piëzo-elektrisch effect
Omdat polarisatie alleen optreedt tijdens elastische vervorming, is een belangrijk kenmerk van een piëzomateriaal het vermogen om van vorm te veranderen onder invloed van externe krachten. De waarde van dit vermogen wordt bepaald door elastische compliantie (of elastische stijfheid).
Kristallen met een piëzo-elektrisch effect zijn zeer elastisch - wanneer de kracht (of externe spanning) wordt verwijderd, keren ze terug naar hun oorspronkelijke vorm.
Piëzokristallen hebben ook hun eigen mechanische resonantiefrequentie. Als je het kristal op deze frequentie laat trillen, zal de amplitude bijzonder groot zijn.
Omdat het piëzo-elektrische effect zich niet alleen manifesteert door hele kristallen, maar ook door platen ervan die onder bepaalde omstandigheden zijn gesneden, is het mogelijk om stukken piëzo-elektrische stoffen te verkrijgen met resonantie op verschillende frequenties, afhankelijk van de geometrische afmetingen en richting van de snede.
Ook worden de trillingseigenschappen van piëzo-elektrische materialen gekenmerkt door een mechanische kwaliteitsfactor. Het laat zien hoe vaak de amplitude van oscillaties bij de resonantiefrequentie toeneemt met een gelijke uitgeoefende kracht.
Er is een duidelijke afhankelijkheid van de eigenschappen van een piëzo-elektrische temperatuur, waarmee rekening moet worden gehouden bij het gebruik van kristallen. Deze afhankelijkheid wordt gekenmerkt door de coëfficiënten:
- de temperatuurcoëfficiënt van de resonantiefrequentie geeft aan hoeveel de resonantie weggaat wanneer het kristal wordt verwarmd / gekoeld;
- de temperatuuruitzettingscoëfficiënt bepaalt hoeveel de lineaire afmetingen van de piëzo-elektrische plaat veranderen met de temperatuur.
Bij een bepaalde temperatuur verliest het piëzokristal zijn eigenschappen. Deze limiet wordt de Curie-temperatuur genoemd. Deze limiet is individueel voor elk materiaal. Voor kwarts is het bijvoorbeeld +573 °C.
Praktisch gebruik van het piëzo-elektrische effect
De meest bekende toepassing van piëzo-elektrische elementen is als ontstekingselement. Het piëzo-elektrisch effect wordt gebruikt in zakaanstekers of keukenaanstekers voor gasfornuizen. Wanneer het kristal wordt ingedrukt, ontstaat er een potentiaalverschil en ontstaat er een vonk in de luchtspleet.
Dit toepassingsgebied van piëzo-elektrische elementen is niet uitgeput. Kristallen met een vergelijkbaar effect kunnen worden gebruikt als rekstrookjes, maar dit toepassingsgebied wordt beperkt door de eigenschap van het piëzo-elektrische effect om alleen in de dynamiek te verschijnen - als de veranderingen stoppen, stopt het signaal met genereren.
Piëzokristallen kunnen als microfoon worden gebruikt - bij blootstelling aan akoestische golven worden elektrische signalen gevormd. Het omgekeerde piëzo-elektrische effect maakt ook (soms gelijktijdig) het gebruik van elementen zoals geluidszenders mogelijk. Wanneer een elektrisch signaal op het kristal wordt toegepast, begint het piëzo-elektrische element akoestische golven te genereren.
Dergelijke zenders worden veel gebruikt om ultrasone golven te creëren, met name in de medische technologie. Bij deze de resonantie-eigenschappen van de plaat kunnen ook worden gebruikt.Het kan worden gebruikt als een akoestisch filter dat alleen natuurlijke frequentiegolven selecteert. Een andere mogelijkheid is om een piëzo-elektrisch element in een geluidsgenerator (sirene, detector, etc.) gelijktijdig toe te passen als frequentie-instellend en geluidgevend element. In dit geval wordt het geluid altijd op de resonantiefrequentie gegenereerd en kan een maximaal volume worden bereikt met een laag energieverbruik.
Resonantie-eigenschappen worden gebruikt om de frequenties van generatoren die in het radiofrequentiebereik werken te stabiliseren. Kwartsplaten spelen de rol van zeer stabiele en hoogwaardige oscillerende circuits in frequentie-instellende circuits.
Er zijn nog steeds fantastische projecten om op industriële schaal de energie van elastische vervorming om te zetten in elektrische energie. De vervorming van het trottoir onder invloed van de zwaartekracht van bijvoorbeeld voetgangers of auto's kun je gebruiken om delen van het spoor te verlichten. De vervormingsenergie van de vleugels van het vliegtuig kun je gebruiken om het vliegtuignetwerk te voorzien. Dergelijk gebruik wordt beperkt door de onvoldoende efficiëntie van piëzo-elektrische elementen, maar er zijn al proefinstallaties gemaakt en deze hebben de belofte van verdere verbetering getoond.
Vergelijkbare artikelen:
