Tərs piezoelektrik effekt nədir? Tərs piezoelektrik effekt

əldə etmək üçün ultrasəs istifadə olunur

Ters piezoelektrik effekt;

Maqnitostriksiya;

Elektrik gərginliyi;

Piezoelektrik effekt - mexaniki gərginliyin təsiri altında bir dielektrik polarizasiyasının təsiri (birbaşa pyezoelektrik effekt). Təsiri altında mexaniki deformasiyaların baş verməsi - tərs piezoelektrik effekt də var elektrik sahəsi.

Tərs piezoelektrik effekt elektrik sahəsinin təsiri altında kvars kristalından (və ya digər anizotrop kristaldan) müəyyən şəkildə kəsilmiş lövhənin sahənin istiqamətindən asılı olaraq sıxılmasından və ya uzanmasından ibarətdir. Alternativ bir gərginliyin tətbiq olunduğu düz bir kondansatörün plitələri arasında belə bir boşqab yerləşdirsəniz, boşqab məcburi salınımlara girəcəkdir. Plitənin titrəmələri ultrasəs dalğası yaradan ətraf mühitin hissəciklərinə (hava və ya maye) ötürülür.

Maqnitostriksiya fenomeni ibarətdir ferromaqnit çubuqlar (polad, dəmir, nikel və onların ərintiləri) təsiri altında xətti ölçüləri dəyişdirir. maqnit sahəsi, çubuğun oxu boyunca yönəldilmişdir. Belə bir çubuğu dəyişən bir maqnit sahəsinə yerləşdirməklə (məsələn, alternativ cərəyanın keçdiyi bir bobin içərisində) biz çubuqda məcburi salınımlara səbəb olacağıq, amplitudası rezonansda xüsusilə böyük olacaqdır. Çubuğun salınan ucu ətraf mühitdə ultrasəs dalğaları yaradır, onların intensivliyi birbaşa ucun salınımlarının amplitudasından asılıdır.

Bəzi materiallar (məsələn, keramika) elektrik sahəsində ölçülərini dəyişməyə qadirdir. Elektrostriksiya adlanan bu fenomen tərs pyezoelektrik effektdən zahirən fərqlənir ki, ölçüdə dəyişiklik yalnız tətbiq olunan sahənin gücündən asılıdır, lakin onun işarəsindən asılı deyil. Belə materiallara barium titanat və qurğuşun sirkonat titanat daxildir.

Yuxarıda təsvir olunan hadisələrdən istifadə edən çeviricilərə müvafiq olaraq piezoelektrik, maqnitostriktiv və elektrostriktiv deyilir.

Ultrasəs emitentləri.

Təbiətdə ultrasəs həm bir çox təbii səslərin tərkib hissəsi kimi (küləyin, şəlalənin, yağışın səs-küyündə, dənizdə yuvarlanan çınqılların səs-küyündə, tufan atqılarını müşayiət edən səslərdə və s.) heyvanlar aləminin səsləri. Bəzi heyvanlar maneələri aşkar etmək və kosmosda naviqasiya etmək üçün ultrasəs dalğalarından istifadə edirlər.

Ultrasəs emitentlərini iki böyük qrupa bölmək olar. Birinciyə emitent-generatorlar daxildir; onlarda salınımlar sabit bir axının yolunda maneələrin olması səbəbindən həyəcanlanır - qaz və ya maye axını. İkinci qrup emitentlər elektroakustik çeviricilərdir; onlar elektrik gərginliyində və ya cərəyanda artıq verilmiş dalğalanmaları mexaniki vibrasiyaya çevirirlər möhkəm, içində yayılır mühit akustik dalğalar.

Elektromexaniki ultrasəs emitenti tərs pyezoelektrik effekt fenomenindən istifadə edir və aşağıdakı elementlərdən ibarətdir (şək. 1).

Pyezoelektrik xüsusiyyətləri olan bir maddədən hazırlanmış plitələr;

Onun səthində keçirici təbəqələr şəklində çökən elektrodlar;

Elektrodlara tələb olunan tezlikdə alternativ gərginlik verən generator.

Generatordan (3) elektrodlara (2) alternativ gərginlik tətbiq edildikdə, lövhə (1) vaxtaşırı uzanma və sıxılma ilə qarşılaşır. Tezliyi gərginliyin dəyişmə tezliyinə bərabər olan məcburi salınımlar baş verir. Bu titrəmələr ətraf mühitin hissəciklərinə ötürülür və müvafiq tezlikdə mexaniki dalğa yaradır. Emitentin yaxınlığındakı mühitin hissəciklərinin rəqslərinin amplitudası lövhənin salınımlarının amplitudasına bərabərdir.

Ultrasəsin xüsusiyyətlərinə nisbətən kiçik vibrasiya amplitüdləri ilə belə yüksək intensivlikli dalğalar əldə etmək imkanı daxildir, çünki müəyyən bir amplituda enerji axınının sıxlığı mütənasibdir. kvadrat tezlik.

I = ρ ω 2 ʋ A 2 / 2 (1)

Ultrasəs radiasiyasının maksimum intensivliyi emitentlərin materialının xüsusiyyətləri, habelə onlardan istifadə şərtlərinin xüsusiyyətləri ilə müəyyən edilir.

USF bölgəsində ABŞ nəsli üçün intensivlik diapazonu olduqca genişdir: 10 -14 Vt/sm 2-dən 0,1 Vt/sm 2-ə qədər.

Bir çox məqsədlər üçün, emitentin səthindən əldə edilə bilənlərdən əhəmiyyətli dərəcədə yüksək intensivlik tələb olunur. Bu hallarda fokuslanmadan istifadə edə bilərsiniz.

Ultrasəs qəbulediciləri. Elektromexaniki ultrasəs qəbulediciləri birbaşa piezoelektrik effekt fenomenindən istifadə edirlər.

Bu halda, ultrasəs dalğasının təsiri altında kristal plitəsinin (1) titrəmələri baş verir, bunun nəticəsində elektrodlarda (2) alternativ bir gərginlik yaranır, bu da qeyd sistemi (3) tərəfindən qeydə alınır.

Əksər tibbi cihazlarda qəbuledici kimi ultrasəs dalğa generatoru da istifadə olunur.

Ultrasəsin diaqnostik və terapevtik məqsədlər üçün istifadəsini təyin edən xüsusiyyətləri (qısa dalğa uzunluğu, istiqamət, refraksiya və əks, udma, yarı udma dərinliyi)

Ultrasəsin müalicəvi təsiri mexaniki, istilik və kimyəvi amillərlə müəyyən edilir. Onların birləşmiş təsiri membran keçiriciliyini yaxşılaşdırır, qan damarlarını genişləndirir, maddələr mübadiləsini yaxşılaşdırır, bu da bədənin tarazlıq vəziyyətini bərpa etməyə kömək edir. Dozalanmış ultrasəs şüası ürəyin, ağciyərlərin və digər orqan və toxumaların yumşaq masajını həyata keçirmək üçün istifadə edilə bilər.

a) Qısa dalğa uzunluğu. Fokus. Ultrasəs dalğa uzunluğu səs dalğasının uzunluğundan əhəmiyyətli dərəcədə azdır. Dalğa uzunluğunun λ=υ/ν olduğunu nəzərə alsaq, tapırıq: 1 kHz tezlikli səs üçün dalğa uzunluğu λ səs = 1500/1000 = 1,5 m; 1 MHz tezliyi olan ultrasəs üçün, dalğa uzunluğu λ düyün = 1500/1.000.000 = 1,5 mm.

Qısa dalğa uzunluğuna görə ultrasəsin əks olunması və difraksiyası eşidilən səsdən daha kiçik ölçülü obyektlərdə baş verir. Məsələn, 10 sm ölçülü bir cisim λ=1,5 m olan səs dalğasına maneə olmayacaq, λ=1,5 mm olan ultrasəs dalğasına maneə olacaq. Bu vəziyyətdə ultrasəs kölgəsi görünür, buna görə də bəzi hallarda ultrasəs dalğalarının yayılması şüalardan istifadə edərək təsvir edilə bilər və onlara əks və qırılma qanunları tətbiq edilə bilər. Yəni müəyyən şərtlərdə ultrasəs dalğası həndəsi optika qanunlarının tətbiq olunduğu istiqamətli bir axınla yayılır.

b) Refraksiya və əks olunma. Bütün dalğa növləri kimi, ultrasəs də əksetmə və qırılma hadisələri ilə xarakterizə olunur. Bu hadisələrin tabe olduğu qanunlar işığın əks olunması və sınması qanunlarına tamamilə bənzəyir. Buna görə də, bir çox hallarda ultrasəs dalğalarının yayılması şüalardan istifadə edərək təsvir edilir.

Prosesi kəmiyyətcə xarakterizə etmək üçün əksetmə əmsalı R=I neq /I o anlayışı təqdim edilir, burada I neq əks olunan ultrasəs dalğasının intensivliyidir; I o - hadisənin intensivliyi. Bu, sıfırdan (əksetmə yoxdur) birinə (ümumi əks) qədər dəyişən ölçüsüz bir kəmiyyətdir.

Medianın dalğa müqavimətləri (ρυ) nə qədər fərqlidirsə, bir o qədər çox olur daha çox paylaşıməks olunan enerji və interfeysdən keçən enerjinin daha kiçik bir hissəsi.

Bioloji mühitin dalğa müqaviməti havanın dalğa müqavimətindən təxminən 3000 dəfə böyükdür (R = 1/3000), buna görə də sərhəddə əks hava dərisi 99,99% təşkil edir. Emitent birbaşa insanın dərisinə tətbiq edilərsə, ultrasəs içəriyə nüfuz etməyəcək, ancaq emitent və dəri arasında nazik bir hava təbəqəsindən əks olunacaq. Hava təbəqəsini aradan qaldırmaq üçün dərinin səthi əksini azaldan keçid mühiti kimi çıxış edən müvafiq sürtkü (su jeli) təbəqəsi ilə örtülür.

Sürtkü materialı müvafiq tələblərə cavab verməlidir: dərinin akustik müqavimətinə yaxın akustik müqavimətə malik olmalıdır, aşağı ultrasəs udma əmsalına malik olmalıdır, əhəmiyyətli özlülüyünə malik olmalıdır, dərini yaxşı nəmləndirməlidir, toksik olmayan (vazelin yağı, qliserin və s.) .

c) Absorbsiya, yarımudma dərinliyi. Sonrakı mühüm əmlak Ultrasəs onun mediada udulmasıdır: mühitin hissəciklərinin mexaniki titrəyişlərinin enerjisi onların istilik hərəkətinin enerjisinə çevrilir. Mühit tərəfindən udulmuş mexaniki dalğa enerjisi mühitin istiləşməsinə səbəb olur. Bu təsir düsturla təsvir olunur:

I = I o. e -kl (3)

burada I mühitdə l məsafəni qət edən ultrasəs dalğasının intensivliyidir; I o - ilkin intensivlik; k - mühitdə ultrasəsin udulma əmsalı; e – natural loqarifmlərin əsası (e = 2.71).

Absorbsiya əmsalı ilə yanaşı, ultrasəs udma xarakteristikası kimi yarı udma dərinliyi də istifadə olunur.

Yarım udma dərinliyi ultrasəs dalğasının intensivliyinin yarıya endiyi dərinlikdir.

Yarım udma dərinliyi müxtəlif toxumalar üçün fərqli mənalara malikdir. Buna görə də, tibbi məqsədlər üçün müxtəlif intensivlikli ultrasəs dalğaları istifadə olunur: aşağı - 1,5 Vt/m2, orta - (1,5-3) Vt/m2 və yüksək - (3-10) Vt/m2.

Maye mühitdə udma yumşaq toxumalara nisbətən əhəmiyyətli dərəcədə azdır və sümük toxumasında daha çoxdur.

8. Ultrasəsin maddə ilə qarşılıqlı əlaqəsi: akustik axınlar və kavitasiya, istilik buraxılması və kimyəvi reaksiyalar, səsin əks olunması, səsli görmə).

a) Akustik axınlar və kavitasiya. Yüksək intensivliyin ultrasəs dalğaları bir sıra spesifik təsirlərlə müşayiət olunur. Beləliklə, ultrasəs dalğalarının qazlarda və mayelərdə yayılması mühitin hərəkəti ilə müşayiət olunur və sürəti 10 m/s-ə çatan akustik axınlar (səs küləyi) yaranır. Bir neçə Vt/sm 2 intensivliyə malik ultrasəs sahəsində ultrasəs tezlik diapazonunda (0,1-10) MHz tezliklərdə çox incə dumanın əmələ gəlməsi ilə mayenin fışqırması və püskürməsi baş verə bilər. Ultrasəsin yayılmasının bu xüsusiyyəti ultrasəs inhalyatorlarında istifadə olunur.

Sıx ultrasəsin mayelərdə yayılması zamanı baş verən mühüm hadisələrə daxildir akustik kavitasiya-mayelərdə mövcud submikroskopik qaz və ya buxar nüvələrindən ultrasəs tezliyində pulsasiya etməyə başlayan və müsbət təzyiq fazasında çökən mm fraksiyaların ölçülərinə qədər baloncukların ultrasəs sahəsində böyüməsi. Qaz baloncukları çökdükdə, böyük yerli təzyiqlər sıralanır minlərlə atmosfer, sferik zərbə dalğaları əmələ gəlir. Hissəciklərə bu qədər güclü mexaniki təsir, ultrasəsin istilik təsirinin təsiri olmadan belə müxtəlif təsirlərə, o cümlədən dağıdıcı təsirlərə səbəb ola bilər. Fokuslanmış ultrasəsə məruz qaldıqda mexaniki təsirlər xüsusilə əhəmiyyətlidir.

Kavitasiya baloncuklarının dağılmasının başqa bir nəticəsi, molekulların ionlaşması və dissosiasiyası ilə müşayiət olunan onların tərkibinin güclü istiləşməsidir (təxminən 10000 0 C temperatura qədər).

Kavitasiya fenomeni emitentlərin işçi səthlərinin aşınması, hüceyrələrin zədələnməsi və s. Bununla belə, bu fenomen bir sıra faydalı təsirlərə də səbəb olur. Məsələn, kavitasiya sahəsində emulsiyalar hazırlamaq üçün istifadə olunan maddənin artan qarışığı baş verir.

b) İstiliyin ayrılması və kimyəvi reaksiyalar. Ultrasəsin bir maddə tərəfindən udulması mexaniki enerjinin maddənin daxili enerjisinə keçməsi ilə müşayiət olunur ki, bu da onun istiləşməsinə səbəb olur. Ən sıx isitmə, əks əmsalı birliyə (100%) yaxın olduqda, interfeysə bitişik ərazilərdə baş verir. Bunun səbəbi əks olunma nəticəsində sərhədə yaxın dalğanın intensivliyinin artması və müvafiq olaraq udulmuş enerjinin miqdarının artmasıdır. Bunu eksperimental olaraq yoxlamaq olar. Ultrasəs emitterini yaş əlinizə bağlamalısınız. Tezliklə, xurmanın əks tərəfində dəri-hava interfeysindən əks olunan ultrasəs nəticəsində yaranan bir sensasiya (yanmadan ağrıya bənzər) görünür.

Mürəkkəb bir quruluşa malik olan toxumalar (ağciyərlər) homogen toxumalara (qaraciyər) nisbətən ultrasəs istiliyinə daha həssasdırlar. Yumşaq toxuma və sümük arasındakı interfeysdə nisbətən çox istilik əmələ gəlir.

Dokuların dərəcə fraksiyaları ilə yerli istiləşməsi həyati fəaliyyətə kömək edir bioloji obyektlər, metabolik proseslərin intensivliyini artırır. Bununla belə, uzun müddət məruz qalma həddindən artıq istiləşməyə səbəb ola bilər.

Bəzi hallarda, fokuslanmış ultrasəs bədənin fərdi strukturlarına yerli təsir göstərmək üçün istifadə olunur. Bu təsir idarə olunan hipertermiyaya nail olmağa imkan verir, yəni. qonşu toxumaları qızdırmadan 41-44 0 C-ə qədər qızdırmaq.

Ultrasəsin keçməsi ilə müşayiət olunan temperatur və təzyiq dəyişikliklərinin artması molekullarla qarşılıqlı təsir göstərə bilən ionların və radikalların meydana gəlməsinə səbəb ola bilər. Bu zaman normal şəraitdə mümkün olmayan kimyəvi reaksiyalar baş verə bilər. Ultrasəsin kimyəvi təsiri, xüsusən də bir su molekulunun H + və OH - radikallarına parçalanması, sonra hidrogen peroksidin H 2 O 2 meydana gəlməsi ilə özünü göstərir.

c) Səsin əks olunması. Səs görmə. Ultrasəs dalğalarının qeyri-homogenliklərdən əks olunmasına əsaslanır səs görmə, tibbi ultrasəs müayinələrində istifadə olunur. Bu zaman qeyri-bərabərlikdən əks olunan ultrasəs elektrik titrəyişlərinə, ikincisi isə işığa çevrilir ki, bu da ekranda müəyyən obyektləri işığa qarşı qeyri-şəffaf bir mühitdə görməyə imkan verir.

Ultrasəs tezlik diapazonunda olan tezliklərdə ultrasəs mikroskop yaradılmışdır - adi mikroskop kimi bir cihaz, optikdən üstünlüyü ondan ibarətdir ki, zaman bioloji tədqiqat obyektin əvvəlcədən rənglənməsi tələb olunmur. Ultrasəs dalğasının tezliyi artdıqca, qətnamə artır (daha kiçik qeyri-homogenliklər aşkar edilə bilər), lakin onların nüfuzetmə qabiliyyəti azalır, yəni. maraq strukturlarının tədqiq edilə biləcəyi dərinlik azalır. Buna görə də, ultrasəs tezliyi kifayət qədər dəqiqliyi tələb olunan araşdırma dərinliyi ilə birləşdirəcək şəkildə seçilir. Beləliklə, birbaşa dəri altında yerləşən qalxanabənzər vəzinin ultrasəs müayinəsi üçün 7,5 MHz tezlikli dalğalar, qarın boşluğu orqanlarının müayinəsi üçün isə 3,5 - 5,5 MHz tezliyi istifadə olunur. Bundan əlavə, yağ təbəqəsinin qalınlığı da nəzərə alınır: arıq uşaqlar üçün 5,5 MHz tezliyi, kilolu uşaqlar və böyüklər üçün isə 3,5 MHz tezliyi istifadə olunur.

9. Ultrasəsin biofiziki təsiri: mexaniki, istilik, fiziki-kimyəvi.

Ultrasəs şüalanmış orqan və toxumalarda dalğa uzunluğunun yarısına bərabər olan bioloji obyektlərə təsir etdikdə, vahidlərdən onlarla atmosferə qədər təzyiq fərqləri yarana bilər. Belə intensiv təsirlər fiziki təbiəti birgə fəaliyyətlə müəyyən edilən müxtəlif bioloji təsirlərə səbəb olur mexaniki, istilik və fiziki-kimyəvi hadisələrətraf mühitdə ultrasəsin yayılması ilə müşayiət olunur.

Mexanik hərəkət dəyişən akustik təzyiqlə müəyyən edilir və ultrasəsin hialuron turşusu və xondroitin sulfat üzərində depolimerləşdirici təsiri nəticəsində hüceyrə, hüceyrədaxili və toxuma membranlarının keçiriciliyini artıraraq hüceyrə və hüceyrə səviyyəsində toxumaların vibrasiya mikromasajından ibarətdir ki, bu da toxumaların nəmləndirilməsinin artmasına səbəb olur. dermal təbəqə.

Termal effekt mexaniki enerjinin istilik enerjisinə çevrilməsi ilə bağlıdır, istilik isə bədənin toxumalarında qeyri-bərabər şəkildə əmələ gəlir. Xüsusilə toxumaların akustik müqavimətindəki fərqə görə mühitin hüdudlarında, eləcə də ultrasəs enerjisini daha çox miqdarda (sinir, sümük toxuması) udan toxumalarda və qanla zəif təmin olunan yerlərdə çoxlu istilik toplanır.

Fiziki-kimyəvi fəaliyyət kimyəvi enerjinin orqanizmin toxumalarında mexaniki rezonansa səbəb olması ilə əlaqədardır. Sonuncunun təsiri altında molekulların hərəkəti sürətlənir və onların ionlara parçalanması artır və izoelektrik vəziyyət dəyişir. Yeni elektrik sahələri əmələ gəlir, hüceyrələrdə elektrik dəyişiklikləri baş verir. Suyun quruluşu və nəmləndirici qabıqların vəziyyəti dəyişir, radikallar və bioloji həlledicilərin sonolizinin müxtəlif məhsulları meydana çıxır. Nəticədə toxumalarda fiziki-kimyəvi və biokimyəvi proseslərin stimullaşdırılması və maddələr mübadiləsinin aktivləşməsi baş verir.

1. Piezoelektrik effekt.

Bəzi kristallarda, kristal mexaniki deformasiyaya məruz qaldıqda, qütbləşmə xarici sahə olmadan baş verə bilər. 1880-ci ildə Pierre və Jacques Curie tərəfindən kəşf edilən bu fenomen piezoelektrik effekt adlanır.

Pyezoelektrik yükləri aşkar etmək üçün kristal lövhənin kənarlarına metal lövhələr qoyulur. Plitələr açıq olduqda, deformasiya zamanı onların arasında potensial fərq yaranır. Lövhələr bağlandıqda, onların üzərində qütbləşmə yüklərinə bərabər, lakin işarəsi əksinə olan induksiyalı yüklər əmələ gəlir və deformasiya zamanı lövhələri birləşdirən dövrədə cərəyan yaranır. Nümunə olaraq kvarsdan istifadə edərək pyezoelektrik effektin əsas xüsusiyyətlərini nəzərdən keçirək. SiO2 kvars kristalları müxtəlif kristalloqrafik modifikasiyalarda mövcuddur. Bizi maraqlandıran kristallar (a-kvars) triqonal kristalloqrafik sistem adlanan sistemə aiddir və adətən Şəkil 1-də göstərilən formaya malikdir. Onlar iki piramida ilə sərhədlənmiş altıbucaqlı prizmaya bənzəyirlər, lakin bir sıra əlavə üzlərə malikdirlər. Belə kristallar kristal daxilində mühüm istiqamətləri müəyyən edən dörd kristal ox ilə xarakterizə olunur.

Bu oxlardan biri Z, piramidaların təpələrini birləşdirir. Digər üç X1, X2, X3 Z oxuna perpendikulyardır və altıbucaqlı prizmanın əks kənarlarını birləşdirir. Z oxu ilə müəyyən edilən istiqamət pyezoelektrik cəhətdən qeyri-aktivdir: bu istiqamətdə sıxılmış və ya dartıldıqda polarizasiya baş vermir. Əksinə, Z oxuna perpendikulyar hər hansı bir istiqamətdə sıxıldıqda və ya dartıldıqda elektrik qütbləşməsi baş verir. Z oxu kristalın optik oxu, X1, X2, X3 oxları isə elektrik və ya pyezoelektrik oxlar adlanır.

X piezoelektrik oxlarından birinə perpendikulyar kəsilmiş kvars lövhəsini nəzərdən keçirək. Z və X-ə perpendikulyar olan ox Y ilə işarələnəcək (şəkil 2). Sonra məlum olur ki, lövhə X oxu boyunca uzandıqda ona perpendikulyar olan ABCD və EFGH üzlərində əks qütbləşmə yükləri əmələ gəlir. Bu pyezoelektrik effekt uzununa adlanır. Deformasiyanın işarəsini dəyişdirsəniz, yəni gərginlikdən sıxılmaya keçsəniz, qütbləşmə yüklərinin əlamətləri əksinə dəyişəcəkdir.

düyü. 1. Kvars kristalı.

Müəyyən bir deformasiya növü (müvafiq olaraq gərginlik və ya sıxılma) ilə müəyyən işarələrin qütbləşmə yüklərinin görünüşü göstərir ki, X oxlarının ucları qeyri-bərabərdir və müəyyən istiqamətlər X oxlarına təyin edilə bilər (Şəkil 2-də oxlarla göstərildiyi kimi). 1). Bu o deməkdir ki, verilmiş deformasiya üçün yükün işarəsi X oxunun xarici normal boyunca üzə və ya daxili tərəfə yönəldilməsindən asılıdır. Ucu qeyri-bərabər olan belə baltalara qütb oxları deyilir. X1, X2, X3 qütb oxlarından fərqli olaraq, Z oxunun ucları tam bərabərdir və qeyri-qütblü oxdur.

düyü. 2. Pyezoelektrik oxuna perpendikulyar kəsilmiş kvars lövhəsi.

Qütb oxunun uclarının qeyri-bərabərliyi, təbii ki, təkcə piezoelektrik effektdə deyil, digər hadisələrdə də özünü göstərir. Məsələn, qütb oxunun müxtəlif uclarında yerləşən üzlərin kimyəvi aşındırma sürəti fərqli olur və nəticədə aşındırma fiqurları bir-birindən fərqlənir.

Uzununa piezoelektrik effektlə yanaşı, eninə pyezoelektrik effekt də mövcuddur. Bu, Y oxu boyunca sıxışdırıldığında və ya uzandıqda, X oxu boyunca qütbləşmə baş verir və eyni üzlərdə ABCD və EFGH qütbləşmə yükləri görünür. Belə çıxır ki, Y boyunca sıxışdırıldıqda (eninə təsirdə) hər bir üzdəki yüklərin əlamətləri X boyunca uzandıqda (uzununa təsirdə) eynidir.

Pyezoelektrik effekt aşağıdakı kimi izah olunur.İon kristallarında müsbət və mənfi ionların mərkəzlərinin uyğunsuzluğu səbəbindən xarici elektrik sahəsi olmadıqda belə elektrik momenti olur. Ancaq bu qütbləşmə adətən görünmür, çünki səthdəki yüklərlə kompensasiya olunur. Kristal deformasiyaya uğradıqda, şəbəkənin müsbət və mənfi ionları bir-birinə nisbətən yerdəyişir və buna görə də, ümumiyyətlə desək, kristalın elektrik momenti dəyişir. Elektrik torkunun bu dəyişməsi özünü piezoelektrik effektdə göstərir.

düyü. 3 kvarsda pyezoelektrik effektin baş verməsini keyfiyyətcə izah edir. Bu sxem optik Z oxuna perpendikulyar müstəvidə müsbət Si ionlarının (doldurulmuş dairələr) və mənfi O ionlarının (açıq dairələr) proyeksiyalarını göstərir.Bu rəqəm kvars vahid hüceyrəsindəki ionların faktiki konfiqurasiyasına uyğun gəlmir. ionlar eyni müstəvidə yerləşmir, lakin onların sayı göstəriləndən çoxdur. Bununla belə, simmetriyanı düzgün çatdırır nisbi mövqe ionları, bu artıq keyfiyyət izahı üçün kifayətdir.

düyü. 3, a) deformasiya olunmamış kristala uyğundur. X1 oxuna perpendikulyar olan A sifətində çıxıntılı müsbət yüklər, B üzündə isə ona paralel olaraq çıxan mənfi yüklər var. X1 oxu boyunca sıxıldıqda (şəkil 3, b) vahid hüceyrə deformasiya olunur. Bu halda, müsbət ion 1 və mənfi ion 2 hüceyrəyə "basılır" və çıxıntılı yüklərin (A müstəvisində müsbət və B müstəvisində mənfi) azalmasına səbəb olur ki, bu da A müstəvisində mənfi yükün görünüşünə bərabərdir. və B müstəvisində müsbət yük. X1 oxu boyunca uzandıqda bunun əksi baş verir (şək. 3, c): 1 və 2 ionları hüceyrədən “çıxarılır”. Buna görə də A üzündə əlavə müsbət yük, B üzündə isə mənfi yük yaranır.

düyü. 3. Pyezoelektrik effektin izahına doğru.

Bərk cisim nəzəriyyəsində aparılan hesablamalar təcrübə ilə razılaşaraq göstərir ki, pyezoelektrik effekt yalnız vahid hüceyrənin simmetriya mərkəzi olmayan kristallarda mövcud ola bilər. Məsələn, CsCl kristallarının vahid hüceyrəsi (şək. 4) simmetriya mərkəzinə malikdir və bu kristallar pyezoelektrik xüsusiyyətlər nümayiş etdirmirlər. Kvars hüceyrəsində ionların düzülüşü elədir ki, onda simmetriya mərkəzi yoxdur və buna görə də onda pyezoelektrik effekt mümkündür.

düyü. 4. Sezium xlorid kristalının vahid hüceyrəsi CsCl.

Müəyyən dəyişikliklər diapazonunda qütbləşmə vektorunun P böyüklüyü (və ona mütənasib olan pyezoelektrik yüklərin səthi sıxlığı o) mexaniki deformasiyaların böyüklüyünə mütənasibdir.X boyunca birtərəfli dartılma deformasiyasını və ilə işarə edək. ox:

burada d lövhənin qalınlığı, Dd isə deformasiya zamanı onun dəyişməsidir. Sonra, məsələn, uzununa təsir üçün:

b kəmiyyətinə pyezoelektrik modul deyilir. b işarəsi müsbət və ya mənfi ola bilər. Ölçüsüz kəmiyyət olduğundan, b P ilə eyni vahidlərlə ölçülür, yəni. C/m2 ilə. Böyüklük səth sıxlığı X oxuna perpendikulyar olan üzlərdəki piezoelektrik yüklər s"=Px-ə bərabərdir.

Deformasiya zamanı pyezoelektrik qütbləşmənin baş verməsi ilə əlaqədar olaraq kristalın daxilində D elektrik yerdəyişməsi də dəyişir. Bu halda yerdəyişmənin ümumi tərifində P Pe + Pu cəmi kimi başa düşülməlidir, burada Pe elektrik sahəsinə, Pu isə deformasiyaya bağlıdır. Ümumi halda E, Pe və Pu istiqamətləri üst-üstə düşmür və D üçün ifadə mürəkkəb olur. Bununla belə, yüksək simmetriya oxları ilə üst-üstə düşən bəzi istiqamətlər üçün göstərilən vektorların istiqamətləri eyni olur. Sonra ofset dəyəri üçün yaza bilərsiniz:

burada E kristalın daxilindəki elektrik sahəsinin gücüdür və e sabit gərginlikdə dielektrik sabitidir. Münasibət, məsələn, X elektrik oxlarından biri boyunca birtərəfli dartılma (sıxılma) deformasiyası üçün etibarlıdır. O, pyezoelektrik nəzəriyyəsində iki əsas münasibətdən biridir (ikinci münasibət verilmişdir).

Pyezoelektrik effekt təkcə birtərəfli dartılma deformasiyası zamanı deyil, həm də kəsilmə deformasiyası zamanı baş verir.

Piezoelektrik xassələr kvarsdan başqa çoxlu sayda başqa kristallarda da müşahidə olunur. Onlar Rochelle duzunda kvarsdan daha aydın görünür. Güclü piezoelektriklər 2-ci və 6-cı qrup elementlərinin birləşmələrinin kristallarıdır. Dövri Cədvəl(СdS, ZnS), eləcə də bir çox başqa kimyəvi birləşmələr.

2. Əks piezoelektrik effekt.

Pyezoelektrik effektlə yanaşı, onun əks hadisəsi də mövcuddur: pyezoelektrik kristallarda qütbləşmənin baş verməsi mexaniki deformasiyalarla müşayiət olunur. Buna görə də, kristala quraşdırılmış metal lövhələrə elektrik gərginliyi tətbiq edilərsə, kristal sahənin təsiri altında qütbləşir və deformasiyaya uğrayır.

Tərs pyezoelektrik effektin mövcudluğuna ehtiyacın enerjinin saxlanması qanunundan və birbaşa təsirin mövcudluğu faktından irəli gəldiyini görmək asandır. Pyezoelektrik lövhəni nəzərdən keçirək (şək. 5) və onu xarici qüvvələr F ilə sıxdığımızı düşünək. Əgər pyezoelektrik effekt olmasaydı, onda xarici qüvvələrin işi elastik deformasiyaya uğramış lövhənin potensial enerjisinə bərabər olardı. Pyezoelektrik effektin mövcudluğunda, boşqabda yüklər görünür və əlavə enerji ehtiva edən bir elektrik sahəsi yaranır. Enerjinin saxlanması qanununa görə, belə çıxır ki, bir pyezoelektrik plitə sıxıldıqda çox iş görülür, bu da sıxılmaya qarşı çıxan əlavə F1 qüvvələrinin meydana gəlməsi deməkdir. Bunlar tərs piezoelektrik effektin qüvvələridir. Yuxarıdakı əsaslandırmadan hər iki təsirin əlamətləri arasında əlaqə yaranır. Əgər hər iki halda üzlərdəki yüklərin əlamətləri eynidirsə, deformasiyaların əlamətləri fərqlidir. Əgər boşqab sıxıldıqda, Şəkildə göstərildiyi kimi üzlərdə yüklər görünür. 5, sonra eyni polarizasiya xarici bir sahə tərəfindən yaradıldıqda, boşqab uzanacaq.

Şəkil 5. Birbaşa və tərs pyezoelektrik effektlər arasında əlaqə.

Tərs pyezoelektrik effekt səthi olaraq elektrostriksiyaya bənzəyir. Ancaq bu hadisələrin hər ikisi fərqlidir. Pyezoelektrik effekt sahənin istiqamətindən asılıdır və sonuncunun istiqaməti əksinə dəyişdikdə işarəni dəyişir. Elektrik gərginliyi sahənin istiqamətindən asılı deyil. Pyezoelektrik effekt yalnız simmetriya mərkəzi olmayan bəzi kristallarda müşahidə olunur. Elektrik sökülməsi həm bərk, həm də maye olan bütün dielektriklərdə baş verir.

Əgər boşqab sabitdirsə və onu deformasiya etmək mümkün deyilsə, onda elektrik sahəsi yarandıqda onda əlavə mexaniki gərginlik yaranır.Onun qiyməti s kristalın daxilindəki elektrik sahəsinin gücünə mütənasibdir:

burada b birbaşa pyezoelektrik effektdə olduğu kimi eyni pyezoelektrik moduldur. Bu düsturdakı mənfi birbaşa və əks pyezoelektrik təsirlərin əlamətlərinin yuxarıdakı nisbətini əks etdirir.

Kristal daxilində ümumi mexaniki gərginlik deformasiya nəticəsində yaranan gərginliyin və elektrik sahəsinin təsiri altında yaranan gərginliyin cəmidir. Bu bərabərdir:

Burada C sabit elektrik sahəsində birtərəfli dartılma deformasiyası zamanı elastiklik moduludur (Yanq modulu). (51.2) və (52.2) düsturları pyezoelektrik nəzəriyyəsində əsas əlaqələrdir.

Düsturlar yazarkən biz u və E-ni müstəqil dəyişənlər kimi seçdik və D və s-ni onların funksiyaları hesab etdik. Bu, əlbəttə ki, lazım deyil və biz müstəqil dəyişənlər kimi biri mexaniki, digəri isə elektrik olan başqa bir cüt kəmiyyəti nəzərdən keçirə bilərik. O zaman biz də u, s, E və D arasında, lakin fərqli əmsallarla iki xətti əlaqə alacağıq. Baxılan problemlərin növündən asılı olaraq, əsas piezoelektrik əlaqələrin müxtəlif formada yazılması əlverişlidir.

Bütün pyezoelektrik kristallar anizotrop olduğundan e, C və b sabitləri kristal oxlarına nisbətən boşqab üzlərinin oriyentasiyasından asılıdır. Bundan əlavə, onlar plitənin yan üzlərinin sabit və ya sərbəst olub-olmamasından asılıdır (onlar deformasiya zamanı sərhəd şərtlərindən asılıdır). Bu sabitlərin böyüklük sırası haqqında bir fikir vermək üçün lövhənin X oxuna perpendikulyar kəsildiyi və yan üzlərinin sərbəst olduğu halda kvars üçün onların dəyərlərini təqdim edirik:

e=4, 5; C=7, 8 1010 N/m2; b=0,18 C/m2.

İndi (4) və (5) əsas münasibətlərinin tətbiqi nümunəsini nəzərdən keçirək.Fərz edək ki, yuxarıda göstərildiyi kimi kəsilmiş kvars lövhəsi X oxu boyunca uzanır və üzlərə toxunan lövhələr açıqdır. Deformasiyadan əvvəl plitələrin yükü sıfır olduğundan və kvars dielektrik olduğundan, deformasiyadan sonra plitələr boşaldılır. Elektrik yerdəyişməsinin tərifinə görə bu D=0 deməkdir. Sonra (4) əlaqədən belə çıxır ki, deformasiya zamanı boşqabın içərisində intensivliyi olan elektrik sahəsi yaranacaq:

Bu ifadəni düsturla (5) əvəz edərək, lövhədəki mexaniki gərginliyi tapırıq:

s=Cu-b(-(b/e0e)u)=C(1+(b2/e0eC))u (7)

Gərginlik, piezoelektrik effekt olmadıqda olduğu kimi, gərginliyə mütənasibdir. Bununla belə, lövhənin elastik xüsusiyyətləri indi effektiv elastik modul ilə xarakterizə olunur

С" == С (1 + b2/e0eС). (8)

C-dən böyükdür. Elastik sərtliyin artması deformasiyanın qarşısını alan əks pyezoelektrik effekt zamanı əlavə gərginliyin yaranması ilə əlaqədardır. Kristalın pyezoelektrik xassələrinin onun mexaniki xassələrinə təsiri qiymətlə xarakterizə olunur: K2=b2/e0eC (9)

Bu dəyərin (K) kvadrat kökü elektromexaniki birləşmə sabiti adlanır.E, C və b-nin yuxarıdakı qiymətlərindən istifadə edərək, biz tapırıq ki, kvars üçün K2 ~ 0.01 Bütün digər məlum pyezoelektrik kristallar üçün K2 də kiçikdir. vahid və 0,1-dən çox deyil.

İndi pyezoelektrik sahəsinin böyüklüyünü qiymətləndirək. Fərz edək ki, X oxuna perpendikulyar olan kvars lövhəsinin üzlərinə 1 1055 N/m2 mexaniki gərginlik tətbiq edilir. Onda (7)-ə əsasən deformasiya u=1, 3 10-6 bərabər olacaqdır. Bu dəyəri düsturla (6) əvəz edərək |E|==5900 V/m=59 V/sm əldə edirik. Plitə qalınlığı ilə, məsələn, d==0,5 sm, plitələr arasındakı gərginlik U=Ed~30 V-ə bərabər olacaqdır. Biz görürük ki, piezoelektrik sahələr və gərginliklər çox əhəmiyyətli ola bilər. Kvars əvəzinə daha güclü piezoelektriklərdən istifadə etməklə və düzgün seçilmiş deformasiya növlərindən istifadə etməklə çoxminlərlə voltla ölçülən pyezoelektrik gərginlikləri əldə etmək mümkündür.

Pyezoelektrik effekt (birbaşa və əks) müxtəlif elektromexaniki çeviricilərin dizaynı üçün geniş istifadə olunur. Bu məqsədlə bəzən deformasiyaları həyata keçirmək üçün nəzərdə tutulmuş kompozit piezoelementlərdən istifadə olunur. fərqli növlər.

Şəkil 6-da sıxılmada işləyən ikiqat piezoelektrik element (iki plitədən ibarət) göstərilir. Plitələr kristaldan elə kəsilir ki, eyni zamanda sıxılır və ya uzanır. Əksinə, belə bir pyezoelektrik element xarici qüvvələr tərəfindən sıxılır və ya uzanırsa, onun plitələri arasında gərginlik yaranır. Bu pyezoelektrik elementdə plitələrin birləşməsi kondansatörlərin paralel qoşulmasına uyğundur.

Şəkil 6. Sıxılmada işləyən ikiqat piezoelektrik element.

3. Pyezoelektrik effektin elm və texnikada istifadəsi.

Akustik musiqi aləti üçün hər hansı bir avadanlığın əsas hissəsi piezoelektrik çeviricidir. Bu hissə çevriləcək mexaniki vibrasiya simləri və səs lövhəsini elektrik siqnalına çevirir.

Elektrik gitarasında oxşar funksiya maqnit pikap tərəfindən yerinə yetirilir: tək bobinli və ya humbucker. Lakin elektrik gitara pikapının fizikası fərqlidir - o, polad simlərin gətirdiyi maqnit sahəsindəki dəyişiklikləri çevirir. Akustika üçün piezo sensoru sintetik olanlar da daxil olmaqla istənilən simlərlə işləyir. Piezo çevirici gitara sümüyünün (tellərin dayandığı lövhə) altına yerləşdirilir. Bu UST sensorudur

Piezoelektrik sensoru yerləşdirməyin başqa bir yolu var - gitara səs lövhəsinə yapışdırılır (içəridən, stendə yaxın). Belə bir sensordan gələn siqnal daha zəif olacaq, çünki o, simlər tərəfindən basılmır, yalnız səs lövhəsindən vibrasiya alır. Bununla belə, gitara gövdəsinin xüsusiyyətləri haqqında daha çox məlumata malikdir. Bu sensor AST (1470) adlanır.

UST və AST-dan gələn siqnalların birləşdirilməsi çox mürəkkəb və maraqlı mənzərə yaradır və ən yüksək səviyyəli alətləri real şəkildə səsləndirməyə imkan verir. Bununla belə, iki sensorun istifadəsi həmişə lazım deyil.

Piezoelektrik çeviricilər:

Pyezoelektriklər geri dönən elektromexaniki çeviricilərdir, yəni mexaniki enerjini elektrik enerjisinə və əksinə elektrik enerjisini mexaniki enerjiyə çevirmək qabiliyyətinə malikdirlər. Birbaşa piezoelektrik effektin istifadəsinə əsaslanan çeviricilərə çevirici-generatorlar deyilir; onların mexaniki girişi və elektrik çıxışı var. Tərs pyezoelektrik effektin istifadəsinə əsaslanan çeviricilərə motor çeviriciləri deyilir; onların elektrik girişi və mexaniki çıxışları var. Həm birbaşa, həm də əks təsirlərin istifadəsinə əsaslanan bir çox piezoelektrik qurğular məlumdur. Birbaşa təsir, məsələn, mikrofonlarda, səs qəbuledicilərində, mexaniki qüvvədə, yerdəyişmə və sürətləndirici sensorlarda, məişət qaz alışqanlarında və s. və s.

Tanınır və tapılır praktik istifadə piezoelektrik çeviricilər - piezoelektrik transformatorlar (qısaldılmış piezotransformatorlar). Bir piezotransformatorun cihazı sxematik şəkildə şəkildə göstərilmişdir ki, bu, dörd terminal şəbəkə şəklində bir piezoelektrik çevirici olduğunu, yalnız bir elektrik girişi və çıxışı olduğunu izah edir.

düyü. 7 Piezoelektrik transformator

Pyezotransformatorun işləməsi həm birbaşa, həm də əks pyezoelektrik effektlərin istifadəsinə əsaslanır. Ters pyezoelektrik effekt nəticəsində piezotransformatorun giriş elektrodlarına tətbiq olunan elektrik gərginliyi, pyezoelektrikin bütün həcminin deformasiyasına səbəb olur və birbaşa piezoelektrik təsiri nəticəsində çıxış elektrodlarında elektrik (ikinci dərəcəli) gərginlik yaranır. təsiri. Bir piezotransformatorda enerjinin ikiqat çevrilməsi baş verir - elektrik mexanikiyə, sonra mexaniki elektrikə. Elektromaqnit transformatoru kimi, elektrik gərginliyini çevirmək üçün bir piezo transformator istifadə olunur. Elektrodların ölçüsünü və onların yerini seçərək, transformasiya nisbətinin müxtəlif dəyərlərini əldə edə bilərsiniz. Piezotransformatorlar adətən transformasiya nisbətinin böyük dəyərlərinə (bir neçə yüz sifarişlə) nail olan rezonans rejimində istifadə olunur. Piezotransformatorlar yüksək gərginlikli ikinci dərəcəli enerji təchizatında istifadə olunur.

Pyezoelektrik enerjinin çevrilməsinin iki halı üçün pyezoelektriklərdə baş verən hadisələri ümumi şəkildə nəzərdən keçirək.

Piezoelektrik element (PE) müəyyən ölçülü bir piezoelektrikdən hazırlanmış bir cisimdir, həndəsi forma və əsas kristalloqrafik oxlara nisbətən oriyentasiya (yaxud keçirici lövhələr (elektrodlar) olan pyezokeramika vəziyyətində qütbləşmə istiqaməti).

düyü. 8 Piezoelektrik element: 1 - piezoelektrik lövhə; 2 - keçirici materialdan hazırlanmış elektrodlar, lövhənin kənarlarına tətbiq olunur

Beləliklə, piezoelektrik element bərk (kristal və ya keramika) dielektrikli elektrik kondansatördür. Belə bir kondansatörün xüsusi bir xüsusiyyəti, elektrodlar arasındakı boşluğu dolduran dielektrikdə piezoelektrik xüsusiyyətlərin olmasıdır. Aşağıda biz pyezoelektrik effektin mövcudluğunun əhəmiyyətini və onun pyezoelektrik elementin elektrik və mexaniki xüsusiyyətlərinə necə təsir etdiyini göstərəcəyik. Bir piezoelektrik element elektromexaniki çevirici kimi istifadə olunursa, onun istiqaməti ən böyük effekt əldə etmək üçün tələblərə əsasən seçilir. Pyezoelektrik elementə təsir edən xarici qüvvələr (həm mexaniki, həm də elektrik) paylanmış və ya cəmlənmiş ola bilər. Paylanmış qüvvələr daha səmərəli transformasiyaya imkan verir. Buna görə də, piezoelektrik həcminin daha səmərəli polarizasiyası üçün elektrodlardan istifadə olunur. pyezoelementin üzlərinin bütün sahəsini əhatə edir və bərabər paylanmış mexaniki gərginlik yaratmaq üçün - pyezoelementin üzlərinə yaxşı oturan və xarici konsentrasiya edilmiş qüvvələri paylanmış qüvvələrə çevirən elastik materialdan hazırlanmış yastıqlar.

Xarici qüvvə piezoelektrik elementin deformasiyasına, onun qütbləşməsinə və elektrodlarda əks elektrik yüklərinin görünməsinə səbəb olur. Elektrik yükünün böyüklüyü və ya nəticədə yaranan gərginlik müvafiq olaraq ölçülə bilər ölçü aləti, piezoelektrik elementin elektrodlarına bağlıdır. Xarici qüvvə pyezoelementə elastik deformasiya şəklində enerji verir, onu təsir edən qüvvənin böyüklüyü və pyezoelementin sərtliyi məlum olduqda hesablamaq olar. Pyezoelektrik elementin deformasiyası ilə eyni vaxtda onun elektrodlarında elektrik gərginliyi yaranır. Nəticə etibarı ilə, xarici qüvvə tərəfindən pyezoelementə verilən enerjinin bir hissəsi elektrik enerjisi olur və elektrodlardakı elektrik gərginliyi və pyezoelementin tutumu məlum olduqda onun dəyərini hesablamaq olar.

Pyezoelementə təsir edən xarici mexaniki qüvvə W0 enerjisini sonuncuya elastik deformasiya enerjisi və pyezoelement tutumunun yük enerjisi şəklində verir. Pyezoelektrik elementin elastik deformasiya enerjisini Wm, tutumunun yükünün elektrik enerjisini isə Biz ilə işarə etsək, onda ümumi enerji Pyezoelektrik elementə ötürülən W0 onların cəminə bərabər olacaqdır. Hər hansı bir geri çevrilən çeviricidə olduğu kimi, bu vəziyyətdə də əks hərəkət (pyezoelektrik reaksiya) baş verir ki, bu da birbaşa piezoelektrik təsir nəticəsində yaranan elektrik gərginliyinin (tərs pyezoelektrik effekt nəticəsində) mexaniki gərginliklər və xarici qüvvələrə qarşı təsir göstərən deformasiyalar. Bu, piezoelektrik elementin sərtliyinin artması ilə özünü göstərir. Pyezoelektrik təsir nəticəsində yaranan elektrik gərginliyi, məsələn, pyezoelektrik elementin elektrodlarını qısa qapanmaqla aradan qaldırılarsa, əks pyezoelektrik effekt müşahidə olunmayacaq, buna görə də pyezoelektrik elementin sərtliyində azalma. baş verməlidir.

Bənzər bir əsaslandırma tərs piezoelektrik effekt, yəni xarici təsirin təsiri üçün də edilə bilər. elektrik qüvvəsi. Bu vəziyyətdə xarici elektrik enerjisi mənbəyi pyezoelementin tutumunun yük enerjisi və onun elastik deformasiyasının mexaniki enerjisi şəklində enerji ilə təmin edir. Burada əks təsir də yaranır. Pyezoelektrik elementi sərt şəkildə sıxaraq deformasiyanın qarşısını alırsanız, onun tutumunda bir dəyişiklik aşkar edə bilərsiniz. Bu fakt güclü piezoelektriklər üçün asanlıqla müşahidə olunur, lakin zəif olanlar üçün, məsələn, kvars üçün, tutumun dəyişməsi kiçikdir (təxminən 1%). Bu nəticəyə termodinamik mülahizələri nəzərə almaqla asanlıqla nail olmaq olar. Pyezoelektrik nəzəriyyəsindən məlumdur ki, pyezoelektriklərin elastiklik əmsalları elektrik şəraitindən asılıdır, necə ki, onların dielektrik sabitləri mexaniki şərait. Bu təbiidir, çünki piezoelektrik tərifinə görə elastik və dielektrik xüsusiyyətlər arasında əlaqəni nəzərdə tutur. Buna görə də, sərhəd mexaniki və elektrik şərtlərinin göstərildiyi elastik və dielektrik əmsalları cəlb etmədən materialın pyezoelektrik xüsusiyyətlərinin təsviri mümkün deyil.

Pyezoelektrik effekt daha tam şəkildə u enerji əmsalı ilə xarakterizə olunur, elektromexaniki birləşmə əmsalı (EMC) adlanır və k = We / W0 = Wm / W0 nisbəti ilə müəyyən edilir, burada W0 pyezoelektrik elementə tətbiq olunan bütün enerjidir və Biz və Wm çevrilmiş (elektrik və mexaniki) enerjidir. EMC əmsalı, pyezoelektrik, elastik və dielektrik əmsalları əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənə bilən piezoelektrikləri müqayisə etmək üçün çox faydalıdır. Bu əmsal statik və dinamik çevirmə rejimləri üçün fərqlidir, sonuncu halda bu, həm də vibrasiya növündən və rejimindən asılıdır. EMC əmsalı, pyezoelektrik modullar kimi, kristalın kristalloqrafik oxlarına nisbətən hərəkət edən qüvvələrin istiqamətindən asılıdır. O, rezonans əyrisinin nisbi eni kimi rezonatorun vacib xarakteristikasını müəyyən edir. EMC əmsalı nə qədər yüksək olarsa, rezonans əyrisinin nisbi eni bir o qədər böyük olar. Enerjinin piezoelektrik elementlə çevrilməsi tam ola bilməz, ona görə də EMC əmsalı 1-dən çox ola bilməz. Rochelle duzu və ya piezokeramik, 50 ...90% -ə çata bilər.

Müxtəlif tətbiq sahələri:

ABŞ Patenti N3239283. Amerikalı ixtiraçılar J. Broz və W. Lauberdorfer sürtünmənin vibrasiya ilə məhv edildiyi, lakin onu yaratmaq üçün heç bir xüsusi mexanizm tələb olunmadığı bir podşipnik dizaynı hazırladı. Yastıq kolları piezoelektrik materialdan hazırlanır. Cari, pyezoelektriklərin büzülməsinə və genişlənməsinə səbəb olur, sürtünməni aradan qaldıran vibrasiya yaradır.

Reaktiv təyyarələrdə pyezoelektrik çeviricilərin quraşdırılması elektrik enerjisi istehsal etmək üçün istifadə olunan yanacağın demək olar ki, üçdə birinə qənaət etməyə imkan verir və buna görə də uçuş məsafəsini artırmağa imkan verir. Burada gövdə və qanadların titrəmələri və titrəmələri birbaşa elektrik enerjisinə çevrilir.

Philips aşağı güclü mexanizmlər üçün piezoelektrik sürücü ideyasını uğurla inkişaf etdirir. Xüsusilə, o, svetofor yaradıb, onun akkumulyatorları kəsişmədə avtomobillərin səsi ilə doldurulur.

Pyezoelektrik materiallardan çoxmənzilli binalar üçün səs izolyasiya arakəsmələrinin yaradılması haqqında danışılır. Burada ikiqat təsir var: səs-küyün udulması və elektrik enerjisi istehsalı, məsələn, mənzillərin istiləşməsi üçün.

Piezoelektrik inkjet çap. Printerlər üçün piezoelektrik inkjet başlıqları yetmişinci illərdə hazırlanmışdır. Bu printerlərin əksəriyyətində mürəkkəb kamerasında artıq təzyiq pyezoelektrik diskdən istifadə etməklə yaradılır, ona elektrik gərginliyi tətbiq edildikdə formasını dəyişir (əyilir). Mürəkkəb kamerasının divarlarından biri kimi xidmət edən disk qövs etməklə onun həcmini azaldır. Həddindən artıq təzyiqin təsiri altında maye mürəkkəb burundan damla şəklində uçur.

1925-ci ildə sovet alimləri S. N. Rjevkin və A. İ. Yakovlev tərəfindən hazırlanmış piezoelektrik mikrofon səs təzyiqi sensoru kimi pyezoelektrik xüsusiyyətlərə malik maddədən hazırlanmış lövhəyə malikdir. Səs dalğaları mikrofonun pyezoelektrik kristalına dəyir və onu sıxır. Pyezokristalın köməyi ilə səs dalğalarının enerjisi zəifə çevrilir elektrik. Bu kiçik cərəyan daha sonra gücləndiriciyə göndərilir ki, bu da onu təmin etmək üçün kifayət qədər güclü edir normal iş dinamik. Təzyiq sensoru kimi fəaliyyət göstərmək ilk hidrofonların yaradılmasına və dəniz həyatı üçün xarakterik olan ultra aşağı tezlikli səslərin yazılmasına imkan verdi.

Məişət pyezoelektrik alışqan ZP-1 "Tolne". Almaq məişət qaz cihazlarının ocaqlarında qazı yandırmaq üçün nəzərdə tutulmuşdur. Qığılcım mənbəyi piezoelektrik elementdir. Düyməni basmaqla sıxılma qüvvəsi piezoelementlərə ötürülür, nəticədə piezo alışqanının uzanmış ucuna yerləşdirilən metal ucluğun daxilində yerləşən kontaktlar arasında qığılcım yaranır. Qazı alovlandıran qığılcım həm düyməni basdıqda, həm də onu buraxdıqda əmələ gəlir.

Piezoelektrik emitentlər 50 MHz-ə qədər tezliklərdə ultrasəs yaratmaq üçün istifadə olunur. Pyezoelektrik emitentin əsas elementi, əks pyezoelektrik effektə görə alternativ elektrik sahəsində məcburi mexaniki rəqsləri yerinə yetirən bir pyezoelektrik lövhədir.

Biblioqrafiya

“Elektrik” S.G. Kalaşnikov, Moskva, 1977.

“Elektrik materialları” Yu.V. Koritsky, Moskva, 1968.

“Radioötürücü qurğular” G.A. Zeitlenka, Moskva, 1969.

http://www.terralab.ru/299680/?r1=rss&r2=remote;

http://www.b-band.ru/pieza.html;

Pyezoelektrik effekt (yun. piezo - təzyiq və elektrik) mexaniki gərginliyin təsiri altında elektrik qütbləşməsinin (induksiyanın) baş verməsini və ya bəzi maddələrdə (pyezokristallarda) elektrik sahəsinin təsiri altında deformasiyanın baş verməsini xarakterizə edən hadisədir. Müəyyən bir şəkildə kəsilmiş bir pyezoelektrik plitə mexaniki gərginliyə (sıxılma, gərginlik, kəsmə) məruz qalırsa, onun səthində qütbləşmə səbəbindən elektrik yükləri görünür - bu sözdə birbaşa piezoelektrik effektdir; Belə bir boşqab elektrik sahəsinə daxil edildikdə, elektrik sahəsinin gücündən - tərs piezoelektrik effektdən asılı olaraq xətti olaraq deformasiya baş verir.
Birbaşa pyezoelektrik effektin mexanizmi mexaniki gərginliyin təsiri altında yükün yerdəyişməsi nəticəsində kristal şəbəkənin vahid hüceyrəsinin dipol momentinin yaranması və ya dəyişməsi ilə izah olunur. Elektrik sahəsi təsir etdikdə elementar ittihamlar hüceyrədə onların yerdəyişməsi və nəticədə aralarındakı orta məsafələrin dəyişməsi, yəni. deformasiya (əks pyezoelektrik effekt).
Pyezoelektrik effekti 1880-ci ildə P. və J. Küri qardaşları kəşf etmiş, onu kvars və bəzi başqa kristallarda müşahidə etmişlər.
Pyezoelektrik effektin olması üçün zəruri şərt kristalda simmetriya mərkəzinin olmamasıdır. Yalnız bu halda gərginliklərin tətbiqi kompensasiya olunmamış elektrik yükünün görünüşünə səbəb ola bilər, yəni. qütbləşmənin meydana gəlməsinə. Piezoelektriklər kvars, turmalin, senget duzu, barium titanat, kalium dihidrogen fosfat, surma sulfoiodid, kalium sulfid və s. O, insan sümüklərinə də xasdır.
Birbaşa piezoelektrik effekt prinsipi ultrasəs vibrasiya qəbuledicilərinin istehsalında istifadə olunur. Ultrasəs istehsalı üçün tərs piezoelektrik effektdən istifadə olunur və bütün terapevtik ultrasəs cihazları bu təsirə əsaslanır. Ultrasəsin alınmasının mahiyyəti aşağıdakı kimidir. Elektrodlardan istifadə etməklə müəyyən bir şəkildə kəsilmiş pyezokristal plitənin son səthlərinə alternativ elektrik gərginliyi tətbiq edilərsə, onun qalınlığı alternativ cərəyanın tezliyinə uyğun olaraq növbə ilə azalacaq. Lövhənin qalınlığı azaldıqda ətraf mühitin bitişik təbəqələrində seyrəkləşmə əmələ gəlir, artdıqda isə mühitin hissəcikləri qalınlaşır. Pyezoelektrik çevirici adlanan lövhənin qalınlığının dövri dəyişməsi nəticəsində mühitdə lövhənin səthinə perpendikulyar istiqamətdə yayılan ultrasəs dalğası yaranır. Pyezokristallardan hazırlanmış plitələrin qalınlığında dəyişiklik çox kiçikdir, verilən elektrik gərginliyinə mütənasibdir: AS = L U, burada AS lövhənin ölçülərinin dəyişməsidir: L pyezoelektrik modul: U verilən gərginlikdir.
Ultrasəs titrəyişlərinin intensivliyini artırmaq üçün maddənin təbii vibrasiya tezliyinin nəzərə alınmasını tələb edən rezonans fenomenindən istifadə olunur. Pyezoelektrik kristala verilən alternativ gərginliyin tezliyi öz (rezonans) tezliyi ilə üst-üstə düşürsə, plitənin titrəyişlərinin amplitudası ən böyük olacaqdır. Müvafiq olaraq, ətraf mühitə yayılan ultrasəs dalğalarının intensivliyi də maksimum olacaqdır. Öz növbəsində, lövhənin rezonans tezliyi onun ölçüsündən asılıdır: boşqab nə qədər incə olsa, onun rezonans tezliyi bir o qədər yüksəkdir. Məsələn, 1 mm qalınlığında bir kvars plitə üçün rezonans tezliyi 2,88 MHz-ə, 0,5 mm qalınlığında isə 5,76 MHz-ə uyğundur.
Əvvəllər kvars plitələri ultrasəs terapevtik cihazlarda piezoelektrik element kimi istifadə olunurdu. Bu gün o, piezoelektrik effekti dəfələrlə yüksək olan barium titanat keramika ilə əvəz olunur.

1756-cı ildə rus akademiki F.Epinus kəşf etdi ki, turmalin kristalını qızdırdıqda onun üzlərində elektrostatik yüklər əmələ gəlir. Sonradan atom fenomeninə piroelektrik effekt adı verildi. F.Epinus güman edirdi ki, temperatur dəyişdikdə müşahidə olunan elektrik hadisələrinin səbəbi kristalda mexaniki gərginliyin yaranmasına səbəb olan iki səthin qeyri-bərabər qızmasıdır. Eyni zamanda, kristalın müəyyən uclarında qütblərin paylanmasının sabitliyinin onun quruluşundan və tərkibindən asılı olduğunu, beləliklə, F.Epinusun pyezoelektrik effektin kəşfinə yaxınlaşdığını qeyd etdi.

Kristallarda pyezoelektrik effekti 1880-ci ildə P. və J. Küri qardaşları kəşf etmiş, mexaniki gərginliyin təsiri altında kvars kristalından müəyyən oriyentasiyada kəsilmiş lövhələrin səthində elektrostatik yüklərin görünməsini müşahidə etmişlər. Bu yüklər mexaniki gərginliyə mütənasibdir, onunla işarəni dəyişir və çıxarıldıqda yox olur. Mexanik gərginliyə məruz qalma nəticəsində dielektrik səthində elektrostatik yüklərin əmələ gəlməsi və onun daxilində elektrik qütbləşməsinin baş verməsi birbaşa pyezoelektrik effekt adlanır.

Birbaşa ilə yanaşı, əks piezoelektrik effekt də var ki, bu da ona tətbiq olunan elektrik sahəsinin təsiri altında bir pyezoelektrik kristaldan kəsilmiş bir boşqabda mexaniki deformasiyanın baş verməsindən ibarətdir; mexaniki deformasiyanın böyüklüyü isə elektrik sahəsinin gücünə mütənasibdir. Ters piezoelektrik effekti elektrostriksiya fenomeni ilə, yəni bir elektrik sahəsinin təsiri altında dielektrik deformasiyası ilə qarışdırmaq olmaz. Elektrostriksiya ilə deformasiya ilə sahə arasında kvadratik əlaqə var və pyezoelektrik effektlə xətti olur.

Bundan əlavə, elektrostriksiya istənilən strukturun dielektriklərində baş verir və hətta mayelərdə və qazlarda baş verir, piezoelektrik effekt isə yalnız bərk dielektriklərdə, əsasən kristal olanlarda müşahidə olunur.

Piezoelektrik yalnız kristalın elastik deformasiyası kristalın vahid hüceyrəsinin müsbət və mənfi yüklərinin ağırlıq mərkəzlərinin yerdəyişməsi ilə müşayiət olunduqda, yəni zəruri olan induksiya edilmiş dipol momentinə səbəb olduqda görünür. mexaniki gərginliyin təsiri altında dielektrikin elektrik qütbləşməsinin baş verməsi üçün. Simmetriya mərkəzi olan strukturlarda heç bir vahid deformasiya kristal şəbəkənin daxili tarazlığını poza bilməz və buna görə də simmetriya mərkəzi olmayan yalnız 20 sinif pyezoelektrikdir. Simmetriya mərkəzinin olmaması pyezoelektrik effektin mövcudluğu üçün zəruri, lakin kifayət qədər şərt deyil və buna görə də bütün asentrik kristallarda buna malik deyildir.

Pyezoelektrik effekti bərk amorf və kriptokristolik dielektriklərdə müşahidə etmək olmaz, çünki bu, onların sferik simmetriyasına ziddir. Onların xarici qüvvələrin təsiri altında anizotrop olması və bununla da monokristalların xassələrini qismən mənimsəməsi istisnadır.Pyezoelektrik effekt bəzi növ kristal teksturalarda da mümkündür.

İndiyə qədər pyezoelektrik effekt kristal qəfəsin müasir atom nəzəriyyəsi çərçivəsində qənaətbəxş kəmiyyət təsvirini tapmamışdır. Hətta ən sadə tipli strukturlar üçün hətta pyezoelektrik sabitlərin sırasını təxminən hesablamaq mümkün deyil.

Hər bir piezoelektrik elektromexaniki çeviricidir, ona görə də onun mühüm xarakteristikası elektromexaniki birləşmə əmsalı k-dir. Bu əmsalın kvadratı müəyyən bir deformasiya növü üçün mexaniki formada təzahür edən enerjinin enerji mənbəyindən girişdə alınan ümumi elektrik enerjisinə nisbətini ifadə edir.

Bir çox hallarda, pyezoelektriklər elastiklik modulları c (Gənc modul Eyu) və ya tərs kəmiyyətlər - elastik sabitlər s ilə təsvir olunan elastik xüsusiyyətləri üçün vacibdir.

Pyezoelektrik elementləri rezonator kimi istifadə edərkən, bəzi hallarda pyezoelektrik elementin rezonans tezliyinin və vibrasiya növünü təyin edən həndəsi ölçüsünün məhsulu olan bir tezlik əmsalı tətbiq edilir. Bu dəyər pyezoelektrik elementdə elastik dalğaların yayılması istiqamətində səsin sürəti ilə mütənasibdir. Hal-hazırda, piezoelektrik aktivlik nümayiş etdirən bir çox maddələr məlumdur (500-dən çox). Bununla belə, yalnız bir neçəsi praktik tətbiq tapır.

2. Əks piezoelektrik effekt.

Şəkil 5. Birbaşa və tərs pyezoelektrik effektlər arasında əlaqə.

Kristal daxilində ümumi mexaniki gərginlik deformasiya nəticəsində yaranan gərginliyin və elektrik sahəsinin təsiri altında yaranan gərginliyin cəmidir. Bu bərabərdir:

e=4, 5; C=7, 8 1010 N/m2; b=0,18 C/m2.

Bu ifadəni düsturla (5) əvəz edərək, lövhədəki mexaniki gərginliyi tapırıq:

s=Cu-b(-(b/e0e)u)=C(1+(b2/e0eC))u (7)

Gərginlik, piezoelektrik effekt olmadıqda olduğu kimi, gərginliyə mütənasibdir. Bununla belə, lövhənin elastik xüsusiyyətləri indi effektiv elastik modul ilə xarakterizə olunur

С" == С (1 + b2/e0eС). (8)

Pyezoelektrik effekt (birbaşa və əks) müxtəlif elektromexaniki çeviricilərin dizaynı üçün geniş istifadə olunur. Bu məqsədlə bəzən müxtəlif növ deformasiyaları həyata keçirmək üçün nəzərdə tutulmuş kompozit piezoelementlərdən istifadə olunur.

Şəkil 6. Sıxılmada işləyən ikiqat piezoelektrik element.

Həm də metroloji məqsədlər üçün. 3. Təmassız vibrasiya çeviricilərinin qiymətləndirilməsinin əsas meyarları Vibrasiya parametrlərinin ölçülməsi üçün təmassız üsulları və onların əsasında vibrasiya ölçən çeviriciləri müqayisə etmək üçün sadalanan parametrlərə əlavə olaraq aşağıdakı qiymətləndirmə meyarlarından istifadə etmək məqsədəuyğundur: təbiəti ölçmə prosesi zamanı qarşılıqlı təsir göstərən fiziki sahələr və ya radiasiya; ...

Bunlar. Mənbəni informasiya sızmasından qorumaq üçün fiziki prinsipləri ilə fərqlənən mühafizə vasitələrindən istifadə etməklə sızma kanalının mövcudluğunun enerji və müvəqqəti şərtlərini pozmaq lazımdır. Akustotransformasiya edən kanalın texniki xüsusiyyətləri Akustoelektrik çevirici elektromaqnit enerjisini mühitdə və arxada elastik dalğaların enerjisinə çevirən cihazdır. İÇİNDE...

Xammal qarışığı onların kristal qəfəslərinin dayanıqlığını azaldır və buna görə də materialın əmələ gəlməsi prosesini sürətləndirir. Nikel və mis əlavələrinin piezokeramik iş parçalarının sıxlığına təsirinin tədqiqi Şəkil 1-də təqdim olunur. 2. Sıxlığın ölçülməsi nəticələri göstərir ki, alaşımlı keramika bütün atəş temperaturlarında daha yüksək sıxlığa malikdir. Deməli, mis əlavə edilən keramika artıq sıxlığa malikdir...