Кері пьезоэлектрлік эффект дегеніміз не? Кері пьезоэлектрлік эффект

алу үшін ультрадыбысты қолданады

Кері пьезоэлектрлік эффект;

Магнитострикция;

Электр тоқырау;

Пьезоэлектрлік эффект - механикалық кернеу әсерінен диэлектриктің поляризациясының әсері (тікелей пьезоэлектрлік әсер). Сондай-ақ кері пьезоэлектрлік эффект бар - әсер ету кезінде механикалық деформациялардың пайда болуы электр өрісі.

Кері пьезоэлектрлік эффектэлектр өрісінің әсерінен кварц кристалынан (немесе басқа анизотропты кристалдан) белгілі бір жолмен кесілген пластинаның өріс бағытына байланысты сығылуынан немесе ұзартылуынан тұрады. Егер сіз осындай пластинаны айнымалы кернеу қолданылатын жалпақ конденсатордың пластиналарының арасына қойсаңыз, пластина мәжбүрлі тербелістерге түседі. Пластинаның тербелісі ультрадыбыстық толқынды тудыратын қоршаған ортаның бөлшектеріне (ауа немесе сұйықтық) беріледі.

Магнитострикция құбылысы тұрадыферромагниттік шыбықтар (болат, темір, никель және олардың қорытпалары) әсерінен сызықтық өлшемдерді өзгертеді магнит өрісі, өзек осі бойымен бағытталған. Мұндай стерженді айнымалы магнит өрісіне орналастыру арқылы (мысалы, айнымалы ток өтетін катушка ішінде) біз өзекшеде мәжбүрлі тербелістерді тудырамыз, олардың амплитудасы резонанс кезінде әсіресе үлкен болады. Таяқшаның тербелмелі ұшы қоршаған ортада ультрадыбыстық толқындар жасайды, олардың қарқындылығы ұшының тербеліс амплитудасына тікелей байланысты.

Кейбір материалдар (мысалы, керамика) электр өрісінде өлшемдерін өзгертуге қабілетті. Электр кернеуі деп аталатын бұл құбылыскері пьезоэлектрлік әсерден сыртқы жағынан ерекшеленеді, ол өлшемнің өзгеруі тек қана қолданылатын өрістің күшіне байланысты, бірақ оның белгісіне тәуелді емес. Мұндай материалдарға барий титанаты және қорғасын цирконат титанаты жатады.

Жоғарыда сипатталған құбылыстарды қолданатын түрлендіргіштер сәйкесінше пьезоэлектрлік, магнитостриктивтік және электростриктивтік деп аталады.

Ультрадыбыстық сәуле шығарғыштар.

Табиғатта ультрадыбыс көптеген табиғи шулардың құрамдас бөлігі ретінде де (желдің, сарқыраманың, жаңбырдың шуында, теңізде жылжыған қиыршық тастардың шуында, найзағай ағындарымен бірге жүретін дыбыстарда және т.б.) кездеседі. жануарлар әлемінің дыбыстары. Кейбір жануарлар кедергілерді анықтау және ғарышта шарлау үшін ультрадыбыстық толқындарды пайдаланады.

Ультрадыбыстық сәуле шығарғыштарды екі үлкен топқа бөлуге болады. Біріншісіне эмиттер-генераторлар жатады; олардағы тербелістер тұрақты ағынның – газ немесе сұйықтық ағынының жолында кедергілердің болуына байланысты қоздырады. Эмитенттердің екінші тобы электроакустикалық түрлендіргіштер; олар электр кернеуінің немесе токтың бұрыннан берілген ауытқуларын механикалық тербеліске айналдырады қаттыішінде шығаратын қоршаған ортаакустикалық толқындар.

Электрмеханикалық ультрадыбыстық эмитент кері пьезоэлектрлік әсер құбылысын пайдаланады және келесі элементтерден тұрады (1-сурет)

Пьезоэлектрлік қасиеттері бар заттан жасалған пластиналар;

Оның бетінде өткізгіш қабаттар түрінде тұндырылған электродтар;

Электродтарға қажетті жиіліктегі айнымалы кернеуді беретін генератор.

Генератордан (3) электродтарға (2) айнымалы кернеу берілгенде, пластина (1) мерзімді созылу мен қысылуды бастан кешіреді. Мәжбүрлі тербелістер пайда болады, олардың жиілігі кернеудің өзгеру жиілігіне тең. Бұл тербеліс қоршаған ортаның бөлшектеріне беріледі, сәйкес жиілікпен механикалық толқын жасайды. Эмитент жанындағы орта бөлшектерінің тербеліс амплитудасы пластинаның тербеліс амплитудасына тең.

Ультрадыбыстың ерекшеліктеріне діріл амплитудасы салыстырмалы түрде аз болса да жоғары қарқынды толқындарды алу мүмкіндігі жатады, өйткені берілген амплитудада энергия ағынының тығыздығы пропорционалды. квадраттық жиілік.

I = ρ ω 2 ʋ A 2 / 2 (1)

Ультрадыбыстық сәулеленудің максималды қарқындылығы эмитенттердің материалының қасиеттерімен, сондай-ақ оларды пайдалану жағдайларының сипаттамаларымен анықталады.

USF аймағындағы АҚШ генерациясының қарқындылық диапазоны өте кең: 10 -14 Вт/см 2-ден 0,1 Вт/см 2 дейін.

Көптеген мақсаттар үшін эмитенттің бетінен алуға болатынға қарағанда айтарлықтай жоғары қарқындылық қажет. Мұндай жағдайларда сіз фокустауды пайдалана аласыз.

Ультрадыбыстық қабылдағыштар. Электромеханикалық ультрадыбыстық қабылдағыштар тікелей пьезоэлектрлік әсер құбылысын пайдаланады.

Бұл жағдайда ультрадыбыстық толқынның әсерінен кристалдық пластинаның (1) тербелісі пайда болады, нәтижесінде электродтарда (2) айнымалы кернеу пайда болады, оны тіркеу жүйесі (3) жазады.

Көптеген медициналық құрылғыларда ультрадыбыстық толқын генераторы қабылдағыш ретінде де қолданылады.

Ультрадыбыстың диагностикалық және емдік мақсатта қолданылуын анықтайтын қасиеттері (қысқа толқын ұзындығы, бағыттылығы, сыну және шағылысу, сіңіру, жартылай сіңіру тереңдігі)

Ультрадыбыстың емдік әсері механикалық, жылулық және химиялық факторлармен анықталады. Олардың біріккен әрекеті мембрананың өткізгіштігін жақсартады, қан тамырларын кеңейтеді, дененің тепе-теңдік күйін қалпына келтіруге көмектесетін зат алмасуды жақсартады. Дозаланған ультрадыбыстық сәулені жүрекке, өкпеге және басқа мүшелер мен тіндерге жұмсақ массаж жасау үшін пайдалануға болады.

а) Қысқа толқын ұзындығы. Фокус. Ультрадыбыстық толқын ұзындығы дыбыс толқынының ұзындығынан айтарлықтай аз. Толқын ұзындығы λ=υ/ν екенін ескере отырып, мынаны табамыз: 1 кГц жиіліктегі дыбыс үшін толқын ұзындығы λ дыбыс = 1500/1000 = 1,5 м; 1 МГц жиілігі бар ультрадыбыс үшін, толқын ұзындығы λ түйін = 1500/1 000 000 = 1,5 мм.

Қысқа толқын ұзындығына байланысты ультрадыбыстың шағылысу және дифракциясы естілетін дыбысқа қарағанда өлшемдері кішірек заттарда болады. Мысалы, өлшемі 10 см болатын дене λ=1,5 м болатын дыбыс толқынына кедергі болмайды, λ=1,5 мм болатын ультрадыбыстық толқынға кедергі болады. Бұл жағдайда ультрадыбыстық көлеңке пайда болады, сондықтан кейбір жағдайларда ультрадыбыстық толқындардың таралуын сәулелер арқылы бейнелеуге болады және оларға шағылысу мен сыну заңдарын қолдануға болады. Яғни, белгілі бір жағдайларда ультрадыбыстық толқын бағытталған ағынмен таралады, оған геометриялық оптика заңдары қолданылады.

б) Рефракция және шағылысу.Толқындардың барлық түрлері сияқты ультрадыбыс шағылу және сыну құбылыстарымен сипатталады. Бұл құбылыстардың бағынатын заңдары жарықтың шағылу және сыну заңдарына толығымен ұқсас. Сондықтан көп жағдайда ультрадыбыстық толқындардың таралуы сәулелердің көмегімен бейнеленеді.

Процесті сандық сипаттау үшін шағылысу коэффициенті R=I нег /I o ұғымы енгізіледі, мұнда I нег – шағылған ультрадыбыстық толқынның қарқындылығы; I o – оқиғаның қарқындылығы. Бұл нөлден (шағылусыз) біреуге (жалпы шағылысу) дейін өзгеретін өлшемсіз шама.

Ортаның толқындық кедергілері (ρυ) неғұрлым әртүрлі болса, соғұрлым көп болады көбірек бөлісушағылысқан энергия және интерфейс арқылы өтетін энергияның аз бөлігі.

Биологиялық ортаның толқын кедергісі ауаның толқын кедергісінен шамамен 3000 есе артық (R = 1/3000), сондықтан шекарадағы шағылысу ауа-тері 99,99% құрайды. Егер эмитент адамның терісіне тікелей қолданылса, ультрадыбыс ішке енбейді, бірақ эмитент пен тері арасындағы жұқа ауа қабатынан шағылысады. Ауа қабатын жою үшін терінің беті шағылуды азайтатын өтпелі орта ретінде әрекет ететін тиісті майлаушы қабатымен (су желе) жабылған.

Майлау материалы тиісті талаптарға сай болуы керек: терінің акустикалық кедергісіне жақын акустикалық кедергісі болуы керек, ультрадыбысты сіңіру коэффициенті төмен, айтарлықтай тұтқырлығы бар, теріні жақсы сулаңыз, улы емес (вазелин майы, глицерин және т.б.) болуы керек. .

в) Абсорбция, жартылай сіңіру тереңдігі.Келесі маңызды мүлікУльтрадыбыс – оның ортадағы жұтылуы: орта бөлшектерінің механикалық тербелістерінің энергиясы олардың жылулық қозғалысының энергиясына айналады. Орта жұтқан механикалық толқын энергиясы ортаның қызуын тудырады. Бұл әсер формуламен сипатталады:

I = I o. e -kl (3)

мұндағы I – ортада l қашықтыққа өтетін ультрадыбыстық толқынның қарқындылығы; I o – бастапқы қарқындылық; k – ортадағы ультрадыбысты сіңіру коэффициенті; e – натурал логарифмдердің негізі (e = 2,71).

Ультрадыбыстық жұтылудың сипаттамасы ретінде сіңіру коэффициентімен бірге жартылай сіңіру тереңдігі де қолданылады.

Жартылай сіңіру тереңдігі - ультрадыбыстық толқынның қарқындылығы екі есе азайған тереңдік.

Жартылай сіңіру тереңдігі әртүрлі ұлпалар үшін әртүрлі мағынаға ие. Сондықтан медициналық мақсатта әртүрлі қарқындылықтағы ультрадыбыстық толқындар қолданылады: төмен - 1,5 Вт/м2, орташа - (1,5-3) Вт/м2 және жоғары - (3-10) Вт/м2.

Сұйық ортада сіңірілу жұмсақ тіндерге қарағанда айтарлықтай аз және сүйек тініне қарағанда одан да жоғары.

8. Ультрадыбыстың затпен әрекеттесуі: акустикалық ағындар мен кавитация, жылу шығару және химиялық реакциялар, дыбыстың шағылысуы, дыбыстық көру).

а) Акустикалық ағындар және кавитация.Жоғары қарқындылық ультрадыбыстық толқындар бірқатар ерекше әсерлермен бірге жүреді. Осылайша, ультрадыбыстық толқындардың газдар мен сұйықтықтарда таралуы ортаның қозғалысымен бірге жүреді де, жылдамдығы 10 м/с жететін акустикалық ағындар (дыбыстық жел) пайда болады. Интенсивтілігі бірнеше Вт/см 2 болатын ультрадыбыстық өрістегі ультрадыбыстық жиілік диапазонындағы (0,1-10) МГц жиіліктерінде өте ұсақ тұманның пайда болуымен сұйықтықтың атқылауы және бүрку болуы мүмкін. Ультрадыбысты таратудың бұл ерекшелігі ультрадыбыстық ингаляторларда қолданылады.

Сұйықтықтағы қарқынды ультрадыбыстың таралуы кезінде пайда болатын маңызды құбылыстарға жатады акустикалық кавитация-сұйықтардағы газдың немесе будың субмикроскопиялық ядроларынан мм фракцияларының өлшемдеріне дейін ультрадыбыстық өрісте көпіршіктердің өсуі, олар ультрадыбыстық жиілікте пульсациялай бастайды және оң қысым фазасында құлайды. Газ көпіршіктері ыдырағанда, үлкен жергілікті қысым тәртібі мыңдаған атмосфера, сфералық соққы толқындары түзіледі. Бөлшектерге мұндай қарқынды механикалық әсер ультрадыбыстың жылу әсерінің әсерінсіз де әртүрлі әсерлерге, соның ішінде деструктивті әсерлерге әкелуі мүмкін. Механикалық әсерлер әсіресе фокусталған ультрадыбыстық әсерге ұшыраған кезде маңызды.

Кавитациялық көпіршіктердің ыдырауының тағы бір салдары - молекулалардың иондануы және диссоциациялануымен бірге жүретін олардың мазмұнының қатты қызуы (шамамен 10 000 0 С температураға дейін).

Кавитация құбылысы эмитенттердің жұмыс беттерінің эрозиясымен, жасушалардың зақымдалуымен және т.б. Дегенмен, бұл құбылыс сонымен қатар бірқатар пайдалы әсерлерге әкеледі. Мысалы, кавитация аймағында эмульсияларды дайындау үшін қолданылатын заттың араласуы артады.

б) Жылу бөлу және химиялық реакциялар.Ультрадыбысты заттың жұтуы механикалық энергияның заттың ішкі энергиясына ауысуымен бірге жүреді, бұл оның қызуына әкеледі. Ең қарқынды қыздыру интерфейске іргелес аумақтарда, шағылысу коэффициенті бірлікке жақын болғанда (100%) орын алады. Бұл шағылысу нәтижесінде шекараға жақын толқынның интенсивтілігі артады және сәйкесінше жұтылатын энергия мөлшері де артады. Мұны тәжірибе жүзінде тексеруге болады. Ультрадыбыстық сәуле шығарғышты дымқыл қолыңызға бекіту керек. Көп ұзамай алақанның қарама-қарсы жағында тері-ауа интерфейсінен шағылысқан УДЗ әсерінен пайда болатын сезім (күйіктен ауырсынуға ұқсас) пайда болады.

Күрделі құрылымы бар тіндер (өкпе) біртекті тіндерге (бауыр) қарағанда ультрадыбыстық қыздыруға сезімтал. Жұмсақ тіндер мен сүйектер арасындағы шекарада салыстырмалы түрде көп жылу пайда болады.

Тіндерді градустардың фракцияларымен жергілікті жылыту өмірлік белсенділікке ықпал етеді биологиялық объектілер, метаболикалық процестердің қарқындылығын арттырады. Дегенмен, ұзақ әсер ету қызып кетуді тудыруы мүмкін.

Кейбір жағдайларда фокусталған ультрадыбыстық дененің жеке құрылымдарына жергілікті әсер ету үшін қолданылады. Бұл әсер бақыланатын гипертермияға қол жеткізуге мүмкіндік береді, яғни. көрші тіндерді қыздырмай 41-44 0 С дейін қыздыру.

Ультрадыбыстың өтуімен бірге жүретін температура мен қысымның жоғарылауы молекулалармен әрекеттесе алатын иондар мен радикалдардың пайда болуына әкелуі мүмкін. Бұл жағдайда қалыпты жағдайда орындалмайтын химиялық реакциялар болуы мүмкін. Ультрадыбыстың химиялық әсері, атап айтқанда, су молекуласының H + және OH - радикалдарына бөлінуімен, содан кейін H 2 O 2 сутегі асқын тотығының пайда болуымен көрінеді.

в) Дыбыстың шағылысуы. Дыбыс көру.Біртекті еместерден ультрадыбыстық толқындардың шағылысуына негізделген дыбыстық көру,медициналық ультрадыбыстық зерттеулерде қолданылады. Бұл жағдайда біртекті еместерден шағылған ультрадыбыс электрлік тербелістерге, ал соңғысы жарыққа айналады, бұл экрандағы белгілі бір объектілерді жарыққа орташа мөлдір емес күйде көруге мүмкіндік береді.

Ультрадыбыстық микроскоп ультрадыбыстық жиілік диапазонындағы жиіліктерде жасалды - қарапайым микроскопқа ұқсас құрылғы, оның оптикалық қарағанда артықшылығы мынада: биологиялық зерттеунысанды алдын ала бояу қажет емес. Ультрадыбыстық толқынның жиілігі артқан сайын ажыратымдылық артады (кішігірім біртексіздіктерді анықтауға болады), бірақ олардың ену қабілеті төмендейді, яғни. қызығушылық құрылымдарды зерттеуге болатын тереңдік төмендейді. Сондықтан ультрадыбыстық жиілік жеткілікті ажыратымдылықты қажетті зерттеу тереңдігімен біріктіретін етіп таңдалады. Осылайша, тері астындағы тікелей орналасқан қалқанша безді ультрадыбыстық зерттеу үшін 7,5 МГц жиіліктегі толқындар, ал іш қуысы мүшелерін тексеру үшін 3,5 - 5,5 МГц жиілік қолданылады. Сонымен қатар, май қабатының қалыңдығы да ескеріледі: арық балалар үшін 5,5 МГц жиілік, ал артық салмағы бар балалар мен ересектер үшін 3,5 МГц жиілік қолданылады.

9. Ультрадыбыстың биофизикалық әсері: механикалық, жылулық, физика-химиялық.

Ультрадыбыс сәулеленген органдар мен тіндердегі биологиялық объектілерге толқын ұзындығының жартысына тең қашықтықта әрекет еткенде, бірліктен ондаған атмосфераға дейінгі қысым айырмашылығы пайда болуы мүмкін. Мұндай қарқынды әсер ету физикалық табиғаты бірлескен әрекетпен анықталатын әртүрлі биологиялық әсерлерге әкеледі механикалық, жылулық және физика-химиялық құбылыстарқоршаған ортада ультрадыбыстың таралуымен бірге жүреді.

Механикалық әрекетайнымалы акустикалық қысыммен анықталады және гиалурон қышқылына және хондроитин сульфатына ультрадыбыстың деполимеризациялау әсеріне байланысты жасушалық, жасушаішілік және тіндік мембраналардың өткізгіштігін арттыратын жасушалық және жасушалық деңгейде тіндердің діріл микромассажынан тұрады, бұл гиалурон қышқылы мен хондроитин сульфатының ылғалдануын жоғарылатады. тері қабаты.

Жылу эффектісімеханикалық энергияның жылу энергиясына айналуымен байланысты, ал жылу дененің ұлпаларында біркелкі емес түзіледі. Атап айтқанда, тіндердің акустикалық кедергісінің айырмашылығына байланысты орталардың шекараларында, сондай-ақ ультрадыбыстық энергияны көп мөлшерде сіңіретін тіндерде (жүйке, сүйек тіндері) және қанмен нашар қамтамасыз етілген жерлерде көп жылу жиналады.

Физико-химиялық әрекетхимиялық энергияның дене тіндерінде механикалық резонанс тудыратындығына байланысты. Соңғысының әсерінен молекулалардың қозғалысы жеделдейді және олардың иондарға ыдырауы күшейеді, ал изоэлектрлік күй өзгереді. Жаңа электр өрістері пайда болады, жасушаларда электрлік өзгерістер болады. Судың құрылымы мен гидратация қабықшаларының күйі өзгереді, радикалдар мен биологиялық еріткіштердің сонолизінің әртүрлі өнімдері пайда болады. Нәтижесінде тіндерде физикалық-химиялық және биохимиялық процестерді ынталандыру және метаболизмді белсендіру орын алады.

1. Пьезоэлектрлік эффект.

Кейбір кристалдарда, егер кристал механикалық деформацияға ұшыраса, поляризация сыртқы өріссіз жүруі мүмкін. 1880 жылы Пьер мен Жак Кюри ашқан бұл құбылыс пьезоэлектрлік эффект деп аталды.

Пьезоэлектрлік зарядтарды анықтау үшін кристалдық пластинаның шеттеріне металл пластиналар орналастырылады. Пластиналар ашық болған кезде деформация кезінде олардың арасында потенциалдар айырымы пайда болады. Пластиналар жабылған кезде оларда шамасы бойынша поляризация зарядтарына тең, бірақ таңбасы қарама-қарсы индукцияланған зарядтар пайда болады және деформация кезінде пластиналарды қосатын контурда ток пайда болады. Мысал ретінде кварцты пайдаланып пьезоэлектрлік эффектінің негізгі ерекшеліктерін қарастырайық. SiO2 кварц кристалдары әртүрлі кристаллографиялық модификацияларда болады. Бізді қызықтыратын кристалдар (а-кварц) тригональды кристаллографиялық жүйе деп аталатын жүйеге жатады және әдетте 1-суретте көрсетілген пішінге ие. Олар екі пирамидамен шектелген алтыбұрышты призмаға ұқсайды, бірақ бірнеше қосымша беттері бар. Мұндай кристалдар кристалдың ішіндегі маңызды бағыттарды анықтайтын төрт кристалдық осьпен сипатталады.

Осы осьтердің бірі Z пирамидалардың төбелерін қосады. Қалған үш X1, X2, X3 Z осіне перпендикуляр және алтыбұрышты призманың қарама-қарсы шеттерін қосады. Z осімен анықталған бағыт пьезоэлектрлік белсенді емес: осы бағытта қысылғанда немесе созылғанда поляризация болмайды. Керісінше, Z осіне перпендикуляр кез келген бағытта сығылған немесе созылған кезде электрлік поляризация пайда болады. Z осі кристалдың оптикалық осі, ал X1, X2, X3 осі электрлік немесе пьезоэлектрлік осьтер деп аталады.

X пьезоэлектрлік осьтердің біріне перпендикуляр кесілген кварц пластинасын қарастырайық. Z және X-ке перпендикуляр ось Y арқылы белгіленеді (2-сурет). Сонда пластинканы Х осі бойымен созған кезде оған перпендикуляр ABCD және EFGH беттерінде қарама-қарсы поляризация зарядтары пайда болады екен. Бұл пьезоэлектрлік әсер бойлық деп аталады. Егер деформацияның белгісін өзгертсеңіз, яғни керілуден сығылуға ауыссаңыз, онда поляризация зарядтарының белгілері керісінше өзгереді.

Күріш. 1. Кварц кристалы.

Белгілі бір деформация түрі бар белгілі бір белгілердің поляризация зарядтарының пайда болуы (тиісінше, созылу немесе қысу) X осінің ұштары тең емес екенін және X осіне белгілі бір бағыттарды тағайындауға болатындығын көрсетеді (суреттегі көрсеткілермен көрсетілген). 1). Бұл берілген деформация үшін зарядтың таңбасы X осінің сыртқы нормаль бойымен бетке немесе ішкі жағына бағытталғанына байланысты екенін білдіреді. Ұштары бірдей емес осьтер полярлық осьтер деп аталады. X1, X2, X3 полярлық осьтерден айырмашылығы, Z осінің ұштары толығымен тең және ол полярлы емес ось болып табылады.

Күріш. 2. Пьезоэлектрлік оське перпендикуляр кесілген кварц тақтасы.

Полярлық ось ұштарының теңсіздігі, әрине, пьезоэлектрлік әсерде ғана емес, басқа құбылыстарда да көрінеді. Мысалы, полярлық осьтің әртүрлі ұштарында орналасқан беттердің химиялық өрнектелу жылдамдығы әртүрлі болып шығады және нәтижесінде алынған өрнек фигуралары бір-бірінен ерекшеленеді.

Бойлық пьезоэлектрлік эффектімен қатар көлденең пьезоэлектрлік эффект те болады. Бұл Y осі бойымен қысылған немесе созылған кезде поляризация X осі бойымен жүреді және поляризация зарядтары ABCD және EFGH бірдей беттерінде пайда болады. У бойымен қысылғанда (көлденең әсерде) әрбір беттегі зарядтардың белгілері Х бойымен созылғандағымен (бойлық әсерде) бірдей болады екен.

Пьезоэлектрлік эффект былай түсіндіріледі.Иондық кристалдарда оң және теріс иондар орталықтарының сәйкес келмеуіне байланысты сыртқы электр өрісі болмаған кезде де электрлік момент болады. Алайда, бұл поляризация әдетте пайда болмайды, өйткені ол бетіндегі зарядтармен өтеледі. Кристалл деформацияланған кезде тордың оң және теріс иондары бір-біріне қатысты ығысады, демек, жалпы айтқанда, кристалдың электрлік моменті өзгереді. Бұл электрлік моменттің өзгеруі пьезоэлектрлік әсерде көрінеді.

Күріш. 3 кварцтағы пьезоэлектрлік эффектінің пайда болуын сапалы түрде түсіндіреді. Бұл схема оптикалық Z осіне перпендикуляр жазықтықта оң Si иондарының (толтырылған шеңберлер) және теріс O иондарының (ашық шеңберлер) проекцияларын көрсетеді.Бұл сурет кварц бірлік ұяшықтағы иондардың нақты конфигурациясына сәйкес келмейді, онда иондар бір жазықтықта жатпайды, бірақ олардың саны көрсетілгеннен көп. Дегенмен, ол симметрияны дұрыс жеткізеді салыстырмалы позицияиондар, бұл қазірдің өзінде сапалы түсіндіру үшін жеткілікті.

Күріш. 3, а) деформацияланбаған кристалға сәйкес келеді. Х1 осіне перпендикуляр А бетінде шығыңқы оң зарядтар, ал В бетінде оған параллель шығып тұрған теріс зарядтар бар. X1 осі бойымен қысылғанда (3, б-сурет) бірлік ұяшық деформацияланады. Бұл жағдайда оң ион 1 және теріс ион 2 ұяшыққа «басылып», шығыңқы зарядтардың (А жазықтығында оң және В жазықтығында теріс) азаюына әкеледі, бұл А жазықтығында теріс зарядтың пайда болуына эквивалентті. және В жазықтығындағы оң заряд. X1 осі бойымен созылғанда, керісінше болады (3, в-сурет): 1 және 2 иондары ұяшықтан «сыртқа шығарылады». Сондықтан А бетінде қосымша оң заряд, ал В бетінде теріс заряд пайда болады.

Күріш. 3. Пьезоэлектрлік әсерді түсіндіруге қарай.

Қатты денелер теориясындағы есептеулер экспериментпен келісе отырып, пьезоэлектрлік эффект бірлік ұяшықта симметрия центрі жоқ кристалдарда ғана болуы мүмкін екенін көрсетеді. Мысалы, CsCl кристалдарының бірлік ұяшығы (4-сурет) симметрия орталығына ие және бұл кристалдар пьезоэлектрлік қасиет көрсетпейді. Кварц жасушасындағы иондардың орналасуы ондағы симметрия центрі болмайтындай, сондықтан онда пьезоэлектрлік эффект болуы мүмкін.

Күріш. 4. Цезий хлоридінің CsCl кристалының бірлік жасушасы.

Белгілі бір өзгерістер диапазонында поляризация векторының шамасы Р (және оған пропорционал пьезоэлектрлік зарядтардың беттік тығыздығы o) механикалық деформациялар шамасына пропорционал.Х бойымен бір жақты созылу деформациясын және деп белгілейік. ось:

Мұндағы d – пластинаның қалыңдығы, ал Dd – оның деформация кезіндегі өзгерісі. Содан кейін, мысалы, бойлық әсер үшін бізде:

b шамасы пьезоэлектрлік модуль деп аталады. b белгісі оң немесе теріс болуы мүмкін. Ол өлшемсіз шама болғандықтан, b P-мен бірдей бірліктермен өлшенеді, яғни. С/м2. Магнитудасы бетінің тығыздығы X осіне перпендикуляр беттердегі пьезоэлектрлік зарядтар тең s"=Px

Деформация кезінде пьезоэлектрлік поляризацияның пайда болуына байланысты кристалдың ішіндегі электрлік D орын ауыстыруы да өзгереді. Бұл жағдайда орын ауыстырудың жалпы анықтамасында Р Pe + Pu қосындысы деп түсіну керек, мұндағы Pe электр өрісінің әсерінен, ал Пу деформацияға байланысты. Жалпы жағдайда E, Pe және Pu бағыттары сәйкес келмейді және D өрнегі күрделі болып шығады. Алайда жоғары симметрия осьтерімен сәйкес келетін кейбір бағыттар үшін көрсетілген векторлардың бағыттары бірдей болып шығады. Одан кейін офсеттік мән үшін мынаны жазуға болады:

мұндағы Е – кристалдың ішіндегі электр өрісінің кернеулігі, ал e – тұрақты кернеудегі диэлектрлік өтімділік. Қатынас, мысалы, X электр осінің бірінің бойындағы біржақты созылу (қысылу) деформациясы үшін жарамды. Ол пьезоэлектрлік теориядағы екі негізгі қатынастың бірі болып табылады (екінші қатынас берілген).

Пьезоэлектрлік эффект біржақты созылу деформациясы кезінде ғана емес, сонымен қатар ығысу деформациясы кезінде де болады.

Пьезоэлектрлік қасиеттер кварцтан басқа көптеген басқа кристалдарда байқалады. Олар кварцқа қарағанда Рошель тұзында әлдеқайда айқын. Күшті пьезоэлектриктер 2 және 6 топ элементтерінің қосылыстарының кристалдары болып табылады. мерзімді кесте(СdS, ZnS), сонымен қатар көптеген басқа химиялық қосылыстар.

2. Кері пьезоэлектрлік эффект.

Пьезоэлектрлік эффектпен қатар оның қарама-қарсы құбылысы да бар: пьезоэлектрлік кристалдарда поляризацияның пайда болуы механикалық деформациялармен бірге жүреді. Сондықтан кристалға орнатылған металл пластиналарға электр кернеуі берілсе, өріс әсерінен кристал поляризацияланып, деформацияланады.

Кері пьезоэлектрлік эффектінің болу қажеттілігі энергияның сақталу заңынан және тікелей әсердің бар болу фактісінен туындайтынын байқау қиын емес. Пьезоэлектрлік пластинаны қарастырайық (5-сурет) және оны сыртқы күштер F арқылы қысамыз деп алайық.Егер пьезоэлектрлік эффект болмаса, онда сыртқы күштердің жұмысы серпімді деформацияланған пластинаның потенциалдық энергиясына тең болар еді. Пьезоэлектрлік эффект болған жағдайда пластинада зарядтар пайда болады және қосымша энергияны қамтитын электр өрісі пайда болады. Энергияның сақталу заңына сәйкес пьезоэлектрлік пластинаны сығымдағанда көп жұмыс атқарылады, яғни онда қысуға қарсы әрекет ететін қосымша F1 күштері пайда болады. Бұл кері пьезоэлектрлік әсердің күштері. Жоғарыдағы пайымдаудан екі әсердің белгілерінің арасында байланыс пайда болады. Егер екі жағдайда да беттердегі зарядтардың белгілері бірдей болса, онда деформациялардың белгілері әртүрлі болады. Егер пластина қысылған кезде, суретте көрсетілгендей беттерде зарядтар пайда болса. 5, содан кейін бірдей поляризация сыртқы өріс арқылы жасалғанда, пластина созылады.

5-сурет. Тура және кері пьезоэлектрлік әсерлер арасындағы байланыс.

Кері пьезоэлектрлік эффект электрострикцияға үстірт ұқсас. Алайда бұл құбылыстардың екеуі де әртүрлі. Пьезоэлектрлік эффект өрістің бағытына байланысты және соңғысының бағыты керісінше өзгергенде таңбасын өзгертеді. Электр тоғысу өріс бағытына тәуелді емес. Пьезоэлектрлік эффект симметрия орталығы жоқ кейбір кристалдарда ғана байқалады. Электр тоғысу барлық диэлектриктерде, қатты және сұйық күйде болады.

Егер пластина бекітілген болса және деформацияланбайтын болса, онда электр өрісі пайда болған кезде онда қосымша механикалық кернеу пайда болады.Оның s мәні кристалдың ішіндегі электр өрісінің кернеулігіне пропорционал:

мұндағы b - тікелей пьезоэлектрлік әсер жағдайындағыдай пьезоэлектрлік модуль. Бұл формуладағы минус тікелей және кері пьезоэлектрлік әсерлердің белгілерінің жоғарыдағы қатынасын көрсетеді.

Кристалдың ішіндегі толық механикалық кернеу деформациядан туындаған кернеу мен электр өрісінің әсерінен пайда болатын кернеудің қосындысы болып табылады. Ол мынаған тең:

Мұндағы С – тұрақты электр өрісіндегі біржақты созылу деформациясы кезіндегі серпімділік модулі (Юнг модулі). (51.2) және (52.2) формулалары пьезоэлектрлік теорияның негізгі қатынастары болып табылады.

Формулаларды жазу кезінде тәуелсіз айнымалылар ретінде u және E-ді таңдадық және олардың функциялары ретінде D мен s-ді қарастырдық. Бұл, әрине, қажет емес және біз тәуелсіз айнымалылар ретінде бір жұп шамаларды қарастыра аламыз, олардың бірі механикалық, екіншісі электрлік. Сонда біз сондай-ақ u, s, E және D арасындағы, бірақ әртүрлі коэффициенттермен екі сызықтық қатынасты аламыз. Қарастырылатын есептердің түріне байланысты негізгі пьезоэлектрлік қатынастарды жазудың әртүрлі формалары ыңғайлы.

Барлық пьезоэлектрлік кристалдар анизотропты болғандықтан, e, C және b тұрақтылары кристалдық осьтерге қатысты пластина беттерінің бағытына байланысты. Сонымен қатар, олар пластинаның бүйір беттерінің бекітілген немесе бос болуына байланысты (олар деформация кезінде шекаралық жағдайларға байланысты). Бұл тұрақтылардың шама реті туралы түсінік беру үшін пластина X осіне перпендикуляр кесілген және оның бүйір беттері бос болған жағдайда кварц үшін олардың мәндерін келтіреміз:

e=4, 5; C=7, 8 1010 Н/м2; b=0,18 C/m2.

Енді (4) және (5) негізгі қатынастарды қолданудың мысалын қарастырайық.Жоғарыда көрсетілгендей кесілген кварц тақтасы X осінің бойымен созылған, ал беттерге тиіп тұрған тақталар ашық деп алайық. Деформацияға дейін пластиналардың заряды нөлге тең, ал кварц диэлектрик болғандықтан, деформациядан кейін пластиналар зарядсызданады. Электрлік орын ауыстырудың анықтамасы бойынша бұл D=0 дегенді білдіреді. Сонда (4) қатынастан деформация кезінде пластинаның ішінде қарқындылығы бар электр өрісі пайда болатыны шығады:

Осы өрнекті (5) формулаға қойып, пластинадағы механикалық кернеуді табамыз:

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

Кернеу, пьезоэлектрлік эффект болмаған кездегідей, деформацияға пропорционал. Дегенмен, пластинаның серпімділік қасиеттері қазір тиімді серпімділік модулімен сипатталады

С" == С (1 + b2/e0eС). (8)

ол С-ден үлкен серпімділік қаттылығының артуы кері пьезоэлектрлік әсер кезінде деформацияны болдырмайтын қосымша кернеудің пайда болуынан туындайды. Кристалдың пьезоэлектрлік қасиеттерінің оның механикалық қасиеттеріне әсері мына мәнмен сипатталады: K2=b2/e0eC (9)

Бұл шаманың квадрат түбірі (K) электромеханикалық қосылыс тұрақтысы деп аталады.Жоғарыда келтірілген e, C және b мәндерін пайдалана отырып, біз кварц үшін K2 ~ 0,01 Барлық басқа белгілі пьезоэлектрлік кристалдар үшін K2 аз екенін анықтаймыз. бірлік және 0,1 аспайды.

Енді пьезоэлектрлік өрістің шамасын есептейік. Х осіне перпендикуляр кварц пластинасының беттеріне 1 1055 Н/м2 механикалық кернеу әсер етеді деп алайық. Сонда (7) бойынша деформация u=1, 3 10-6 тең болады. Бұл мәнді (6) формулаға ауыстырып, |Е|==5900 В/м=59 В/см аламыз. Пластинаның қалыңдығы, айталық, d==0,5 см болғанда, плиталар арасындағы кернеу U=Ed~30 В тең болады. Біз пьезоэлектрлік өрістер мен кернеулердің өте маңызды болуы мүмкін екенін көреміз. Кварцтың орнына күштірек пьезоэлектриктерді қолдану және деформацияның дұрыс таңдалған түрлерін қолдану арқылы көптеген мыңдаған вольттермен өлшенетін пьезоэлектрлік кернеулерді алуға болады.

Пьезоэлектрлік эффект (тікелей және кері) әртүрлі электромеханикалық түрлендіргіштерді жобалау үшін кеңінен қолданылады. Осы мақсатта кейде деформацияларды жүргізуге арналған композициялық пьезоэлементтер қолданылады. әртүрлі түрлері.

6-суретте қысу жағдайында жұмыс істейтін қос пьезоэлектрлік элемент (екі пластинадан тұратын) көрсетілген. Пластиналар кристалдан бір уақытта қысылатын немесе созылатындай етіп кесілген. Егер, керісінше, мұндай пьезоэлектрлік элемент сыртқы күштердің әсерінен қысылса немесе созылса, онда оның плиталары арасында кернеу пайда болады. Бұл пьезоэлектрлік элементтегі пластиналардың қосылуы конденсаторлардың параллель қосылуына сәйкес келеді.

6-сурет. Қысу кезінде жұмыс істейтін қос пьезоэлектрлік элемент.

3. Пьезоэлектрлік эффектінің ғылым мен техникада қолданылуы.

Акустикалық музыкалық аспапты ноталауға арналған кез келген жабдықтың негізгі бөлігі пьезоэлектрлік түрлендіргіш болып табылады. Бұл бөлік өзгереді механикалық тербелісжолдар мен дыбыс тақтасын электрлік сигналға айналдырады.

Электрлік гитарадағы ұқсас функцияны магниттік пикап орындайды: бір катушкалар немесе гумбукер. Бірақ электр гитара пикапының физикасы басқаша - ол болат ішектермен енгізілген магнит өрісіндегі өзгерістерді түрлендіреді. Акустикаға арналған пьезо сенсоры кез келген жолдармен, соның ішінде синтетикалық жолдармен жұмыс істейді. Пьезо түрлендіргіш гитара сүйегінің астына орналастырылған (ішкі ішектер орналасқан пластина). Бұл UST сенсоры

Пьезоэлектрлік сенсорды орналастырудың тағы бір жолы бар - ол гитараның дыбыс тақтасына (іштен, стендке жақын) желімделген. Мұндай сенсордың сигналы әлсіз болады, өйткені ол жіптермен баспайды, ол тек дыбыс тақтасынан тербелістерді қабылдайды. Дегенмен, онда гитара корпусының қасиеттері туралы көбірек ақпарат бар. Бұл сенсор AST (1470) деп аталады.

UST және AST сигналдарын біріктіру өте күрделі және қызықты суретті береді және жоғары сыныпты аспаптарды шынайы түрде дыбыстауға мүмкіндік береді. Дегенмен, екі сенсорды пайдалану әрқашан қажет емес.

Пьезоэлектрлік түрлендіргіштер:

Пьезоэлектриктер қайтымды электромеханикалық түрлендіргіштер, яғни олар механикалық энергияны электр энергиясына және керісінше электр энергиясын механикалық энергияға түрлендіруге қабілетті. Тікелей пьезоэлектрлік әсерді қолдануға негізделген түрлендіргіштер түрлендіргіш-генераторлар деп аталады; олардың механикалық кірісі және электрлік шығысы бар. Кері пьезоэлектрлік әсерді қолдануға негізделген түрлендіргіштер қозғалтқыш түрлендіргіштері деп аталады; оларда электрлік кіріс және механикалық шығыстар бар. Тура және кері әсерлерді қолдануға негізделген көптеген пьезоэлектрлік құрылғылар белгілі. Тікелей әсер, мысалы, микрофондарда, дыбыс қабылдағыштарда, механикалық күште, орын ауыстыру және жеделдету датчиктерінде, тұрмыстық газ оттықтарында және т. , т.б.

Белгілі және табылған практикалық қолданупьезоэлектрлік түрлендіргіштер - пьезоэлектрлік трансформаторлар (қысқартылған пьезотрансформаторлар). Пьезотрансформатордың құрылғысы схемалық түрде суретте көрсетілген, ол төрт терминалды желі түріндегі пьезоэлектрлік түрлендіргіш екенін, тек электрлік кірісі мен шығысы бар екенін түсіндіреді.

Күріш. 7 Пьезоэлектрлік трансформатор

Пьезотрансформатордың жұмысы тура және кері пьезоэлектрлік әсерлерді пайдалануға негізделген. Кері пьезоэлектрлік әсердің нәтижесінде пьезотрансформатордың кіріс электродтарына берілетін электр кернеуі пьезоэлектриктің бүкіл көлемінің деформациясын тудырады, ал тікелей пьезоэлектрлік әсердің нәтижесінде шығыс электродтарда электрлік (екінші) кернеу пайда болады. әсері. Пьезотрансформаторда энергияның қос түрленуі жүреді - электрлік механикалық, содан кейін механикалық электрлік. Электромагниттік трансформатор сияқты, пьезотрансформатор электр кернеуін түрлендіру үшін қолданылады. Электродтардың өлшемін және олардың орналасуын таңдау арқылы түрлендіру коэффициентінің әртүрлі мәндерін алуға болады. Пьезотрансформаторлар әдетте резонанстық режимде қолданылады, онда трансформация қатынасының үлкен мәндеріне қол жеткізіледі (бірнеше жүз ретпен). Пьезотрансформаторлар жоғары вольтты қайталама қоректендіру көздерінде қолданылады.

Пьезоэлектрлік энергияны түрлендірудің екі жағдайы үшін пьезоэлектрикте болатын құбылыстарды жалпы түрде қарастырайық.

Пьезоэлектрлік элемент (PE) - белгілі бір өлшемдегі пьезоэлектриктен жасалған дене, геометриялық пішінжәне негізгі кристаллографиялық осьтерге қатысты бағдарлау (немесе өткізгіш пластиналары (электродтары) бар пьезокерамика жағдайында поляризация бағыты).

Күріш. 8 Пьезоэлектрлік элемент: 1 - пьезоэлектрлік пластина; 2 - пластинаның шеттеріне қолданылатын өткізгіш материалдан жасалған электродтар

Осылайша, пьезоэлектрлік элемент - бұл қатты (кристалды немесе керамикалық) диэлектригі бар электрлік конденсатор. Мұндай конденсатордың ерекшелігі - электродтар арасындағы кеңістікті толтыратын диэлектриктегі пьезоэлектрлік қасиеттердің болуы. Төменде пьезоэлектрлік әсердің болуының маңыздылығын және оның пьезоэлектрлік элементтің электрлік және механикалық сипаттамаларына қалай әсер ететінін көрсетеміз. Егер электромеханикалық түрлендіргіш ретінде пьезоэлектрлік элемент пайдаланылса, онда оның бағдары ең үлкен әсерге жету талаптары негізінде таңдалады. Пьезоэлектрлік элементке әсер ететін сыртқы күштер (механикалық және электрлік) таратылуы немесе шоғырлануы мүмкін. Бөлінген күштер тиімдірек түрлендіруге мүмкіндік береді. Сондықтан пьезоэлектрлік көлемді тиімдірек поляризациялау үшін электродтар қолданылады. пьезоэлемент беттерінің бүкіл аймағын жабады және біркелкі бөлінген механикалық кернеуді жасау үшін - пьезоэлементтің беттеріне жақсы сәйкес келетін және сыртқы шоғырланған күштерді бөлінген күштерге айналдыратын серпімді материалдан жасалған төсемдер.

Сыртқы күш пьезоэлектрлік элементтің деформациясын, оның поляризациясын және электродтарда қарама-қарсы электр зарядтарының пайда болуын тудырады. Электр зарядының шамасын немесе нәтижесінде пайда болатын кернеуді сәйкесінше өлшеуге болады өлшеу құралы, пьезоэлектрлік элементтің электродтарына қосылған. Сыртқы күш пьезоэлементке серпімді деформация түрінде энергия береді, егер әсер етуші күштің шамасы мен пьезоэлементтің қаттылығы белгілі болса, оны есептеуге болады. Пьезоэлектрлік элементтің деформациясымен бір мезгілде оның электродтарында электр кернеуі пайда болады. Демек, сыртқы күш әсерінен пьезоэлементке берілетін энергияның бір бөлігі электрлік болып шығады және оның мәнін есептеуге болады, егер электродтардағы электрлік кернеу мен пьезоэлементтің сыйымдылығы белгілі болса.

Пьезоэлементке әсер ететін сыртқы механикалық күш W0 энергиясын соңғысына серпімді деформация энергиясы және пьезоэлемент сыйымдылығының заряд энергиясы түрінде береді. Егер пьезоэлектрлік элементтің серпімді деформациясының энергиясын Вм, ал оның сыйымдылығының зарядының электр энергиясын We деп белгілесек, онда жалпы энергияПьезоэлектрлік элементпен байланысқан W0 олардың қосындысына тең болады. Кез келген қайтымды түрлендіргіштегідей, бұл жағдайда кері әрекет (пьезоэлектрлік реакция) орын алады, ол тікелей пьезоэлектрлік әсердің нәтижесінде пайда болатын электр кернеуінің (кері пьезоэлектрлік әсердің нәтижесінде) механикалық кернеулерді және сыртқы күштерге қарсы тұратын деформациялар. Бұл пьезоэлектрлік элементтің қаттылығының жоғарылауында көрінеді. Егер пьезоэлектрлік әсердің нәтижесінде пайда болатын электр кернеуі, мысалы, пьезоэлектрлік элементтің электродтарын қысқа тұйықталу арқылы жойылса, онда кері пьезоэлектрлік әсер байқалмайды, сондықтан пьезоэлектрлік элементтің қаттылығы төмендейді. орын алуы керек.

Осындай пікірді кері пьезоэлектрлік эффект, яғни сыртқы әсердің әсері үшін де жасауға болады. электр күші. Бұл жағдайда электр энергиясының сыртқы көзі пьезоэлементке пьезоэлемент сыйымдылығының заряд энергиясы және оның серпімді деформациясының механикалық энергиясы түріндегі энергияны береді. Бұл жерде де кері әсер пайда болады. Пьезоэлектрлік элементті қатты қысу арқылы деформацияның алдын алсаңыз, оның сыйымдылығының өзгеруін анықтауға болады. Бұл факт күшті пьезоэлектриктер үшін оңай байқалады, бірақ әлсіздер үшін, мысалы, кварц үшін сыйымдылықтың өзгеруі аз (шамамен 1%). Бұл тұжырымға термодинамикалық ойларды ескере отырып оңай жетуге болады. Пьезоэлектрлік теориядан пьезоэлектриктердің серпімділік коэффициенттері олардың диэлектрлік тұрақтылары тәуелді болатыны сияқты электрлік жағдайларға тәуелді екені белгілі. механикалық жағдайлар. Бұл табиғи нәрсе, өйткені пьезоэлектрлік анықтама бойынша серпімділік пен диэлектрлік қасиеттер арасындағы байланысты білдіреді. Сондықтан материалдың пьезоэлектрлік қасиеттерін сипаттау шекаралық механикалық және электрлік жағдайларды көрсете отырып, серпімді және диэлектрлік коэффициенттерінсіз мүмкін емес.

Пьезоэлектрлік эффект энергияның u энергия коэффициентімен толық сипатталады, электромеханикалық қосылу коэффициенті (ЭМК) деп аталады және k = We / W0 = Wm / W0 қатынасымен анықталады, мұндағы W0 - пьезоэлектрлік элементке берілген барлық энергия, ал We және Вм – түрлендірілген (электрлік және механикалық) энергия. EMC коэффициенті пьезоэлектриктерді салыстыру үшін өте пайдалы болып шықты, олардың пьезоэлектрлік, серпімді және диэлектрлік коэффициенттері айтарлықтай ерекшеленуі мүмкін. Бұл коэффициент статикалық және динамикалық түрлендіру режимдері үшін әртүрлі, соңғы жағдайда діріл түрі мен режиміне де байланысты. ЭМҮ коэффициенті пьезоэлектрлік модульдер сияқты кристалдың кристаллографиялық осьтеріне қатысты әсер етуші күштердің бағытына байланысты. Ол резонанс қисығының салыстырмалы ені сияқты резонатордың маңызды сипаттамасын анықтайды. EMC коэффициенті неғұрлым жоғары болса, резонанс қисығының салыстырмалы ені соғұрлым үлкен болады. Энергияның пьезоэлектрлік элементпен түрленуі толық болмайды, сондықтан ЭҮК коэффициенті 1-ден үлкен болмайды.Кварц жататын әлсіз пьезоэлектриктер деп аталатындар үшін ЭҚК коэффициенті бірнеше пайыздан аспайды, күшті пьезоэлектриктер үшін, мысалы. Рошель тұзы немесе пьезокерамика, ол 50 ...90% жетуі мүмкін.

Қолдану аймақтары:

АҚШ патенті N3239283. Американдық өнертапқыштар Дж.Броз және В.Лаубердорфер үйкеліс діріл арқылы жойылатын, бірақ оны жасау үшін арнайы механизмдер қажет емес подшипник конструкциясын жасады. Мойынтіректердің төлкелері пьезоэлектрлік материалдан жасалған. Ток пьезоэлектриктің жиырылуына және кеңеюіне әкеледі, бұл үйкелісті болдырмайтын діріл тудырады.

Реактивті ұшақтарда пьезоэлектрлік түрлендіргіштерді орнату электр энергиясын өндіруге жұмсалған отынның үштен бір бөлігін дерлік үнемдеуге мүмкіндік береді, сондықтан ұшу қашықтығын арттыруға мүмкіндік береді. Мұнда фюзеляж мен қанаттардың тербелісі мен тербелісі тікелей электр энергиясына айналады.

Philips қуаттылығы аз механизмдерге арналған пьезоэлектрлік жетек идеясын сәтті дамытуда. Атап айтқанда, ол көше қиылысындағы көліктердің шуынан батареялары зарядталатын бағдаршам жасады.

Пьезоэлектрлік материалдардан көппәтерлі үйлер үшін дыбыс өткізбейтін қалқаларды жасау туралы айтылады. Мұнда қос әсер бар: шуды жұту және электр энергиясын өндіру, айталық, пәтерлерді жылыту үшін.

Пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару. Принтерлерге арналған пьезоэлектрлік сия бүріккіш бастары жетпісінші жылдары жасалған. Осы принтерлердің көпшілігінде сия камерасындағы артық қысым пьезоэлектрлік дискінің көмегімен жасалады, ол оған электр кернеуі түскен кезде оның пішінін өзгертеді (бүгіледі). Доғалау арқылы сия камерасының қабырғаларының бірі ретінде қызмет ететін диск оның көлемін азайтады. Артық қысымның әсерінен сұйық сия саптамадан тамшы түрінде ұшады.

1925 жылы кеңес ғалымдары С.Н.Ржевкин мен А.И.Яковлев құрастырған пьезоэлектрлік микрофон дыбыс қысымының датчигі ретінде пьезоэлектрлік қасиеті бар заттан жасалған пластинкаға ие. Дыбыс толқындары микрофонның пьезоэлектрлік кристалына соғылып, оны қысады. Пьезокристаллдың көмегімен дыбыс толқындарының энергиясы әлсізге айналады электр тоғы. Содан кейін бұл шағын ток күшейткішке жіберіледі, бұл оны қамтамасыз ету үшін жеткілікті күшті етеді қалыпты жұмысдауыс зорайтқыш. Қысым сенсоры ретінде әрекет ету алғашқы гидрофондарды жасауға және теңіз өміріне тән ультра төмен жиілікті дыбыстарды жазуға мүмкіндік берді.

Тұрмыстық пьезоэлектрлік оттық ZP-1 «Tolne». Шақпақ тұрмыстық газ құрылғыларының оттықтарында газды жағуға арналған. Ұшқынның көзі пьезоэлектрлік элемент болып табылады. Пернені басу арқылы қысу күші пьезоэлектрлік элементтерге беріледі, нәтижесінде пьезоотақтың ұзартылған ұшына орналастырылған металл саптаманың ішінде орналасқан контактілер арасында ұшқын пайда болады. Газды тұтандыратын ұшқын пернені басқанда да, оны босатқанда да пайда болады.

Пьезоэлектрлік эмиттер 50 МГц-ке дейінгі жиіліктегі ультрадыбысты шығару үшін қолданылады. Пьезоэлектрлік эмиттердің негізгі элементі пьезоэлектрлік пластина болып табылады, ол кері пьезоэлектрлік әсердің арқасында айнымалы электр өрісінде мәжбүрлі механикалық тербелістерді орындайды.

Әдебиеттер тізімі

«Электр энергиясы» С.Г. Калашников, Мәскеу, 1977 ж.

«Электр материалдары» Ю.В. Корицкий, Мәскеу, 1968 ж.

«Радио таратқыш құрылғылар» Г.А. Зейтленка, Мәскеу, 1969 ж.

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

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

Пьезоэлектрлік эффект (грекше piezo – қысым және электр) – механикалық кернеудің әсерінен электрлік поляризацияның (индукцияның) пайда болуын немесе кейбір заттарда (пьезокристалдарда) электр өрісінің әсерінен деформацияның пайда болуын сипаттайтын құбылыс. Егер белгілі бір жолмен кесілген пьезоэлектрлік пластина механикалық кернеуге (сығу, созылу, ығысу) ұшыраса, онда оның бетінде поляризацияға байланысты электр зарядтары пайда болады - бұл тікелей пьезоэлектрлік эффект деп аталады; Мұндай пластинаны электр өрісіне енгізген кезде оның деформациясы электр өрісінің кернеулігіне байланысты сызықты түрде жүреді - кері пьезоэлектрлік эффект.
Тікелей пьезоэлектрлік әсер ету механизмі механикалық кернеу әсерінен зарядтың орын ауыстыруы нәтижесінде кристалдық тордың бірлік ұяшығының дипольдік моментінің пайда болуымен немесе өзгеруімен түсіндіріледі. Электр өрісі әрекет еткенде элементар зарядтаржасушада олардың орын ауыстыруы және соның салдарынан олардың арасындағы орташа қашықтықтардың өзгеруі, яғни. деформация (кері пьезоэлектрлік әсер).
Пьезоэлектрлік эффектіні 1880 жылы ағайынды П. және Дж.Кюри ашты, олар оны кварцта және кейбір басқа кристалдарда байқады.
Пьезоэлектрлік эффектінің болуының қажетті шарты кристалда симметрия центрінің болмауы болып табылады. Тек осы жағдайда ғана кернеулерді қолдану өтелмеген электр зарядының пайда болуына әкелуі мүмкін, яғни. поляризацияның пайда болуына. Пьезоэлектриктер кварц, турмалин, сэнгет тұзы, барий титанаты, калий дигидрофосфаты, сурьфоиодиді, калий сульфиді және т.б.Ол адам сүйектеріне де тән.
Тікелей пьезоэлектрлік әсер ету принципі ультрадыбыстық діріл қабылдағыштарды өндіруде қолданылады. Ультрадыбысты шығару үшін кері пьезоэлектрлік эффект қолданылады және барлық терапевтік ультрадыбыстық құрылғылар осы әсерге негізделген. Ультрадыбысты алудың мәні келесідей. Электродтардың көмегімен белгілі бір жолмен кесілген пьезокристалды пластинаның шеткі беттеріне айнымалы электр кернеуі берілсе, оның қалыңдығы айнымалы ток жиілігіне сәйкес кезектесіп азаяды. Пластинаның қалыңдығы азайған кезде қоршаған ортаның іргелес қабаттарында сиректеу пайда болады, ал ұлғайған кезде ортаның бөлшектері қалыңдайды. Пьезоэлектрлік түрлендіргіш деп аталатын пластина қалыңдығының мерзімді өзгеруі нәтижесінде ортада пластина бетіне перпендикуляр бағытта таралатын ультрадыбыстық толқын пайда болады. Пьезокристалдардан жасалған пластиналардың қалыңдығының өзгеруі өте аз, ол берілген электр кернеуіне пропорционал: AS = L U, мұндағы AS - пластинаның өлшемдерінің өзгеруі: L пьезоэлектрлік модулі: U - берілген кернеу.
Ультрадыбыстық тербелістердің қарқындылығын арттыру үшін заттың табиғи тербеліс жиілігін есепке алуды талап ететін резонанс құбылысы қолданылады. Егер пьезоэлектрлік кристалға берілетін айнымалы кернеудің жиілігі оның меншікті (резонанстық) жиілігімен сәйкес келсе, онда пластинаның тербеліс амплитудасы ең үлкен болады. Сәйкесінше, қоршаған ортаға таралатын ультрадыбыстық толқындардың қарқындылығы да максималды болады. Өз кезегінде пластинаның резонанстық жиілігі оның өлшеміне байланысты: пластина неғұрлым жұқа болса, соғұрлым оның резонанстық жиілігі жоғары болады. Мысалы, қалыңдығы 1 мм кварц пластина үшін резонанстық жиілік 2,88 МГц, ал қалыңдығы 0,5 мм пластина үшін 5,76 МГц-ке сәйкес келеді.
Бұрын ультрадыбыстық терапиялық құрылғыларда пьезоэлектрлік элемент ретінде кварц плиталары қолданылған. Бүгінде оны пьезоэлектрлік әсері бірнеше есе жоғары барий титанатты керамика алмастырады.

1756 жылы орыс академигі Ф.Эпинус турмалин кристалын қыздырғанда оның беттерінде электростатикалық зарядтар пайда болатынын анықтады. Кейіннен атом құбылысына пироэлектрлік эффект деген ат берілді. Ф.Эпинус температура өзгергенде байқалатын электрлік құбылыстардың себебі кристалда механикалық кернеудің пайда болуына әкелетін екі беттің біркелкі қызуы деп есептеді. Сонымен бірге ол кристалдың белгілі бір ұштарында полюстердің таралу тұрақтылығы оның құрылымы мен құрамына байланысты екенін, осылайша Ф.Эпинус пьезоэлектрлік эффектінің ашылуына жақындады деп көрсетті.

Кристаллдардағы пьезоэлектрлік эффектіні 1880 жылы ағайынды П. және Дж.Кюри ашты, олар механикалық кернеудің әсерінен кварц кристалынан белгілі бір бағытта кесілген пластиналардың бетінде электростатикалық зарядтардың пайда болуын байқады. Бұл зарядтар механикалық кернеуге пропорционалды, онымен таңбасын өзгертеді және жойылған кезде жоғалады. Диэлектриктің бетінде электростатикалық зарядтардың пайда болуы және оның ішінде механикалық кернеудің әсерінен электрлік поляризацияның пайда болуы тікелей пьезоэлектрлік эффект деп аталады.

Тікелей әсермен қатар кері пьезоэлектрлік эффект бар, ол механикалық деформация пьезоэлектрлік кристалдан кесілген пластинада оған әсер ететін электр өрісінің әсерінен орын алуынан тұрады; ал механикалық деформацияның шамасы электр өрісінің кернеулігіне пропорционал. Кері пьезоэлектрлік әсерді электр тоғысу құбылысымен, яғни электр өрісінің әсерінен диэлектриктің деформациясымен шатастыруға болмайды. Электр кернеуі кезінде деформация мен өріс арасында квадраттық байланыс бар, ал пьезоэлектрлік әсерде ол сызықты болады.

Сонымен қатар, электрострикция кез келген құрылымдағы диэлектриктерде болады және тіпті сұйықтар мен газдарда да болады, ал пьезоэлектрлік әсер тек қатты диэлектриктерде, негізінен кристалды диэлектриктерде байқалады.

Пьезоэлектрлік кристалдың серпімді деформациясы кристалдың бірлік ұяшығының оң және теріс зарядтарының ауырлық центрлерінің ығысуымен жүретін жағдайларда ғана пайда болады, яғни ол индукцияланған дипольдік моментті тудырғанда, бұл қажет. механикалық кернеудің әсерінен диэлектриктің электрлік поляризациясының пайда болуы үшін. Симметрия орталығы бар құрылымдарда біркелкі деформация кристалдық тордың ішкі тепе-теңдігін бұза алмайды, сондықтан симметрия орталығы жоқ тек 20 класс пьезоэлектрлік болып табылады. Симметрия центрінің болмауы пьезоэлектрлік әсердің болуы үшін қажетті, бірақ жеткіліксіз шарт болып табылады, сондықтан барлық ацентрлік кристалдарда болмайды.

Пьезоэлектрлік эффект қатты аморфты және криптокристалды диэлектриктерде байқалмайды, өйткені бұл олардың сфералық симметриясына қайшы келеді. Ерекшелік - олар сыртқы күштердің әсерінен анизотропты болып, сол арқылы ішінара монокристалдардың қасиеттеріне ие болады.Пьезоэлектрлік әсер кристалдық текстураның кейбір түрлерінде де мүмкін.

Осы уақытқа дейін пьезоэлектрлік эффект кристалдық тордың қазіргі атомдық теориясы шеңберінде қанағаттанарлық сандық сипаттамасын таппады. Тіпті қарапайым типті құрылымдар үшін пьезоэлектрлік тұрақтылардың ретін шамамен есептеу мүмкін емес.

Әрбір пьезоэлектрлік электромеханикалық түрлендіргіш болып табылады, сондықтан оның маңызды сипаттамасы электромеханикалық байланыс коэффициенті k болып табылады. Бұл коэффициенттің квадраты деформацияның берілген түрі үшін механикалық түрде көрінетін энергияның қуат көзінен кірісте алынған жалпы электр энергиясына қатынасын білдіреді.

Көптеген жағдайларда пьезоэлектриктер серпімділік қасиеттері үшін маңызды болып табылады, олар серпімділік модулімен c (Young moduli Eyu) немесе кері шамалар - серпімді тұрақтылар s арқылы сипатталады.

Пьезоэлектрлік элементтерді резонаторлар ретінде пайдалану кезінде кейбір жағдайларда пьезоэлектрлік элементтің резонанстық жиілігі мен тербеліс түрін анықтайтын геометриялық өлшемнің туындысы болып табылатын жиілік коэффициенті енгізіледі. Бұл шама пьезоэлектрлік элементте серпімді толқындардың таралу бағыты бойынша дыбыс жылдамдығына пропорционал. Қазіргі уақытта пьезоэлектрлік белсенділікті көрсеткен көптеген заттар белгілі (500-ден астам). Дегенмен, кейбіреулері практикалық қолдануды табады.

2. Кері пьезоэлектрлік эффект.

5-сурет. Тура және кері пьезоэлектрлік әсерлер арасындағы байланыс.

e=4, 5; C=7, 8 1010 Н/м2; b=0,18 C/m2.

Осы өрнекті (5) формулаға қойып, пластинадағы механикалық кернеуді табамыз:

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

С" == С (1 + b2/e0eС). (8)

Пьезоэлектрлік эффект (тікелей және кері) әртүрлі электромеханикалық түрлендіргіштерді жобалау үшін кеңінен қолданылады. Осы мақсатта кейде деформациялардың әртүрлі түрлерін жүзеге асыруға арналған композициялық пьезоэлементтер қолданылады.

6-сурет. Қысу кезінде жұмыс істейтін қос пьезоэлектрлік элемент.

Сондай-ақ метрологиялық мақсаттар үшін. 3. Контактісіз діріл түрлендіргіштерін бағалаудың негізгі критерийлері Діріл параметрлерін өлшеудің контактісіз әдістерін және олардың негізіндегі дірілді өлшейтін түрлендіргіштерді салыстыру үшін аталған параметрлерден басқа бағалаудың келесі критерийлерін қолданған жөн: сипаты өлшеу процесінде өзара әрекеттесетін физикалық өрістер немесе сәулелену; ...

Анау. Ақпараттың ағып кетуінен көзді қорғау үшін физикалық принциптері бойынша ерекшеленетін қорғаныс құралдарын қолдану арқылы ағып кету арнасының болуының энергетикалық және уақытша шарттарын бұзу қажет. Акустотүрлендіргіш арнаның техникалық сипаттамалары Акустоэлектрлік түрлендіргіш – электромагниттік энергияны ортадағы және кері серпімді толқындардың энергиясына түрлендіретін құрылғы. IN...

Шикізат қоспасы олардың кристалдық торларының тұрақтылығын төмендетеді, демек, материалдың қалыптасу процесін жылдамдатады. Никель мен мыс қоспаларының пьезокерамикалық дайындамалардың тығыздығына әсерін зерттеу суретте көрсетілген. 2. Тығыздықты өлшеу нәтижелері легирленген керамиканың барлық күйдіру температураларында тығыздығы жоғары екенін көрсетеді. Сонымен, мыс қосылған керамика қазірдің өзінде тығыздыққа ие ...