Efectul piezoelectric a fost descoperit la sfârșitul secolului al XIX-lea de către frații francezi Curie. La acea vreme, era încă prea devreme pentru a vorbi despre aplicarea practică a fenomenului descoperit, dar astăzi elementele piezoelectrice sunt utilizate pe scară largă atât în tehnologie, cât și în viața de zi cu zi.
Cuprins
Esența efectului piezoelectric
Fizicieni renumiți au descoperit că, atunci când anumite cristale (cristal de stâncă, turmalină etc.) sunt deformate pe fațetele lor, apar sarcini electrice. Diferența de potențial era totuși mică, dar era clar detectabilă cu ajutorul dispozitivelor disponibile la acea vreme, iar prin conectarea zonelor cu sarcini polare opuse cu ajutorul unor conductori se putea primi curent electric. Fenomenul a fost înregistrat doar în dinamică, în momentul contracției sau al întinderii. Deformarea statică nu a produs efectul piezo.
Efectul opus a fost curând justificat teoretic și descoperit în practică - atunci când se aplica o tensiune, cristalul se deforma. S-a dovedit că cele două fenomene sunt legate între ele - dacă o substanță prezintă un efect piezoelectric direct, aceasta prezintă și un efect invers și viceversa.
Fenomenul este observat în substanțele cu o rețea cristalină anizotropă (care au proprietăți fizice diferite în funcție de direcție) cu o asimetrie suficientă, precum și în unele structuri policristaline.
În orice solid, forțele externe aplicate produc deformări și tensiuni mecanice, iar în substanțele cu efect piezoelectric polarizarea sarcinilor, polarizarea depinzând de direcția forței aplicate. Atunci când direcția de acțiune este inversată, se schimbă atât direcția de polarizare, cât și polaritatea sarcinilor. Dependența polarizării de tensiunea mecanică este liniară și este descrisă prin expresia P=dt, unde t este tensiunea mecanică și d este un coeficient numit modul piezoelectric (piezomodul).
Un fenomen similar are loc în cazul efectului piezo invers. Atunci când direcția câmpului electric aplicat se schimbă, se schimbă și direcția de deformare. Aici dependența este de asemenea liniară: r=dE, unde E este intensitatea câmpului electric și r este deformația. Coeficientul d este același pentru efectul piezoelectric înainte și înapoi în toate substanțele.
Aceste ecuații sunt, de fapt, doar estimări. Corelațiile reale sunt mult mai complicate și sunt determinate de direcția forțelor în raport cu axele cristalului.
Substanțe cu efect piezoelectric
Efectul piezoelectric a fost descoperit pentru prima dată în cristalele de cristal de stâncă (cuarț). Astăzi, acest material este foarte frecvent în fabricarea elementelor piezoelectrice, dar nu numai materialele naturale sunt folosite în producție.
Multe elemente piezoelectrice se bazează pe materiale cu formula ABO3formula, cum ar fi BaTiO3, PbTiO3. Aceste materiale au o structură policristalină (formată din mai multe cristale) și trebuie să fie polarizate de un câmp electric extern pentru a le conferi capacitatea de a prezenta efectul piezoelectric.
Există tehnologii disponibile pentru producerea de filme piezoelectrice (fluorură de poliviniliden etc.). Pentru a le conferi proprietățile necesare, acestea trebuie, de asemenea, să fie polarizate într-un câmp electric pentru o perioadă lungă de timp. Avantajul acestor materiale este grosimea lor foarte mică.
Proprietăți și caracteristici ale materialelor cu efect piezoelectric
Deoarece polarizarea are loc numai în timpul deformării elastice, o caracteristică importantă a piezomaterialelor este capacitatea lor de a-și schimba forma sub acțiunea unor forțe externe. Valoarea acestei capacități este determinată de complianța elastică (sau rigiditatea elastică).
Cristalele cu efect piezoelectric sunt foarte elastice - atunci când forța (sau stresul extern) este eliminată, ele revin la forma lor inițială.
De asemenea, cristalele piezoelectrice au o frecvență de rezonanță mecanică intrinsecă. Dacă cristalul este forțat să vibreze la această frecvență, amplitudinea este deosebit de mare.
Deoarece nu numai cristalele întregi prezintă efectul piezoelectric, ci și plăcile piezoelectrice tăiate în anumite condiții, este posibil să se producă piese piezoelectrice cu rezonanță la diferite frecvențe - în funcție de dimensiunile geometrice și de direcția de tăiere.
Proprietățile de vibrație ale materialelor piezoelectrice sunt caracterizate și de factorul de calitate mecanică al acestora. Aceasta indică de câte ori crește amplitudinea de vibrație la frecvența de rezonanță pentru o forță aplicată egală.
Există o dependență clară a proprietăților piezoelectrice de temperatură, care trebuie luată în considerare atunci când se utilizează cristale. Această dependență este caracterizată de coeficienți:
- coeficientul de temperatură al frecvenței de rezonanță indică cât de mult dispare rezonanța atunci când cristalul este încălzit/răcit;
- Coeficientul de dilatare la temperatură indică cât de mult se modifică dimensiunile liniare ale plăcii piezoelectrice în funcție de temperatură.
La o anumită temperatură, piezocristalul își pierde proprietățile. Această limită se numește temperatura Curie. Această limită este individuală pentru fiecare material. Pentru cuarț, de exemplu, aceasta este de +573 °C.
Aplicarea practică a efectului piezoelectric
Cea mai cunoscută aplicație a celulelor piezoelectrice este cea de element de aprindere. Efectul piezoelectric este utilizat la brichetele de buzunar sau la aprinzătoarele de bucătărie pentru aragazurile cu gaz. Atunci când cristalul este apăsat, se creează o diferență de potențial și apare o scânteie în spațiul de aer.
Acest lucru nu epuizează domeniul de aplicare al celulelor piezoelectrice. Cristalele cu același efect pot fi utilizate ca tensiometre, dar această aplicație este limitată de proprietatea efectului piezoelectric de a fi dinamic - dacă schimbarea s-a oprit, semnalul nu mai este generat.
Cristalele piezocristalele pot fi folosite ca microfon - semnalele electrice sunt generate atunci când sunt aplicate unde acustice. Efectul piezo invers permite, de asemenea, ca aceste elemente să fie utilizate (uneori simultan) ca emițătoare de sunet. Atunci când un semnal electric este aplicat cristalului, elementul piezoelectric va începe să genereze unde acustice.
Astfel de emițătoare sunt utilizate pe scară largă pentru a genera unde ultrasonice, în special în tehnologia medicală. La la pot fi utilizate și proprietățile de rezonanță ale plăcii. Acesta poate fi utilizat ca un filtru acustic care emite numai unde de frecvență proprie. O altă opțiune este utilizarea unui element piezoelectric într-un generator de sunet (sirenă, detector etc.) atât ca element de reținere a frecvenței, cât și ca element emițător de sunet. În acest caz, sunetul va fi întotdeauna generat la frecvența de rezonanță, iar volumul maxim poate fi obținut cu un consum redus de energie.
Proprietățile de rezonanță sunt utilizate pentru a stabiliza frecvențele oscilatoarelor care funcționează în domeniul frecvențelor radio. Plăcile de cuarț acționează ca niște circuite oscilante foarte stabile și de înaltă calitate în circuitele de menținere a frecvenței.
Până în prezent, există proiecte fantastice de transformare a energiei de deformare elastică în energie electrică la scară industrială. De exemplu, puteți utiliza deformarea trotuarelor de către greutatea pietonilor sau a mașinilor pentru a ilumina secțiunile de autostradă. Energia de deformare a aripilor de avion ar putea fi utilizată pentru a alimenta rețeaua de la bordul avionului. O astfel de utilizare este limitată de eficiența insuficientă a celulelor piezoelectrice, dar au fost deja construite instalații prototip și s-au dovedit a fi promițătoare pentru îmbunătățiri ulterioare.
Articole conexe:
