Saada oma head tööd teadmistebaasi on lihtne. Kasutage allolevat vormi

Üliõpilased, magistrandid, noored teadlased, kes kasutavad teadmistebaasi oma õpingutes ja töös, on teile väga tänulikud.

postitatud http://www.allbest.ru/

Üldministeerium ja kutseharidus Sverdlovski piirkond

Kontroll Verkhnyaya Salda linnaosa koosseisud

Munitsipaal haridusasutus„Keskkool nr 2 koos süvaõpe füüsika, matemaatika, vene keel ja kirjandus"

uuringuprojekt

(teaduslik ja tehniline suund)

Piesoelektriline efekt: tõhus või tõhus?

Kunstnik: Ionkin Alexander

№2 kooli 11. klassi õpilane

Pea: Ševtšuk Ljubov Aleksandrovna

Füüsikaõpetaja, kõrgem kategooria

Ülem-Salda 2008

Sissejuhatus

"Saladustunne on kõige ilusam

meile kättesaadavad kogemused. Täpselt seda

tunne seisab tõelise kunsti hälli juures

ja tõeline teadus.

Albert Einstein

Erakordne, fenomenaalne füüsika? Mis võiks selles nii ebatavalist või üllatavat olla? Muidugi peavad füüsikud füüsikat põnevaks teaduseks, kuid see on sellepärast, et see on nende elutöö. Uue subatomaarse osakese avastamine või tuttava nähtuse selgitamiseks uue viisi leidmine võib olla üle jõu käiv. Väike, kuid rahuldust pakkuv elevus võib aga tekitada meid ümbritseva maailma igapäevaste loodusnähtuste jälgimise ja mõistmise. Helisalvestiste, kaugandurite ja välgumihklitega on ju palju huvitavam tegeleda, kui mõistad nende olemust. Tõeliselt hämmastavad, fenomenaalsed on füüsika edusammud igapäevaste nähtuste selgitamisel.

Me elame 21. sajandil, uute tehnoloogiate sajandil. Elu ei seisa paigal. Toimub teaduse, tehnoloogia, tööstuse, tehnoloogia areng ja kõikjal kasutatakse teatud protsesside uusimaid lähenemisviise. Juba tuntud, pikka aega ja kellegi poolt avastatud nähtused leiavad oma uue rakenduse, taassündi või leiavad kasutust teaduse ja tehnoloogiaga külgnevates valdkondades – arhitektuur, ehitus, side jne.

Seega kasutatakse piesoelektrilist efekti laialdaselt. Mulle isegi tundub, et varjatud varusid, avastamata alasid ja selle rakendusalasid on veel palju.

Sel õppeaastal alustasin tööd oma uurimisprojektiga teadus-tehnilises suunas "Piesoelektriline efekt: efektiivne või efektiivne?".

Projekti kallal töötades seadsin endale eesmärgiks: selgitada välja piesoelektrilise efekti kasutamise võimalused inimelu erinevates valdkondades.

Olen enda jaoks määratlenud järgmised ülesanded:

Tutvuda piesoelektrilise efekti nähtuse avastamise ja uurimise ajalooga;

Mõelge piesoelektrilise efekti teooriale;

Tutvuda piesoelektrilise efekti ulatusega;

Tehke katseid, et demonstreerida otseseid ja vastupidiseid piesoelektrilisi efekte ning pakkuda välja meetodit otsese piesoelektrilise efekti ajal tekkiva pinge väärtuse määramiseks.

piesoelektrilise pinge efekt

Piesoelektrilise efekti avastamise ja uurimise ajalugu

Piesoelektrilise efekti avastasid 1880. aastal vennad Pierre ja Jacques Curie. Nad avastasid, et kui mõne dielektriku (Rochelle'i sool, kvarts jne) kristallid allutatakse mehaanilisele toimele, kokkusurumisele, siis tekivad nende pinnale vastupidise märgiga elektrilaengud või, nagu praegu öeldakse, tekib kristallis indutseeritud polarisatsioon. , mis loob kristalli välise ja sisemise elektrivälja. Seda nähtust – elektrivälja tekkimist rõhu tagajärjel – nimetati otseseks piesoelektriliseks efektiks.

Kas see avastus oli juhuslik või eelnes sellele teaduslik hüpotees? Kristallstruktuuriga tahkete dielektrikute elektriliste omaduste uurimisel sõnastas Pierre Curie väga üldise põhimõtte, mida nüüd nimetatakse Curie printsiibiks. Selle tähendus on järgmine: nähtusel on kõik sümmeetriamärgid, mis on need tekitanud põhjusel; nähtuse asümmeetria on ette määratud põhjuse asümmeetriaga. Kuna kristallvõre tippudes paiknevad vastandmärgiga ioonid, on mis tahes kujuga kristallide kogulaeng null. Kui aga positiivsete ja negatiivsete laengute keskpunktid ei lange kokku, siis on kristalli dipoolmoment nullist erinev ja sellel on polarisatsioon. Seega, kui deformeerimata olekus kristalli dipoolmoment on null, siis võivad mehaanilise toimega kristalli deformatsiooni tulemusena positiivsete ja negatiivsete ioonide keskpunktid üksteise suhtes nihkuda ning tekivad vastupidise märgiga laengud. kristalli pindadel. Sellise nihke võimalus sõltub kristalli sümmeetriast (kujust).

Sõnastatud põhimõte ja rühmateooria võimaldasid välja tuua kristallide klassid, millel on piesoelektriline efekt. Piesoelektriline pöördefekt seisneb selles, et otsese piesoelektrilise efektiga vabad kristallid deformeeruvad elektrivälja mõjul. Peagi kinnitasid vennad Curie'd eksperimentaalselt piesoelektrilise pöördefekti.

Esimesed kvantitatiivsed mõõtmised, mis tuvastasid seose laengu suuruse ja Rochelle'i soolakristallidele avaldatava rõhu vahel, viis Pockels läbi 1894. aastal.

Saksa teadlane Voigt pani need kvantitatiivsed seosed matemaatilisele kujule 1910. aastal. 1928. aastal andis ta nende seoste üsna täieliku süsteemi, mis võttis kokku eelmisel perioodil kogutud teadmised piesoelektri valdkonnas. Voigti saadud seosed on elektroelastsuse matemaatilise mudeli koostamiseks fundamentaalsed.

Piesoelektriline efekt leiab kohe laialdast rakendust nii salvestamisel kui ka tootmises - paljudes juhtimis- ja juhtimissüsteemide piesoelektrilistes andurites.

Alates 1930. aastate keskpaigast on radarisüsteemides kasutatud piesoelektrilisi elemente: looduslikust kvartsist valmistatud spetsiaalsed resonaatorid ja filtrid eraldasid sihtmärgilt peegeldunud raadiolaine laiast spektrist ja võimendasid seda. Nendes seadmetes töötas juba pöördpiesoelektrilise efekti põhimõte: kui piesoelektrile rakendati elektrivoolu, siis kristall deformeerus ja selles tekkisid võnkumised, mis resoneerisid sagedusfiltri poolt edastatava lainega. Teise maailmasõja ajal tuvastasid brittide poolt välja töötatud kvartspiesoelektrikal põhinevad õhutõrjesüsteemid Saksa lennukeid kaugematel lähenemistel, jättes vaenlase ilma üllatuseeelise. Suuresti tänu sellele ebaõnnestus Goeringi plaan Suurbritannia Luftwaffe vägedega lüüa.

Lennuki- ja raketiteaduse areng 1950. ja 1960. aastatel nõudis täpsemate instrumentide masstootmist nii õhus kui ka maa peal asuvate navigatsiooni- ja radarisüsteemide jaoks. Sobilikku (konstruktsioonivigadeta) looduslikku kvartsi kaevandati väga vähe. Tõeline piesotehniline buum sai alguse viiekümnendate keskel, kui õpiti kunstlikku kvartskristalli kasvatama – see õnnestus esmakordselt NSVL Teaduste Akadeemia Šubnikovi Kristallograafia Instituudi (IKAN) töötajal Aleksandr Štenbergil.

Langasiit on paljulubav piesoelektriline materjal

1983. aastal kasvatas rühm Nõukogude teadlasi Moskva Riikliku Ülikooli füüsikaosakonnast ja Kristallograafia Instituudist esimese langasiidi kristalli (lantaangalliumsilikaat - La 3 Ga 5 SiO 14). Esialgu plaaniti seda kasutada muutuva kiirgussagedusega tahkislaserite aktiivse elemendina, osa materjali parameetreid ei sobinud mittelineaarse optika spetsialistidele. Teisest küljest osutusid selle piesoelektrilised omadused nii paljulubavaks, et nende aegade jaoks mõeldamatu aja jooksul, juba kaks aastat pärast avastamist, hakati Podolski eksperimentaalse keemiatehase mitmes rasterüksuses tootma langasiidi kristalle (kuraatorid). olid spetsialistid MISiSi ja IKANi kristallograafia osakondadest). Samal ajal sai hiljuti pealinna Piezo ettevõttest eraldunud juhtiv piesotehnika arendamise instituut Phonon ülesandeks välja töötada langasiidil põhinevad seadmed rakettide juhtimispeade jaoks.

Huvi langasiidi vastu tekitas asjaolu, et sellel oli kvartsiga võrreldes laiem ülekanderiba ning samal ajal erinevalt liitiumtantalaadist ja niobaadist oli sellel temperatuuristabiilsus. Ribalaiust iseloomustab põhilainega kaasnev sageduste spekter ja mida laiem on vahesagedusvõimendite kasuliku signaali ribalaius, seda suuremat hulka digitaalset teavet saab transiiveri raadioseade töödelda ja vastavalt sellele anda täpsemat teavet. kiiresti lendava sihtmärgi koordinaadid. Miniatuursete lairibafiltrite tähtsust on vaevalt võimalik ülehinnata, kui rääkida näiteks mobiilsidest. Näiteks nüüdseks laialt levinud GSM-standard (hääl ja statsionaarne pilt) nõuab töötamiseks ainult 200 kHz ribalaiust ja W-CDMA, millest peaks saama järgmise põlvkonna ülemaailmne standard, kuna see võimaldab teil videot reaalajas edastada. , nõuab ribalaiust üle 5 MHz. See tähendab, et baaslaine sagedusel 2 GHz peaks filtri ribalaius olema suurem kui 0,3%. Kvartsi puhul on ülekandelaiuse indeks olenevalt põhilaine sagedusest 0,1 × 0,3%, langasiidi puhul 0,3–1%.

Tänaseks on Venemaa sõlminud lepingu prantslaste Temex Microsonicsiga. Nende ühisprojekti investeeritakse Euroopa innovatsiooniprogrammi Eureka raames kolme aasta jooksul ligikaudu 3 miljonit eurot. Üle 2 miljoni annab Prantsusmaa pool, eeskätt Prantsusmaa valitsus, üle 200 tuhande eraldab Bortniku sihtasutus ja umbes 700 tuhat omavahenditest investeerib Fomos. Tulemusena Vene firma lastakse Euroopa turule uue piesoelektrilise (kreeka keelest piesost - I press) materjalist langasiidiga ning Temex Microsonics korraldab sellest filtrite seeriatootmise järjest laiemaks levikuks. mobiilsed süsteemid uus põlvkond (W-CDMA standard).

Piesoelektrilise efekti füüsikaline teooria

Dielektrikud (kreeka keeles. dia- läbi, läbi, inglise keeles. elekt- elektrilised) on ained, mis ei juhi elektrit. Selle põhjuseks on vabade laengute puudumine dielektrikutes. Positiivsed ja negatiivsed laengud dielektrikute molekulides ja aatomites on omavahel seotud Coulombi jõududega, mis on palju suuremad kui jõud, millega väline elektriväli saab neile laengutele mõjuda. See ei saa neid lahti rebida, vaid saab neid nihutada ainult molekuli enda mõõtmete suurusjärgu võrra (10–10 m). Seetõttu on positiivsed ja negatiivsed laengud dielektrilistes molekulides seotud. Nad ei saa vabalt liikuda piki välisesse elektrivälja sisestatud dielektrikut.

Ainete molekulides saab näidata punkti, kus molekuli elektronkihi kogulaeng avaldab selle positiivsetele laengutele sama mõju, kui selle molekuli kõik negatiivsed laengud oleksid jaotunud kogu selle ruumala ulatuses.

Seda punkti nimetatakse molekuli negatiivsete laengute raskuskeskmeks. Samamoodi võib näidata positiivsete laengute raskuskeskme, s.o. punkt, kus molekuli positiivne kogulaeng avaldab selle negatiivsetele laengutele sama mõju kui molekuli kõikidel positiivsetel laengutel.

Dielektrikuid, mille molekulides on välise elektrivälja puudumisel ühendatud positiivsete ja negatiivsete laengute raskuskeskmed, nimetatakse mittepolaarseteks dielektrikuteks. Selliste dielektrikute näideteks võivad olla gaasid: vesinik, lämmastik, hapnik. Dielektrikuid, mille molekulides on positiivsete ja negatiivsete laengute raskuskeskmed ruumiliselt eraldatud ning välise elektrivälja puudumisel nimetatakse polaarseteks. Jäämolekulid on polaarsete molekulide näide.

Laengute nihkumist dielektriku molekulides ja aatomites vastupidises suunas elektrivälja toimel, mille tulemusena tekivad dielektriku pindadele kompenseerimata seotud laengud, nimetatakse dielektriku polarisatsiooniks.

Homogeensetes ja isotoopsetes tahketes amorfsetes dielektrikutes, aga ka vedelates ja gaasilistes dielektrikutes puudub välise elektrivälja puudumisel alati polarisatsioon üksikute molekulide dipoolmomentide vale orientatsiooni tõttu. Kui selline polariseeritud dielektrik välisest elektriväljast eemaldada, siis molekulidele alati omane termiline kaootiline liikumine kõrvaldab kiiresti selle pindadel olevad seotud laengud ja sel juhul muutub dielektriku iga ruumalaühiku summaarne dipoolmoment võrdseks. nullini, see tähendab, et polarisatsioon kaob.

Looduses leidub aga kristalseid dielektrikuid, mille molekulid moodustavad rühmi, millel on spontaanne (spontaanne) polarisatsioon ka välise elektrivälja puudumisel. On selge, et neid rühmi saab moodustada ainult polaarsetest molekulidest. Selliseid molekulide rühmi nimetatakse domeenideks. Domeeni moodustavate molekulide käitumist seletatakse kvantmehaanika seadustega.

Domeenistruktuuriga dielektrikuid nimetatakse ferroelektrikuteks. See nimi pärineb sõnadest "Rochelle'i sool" - kõige tüüpilisem ferroelektrik, mis omakorda sai nime prantsuse apteekri E. Segnette'i järgi, kes selle aine esmakordselt sünteesis.

Kõik ferroelektrikud on kristallid.

Kui polariseerimata ferroelektriku kristall asetatakse välisesse elektrivälja ja selle välja tugevus suureneb, hakkavad domeenid üha enam piki välja orienteeruma, mida takistab molekulide termiline valesuunaline liikumine.

Joonis 1 Ferroelektriline välisväljas

Kui saavutatakse piisavalt suur intensiivsus, orienteeruvad kõik kristalli domeenid piki välja. Sellist dielektriku olekut nimetatakse küllastuspingeks ja vastavat pinget küllastuspingeks.

Kui eemaldate dielektriku elektriväljast, säilitab see polarisatsiooni.

Võime säilitada polarisatsioon ka välise elektrivälja puudumisel on kõige suurem peamine omadus mis eristab ferroelektrikuid teistest dielektrikutest.

Ferroelektriku depolariseerimiseks on vaja see asetada elektrivälja, mis on algse suhtes antisuunaline.

Praegu on teada mitusada ferroelektrit. Teiseks oluliseks tunnuseks, mis neid teistest dielektrikutest eristab, on suhtelise läbitavuse ülikõrge väärtus, mis üksikute ferroelektrikute puhul ulatub mitme tuhandeni, samas kui teistel dielektrikutel varieerub see kümne piires ja ulatub ainult vee puhul 81. Ferroelektriku kolmas omadus on suhtelise läbilaskvuse sõltuvus välise elektrivälja tugevusest, teiste dielektrikute puhul on see konstantne.

Kõigil ferroelektrilistel elementidel on sellised märkimisväärsed omadused ainult teatud temperatuurivahemikus. Näiteks Rochelle'i soolal on domeenistruktuur ainult temperatuurivahemikus -15 0 C kuni 22,5 0 C. Teistel temperatuuridel käitub see nagu tavaline dielektrik. Näiteks kvartsil muutuvad kuni temperatuurini 200 kraadi Celsiuse järgi piesoelektrilised omadused veidi ja seejärel kuni temperatuurini 576 kraadi Celsiuse järgi hakkavad need aeglaselt nõrgenema. 576 kraadi juures toimub kvartskristallvõre ümberpaigutamine, mille tulemusena kaovad selle piesoelektrilised omadused. Temperatuuri langedes muutuvad kvartsi omadused vastupidises suunas.

Neid üleminekutemperatuure, mille juures dielektrik muutub ferroelektriliseks, nimetatakse Curie punktideks vendade Pierre ja Joliot Curie järgi, kes selle nähtuse avastasid.

Enamiku dielektrikute puhul toimub polariseerumine välise elektrivälja toimel ja piesoelektrikute puhul mehaanilise toime tulemusena, näiteks kokkusurumise või pinge ajal.

Esinevad pikisuunalised ja põikisuunalised piesoelektrilised efektid.

Laengute tekkimist polaarteljega risti asetsevatel tahkudel koos kristalli ühtlase deformatsiooniga piki seda telge nimetatakse pikisuunaliseks piesoelektriliseks efektiks. Siiski on võimalik tekitada laengute tekkimist samadele tahkudele, surudes või venitades kristalli risti polaarteljega, kui kristalli venitatakse või surutakse kokku mööda polaartelge. Seda nähtust nimetatakse ristsuunaliseks piesoelektriliseks efektiks. Selle olemasolu määrab tahke keha piki- ja põikisuunaliste deformatsioonide suhe.

Joonis 2 Pikisuunalised (a) ja põikisuunalised (b) piesoelektrilised efektid

Piesoelektrikud on kõik ferroelektrikud, aga ka mõned teised dielektrikud, näiteks kvarts, teatud tüüpi keraamika.

Piesoelektrilised omadused võivad olla ainult ioonkristallidel. Piesoelektriline efekt tekib siis, kui välisjõudude mõjul deformeerub positiivsete ioonide kristalne alamvõre teisiti kui negatiivsete ioonide kristalne alamvõre. Selle tulemusena toimub positiivsete ja negatiivsete ioonide suhteline nihkumine, mis põhjustab kristallide polarisatsiooni ja pinnalaengute ilmnemist. Polarisatsioon esimeses lähenduses on otseselt võrdeline deformatsiooniga, mis omakorda on võrdeline jõuga. Seetõttu on polarisatsioon otseselt võrdeline rakendatud jõuga. Deformeerunud dielektriku vastaslaenguga tahkude vahel tekib potentsiaalide erinevus, mida saab mõõta ja mille väärtusest saab teha järelduse deformatsioonide suuruse ja rakendatavate jõudude kohta.

Tahkete dielektrikute polarisatsiooni füüsikalise pildi paljastab kvantmehaanika. Ma käsitlen ainult formaalset polarisatsiooniteooriat.

Piesoelektrikud on positiivsete ja negatiivsete ioonide võrega kristallid, mille teatud suundades deformeerumisel tekivad pinnaga seotud laengud deformatsioonijõu suunaga risti olevatel tahkudel.

Joonis 3 Kvartsvõre

Kui need tahud on varustatud metallplaatidega, tekivad nende välispinnale indutseeritud vabalaengud, mis on sama märgiga kui seotud. Plaatide vahel on potentsiaalide erinevus.

Klassikaline (ja praktiliselt oluline) piesoelektrik on kvarts (SiO 2). Selle kristallvõre ühikrakk sisaldab kolme molekuli, mis koosnevad räni (positiivsetest) ja hapniku (negatiivsetest) ioonidest. Need on skemaatiliselt näidatud joonisel 3, aga(deformeerimata kristall): positiivsed ioonid on viirutatud ringid, negatiivsed ioonid on valged.

Kui kristalli suruda X 1 suunas, rikutakse raku sümmeetriat (joonis 3, b). Seotud negatiivne laeng ilmub kristalli ülemisele küljele ja sama positiivne laeng ilmub alumisele küljele. Venitamisel (joonis 3, c) muutuvad laengute märgid vastupidiseks.

Pinnalaengu tihedus väikeste suhteliste deformatsioonide korral on võrdeline kristallis tekkinud mehaanilise pingega:

Seda sõltuvust nimetatakse otsese piesoelektrilise efekti võrrandiks.

Proportsionaalsustegur – piesoelektriline moodul d- väljendatakse kulonides njuutoni kohta (Cl H -1). Kvartsi jaoks

d\u003d 2 10 -12 C/N.

Mõelge piesoelektrilise pöördefektile: kui kristallile rakendatakse elektripinget, siis see deformeerub ja deformatsiooni märk sõltub välise elektrostaatilise välja suunast.

Joonis 4 Otsese (a, b) ja vastupidise (c, d) piesoelektrilise efekti skemaatilised kujutised. Nooled F ja E näitavad välismõjusid – mehaanilist jõudu ja elektrivälja tugevust. Katkendjooned näitavad piesoelektriku kontuure enne välistegevust, pidevad jooned piesoelektri deformatsiooni kontuure (selguse huvides suurendatakse neid mitu korda); P - polarisatsioonivektor

Laske kristallis tekkida mehaaniline pinge =10 4 Pa. Sel juhul on tekkivate laengute tihedus

2 10 -8 C / m 2

ja kristallis (=4,5) tekib elektrostaatiline väli tugevusega

Kristalli paksusega h\u003d 10 -2 m selle esikülgede plaatidel saadakse 5 V potentsiaalide erinevus.

Kui piesoelektrile rakendatakse vahelduvpinge, tekib see sunnitud mehaaniliseks vibratsiooniks. Resonantsi korral (ja plaadil on oma sagedus, mis on pöördvõrdeline kristalli paksusega) suureneb võnkeamplituud järsult. Kui kristall on sukeldatud vedelikku, mille akustiline takistus ei erine liiga palju kristalli akustilisest takistusest, ergastuvad vedelikus intensiivsed mehaanilised lained. Tavaliselt kasutatakse ultraheli sagedusi, mille juures lainepikkus vedelikus on väike – see võimaldab saada ilma märgatava neeldumiseta levivat lainet, mis pakub praktilist huvi.

Ultrahelilaine saab tekitada tahkes kehas (näiteks metallvalus), kus laine levib ilma märgatava neeldumiseta. Kuid kui metallis on õõnsus, mis kogemata tekkis valamise valmistamisel, siis laine hajub sellel. Seetõttu on ultrahelilainega metalli sondeerides võimalik leida, seda hävitamata, sisemisi defekte.

Kuna ultrahelilainete kiirendused on väga suured - amplituudiga x m \u003d 10 -6 m ja sagedusega \u003d 10 5 Hz, on kiirenduse amplituud

4 10 5 m/s 2 = 4 10 4 g,

Seejärel kasutatakse ultrahelilaineid metallkehade pinna puhastamiseks (vedelikku sukeldatud), emulsioonide loomiseks (ühe vedeliku tilkade suspensioonid teises, selles lahustumatud) ja palju muid praktilisi rakendusi.

Kuidas mõõta piesoelektrilise efekti tekitatud kõrgepinge väärtust?

Piesoelektriline element on piesosüütaja põhiosa. Seetõttu tegin kõik oma katsed piesosüütaja abil. Mugavaks kasutamiseks võtsin plastikust korpusest välja kaks juhet.

Otsese piesoelektrilise efekti demonstreerimisel väljundpinge määramiseks ühendasin ühe välgumihkli juhtme näidiselektromeetri korpusega, teise aga elektromeetri varda külge. Kui vajutate õrnalt süütaja nuppu, hakkab elektromeetri nool kalduma. Kuid ma ei saanud elektromeetri abil maksimaalset pinge väärtust määrata, kuna seadme nool ületab skaalat (me teame, et elektromeetri skaala jaotusväärtus on umbes 300 V).

Proovin kindlaks teha, millistes piirides tekkiv pinge jääb. Selleks viime läbi katse luminofoorlambiga. Kustutan starteri lambiahelast ja proovin võrku ühendatud lambi põlema panna. Lamp ei sütti. Selleks, et lambis oleks täheldatav iseseisev tühjenemine, peab potentsiaalide erinevus olema kümme kilovolti. Proovin selliseid tingimusi luua tulemasina piesoelektrilise elemendi abil, mis on kaasas starteri asemel. Ühendame piesosüütaja ühe klemmi ühe lambi elektroodiga, teise lambi klaaspinnale keritud juhtmega. Kui vajutate piesosüütaja nuppu, süttib lamp.

Tulemasina väljundi pinge täpsemaks määramiseks kasutasin näidisskaala. Liimisin ühe kaalu põhjale ruudu metallfooliumist ja ühendasin selle väga peenikese traadi abil tulemasina ühe kontaktiga. Seejärel pöörati metalliseeritud tass ümber ja asetati kaaludele. Selle tassi peale asetasin teise ruudu fooliumi (kasutasin kaalude disaini) ja ühendasin selle tulemasina teise kontaktiga. Kaks metallfooliumplaati moodustavad tasase kondensaatori. Kaalud tasakaalustasin raskustega.

Kui vajutate õrnalt süüteklahvi, tekib plaatide vahele elektrostaatiline tõmbejõud ja kaal läheb tasakaalust välja. Kaalu noole kõrvalekalde järgi määran tasakaalu taastamiseks vajalike raskuste massi. Seega saan mõõta plaatidevahelise jõu maksimaalse väärtuse ja arvutada pinge. Tegin 3 katset, milles kasutasin plaate pindalaga S = 1,21 10 -2 m 2, nende vahekauguseks määrati 2 10 -2 m, katsete keskmine väärtus oli m = 7 10 - 4 kg.

Teades seda

Kasutades pinge arvutamiseks saadud valemit 1, sain järgmised tulemused

Piesosüütaja väljundis pinge mõõtmise katseid tehes jälgisin ka pöördpöördefekti. Niisiis kuulsin kondensaatori plaate lühise abil tühjendades piesoelektrilise elemendi klõpsatust, mis oli tingitud selle deformatsioonist kondensaatori tühjenemise ajal.

Piesoelektrilise efekti rakendamine

Piesoelektrilise efekti peamine kasutusala: - mehaaniliste ja elektriliste vibratsioonide omavaheline muundamine - sagedusandurid, andurid ja ultrahelivibratsiooni allikad, pikapid, manomeetrid jne, kuna piesoelektrikud on pööratavad elektromehaanilised muundurid, st nad on võimelised mehaanilist energiat teisendama elektrienergia ja vastupidi, elektrienergia mehaaniliseks energiaks. Otsese piesoelektrilise efekti kasutamisel põhinevaid muundureid nimetatakse generaatormuunduriteks; neil on mehaaniline sisend ja elektriline väljund.

Pöördpiesoelektrilise efekti kasutamisel põhinevaid muundureid nimetatakse mootorimuunduriteks; neil on elektriline sisend ja mehaaniline väljund. On palju piesoelektrilisi seadmeid, mis põhinevad nii otseste kui ka vastupidiste efektide kasutamisel. Otsest efekti kasutatakse näiteks mikrofonides, helivõtturites, mehaaniliste jõudude, nihkete ja kiirenduste andurites, majapidamises kasutatavates gaasisüütajates jne. Vastupidine efekt oli aluseks telefonide, kõlarite, ultraheliemiterite, releede loomisel. mootorid jne.

Tuntud ja leidnud praktilist rakendust piesoelektrilised muundurid - piesoelektrilised trafod (lühendatult piesotransformaatorid). Skemaatiliselt on piesotrafo seade näidatud joonisel 5, mis selgitab, et tegemist on piesoelektrilise anduriga nelja terminali võrgu kujul, millel on ainult elektriline sisend ja väljund.

Joonis 5 Piesotrafo

Piesotransformaatori toime põhineb nii otseste kui ka vastupidiste piesoelektriliste efektide kasutamisel. Piesotransformaatori sisendelektroodidele rakendatav elektripinge pöördpiesoelektrilise efekti tulemusena põhjustab kogu piesoelektrilise materjali ruumala deformatsiooni ja väljundelektroodidele tekib otsese piesoelektri mõjul elektriline (sekundaarne) pinge. mõju. Piesotrafos toimub energia justkui kahekordne muundamine - elektriline mehaaniliseks ja seejärel mehaaniline elektriline muundamine. Sarnaselt elektromagnetilise trafoga kasutatakse elektripinge muundamiseks piesotrafot. Valides elektroodide suuruse ja asukoha, saate teisendussuhte erinevaid väärtusi. Piesotransformaatoreid kasutatakse tavaliselt resonantsrežiimis, kus saavutatakse transformatsioonisuhte suured väärtused (suurusjärgus mitusada). Piesotrafosid kasutatakse kõrgepinge sekundaarsetes toiteallikates.

Piesoelektriline element on teatud mõõtmete, geomeetrilise kuju ja orientatsiooniga piesoelektriline keha põhiliste kristallograafiliste telgede (või piesokeraamika puhul polarisatsioonisuunaga) suhtes, millel on juhtivad plaadid (elektroodid).

Joonis 6 Piesoelektriline element: 1 - piesoelektriline plaat; 2 - juhtivast materjalist elektroodid, mis on asetatud plaadi servadele

Piesoelektriline element on tahke (kristallilise või keraamilise) dielektrikuga elektrikondensaator. Sellise kondensaatori tunnuseks on piesoelektriliste omaduste olemasolu dielektrikus, mis täidab elektroodidevahelise ruumi. Kui piesoelektrilist elementi kasutatakse elektromehaanilise muundurina, siis valitakse selle orientatsioon suurima efekti saavutamise nõuetest lähtuvalt. Piesoelektrilisele elemendile mõjuvad välised jõud (nii mehaanilised kui ka elektrilised) võivad olla kas hajutatud või kontsentreeritud. Jaotatud jõud võimaldavad saavutada tõhusamat konversiooni. Seetõttu kasutatakse piesoelektrilise ruumala tõhusamaks polariseerimiseks elektroode, mis katavad kogu piesoelektrilise elemendi pindade ala, ning ühtlaselt jaotunud mehaanilise pinge tekitamiseks elastsest materjalist vooderdusi, mis on hästi külgnevad piesoelektrilise elemendi pindade külge. ja teisendada välised kontsentreeritud jõud hajutatud jõududeks.

Välisjõud põhjustab piesoelektrilise elemendi deformatsiooni, selle polariseerumist ja vastupidiste elektrilaengute tekkimist elektroodidele. Elektrilaengu suurust või tekkivat pinget saab mõõta piesoelektrilise elemendi elektroodidele kinnitatud sobiva mõõteseadmega. Välisjõud annab piesoelektrilisele elemendile energia elastse deformatsiooni kujul, mida saab arvutada, kui on teada mõjuva jõu suurus ja piesoelektrilise elemendi jäikus. Samaaegselt piesoelektrilise elemendi deformatsiooniga tekib selle elektroodidele elektripinge. Järelikult osutub osa piesoelektrilisele elemendile välisjõu toimel antavast energiast elektriliseks ja selle väärtust saab arvutada, kui on teada elektroodidel olev elektripinge ja piesoelektrilise elemendi mahtuvus.

Täna räägitakse piesokeraamiliste materjalide paljutõotavast rakendusest. Piesoelektrilised materjalid võib tinglikult jagada kahte rühma: piesoelektrilised monokristallid ja piesokeraamika.

Looduslikud piesoelektrilised materjalid on üsna kallid. Sellega seoses rahuldavad kiiresti areneva elektroonika vajadused sünteetilised piesoelektrilised monokristallid, mida kasvatatakse spetsiaalsetes rajatistes. Selliste piisavalt suure korratavusega kristallide piesoelektrilisi omadusi saab määrata nende koostisosade koostisega.

Kasvanud kristallid lõigatakse teatud viisil plaatideks, osad (ferroelektrikud) polariseeritakse ning nendest valmistatakse lihvimise ja elektroodide pealekandmisega piesoelektrilised elemendid.

Piesoelektriline keraamika füüsikalised omadused see on polükristalliline ferroelektrik, mis on keemiline ühend või terade (kristalliidid) tahke lahus (pulber).

Kõrval keemiline koostis see on kompleksoksiid, sealhulgas kahevalentsed plii- või baariumioonid, aga ka neljavalentsed titaani- või tsirkooniumioonid. Lähteainete põhisuhte muutmise ja lisandite kasutuselevõtuga sünteesitakse erineva koostisega piesokeraamikat, millel on teatud elektrofüüsikalised ja piesoelektrilised omadused.

Suurima leviku on saanud PZT tüüpi piesokeraamiliste materjalide rühm (plii tsirkonaattitanaat). Samal ajal kasutatakse baariumtitanaadil (TB) ja pliititanaadil (TL) põhinevat keraamikat. Viimastel aastatel on välja töötatud uusi piesokeraamilisi materjale, mille omadused võimaldavad teatud juhtudel kasutada neid kallimate piesoelektriliste kristallide asemel. Eelkõige on välja töötatud ja toodetud pliiniobaadil põhinevate materjalide rühm, mis on juba leidnud praktilist rakendust tänu võimalusele kasutada sagedusalas kuni 30 MHz või rohkem. Märkimisväärsed uuringud on käimas piesokeraamiliste komposiitmaterjalide, aga ka mitmekihilise keraamika loomisel. Välismaised tootjad jagavad selle sõltuvalt piesoelektrilistest omadustest ferro-kõvaks ja ferro-pehmeks. Kodumaises praktikas on täiendav jaotus keskmise raudjäikusega keraamikaks, samuti väga stabiilseteks, kõrge temperatuuriga jne materjalideks.

Erinevalt piesoelektrilistest kristallidest valmistatakse piesokeraamilisi elemente poolkuivpressimise, libisemisvalu, kuumsurvevalu, ekstrusiooni või isostaatpressimise teel, millele järgneb põletamine õhus temperatuuril 1000-1400 0 C. Poorsuse vähendamiseks võib põletada läbi hapnikukeskkonnas või Element on valmistatud kuumvalu meetodil. Spetsiaalse tehnoloogia abil kantakse töödeldavate detailide pinnale elektroodid.

Seejärel muudetakse keraamika mistahes valitud polarisatsioonisuunas piesoelektriliseks, asetades selle tugevasse elektrivälja, mille temperatuur on madalam nn Curie punktist. Polariseerimine on tavaliselt piesokeraamiliste elementide valmistamise viimane protsess, kuigi sellele järgneb termiline stabiliseerimine ja parameetrite reguleerimine.

Piesoelektriline keraamika on kõva, keemiliselt inertne materjal, mis on niiskuse ja muude atmosfäärimõjude suhtes täiesti tundetu. Mehaaniliste omaduste poolest sarnaneb see keraamiliste isolaatoritega.

Joonis 7 Erinevate konfiguratsioonide piesoelemendid

Sõltuvalt eesmärgist võib piesoelektrilistel elementidel olla väga erinevaid konfiguratsioone - lamedast mahuliseni (kerad, poolkerad jne).

Piesoelektrilised elemendid on ideaalsed, kui neid kasutatakse elektromehaaniliste muunduritena. Neid kasutatakse laialdaselt piesokeraamiliste komponentide, sõlmede ja seadmete tootmiseks. Mõned piesokeraamilised elemendid suudavad juba algselt täita komponendi või koostu funktsioone ega vaja edasiarendust. Kõik piesokeraamika baasil valmistatud tooted jagunevad järgmistesse põhirühmadesse: generaatorid, andurid (sensorid), täiturid (piesoajamid), muundurid ja kombineeritud süsteemid.

Piesokeraamilised generaatorid muudavad mehaanilise toime elektripotentsiaaliks, kasutades otsest piesoelektrilist efekti. Näideteks on surve- ja lööktüüpi sädesüütid, mida kasutatakse erinevat tüüpi tulemasinates ja süütesüsteemides, samuti mitmekihilisel piesokeraamikal põhinevad tahkispatareid, mida kasutatakse tänapäevastes elektroonikaahelates.

Joonis 8 Piesoandurid

Piesokeraamilised andurid muudavad mehaanilise jõu või liikumise proportsionaalseks elektrisignaaliks, st ka otsesel piesoelektrilisel efektil.

Aktiivse rakendamise kontekstis arvutitehnoloogia andurid on asendamatud seadmed, mis võimaldavad kooskõlastada mehaanilisi süsteeme elektrooniliste seire- ja juhtimissüsteemidega.

Piesokeraamilisi andureid on kahte peamist tüüpi: aksiaalsed (mehaaniline jõud toimib piki polarisatsioonitelge) ja painduvad (jõud toimib polarisatsiooniteljega risti).

Aksiaalsetes andurites kasutatakse piesoelektriliste elementidena kettaid, rõngaid, silindreid ja plaate. Näideteks on kiirendusandurid (kiirendusmõõturid), rõhuandurid, koputusandurid, hävimisandurid jms. Painduvate andurite näideteks võivad olla jõu- ja kiirendusandurid.

Piesokeraamilised ajamid (piesoajamid) on üles ehitatud piesoelektrilise pöördefekti põhimõttel ja on seetõttu ette nähtud elektriliste suuruste (pinge või laeng) teisendamiseks töövedeliku mehaaniliseks nihkeks (nihkeks). Täiturmehhanismid jagunevad kolme põhirühma: aksiaalsed, põikisuunalised ja painduvad. Aksiaal- ja põikajamil on ka ühine nimetus - mitmekihiline pakett, kuna need on kokku pandud mitmest piesoelektrilisest elemendist (kettad, vardad, plaadid või latid) paketiks. Need võivad 1 kV juhtpinge juures arendada märkimisväärset jõudu (blokeerimisjõudu) kuni 10 kN, kuid tööosa väga väikeste kõrvalekalletega (mõnest nanomeetrist sadade mikroniteni). Selliseid ajamid nimetatakse ka võimsateks.

Painduvad ajamid (bimorfid) tekitavad töötava osa väikeste (sadade mikronite) kõrvalekallete korral ebaolulise blokeeriva jõu. Ameerika firma APC International Inc. õnnestus luua ja turule siseneda uut tüüpi plaadi bimorfiga - "lindi täiturmehhanism" (registreeritud kaubamärk). Ribaajam võib anda blokeerimisjõu 0,95 N ja läbipainde 1,2 mm või läbipainde kuni 3 mm ja blokeerimisjõu 0,6 N.

Paindlikud ajamid kuuluvad väikese võimsusega rühma. Samasse rühma kuuluvad ka paljutõotavad aksiaalsed ajamid, mis on monoplokk, mis on valmistatud mitmekihilise piesokeraamika tehnoloogia abil.

Pakettajamid võivad toota ettevõtted, mis ei ole piesokeraamika tootmisega seotud. Mitmekihilisest keraamikast valmistatud painduvad ja aksiaalsed ajamid on ise piesokeraamilised elemendid. Neid saavad toota ainult ettevõtted, kellel on piesokeraamiliste elementide tootmise tehnoloogiad ja seadmed.

Piesokeraamilised muundurid on ette nähtud elektrienergia muundamiseks mehaaniliseks energiaks. Nagu ka täiturmehhanismid, põhinevad need pöördpiesoelektrilise efekti põhimõttel.

Sõltuvalt sagedusalast jagunevad muundurid kolme tüüpi:

heli (alla 20 kHz) - summerid, telefonimikrofonid, kõrgsageduskõlarid, sireenid jne;

ultraheli - suure intensiivsusega emitterid keevitamiseks ja lõikamiseks, pesu- ja puhastusmaterjalid, vedeliku taseme andurid, dispersioonpihustid, udugeneraatorid, inhalaatorid, õhuniisutid. Märkimisväärne rühm on nn ultraheli kaugusmõõturid õhus, mis on piesokeraamilised komponendid. Neid kasutatakse auto- ja traktoriseadmete kaugusmõõturitena, kohaloleku- ja liikumisanduritena turvasüsteemides, tasememõõturites, kaugseireks ja juhtimiseks, lindude, loomade ja põllumajanduskahjurite eemale peletamiseks jne. Toodetakse kolme tüüpi seadmeid. : saate-, vastuvõtu- ja transiiverid;

kõrgsageduslik ultraheli -- materjalide testimise ja mittepurustavate katsete seadmed, diagnostika meditsiinis ja tööstuses, viiteliinid jne.

Kombineeritud piesokeraamilised süsteemid muudavad elektrilised suurused elektrilisteks suurusteks, kasutades järjestikust vastupidist ja otsest piesoelektrilist efekti. Selliste süsteemide näideteks on kajaloodid, vooluhulgamõõturid, piesotrafod, "võtmeotsija".

Hoolimata asjaolust, et piesoelektriline efekt avastati 19. sajandil ja alates 20. sajandi teisest poolest on piesokeraamiliste materjalide loomise teooriat ja tehnoloogiat aktiivselt arendatud, arvatakse, et piesokeraamika on üks lootustandvamaid materjale. 21. sajand. Selle seisukoha põhjuseks on see, et piesokeraamikale omased märkimisväärsed omadused ei ole ikka veel täielikult nõutud teaduses, inseneriteaduses ja tehnoloogias.

Piesokeraamika aktiivne kasutamine erinevates valdkondades algas XX sajandi 60-70ndatel. Piesokeraamiliste andurite ja piesokeraamiliste muundurite omadusi on uuritud ja kasutatud üsna hästi. Praegu kasutatakse piesokeraamikat laialdaselt ultraheli diagnostikas meditsiinis, lennunduses ja raudteetranspordis, energeetikas, nafta- ja gaasitööstuses; võimsuspiesokeraamika -- ultrahelikeevitamisel, pindade puhastamisel, katmisel, puurimisel jne.

Samal ajal kasutatakse piesokeraamikat endiselt ebapiisavalt generaatorite, täiturmehhanismide ja kombineeritud süsteemide loomiseks. Kaasaegsed nõuded energiasäästule, miniaturiseerimisele, kohandatavusele arvutijuhtimis- ja seiresüsteemidega sunnivad aga järjest enam masinate ja seadmete tootjaid pöörduma piesokeraamika tootjate poole, et ühiselt otsida teatud tehnoloogilisi lahendusi piesokeraamikat kasutades. Selle tulemusena tekivad uut tüüpi piesokeraamika, luuakse uusi ning täiustatakse tuntud piesokeraamilisi elemente ja komponente. Praegu pööratakse erilist tähelepanu piesokeraamilistele trafodele ja täiturmehhanismidele.

Kuigi praegune piesotransformaatorite tarbimine pole nii suur, on nende kasutamise potentsiaal tulevikus siiski tohutu.

Üks paljutõotav suund on nende kasutamine kodumajapidamistes ja tööstuslikes gaasiga täidetud valgustusseadmetes resonants-alalisvoolu-AC-muunduritena. Nüüd kasutatakse nendel eesmärkidel mitmesuguseid komponente. Lubamise alus valgustusseadmed on juba kehtestatud põhimõtted, mis võimaldavad säästa kuni 80% elektrienergiat võrreldes praegu kasutatavate seadmetega. Seetõttu on ainus parameeter, millele perspektiivmuundurid peavad vastama, nende minimaalsed geomeetrilised mõõtmed. Turu-uuringud kinnitavad, et valgustite arendajaid ei huvita mitte niivõrd muundurite pinge või voolutarbimise võrdlusomadused, vaid mõõtmed, mis võimaldavad neid lambialusesse paigaldada. Hiljutised uuringud on näidanud mitmekihiliste piesokeraamiliste trafode kasutamise teostatavust uues valgustustehnoloogias. Selliste muundurite prototüübid on välja töötatud, mis vastavad peaaegu kõigile nõuetele, välja arvatud hind. Seetõttu töötavad piesokeraamika tootjad aktiivselt tehnoloogia kallal, mis vähendaks nende kulusid.

Veel üks paljutõotav suund piesotrafode kasutamisel on nende kasutamine toiteseadmetes. Turule on ilmunud kaasaegsed seadmed, mis ei kasuta traditsioonilisi ühekihilisi (Rosen Type) piesotrafosid, vaid mitmekihilisi trafosid. Nende näideteks on vedelkristallkuvari taustvalgus ja Driving külma katoodiga fluorestsentsvalgussüsteemid. Mitmekihiliste piesotrafode eelisteks võrreldes traditsioonilistega on nende väiksus (eriti paksus) ja väiksem energiakulu. Turule ilmunud kaasaegsete mitmekihiliste trafode puhul on aga endiselt määravaks teguriks hind ja suurus ning tootjad tegelevad aktiivselt nende vähendamisega.

Täiustatud televisiooni- ja arvutikuvarites on suur võimalus kasutada piesotrafosid. Selliste kuvarite prototüübid on juba välja töötatud, mida nimetatakse FED - Field Emission Displays (FED - Field Emission Display). Need on lameekraanid, millel on suurem eraldusvõime ja pildi selgus kui tänapäevastel. Juba on aga väljatöötamisel uue põlvkonna virvendusvaba pildiga ekraane (Flicker Free Image Screen), mille toiteallikaks on ette nähtud ka mitmekihiliste piesokeraamiliste trafode kasutamine. Televisiooni- ja arvutiseadmete turg üllatab oma uudsustega ning sunnib piesokeraamiliste elementide tootjaid selle valdkonna teadus- ja arendustegevust intensiivistama.

Antennide ja peeglite manomeetrilise täpsusega häälestamiseks kasutatakse stack-ajamid juba kosmoses, lasertehnoloogias ja optilistes instrumentides. Usutakse, et need leiavad laiemat kasutust seal, kus on oluline arendada liikumapanevat jõudu minimaalse sõidunurga juures.

Üks paljutõotav valdkond on nende kasutamine tööpinkide peenhäälestamisel. Tänu oma jäigale struktuurile on piesoajamid ideaalne tööriist kiireks ja täpseks reguleerimiseks. Rakendades šabloonile fikseeritud pinget faasis spindli pöörlemisega, on võimalik tagada detaili töötlemise kõrge täpsus masina töökorpuse poolt.

Tööpingitööstuses plaanitakse neid kasutada ka vibratsiooni summutamiseks (kompenseerimiseks). Masina soovimatut vibratsiooni saab kompenseerida mitmekihiliste ajamite abil, mis töötavad antifaasis vibratsioonivibratsiooniga. See omakorda parandab lõpptoote kvaliteeti, väldib tööriista liigset kulumist ja vähendab oluliselt masina mürataset. Vibratsioonikompensaatoreid saab kasutada mitte ainult tööpinkide tööstuses, vaid ka muudes valdkondades.

Teine paljutõotav rakendus virnaajamite jaoks on hüdroventiilide juhtimine. Selle näiteks on uusim arendus piesokeraamilistest kiirventiilidest nii sõidu- ja veoautode diiselmootorite kütuseseadmetele kui ka diiselmootorite ja sisepõlemismootorite gaasijaotussüsteemidele.

Ilmekas näide piesokeraamiliste elementide, sõlmede ja nendel põhinevate osade integreeritud kasutamisest võib olla Ameerika ettevõtte APC International, Ltd. ühisarendus. autotööstuse komponentide tootjatega.

Kaasaegsed tehniliselt keerukad sõidukid nõuavad töökindluse, ohutuse ja mugavuse parandamiseks pidevalt täiendava elektroonika kasutuselevõttu.

Seega kasutatakse piesokeraamikat oma ainulaadsete omaduste tõttu üha enam erinevates inseneri- ja tehnoloogiavaldkondades. Välismaised piesokeraamika, sellel põhinevate elementide ja komponentide tootjad, kes püüavad täielikult vastata kaasaegsetele turunõuetele, viivad läbi uurimis- ja projekteerimistöid keraamika parameetrite parandamiseks, arendavad selle uusi tüüpe, mille jaoks on eraldatud märkimisväärsed rahalised vahendid. Toodete omahinna vähendamiseks töötatakse välja uusi tehnoloogiaid, mis on energiasäästlikumad ja võimaldavad tootmisprotsesse automatiseerida. Arvatakse, et ainult suured piesokeraamikat tootvad ettevõtted, mis on varustatud arenenud tehnoloogiate ja kaasaegsete seadmetega, suudavad täielikult vastata maailmaturu nõuetele.

Piesoelektriline efekt linna moodustava ettevõtte VSMPO-AVISMA Corporation OJSC teenistuses

VSMPO-Avisma Corporation on maailma juhtiv ettevõte, mis toodab titaanisulamitest pooltooteid lennutööstusele, tuumaenergiale, meditsiinile ja muudele valdkondadele. Meie ettevõte on üks peamisi tarnijaid sellistele tuntud ettevõtetele nagu Snecma, Rolls Royce, Boeing, Pratt & Whitney, Goodrich.

See sai võimalikuks tänu toodete kõrgele kvaliteedile, kõrgtehnoloogilistele tootmisprotsessidele, kaasaegsete seadmete ja tootmismeetodite kasutamisele.

Ettevõtte kasumlikkuse domineeriv näitaja on toodete maksumus. Ja kulude vähendamine koos pidevalt kasvava kvaliteediga on ettevõtte peamine ja pidev ülesanne. Tootmiskulu komponendiks on tootekontrolli tehnoloogilised toimingud, mis meie ettevõttes on eelkõige töökindlad ja tundlikud.

On teada, et ultraheli testimise aluseks on piesoelektriline efekt.

Meie ettevõttes kasutatakse ultraheliuuringut laialdaselt mehaaniliste, termiliste, valukodade toodete 100% kontrollimiseks, st. need tooted, mis oma konfiguratsiooni keerukuse tõttu välistavad muud tüüpi vigade tuvastamise (röntgenikiirgus, luminestsents).

Ultraheli testimine põhineb ultraheli vibratsiooni energia võimel levida homogeenses elastses keskkonnas väikeste kadudega ja peegelduda selle keskkonna katkestustest. Ultraheli testimisel on kaks peamist meetodit - läbiv sondeerimismeetod ja peegeldusmeetod. Proovi sisestatakse ultrahelikiir ja indikaator mõõdab proovi läbinud või proovi sees paiknevatest ebahomogeensustest peegeldunud vibratsioonide intensiivsust. Defekt tuvastatakse kas proovi kaudu edastatava energia vähenemise või defektist peegeldunud energia järgi. Ultraheli defektide tuvastamine toimub veadetektorite abil.

Vigade detektor (ladina keelest "defekt" - puudumine ja kreeka keeles "scopeo" - "välimus") - seade, mis võimaldab tuvastada mitmesugustest metallilistest ja mittemetallilistest materjalidest valmistatud toodete defekte neid hävitamata. Kas tootes on mõrasid, sügavuses kestasid või muid defekte, mis võivad põhjustada õnnetuse, selle kõik selgitab välja veadetektor. Kuid isegi väike pragu, mis pole palja silmaga nähtav, võib põhjustada toote hävimise.

Vaatleme ultraheli veadetektori - SPL - töö füüsilist aspekti.

Sellise seadme põhielement on kvartsplaat. Kui defektist peegeldunud helilaine sellele langeb, surutakse kvarts kokku ja venitatakse helilaine võnkumiste sagedusega ning selle külgedele tekib vahelduv elektripinge. See on otsese piesoelektrilise efekti tagajärg; selle tulemusena tekib kvartsi ja mõnede teiste dielektrikute pinnal mehaanilise pinge toimel nende polariseerumise tagajärjel elektrilaeng.

Kui kvartsplaadi plaatidele rakendatakse vahelduvpingeimpulss, siis kvartsplaat hakkab võnkuma rakendatud pinge sagedusega ja muutub sama sagedusega akustiliste võnkumiste allikaks, täheldatakse pöördvõrdelist piesoelektrilist efekti.

Piesoelektriline efekt on omane ainult kristallidele, mille ühikrakkudel puudub sümmeetriakese. Need on ioonkristallid, mis koosnevad justkui kahest või enamast üksteisesse "surutud" lihtsast võrest, millest igaüks on ehitatud sama märgiga ioonidest - kas positiivsetest või negatiivsetest. Kui kristall on deformeerunud, nihkuvad need lihtsad võred üksteise suhtes. Sel juhul muutub kristalli elektrimoment: selle tahkudele ilmub elektripinge. Piesoelektri polariseerumine elektriväljas viib selle deformatsioonini – piesoelektrilise pöördefektini.

Joonis 9 Ultraheli skeem

Mõelge ultraheli skeemile. Kõrgsageduslik impulss (2) antakse generaatorist kvartsplaadile (1). Kvartsplaat hakkab võnkuma ja kiirgab ultrahelilaineid testitava metallosa ruumalasse.

Defektist, näiteks praost, peegeldudes pöördub ultraheli tagasi plaadile ja muutub elektrilisteks võnkudeks (3), mis sisenevad ostsilloskoobi (5). Otsese ja peegeldunud impulsi kaugust saab kasutada defekti sügavuse määramiseks (4).

Ultraheli katselabor asutati VSMPO-s 1962. aastal. Mittepurustavate katsemeetodite labori loomise algataja oli Vladislav Valentinovitš Tetyukhin. Ta tõi kaasa ultraheli veadetektori ja õpetas teda sellega töötama. Laboratoorium on tunnistatud üheks parimaks lennunduses. Meeskonda juhtis Arpad Frantsevich Nemeth. Siin töötasid tõelised eksperdid. Näiteks pärast pikka piinamist Chişinău tehase ultraheliuuringute anduritega otsustati need ise valmistada. N.I. Kalinin asus asja kallale – ja ta sai sellega hakkama! Kellelgi polnud töös sellist põhjalikkust ja täpsust, täpsust nagu Nikolai Ivanovitšil. See on tõesti see, kes oli asendamatu spetsialist!

Sarnased dokumendid

Piesoelektrilise efekti omadused. Mõju kristallstruktuuri uurimine: mudeli arvestamine, kristallide deformatsioonid. Piesoelektrilise pöördefekti füüsikaline mehhanism. Piesoelektriliste kristallide omadused. Efekti rakendamine.

kursusetöö, lisatud 12.09.2010


Ultraheli füüsikalisteks alusteks on elastsed vibratsioonid, mille sagedus ületab 20 kHz ja mis levivad pikilainetena erinevates keskkondades. Piesoelektrilise pöördefekti nähtus. Ultraheliuuringute meditsiinilised rakendused.

kontrolltööd, lisatud 01.06.2015


Kristallilise (ruumi)võre mõiste. Efekti kristallstruktuur. Tööstuslike piesokilede kasutusalad. Vastupidine piesoelektriline efekt. Piesoelektriliste kristallide kasutamine elektrienergia tootmiseks.

kursusetöö, lisatud 14.04.2014


Magnetoelastse efekti tunnus kui pöördmagnetostriktsiooni nähtus, mis seisneb magneti magnetiseerumise muutumises mehaaniliste deformatsioonide mõjul. Kasutage seda efekti jõu, pöördemomendi ja rõhu mõõtmiseks.

kursusetöö, lisatud 13.12.2010


Fotoelastse efekti kontseptsioon ja üldised omadused ning selle rakendamine pingejaotuse mustri saamiseks. Füüsikaliste suuruste mõõtmise põhimeetodid: valguskiirguse, rõhu ja kiirenduse parameetrid fotoelastse efekti abil.

kursusetöö, lisatud 13.12.2010


Potentsiomeetrilise efekti mõiste ja selle rakendamine tehnoloogias. Potentsiomeetrilise seadme ekvivalentskeem. Füüsikaliste suuruste mõõtmine potentsiomeetrilise efekti alusel. Potentsiomeetrilise efekti alusel ehitatud andurid.

kontrolltöö, lisatud 18.12.2010


Halli efekti seletus elektronteooria abil. Halli efekt ferromagnetites ja pooljuhtides. Halli EMF-andur. Saali nurk. Saali konstant. Halli efekti mõõtmine. Halli efekt lisandite ja sisemise juhtivuse jaoks.

kursusetöö, lisatud 02.06.2007


Posistorefekti rakendamise tunnused ja põhimõtted ferroelektrikas. Heiwangi ja Jonkeri mudelid. Posistoride saamise tehnoloogia ja põhietapid, nende alad praktilise rakendamise, vastava efekti eksperimentaalsed uuringud.

kursusetöö, lisatud 21.12.2015


üldised omadused ja piezoresonantsefekti olemus. Piezoresonantsandurid ja andurid. Ioniseeriva kiirguse registreerimise meetod. Ammoniaagi määramine õhus. Vead, mis piiravad antud füüsikalise efekti põhjal tehtavate mõõtmiste täpsust.

kursusetöö, lisatud 26.03.2012


Pikaajalise toime mõju ioonide ja footoni kiiritamise ajal. Mikrokõvaduse meetod kaugmõju registreerimiseks. Millimeetrivahemiku elektromagnetlainete bioloogiline mõju (EHF). Pikamaaefekt ränidioodi süsteemis.

Kasutatakse ultraheli tootmiseks

vastupidine piesoelektriline efekt;

magnetostriktsioon;

elektrostriktsioon;

Piesoelektriline efekt - dielektrilise polarisatsiooni ilmnemise mõju mehaaniliste pingete toimel (otsene piesoelektriline efekt). Samuti on pöördvõrdeline piesoelektriline efekt - mehaaniliste deformatsioonide tekkimine elektrivälja toimel.

Vastupidine piesoelektriline efekt seisneb selles, et kvartskristallist (või muust anisotroopsest kristallist) teatud viisil lõigatud plaat surutakse kokku või pikeneb elektrivälja toimel olenevalt välja suunast. Kui selline plaat asetada lamekondensaatori plaatide vahele, millele on rakendatud vahelduvpinge, siis plaat satub sundvõnkumisse. Plaadi vibratsioonid kanduvad edasi keskkonnaosakestele (õhk või vedelik), mis tekitab ultrahelilaine.

Magnetostriktsiooni nähtus on selles, et ferromagnetilised vardad (teras, raud, nikkel ja nende sulamid) muudavad piki varda telge suunatud magnetvälja toimel oma lineaarseid mõõtmeid. Asetades sellise varda vahelduvasse magnetvälja (näiteks mähise sisse, millest läbi voolab vahelduvvool), tekitame varras sundvõnkumisi, mille amplituud on eriti suur resonantsi korral. Varda võnkuv ots tekitab keskkonda ultrahelilaineid, mille intensiivsus on otseses võrdeline otsa võnkumiste amplituudiga.

Mõned materjalid (nt keraamika) on võimelised elektriväljas oma mõõtmeid muutma. See nähtus, mida nimetatakse elektrostriktsiooniks, väliselt erineb pöördpiesoelektrilisest efektist selle poolest, et suuruse muutus sõltub ainult rakendatava välja tugevusest, kuid ei sõltu selle märgist. Selliste materjalide hulka kuuluvad baariumtitanaat ja pliitsirkonaattitanaat.

Andureid, mis kasutavad ülalkirjeldatud nähtusi, nimetatakse vastavalt piesoelektrilisteks, magnetostriktiivseteks ja elektrostriktiivseteks.

Ultraheli kiirgajad.

Looduses leidub US-d nii paljude looduslike mürade komponendina (tuule-, juga-, vihmamüra, meresurfi veeretavate kivikeste müras, välguheitega kaasnevates helides jne) kui ka helide hulgas. loomamaailma helid. Mõned loomad kasutavad ultrahelilaineid takistuste tuvastamiseks, ruumis orienteerumiseks.

Ultraheli kiirgajad võib jagada kahte suurde rühma. Esimesse kuuluvad emitterid-generaatorid; võnkumised neis on erutatud pideva voolu teel olevate takistuste – gaasi- või vedelikujoa – tõttu. Teine emitterite rühm on elektroakustilised muundurid; need muudavad juba etteantud elektripinge või voolu kõikumised tahke keha mehaaniliseks vibratsiooniks, mis kiirgab keskkonda akustilisi laineid.

Elektromehaaniline ultraheli emitter kasutab pöördpiesoelektrilise efekti nähtust ja koosneb järgmistest elementidest (joonis 1)

Piesoelektriliste omadustega ainest valmistatud plaadid;

Selle pinnale sadestunud elektroodid juhtivate kihtidena;

Generaator, mis annab elektroodidele vajaliku sagedusega vahelduvpinget.

Kui generaatorist (3) rakendatakse elektroodidele (2) vahelduvpinget, kogeb plaat (1) perioodiliselt venitamist ja kokkusurumist. Tekivad sundvõnkumised, mille sagedus on võrdne pingemuutuse sagedusega. Need vibratsioonid kanduvad edasi keskkonna osakestele, tekitades sobiva sagedusega mehaanilise laine. Söötme osakeste võnkumiste amplituud radiaatori lähedal on võrdne plaadi võnkumiste amplituudiga.

Ultraheli iseärasuste hulka kuulub võimalus saada kõrge intensiivsusega laineid ka suhteliselt väikeste võnkeamplituudide juures, kuna antud amplituudil on energiavoo tihedus võrdeline sageduse ruudus.

I \u003d ρ ω 2 ʋ A 2/2 (1)

Ultrahelikiirguse piirava intensiivsuse määravad nii emitterite materjali omadused kui ka nende kasutustingimuste omadused.

Ultraheli tekitamise intensiivsusvahemik UHF piirkonnas on äärmiselt lai: 10–14 W/cm2 kuni 0,1 W/cm2.

Paljudel eesmärkidel on vaja palju suuremat intensiivsust kui need, mida on võimalik saada emitteri pinnalt. Sellistel juhtudel saate kasutada fookust.

Ultraheli vastuvõtjad. Elektromehaanilised ultraheli vastuvõtjad kasutavad otsese piesoelektrilise efekti nähtust.

Sel juhul tekivad ultrahelilaine toimel kristallplaadi (1) võnked, mille tulemusena tekib elektroodidele (2) vahelduvpinge, mille salvestab salvestussüsteem (3).

Enamikus meditsiiniseadmetes kasutatakse ultrahelilainete generaatorit samaaegselt nende vastuvõtjana.

Ultraheli omadused, mis määravad selle kasutamise diagnostilistel ja ravieesmärkidel (lühike lainepikkus, suund, murdumine ja peegeldus, neeldumine, poolneeldumise sügavus)

Ultraheli ravitoime on tingitud mehaanilistest, termilistest ja keemilistest teguritest. Nende ühine tegevus parandab membraanide läbilaskvust, laiendab veresooni, parandab ainevahetust, mis aitab taastada keha tasakaalu. Doseeritud ultrahelikiire abil saab õrnalt masseerida südant, kopse ning teisi elundeid ja kudesid.

a) lühike lainepikkus. Orienteerumine. Ultraheli lainepikkus on palju lühem kui heli lainepikkus. Arvestades, et lainepikkus λ=υ/ν , leiame: heli puhul sagedusega 1 kHz lainepikkus λ heli =1500/1000=1,5 m; ultraheli puhul sagedusega 1 MHz lainepikkus λ uz \u003d 1500 / 1 000 000 \u003d 1,5 mm.

Lühikese lainepikkuse tõttu toimub ultraheli peegeldus ja difraktsioon objektidel, mis on väiksemad kui kuuldava heli puhul. Näiteks 10 cm suurune keha ei ole takistuseks helilainele λ=1,5 m, küll aga saab takistuseks ultrahelilainele λ=1,5 mm. Sel juhul ilmub ultraheli vari, seetõttu saab mõnel juhul ultrahelilainete levikut kiirte abil kujutada ning neile rakendada peegelduse ja murdumise seadusi. See tähendab, et teatud tingimustel levib ultrahelilaine suunatud voolus, millele kehtivad geomeetrilise optika seadused.

b) Murdumine ja peegeldus. Nagu igat tüüpi lainete puhul, on ka ultrahelile omane peegeldus ja murdumine. Seadused, millele need nähtused alluvad, on täiesti analoogsed valguse peegelduse ja murdumise seadustega. Seetõttu on paljudel juhtudel ultrahelilainete levikut kujutatud kiirte abil.

Protsessi kvantitatiivsete karakteristikute jaoks võetakse kasutusele peegeldusteguri R=I ref /I o mõiste, kus I ref on peegeldunud ultrahelilaine intensiivsus; Ma umbes - intsidendi intensiivsusest. See on mõõtmeteta suurus, mis varieerub nullist (ei peegeldu) üheni (täielik peegeldus).

Mida rohkem erinevad kandja lainetakistused (ρυ), seda suurem on peegeldunud energia osa ja seda väiksem on liidest läbiva energia osa.

Bioloogilise keskkonna lainetakistus on ligikaudu 3000 korda suurem kui õhu lainetakistus (R=1/3000), seega peegeldus piiril õhk-nahk on 99,99%. Kui kiirgaja kanda otse inimese nahale, siis ultraheli ei tungi sisse, vaid peegeldub õhukesest õhukihist emitteri ja naha vahel. Õhukihi kõrvaldamiseks kaetakse naha pind vastava libesti (vesiželee) kihiga, mis toimib peegeldust vähendava üleminekukeskkonnana.

Määrdeaine peab vastama asjakohastele nõuetele: olema akustilise takistusega, mis on lähedane naha akustilisele takistusele, olema madala ultraheli neeldumisteguriga, suure viskoossusega, niisutama nahka hästi ja olema mittetoksiline (vaseliinõli, glütseriin jne. .).

c) Imendumine, poolneeldumise sügavus. Ultraheli järgmine oluline omadus on selle neeldumine keskkonnas: keskkonna osakeste mehaaniliste vibratsioonide energia muundatakse nende soojusliku liikumise energiaks. Söötmes neeldunud mehaanilise laine energia põhjustab sel juhul keskkonna kuumenemist. Seda efekti kirjeldatakse järgmise valemiga:

I \u003d I o. e-cl (3)

kus I on keskkonnas vahemaa l läbinud ultrahelilaine intensiivsus; I o - esialgne intensiivsus; k on ultraheli neeldumistegur keskkonnas; e on naturaallogaritmide alus (e = 2,71).

Ultraheli neeldumise tunnusena kasutatakse koos neeldumisteguriga ka poolneeldumissügavust.

Poolneeldumissügavus on sügavus, mille juures ultrahelilaine intensiivsus väheneb poole võrra.

Erinevate kudede poolimendumissügavusel on erinev tähendus. Seetõttu kasutatakse meditsiinilistel eesmärkidel erineva intensiivsusega ultrahelilaineid: väikesed - 1,5 W / m 2, keskmised - (1,5-3) W / m 2 ja suured - (3-10) W / m 2.

Imendumine vedelas keskkonnas on palju väiksem kui pehmetes kudedes ja veelgi enam luukoes.

8. Ultraheli koostoime ainega: akustilised voolud ja kavitatsioon, soojuse eraldumine ja keemilised reaktsioonid, heli peegeldus, heli nägemine).

a) Akustilised voolud ja kavitatsioon. Suure intensiivsusega ultrahelilainetega kaasneb mitmeid spetsiifilisi mõjusid. Seega kaasneb ultrahelilainete levimisega gaasides ja vedelikes keskkonna liikumine, tekivad akustilised voolud (helituul), mille kiirus ulatub 10 m/s. Sagedustel UHF vahemikus (0,1–10) MHz ultraheliväljas, mille intensiivsus on mitu W / cm 2, saab vedelikku välja voolata ja pihustada, moodustades väga peene udu. Seda ultraheli levimise funktsiooni kasutatakse ultraheliinhalaatorites.

Oluliste nähtuste hulgas, mis tekivad intensiivse ultraheli levimisel vedelikes, on akustiline kavitatsioon-mullide kasv ultraheliväljas olemasolevatest submikroskoopilistest gaasi- või aurutuumadest vedelikes kuni millimeetriste fraktsioonideni, mis hakkavad pulseerima ultraheli sagedusega ja vajuvad kokku rõhu positiivses faasis. Kui gaasimullid varisevad kokku, tekib suur kohalik rõhk tuhat atmosfääri, tekivad sfäärilised lööklained. Selline intensiivne mehaaniline mõju osakestele võib põhjustada mitmesuguseid mõjusid, sealhulgas hävitavaid, isegi ilma ultraheli termilise toime mõjuta. Mehaanilised mõjud on eriti olulised fokuseeritud ultraheli mõjul.

Kavitatsioonimullide kokkuvarisemise teine ​​tagajärg on nende sisu tugev kuumutamine (kuni temperatuurini umbes 10 000 0 C), millega kaasneb molekulide ionisatsioon ja dissotsiatsioon.

Kavitatsiooni nähtusega kaasneb emitterite tööpindade erosioon, rakukahjustused jne. See nähtus toob aga kaasa ka mitmeid kasulikke mõjusid. Näiteks kavitatsiooni piirkonnas toimub aine tõhustatud segunemine, mida kasutatakse emulsioonide valmistamiseks.

b) Soojuse vabanemine ja keemilised reaktsioonid. Ultraheli neeldumisega aine poolt kaasneb mehaanilise energia ülekandmine aine siseenergiasse, mis viib selle kuumenemiseni. Kõige intensiivsem kuumenemine toimub kandjatevahelise liidesega külgnevates piirkondades, kui peegelduskoefitsient on ühtsuse lähedal (100%). See on tingitud asjaolust, et peegelduse tulemusena suureneb laine intensiivsus piiri lähedal ja vastavalt suureneb neeldunud energia hulk. Seda saab katseliselt kontrollida. Märja käe külge on vaja kinnitada ultraheli kiirgaja. Peagi tekib peopesa vastasküljel tunne (sarnane põletusvaluga), mis on põhjustatud naha-õhu liideselt peegelduvast ultrahelist.

Keerulise struktuuriga koed (kopsud) on ultraheli kuumenemise suhtes tundlikumad kui homogeensed koed (maks). Suhteliselt palju soojust eraldub pehmete kudede ja luude piiril.

Kudede lokaalne kuumutamine kraadide kaupa aitab kaasa bioloogiliste objektide elulisele aktiivsusele, suurendab ainevahetusprotsesside intensiivsust. Pikaajaline kokkupuude võib aga põhjustada ülekuumenemist.

Mõnel juhul kasutatakse fokuseeritud ultraheli üksikute kehastruktuuride lokaalsete mõjude jaoks. See efekt võimaldab saavutada kontrollitud hüpertermia, st. kuumutamine kuni 41-44 0 C ilma naaberkudede ülekuumenemiseta.

Ultraheli läbimisega kaasnev temperatuuri tõus ja rõhulangused võivad põhjustada ioonide ja radikaalide moodustumist, mis võivad molekulidega suhelda. Sel juhul võivad tekkida sellised keemilised reaktsioonid, mis tavatingimustes ei ole teostatavad. Ultraheli keemiline toime avaldub eelkõige veemolekuli lõhenemises H + ja OH - radikaalideks, millele järgneb vesinikperoksiidi H 2 O 2 moodustumine.

c) Heli peegeldus. Helinägemine. Põhineb ultrahelilainete peegeldumisel ebahomogeensustest heli nägemine, kasutatakse meditsiinilises ultrahelis. Sel juhul muundatakse ebahomogeensustest peegelduv ultraheli elektrivibratsiooniks ja viimane valgusvibratsiooniks, mis võimaldab näha teatud objekte ekraanil valguse suhtes läbipaistmatus keskkonnas.

Ultrahelivahemiku sagedustel on loodud ultrahelimikroskoop - tavalise mikroskoobiga sarnane seade, mille eelis optilise ees on see, et bioloogilised uuringud ei nõua objekti eelvärvimist. Ultraheli laine sageduse suurenemisega eraldusvõime suureneb (saab tuvastada väiksemaid ebahomogeensusi), kuid nende läbitungimisvõime väheneb, s.t. huvipakkuvate struktuuride uurimise sügavus väheneb. Seetõttu valitakse ultraheli sagedus nii, et piisav eraldusvõime oleks ühendatud vajaliku uurimissügavusega. Niisiis kasutatakse otse naha all asuva kilpnäärme ultraheliuuringul 7,5 MHz laineid ja kõhuõõne organite uurimisel sagedust 3,5 - 5,5 MHz. Lisaks võetakse arvesse ka rasvakihi paksust: õhukeste laste puhul kasutatakse sagedust 5,5 MHz, ülekaaluliste laste ja täiskasvanute puhul aga 3,5 MHz.

9. Ultraheli biofüüsikaline toime: mehaaniline, termiline, füüsikaline ja keemiline.

Ultraheli mõjul bioloogilistele objektidele kiiritatud elundites ja kudedes, mille vahemaa on poole lainepikkusega, võib tekkida rõhuerinevus ühikutest kümnete atmosfäärideni. Sellised intensiivsed mõjud põhjustavad mitmesuguseid bioloogilisi mõjusid, mille füüsikalise olemuse määrab ühistegevus mehaanilised, termilised ja füüsikalis-keemilised nähtused kaasnevad ultraheli levimisega keskkonnas.

mehaaniline toime määratakse muutuva akustilise rõhuga ja see seisneb kudede vibratsioonilises mikromassaažis rakulisel ja subtsellulaarsel tasemel, raku-, rakusisese ja koemembraanide läbilaskvuse suurenemises ultraheli depolümeriseeriva toime tõttu hüaluroonhappele ja kondroitiinsulfaadile, millega kaasneb suurenemine. nahakihi niisutamisel.

termiline efekt on seotud mehaanilise energia muundamisega soojusenergiaks, samas kui soojus tekib keha kudedes ebaühtlaselt. Eriti palju soojust koguneb keskkonna piiridele kudede akustilise takistuse erinevuse tõttu, samuti kudedes, mis absorbeerivad suuremas koguses ultrahelienergiat (närvi-, luukoe), ja kohtades, mis on halvasti varustatud kudedega. veri.

Füüsikaline ja keemiline toime tingitud asjaolust, et keemiline energia põhjustab keha kudedes mehaanilist resonantsi. Viimaste mõjul molekulide liikumine kiireneb ja nende lagunemine ioonideks intensiivistub, isoelektriline olek muutub. Tekivad uued elektriväljad, rakkudes toimuvad elektrilised muutused. Muutub vee struktuur ja hüdratatsioonikihtide olek, tekivad radikaalid ja erinevad bioloogiliste lahustite sonolüüsi saadused. Selle tulemusena stimuleeritakse kudedes füüsikalis-keemilisi ja biokeemilisi protsesse, aktiveerub ainevahetus.

1756. aastal avastas vene akadeemik F. Epinus, et turmaliinikristalli kuumutamisel tekivad selle nägudele elektrostaatilised laengud. Seejärel anti aatomi fenomenile püroelektrilise efekti nimi. F. Aepinus oletas, et temperatuurimuutustel täheldatud elektrinähtuste põhjuseks on kahe pinna ebaühtlane kuumenemine, mis viib kristalli mehaaniliste pingete ilmnemiseni. Samas tõi ta välja, et pooluste jaotuse püsivus kristalli teatud otstes oleneb selle struktuurist ja koostisest, seega jõudis F. Aepinus lähedale piesoelektrilise efekti avastamisele.

Piesoelektrilise efekti kristallides avastasid 1880. aastal vennad P. ja J. Curie, kes jälgisid kvartskristallist teatud orientatsiooniga lõigatud plaatide pinnale mehaaniliste pingete mõjul elektrostaatilisi laenguid. Need laengud on võrdelised mehaanilise pingega, muudavad sellega märki ja kaovad eemaldamisel. Elektrostaatiliste laengute tekkimist dielektriku pinnal ja elektrilise polarisatsiooni tekkimist selle sees mehaanilise pinge tagajärjel nimetatakse otseseks piesoelektriliseks efektiks.

Koos otsesega on ka pöördvõrdeline piesoelektriline efekt, mis seisneb selles, et piesoelektrilisest kristallist lõigatud plaadis tekib sellele rakenduva elektrivälja toimel mehaaniline deformatsioon; pealegi on mehaanilise deformatsiooni suurus võrdeline elektrivälja tugevusega. Pöördpiesoelektrilist efekti ei tohiks segi ajada elektrostriktsiooni nähtusega, st dielektriku deformatsiooniga elektrivälja mõjul. Elektrostriktsiooni korral on deformatsiooni ja välja vahel ruutsõltuvus ning piesoelektrilise efekti korral on see lineaarne.

Lisaks toimub elektrostriktsioon mis tahes struktuuriga dielektrikus ja isegi vedelikes ja gaasides, samas kui piesoelektrilist efekti täheldatakse ainult tahkete, peamiselt kristalsete dielektrikute puhul.

Piesoelektrilisus ilmneb ainult neil juhtudel, kui kristalli elastse deformatsiooniga kaasneb kristalli elementaarraku positiivsete ja negatiivsete laengute raskuskeskmete nihe, st kui see põhjustab indutseeritud dipoolmomendi, mis on vajalik. dielektriku elektrilise polarisatsiooni tekkimiseks mehaanilise pinge toimel. Struktuurides, millel on sümmeetriakese, ei saa ühtlane deformatsioon häirida kristallvõre sisemist tasakaalu ja seetõttu on piesoelektrilised ainult 20 klassi, millel puudub sümmeetriakese. Sümmeetriakeskme puudumine on piesoelektrilise efekti olemasoluks vajalik, kuid mitte piisav tingimus ja seetõttu pole seda kõigil atsentrilistel kristallidel.

Piesoelektrilist efekti ei saa täheldada tahkete amorfsete ja krüptokristalliliste dielektrikute puhul, kuna see on vastuolus nende sfäärilise sümmeetriaga. Erandiks on see, kui need muutuvad välisjõudude mõjul anisotroopseks ja omandavad seeläbi osaliselt üksikkristallide omadused.Mõnt tüüpi kristallide tekstuuride puhul on võimalik ka piesoelektriline efekt.

Seni pole piesoelektriline efekt leidnud rahuldavat kvantitatiivset kirjeldust kristallvõre kaasaegse aatomiteooria raames. Isegi kõige lihtsamat tüüpi struktuuride puhul on võimatu piesoelektriliste konstantide järjekorda isegi ligikaudselt arvutada.

Iga piesoelektrik on elektromehaaniline muundur, seetõttu on selle oluliseks tunnuseks elektromehaaniline sidestuskoefitsient k. Selle koefitsiendi ruut on teatud tüüpi deformatsiooni korral mehaanilisel kujul avalduva energia ja toiteallika sisendil saadud kogu elektrienergia suhe.

Paljudel piesoelektrikute puhul on olulised nende elastsed omadused, mida kirjeldavad elastsusmoodulid c (Youngi moodulid Eyu) või pöördarvud – elastsuskonstandid s.

Piesoelektriliste elementide kasutamisel resonaatoritena võetakse mõnel juhul kasutusele sagedustegur, mis on piesoelektrilise elemendi resonantssageduse ja vibratsiooni tüübi määrava geomeetrilise suuruse korrutis. See väärtus on võrdeline heli kiirusega piesoelektrilises elemendis elastsete lainete levimise suunas. Praegu on teada, et paljudel ainetel (üle 500) on piesoelektriline aktiivsus. Praktilist rakendust leiavad aga vaid vähesed.

Piesoelektriline efekt (kreeka pieso – rõhk ja elekter) on nähtus, mis iseloomustab elektrilise polarisatsiooni (induktsiooni) tekkimist mehaaniliste pingete mõjul või deformatsiooni tekkimist elektrivälja mõjul teatud ainetes (piesokristallides). Kui teatud viisil lõigatud piesoelektriline plaat on allutatud mehaanilistele pingetele (surumine, pinge, nihke), siis tekivad selle pinnale polarisatsiooni tõttu elektrilaengud - see on nn otsene piesoelektriline efekt; sellise plaadi asetamisel elektrivälja tekib selle deformatsioon, mis sõltub lineaarselt elektrivälja tugevusest – pöördpiesoelektriline efekt.
Otsese piesoelektrilise efekti mehhanismi seletatakse kristallvõre ühikelemendi dipoolmomendi ilmnemise või muutumisega mehaaniliste pingete mõjul laengute nihkumise tagajärjel. Elektrivälja toimel rakus olevatele elementaarlaengutele toimub nende nihkumine ja selle tulemusena nendevaheliste keskmiste kauguste muutumine, s.o. deformatsioon (pöördpiesoelektriline efekt).
Piesoelektrilise efekti avastasid 1880. aastal vennad P. ja J. Curie, kes jälgisid seda kvartsis ja mõnedes teistes kristallides.
Piesoelektrilise efekti olemasolu vajalik tingimus on sümmeetriakeskme puudumine kristallis. Ainult sel juhul võib pingete rakendamine kaasa tuua kompenseerimata elektrilaengu, s.t. polarisatsiooni tekkimiseni. Piesoelektrikud on kvarts, turmaliin, senget-sool, baariumtitanaat, kaaliumdivesinikfosfaat, antimonsulfojodiid, kaaliumsulfiid jne. See on omane ka inimese luudele.
Ultraheli vibratsioonivastuvõtjate valmistamisel kasutatakse otsese piesoelektrilise efekti põhimõtet. Ultraheli tekitamiseks kasutatakse pöördpiesoelektrilist efekti ja kõik terapeutilised ultraheliseadmed põhinevad sellel efektil. Ultraheli saamise olemus on järgmine. Kui elektroodide abil teatud viisil lõigatud piesokristallplaadi otspindadele rakendatakse vahelduv elektripinge, siis selle paksus vaheldumisi väheneb vastavalt vahelduvvoolu sagedusele. Plaadi paksuse vähenemisega ümbritsevates keskkonnakihtides moodustub harvendamine ja selle suurenemisega keskkonna osakeste paksenemine. Plaadi paksuse perioodilise muutumise tulemusena, mida nimetatakse piesoelektriliseks muunduriks, tekib keskkonnas ultrahelilaine, mis levib plaadi pinnaga risti olevas suunas. Piesoelektriliste kristallide plaatide paksuse muutus on väga väike, see on võrdeline rakendatud elektripingega: AS = LU, kus AS on plaadi mõõtmete muutus: L on piesoelektriline moodul: U on rakendatav Pinge.
Ultraheli vibratsiooni intensiivsuse suurendamiseks kasutatakse resonantsi nähtust, mis eeldab aine loomuliku vibratsiooni sagedusega arvestamist. Kui piesokristallile rakendatava vahelduvpinge sagedus langeb kokku tema enda (resonants)sagedusega, siis on plaadi võnke amplituud suurim. Sellest lähtuvalt on ka keskkonda levivate ultrahelilainete intensiivsus maksimaalne. Plaadi resonantssagedus sõltub omakorda selle suurusest: mida õhem plaat, seda suurem on selle resonantssagedus. Näiteks 1 mm paksuse kvartsplaadi puhul vastab resonantssagedus 2,88 MHz ja paksusele 0,5 mm - 5,76 MHz.
Varem kasutati kvartsplaate piesoelektrilise elemendina ultraheliraviseadmetes. Tänapäeval asendatakse see baariumtitanaatkeraamikaga, millel on mitu korda suurem piesoelektriline efekt.

Piesoelektrilist efekti (piesoelektrilist efekti) täheldatakse teatud ainete kristallides, millel on teatud sümmeetria. Looduses levinumad piesoelektrilised mineraalid on kvarts, turmaliin, sfaleriit ja nefeliin. Mõned korrastatud struktuuriga polükristallilised dielektrikud (keraamilised materjalid ja polümeerid) omavad piesoelektrilist efekti. Dielektrikuid, millel on piesoelektriline efekt, nimetataksepiesoelektrikud.

Riis. üks

Välised mehaanilised jõud, mis toimivad piesoelektrilisele kristallile teatud suundades, ei põhjusta selles mitte ainult mehaanilist deformatsiooni (nagu igas tahkes kehas), vaid ka elektrilist polarisatsiooni, st erineva märgiga elektrilaengute tekkimist selle pindadele (joon. 1a). F- mõjuvad jõud, P - elektriline polarisatsioonivektor). Mehaaniliste jõudude vastupidise suuna korral muutuvad laengute märgid(joonis 1b). Seda nähtust nimetatakseotsene piesoefekt(joonis 2a).

Riis. 2

Aga piesoelektriline efekt on pöörduv. Kui piesoelektrik puutub kokku vastavasuunalise elektriväljaga, tekivad selles mehaanilised deformatsioonid (joonis 1c).Kui elektrivälja suund muutub, muutuvad deformatsioonid vastavalt(joonis 1d). Sellele nähtusele on antud nimivastupidine piesoefekt(Joonis 2b) .

Piesoelektriline efektselgitatakse järgmiselt. Kristallvõres on positiivsete ja negatiivsete ioonide tsentrite mittevastavuse tõttu mahuline elektrilaeng. Välise elektrivälja puudumisel see polarisatsioon ei avaldu, kuna seda kompenseerivad pinnal olevad laengud. Kristalli deformeerumisel nihkuvad võre positiivsed ja negatiivsed ioonid üksteise suhtes ning vastavalt muutub kristalli elektrimoment, mis põhjustab potentsiaalide tekkimist pinnale. Just see elektrimomendi muutus avaldub piesoelektrilise efektina. Piesoelektriline efekt ei sõltu ainult mehaanilise või elektrilise toime suurusest, vaid ka jõudude iseloomust ja suunast kristalli kristallograafiliste telgede suhtes.

Piesoelektrilisest efektist tulenevad piesoelektrilise materjali deformatsioonid on absoluutväärtuses tähtsusetud. Näiteks 1 mm paksuse kvartsplaadi paksus 100 V pinge mõjul muudab oma paksust vaid 0,23 mikroni võrra. Piesoelektrikute deformatsioonide ebaolulisus on seletatav nende väga suure jäikusega.

Päri- ja tagurpidi piesoelektrilised efektid on lineaarsed ja neid kirjeldavad lineaarsed sõltuvused, mis seovad elektrilise polarisatsiooni P mehaanilise pingega g:

P = ag (1).

Seda sõltuvust nimetatakse otsese piesoelektrilise efekti võrrandiks. Proportsionaalsuskoefitsienti α nimetatakse piesoelektriliseks mooduliks (piesoelektriline moodul). See on piesoelektrilise efekti mõõt. Piesoelektrilist pöördefekti kirjeldab sõltuvus

r = αE (2),

kus r - deformatsioon;

E - elektrivälja tugevus.

Riis. 3

Otsese ja pöördmõju piesomoodul α on sama väärtusega. Piesoelektrilised emitterid ei oma mehaanilisi kontakte ja koosnevad metallkettale kinnitatud keraamilisest elemendist (joonis 3).Ketta vibratsiooni põhjustab sellele rakendatav pinge. Teatud sagedusega vahelduvpinge tekitab helisignaali. Piesoelektrilised emitterid ei allu konstruktsioonielementide mehaanilisele kulumisele, neil on madal energiatarve ja neil puudub elektriline müra. Piesokeraamika abil on võimalik saada märkimisväärne helitugevus. Piesokeraamiliste andurite üksikud näidised võivad tekitada helirõhku 1 m kaugusel kuni 130 dB (valuläve tase)

Riis. 4

Piesoelektrilised emitterid on saadaval kahes versioonis:

- "puhtad" muundurid (ilma juhtimisahelata) - piesokõned;
- juhtahelaga emitterid (sisseehitatud generaatoriga) - märguandjad.

Selleks, et esimest tüüpi muundurid tekitaksid helisid, on vaja genereeritud juhtsignaale (konkreetse anduri mudeli jaoks määratud teatud sagedusega siinus- või ruutlaine). Sisseehitatud generaatoriga emitterid nõuavad ainult teatud pingetaseme rakendamist. Selliseid seadmeid toodetakse nimipingetele 1 kuni 250 V (DC ja AC).

Näiteks piesokeraamiline kell (piesosummer) ZP-1 (joonis 4)koosneb kahest piesoplokist, millest kummagi membraan on valmistatud madala plaadi kujul, mille välisläbimõõt on 32 mm. Plaadid on virnastatud vastamisi ja joodetud piki välispiiret. Piesoelektrilised elemendid kellas on lülitatud nii, et vahelduvpinge rakendamisel plaatide pinnad kas koonduvad või lahknevad, s.t. kella mõlemal küljel moodustuvad kokkusurumise ja harvendamise tsoonid. Kõne resonantssagedus on 2 kHz.

Riis. viis

See tekitab 75 dB helirõhu 1 m kaugusel resonantssagedusel 10 V. See kell kiirgab helilaineid võrdselt mõlemasse poolruumi. Tabel 1on antud teiste piesoelektriliste emitterite parameetrid, välimus mis on näidatud joonisel 5. Joonisel 6 on toodud piesoelektriliste elementide amplituud-sageduskarakteristikud: PVA-1- joonis 6a ja ZP-5 - joonis 6b.

Tabel 1 pieso emitterite omadused

Märge: * - mõeldud töötama isevõnkuvas režiimis.

Riis. 6, piesoelektriliste elementide amplituud-sageduskarakteristikud

A.Kaškarov