Мэдлэгийн санд сайн ажлаа илгээх нь энгийн зүйл юм. Доорх маягтыг ашиглана уу

Мэдлэгийн баазыг хичээл, ажилдаа ашигладаг оюутнууд, аспирантууд, залуу эрдэмтэд танд маш их талархах болно.

Нийтэлсэн http://www.allbest.ru/

Ерөнхий яам болон Мэргэжлийн боловсролСвердловск муж

ХяналтВерхняя Салда хотын дүүргийн формацууд

Хотын захиргаа боловсролын байгууллага 2-р дунд сургуультай хамт гүнзгийрүүлсэн судалгаафизик, математик, орос хэл, уран зохиол"

судалгааны ажил

(шинжлэх ухаан, техникийн чиглэл)

Пьезоэлектрик эффект: үр дүнтэй эсвэл үр дүнтэй юу?

Зураач: Ionkin Alexander

2-р сургуулийн 11-р ангийн сурагч

Дарга: Шевчук Любовь Александровна

Физикийн багш, дээд зэрэглэлийн

Дээд Салда 2008

Танилцуулга

"Нууцын мэдрэмж бол хамгийн үзэсгэлэнтэй юм

бидэнд байгаа туршлага. Яг энэ

мэдрэмж жинхэнэ урлагийн өлгий дээр байдаг

мөн жинхэнэ шинжлэх ухаан.

Альберт Эйнштейн

Ер бусын, ер бусын физик үү? Үүнд ер бусын эсвэл гайхмаар зүйл юу байж болох вэ? Мэдээжийн хэрэг, физикчид физикийг сэтгэл хөдөлгөм шинжлэх ухаан гэж үздэг ч энэ нь тэдний амьдралын ажил учраас тэр юм. Шинэ атомын доорх бөөмсийг нээх, эсвэл танил үзэгдлийг тайлбарлах шинэ аргыг олох нь асар их ажил байж болно. Гэсэн хэдий ч өчүүхэн боловч сэтгэл ханамжтай сэтгэлийн хөөрөл нь бидний эргэн тойрон дахь өдөр тутмын байгалийн үзэгдлийг ажиглаж, ойлгоход хүргэдэг. Эцсийн эцэст, хэрэв та тэдгээрийн мөн чанарыг ойлгож байгаа бол дууны бичлэг, алсын мэдрэгч, асаагууртай ажиллах нь илүү сонирхолтой юм. Өдөр тутмын үзэгдлүүдийг тайлбарлах физикийн амжилт нь үнэхээр гайхалтай, гайхалтай юм.

Бид 21-р зуун, шинэ технологийн зуунд амьдарч байна. Амьдрал зогсохгүй. Шинжлэх ухаан, технологи, үйлдвэрлэл, технологи хөгжиж, хаа сайгүй тодорхой үйл явцын хамгийн сүүлийн үеийн арга барилыг ашигладаг. Аль хэдийн мэдэгдэж байсан, удаан хугацааны туршид хэн нэгний олж илрүүлсэн үзэгдлүүд шинэ хэрэглээгээ олж, дахин төрж, шинжлэх ухаан, технологийн зэргэлдээх салбарт - архитектур, барилга, харилцаа холбоо гэх мэт хэрэглээг олж авдаг.

Тиймээс пьезоэлектрик эффект нь хамгийн өргөн хэрэглээг олдог. Тэр ч байтугай надад нуугдмал нөөц, илрээгүй газар нутаг, хэрэглэх чиглэл зөндөө хэвээр байгаа юм шиг санагдаж байна.

Энэ хичээлийн жилд би "Пьезоэлектрик эффект: үр дүнтэй эсвэл үр дүнтэй юу?" Шинжлэх ухаан, техникийн чиглэлээр судалгааны төсөл дээрээ ажиллаж эхэлсэн.

Төсөл дээр ажиллахдаа би хүний ​​амьдралын янз бүрийн салбарт пьезоэлектрик эффектийг ашиглах боломжийг олж мэдэх зорилго тавьсан.

Би өөрийнхөө хувьд дараах ажлуудыг тодорхойлсон.

Пьезоэлектрик эффектийн үзэгдлийн нээлт, судалгааны түүхтэй танилцах;

Пьезоэлектрик эффектийн онолыг авч үзье;

Пьезоэлектрик эффектийн хамрах хүрээтэй танилцах;

Пьезоэлектрик шууд ба урвуу нөлөөг харуулах туршилтыг хийж, шууд пьезоэлектрик эффектийн үед үүсэх хүчдэлийн утгыг тодорхойлох аргыг санал болгоно.

пьезоэлектрик хүчдэлийн нөлөө

Пьезоэлектрик эффектийн нээлт, судалгааны түүх

Пьезоэлектрик эффектийг 1880 онд ах дүү Пьер, Жак Кюри нар нээсэн. Хэрэв зарим диэлектрикийн талстууд (Рошель давс, кварц гэх мэт) механик үйлчлэл, шахалтанд өртвөл тэдгээрийн гадаргуу дээр эсрэг тэмдэгтэй цахилгаан цэнэгүүд гарч ирдэг, эсвэл одоогийн хэлснээр болор дээр өдөөгдсөн туйлшрал үүсдэг болохыг тэд олж мэдэв. , энэ нь болор доторх гадаад болон цахилгаан орон үүсгэдэг. Энэ үзэгдлийг - даралтын үр дүнд цахилгаан орон үүсэхийг шууд пьезоэлектрик эффект гэж нэрлэдэг.

Энэ нээлт санамсаргүй байсан уу, эсвэл шинжлэх ухааны таамаглалаас өмнө гарсан уу? Кристал бүтэцтэй хатуу диэлектрикүүдийн цахилгаан шинж чанарыг судлахдаа Пьер Кюри маш ерөнхий зарчмыг томъёолсон бөгөөд үүнийг одоо Кюри зарчим гэж нэрлэдэг. Үүний утга нь дараах байдалтай байна: үзэгдэл нь тэдгээрийг үүсгэсэн шалтгаан нь тэгш хэмийн бүх шинж тэмдгүүдтэй байдаг; үзэгдлийн тэгш бус байдал нь шалтгааны тэгш бус байдлаас урьдчилан тодорхойлогддог. Эсрэг тэмдэгттэй ионууд болор торны оройд байрладаг тул аливаа хэлбэрийн талстуудын нийт цэнэг тэг байна. Гэхдээ эерэг ба сөрөг цэнэгийн төвүүд давхцахгүй бол болорын диполь момент тэгээс ялгаатай бөгөөд туйлшралтай байна. Тиймээс, хэрэв деформацгүй төлөвт байгаа болорын диполь момент тэг байвал механик нөлөөллийн дор талст деформацийн үр дүнд эерэг ба сөрөг ионуудын төвүүд хоорондоо харьцангуй шилжиж, эсрэг тэмдэгтийн цэнэгүүд гарч ирдэг. болорын гадаргуу дээр. Ийм шилжилтийн боломж нь болорын тэгш хэм (хэлбэр) -ээс хамаарна.

Томъёолсон зарчим ба бүлгийн онол нь пьезоэлектрик нөлөө бүхий талстуудын ангиллыг ялгах боломжийг олгосон. Урвуу пьезоэлектрик эффект нь шууд пьезоэлектрик нөлөө бүхий чөлөөт талстууд нь цахилгаан талбайн нөлөөн дор деформацид ордог. Удалгүй ах дүү Кюри урвуу пьезоэлектрик эффектийг туршилтаар баталжээ.

Рошелийн давсны талст дахь цэнэгийн хэмжээ ба даралтын хоорондын хамаарлыг тогтоох анхны тоон хэмжилтийг 1894 онд Покеллс хийжээ.

Эдгээр тоон хамаарлыг 1910 онд Германы эрдэмтэн Фойгт математикийн хэлбэрт оруулжээ. 1928 онд тэрээр өмнөх үеийн пьезоэлектрикийн чиглэлээр хуримтлагдсан мэдлэгийг нэгтгэн харуулсан эдгээр харилцааны нэлээд бүрэн системийг өгсөн. Voigt-ийн олж авсан харилцаа нь цахилгаан уян хатан байдлын математик загварыг бий болгоход үндэс суурь болдог.

Нэн даруй пьезоэлектрик эффект нь бичлэг хийх, үйлдвэрлэлд - хяналт, удирдлагын системийн олон тооны пьезоэлектрик мэдрэгчүүдэд өргөн хэрэглэгддэг.

1930-аад оны дунд үеэс радарын системд пьезоэлектрик элементүүдийг ашиглаж эхэлсэн: байгалийн кварцаар хийсэн тусгай резонаторууд болон шүүлтүүрүүд нь зорилтот цэгээс туссан радио долгионыг өргөн хүрээнээс тусгаарлаж, өсгөсөн. Эдгээр төхөөрөмжүүдэд урвуу пьезоэлектрик эффектийн зарчим аль хэдийн ажиллаж байсан: пьезоэлектрик дээр цахилгаан гүйдэл хэрэглэх үед болор гажиг үүсч, дотор нь хэлбэлзэл үүсч, давтамжийн шүүлтүүрээр дамждаг долгионтой цуурайтаж байв. Дэлхийн 2-р дайны үед кварцын пьезоэлектрик дээр суурилсан британичуудын бүтээсэн агаарын довтолгооноос хамгаалах систем нь Германы нисэх онгоцыг алс хол ойртох үед илрүүлж, дайснаа гайхшруулах давуу талыг алдсан. Люфтваффын хүчээр Их Британийг ялах Герингийн төлөвлөгөө бүтэлгүйтсэн нь голлон нөлөөлсөн юм.

1950-1960-аад онд нисэх онгоц, пуужингийн шинжлэх ухааны хөгжил нь агаарын болон газар дээрх навигаци, радарын системд илүү нарийвчлалтай багаж хэрэгслийг олноор үйлдвэрлэхийг шаарддаг. Маш цөөн тооны тохиромжтой (бүтцийн согоггүй) байгалийн кварц олборлосон. Жинхэнэ пьезотехникийн тэсрэлт 50-аад оны дунд үеэс эхэлсэн бөгөөд тэд хиймэл кварцын болорыг хэрхэн ургуулахыг сурч мэдсэн үед - ЗХУ-ын ШУА-ийн Шубниковын Кристаллографийн хүрээлэнгийн ажилтан Александр Штенберг (IKAN) анх удаа амжилтанд хүрсэн.

Лангасит бол ирээдүйтэй пьезоэлектрик материал юм

1983 онд Москвагийн Улсын Их Сургуулийн Физикийн тэнхим болон Кристаллографийн хүрээлэнгийн Зөвлөлтийн хэсэг эрдэмтэд лангазитын анхны талстыг (лантан галлийн силикат - La 3 Ga 5 SiO 14) ургуулсан. Эхэндээ үүнийг хувьсах цацрагийн давтамжтай хатуу төлөвт лазерын идэвхтэй элемент болгон ашиглахаар төлөвлөж байсан бөгөөд материалын зарим параметрүүд нь шугаман бус оптикийн мэргэжилтнүүдэд тохирохгүй байв. Нөгөөтэйгүүр, түүний пьезоэлектрик чанар нь маш ирээдүйтэй болж, тэр үед төсөөлшгүй хугацаанд буюу нээлтээс хойш хоёр жилийн дараа Подольскийн туршилтын химийн үйлдвэрийн хэд хэдэн растер нэгжид лангазитын талстыг үйлдвэрлэж эхэлсэн (кураторууд). MISiS болон IKAN)-ийн талстографийн тэнхимийн мэргэжилтнүүд байв. Үүний зэрэгцээ нийслэлийн Пьезо аж ахуйн нэгжээс саяхан гарсан пьезотехникийн хөгжлийн тэргүүлэгч институт Фонон-д пуужингийн чиглүүлэгч толгойн лангазит төхөөрөмж боловсруулах үүрэг өгсөн.

Лангасит нь кварцтай харьцуулахад илүү өргөн дамжуулагчтай, мөн литийн танталат, ниобатаас ялгаатай нь температурын тогтвортой байдалтай байсантай холбоотой. Зурвасын өргөн нь үндсэн долгионыг дагалддаг давтамжийн спектрээр тодорхойлогддог бөгөөд завсрын давтамж өсгөгч дэх ашигтай дохионы зурвасын өргөн хэдий чинээ өргөн байх тусам дамжуулагч радио төхөөрөмж боловсруулж чадах тоон мэдээллийн хэмжээ их байх ба үүний дагуу илүү нарийвчлалтай өгдөг. хурдан нисдэг байны координатууд. Бяцхан өргөн зурвасын шүүлтүүрийн ач холбогдлыг, жишээлбэл, үүрэн холбооны тухай ярихад бараг үнэлж баршгүй. Жишээлбэл, одоо өргөн тархсан GSM стандарт (дуут болон суурин зураг) ажиллахын тулд ердөө 200 кГц зурвасын өргөнийг шаарддаг бөгөөд W-CDMA нь видеог бодит цаг хугацаанд дамжуулах боломжийг олгодог тул дэлхий даяар дараагийн үеийн стандарт болох төлөвтэй байна. , 5 МГц-ээс дээш өргөн зурвасын өргөнийг шаарддаг. Өөрөөр хэлбэл, 2 GHz-ийн үндсэн долгионы давтамжтай үед шүүлтүүрийн зурвасын өргөн нь 0.3% -иас их байх ёстой. Кварцын хувьд дамжуулах өргөний индекс нь үндсэн долгионы давтамжаас хамаарч 0.1х0.3%, лангазитын хувьд 0.3-1% байна.

Өнөөдрийг хүртэл Орос Францын Temex Microsonics компанитай гэрээ байгуулаад байна. Гурван жилийн дотор Европын инновацийн Эврика хөтөлбөрийн хүрээнд тэдний хамтарсан төсөлд 3 сая орчим еврогийн хөрөнгө оруулалт хийнэ. 2 сая гаруйг Францын тал, тэр дундаа Францын засгийн газар, 200 мянга гаруйг Бортник сангаас, 700 мянга орчимыг Фомос өөрийн хөрөнгөөс гаргах юм. Үр дүнд нь Оросын компаниЕвропын зах зээлд шинэ пьезоэлектрик (Грекийн пьезо - би дардаг) материалаар гарах бөгөөд Temex Microsonics нь үүнээс илүү өргөн тархах зорилгоор шүүлтүүрийн цуврал үйлдвэрлэлийг зохион байгуулах болно. хөдөлгөөнт системшинэ үе (W-CDMA стандарт).

Пьезоэлектрик эффектийн физик онол

Диэлектрик (Грек хэлээр. диа- дамжуулан, дамжуулан, англиар. цахилгаан- цахилгаан) нь цахилгаан гүйдэл дамжуулдаггүй бодис юм. Үүний шалтгаан нь диэлектрик дэх чөлөөт цэнэг байхгүй байна. Диэлектрикийн молекул, атом дахь эерэг ба сөрөг цэнэгүүд нь Кулоны хүчээр бие биетэйгээ холбогддог бөгөөд эдгээр цэнэгүүдэд гадны цахилгаан орон ажиллах хүчнээс хамаагүй их байдаг. Энэ нь тэдгээрийг салгаж чадахгүй, харин зөвхөн молекулын хэмжээсийн дарааллаар (10-10 м) зайд шилжүүлж чаддаг. Тиймээс диэлектрик молекулуудын эерэг ба сөрөг цэнэгүүд хоорондоо холбогддог. Тэд гадны цахилгаан орон руу нэвтэрсэн диэлектрикийн дагуу чөлөөтэй хөдөлж чадахгүй.

Бодисын молекулуудад молекулын электрон бүрхүүлийн нийт цэнэг түүний эзлэхүүнд тархсан тохиолдолд энэ молекулын бүх сөрөг цэнэгүүд эерэг цэнэгүүдэд ижил нөлөө үзүүлэх цэгийг зааж өгч болно.

Энэ цэгийг молекулын сөрөг цэнэгийн хүндийн төв гэж нэрлэдэг. Үүний нэгэн адил эерэг цэнэгийн хүндийн төвийг зааж өгч болно, жишээлбэл. молекулын нийт эерэг цэнэг сөрөг цэнэгүүдэд молекулын бүх эерэг цэнэгтэй ижил нөлөө үзүүлэх цэг.

Молекулуудад эерэг ба сөрөг цэнэгийн хүндийн төвүүд нь гадаад цахилгаан орон байхгүй үед нийлдэг диэлектрикүүдийг туйл биш диэлектрик гэж нэрлэдэг. Ийм диэлектрикийн жишээ нь хий байж болно: устөрөгч, азот, хүчилтөрөгч. Молекулуудад эерэг ба сөрөг цэнэгийн хүндийн төвүүд нь орон зайн хувьд тусгаарлагдсан, гаднах цахилгаан орон байхгүй тохиолдолд диэлектрикүүдийг туйл гэж нэрлэдэг. Мөсөн молекулууд нь туйлын молекулуудын жишээ болдог.

Цахилгаан орны нөлөөн дор диэлектрикийн молекул, атом дахь цэнэгүүдийг эсрэг чиглэлд шилжүүлж, үүний үр дүнд диэлектрикийн гадаргуу дээр нөхөн олгогдоогүй хязгаарлагдмал цэнэгүүд гарч ирэхийг диэлектрикийн туйлшрал гэж нэрлэдэг.

Нэг төрлийн ба изотопын хатуу аморф диэлектрик, түүнчлэн шингэн ба хийн диэлектрикүүдэд гаднах цахилгаан орон байхгүй үед бие даасан молекулуудын диполь моментуудын буруу чиглэлээс шалтгаалан туйлшрал үргэлж байдаггүй. Хэрэв ийм туйлширсан диэлектрикийг гадаад цахилгаан талбараас салгавал молекулуудад үргэлж байдаг дулааны эмх замбараагүй хөдөлгөөн нь түүний гадаргуу дээрх холбогдсон цэнэгийг хурдан арилгах бөгөөд энэ тохиолдолд диэлектрикийн нэгж эзэлхүүний нийт диполь момент тэнцүү болно. тэг хүртэл, өөрөөр хэлбэл туйлшрал арилна.

Гэсэн хэдий ч байгальд талст диэлектрикүүд байдаг бөгөөд тэдгээрийн молекулууд нь гадны цахилгаан орон байхгүй байсан ч аяндаа (аяндаа) туйлшрах бүлгүүдийг үүсгэдэг. Эдгээр бүлгүүд нь зөвхөн туйлын молекулуудаас үүсэх боломжтой нь тодорхой юм. Ийм бүлэг молекулуудыг домэйн гэж нэрлэдэг. Доменийг бүрдүүлдэг молекулуудын зан төлөвийг квант механикийн хуулиар тайлбарладаг.

Домен бүтэцтэй диэлектрикийг ферроэлектрик гэж нэрлэдэг. Энэ нэр нь "Рошель давс" гэсэн үгнээс гаралтай - хамгийн ердийн ферроэлектрик бөгөөд энэ нь эргээд энэ бодисыг анх нийлэгжүүлсэн Францын эм зүйч E. Segnette нэрээр нэрлэгдсэн юм.

Бүх төмөр цахилгаанууд болорууд юм.

Гадны цахилгаан талбарт туйлшраагүй ферроэлектрикийн талстыг байрлуулж, энэ талбайн хүч нэмэгдэхэд молекулуудын дулааны буруу чиг баримжаатай хөдөлгөөнөөс сэргийлж, талбайн дагуу доменууд улам бүр чиглэж эхэлнэ.

Зураг 1 Гадаад талбар дахь төмөр цахилгаан

Хангалттай том эрч хүч хүрэх үед бүх талст домэйнууд талбайн дагуу чиглэнэ. Диэлектрикийн ийм төлөвийг ханалт гэж нэрлэдэг ба харгалзах хурцадмал байдлыг ханалтын хүчдэл гэж нэрлэдэг.

Хэрэв та диэлектрикийг цахилгаан талбараас салгавал энэ нь туйлшралыг хадгалах болно.

Гадны цахилгаан орон байхгүй байсан ч туйлшралыг хадгалах чадвар нь хамгийн их байдаг гол онцлогЭнэ нь ферроэлектрикийг бусад диэлектрикээс ялгадаг.

Төмрийн цахилгааныг деполяризаци хийхийн тулд түүнийг анхныхаас эсрэг чиглэлтэй цахилгаан талбарт байрлуулах шаардлагатай.

Одоогийн байдлаар хэдэн зуун ферроэлектрикийг мэддэг. Тэдгээрийг бусад диэлектрикүүдээс ялгаж буй хоёр дахь чухал шинж чанар нь бие даасан төмөр цахилгааны хувьд хэдэн мянгад хүрдэг харьцангуй нэвтрүүлэх чадварын туйлын өндөр утга байдаг бол бусад диэлектрикийн хувьд энэ нь арав орчим хэлбэлзэж, зөвхөн усны хувьд 81 хүрдэг. Харьцангуй нэвтрүүлэх чадвар нь гадаад цахилгаан орны хүчнээс хамаарах бөгөөд бусад диэлектрикүүдийн хувьд энэ нь тогтмол байдаг.

Бүх төмөр цахилгаанууд нь зөвхөн тодорхой температурын хязгаарт ийм гайхалтай шинж чанартай байдаг. Жишээлбэл, Рошель давс нь зөвхөн -15 0 С ба 22.5 0 С-ийн температурын мужид домайн бүтэцтэй байдаг. Бусад температурт энэ нь энгийн диэлектрик шиг ажилладаг. Жишээлбэл, кварцын хувьд 200 градусын температурт пьезоэлектрик шинж чанар нь бага зэрэг өөрчлөгдөж, дараа нь 576 градусын температурт аажмаар суларч эхэлдэг. 576 градусын температурт кварцын болор торыг дахин зохион байгуулж, үүний үр дүнд пьезоэлектрик шинж чанар нь алга болдог. Температур буурах тусам кварцын шинж чанар нь эсрэг чиглэлд өөрчлөгддөг.

Диэлектрик ферроэлектрик болж хувирах эдгээр шилжилтийн температурыг энэ үзэгдлийг нээсэн ах дүү Пьер, Жолиот Кюри нарын нэрээр Кюри цэг гэж нэрлэдэг.

Ихэнх диэлектрикийн хувьд туйлшрал нь гадны цахилгаан орны нөлөөн дор, пьезоэлектрикийн хувьд механик үйл ажиллагааны үр дүнд, жишээлбэл, шахалт эсвэл хурцадмал байдлын үед үүсдэг.

Уртааш ба хөндлөн пьезоэлектрик эффектүүд байдаг.

Туйлын тэнхлэгт перпендикуляр нүүрэн дээрх цэнэгийн харагдах байдал, энэ тэнхлэгийн дагуу талст жигд хэв гажилтыг уртааш пьезоэлектрик эффект гэж нэрлэдэг. Гэсэн хэдий ч болорыг туйлын тэнхлэгт перпендикуляр шахах буюу сунгах замаар ижил нүүрэн дээр цэнэгийн харагдах байдлыг үүсгэж болно, хэрэв талстыг туйлын тэнхлэгийн дагуу сунгасан эсвэл шахаж байгаа бол. Энэ үзэгдлийг хөндлөн пьезоэлектрик эффект гэж нэрлэдэг. Түүний оршихуй нь хатуу биетийн уртааш ба хөндлөн хэв гажилтын хоорондын хамаарлаар тодорхойлогддог.

Зураг 2 Уртааш (a) ба хөндлөн (б) пьезоэлектрик нөлөө

Пьезоэлектрик нь бүгд ферроэлектрик, түүнчлэн кварц, зарим төрлийн керамик зэрэг бусад диэлектрикүүд юм.

Зөвхөн ионы талстууд пьезоэлектрик шинж чанартай байж болно. Пьезоэлектрик эффект нь гадны хүчний нөлөөн дор эерэг ионы талст дэд тор нь сөрөг ионуудын талст дэд торноос өөрөөр гажигтай үед үүсдэг. Үүний үр дүнд эерэг ба сөрөг ионуудын харьцангуй шилжилт үүсч, талст туйлшрал, гадаргуугийн цэнэг үүсэхэд хүргэдэг. Эхний ойролцоолсон туйлшрал нь хэв гажилттай шууд пропорциональ бөгөөд энэ нь эргээд хүчтэй шууд пропорциональ байна. Тиймээс туйлшрал нь хэрэглэсэн хүчтэй шууд пропорциональ байна. Деформацитай диэлектрикийн эсрэг цэнэгтэй гадаргуугийн хооронд боломжит ялгаа үүсч, хэмжиж болох ба түүний утгын дагуу деформацийн хэмжээ ба хэрэглэсэн хүчний талаар дүгнэлт хийж болно.

Хатуу диэлектрикүүдийн туйлшралын физик дүр зургийг квант механикаар илрүүлдэг. Би зөвхөн туйлшралын албан ёсны онолыг авч үзэх болно.

Пьезоэлектрикууд нь эерэг ба сөрөг ионуудын тортой талстууд бөгөөд тэдгээр нь тодорхой чиглэлд хэв гажилтанд орох үед деформацийн хүчний чиглэлд перпендикуляр нүүрэн дээр гадаргуутай холбоотой цэнэгүүд үүсдэг.

Зураг 3 Кварцын тор

Хэрэв эдгээр нүүрийг металл хавтангаар хангасан бол тэдгээрийн гаднах гадаргуу дээр бэхлэгдсэнтэй ижил тэмдэг бүхий өдөөгдсөн чөлөөт цэнэгүүд гарч ирнэ. Хавтануудын хооронд боломжит ялгаа бий болно.

Сонгодог (ба практик чухал) пьезоэлектрик бол кварц (SiO 2) юм. Түүний болор торны нэгж эс нь цахиур (эерэг) ба хүчилтөрөгч (сөрөг) ионуудаас бүрдэх гурван молекулыг агуулдаг. Тэдгээрийг 3-р зурагт схемээр үзүүлэв. а(хэв гажиггүй болор): эерэг ионууд нь цоорсон тойрог, сөрөг ионууд нь цагаан өнгөтэй байна.

Кристалыг X 1 чиглэлд шахах үед эсийн тэгш хэм алдагдана (Зураг 3, b). Болорын дээд нүүрэн дээр хязгаарлагдмал сөрөг цэнэг гарч ирэх ба доод нүүрэнд мөн адил эерэг цэнэг гарч ирнэ. Сунгах үед (Зураг 3, в) цэнэгийн тэмдгүүд эсрэгээрээ өөрчлөгддөг.

Жижиг харьцангуй хэв гажилтын гадаргуугийн цэнэгийн нягт нь болор дахь механик стресстэй пропорциональ байна.

Энэ хамаарлыг шууд пьезоэлектрик эффектийн тэгшитгэл гэж нэрлэдэг.

Пропорциональ коэффициент - пьезоэлектрик модуль г- Ньютон тутамд кулоноор илэрхийлэгдэнэ (Cl H -1). Кварцын хувьд

г\u003d 2 10 -12 C / N.

Урвуу пьезоэлектрик эффектийг авч үзье: болор дээр цахилгаан хүчдэл өгөхөд энэ нь деформацид ордог бөгөөд деформацийн тэмдэг нь гадаад электростатик талбайн чиглэлээс хамаарна.

Зураг 4 Шууд (a, b) ба урвуу (c, d) пьезоэлектрик нөлөөллийн бүдүүвч зураг. F ба E сумнууд нь гадны нөлөөллийг харуулдаг - механик хүч ба цахилгаан талбайн хүч. Тасархай шугамууд нь гаднах үйл ажиллагааны өмнөх пьезоэлектрикийн контурыг, хатуу шугамууд нь пьезоэлектрикийн хэв гажилтын контурыг харуулдаг (тодорхой байхын тулд тэдгээрийг олон дахин томруулсан); P - туйлшралын вектор

Кристалд механик стресс =10 4 Па бий болно. Энэ тохиолдолд үүссэн цэнэгийн нягтрал нь байх болно

2 10 -8 С / м 2

ба болор (=4.5)-д хүч чадал бүхий цахилгаан статик орон үүсдэг

Кристал зузаантай h\u003d Нүүрний хавтан дээр 10 -2 м зайд 5 В-ын боломжит зөрүү гарч ирнэ.

Хувьсах цахилгаан хүчдэлийг пьезоэлектрик дээр хэрэглэх үед энэ нь албадан механик чичиргээнд ордог. Резонансын үед (мөн хавтан нь өөрийн давтамжтай бөгөөд энэ нь болорын зузаантай урвуу хамааралтай) хэлбэлзлийн далайц огцом нэмэгддэг. Хэрэв болорыг акустик эсэргүүцэл нь болорын акустик эсэргүүцэлээс тийм ч их ялгаатай биш шингэнд дүрвэл шингэнд хүчтэй механик долгион үүснэ. Шингэн дэх долгионы урт нь бага байдаг хэт авианы давтамжийг ихэвчлэн ашигладаг - энэ нь мэдэгдэхүйц шингээлтгүйгээр тархдаг долгионыг олж авах боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь практик сонирхол татдаг.

Хэт авианы долгионыг хатуу биед (жишээлбэл, металл цутгамал) үүсгэж болно, долгион нь мэдэгдэхүйц шингээлтгүйгээр тархдаг. Гэхдээ цутгамал үйлдвэрлэх явцад санамсаргүй байдлаар үүссэн метал дотор хөндий байгаа бол долгион нь түүн дээр тархах болно. Тиймээс металыг хэт авианы долгионоор шалгаснаар түүнийг устгахгүйгээр дотоод согогийг олох боломжтой.

Хэт авианы долгионы үед хурдатгал нь маш том байдаг - далайцтай x м \u003d 10 -6 м, давтамж \u003d 10 5 Гц байдаг тул хурдатгалын далайц нь

4 10 5 м/с 2 =4 10 4 г,

Дараа нь хэт авианы долгионыг металл биетийн гадаргууг цэвэрлэх (шингэн дотор дүрэх), эмульс (нэг шингэний дуслын суспенз, өөр шингэнд уусдаггүй) болон бусад олон практик хэрэглээг бий болгоход ашигладаг.

Пьезоэлектрик эффектээс үүссэн өндөр хүчдэлийн утгыг хэрхэн хэмжих вэ?

Пьезоэлектрик элемент нь пьезо асаагуурын гол хэсэг юм. Тиймээс би бүх туршилтаа пьезо асаагуур ашиглан хийсэн. Тохиромжтой ашиглахын тулд би хуванцар хайрцагнаас хоёр утас гаргаж авсан.

Шууд пьезоэлектрик эффектийг харуулахдаа гаралтын хүчдэлийг тодорхойлохын тулд би асаагуураас нэг утсыг үзүүлэнгийн электрометрийн хайрцагт, нөгөөг нь электрометрийн бариултай холбосон. Асаагуурын товчлуурыг зөөлөн дарахад цахилгаан тоолуурын сум хазайж эхэлнэ. Гэхдээ би цахилгаан хэмжигч ашиглан хамгийн их хүчдэлийн утгыг тодорхойлж чадаагүй, учир нь төхөөрөмжийн сум нь масштабаас хэтэрсэн (электрометрийн хуваалтын утга нь ойролцоогоор 300 В гэдгийг бид мэднэ).

Үүссэн хүчдэл ямар хязгаарт багтаж байгааг би тодорхойлохыг хичээх болно. Үүнийг хийхийн тулд бид флюресцент ламптай туршилт хийх болно. Би чийдэнгийн хэлхээнээс стартерыг устгаад сүлжээнд холбогдсон чийдэнг асаахыг оролдоно. Дэнлүү асахгүй байна. Дэнлүүнд бие даасан цэнэгийг ажиглахын тулд арван киловольтын потенциалын зөрүүтэй байх шаардлагатай. Би асаагуурын оронд пьезоэлектрик элементийн тусламжтайгаар ийм нөхцлийг бүрдүүлэхийг хичээх болно. Бид пьезо асаагуурын терминалуудын нэгийг чийдэнгийн электродуудын аль нэгэнд, нөгөөг нь чийдэнгийн шилэн гадаргуу дээр ороосон утсанд холбодог. Пьезо асаагуурын товчлуурыг дарахад чийдэн асна.

Асаагуурын гаралтын хүчдэлийг илүү нарийвчлалтай тодорхойлохын тулд би үзүүлэнгийн хуваарийг ашигласан. Би нэг жингийн ёроолд дөрвөлжин металл тугалган цаас нааж, маш нимгэн утас ашиглан асаагуурын нэг контакттай холбосон. Дараа нь металлжуулсан аягыг эргүүлж, жинлүүр дээр тавив. Энэ аяганы орой дээр би өөр дөрвөлжин тугалган цаас тавьж (би жингийн загварыг ашигласан) асаагуурын хоёр дахь контакттай холбосон. Хоёр металл тугалган хавтан нь хавтгай конденсатор үүсгэдэг. Би жинлүүрийг жингээр тэнцвэржүүлсэн.

Та асаагуурыг зөөлөн дарахад ялтсуудын хооронд цахилгаан татах хүч үүсч, жин нь тэнцвэргүй болно. Жинлүүрийн сумны хазайлтаар би тэнцвэрийг сэргээхэд шаардлагатай жингийн массыг тодорхойлдог. Тиймээс би ялтсуудын хоорондох хүчний хамгийн их утгыг хэмжиж, хүчдэлийг тооцоолж чадна. Би 3 туршилт хийсэн бөгөөд үүнд S = 1.21 10 -2 м 2 талбай бүхий хавтанг ашигласан, тэдгээрийн хоорондох зайг 2 10 -2 м, туршилтын дундаж утга нь м = 7 10 байсан. - 4 кг.

Үүнийг мэдсээр байж

Хүчдэлийг тооцоолохдоо олж авсан томъёо 1-ийг ашиглан би дараах үр дүнг авсан

Пьезо асаагуурын гаралтын хүчдэлийг хэмжих туршилт хийхдээ би урвуу пьезоэлектрик эффектийг бас ажигласан. Тиймээс конденсаторын ялтсуудыг богино залгааны тусламжтайгаар цэнэглэж байх үед конденсаторыг цэнэглэх явцад хэв гажилтын улмаас пьезоэлектрик элементийн товшилтыг сонссон.

Пьезоэлектрик эффектийн хэрэглээ

Пьезоэлектрик эффектийн үндсэн хэрэглээ: - механик болон цахилгаан чичиргээг харилцан хувиргах - давтамж мэдрэгч, мэдрэгч ба хэт авианы чичиргээний эх үүсвэр, пикап, даралт хэмжигч гэх мэт, учир нь пьезоэлектрик нь урвуу цахилгаан механик хувиргагч, өөрөөр хэлбэл механик энергийг хувиргах чадвартай байдаг. цахилгаан энерги ба эсрэгээр цахилгаан энерги механик энерги болж хувирдаг. Шууд пьезоэлектрик эффектийг ашиглахад үндэслэсэн хөрвүүлэгчийг генератор хувиргагч гэж нэрлэдэг; Тэд механик оролт ба цахилгаан гаралттай.

Урвуу пьезоэлектрик эффектийг ашиглахад үндэслэсэн хөрвүүлэгчийг мотор хөрвүүлэгч гэж нэрлэдэг; Тэд цахилгаан оролт ба механик гаралттай. Шууд ба урвуу нөлөөг хоёуланг нь ашиглахад суурилсан олон пьезоэлектрик төхөөрөмж байдаг. Шууд эффектийг жишээ нь микрофон, дууны пикап, механик хүч, нүүлгэн шилжүүлэлт, хурдатгал мэдрэгч, гэр ахуйн хийн асаагуур гэх мэт ашигладаг. Урвуу нөлөө нь утас, чанга яригч, хэт авианы ялгаруулагч, реле, мотор гэх мэт.

Пьезоэлектрик хувиргагч - пьезоэлектрик трансформаторыг (пьезотрансформатор гэж товчилно) мэддэг бөгөөд практик хэрэглээг олсон. Схемийн хувьд пьезотрансформаторын төхөөрөмжийг Зураг 5-д үзүүлсэн бөгөөд энэ нь зөвхөн цахилгаан оролт гаралт бүхий дөрвөн терминалын сүлжээ хэлбэртэй пьезоэлектрик хувиргагч гэдгийг тайлбарлав.

Зураг 5 Пьезотрансформатор

Пьезотрансформаторын үйлдэл нь шууд ба урвуу пьезоэлектрик нөлөөг ашиглахад суурилдаг. Урвуу пьезоэлектрик эффектийн үр дүнд пьезотрансформаторын оролтын электродуудад хэрэглэсэн цахилгаан хүчдэл нь пьезоэлектрик материалын бүх эзэлхүүний хэв гажилтыг үүсгэдэг бөгөөд шууд пьезоэлектрикийн үр дүнд гаралтын электродууд дээр цахилгаан (хоёрдогч) хүчдэл гарч ирдэг. нөлөө. Пьезотрансформаторт энергийн давхар хувирал байдаг - цахилгааныг механик болгон, дараа нь механикыг цахилгаан болгон хувиргадаг. Цахилгаан соронзон трансформаторын нэгэн адил пьезотрансформаторыг цахилгаан хүчдэлийг хувиргахад ашигладаг. Электродуудын хэмжээ, тэдгээрийн байршлыг сонгосноор та хувиргах харьцааны өөр өөр утгыг авах боломжтой. Пьезотрансформаторыг ихэвчлэн резонансын горимд ашигладаг бөгөөд энэ нь хувиргах харьцааны том утгыг (хэдэн зуун дарааллаар) олж авдаг. Пьезотрансформаторыг өндөр хүчдэлийн хоёрдогч тэжээлийн хангамжид ашигладаг.

Пьезоэлектрик элемент нь үндсэн талстографийн тэнхлэгтэй (эсвэл дамжуулагч хавтан (электрод) бүхий пьезокерамикийн хувьд туйлшралын чиглэл) -тэй харьцуулахад тодорхой хэмжээс, геометрийн хэлбэр, чиглэлтэй пьезоэлектрик бие юм.

Зураг 6 Пьезоэлектрик элемент: 1 - пьезоэлектрик хавтан; 2 - хавтангийн ирмэг дээр байрлуулсан дамжуулагч материалаар хийсэн электродууд

Пьезоэлектрик элемент нь хатуу (талст эсвэл керамик) диэлектрик бүхий цахилгаан конденсатор юм. Ийм конденсаторын онцлог шинж чанар нь электродуудын хоорондох зайг дүүргэх диэлектрик дэх пьезоэлектрик шинж чанар юм. Хэрэв пьезоэлектрик элементийг цахилгаан механик хувиргагч болгон ашигладаг бол түүний чиглэлийг хамгийн их үр дүнд хүрэх шаардлагад үндэслэн сонгоно. Пьезоэлектрик элемент дээр ажилладаг гадны хүч (механик ба цахилгаан аль аль нь) тархсан эсвэл төвлөрсөн байж болно. Тархсан хүч нь илүү үр дүнтэй хувиргах боломжийг олгодог. Тиймээс пьезоэлектрикийн эзэлхүүнийг илүү үр дүнтэй туйлшруулахын тулд пьезоэлектрик элементийн нүүрний гадаргууг бүхэлд нь хамарсан электродуудыг ашигладаг бөгөөд жигд тархсан механик стрессийг бий болгохын тулд пьезоэлектрик элементийн гадаргуутай сайн зэргэлдээх уян материаллаг доторлогоог ашигладаг. гадаад төвлөрсөн хүчийг тархсан хүч болгон хувиргах.

Гадны хүч нь пьезоэлектрик элементийн хэв гажилт, түүний туйлшрал, электродууд дээр эсрэг цахилгаан цэнэгийн харагдах байдлыг үүсгэдэг. Цахилгаан цэнэгийн хэмжээ эсвэл үүссэн хүчдэлийг пьезоэлектрик элементийн электродуудад бэхэлсэн тохиромжтой хэмжих хэрэгслээр хэмжиж болно. Гадны хүч нь уян харимхай хэв гажилтын хэлбэрээр пьезоэлектрик элементэд энерги өгдөг бөгөөд хэрэв үйлчлэх хүчний хэмжээ болон пьезоэлектрик элементийн хөшүүн чанарыг мэдэж байвал үүнийг тооцоолж болно. Пьезоэлектрик элементийн хэв гажилттай зэрэгцэн түүний электродууд дээр цахилгаан хүчдэл гарч ирдэг. Үүний үр дүнд гадны хүчээр пьезоэлектрик элементэд өгч буй энергийн нэг хэсэг нь цахилгаан болж хувирдаг бөгөөд хэрэв электрод дээрх цахилгаан хүчдэл ба пьезоэлектрик элементийн багтаамжийг мэддэг бол түүний утгыг тооцоолж болно.

Өнөөдөр тэд пьезоцерамик материалын ирээдүйтэй хэрэглээний талаар ярьж байна. Пьезоэлектрик материалыг нөхцөлт байдлаар хоёр бүлэгт хувааж болно: пьезоэлектрик нэг талст ба пьезокерамик.

Байгалийн пьезоэлектрик материал нь нэлээд үнэтэй байдаг. Үүнтэй холбогдуулан эрчимтэй хөгжиж буй электроникийн хэрэгцээг одоогоор тусгай байгууламжид ургуулсан синтетик пьезоэлектрик дан талстаар хангаж байна. Хангалттай өндөр давтагдах чадвартай ийм талстуудын пьезоэлектрик шинж чанарыг түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн найрлагаар тодорхойлж болно.

Өсөн нэмэгдэж буй талстуудыг тодорхой аргаар ялтсууд болгон хувааж, заримыг нь (төмөр цахилгаан) туйлшруулж, электродуудыг нунтаглаж, хэрэглэх замаар пьезоэлектрик элементүүдийг хийдэг.

Пьезоэлектрик керамик физик шинж чанарэнэ нь химийн нэгдэл эсвэл үр тарианы (кристаллит) хатуу уусмал (нунтаг) болох поликристал ферроэлектрик юм.

By химийн найрлагаЭнэ нь хоёр валенттай хар тугалга эсвэл барийн ионууд, түүнчлэн титан эсвэл цирконы ионуудыг багтаасан цогц исэл юм. Эхлэлийн материалын үндсэн харьцааг өөрчилж, нэмэлт бодис оруулснаар тодорхой электрофизик болон пьезоэлектрик шинж чанартай пьезокерамикийн янз бүрийн найрлагыг нэгтгэдэг.

PZT төрлийн пьезоцерамик материалын бүлэг (хар тугалга цирконатын титанат) хамгийн их тархалтыг авсан. Үүний зэрэгцээ барийн титанат (ТБ) ба хар тугалганы титанат (TL) дээр суурилсан керамик эдлэлийг ашигладаг. Сүүлийн жилүүдэд зарим тохиолдолд илүү үнэтэй пьезоэлектрик талстуудын оронд ашиглах боломжтой шинж чанартай шинэ пьезоцерамик материалыг боловсруулжээ. Ялангуяа хар тугалганы ниобат дээр суурилсан бүлгийн материалыг боловсруулж, үйлдвэрлэж байгаа бөгөөд энэ нь 30 МГц ба түүнээс дээш давтамжийн мужид ашиглах боломжтой тул практик хэрэглээг аль хэдийн олжээ. Пьезокерамик нийлмэл материал, түүнчлэн олон давхаргат керамик эдлэлийг бий болгох талаар томоохон судалгаа хийгдэж байна. Гадны үйлдвэрлэгчид пьезоэлектрик шинж чанараас хамааран төмөр-хатуу, төмөр-зөөлөн гэж хуваадаг. Дотоодын практикт дунд зэргийн төмрийн хатуулагтай керамик, түүнчлэн өндөр тогтвортой, өндөр температур гэх мэт материалуудад нэмэлт хуваагдал байдаг.

Пьезоэлектрик талстуудаас ялгаатай нь пьезоцерамик элементүүдийг хагас хуурай шахах, гулсуураар цутгах, халуун даралтат цутгах, шахах эсвэл изостатик шахах, дараа нь 1000-1400 0 С-ийн температурт агаарт шатаах замаар үйлдвэрлэдэг. Сүвэрхэг чанарыг багасгахын тулд шатаах боломжтой. хүчилтөрөгчийн орчинд хийгдсэн, эсвэл Элементийг халуун цутгах аргаар үйлдвэрлэдэг. Тусгай технологи ашиглан электродыг ажлын хэсгүүдийн гадаргуу дээр хэрэглэнэ.

Дараа нь керамикийг Кюри цэг гэж нэрлэгдэх цэгээс доогуур температурт хүчтэй цахилгаан талбайд байрлуулж туйлшралын аль ч чиглэлд пьезоэлектрик болгодог. Туйлшрал нь ихэвчлэн пьезоцерамик элементүүдийг үйлдвэрлэх эцсийн процесс боловч дараа нь дулааны тогтворжилт, параметрийн хяналтыг дагаж мөрддөг.

Пьезоэлектрик керамик нь хатуу, химийн идэвхгүй материал бөгөөд чийг болон бусад атмосферийн нөлөөнд бүрэн мэдрэмтгий байдаггүй. Механик шинж чанарын хувьд керамик тусгаарлагчтай төстэй.

Зураг 7 Төрөл бүрийн тохиргооны пьезо элементүүд

Зорилгоос хамааран пьезоэлектрик элементүүд нь хавтгайгаас эзэлхүүн хүртэл (бөмбөрцөг, хагас бөмбөрцөг гэх мэт) олон янзын тохиргоотой байж болно.

Пьезоэлектрик элементүүдийг цахилгаан механик хувиргагч болгон ашиглахад тохиромжтой. Эдгээр нь пьезоцерамик эд анги, угсралт, төхөөрөмж үйлдвэрлэхэд өргөн хэрэглэгддэг. Зарим пьезоцерамик элементүүд нь бүрэлдэхүүн хэсэг эсвэл угсралтын үүргийг аль хэдийн гүйцэтгэж чаддаг бөгөөд цаашид хөгжүүлэх шаардлагагүй. Пьезокерамикийн үндсэн дээр хийсэн бүх бүтээгдэхүүнийг дараахь үндсэн бүлгүүдэд хуваадаг: генератор, мэдрэгч (мэдрэгч), идэвхжүүлэгч (пьезодрив), хувиргагч ба хосолсон систем.

Пьезоцерамик генераторууд нь шууд пьезоэлектрик эффект ашиглан механик үйлдлийг цахилгаан потенциал болгон хувиргадаг. Жишээлбэл, янз бүрийн төрлийн асаагуур, гал асаах системд ашиглагддаг даралт ба цохилтын төрлийн оч асаагчид, түүнчлэн орчин үеийн электрон хэлхээнд ашиглагддаг олон давхаргат пьезокерамик дээр суурилсан хатуу төлөвт батерейнууд.

Зураг 8 Пьезо мэдрэгч

Piezoceramic мэдрэгч нь механик хүч эсвэл хөдөлгөөнийг пропорциональ цахилгаан дохио болгон хувиргадаг, өөрөөр хэлбэл шууд пьезоэлектрик эффект дээр суурилдаг.

Идэвхтэй хэрэгжүүлэх хүрээнд компьютерийн технологимэдрэгч нь механик системийг цахим хяналт, хяналтын системтэй зохицуулах боломжийг олгодог зайлшгүй төхөөрөмж юм.

Пьезоцерамик мэдрэгчийн хоёр үндсэн төрөл байдаг: тэнхлэгт (туйлшралын тэнхлэгийн дагуу механик хүч үйлчилдэг) ба уян хатан (туйлшралын тэнхлэгт перпендикуляр хүч үйлчилдэг).

Тэнхлэгийн мэдрэгчүүдэд диск, цагираг, цилиндр, хавтанг пьезоэлектрик элемент болгон ашигладаг. Жишээлбэл, хурдатгал мэдрэгч (хурдатгал хэмжигч), даралт мэдрэгч, тогших мэдрэгч, устгах мэдрэгч гэх мэт. Уян хатан мэдрэгчийн жишээ нь хүч болон хурдатгал мэдрэгч байж болно.

Пьезоцерамик идэвхжүүлэгч (пьезодрив) нь урвуу пьезоэлектрик эффектийн зарчмаар бүтээгдсэн тул цахилгаан хэмжигдэхүүнийг (хүчдэл эсвэл цэнэг) ажлын шингэний механик шилжилт (шил) болгон хувиргах зориулалттай. Хөдөлгүүрүүд нь тэнхлэгийн, хөндлөн, уян хатан гэсэн гурван үндсэн бүлэгт хуваагддаг. Тэнхлэг ба хөндлөн идэвхжүүлэгч нь нийтлэг нэртэй байдаг - олон давхаргат багц, учир нь тэдгээр нь хэд хэдэн пьезоэлектрик элементүүдээс (диск, саваа, хавтан эсвэл баар) багц болгон угсардаг. Тэд 1 кВ-ын хяналтын хүчдэлд 10 кН хүртэл мэдэгдэхүйц хүчийг (бөглөх хүч) бий болгож чаддаг, гэхдээ ажлын хэсгийн маш бага хазайлттай (хэдэн нанометрээс хэдэн зуун микрон хүртэл). Ийм идэвхжүүлэгчийг хүчирхэг гэж нэрлэдэг.

Уян хатан идэвхжүүлэгч (биморф) нь ажлын хэсгийн жижиг (хэдэн зуун микрон) хазайлтаар өчүүхэн блоклох хүчийг бий болгодог. Гэтэл Америкийн APC International Inc. "Соронзон хальсны идэвхжүүлэгч" (бүртгэлтэй) шинэ төрлийн хавтан биморфыг бий болгож, зах зээлд нэвтэрч чадсан. барааны тэмдэг). Туузны идэвхжүүлэгч нь 0.95 Н, 1.2 мм-ийн хазайлт, эсвэл 3 мм хүртэл хазайлт, 0.6 Н-ийн хаалтын хүчийг хангаж чадна.

Уян хөдөлгөгч нь бага чадлын бүлэгт хамаарна. Үүнтэй ижил бүлэгт олон давхаргат пьезокерамикийн технологийг ашиглан хийсэн моноблок болох ирээдүйтэй тэнхлэгийн идэвхжүүлэгч орно.

Пакет идэвхжүүлэгчийг пьезокерамик үйлдвэрлэлтэй холбоогүй компаниуд үйлдвэрлэж болно. Олон давхаргат керамикаар хийсэн уян болон тэнхлэгийн идэвхжүүлэгч нь өөрсдөө пьезоцерамик элементүүд юм. Тэдгээрийг зөвхөн пьезоцерамик элемент үйлдвэрлэх технологи, тоног төхөөрөмж эзэмшдэг аж ахуйн нэгжүүд л үйлдвэрлэж болно.

Пьезоцерамик хувиргагч нь цахилгаан энергийг механик энерги болгон хувиргах зориулалттай. Эдгээр нь идэвхжүүлэгчийн нэгэн адил урвуу пьезоэлектрик эффектийн зарчим дээр суурилдаг.

Давтамжийн мужаас хамааран хөрвүүлэгчийг гурван төрөлд хуваадаг.

дуу чимээ (20 кГц-ээс доош) - дуугаралт, утасны микрофон, өндөр давтамжийн чанга яригч, сирена гэх мэт;

хэт авианы - гагнуур, зүсэх, угаах, цэвэрлэх материал, шингэний түвшний мэдрэгч, тархалтын шүршигч, манан үүсгэгч, ингалятор, агаар чийгшүүлэгч өндөр эрчимтэй ялгаруулагч. Чухал бүлэг бол агаар дахь хэт авианы зай хэмжигч гэж нэрлэгддэг пьезоцерамик бүрэлдэхүүн хэсэг юм. Эдгээрийг автомашин, тракторын тоног төхөөрөмжийн зай хэмжигч, хамгаалалтын системд байгаа байдал, хөдөлгөөн мэдрэгч, түвшин хэмжигч, алсаас хянах, хянах, шувуу, амьтан, хөдөө аж ахуйн хортон шавьжийг айлгах гэх мэт төхөөрөмжид ашигладаг. Гурван төрлийн төхөөрөмж үйлдвэрлэдэг. : дамжуулах, хүлээн авах, дамжуулах;

өндөр давтамжийн хэт авианы -- материалын туршилт, үл эвдэх туршилтын төхөөрөмж, эмнэлгийн болон үйлдвэрлэлийн оношлогоо, саатлын шугам гэх мэт.

Хосолсон пьезоцерамик системүүд нь урвуу ба шууд пьезоэлектрик эффектүүдийг дараалан ашиглан цахилгаан хэмжигдэхүүнийг цахилгаан хэмжигдэхүүн болгон хувиргадаг. Ийм системийн жишээнд цуурай дуу, урсгал хэмжигч, пьезотрансформатор, "түлхүүр хайгч" орно.

Пьезоэлектрик эффектийг 19-р зуунд нээж, 20-р зууны хоёрдугаар хагасаас эхлэн пьезокерамик материалыг бий болгох онол, технологи идэвхтэй хөгжиж ирсэн ч пьезокерамик нь дэлхийн хамгийн ирээдүйтэй материалуудын нэг гэж үздэг. 21р зуун. Ийм үзлийн шалтгаан нь пьезокерамикийн өвөрмөц шинж чанарыг шинжлэх ухаан, инженерчлэл, технологид бүрэн шаардаагүй байгаа явдал юм.

XX зууны 60-70-аад онд пьезокерамикийг янз бүрийн салбарт идэвхтэй ашиглаж эхэлсэн. Пьезоцерамик мэдрэгч ба пьезоцерамик хувиргагчийн шинж чанарыг нэлээд сайн судалж, ашигласан. Одоогийн байдлаар пьезокерамикийг анагаах ухаан, нисэх онгоц, төмөр замын тээвэр, эрчим хүч, газрын тос, байгалийн хийн салбарт хэт авиан оношлогоонд өргөн ашигладаг; цахилгаан пьезокерамик -- хэт авианы гагнуур, гадаргууг цэвэрлэх, бүрэх, өрөмдөх гэх мэт.

Үүний зэрэгцээ пьезокерамикийг генератор, идэвхжүүлэгч, хосолсон системд ашиглахад хангалтгүй хэвээр байна. Гэсэн хэдий ч эрчим хүч хэмнэх, жижигрүүлэх, компьютерийн удирдлага, хяналтын системд дасан зохицох орчин үеийн шаардлага нь машин, тоног төхөөрөмж үйлдвэрлэгчдийг пьезокерамик ашиглан тодорхой технологийн шийдлүүдийг хамтран хайхын тулд пьезокерамик үйлдвэрлэгчдэд хандахыг улам бүр шахаж байна. Үүний үр дүнд шинэ төрлийн пьезокерамикууд гарч ирж, шинээр бий болж, алдартай пьезокерамик элементүүд болон бүрэлдэхүүн хэсгүүд сайжирч байна. Одоогийн байдлаар пьезоцерамик трансформатор ба идэвхжүүлэгчдэд онцгой анхаарал хандуулж байна.

Хэдийгээр пьезотрансформаторын одоогийн хэрэглээ тийм ч их биш ч ирээдүйд хэрэглэх боломж асар их байна.

Ирээдүйтэй чиглэлүүдийн нэг бол гэр ахуйн болон үйлдвэрлэлийн хийгээр дүүргэсэн гэрэлтүүлгийн төхөөрөмжийг резонансын DC-AC хувиргагч болгон ашиглах явдал юм. Одоо эдгээр зорилгоор янз бүрийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг ашиглаж байна. Амлалт өгөх үндэс гэрэлтүүлгийн хэрэгсэлОдоогийн ашиглаж байгаа цахилгаан хэрэгсэлтэй харьцуулахад цахилгаан эрчим хүчийг 80% хүртэл хэмнэх зарчмуудыг аль хэдийн тогтоосон. Тиймээс хэтийн төлөв хувиргагчийг хангах ёстой цорын ганц параметр бол тэдний хамгийн бага геометрийн хэмжээс юм. Зах зээлийн судалгаагаар гэрэлтүүлгийн хөгжүүлэгчид хувиргагчийн хүчдэл эсвэл эрчим хүчний хэрэглээний харьцуулсан шинж чанарыг тийм ч их сонирхдоггүй, харин чийдэнгийн сууринд суурилуулах боломжийг олгодог хэмжээсийг сонирхож байгааг баталж байна. Сүүлийн үеийн судалгаагаар олон давхаргат пьезоцерамик трансформаторыг гэрэлтүүлгийн шинэ технологид ашиглах боломж байгааг харуулсан. Үнээс бусад бараг бүх шаардлагыг хангасан ийм хөрвүүлэгчийн прототипийг боловсруулсан. Тиймээс пьезокерамик үйлдвэрлэгчид өөрсдийн өртгийг бууруулах технологи дээр идэвхтэй ажиллаж байна.

Пьезотрансформаторыг ашиглах өөр нэг ирээдүйтэй чиглэл бол тэдгээрийг цахилгаан төхөөрөмжид ашиглах явдал юм. Уламжлалт нэг давхаргат (Rosen Type) пьезотрансформаторыг ашигладаггүй, харин олон давхаргат трансформаторыг ашигладаг орчин үеийн төхөөрөмжүүд зах зээл дээр гарч ирэв. Үүний жишээ бол шингэн болор дэлгэцийн арын гэрэл болон Driving хүйтэн катодын флюресцент аянгын систем юм. Уламжлалттай харьцуулахад олон давхаргат пьезотрансформаторын давуу тал нь жижиг хэмжээтэй (ялангуяа зузаан), бага эрчим хүч зарцуулдаг. Гэсэн хэдий ч зах зээл дээр гарч ирсэн орчин үеийн олон давхаргат трансформаторын хувьд үнэ, хэмжээ нь тодорхойлох хүчин зүйл хэвээр байгаа бөгөөд үйлдвэрлэгчид тэдгээрийг бууруулахаар идэвхтэй ажиллаж байна.

Пьезотрансформаторыг дэвшилтэт телевизор, компьютерийн дэлгэцэнд ашиглах хүчтэй боломж бий. FED - Field Emission Displays (FED - Field Emission Display) гэж нэрлэгддэг ийм дэлгэцийн прототипүүдийг аль хэдийн боловсруулсан байна. Эдгээр нь орчин үеийнхээс өндөр нарийвчлалтай, дүрсний тод байдал бүхий хавтгай дэлгэц юм. Гэсэн хэдий ч анивчихгүй дүрс бүхий шинэ үеийн дэлгэцийг (Flicker Free Image Screen) аль хэдийн боловсруулж байгаа бөгөөд цахилгаан хангамжийн хувьд олон давхаргат пьезоцерамик трансформаторыг ашиглах боломжийг олгодог. Телевиз, компьютерийн технологийн зах зээл нь шинэлэг зүйлээрээ гайхшруулж, пьезокерамик элемент үйлдвэрлэгчдийг энэ чиглэлээр судалгаа, боловсруулалтыг эрчимжүүлэхийг албаддаг.

Стекийн идэвхжүүлэгчийг сансар огторгуй, лазер технологи, оптик багаж хэрэгсэлд аль хэдийн антен, толин тусгалыг манометрийн нарийвчлалтайгаар тааруулахад ашиглаж байна. Хамгийн бага аяллын өнцгөөр хөдөлгөгч хүчийг хөгжүүлэх нь чухал бол тэд илүү өргөн хэрэглээг олох болно гэж үздэг.

Ирээдүйтэй чиглэлүүдийн нэг бол машин хэрэгслийг нарийн тааруулахад ашиглах явдал юм. Хатуу бүтэцтэй тул пьезо идэвхжүүлэгч нь хурдан бөгөөд нарийн тохируулга хийхэд тохиромжтой хэрэгсэл юм. Загварт тогтмол хүчдэлийг эргүүлэх үе шаттайгаар хийснээр машины ажлын хэсэг нь эд ангиудыг боловсруулахад өндөр нарийвчлалыг хангах боломжтой юм.

Машин хэрэгслийн үйлдвэрлэлд тэдгээрийг чичиргээ дарах (нөхөн нөхөх) зорилгоор ашиглахаар төлөвлөж байна. Машины хүсээгүй чичиргээг чичиргээний чичиргээ бүхий фазын эсрэг горимд ажилладаг олон давхаргат идэвхжүүлэгч ашиглан нөхөж болно. Энэ нь эргээд эцсийн бүтээгдэхүүний чанарыг сайжруулахаас гадна багаж хэрэгслийн хэт элэгдлээс зайлсхийх, машины дуу чимээний түвшинг мэдэгдэхүйц бууруулах болно. Чичиргээ компенсаторыг зөвхөн машин хэрэгслийн үйлдвэрлэлд төдийгүй бусад салбарт ашиглаж болно.

Стекийн идэвхжүүлэгчийн өөр нэг ирээдүйтэй хэрэглээ бол гидравлик хавхлагыг хянах явдал юм. Үүний нэг жишээ бол автомашин, ачааны машины дизель хөдөлгүүр, дизель хөдөлгүүр, дотоод шаталтат хөдөлгүүрийн хийн түгээлтийн системд зориулсан түлшний төхөөрөмжид зориулагдсан пьезоцерамик өндөр хурдны хавхлагуудын хамгийн сүүлийн үеийн хөгжил юм.

Пьезоцерамик элементүүд, угсралт, эд ангиудыг нэгдсэн байдлаар ашиглах тод жишээ нь Америкийн APC International, Ltd компанийн хамтарсан бүтээн байгуулалт болж чадна. автомашины үйлдвэрлэлийн эд анги үйлдвэрлэгчидтэй .

Орчин үеийн, техникийн хувьд боловсронгуй тээврийн хэрэгсэл нь найдвартай, аюулгүй байдал, тав тухыг сайжруулахын тулд нэмэлт электроникийг нэвтрүүлэхийг байнга шаарддаг.

Тиймээс, өвөрмөц шинж чанараараа пьезокерамикийг инженер, технологийн янз бүрийн салбарт улам бүр ашиглаж байна. Гадаадын пьезокерамик, түүн дээр үндэслэсэн элемент, эд ангиудын үйлдвэрлэгчид орчин үеийн зах зээлийн шаардлагыг бүрэн хангахыг хичээж, керамик эдлэлийн параметрүүдийг сайжруулах судалгаа, дизайны ажил хийж, түүний шинэ төрлийг боловсруулж, санхүүгийн ихээхэн нөөцийг хуваарилж байна. Бүтээгдэхүүний өртгийг бууруулахын тулд эрчим хүчний хэмнэлттэй, үйлдвэрлэлийн процессыг автоматжуулах боломжийг олгодог шинэ технологиудыг боловсруулж байна. Дэвшилтэт технологи, орчин үеийн тоног төхөөрөмжөөр хангагдсан пьезокерамик эдлэлийн томоохон үйлдвэрүүд л дэлхийн зах зээлийн шаардлагыг бүрэн хангана гэж үзэж байна.

VSMPO-AVISMA Корпорац ХК-ийн хот үүсгэн байгуулж буй аж ахуйн нэгжийн үйлчилгээнд пьезоэлектрик эффект

VSMPO-Avisma корпораци нь нисэхийн үйлдвэр, цөмийн эрчим хүч, анагаах ухаан болон бусад салбарт титан хайлшаас хагас боловсруулсан бүтээгдэхүүн үйлдвэрлэдэг дэлхийд тэргүүлэгч аж ахуйн нэгж юм. Манай компани нь Snecma зэрэг алдартай компаниудын гол нийлүүлэгчдийн нэг юм. Rolls Royce, Boeing, Pratt & Whitney, Goodrich.

Энэ нь бүтээгдэхүүний өндөр чанар, өндөр технологийн үйлдвэрлэлийн үйл явц, орчин үеийн тоног төхөөрөмж, үйлдвэрлэлийн аргуудын ачаар боломжтой болсон.

Аж ахуйн нэгжийн ашигт ажиллагааны гол үзүүлэлт бол бүтээгдэхүүний өртөг юм. Байнга өсөн нэмэгдэж буй чанар бүхий зардлыг бууруулах нь аж ахуйн нэгжийн гол бөгөөд байнгын ажил юм. Үйлдвэрлэлийн өртгийн бүрэлдэхүүн хэсэг нь бүтээгдэхүүний хяналтын технологийн үйл ажиллагаа бөгөөд манай компанид хамгийн түрүүнд найдвартай, мэдрэмжтэй байдаг.

Пьезоэлектрик нөлөө нь хэт авианы туршилтын үндэс суурь болдог гэдгийг мэддэг.

Манай аж ахуйн нэгжид хэт авианы туршилтыг механик, дулааны, цутгах цехийн бүтээгдэхүүнийг 100% хянах зорилгоор өргөн ашигладаг. Тохиргооны нарийн төвөгтэй байдлаас шалтгаалан бусад төрлийн согог илрүүлэх (рентген, гэрэлтэгч) -ийг оруулаагүй бүтээгдэхүүн.

Хэт авианы туршилт нь хэт авианы чичиргээний энерги нь нэгэн төрлийн уян орчинд бага зэргийн алдагдалтай тархах, энэ орчинд тасалдалаас тусах чадвар дээр суурилдаг. Хэт авианы шинжилгээний хоёр үндсэн арга байдаг - дуугарах арга ба тусгалын арга. Хэт авианы цацрагийг дээжинд нэвтрүүлсэн бөгөөд индикатор нь дээжээр дамжсан эсвэл дээж дотор байрлах нэгэн төрлийн бус байдлаас туссан чичиргээний эрчмийг хэмждэг. Согог нь дээжээр дамжих энергийн бууралт, эсвэл согогоос туссан энергийн тусламжтайгаар илэрдэг. Хэт авианы согог илрүүлэх нь согог илрүүлэгч ашиглан хийгддэг.

Согог илрүүлэгч (Латин хэлнээс "гажиг" - дутагдал, Грек "scopeo" - "харагдах") - янз бүрийн металл болон металл бус материалаар хийсэн бүтээгдэхүүний согогийг устгахгүйгээр илрүүлэх боломжийг олгодог төхөөрөмж. Бүтээгдэхүүнд ямар нэгэн хагарал, гүн дэх бүрхүүл, осолд хүргэж болзошгүй бусад согог байгаа эсэхээс үл хамааран энэ бүгдийг согог илрүүлэгчээр илрүүлэх болно. Гэхдээ нүцгэн нүдэнд харагдахгүй бага зэрэг хагарал ч гэсэн бүтээгдэхүүнийг устгахад хүргэдэг.

Хэт авианы согог илрүүлэгч - SPL-ийн үйл ажиллагааны физик талыг авч үзье.

Ийм төхөөрөмжийн гол элемент нь кварцын хавтан юм. Согогоос ойсон дууны долгион түүн дээр унахад кварц нь дууны долгионы хэлбэлзлийн давтамжаар шахагдаж, сунах ба нүүрэн дээр нь хувьсах цахилгаан хүчдэл гарч ирдэг. Энэ нь шууд пьезоэлектрик эффектийн үр дагавар юм; Үүний үр дүнд кварц болон бусад зарим диэлектрикийн гадаргуу дээрх механик стрессийн нөлөөн дор тэдгээрийн туйлшралын үр дүнд цахилгаан цэнэг үүсдэг.

Хэрэв кварцын хавтангийн ялтсууд дээр ээлжит хүчдэлийн импульс хэрэглэвэл кварцын хавтан нь хэрэглэсэн хүчдэлийн давтамжаар хэлбэлзэж, ижил давтамжийн акустик хэлбэлзлийн эх үүсвэр болж хувирвал урвуу пьезоэлектрик эффект ажиглагдана.

Пьезоэлектрик эффект нь зөвхөн нэгж эсүүд нь тэгш хэмийн төвгүй талстуудад л байдаг. Эдгээр нь хоёр ба түүнээс дээш энгийн торноос бүрдэх ионы талстууд бөгөөд тэдгээр нь нэг нэгийг нь нөгөө рүү нь "түлхсэн" бөгөөд тус бүр нь эерэг эсвэл сөрөг гэсэн ижил тэмдгийн ионуудаас бүрддэг. Кристал деформацид ороход эдгээр энгийн торууд бие биенээсээ харьцангуй шилждэг. Энэ тохиолдолд болорын цахилгаан момент өөрчлөгддөг: түүний нүүрэн дээр цахилгаан хүчдэл гарч ирдэг. Цахилгаан орон дахь пьезоэлектрикийн туйлшрал нь түүний деформацид хүргэдэг - урвуу пьезоэлектрик нөлөө.

Зураг 9 Хэт авианы схем

Хэт авианы схемийг авч үзье. Өндөр давтамжийн импульс (2) нь генератороос кварцын хавтан (1) руу нийлүүлдэг. Кварцын хавтан нь хэлбэлзэж эхэлдэг ба хэт авианы долгионыг шалгаж буй металл хэсгийн эзэлхүүн рүү гаргадаг.

Хагарал гэх мэт согогоос туссан хэт авиа нь хавтан руу буцаж, осциллограф (5) руу орох цахилгаан хэлбэлзэл (3) болж хувирдаг. Шууд болон туссан импульсийн хоорондох зайг ашиглан согогийн гүнийг тодорхойлж болно (4).

Хэт авианы шинжилгээний лабораторийг 1962 онд VSMPO-д байгуулжээ. Үл эвдэх сорилтын аргын лабораторийг байгуулах санаачлагч нь Владислав Валентинович Тетюхин байв. Тэрээр хэт авианы согог илрүүлэгч авчирч, түүнд ажиллахад сургасан. Тус лаборатори нь нисэхийн салбарын шилдэгүүдийн нэгээр шалгарсан. Багийг Арпад Францевич Немет удирдсан. Энд жинхэнэ мэргэжилтнүүд ажилласан. Жишээлбэл, Кишиневын үйлдвэрт хэт авианы туршилт хийх мэдрэгчтэй удаан хугацааны турш тарчлаасны дараа тэдгээрийг өөрсдөө үйлдвэрлэхээр шийдсэн. Н.И.Калинин ажилдаа орсон - тэр үүнийг хийсэн! Николай Иванович шиг нарийн нягт нямбай, нягт нямбай, нягт нямбай байдал хэнд ч байгаагүй. Энэ бол үнэхээр зайлшгүй шаардлагатай мэргэжилтэн байсан юм!

Үүнтэй төстэй баримт бичиг

Пьезоэлектрик эффектийн шинж чанар. Эффектийн болор бүтцийг судлах: загварыг авч үзэх, болор хэв гажилт. Урвуу пьезоэлектрик эффектийн физик механизм. Пьезоэлектрик талстуудын шинж чанарууд. Эффект хэрэглэх.

курсын ажил, 2010 оны 12-р сарын 09-нд нэмэгдсэн


Хэт авианы физик үндэс нь янз бүрийн орчинд уртааш долгион хэлбэрээр тархдаг давтамж нь 20 кГц-ээс давсан уян чичиргээ юм. Урвуу пьезоэлектрик эффектийн үзэгдэл. Хэт авианы судалгааны эмнэлгийн хэрэглээ.

хяналтын ажил, 2015-06-01 нэмэгдсэн


Талст (орон зайн) торны тухай ойлголт. Эффектийн болор бүтэц. Аж үйлдвэрийн пьезофилмийн хэрэглээний талбарууд. Урвуу пьезоэлектрик нөлөө. Цахилгаан эрчим хүчийг бий болгохын тулд пьезоэлектрик талстыг ашиглах.

2014 оны 04-р сарын 14-нд нэмэгдсэн курсын ажил


Соронзон уян харимхай нөлөөллийн шинж чанар нь механик хэв гажилтын нөлөөн дор соронзны соронзлолын өөрчлөлтөөс бүрддэг урвуу соронзлолын үзэгдэл юм. Хүч, эргэлт, даралтыг хэмжихийн тулд энэ эффектийг ашиглана уу.

2010 оны 12-р сарын 13-нд нэмэгдсэн курсын ажил


Фотоэластик эффектийн тухай ойлголт ба ерөнхий шинж чанар, стрессийн тархалтын хэв маягийг олж авахад хэрэглэх. Физик хэмжигдэхүүнийг хэмжих үндсэн аргууд: фотоэластик эффект ашиглан гэрлийн цацраг, даралт, хурдатгалын параметрүүд.

2010 оны 12-р сарын 13-нд нэмэгдсэн курсын ажил


Потенциометрийн эффектийн тухай ойлголт ба түүнийг технологид ашиглах. Потенциометрийн төхөөрөмжийн эквивалент хэлхээ. Потенциометрийн нөлөөнд үндэслэн физик хэмжигдэхүүнийг хэмжих. Потенциометрийн эффект дээр суурилсан мэдрэгч.

хяналтын ажил, 2010 оны 12/18-нд нэмэгдсэн


Электрон онолыг ашиглан Холл эффектийн тайлбар. Ферромагнет ба хагас дамжуулагч дахь Холл эффект. Холл EMF мэдрэгч. Танхимын булан. Заал тогтмол. Холл эффектийн хэмжилт. Холл эффект нь бохирдол ба дотоод дамжуулалт.

2007 оны 02-р сарын 06-нд нэмэгдсэн курсын ажил


Ферроэлектрик дэх позитор эффектийг хэрэгжүүлэх онцлог, зарчим. Хэйванг, Жонкер нар. Позисторыг олж авах технологи ба үндсэн үе шатууд, тэдгээрийн чиглэл практик хэрэглээ, харгалзах нөлөө туршилтын судалгаа.

2015 оны 12-р сарын 21-нд нэмэгдсэн курсын ажил


ерөнхий шинж чанармөн пьезорезонансын нөлөөний мөн чанар. Пьезорезонант мэдрэгч ба мэдрэгч. Ионжуулагч цацрагийг бүртгэх арга. Агаар дахь аммиакийн хэмжээг тодорхойлох. Өгөгдсөн физик нөлөөнд үндэслэн хэмжилтийн нарийвчлалыг хязгаарласан алдаа.

2012 оны 03-р сарын 26-нд нэмэгдсэн курсын ажил


Ион ба фотоны цацрагийн үед урт хугацааны үйл ажиллагааны нөлөө. Microhardness арга нь урт хугацааны үр нөлөөг бүртгэх арга юм. Миллиметрийн хүрээний цахилгаан соронзон долгионы биологийн нөлөө (EHF). Цахиурын диодын систем дэх урт хугацааны нөлөө.

Хэт авианы аппаратыг үйлдвэрлэхэд ашигладаг

Урвуу пьезоэлектрик нөлөө;

соронзон таталт;

цахилгаан цочрол;

Пьезоэлектрик эффект - механик стрессийн нөлөөн дор диэлектрикийн туйлшрал үүсэх нөлөө (шууд пьезоэлектрик нөлөө). Мөн урвуу пьезоэлектрик эффект байдаг - цахилгаан талбайн нөлөөн дор механик хэв гажилт үүсэх.

Урвуу пьезоэлектрик нөлөөЭнэ нь кварцын талстаас (эсвэл бусад анизотроп талстаас) тодорхой аргаар таслагдсан хавтан нь талбайн чиглэлээс хамааран цахилгаан орны нөлөөн дор шахагдсан эсвэл уртассан байдаг. Хэрэв ийм хавтанг ээлжлэн хүчдэл хэрэглэдэг хавтгай конденсаторын хавтангийн хооронд байрлуулсан бол хавтан нь албадан хэлбэлзэлд орно. Хавтангийн чичиргээ нь хэт авианы долгион үүсгэдэг хүрээлэн буй орчны тоосонцор (агаар эсвэл шингэн) рүү дамждаг.

Соронзон таталтын үзэгдэл ньтэр үед ферросоронзон саваа (ган, төмөр, никель ба тэдгээрийн хайлш) нь савааны тэнхлэгийн дагуу чиглэсэн соронзон орны нөлөөн дор шугаман хэмжээсээ өөрчилдөг. Ийм савааг хувьсах соронзон оронд (жишээлбэл, хувьсах гүйдэл урсдаг ороомог дотор) байрлуулснаар бид саваа дахь албадан хэлбэлзлийг үүсгэх бөгөөд түүний далайц нь резонансын үед ялангуяа том байх болно. Савааны хэлбэлзэлтэй төгсгөл нь хүрээлэн буй орчинд хэт авианы долгион үүсгэдэг бөгөөд түүний эрч хүч нь төгсгөлийн хэлбэлзлийн далайцаас шууд хамаардаг.

Зарим материал (жишээлбэл керамик) нь цахилгаан талбарт хэмжээсээ өөрчлөх чадвартай байдаг. Цахилгаан цочрол гэж нэрлэгддэг энэ үзэгдлийггадна талаасаа урвуу пьезоэлектрик нөлөөллөөс ялгаатай нь хэмжээ өөрчлөгдөх нь зөвхөн хэрэглэсэн талбайн хүчнээс хамаарах боловч түүний тэмдгээс хамаардаггүй. Ийм материалд барийн титанат ба хар тугалганы цирконатын титанат орно.

Дээр дурдсан үзэгдлийг ашигладаг хувиргагчийг пьезоэлектрик, соронзотриктив, цахилгаан дарагч гэж нэрлэдэг.

Хэт авианы ялгаруулагч.

Байгальд АНУ нь байгалийн олон дуу чимээний бүрэлдэхүүн хэсэг (салхи, хүрхрээ, борооны чимээ, далайд эргэлдэж буй хайрга чулууны чимээ, аянгын урсацыг дагалдах дуу чимээ гэх мэт) болон хоёуланд нь байдаг. амьтны ертөнцийн дуу чимээ. Зарим амьтад хэт авианы долгион ашиглан саад тотгор, орон зайн чиг баримжааг илрүүлдэг.

Хэт авианы ялгаруулагчийг хоёр том бүлэгт хувааж болно. Эхнийх нь ялгаруулагч-үүсгүүрүүд орно; тэдгээрийн доторх хэлбэлзэл нь тогтмол урсгалын замд саад тотгор байгаа тул өдөөгддөг - хий эсвэл шингэний тийрэлтэт урсгал. Хоёр дахь бүлэг ялгаруулагч нь цахилгаан-акустик хувиргагч; тэдгээр нь цахилгаан хүчдэл эсвэл гүйдлийн аль хэдийн өгөгдсөн хэлбэлзлийг хатуу биетийн механик чичиргээ болгон хувиргадаг бөгөөд энэ нь акустик долгионыг хүрээлэн буй орчинд цацруулдаг.

Цахилгаан механик хэт авианы ялгаруулагч нь урвуу пьезоэлектрик эффектийн үзэгдлийг ашигладаг бөгөөд дараах элементүүдээс бүрдэнэ (Зураг 1).

Пьезоэлектрик шинж чанартай бодисоор хийсэн хавтан;

Цахилгаан дамжуулагч давхарга хэлбэрээр гадаргуу дээр хуримтлагдсан электродууд;

Шаардлагатай давтамжийн ээлжит хүчдэлийг электродуудад нийлүүлдэг генератор.

Генератор (3) -аас электродуудад (2) ээлжлэн хүчдэл өгөх үед хавтан (1) үе үе суналт, шахалтыг мэдэрдэг. Албадан хэлбэлзэл үүсдэг бөгөөд давтамж нь хүчдэлийн өөрчлөлтийн давтамжтай тэнцүү байна. Эдгээр чичиргээ нь хүрээлэн буй орчны тоосонцор руу дамжиж, зохих давтамжтай механик долгион үүсгэдэг. Радиаторын ойролцоох орчны хэсгүүдийн хэлбэлзлийн далайц нь хавтангийн хэлбэлзлийн далайцтай тэнцүү байна.

Хэт авианы өвөрмөц шинж чанарууд нь өгөгдсөн далайцад энергийн урсгалын нягтралтай пропорциональ байдаг тул харьцангуй бага хэлбэлзлийн далайцтай байсан ч өндөр эрчимтэй долгион авах боломжтой байдаг. давтамжийн квадрат.

I \u003d ρ ω 2 ʋ A 2/2 (1)

Хэт авианы цацрагийн хязгаарлагдмал эрчмийг ялгаруулагчийн материалын шинж чанар, түүнчлэн тэдгээрийг ашиглах нөхцлийн шинж чанараар тодорхойлно.

UHF бүсэд хэт авианы үүсгүүрийн эрчмийн хүрээ маш өргөн: 10 -14 Вт / см 2-аас 0.1 Вт / см 2 хүртэл.

Олон зорилгын хувьд ялгаруулагчийн гадаргуугаас гаргаж авахаас хамаагүй өндөр эрчим шаардлагатай. Эдгээр тохиолдолд та анхаарлаа төвлөрүүлж болно.

Хэт авианы хүлээн авагч. Цахилгаан механик хэт авианы хүлээн авагчид шууд пьезоэлектрик эффектийн үзэгдлийг ашигладаг.

Энэ тохиолдолд хэт авианы долгионы нөлөөн дор болор хавтангийн (1) хэлбэлзэл үүсдэг бөгөөд үүний үр дүнд электродууд (2) дээр ээлжит хүчдэл гарч ирдэг бөгөөд үүнийг бичлэгийн систем (3) бүртгэдэг.

Ихэнх эмнэлгийн төхөөрөмжүүдэд хэт авианы долгионы генераторыг хүлээн авагч болгон нэгэн зэрэг ашигладаг.

Оношлогоо, эмчилгээний зориулалтаар ашиглахыг тодорхойлдог хэт авианы шинж чанар (богино долгионы урт, чиглэл, хугарал ба тусгал, шингээлт, хагас шингээлтийн гүн)

Хэт авианы эмчилгээний үр нөлөө нь механик, дулааны болон химийн хүчин зүйлээс шалтгаална. Тэдний хамтарсан үйлдэл нь мембраны нэвчилтийг сайжруулж, цусны судсыг өргөжүүлж, бодисын солилцоог сайжруулж, биеийн тэнцвэрт байдлыг сэргээхэд тусалдаг. Хэт авианы туяа нь зүрх, уушиг болон бусад эрхтэн, эд эсэд зөөлөн массаж хийх боломжтой.

a) богино долгионы урт. Баримтлал. Хэт авианы долгионы урт нь дууны долгионы уртаас хамаагүй богино байдаг. Долгионы урт λ=υ/ν гэдгийг харгалзан үзвэл: 1 кГц давтамжтай дууны хувьд долгионы урт λ дуу =1500/1000=1.5 м; 1 МГц давтамжтай хэт авианы хувьд долгионы урт λ uz \u003d 1500 / 1 000 000 \u003d 1.5 мм.

Богино долгионы урттай тул хэт авианы тусгал, дифракц нь сонсогдох дуу чимээнийхээс жижиг объектуудад тохиолддог. Жишээлбэл, 10 см хэмжээтэй бие нь λ=1.5 м-тэй дууны долгионд саад болохгүй, харин λ=1.5 мм-ийн хэт авианы долгионы хувьд саад болно. Энэ тохиолдолд хэт авианы сүүдэр гарч ирдэг тул зарим тохиолдолд хэт авианы долгионы тархалтыг туяа ашиглан дүрсэлж, тусгал, хугарлын хуулиудыг ашиглаж болно. Өөрөөр хэлбэл, тодорхой нөхцөлд хэт авианы долгион нь геометрийн оптикийн хуулиудыг дагаж мөрддөг урсгалаар тархдаг.

б) Хугарал ба тусгал.Бүх төрлийн долгионы нэгэн адил тусгал, хугарлын үзэгдлүүд нь хэт авиан шинж чанартай байдаг. Эдгээр үзэгдлийн дагаж мөрддөг хуулиуд нь гэрлийн тусгал, хугарлын хуулиудтай бүрэн төстэй юм. Тиймээс ихэнх тохиолдолд хэт авианы долгионы тархалтыг туяа ашиглан дүрсэлсэн байдаг.

Процессын тоон шинж чанаруудын хувьд ойлтын коэффициент R=I ref /I o гэсэн ойлголтыг нэвтрүүлсэн бөгөөд I ref нь туссан хэт авианы долгионы эрчим юм; Би тухай - үйл явдлын эрчим. Энэ нь тэгээс (тусгалгүй) нэг (нийт тусгал) хүртэл хэлбэлздэг хэмжээсгүй хэмжигдэхүүн юм.

Хэвлэл мэдээллийн долгионы эсэргүүцэл (ρυ) их байх тусам туссан энергийн хэсэг их байх ба интерфэйсээр дамжин өнгөрөх энергийн хэсэг нь бага байх болно.

Биологийн орчны долгионы эсэргүүцэл нь агаарын долгионы эсэргүүцлээс (R=1/3000) ойролцоогоор 3000 дахин их байдаг тул хил дээрх тусгал агаарын арьс 99.99% байна. Хэрэв ялгаруулагчийг хүний ​​арьсанд шууд түрхвэл хэт авиан дотор нь нэвтрэн орохгүй, харин ялгаруулагч ба арьсны хоорондох нимгэн агаарын давхаргаас тусах болно. Агаарын давхаргыг арилгахын тулд арьсны гадаргууг зохих тосолгооны материал (усны вазелин) давхаргаар хучдаг бөгөөд энэ нь тусгалыг бууруулдаг шилжилтийн орчин болдог.

Тосолгооны материал нь холбогдох шаардлагыг хангасан байх ёстой: арьсны акустик эсэргүүцэлтэй ойролцоо акустик эсэргүүцэлтэй, хэт авианы шингээлтийн коэффициент багатай, наалдамхай чанар ихтэй, арьсыг сайн чийгшүүлдэг, хоргүй (вазелин тос, глицерин гэх мэт) байх ёстой. .).

в) Шингээлт, хагас шингээлтийн гүн.Хэт авианы дараагийн чухал шинж чанар нь хэвлэл мэдээллийн хэрэгсэлд шингээх чадвар юм: орчны хэсгүүдийн механик чичиргээний энерги нь дулааны хөдөлгөөний энерги болж хувирдаг. Энэ тохиолдолд орчинд шингэсэн механик долгионы энерги нь орчныг халаахад хүргэдэг. Энэ нөлөөг дараахь томъёогоор тодорхойлно.

Би \u003d би о. e-cl (3)

энд I нь орчинд l зайг туулсан хэт авианы долгионы эрч хүч; I o - анхны эрчимжилт; k нь орчин дахь хэт авианы шингээлтийн коэффициент; e нь натурал логарифмын суурь (e = 2.71).

Шингээлтийн коэффициентийн зэрэгцээ хагас шингээлтийн гүнийг хэт авианы шингээлтийн шинж чанар болгон ашигладаг.

Хагас шингээлтийн гүн нь хэт авианы долгионы эрчмийг хоёр дахин бууруулах гүн юм.

Өөр өөр эд эсийн хагас шингээлтийн гүн нь өөр өөр утгатай байдаг. Тиймээс эмнэлгийн зорилгоор янз бүрийн эрчимтэй хэт авианы долгионыг ашигладаг: жижиг - 1.5 Вт / м 2, дунд - (1.5-3) Вт / м 2, том - (3-10) Вт / м 2.

Шингэн орчинд шингээлт нь зөөлөн эдээс хамаагүй бага, ясны эдээс ч илүү байдаг.

8. Хэт авианы бодистой харилцан үйлчлэх: акустик урсгал ба хөндий, дулаан ялгаруулах ба химийн урвал, дууны тусгал, дууны алсын хараа).

a) Акустик урсгал ба хөндий.Өндөр эрчимтэй хэт авианы долгион нь хэд хэдэн өвөрмөц нөлөөг дагалддаг. Тиймээс хий, шингэн дэх хэт авианы долгионы тархалт нь орчны хөдөлгөөн дагалдаж, хурд нь 10 м / с хүрдэг акустик урсгал (дууны салхи) үүсдэг. Хэд хэдэн Вт / см 2 эрчимтэй хэт авианы талбарт UHF (0.1-10) МГц давтамжтай үед шингэнийг шүршиж, маш нарийн манан үүсгэн цацаж болно. Хэт авианы тархалтын энэ онцлогийг хэт авианы амьсгалахад ашигладаг.

Шингэн дэх хэт авиан эрчимтэй тархах явцад үүсдэг чухал үзэгдлүүдийн нэг юм. акустик кавитаци-мм-ийн хэмжээтэй шингэн дэх хий эсвэл уурын одоо байгаа субмикроскопийн цөмөөс үүссэн хэт авианы талбарт бөмбөлөг үүсэх ба энэ нь хэт авианы давтамжаар импульс болж, даралтын эерэг үе шатанд уналтанд ордог. Хийн бөмбөлөг нурах үед захиалгын орон нутгийн том даралт мянган атмосфер, бөмбөрцөг хэлбэрийн цохилтын долгион үүсдэг. Бөөмүүдэд ийм хүчтэй механик нөлөөлөл нь хэт авианы дулааны нөлөөлөлгүйгээр ч гэсэн янз бүрийн үр дагаварт хүргэж болзошгүй, тэр дундаа сүйрлийн үр дагаварт хүргэдэг. Төвлөрсөн хэт авианы үйл ажиллагааны дор механик нөлөө нь онцгой ач холбогдолтой байдаг.

Хөндий бөмбөлгүүдийн нуралтын өөр нэг үр дагавар нь тэдгээрийн агуулгыг хүчтэй халаах (ойролцоогоор 10,000 0 С хүртэл температур), молекулуудын иончлол, диссоциаци дагалддаг.

Кавитацийн үзэгдэл нь ялгаруулагчийн ажлын гадаргуугийн элэгдэл, эсийн гэмтэл гэх мэт дагалддаг. Гэсэн хэдий ч энэ үзэгдэл нь олон тооны ашигтай үр дагаварт хүргэдэг. Тиймээс, жишээлбэл, хөндийн хэсэгт эмульс бэлтгэхэд ашигладаг бодисыг хольж сайжруулдаг.

б) Дулаан ялгаруулалт ба химийн урвал.Хэт авианы бодисыг шингээх нь механик энергийг бодисын дотоод энергид шилжүүлэх замаар дагалддаг бөгөөд энэ нь түүнийг халаахад хүргэдэг. Хамгийн хүчтэй халаалт нь тусгалын коэффициент нь нэгдмэл (100%) ойролцоо байх үед медиа хоорондын интерфейстэй зэргэлдээх бүс нутагт тохиолддог. Энэ нь тусгалын үр дүнд хилийн ойролцоох долгионы эрч хүч нэмэгдэж, үүний дагуу шингэсэн энергийн хэмжээ нэмэгддэгтэй холбоотой юм. Үүнийг туршилтаар баталгаажуулж болно. Нойтон гарт хэт авианы ялгаруулагчийг холбох шаардлагатай. Удалгүй далдуу модны эсрэг талд мэдрэмж (түлэгдэлтийн өвдөлттэй төстэй) гарч ирдэг бөгөөд энэ нь арьсны агаарын интерфэйсээс хэт авиан туссанаас үүсдэг.

Нарийн төвөгтэй бүтэцтэй эд (уушиг) нь нэгэн төрлийн эдээс (элэг) хэт авианы халаалтанд илүү мэдрэмтгий байдаг. Зөөлөн эд, ясны хил дээр харьцангуй их дулаан ялгардаг.

Эдийг орон нутгийн хэмжээнд халаах нь биологийн объектын амин чухал үйл ажиллагаанд хувь нэмэр оруулж, бодисын солилцооны үйл явцын эрчмийг нэмэгдүүлдэг. Гэсэн хэдий ч удаан хугацаагаар өртөх нь хэт халалт үүсгэдэг.

Зарим тохиолдолд төвлөрсөн хэт авиан нь бие махбодийн бие даасан бүтцэд орон нутгийн нөлөө үзүүлэхэд ашиглагддаг. Энэ нөлөө нь хяналттай гипертерми үүсэх боломжийг олгодог, i.e. хөрш зэргэлдээх эдийг хэт халахгүйгээр 41-44 0 С хүртэл халаана.

Хэт авианы дамжуулалтыг дагалддаг температурын өсөлт, даралтын уналт нь молекулуудтай харилцан үйлчлэх ион ба радикалууд үүсэхэд хүргэдэг. Энэ тохиолдолд ердийн нөхцөлд боломжгүй ийм химийн урвал үүсч болно. Хэт авианы химийн үйлдэл нь ялангуяа усны молекулыг H + ба OH - радикал болгон хувааж, дараа нь устөрөгчийн хэт исэл H 2 O 2 үүсэх замаар илэрдэг.

в) Дууны тусгал. Дууны алсын хараа.Нэг төрлийн бус байдлаас хэт авианы долгионы тусгал дээр үндэслэсэн дууны алсын хараа,эмнэлгийн хэт авиан шинжилгээнд ашигладаг. Энэ тохиолдолд нэгэн төрлийн бус байдлаас туссан хэт авиа нь цахилгаан чичиргээ, сүүлийнх нь гэрлийн чичиргээ болж хувирдаг бөгөөд энэ нь дэлгэц дээрх тодорхой объектуудыг гэрэлд тунгалаг бус орчинд харах боломжийг олгодог.

Хэт авианы микроскопыг хэт авианы муж дахь давтамжтайгаар бүтээсэн - энгийн микроскоптой төстэй төхөөрөмж бөгөөд оптикаас давуу тал нь биологийн судалгаанд объектыг урьдчилан будах шаардлагагүй юм. Хэт авианы долгионы давтамж нэмэгдэхийн хэрээр нарийвчлал нь нэмэгддэг (жижиг жигд бус байдлыг илрүүлж болно), гэхдээ тэдгээрийн нэвтрэх чадвар буурдаг, өөрөөр хэлбэл. сонирхсон бүтцийг судлах гүн буурна. Тиймээс хэт авианы давтамжийг хангалттай нарийвчлалтай, шаардлагатай гүн гүнзгий судалгаатай хослуулахын тулд сонгосон. Тиймээс арьсан дор байрлах бамбай булчирхайн хэт авиан шинжилгээнд 7.5 МГц долгион, хэвлийн эрхтнүүдийн шинжилгээнд 3.5-5.5 МГц давтамжийг ашигладаг. Үүнээс гадна өөхний давхаргын зузааныг харгалзан үздэг: туранхай хүүхдүүдэд 5.5 МГц, илүүдэл жинтэй хүүхэд, насанд хүрэгчдэд 3.5 МГц давтамжийг ашигладаг.

9. Хэт авианы биофизикийн нөлөө: механик, дулаан, физик, химийн.

Хэт авианы долгионы урттай хагастай тэнцэх зайд цацраг туяатай эд, эрхтэн дэх биологийн объектууд дээр даралтын зөрүү нь нэгжээс хэдэн арван атмосфер хүртэл үүсч болно. Ийм хүчтэй нөлөөлөл нь бие махбодийн шинж чанар нь хамтарсан үйлдлээр тодорхойлогддог олон төрлийн биологийн нөлөөллийг бий болгодог механик, дулааны болон физик-химийн үзэгдлүүдорчинд хэт авианы тархалтыг дагалддаг.

механик үйлдэлхувьсах акустик даралтаар тодорхойлогддог бөгөөд эсийн болон эсийн доорх түвшинд эд эсийн чичиргээт микромассаж, хэт авианы гиалуроны хүчил, хондроитин сульфат дээр деполимеризацийн нөлөөгөөр эсийн, эсийн доторх болон эд эсийн мембраны нэвчилтийг нэмэгдүүлэхээс бүрддэг. арьсны давхаргыг чийгшүүлэхэд.

дулааны нөлөөмеханик энергийг дулааны энерги болгон хувиргахтай холбоотой байдаг бол дулаан нь биеийн эд эсэд жигд бус үүсдэг. Ялангуяа эд эсийн акустик эсэргүүцлийн ялгаа, хэт авианы энергийг их хэмжээгээр шингээдэг эд (мэдрэл, ясны эд), мөн дулаан хангамж муутай газруудад маш их дулаан хуримтлагддаг. цус.

Физик ба химийн үйлдэлхимийн энерги нь биеийн эд эсэд механик резонанс үүсгэдэгтэй холбоотой. Сүүлчийн нөлөөн дор молекулуудын хөдөлгөөн хурдасч, ион болгон задрах нь эрчимжиж, изоэлектрик төлөв өөрчлөгддөг. Шинэ цахилгаан орон үүсч, эсүүдэд цахилгаан өөрчлөлтүүд үүсдэг. Усны бүтэц, чийгшүүлэгч бүрхүүлийн төлөв байдал өөрчлөгдөж, радикалууд болон биологийн уусгагчийг задлах янз бүрийн бүтээгдэхүүн гарч ирдэг. Үүний үр дүнд эд эс дэх физик-химийн болон биохимийн процессыг идэвхжүүлж, бодисын солилцоог идэвхжүүлдэг.

1756 онд Оросын академич Ф.Эпинус турмалины талстыг халаахад нүүрэн дээр нь электростатик цэнэгүүд гарч ирдэг болохыг олж тогтоожээ. Дараа нь атомын үзэгдлийг пироэлектрик эффект гэж нэрлэжээ. Температурын өөрчлөлтийн үед ажиглагдсан цахилгаан үзэгдлийн шалтгааныг Ф.Аепинус хоёр гадаргуугийн жигд бус халаалт нь болор дахь механик стресс үүсэхэд хүргэдэг гэж үзсэн. Үүний зэрэгцээ болорын тодорхой төгсгөлд туйлуудын тархалтын тогтмол байдал нь түүний бүтэц, найрлагаас хамаардаг тул Ф.Аэпинус пьезоэлектрик эффектийг нээхэд ойртсон гэдгийг онцлон тэмдэглэв.

Кристал дахь пьезоэлектрик эффектийг 1880 онд ах дүү П., Ж.Кюри нар нээсэн бөгөөд тэдгээр нь кварцын болороос тодорхой чиглэлд зүсэгдсэн ялтсуудын гадаргуу дээр механик хүчдэлийн нөлөөн дор электростатик цэнэгийн харагдах байдлыг ажигласан. Эдгээр цэнэгүүд нь механик стресстэй пропорциональ бөгөөд үүнтэй хамт тэмдэг нь өөрчлөгдөж, арилах үед алга болдог. Механик стрессийн үр дүнд диэлектрикийн гадаргуу дээр цахилгаан статик цэнэг үүсч, дотор нь цахилгаан туйлшрал үүсэхийг шууд пьезоэлектрик эффект гэж нэрлэдэг.

Шууд нөлөөний зэрэгцээ урвуу пьезоэлектрик эффект байдаг бөгөөд энэ нь түүнд хэрэглэсэн цахилгаан талбайн нөлөөн дор пьезоэлектрик болороос зүсэгдсэн хавтан дээр механик хэв гажилт үүсдэг; түүнчлэн механик хэв гажилтын хэмжээ нь цахилгаан орны хүч чадалтай пропорциональ байна. Урвуу пьезоэлектрик эффектийг цахилгаан гүйдлийн үзэгдэл, өөрөөр хэлбэл цахилгаан талбайн нөлөөн дор диэлектрикийн хэв гажилттай андуурч болохгүй. Цахилгаан гүйдлийн үед деформаци ба талбайн хооронд квадрат хамаарал байдаг бөгөөд пьезоэлектрик нөлөөгөөр шугаман байдаг.

Нэмж дурдахад цахилгаан наалдац нь ямар ч бүтэцтэй диэлектрикт тохиолддог бөгөөд шингэн ба хийд ч тохиолддог бол пьезоэлектрик нөлөө нь зөвхөн хатуу диэлектрик, голчлон талст хэлбэртэй байдаг.

Пьезо цахилгаан нь болорын уян хатан хэв гажилт нь болорын элементийн эсийн эерэг ба сөрөг цэнэгийн хүндийн төвүүдийн шилжилт дагалддаг, өөрөөр хэлбэл индукцсан диполь момент үүсэх үед л гарч ирдэг. механик стрессийн нөлөөн дор диэлектрикийн цахилгаан туйлшрал үүсэхэд зориулагдсан. Тэгш хэмийн төвтэй байгууламжид ямар ч жигд хэв гажилт нь болор торны дотоод тэнцвэрт байдлыг алдагдуулж чадахгүй тул тэгш хэмийн төвгүй зөвхөн 20 анги нь пьезоэлектрик байдаг. Тэгш хэмийн төв байхгүй байх нь пьезоэлектрик эффектийг бий болгоход зайлшгүй шаардлагатай боловч хангалттай нөхцөл биш тул бүх ацентрик талстуудад байдаггүй.

Пьезоэлектрик эффектийг хатуу аморф ба криптокристалл диэлектрикүүдэд ажиглах боломжгүй, учир нь энэ нь тэдний бөмбөрцөг тэгш хэмтэй зөрчилддөг. Үл хамаарах зүйл бол тэдгээр нь гадны хүчний нөлөөн дор анизотроп болж, улмаар нэг талстуудын шинж чанарыг хэсэгчлэн олж авах явдал юм.Пьезоэлектрик нөлөө нь зарим төрлийн болор бүтэцтэй байж болно.

Өнөөг хүртэл пьезоэлектрик эффект нь болор торны орчин үеийн атомын онолын хүрээнд хангалттай тоон тайлбарыг олж чадаагүй байна. Хамгийн энгийн хэлбэрийн бүтцийн хувьд ч гэсэн пьезоэлектрик тогтмолуудын дарааллыг ойролцоогоор тооцоолох боломжгүй юм.

Пьезоэлектрик бүр нь цахилгаан механик хувиргагч тул түүний чухал шинж чанар нь цахилгаан механик холболтын коэффициент k юм. Энэ коэффициентийн квадрат нь тухайн төрлийн хэв гажилтын механик хэлбэрээр илрэх энергийн эрчим хүчний эх үүсвэрээс хүлээн авсан нийт цахилгаан энергийн харьцаа юм.

Пьезоэлектрикийн олон тохиолдлуудад тэдгээрийн уян харимхай шинж чанарууд нь зайлшгүй чухал бөгөөд тэдгээрийг уян харимхай модулиуд c (Young's moduli Eyu) эсвэл харилцан уялдаатай - уян хатан тогтмолуудаар тодорхойлдог.

Пьезоэлектрик элементүүдийг резонатор болгон ашиглахдаа зарим тохиолдолд давтамжийн коэффициентийг нэвтрүүлдэг бөгөөд энэ нь пьезоэлектрик элементийн резонансын давтамж ба хэлбэлзлийн төрлийг тодорхойлдог геометрийн хэмжээсийн бүтээгдэхүүн юм. Энэ утга нь пьезоэлектрик элемент дэх уян долгионы тархалтын чиглэлд дууны хурдтай пропорциональ байна. Одоогийн байдлаар олон бодис (500 гаруй) пьезоэлектрик идэвхжилтэй байдаг. Гэсэн хэдий ч цөөхөн нь практик хэрэглээг олж авдаг.

Пьезоэлектрик эффект (Грекээр piezo - даралт ба цахилгаан) нь механик стрессийн нөлөөн дор цахилгаан туйлшрал (индукц) үүсэх эсвэл зарим бодис (пьезокристал) дахь цахилгаан талбайн нөлөөн дор деформаци үүсэхийг тодорхойлдог үзэгдэл юм. Хэрэв тодорхой аргаар зүсэгдсэн пьезоэлектрик хавтан нь механик дарамтанд (шахалт, хурцадмал байдал, зүсэлт) өртдөг бол туйлшралын улмаас түүний гадаргуу дээр цахилгаан цэнэгүүд гарч ирдэг - энэ нь шууд пьезоэлектрик эффект гэж нэрлэгддэг; Ийм хавтанг цахилгаан талбарт байрлуулах үед түүний хэв гажилт үүсдэг бөгөөд энэ нь цахилгаан талбайн хүчнээс шугаман хамааралтай - урвуу пьезоэлектрик нөлөө.
Шууд пьезоэлектрик эффектийн механизмыг механик стрессийн нөлөөн дор цэнэгийн шилжилтийн үр дүнд болор торны нэгжийн диполь моментийн харагдах байдал эсвэл өөрчлөгдсөнөөр тайлбарладаг. Эс доторх энгийн цэнэгийн цахилгаан талбайн үйл ажиллагааны дор тэдгээрийн шилжилт хөдөлгөөн үүсч, улмаар тэдгээрийн хоорондох дундаж зай өөрчлөгддөг, өөрөөр хэлбэл. деформаци (урвуу пьезоэлектрик нөлөө).
Пьезоэлектрик эффектийг 1880 онд ах дүү П., Ж.Кюри нар нээсэн бөгөөд үүнийг кварц болон бусад зарим талстуудад ажиглажээ.
Пьезоэлектрик эффект байх зайлшгүй нөхцөл бол болор дахь тэгш хэмийн төв байхгүй байх явдал юм. Зөвхөн энэ тохиолдолд хүчдэл хэрэглэх нь нөхөн олговоргүй цахилгаан цэнэг үүсэхэд хүргэдэг, i.e. туйлшрал үүсэхэд. Пьезоэлектрик нь кварц, турмалин, сэнгэт давс, барийн титанат, калийн дигидроген фосфат, сурьма сульфоиодид, калийн сульфид гэх мэт. Мөн хүний ​​ясанд байдаг.
Шууд пьезоэлектрик эффектийн зарчмыг хэт авианы чичиргээ хүлээн авагч үйлдвэрлэхэд ашигладаг. Урвуу пьезоэлектрик нөлөөг хэт авиан үүсгэхэд ашигладаг бөгөөд эмчилгээний бүх хэт авианы төхөөрөмжүүд энэ нөлөөнд суурилдаг. Хэт авиан шинжилгээг олж авах мөн чанар нь дараах байдалтай байна. Хэрэв электрод ашиглан тодорхой аргаар зүсэгдсэн пьезокристал хавтангийн төгсгөлийн гадаргуу дээр ээлжит цахилгаан хүчдэлийг хэрэглэвэл түүний зузаан нь хувьсах гүйдлийн давтамжаас хамааран ээлжлэн буурна. Хүрээлэн буй орчны давхаргууд дахь хавтангийн зузаан багасах тусам сийрэгжилт үүсч, ихсэх тусам орчны тоосонцор өтгөрдөг. Пьезоэлектрик хувиргагч гэж нэрлэгддэг хавтангийн зузааныг үе үе өөрчилсний үр дүнд хэт авианы долгион нь хавтангийн гадаргуутай перпендикуляр чиглэлд тархдаг. Пьезоэлектрик талстуудын хавтангийн зузаанын өөрчлөлт нь маш бага бөгөөд энэ нь хэрэглэсэн цахилгаан хүчдэлтэй пропорциональ байна: AS = L U, энд AS нь хавтангийн хэмжээсийн өөрчлөлт: L - пьезоэлектрик модуль: U - хэрэглэсэн. хүчдэл.
Хэт авианы чичиргээний эрчмийг нэмэгдүүлэхийн тулд резонансын үзэгдлийг ашигладаг бөгөөд энэ нь тухайн бодисын байгалийн чичиргээний давтамжийг харгалзан үзэх шаардлагатай. Хэрэв пьезокристалд хэрэглэсэн ээлжит хүчдэлийн давтамж нь өөрийн (резонанс) давтамжтай давхцаж байвал хавтангийн хэлбэлзлийн далайц хамгийн их байх болно. Үүний дагуу хүрээлэн буй орчинд тархах хэт авианы долгионы эрч хүч хамгийн их байх болно. Хариуд нь хавтангийн резонансын давтамж нь түүний хэмжээнээс хамаарна: хавтан нимгэн байх тусам түүний резонансын давтамж их байдаг. Жишээлбэл, 1 мм-ийн зузаантай кварцын хавтангийн хувьд резонансын давтамж нь 2.88 МГц, 0.5 мм-ийн зузаантай - 5.76 МГц байна.
Өмнө нь кварц хавтанг хэт авианы эмчилгээний төхөөрөмжид пьезоэлектрик элемент болгон ашигладаг байсан. Өнөөдөр энэ нь пьезоэлектрик нөлөөгөөр хэд дахин их байдаг барийн титанатын керамикаар солигдож байна.

Пьезоэлектрик эффект (пьезоэлектрик эффект) нь тодорхой тэгш хэмтэй зарим бодисын талстуудад ажиглагддаг. Байгальд хамгийн түгээмэл пьезоэлектрик эрдэс нь кварц, турмалин, сфалерит, нефелин юм. Захиалгат бүтэцтэй зарим поликристал диэлектрик (керамик материал ба полимер) нь пьезоэлектрик нөлөөтэй байдаг. Пьезоэлектрик эффект үзүүлдэг диэлектрикүүдийг нэрлэдэгпьезоэлектрик.

Цагаан будаа. нэг

Пьезоэлектрик болор дээр тодорхой чиглэлд үйлчилдэг гадны механик хүч нь зөвхөн механик хэв гажилтыг (ямар ч хатуу биетийн нэгэн адил) төдийгүй цахилгаан туйлшралыг үүсгэдэг, өөрөөр хэлбэл түүний гадаргуу дээр янз бүрийн тэмдгийн цахилгаан цэнэгүүд гарч ирдэг (Зураг 1a, Ф- ажиллах хүч, P - цахилгаан туйлшралын вектор). Механик хүчний эсрэг чиглэлтэй бол цэнэгийн шинж тэмдгүүд өөрчлөгддөг(Зураг 1б). Энэ үзэгдлийг гэж нэрлэдэгшууд пьезо эффект(Зураг 2a).

Цагаан будаа. 2

Гэхдээ пьезоэлектрик нөлөө буцах боломжтой. Пьезоэлектрик нь харгалзах чиглэлийн цахилгаан талбарт өртөхөд түүнд механик хэв гажилт үүсдэг (Зураг 1c).Цахилгаан орны чиглэл өөрчлөгдөхөд хэв гажилт нь зохих ёсоор өөрчлөгддөг(Зураг 1d). Энэ үзэгдлийг нэрлэсэнурвуу пьезо эффект(Зураг 2б) .

Пьезоэлектрик нөлөөдараах байдлаар тайлбарлав. Кристал торонд эерэг ба сөрөг ионуудын төвүүд таарахгүйн улмаас эзэлхүүний цахилгаан цэнэг үүсдэг. Гаднах цахилгаан орон байхгүй тохиолдолд энэ туйлшрал нь гадаргуу дээрх цэнэгээр нөхөгддөг тул өөрөө илэрдэггүй. Кристал деформацид орох үед торны эерэг ба сөрөг ионууд бие биентэйгээ харьцуулахад шилжиж, талстын цахилгаан момент үүний дагуу өөрчлөгддөг бөгөөд энэ нь гадаргуу дээр потенциал үүсэх шалтгаан болдог. Энэ нь цахилгаан моментийн өөрчлөлт нь пьезоэлектрик эффектээр илэрдэг. Пьезоэлектрик нөлөө нь зөвхөн механик эсвэл цахилгаан үйл ажиллагааны хэмжээнээс гадна талстуудын талстографийн тэнхлэгтэй харьцуулахад хүчний шинж чанар, чиглэлээс хамаарна.

Пьезоэлектрик нөлөөллөөс үүссэн пьезоэлектрик материалын хэв гажилт нь үнэмлэхүй утгаараа ач холбогдолгүй юм. Жишээлбэл, 100 В хүчдэлийн нөлөөгөөр 1 мм-ийн зузаантай кварцын хавтан нь түүний зузааныг ердөө 0.23 микроноор өөрчилдөг. Пьезоэлектрикийн хэв гажилтын ач холбогдол багатай нь тэдний маш өндөр хөшүүн чанараар тайлбарлагдана.

Шууд ба урвуу пьезоэлектрик эффектүүд нь шугаман бөгөөд цахилгаан туйлшрал P ба механик стресс g-тэй холбоотой шугаман хамаарлаар тодорхойлогддог.

P=αg (1).

Энэ хамаарлыг шууд пьезоэлектрик эффектийн тэгшитгэл гэж нэрлэдэг. Пропорциональ байдлын коэффициент α-г пьезоэлектрик модуль (пьезоэлектрик модуль) гэж нэрлэдэг. Энэ нь пьезоэлектрик эффектийн хэмжүүр болдог. Урвуу пьезоэлектрик эффектийг хамаарлаар тодорхойлно

r=αE (2),

хаана r - хэв гажилт;

E - цахилгаан талбайн хүч.

Цагаан будаа. 3

Шууд ба урвуу нөлөөллийн пьезомодуль α нь ижил утгатай байна. Пьезоэлектрик ялгаруулагчмеханик контактгүй, металл диск дээр бэхлэгдсэн керамик элементээс бүрдэнэ (Зураг 3).Дискний чичиргээ нь түүнд өгсөн хүчдэлээс үүсдэг. Тодорхой давтамжийн ээлжит хүчдэл нь дуут дохиог үүсгэдэг. Пьезоэлектрик ялгаруулагч нь бүтцийн элементүүдийн механик элэгдэлд өртдөггүй, бага эрчим хүч зарцуулдаг, цахилгаан дуу чимээгүй байдаг. Пьезокерамикийн тусламжтайгаар ихээхэн хэмжээний дуу чимээ авах боломжтой. Пьезоцерамик хувиргагчийн бие даасан дээж нь 1 м-ээс 130 дБ хүртэлх зайд дууны даралтыг бий болгодог (өвдөлтийг мэдрэх босго түвшин)

Цагаан будаа. 4

Пьезоэлектрик ялгаруулагчийг хоёр хувилбараар авах боломжтой.

- "цэвэр" хувиргагч (хяналтын хэлхээгүй) - пьезо дуудлага;
- хяналтын хэлхээтэй ялгаруулагч (суулгасан генератортой) - зарлагчид.

Эхний төрлийн хувиргагч дуу чимээ гаргахын тулд үүсгэсэн хяналтын дохио шаардлагатай (тодорхой хувиргагч загварт заасан тодорхой давтамжийн синусоид эсвэл дөрвөлжин долгион). Суурилуулсан генератор бүхий ялгаруулагчид зөвхөн тодорхой хүчдэлийн түвшинг ашиглахыг шаарддаг. Ийм төхөөрөмжийг 1-ээс 250 В хүртэлх нэрлэсэн хүчдэлд (тогтмол гүйдэл ба хувьсах гүйдэл) зориулж үйлдвэрлэдэг.

Жишээлбэл, пьезоцерамик хонх (пьезо базер) ZP-1 (Зураг 4)Энэ нь хоёр пьезоблокоос бүрдэх бөгөөд тэдгээрийн мембран нь 32 мм-ийн гадна диаметртэй гүехэн хавтан хэлбэрээр хийгдсэн байдаг. Хавтангуудыг эсрэг талд нь овоолж, гадна талын хилийн дагуу гагнаж байна. Хонхны пьезоэлектрик элементүүдийг ээлжлэн хүчдэл хэрэглэх үед хавтангийн гадаргуу нь нийлж эсвэл зөрөх байдлаар солигддог. хонхны хоёр талд шахалтын болон ховордсон бүсүүд үүсдэг. Дуудлагын резонансын давтамж нь 2 кГц байна.

Цагаан будаа. 5

Энэ нь 10 В-ийн резонансын давтамжтай хүчдэлд 1 м-ийн зайд 75 дБ дууны даралтыг бий болгодог. Энэ хонх нь дууны долгионыг хагас орон зайд хоёуланд нь тэнцүү хэмжээгээр цацруулдаг. Хүснэгт 1бусад пьезоэлектрик ялгаруулагчийн параметрүүдийг өгсөн, Гадаад төрх 5-р зурагт үзүүлэв. Зураг 6-д пьезоэлектрик элементүүдийн далайц-давтамжийн шинж чанаруудыг үзүүлэв: PVA-1- fig.6a ба ZP-5 - fig.6b.

Хүснэгт 1 Пьезо ялгаруулагчийн шинж чанар

Жич: * - өөрөө хэлбэлзэх горимд ажиллах зориулалттай.

Цагаан будаа. 6, пьезоэлектрик элементүүдийн далайц-давтамжийн шинж чанар

А.Кашкаров