Odoslanie dobrej práce do databázy znalostí je jednoduché. Použite nižšie uvedený formulár

Študenti, postgraduálni študenti, mladí vedci, ktorí pri štúdiu a práci využívajú vedomostnú základňu, vám budú veľmi vďační.

Uverejnené dňa http://www.allbest.ru/

Ministerstvo generála a odborné vzdelanie Sverdlovská oblasť

Kontrola formácie mestskej časti Verkhnyaya Salda

Mestský vzdelávacia inštitúcia„Stredná škola č.2 s hĺbkové štúdium fyzika, matematika, ruský jazyk a literatúra“

výskumný projekt

(vedecký a technický smer)

Piezoelektrický efekt: efektívny alebo efektívny?

Umelec: Ionkin Alexander

Žiak 11. ročníka školy №2

Vedúci: Shevchuk Lyubov Alexandrovna

Učiteľ fyziky, vyššia kategória

Horná Salda 2008

Úvod

„Zmysel pre tajomstvo je najkrajší

skúsenosti, ktoré máme k dispozícii. Presne toto

cit stojí pri kolíske skutočného umenia

a skutočná veda.

Albert Einstein

Výnimočná, fenomenálna fyzika? Čo by na ňom mohlo byť také nezvyčajné alebo prekvapivé? Samozrejme, fyzici považujú fyziku za vzrušujúcu vedu, ale je to preto, že je to ich celoživotná práca. Objaviť novú subatomárnu časticu alebo nájsť nový spôsob, ako vysvetliť známy jav, môže byť zdrvujúce. Malé, no uspokojujúce vzrušenie však môže spôsobiť pozorovanie a pochopenie každodenných prírodných javov vo svete okolo nás. Oveľa zaujímavejšie je totiž zaoberať sa zvukovými nahrávkami, diaľkovými senzormi a zapaľovačmi, ak pochopíte ich podstatu. Skutočne úžasné, fenomenálne sú úspechy fyziky vo vysvetľovaní každodenných javov.

Žijeme v 21. storočí, storočí nových technológií. Život nestojí na mieste. Dochádza k rozvoju vedy, techniky, priemyslu, techniky a všade sa využívajú najnovšie prístupy k určitým procesom. Už známe, dlho a niekým objavované javy nachádzajú svoje nové uplatnenie, znovuzrodenie, alebo nachádzajú využitie v oblastiach susediacich s vedou a technikou – architektúra, stavebníctvo, komunikácie a pod.

Takže piezoelektrický efekt je široko používaný. Dokonca sa mi zdá, že je tu ešte veľa skrytých rezerv, neobjavených oblastí a oblastí jeho uplatnenia.

V tomto akademickom roku som začal pracovať na svojom výskumnom projekte vo vedecko-technickom smere „Piezoelektrický efekt: efektívny alebo efektívny?“.

Pri práci na projekte som si dal za cieľ: zistiť možnosti využitia piezoelektrického javu v rôznych oblastiach ľudského života.

Pre seba som určil nasledujúce úlohy:

Zoznámiť sa s históriou objavu a štúdia fenoménu piezoelektrického javu;

Zvážte teóriu piezoelektrického javu;

Zoznámiť sa s rozsahom piezoelektrického javu;

Vykonajte experimenty na demonštráciu priamych a reverzných piezoelektrických efektov a navrhnite metódu na určenie hodnoty napätia, ktorá sa vyskytuje počas priameho piezoelektrického efektu.

piezoelektrický napäťový efekt

História objavov a výskumu piezoelektrického javu

Piezoelektrický efekt objavili v roku 1880 bratia Pierre a Jacques Curieovci. Zistili, že ak sú kryštály niektorých dielektrík (Rochellova soľ, kremeň a pod.) vystavené mechanickému pôsobeniu, stláčaniu, potom sa na ich povrchu objavia elektrické náboje opačných znamienok, alebo, ako sa teraz hovorí, dochádza v kryštáli k indukovanej polarizácii. , ktorý vytvára vonkajšie a elektrické polia vo vnútri kryštálu. Tento jav - vznik elektrického poľa v dôsledku tlaku - sa nazýval priamy piezoelektrický efekt.

Bol tento objav náhodný alebo mu predchádzala vedecká hypotéza? Pri štúdiu elektrických vlastností pevných dielektrík s kryštálovou štruktúrou sformuloval Pierre Curie veľmi všeobecný princíp, ktorý sa dnes nazýva Curieho princíp. Jeho význam je nasledovný: jav má všetky znaky symetrie, ktoré má príčina, ktorá ich vygenerovala; asymetria javu je predurčená asymetriou príčiny. Pretože ióny opačných znamienok sú umiestnené vo vrcholoch kryštálovej mriežky, celkový náboj kryštálov akéhokoľvek tvaru je nulový. Ak sa však stredy kladných a záporných nábojov nezhodujú, potom je dipólový moment kryštálu nenulový a má polarizáciu. Preto, ak je dipólový moment kryštálu v nedeformovanom stave nula, potom v dôsledku deformácie kryštálu pri mechanickom pôsobení sa stredy kladných a záporných iónov môžu navzájom posunúť a objavia sa náboje opačných znamienok. na povrchu kryštálu. Možnosť takéhoto posunu závisí od symetrie (tvaru) kryštálu.

Formulovaný princíp a teória skupín umožnili vyčleniť triedy kryštálov, ktoré majú piezoelektrický efekt. Inverzný piezoelektrický jav spočíva v tom, že voľné kryštály s priamym piezoelektrickým javom sa vplyvom elektrického poľa deformujú. Čoskoro bratia Curieovci experimentálne potvrdili inverzný piezoelektrický efekt.

Prvé kvantitatívne merania stanovujúce vzťah medzi veľkosťou náboja a tlakom na kryštály soli Rochelle vykonal Pockels v roku 1894.

Tieto kvantitatívne vzťahy dal do matematickej podoby nemecký vedec Voigt v roku 1910. V roku 1928 podal celkom úplný systém týchto vzťahov, ktorý zhrnul poznatky nahromadené v oblasti piezoelektriky za predchádzajúce obdobie. Vzťahy získané Voigtom sú zásadné pre konštrukciu matematického modelu v elektroelasticite.

Piezoelektrický efekt okamžite nachádza široké uplatnenie v zázname a vo výrobe - v mnohých piezoelektrických snímačoch riadiacich a riadiacich systémov.

Od polovice 30-tych rokov 20. storočia sa v radarových systémoch používajú piezoelektrické prvky: špeciálne rezonátory a filtre vyrobené z prírodného kremeňa izolovali rádiové vlny odrazené od cieľa zo širokého spektra a zosilňovali ich. V týchto zariadeniach už fungoval princíp inverzného piezoelektrického javu: pri pôsobení elektrického prúdu na piezoelektrikum sa kryštál deformoval a vznikali v ňom kmity rezonujúce s vlnou vysielanou frekvenčným filtrom. Počas druhej svetovej vojny systémy protivzdušnej obrany vyvinuté Britmi založené na kremenných piezoelektrikách detekovali nemecké lietadlá vo vzdialených prístupoch, čím pripravili nepriateľa o výhodu prekvapenia. Z veľkej časti kvôli tomu zlyhal Goeringov plán poraziť Veľkú Britániu pomocou síl Luftwaffe.

Rozvoj leteckej a raketovej vedy v 50. a 60. rokoch 20. storočia si vyžiadal masovú výrobu presnejších prístrojov pre vzdušné aj pozemné navigačné a radarové systémy. Ťažilo sa veľmi málo vhodného (bez štruktúrnych defektov) prírodného kremeňa. Skutočný piezotechnický boom začal v polovici päťdesiatych rokov, keď sa naučili pestovať umelý kryštál kremeňa – prvýkrát sa to podarilo Alexandrovi Shtenbergovi, pracovníkovi Shubnikovovho ústavu kryštalografie Akadémie vied ZSSR (IKAN).

Langazit je sľubný piezoelektrický materiál

V roku 1983 skupina sovietskych vedcov z Katedry fyziky Moskovskej štátnej univerzity a Inštitútu kryštalografie vypestovala prvý kryštál langazitu (silikát lantán-gálium - La 3 Ga 5 SiO 14). Pôvodne sa plánovalo jeho využitie ako aktívny prvok pevnolátkových laserov s premenlivou frekvenciou žiarenia, niektoré parametre materiálu nevyhovovali špecialistom na nelineárnu optiku. Na druhej strane sa jeho piezoelektrické vlastnosti ukázali byť natoľko sľubné, že v dobe nemysliteľnej na vtedajšiu dobu, už dva roky po objave, sa na niekoľkých rastrových jednotkách Podolského experimentálneho chemického závodu (kurátori boli špecialisti z katedier kryštalografie MISiS a IKAN). Zároveň Phonon, vedúci inštitút pre vývoj piezotechniky, ktorý sa nedávno odčlenil od hlavného podniku Piezo, dostal za úlohu vyvinúť langazitové zariadenia pre navádzacie hlavy striel.

Záujem o langazit bol spôsobený tým, že mal v porovnaní s kremeňom širšie prenosové pásmo a zároveň na rozdiel od tantalátu lítneho a niobátu mal teplotnú stabilitu. Šírka pásma je charakterizovaná spektrom frekvencií sprevádzajúcich hlavnú vlnu a čím širšia je šírka pásma užitočného signálu v medzifrekvenčných zosilňovačoch, tým väčšie je množstvo digitálnych informácií, ktoré môže rádio vysielač/prijímač spracovať, a teda poskytnúť presnejšie súradnice rýchlo letiaceho cieľa. Význam miniatúrnych širokopásmových filtrov možno len ťažko preceňovať, pokiaľ ide napríklad o mobilné komunikácie. Napríklad teraz rozšírený štandard GSM (hlas a stacionárny obraz) vyžaduje na svoju činnosť šírku pásma iba 200 kHz a W-CDMA, o ktorom sa predpokladá, že sa stane celosvetovým štandardom ďalšej generácie, pretože umožňuje prenášať video v reálnom čase. , vyžaduje šírku pásma nad 5 MHz. To znamená, že pri frekvencii základnej vlny 2 GHz by šírka pásma filtra mala byť väčšia ako 0,3 %. Pre kremeň je index prenosovej šírky v závislosti od frekvencie hlavnej vlny 0,1 × 0,3 %, pre langazit od 0,3 do 1 %.

K dnešnému dňu Rusko podpísalo zmluvu s francúzskym Temex Microsonics. Do ich spoločného projektu v rámci európskeho inovačného programu Eureka preinvestujú do troch rokov približne 3 milióny eur. Viac ako 2 milióny poskytne francúzska strana, predovšetkým francúzska vláda, viac ako 200 tisíc pridelí Bortnikova nadácia a asi 700 tisíc vlastných prostriedkov investuje Fomos. Ako výsledok ruská spoločnosť príde s novým piezoelektrickým (z gréckeho piezo - lisujem) materiálom langasite na európsky trh a Temex Microsonics z neho bude organizovať sériovú výrobu filtrov pre čoraz rozšírenejšie mobilné systémy novej generácie (štandard W-CDMA).

Fyzikálna teória piezoelektrického javu

Dielektrika (v gréčtine. priem- cez, cez, v angličtine. el- elektrické) sú látky, ktoré nevedú elektrický prúd. Dôvodom je absencia voľných nábojov v dielektrikách. Kladné a záporné náboje v molekulách a atómoch dielektrík sú navzájom spojené Coulombovými silami, ktoré sú oveľa väčšie ako sily, ktorými môže na tieto náboje pôsobiť vonkajšie elektrické pole. Nedokáže ich roztrhnúť, ale môže ich len posunúť o vzdialenosť rádovo rozmerov samotnej molekuly (10 -10 m). Preto sú v molekulách dielektrika viazané kladné a záporné náboje. Nemôžu sa voľne pohybovať pozdĺž dielektrika zavedeného do vonkajšieho elektrického poľa.

V molekulách látok možno označiť bod, v ktorom bude mať celkový náboj elektrónového obalu molekuly rovnaký vplyv na jej kladné náboje, ako by mali všetky negatívne náboje tejto molekuly, ak by boli rozložené v jej objeme.

Tento bod sa nazýva ťažisko záporných nábojov molekuly. Podobne možno označiť ťažisko kladných nábojov, t.j. bod, v ktorom bude mať celkový kladný náboj molekuly rovnaký vplyv na jej záporné náboje, ako na ne majú všetky kladné náboje molekuly.

Dielektriká, v ktorých molekuly sú spojené ťažiská kladných a záporných nábojov v neprítomnosti vonkajšieho elektrického poľa, sa nazývajú nepolárne dielektriká. Príkladom takýchto dielektrík môžu byť plyny: vodík, dusík, kyslík. Dielektriká, v molekulách ktorých sú ťažiská kladných a záporných nábojov priestorovo oddelené a pri absencii vonkajšieho elektrického poľa sa nazývajú polárne. Molekuly ľadu slúžia ako príklad polárnych molekúl.

Presun nábojov v molekulách a atómoch dielektrika v opačných smeroch pôsobením elektrického poľa, v dôsledku čoho sa na povrchoch dielektrika objavujú nekompenzované viazané náboje, sa nazýva polarizácia dielektrika.

V homogénnych a izotopových tuhých amorfných dielektrikách, ako aj kvapalných a plynných dielektrikách pri absencii vonkajšieho elektrického poľa vždy chýba polarizácia v dôsledku nesprávnej orientácie dipólových momentov jednotlivých molekúl. Ak sa takéto polarizované dielektrikum odstráni z vonkajšieho elektrického poľa, potom tepelný chaotický pohyb, ktorý je vždy súčasťou molekúl, rýchlo eliminuje naviazané náboje na jeho povrchoch a v tomto prípade sa celkový dipólový moment každej jednotky objemu dielektrika rovná. na nulu, to znamená, že polarizácia zmizne.

V prírode však existujú kryštalické dielektriká, ktorých molekuly tvoria skupiny, ktoré majú spontánnu (spontánnu) polarizáciu aj v neprítomnosti vonkajšieho elektrického poľa. Je jasné, že tieto skupiny môžu byť vytvorené iba z polárnych molekúl. Takéto skupiny molekúl sa nazývajú domény. Správanie sa molekúl, ktoré tvoria doménu, je vysvetlené zákonmi kvantovej mechaniky.

Dielektriká s doménovou štruktúrou sa nazývajú feroelektriká. Tento názov pochádza zo slov "Rochellova soľ" - najtypickejšie feroelektrikum, ktoré bolo pomenované po francúzskom lekárnikovi E. Segnette, ktorý túto látku ako prvý syntetizoval.

Všetky feroelektriká sú kryštály.

Keď sa kryštál nepolarizovaného feroelektrika umiestni do vonkajšieho elektrického poľa a sila tohto poľa sa zvýši, domény sa začnú viac a viac orientovať pozdĺž poľa, čomu bráni tepelný dezorientačný pohyb molekúl.

Obrázok 1 Feroelektrické vo vonkajšom poli

Keď sa dosiahne dostatočne veľká intenzita, všetky kryštálové domény budú orientované pozdĺž poľa. Takýto stav dielektrika sa nazýva saturácia a zodpovedajúce napätie sa nazýva saturačné napätie.

Ak odstránite dielektrikum z elektrického poľa, zachová si polarizáciu.

Schopnosť udržať polarizáciu aj pri absencii vonkajšieho elektrického poľa je najviac Hlavná prednosť ktorý odlišuje feroelektrikum od ostatných dielektrík.

Na depolarizáciu feroelektrika je potrebné umiestniť ho do elektrického poľa, ktoré je protismerné k pôvodnému.

V súčasnosti je známych niekoľko stoviek feroelektrík. Druhou výraznou vlastnosťou, ktorá ich odlišuje od ostatných dielektrík, je extrémne vysoká hodnota relatívnej permitivity, ktorá u jednotlivých feroelektrík dosahuje niekoľko tisíc, zatiaľ čo u ostatných dielektrík sa pohybuje v rozmedzí desiatich a len pri vode dosahuje 81. Treťou vlastnosťou feroelektrík je závislosť relatívnej permitivity od sily vonkajšieho elektrického poľa, kým pre ostatné dielektriká je konštantná.

Všetky feroelektriká majú také pozoruhodné vlastnosti len v určitom teplotnom rozsahu. Napríklad Rochellova soľ má doménovú štruktúru len v teplotnom rozsahu medzi -15 0 C a 22,5 0 C. Pri iných teplotách sa správa ako bežné dielektrikum. Napríklad v kremeni sa do teploty 200 stupňov Celzia piezoelektrické vlastnosti mierne zmenia a potom až do teploty 576 stupňov Celzia začnú pomaly slabnúť. Pri 576 stupňoch sa kryštálová mriežka kremeňa preusporiada, v dôsledku čoho zmiznú jej piezoelektrické vlastnosti. S poklesom teploty sa vlastnosti kremeňa menia v opačnom smere.

Tieto prechodové teploty, pri ktorých sa dielektrikum stáva feroelektrikom, sa nazývajú Curieove body podľa bratov Pierra a Joliota Curieovcov, ktorí tento jav objavili.

U väčšiny dielektrík dochádza k polarizácii pôsobením vonkajšieho elektrického poľa a pri piezoelektrikách v dôsledku mechanického pôsobenia, napríklad pri stlačení alebo ťahu.

Existujú pozdĺžne a priečne piezoelektrické efekty.

Výskyt nábojov na plochách kolmých na polárnu os s rovnomernou deformáciou kryštálu pozdĺž tejto osi sa nazýva pozdĺžny piezoelektrický efekt. Je však možné vyvolať výskyt nábojov na rovnakých plochách stlačením alebo natiahnutím kryštálu kolmo na polárnu os, pokiaľ je kryštál natiahnutý alebo stlačený pozdĺž polárnej osi. Tento jav sa nazýva priečny piezoelektrický jav. Jeho existencia je určená vzťahom medzi pozdĺžnou a priečnou deformáciou pevného telesa.

Obrázok 2 Pozdĺžne (a) a priečne (b) piezoelektrické efekty

Piezoelektriká sú všetky feroelektriká, ako aj niektoré ďalšie dielektriká, ako je kremeň, niektoré druhy keramiky.

Piezoelektrické vlastnosti môžu mať iba iónové kryštály. K piezoelektrickému javu dochádza, keď sa pôsobením vonkajších síl kryštalická podmriežka kladných iónov deformuje inak ako kryštalická podmriežka záporných iónov. V dôsledku toho dochádza k relatívnemu premiestňovaniu kladných a záporných iónov, čo vedie k objaveniu sa polarizácie kryštálov a povrchových nábojov. Polarizácia v prvej aproximácii je priamo úmerná deformácii, ktorá je zase priamo úmerná sile. Preto je polarizácia priamo úmerná použitej sile. Medzi opačne nabitými plochami deformovaného dielektrika vzniká potenciálny rozdiel, ktorý je možné zmerať a z jeho hodnoty možno vyvodiť záver o veľkosti deformácií a pôsobiacich síl.

Fyzikálny obraz polarizácie pevných dielektrík odhaľuje kvantová mechanika. Budem uvažovať len o formálnej teórii polarizácie.

Piezoelektriká sú kryštály s mriežkou kladných a záporných iónov, v ktorých pri ich deformácii v určitých smeroch vznikajú povrchovo viazané náboje na plochách kolmých na smer deformujúcej sily.

Obrázok 3 Kremenná mriežka

Ak sú tieto plochy opatrené kovovými platňami, potom sa na ich vonkajšom povrchu objavia indukované voľné náboje rovnakého znamienka ako tie viazané. Medzi doskami bude potenciálny rozdiel.

Klasickým (a prakticky dôležitým) piezoelektrikom je kremeň (SiO 2). Základná bunka jej kryštálovej mriežky obsahuje tri molekuly pozostávajúce z iónov kremíka (pozitívne) a kyslíka (záporné). Schematicky sú znázornené na obrázku 3, a(nedeformovaný kryštál): kladné ióny sú šrafované kruhy, záporné ióny sú biele.

Keď je kryštál stlačený v smere X 1, symetria bunky sa naruší (obrázok 3, b). Viazaný záporný náboj sa objaví na hornej strane kryštálu a rovnaký kladný náboj sa objaví na spodnej strane. Pri natiahnutí (obrázok 3, c) sa znaky nábojov menia na opačné.

Hustota povrchového náboja pri malých relatívnych deformáciách je úmerná mechanickému namáhaniu, ktoré vzniklo v kryštáli:

Táto závislosť sa nazýva rovnica priameho piezoelektrického javu.

Koeficient proporcionality - piezoelektrický modul d- vyjadruje sa v coulombách na newton (Cl H -1). Pre kremeň

d\u003d 2 10 -12 C / N.

Zvážte inverzný piezoelektrický efekt: keď je na kryštál aplikované elektrické napätie, deformuje sa a znamenie deformácie závisí od smeru vonkajšieho elektrostatického poľa.

Obrázok 4 Schematické obrázky priamych (a, b) a reverzných (c, d) piezoelektrických javov. Šípky F a E znázorňujú vonkajšie vplyvy - mechanickú silu a intenzitu elektrického poľa. Prerušované čiary znázorňujú obrysy piezoelektrika pred vonkajším pôsobením, plné čiary znázorňujú obrysy deformácie piezoelektrika (pre názornosť sú mnohonásobne zväčšené); P - polarizačný vektor

Nech sa v kryštáli vytvorí mechanické napätie = 10 4 Pa. V tomto prípade bude hustota výsledných nábojov

210-8 C/m2

a v kryštáli (=4,5) sa vytvorí elektrostatické pole so silou

S hrúbkou kryštálu h\u003d 10 -2 m na doskách jeho plôch sa získa potenciálny rozdiel 5 V.

Keď sa na piezoelektrikum aplikuje striedavé elektrické napätie, dochádza k núteným mechanickým vibráciám. Pri rezonancii (a platňa má vlastnú frekvenciu, ktorá je nepriamo úmerná hrúbke kryštálu) sa amplitúda kmitov prudko zvyšuje. Ak je kryštál ponorený do kvapaliny, ktorej akustický odpor sa príliš nelíši od akustického odporu kryštálu, v kvapaline sa vybudia intenzívne mechanické vlny. Zvyčajne sa používajú ultrazvukové frekvencie, pri ktorých je vlnová dĺžka v kvapaline malá - to umožňuje získať vlnu šíriacu sa bez výraznej absorpcie, čo je praktické.

Ultrazvuková vlna môže vzniknúť v pevnom telese (napríklad v kovovom odliatku), kde sa vlna šíri bez citeľnej absorpcie. Ak je však v kove dutina, ktorá sa náhodne objavila pri výrobe odliatku, vlna sa na nej rozplynie. Preto sondovaním kovu ultrazvukovou vlnou je možné nájsť vnútorné defekty bez toho, aby ste ho zničili.

Pretože zrýchlenia počas ultrazvukových vĺn sú veľmi veľké - s amplitúdou x m \u003d 10 -6 m a frekvenciou \u003d 10 5 Hz, amplitúda zrýchlenia bude

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

Potom sa pomocou ultrazvukových vĺn čistí povrch kovových telies (ponorených v kvapaline), vytvárajú sa emulzie (suspenzie kvapiek jednej kvapaliny v druhej, ktorá sa v nej nerozpúšťa) a mnohé ďalšie praktické aplikácie.

Ako zmerať hodnotu vysokého napätia generovaného piezoelektrickým javom?

Piezoelektrický prvok je hlavnou súčasťou piezo zapaľovača. Preto som všetky svoje experimenty robil pomocou piezo zapaľovača. Pre jeho pohodlné používanie som z plastového puzdra vytiahol dva vodiče.

Pre zistenie výstupného napätia pri demonštrácii priameho piezoelektrického javu som jeden vodič od zapaľovača pripojil na puzdro demonštračného elektromera a druhý na tyč elektromera. Keď jemne stlačíte tlačidlo zapaľovača, šípka elektromera sa začne vychyľovať. Maximálnu hodnotu napätia sa mi však nepodarilo určiť pomocou elektromera, keďže šípka prístroja presahuje stupnicu (vieme, že hodnota dielika stupnice elektromera je približne 300 V).

Skúsim určiť v akých medziach bude výsledné napätie ležať. Za týmto účelom vykonáme experiment so žiarivkou. Vymažem štartér z okruhu lampy a skúsim rozsvietiť lampu pripojenú k sieti. Lampa sa nerozsvieti. Aby bolo možné v lampe pozorovať samovoľný výboj, je potrebné, aby mal potenciálny rozdiel rádovo desať kilovoltov. Takéto podmienky sa pokúsim vytvoriť pomocou piezoelektrického prvku zo zapaľovača, priloženého namiesto štartéra. Jeden z vývodov piezozapaľovača pripojíme k jednej z elektród svietidla, druhý k drôtu navinutému na sklenenom povrchu svietidla. Keď stlačíte tlačidlo piezo zapaľovača, lampa sa rozsvieti.

Pre presnejšie určenie napätia na výstupe zapaľovača som použil demonštračnú stupnicu. Na spodok jednej váhy som nalepil štvorec kovovej fólie a veľmi tenkým drôtikom pripojil k jednému kontaktu zapaľovača. Potom sa metalizovaný pohár prevrátil a položil na váhu. Na vrch tohto pohára som položil ďalší štvorček fólie (použil som dizajn váh) a pripojil som ho k druhému kontaktu zapaľovača. Dve kovové fóliové dosky tvoria plochý kondenzátor. Váhu som vyvážil závažím.

Keď jemne stlačíte tlačidlo zapaľovača, medzi platničkami vznikne elektrostatická príťažlivá sila a váhy sa vychýlia z rovnováhy. Odchýlkou ​​šípky váh určím hmotnosť závaží potrebnú na obnovenie rovnováhy. Môžem teda zmerať maximálnu hodnotu sily medzi platňami a vypočítať napätie. Uskutočnil som 3 experimenty, v ktorých som použil dosky s plochou S = 1,21 10 -2 m 2, vzdialenosť medzi nimi bola nastavená na 2 10 -2 m, priemerná hodnota v experimentoch bola m = 7 10 - 4 kg.

S vedomím, že

Pomocou vzorca 1 získaného na výpočet napätia som získal nasledujúce výsledky

Pri experimentoch s meraním napätia na výstupe piezo zapaľovača som pozoroval aj inverzný piezoelektrický efekt. Takže pri vybíjaní dosiek kondenzátora pomocou skratu som počul kliknutie piezoelektrického prvku v dôsledku jeho deformácie pri vybíjaní kondenzátora.

Aplikácia piezoelektrického javu

Hlavné využitie piezoelektrického javu: - vzájomná premena mechanických a elektrických vibrácií - frekvenčné snímače, snímače a zdroje ultrazvukových vibrácií, snímače, tlakomery atď., keďže piezoelektrika sú reverzibilné elektromechanické meniče, t.j. sú schopné premieňať mechanickú energiu na elektrická energia a naopak elektrická energia na mechanickú energiu. Meniče založené na využití priameho piezoelektrického javu sa nazývajú generátorové meniče; majú mechanický vstup a elektrický výstup.

Meniče založené na použití spätného piezoelektrického javu sa nazývajú motorové meniče; majú elektrický vstup a mechanické výstupy. Existuje mnoho piezoelektrických zariadení založených na použití priamych aj spätných efektov. Priamy efekt sa využíva napríklad v mikrofónoch, snímačoch zvuku, snímačoch mechanických síl, výchyliek a zrýchlení, plynových zapaľovačoch v domácnostiach a pod. Spätný efekt slúžil ako základ pre vznik telefónov, reproduktorov, ultrazvukových žiaričov, relé, atď. motory atď.

Známe a v praxi našli uplatnenie piezoelektrické meniče - piezoelektrické transformátory (skrátene piezotransformátory). Schematicky je zariadenie piezotransformátora znázornené na obrázku 5, ktorý vysvetľuje, že ide o piezoelektrický menič vo forme štvorpólovej siete len s elektrickým vstupom a výstupom.

Obrázok 5 Piezotransformátor

Činnosť piezotransformátora je založená na využití priamych aj spätných piezoelektrických javov. Elektrické napätie privedené na vstupné elektródy piezotransformátora v dôsledku inverzného piezoelektrického javu spôsobí deformáciu celého objemu piezoelektrického materiálu a na výstupných elektródach sa objaví elektrické (sekundárne) napätie v dôsledku priameho piezoelektrického efektu. účinok. V piezotransformátore dochádza k dvojitej premene energie – elektrickej na mechanickú a potom mechanickej na elektrickú. Rovnako ako elektromagnetický transformátor, aj piezotransformátor sa používa na premenu elektrického napätia. Výberom veľkosti elektród a ich umiestnenia môžete získať rôzne hodnoty transformačného pomeru. Piezotransformátory sa zvyčajne používajú v rezonančnom režime, v ktorom sa dosahujú veľké hodnoty transformačného pomeru (rádovo niekoľko stoviek). Piezotransformátory sa používajú vo vysokonapäťových sekundárnych zdrojoch napájania.

Piezoelektrický prvok je piezoelektrické teleso určitých rozmerov, geometrického tvaru a orientácie vzhľadom na hlavné kryštalografické osi (alebo smer polarizácie v prípade piezokeramiky s vodivými doskami (elektródami).

Obrázok 6 Piezoelektrický prvok: 1 - piezoelektrická platnička; 2 - elektródy vyrobené z vodivého materiálu navrstvené na okrajoch platne

Piezoelektrický prvok je elektrický kondenzátor s pevným (kryštalickým alebo keramickým) dielektrikom. Charakteristickým znakom takéhoto kondenzátora je prítomnosť piezoelektrických vlastností v dielektriku, ktoré vypĺňa priestor medzi elektródami. Ak je piezoelektrický prvok použitý ako elektromechanický menič, potom sa jeho orientácia volí na základe požiadaviek na dosiahnutie čo najväčšieho účinku. Vonkajšie sily (mechanické aj elektrické) pôsobiace na piezoelektrický prvok môžu byť rozdelené alebo koncentrované. Rozložené sily umožňujú dosiahnuť efektívnejšiu konverziu. Preto sa pre efektívnejšiu polarizáciu piezoelektrického objemu používajú elektródy, ktoré pokrývajú celú plochu plôch piezoelektrického prvku a na vytvorenie rovnomerne rozloženého mechanického namáhania sa používajú výstelky z elastického materiálu, ktoré dobre priliehajú k plochám piezoelektrického prvku. a premieňať vonkajšie sústredené sily na rozložené.

Vonkajšia sila spôsobuje deformáciu piezoelektrického prvku, jeho polarizáciu a vznik opačných elektrických nábojov na elektródach. Veľkosť elektrického náboja alebo výsledné napätie je možné merať vhodným meracím zariadením pripevneným na elektródy piezoelektrického prvku. Vonkajšia sila dodáva piezoelektrickému prvku energiu vo forme elastickej deformácie, ktorú je možné vypočítať, ak je známa veľkosť pôsobiacej sily a tuhosť piezoelektrického prvku. Súčasne s deformáciou piezoelektrického prvku sa na jeho elektródach objaví elektrické napätie. V dôsledku toho sa časť energie odovzdanej piezoelektrickému prvku vonkajšou silou ukáže ako elektrická a jej hodnotu možno vypočítať, ak je známe elektrické napätie na elektródach a kapacita piezoelektrického prvku.

Dnes hovoria o sľubnej aplikácii piezokeramických materiálov. Piezoelektrické materiály možno podmienečne rozdeliť do dvoch skupín: piezoelektrické monokryštály a piezokeramiky.

Prírodné piezoelektrické materiály sú dosť drahé. V tomto smere potreby rýchlo sa rozvíjajúcej elektroniky v súčasnosti uspokojujú syntetické piezoelektrické monokryštály, ktoré sa pestujú v špeciálnych zariadeniach. Piezoelektrické vlastnosti takýchto kryštálov s dostatočne vysokou opakovateľnosťou možno nastaviť zložením ich zložiek.

Vyrastené kryštály sa určitým spôsobom režú na platne, niektoré (feroelektriká) sa polarizujú a brúsením a nanášaním elektród sa z nich vyrábajú piezoelektrické prvky.

Piezoelektrická keramika fyzikálne vlastnosti ide o polykryštalické feroelektrikum, čo je chemická zlúčenina alebo tuhý roztok (prášok) zŕn (kryštalitov).

Autor: chemické zloženie je to komplexný oxid, vrátane dvojmocných iónov olova alebo bária, ako aj štvormocných iónov titánu alebo zirkónu. Zmenou základného pomeru východiskových látok a zavedením prísad sa syntetizujú rôzne zloženia piezokeramiky, ktoré majú určité elektrofyzikálne a piezoelektrické vlastnosti.

Najväčšie zastúpenie získala skupina piezokeramických materiálov typu PZT (zirkoničitan titaničitan olovnatý). Súčasne sa používa keramika na báze titaničitanu bárnatého (TB) a titaničitanu olovnatého (TL). V posledných rokoch boli vyvinuté nové piezokeramické materiály s vlastnosťami, ktoré v niektorých prípadoch umožňujú ich použitie namiesto drahších piezoelektrických kryštálov. Predovšetkým bola vyvinutá a vyrábaná skupina materiálov na báze niobátu olovnatého, ktorá už našla praktické uplatnenie vďaka možnosti využitia vo frekvenčnom rozsahu do 30 MHz a viac. Významný výskum prebieha v oblasti vytvárania piezokeramických kompozitných materiálov, ako aj viacvrstvovej keramiky. Zahraniční výrobcovia ho v závislosti od piezoelektrických vlastností delia na ferotvrdé a feromäkké. V domácej praxi dochádza k dodatočnému deleniu na keramiku strednej ferorigidity, ako aj na vysoko stabilné, vysokoteplotné materiály atď.

Na rozdiel od piezoelektrických kryštálov sa piezokeramické prvky vyrábajú polosuchým lisovaním, liatím liatím, liatím za tepla, extrúziou alebo izostatickým lisovaním s následným vypaľovaním na vzduchu pri teplote 1000-1400 0 C. Aby sa znížila pórovitosť, môže byť vykonávané v kyslíkovom prostredí, alebo Prvok je vyrobený metódou liatia za tepla. Pomocou špeciálnej technológie sa elektródy nanášajú na povrch obrobkov.

Keramika je potom piezoelektrická v akomkoľvek zvolenom smere polarizácie umiestnením do silného elektrického poľa s teplotou pod takzvaným Curieho bodom. Polarizácia je zvyčajne konečným procesom pri výrobe piezokeramických prvkov, aj keď po nej nasleduje tepelná stabilizácia a kontrola parametrov.

Piezoelektrická keramika je tvrdý, chemicky inertný materiál, úplne necitlivý na vlhkosť a iné atmosférické vplyvy. Z hľadiska mechanických vlastností je podobný keramickým izolantom.

Obrázok 7 Piezo prvky rôznych konfigurácií

V závislosti od účelu môžu mať piezoelektrické prvky širokú škálu konfigurácií - od plochých až po objemové (gule, hemisféry atď.)

Piezoelektrické prvky sú ideálne pri použití ako elektromechanické meniče. Široko sa používajú na výrobu piezokeramických komponentov, zostáv a zariadení. Niektoré piezokeramické prvky môžu už na začiatku plniť funkcie súčiastky alebo zostavy a nepotrebujú ďalší vývoj. Všetky produkty vyrobené na báze piezokeramiky sú rozdelené do nasledujúcich hlavných skupín: generátory, snímače (snímače), akčné členy (piezopohony), prevodníky a kombinované systémy.

Piezokeramické generátory premieňajú mechanické pôsobenie na elektrický potenciál pomocou priameho piezoelektrického javu. Príkladom sú iskrové zapaľovače tlakového a nárazového typu, používané v rôznych typoch zapaľovačov a zapaľovacích systémov, ako aj polovodičové batérie na báze viacvrstvovej piezokeramiky, používané v moderných elektronických obvodoch.

Obrázok 8 Piezo snímače

Piezokeramické snímače premieňajú mechanickú silu alebo pohyb na proporcionálny elektrický signál, teda aj na základe priameho piezoelektrického javu.

V rámci aktívnej implementácie počítačová technológia snímače sú nepostrádateľné zariadenia, ktoré umožňujú koordinovať mechanické systémy s elektronickými monitorovacími a riadiacimi systémami.

Existujú dva hlavné typy piezokeramických snímačov: axiálne (mechanická sila pôsobí pozdĺž polarizačnej osi) a flexibilné (sila pôsobí kolmo na polarizačnú os).

V axiálnych snímačoch sa ako piezoelektrické prvky používajú disky, krúžky, valce a platne. Príklady zahŕňajú snímače zrýchlenia (akcelerometre), snímače tlaku, snímače klepania, snímače deštrukcie a podobne. Príkladom flexibilných snímačov môžu byť snímače sily a zrýchlenia.

Piezokeramické akčné členy (piezopohony) sú postavené na princípe inverzného piezoelektrického javu a preto sú určené na premenu elektrických veličín (napätia alebo náboja) na mechanické posunutie (posun) pracovnej tekutiny. Pohony sú rozdelené do troch hlavných skupín: axiálne, priečne a flexibilné. Axiálne a priečne aktuátory majú tiež spoločný názov - viacvrstvové balenie, keďže sú zostavené z niekoľkých piezoelektrických prvkov (kotúčov, tyčí, platní alebo tyčí) do obalu. Dokážu vyvinúť výraznú silu (blokovaciu silu) až 10 kN pri riadiacom napätí 1 kV, avšak s veľmi malými odchýlkami pracovnej časti (od niekoľkých nanometrov až po stovky mikrónov). Takéto pohony sa tiež nazývajú výkonné.

Flexibilné aktuátory (bimorfy) vyvíjajú nevýznamnú blokovaciu silu pri malých (stovkách mikrónov) odchýlkach pracovnej časti. Americká spoločnosť APC International Inc. sa podarilo vytvoriť a vstúpiť na trh s novým typom doskového bimorfu – „páskovým ovládačom“ (reg ochranná známka). Pásový pohon môže poskytnúť blokovaciu silu 0,95 N a výchylku 1,2 mm alebo výchylku až 3 mm a blokovaciu silu 0,6 N.

Flexibilné pohony patria do skupiny s nízkym výkonom. Do rovnakej skupiny budú patriť aj perspektívne axiálne aktuátory, ktoré sú monoblokom vyrobeným technológiou viacvrstvovej piezokeramiky.

Paketové ovládače môžu vyrábať spoločnosti, ktoré nesúvisia s výrobou piezokeramiky. Flexibilné a axiálne ovládače vyrobené z viacvrstvovej keramiky sú samy osebe piezokeramickými prvkami. Môžu ich vyrábať iba podniky, ktoré vlastnia technológie a zariadenia na výrobu piezokeramických prvkov.

Piezokeramické meniče sú určené na premenu elektrickej energie na mechanickú energiu. Rovnako ako akčné členy sú založené na princípe inverzného piezoelektrického javu.

Prevodníky v závislosti od frekvenčného rozsahu sú rozdelené do troch typov:

zvuk (pod 20 kHz) - bzučiaky, telefónne mikrofóny, vysokofrekvenčné reproduktory, sirény atď.;

ultrazvukové - vysokointenzívne žiariče na zváranie a rezanie, umývanie a čistenie materiálov, snímače hladiny kvapalín, disperzné rozprašovače, generátory hmly, inhalátory, zvlhčovače vzduchu. Významnou skupinou sú takzvané ultrazvukové diaľkomery vo vzduchu, čo sú piezokeramické komponenty. Používajú sa ako merače vzdialenosti pre automobilovú a traktorovú techniku, snímače prítomnosti a pohybu v bezpečnostných systémoch, v hladinomeroch, na diaľkové monitorovanie a ovládanie, v zariadeniach na odplašenie vtákov, zvierat a poľnohospodárskych škodcov atď. Vyrábajú sa tri typy zariadení : vysielanie, prijímanie a transceivery;

vysokofrekvenčný ultrazvuk -- materiálové testovacie a nedeštruktívne testovacie zariadenia, medicínska a priemyselná diagnostika, oneskorovacie linky a pod.

Kombinované piezokeramické systémy premieňajú elektrické veličiny na elektrické veličiny s postupným využívaním spätných a priamych piezoelektrických efektov. Príklady takýchto systémov zahŕňajú echoloty, prietokomery, piezotransformátory, "hľadač kľúčov".

Napriek tomu, že piezoelektrický efekt bol objavený v 19. storočí a od druhej polovice 20. storočia sa teória a technológia vytvárania piezokeramických materiálov aktívne rozvíjala, verí sa, že piezokeramika je jedným z perspektívnych materiálov 21. storočie. Dôvodom tohto názoru je, že pozoruhodné vlastnosti piezokeramiky stále nie sú úplne požadované vedou, inžinierstvom a technológiou.

Aktívne používanie piezokeramiky v rôznych oblastiach sa začalo v 60-70 rokoch XX storočia. Vlastnosti piezokeramických snímačov a piezokeramických meničov boli celkom dobre študované a používané. V súčasnosti sa piezokeramika široko používa na ultrazvukovú diagnostiku v medicíne, letectve a železničnej doprave, energetike, ropnom a plynárenskom priemysle; výkonová piezokeramika -- pri zváraní ultrazvukom, čistení povrchov, lakovaní, vŕtaní atď.

Zároveň sa piezokeramika stále nedostatočne využíva na vytváranie generátorov, akčných členov a v kombinovaných systémoch. Moderné požiadavky na úsporu energie, miniaturizáciu, adaptabilitu na počítačové riadiace a monitorovacie systémy však čoraz viac nútia výrobcov strojov a zariadení obracať sa na výrobcov piezokeramiky s cieľom spoločne hľadať určité technologické riešenia s použitím piezokeramiky. Vďaka tomu sa objavujú nové typy piezokeramiky, vznikajú nové a zdokonaľujú sa známe piezokeramické prvky a komponenty. Osobitná pozornosť sa v súčasnosti venuje piezokeramickým transformátorom a akčným členom.

Súčasná spotreba piezotransformátorov síce nie je taká veľká, no potenciál ich uplatnenia v budúcnosti je napriek tomu obrovský.

Jedným zo sľubných smerov je ich použitie v domácich a priemyselných plynových osvetľovacích zariadeniach ako rezonančné DC-AC meniče. Teraz sa na tieto účely používajú rôzne komponenty. Základ sľubovania svietidlá už boli stanovené zásady, ktoré umožňujú ušetriť až 80 % elektrickej energie v porovnaní so súčasne používanými spotrebičmi. Preto jediným parametrom, ktorý musia perspektívne meniče spĺňať, sú ich minimálne geometrické rozmery. Prieskum trhu potvrdzuje, že vývojárov osvetlenia až tak nezaujímajú porovnávacie charakteristiky napätia či príkonu meničov, ale rozmery, ktoré umožňujú ich inštaláciu do pätice svietidla. Nedávne štúdie ukázali uskutočniteľnosť použitia viacvrstvových piezokeramických transformátorov v novej technológii osvetlenia. Boli vyvinuté prototypy takýchto meničov, ktoré okrem ceny spĺňajú takmer všetky požiadavky. Výrobcovia piezokeramiky preto aktívne pracujú na technológii, ktorá by znížila ich náklady.

Ďalším sľubným smerom využitia piezotransformátorov je ich využitie v silových zariadeniach. Na trhu sa objavili moderné zariadenia, ktoré nepoužívajú tradičné jednovrstvové (Rosen Type) piezotransformátory, ale viacvrstvové transformátory. Príkladmi sú podsvietenie displeja z tekutých kryštálov a hnacie žiarivkové osvetľovacie systémy so studenou katódou. Medzi výhody viacvrstvových piezotransformátorov v porovnaní s tradičnými patria ich malé rozmery (najmä hrúbka) a nižšia energetická náročnosť. Pre moderné viacvrstvové transformátory, ktoré sa objavili na trhu, je však stále určujúcimi faktormi cena a veľkosť a výrobcovia aktívne pracujú na ich znižovaní.

Existuje veľká možnosť použitia piezotransformátorov v moderných televíznych a počítačových displejoch. Boli už vypracované prototypy takýchto displejov, ktoré sa nazývajú FED - Field Emission Displays (FED - Field Emission Display). Ide o ploché displeje, ktoré majú vyššie rozlíšenie a čistotu obrazu ako moderné. Vyvíja sa však už aj nová generácia obrazoviek s obrazom bez blikania (Flicker Free Image Screen), pre napájanie ktorých je zabezpečené aj použitie viacvrstvových piezokeramických transformátorov. Trh televíznej a výpočtovej techniky udivuje svojimi novinkami a núti výrobcov piezokeramických prvkov zintenzívniť výskum a vývoj v tejto oblasti.

Stack aktuátory sa už používajú vo vesmíre, laserovej technike a optických prístrojoch na ladenie antén a zrkadiel s manometrickou presnosťou. Predpokladá sa, že nájdu širšie využitie tam, kde je dôležité vyvinúť hnaciu silu pri minimálnom uhle pojazdu.

Jednou z perspektívnych oblastí je ich využitie pri jemnom ladení obrábacích strojov. Piezo aktuátory sú vďaka svojej tuhej konštrukcii ideálnym nástrojom na rýchle a presné nastavenie. Privedením pevného napätia na šablónu vo fáze s otáčaním vretena je možné zabezpečiť vysokú presnosť pri opracovaní dielu pracovným telesom stroja.

V priemysle obrábacích strojov sa plánuje ich použitie aj na potlačenie (kompenzáciu) vibrácií. Nežiaduce vibrácie stroja je možné kompenzovať použitím viacvrstvových akčných členov pracujúcich v protifáze s vibračnými vibráciami. To následne zlepší kvalitu konečného produktu, ako aj zabráni nadmernému opotrebovaniu nástrojov a výrazne zníži hlučnosť stroja. Kompenzátory vibrácií nájdu uplatnenie nielen v priemysle obrábacích strojov, ale aj v iných oblastiach.

Ďalšou sľubnou aplikáciou pre stohové pohony je ovládanie hydraulických ventilov. Príkladom toho je najnovší vývoj piezokeramických vysokorýchlostných ventilov pre palivové zariadenia pre naftové motory osobných a nákladných automobilov, ako aj pre rozvody plynu naftových motorov a spaľovacích motorov.

Živý príklad integrovaného použitia piezokeramických prvkov, zostáv a dielov na nich založených môže slúžiť ako spoločný vývoj americkej spoločnosti APC International, Ltd. s výrobcami komponentov pre automobilový priemysel.

Moderné, technicky prepracované vozidlá neustále vyžadujú zavádzanie dodatočnej elektroniky na zlepšenie spoľahlivosti, bezpečnosti a komfortu.

Piezokeramika sa tak vďaka svojim jedinečným vlastnostiam stále viac používa v rôznych oblastiach strojárstva a techniky. Zahraniční výrobcovia piezokeramiky, prvkov a komponentov na nej založených, ktorí sa snažia plnšie spĺňať požiadavky moderného trhu, vykonávajú výskumné a dizajnérske práce na zlepšenie parametrov keramiky, vyvíjajú jej nové typy, na ktoré sú vyčlenené značné finančné prostriedky. S cieľom znížiť cenu výrobkov sa vyvíjajú nové technológie, ktoré sú energeticky úspornejšie a umožňujú automatizáciu výrobných procesov. Predpokladá sa, že iba veľké spoločnosti vyrábajúce piezokeramiku, vybavené pokročilými technológiami a moderným vybavením, budú schopné plne splniť požiadavky svetového trhu.

Piezoelektrický efekt v službách mestotvorného podniku VSMPO-AVISMA Corporation OJSC

VSMPO-Avisma Corporation je popredný svetový podnik na výrobu polotovarov zo zliatin titánu pre letecký priemysel, jadrovú energetiku, medicínu a ďalšie oblasti. Naša spoločnosť je jedným z hlavných dodávateľov takých známych spoločností ako Snecma, Rolls Royce, Boeing, Pratt & Whitney, Goodrich.

Bolo to možné vďaka vysokej kvalite produktov, špičkovým výrobným procesom, použitiu moderného vybavenia a výrobných metód.

Dominantným ukazovateľom ziskovosti podniku sú náklady na výrobky. A znižovanie nákladov s neustále rastúcou kvalitou je hlavnou a stálou úlohou podniku. Zložkou nákladov na výrobu sú technologické operácie kontroly výrobkov, ktoré sú v našej spoločnosti predovšetkým spoľahlivé a citlivé.

Je známe, že piezoelektrický efekt je základom ultrazvukového testovania.

V našom podniku je ultrazvukové testovanie široko používané na 100% kontrolu výrobkov mechanických, tepelných, zlievarenských dielní, t.j. tie produkty, ktoré z dôvodu zložitosti ich konfigurácie vylučujú iné typy detekcie chýb (röntgenové, luminiscenčné).

Ultrazvukové testovanie je založené na schopnosti energie ultrazvukových vibrácií šíriť sa s malými stratami v homogénnom elastickom prostredí a odrážať sa od diskontinuít v tomto prostredí. Existujú dve hlavné metódy ultrazvukového testovania - metóda cez sondovanie a metóda odrazu. Do vzorky sa vstrekuje ultrazvukový lúč a indikátor meria intenzitu vibrácií, ktoré prešli vzorkou alebo sa odrazili od nehomogenít nachádzajúcich sa vo vnútri vzorky. Defekt sa zisťuje buď znížením energie prenesenej cez vzorku, alebo energiou odrazenou od defektu. Ultrazvuková detekcia chýb sa vykonáva pomocou detektorov chýb.

Detektor chýb (z latinčiny „defect“ – nedostatok a grécky „scopeo“ – „look“) – zariadenie, ktoré vám umožňuje odhaliť chyby vo výrobkoch vyrobených z rôznych kovových a nekovových materiálov bez toho, aby ste ich zničili. Či už sú vo výrobku praskliny, škrupiny v hĺbke alebo iné chyby, ktoré môžu viesť k nehode, to všetko zistí defektoskop. Ale aj mierna prasklina, ktorá nie je viditeľná voľným okom, môže viesť k zničeniu produktu.

Zoberme si fyzikálny aspekt činnosti ultrazvukového defektoskopu - SPL.

Hlavným prvkom takéhoto zariadenia je kremenná doska. Keď naň dopadá zvuková vlna odrazená defektom, kremeň sa stláča a naťahuje frekvenciou kmitov zvukových vĺn a na jeho plochách sa objavuje striedavé elektrické napätie. Je to dôsledok priameho piezoelektrického javu; následkom toho pri pôsobení mechanického namáhania na povrchu kremeňa a niektorých iných dielektrík vzniká v dôsledku ich polarizácie elektrický náboj.

Ak sa na platne kremennej platne aplikuje impulz striedavého napätia, potom kremenná platňa začne oscilovať s frekvenciou aplikovaného napätia a stane sa zdrojom akustických oscilácií rovnakej frekvencie, pozoruje sa inverzný piezoelektrický efekt.

Piezoelektrický efekt je vlastný iba kryštálom, ktorých jednotkové bunky nemajú stred symetrie. Sú to iónové kryštály, ktoré sa skladajú z dvoch alebo viacerých jednoduchých mriežok „zatlačených“ jedna do druhej, z ktorých každá je postavená z iónov rovnakého znamienka - buď pozitívneho alebo negatívneho. Keď sa kryštál deformuje, tieto jednoduché mriežky sa navzájom posúvajú. V tomto prípade sa elektrický moment kryštálu mení: na jeho plochách sa objaví elektrické napätie. Polarizácia piezoelektrika v elektrickom poli vedie k jeho deformácii - inverznému piezoelektrickému javu.

Obrázok 9 Schéma ultrazvuku

Zvážte schému ultrazvuku. Z generátora sa na kremennú dosku (1) privádza vysokofrekvenčný impulz (2). Kremenná doska začne oscilovať a vyžaruje ultrazvukové vlny do objemu testovanej kovovej časti.

Ultrazvuk, ktorý sa odráža od defektu, ako je prasklina, sa vracia na platňu a mení sa na elektrické oscilácie (3), ktoré vstupujú do osciloskopu (5). Vzdialenosť medzi priamymi a odrazenými impulzmi môže byť použitá na určenie hĺbky defektu (4).

Ultrazvukové skúšobné laboratórium bolo založené vo VSMPO v roku 1962. Iniciátorom vytvorenia laboratória nedeštruktívnych testovacích metód bol Vladislav Valentinovič Tetyukhin. Priniesol ultrazvukový defektoskop a vyškolil ho, aby na ňom pracoval. Laboratórium bolo uznané ako jedno z najlepších v leteckom priemysle. Mužstvo viedol Arpád Frantsevič Németh. Pracovali tu skutoční odborníci. Napríklad po dlhom trápení so senzormi na ultrazvukové testovanie závodu v Kišiňove bolo rozhodnuté, že si ich vyrobíme sami. N.I. Kalinin sa pustil do práce – a dokázal to! Nikto nemal takú dôkladnosť a presnosť, svedomitosť v práci ako Nikolaj Ivanovič. To je naozaj ten, kto bol nepostrádateľným špecialistom!

Podobné dokumenty

Charakteristika piezoelektrického javu. Štúdium kryštálovej štruktúry efektu: modelová úvaha, kryštálové deformácie. Fyzikálny mechanizmus inverzného piezoelektrického javu. Vlastnosti piezoelektrických kryštálov. Použitie efektu.

semestrálna práca, pridaná 12.09.2010


Fyzikálnym základom ultrazvuku sú elastické vibrácie, ktorých frekvencia presahuje 20 kHz, šíriace sa vo forme pozdĺžnych vĺn v rôznych prostrediach. Fenomén inverzného piezoelektrického javu. Lekárske aplikácie ultrazvukového výskumu.

kontrolné práce, doplnené 01.06.2015


Pojem kryštalickej (priestorovej) mriežky. Kryštálová štruktúra efektu. Oblasti použitia priemyselných piezofilmov. Reverzný piezoelektrický efekt. Použitie piezoelektrických kryštálov na výrobu elektrickej energie.

semestrálna práca, pridaná 14.04.2014


Charakterizácia magnetoelastického efektu ako javu inverznej magnetostrikcie, ktorá spočíva v zmene magnetizácie magnetu pôsobením mechanických deformácií. Tento efekt použite na meranie sily, krútiaceho momentu a tlaku.

ročníková práca, pridaná 13.12.2010


Pojem a všeobecná charakteristika fotoelastického efektu a jeho aplikácia na získanie vzoru rozloženia napätia. Základné metódy merania fyzikálnych veličín: parametre svetelného žiarenia, tlaku a zrýchlenia pomocou fotoelastického efektu.

ročníková práca, pridaná 13.12.2010


Pojem potenciometrického efektu a jeho využitie v technike. Ekvivalentný obvod potenciometrického zariadenia. Meranie fyzikálnych veličín na základe potenciometrického efektu. Senzory postavené na základe potenciometrického efektu.

kontrolné práce, doplnené 18.12.2010


Vysvetlenie Hallovho javu pomocou elektrónovej teórie. Hallov jav vo feromagnetikách a polovodičoch. Hallov snímač EMF. Roh haly. Sálová konštanta. Meranie Hallovho efektu. Hallov efekt pre nečistoty a vlastnú vodivosť.

semestrálna práca, pridaná 02.06.2007


Vlastnosti a princípy realizácie pozistorového javu vo feroelektrike. Modely Heiwang a Jonker. Technológia a hlavné etapy získavania pozistorov, ich oblasti praktické uplatnenie, experimentálne štúdie zodpovedajúceho účinku.

ročníková práca, pridaná 21.12.2015


všeobecné charakteristiky a podstatou piezorezonančného efektu. Piezorezonančné snímače a snímače. Spôsob registrácie ionizujúceho žiarenia. Stanovenie amoniaku vo vzduchu. Chyby, ktoré obmedzujú presnosť meraní na základe daného fyzikálneho efektu.

semestrálna práca, pridaná 26.03.2012


Účinok pôsobenia na veľké vzdialenosti počas iónového a fotónového ožarovania. Metóda mikrotvrdosti ako spôsob registrácie efektu na veľké vzdialenosti. Biologický účinok elektromagnetických vĺn v milimetrovom rozsahu (EHF). Efekt dlhého dosahu v systéme kremíkovej diódy.

Používa sa na výrobu ultrazvuku

Reverzný piezoelektrický efekt;

magnetostrikcia;

elektrostrikcia;

Piezoelektrický jav - účinok vzniku polarizácie dielektrika pri pôsobení mechanických napätí (priamy piezoelektrický jav). Existuje aj inverzný piezoelektrický efekt - výskyt mechanických deformácií pri pôsobení elektrického poľa.

Reverzný piezoelektrický efekt spočíva v tom, že doska, vyrezaná určitým spôsobom z kryštálu kremeňa (alebo iného anizotropného kryštálu), sa pôsobením elektrického poľa v závislosti od smeru poľa stlačí alebo predĺži. Ak je takáto doska umiestnená medzi dosky plochého kondenzátora, na ktorý je privedené striedavé napätie, potom sa doska dostane do nútených oscilácií. Vibrácie dosky sa prenášajú na častice prostredia (vzduch alebo kvapalina), ktoré generujú ultrazvukové vlnenie.

Fenomén magnetostrikcie je tým, že feromagnetické tyče (oceľ, železo, nikel a ich zliatiny) menia svoje lineárne rozmery pôsobením magnetického poľa smerovaného pozdĺž osi tyče. Umiestnením takejto tyče do striedavého magnetického poľa (napríklad vo vnútri cievky, ktorou preteká striedavý prúd) spôsobíme v tyči vynútené kmity, ktorých amplitúda bude pri rezonancii obzvlášť veľká. Kmitavý koniec tyče vytvára v prostredí ultrazvukové vlny, ktorých intenzita je v priamej úmere s amplitúdou kmitov konca.

Niektoré materiály (napr. keramika) sú schopné meniť svoje rozmery v elektrickom poli. Tento jav, nazývaný elektrostrikcia, navonok sa líši od inverzného piezoelektrického javu tým, že zmena veľkosti závisí len od sily aplikovaného poľa, nezávisí však od jeho znamienka. Takéto materiály zahŕňajú titaničitan bárnatý a zirkoničitan olovnatý titanát.

Prevodníky, ktoré využívajú javy opísané vyššie, sa nazývajú piezoelektrické, magnetostrikčné a elektrostrikčné.

Ultrazvukové žiariče.

V prírode sa USA nachádzajú ako súčasť mnohých prírodných zvukov (v hluku vetra, vodopádu, dažďa, v hluku kamienkov valených morským príbojom, v zvukoch sprevádzajúcich výboje blesku atď.), ako aj medzi zvuky zo sveta zvierat. Niektoré zvieratá využívajú ultrazvukové vlny na detekciu prekážok, orientáciu v priestore.

Ultrazvukové žiariče možno rozdeliť do dvoch veľkých skupín. Prvý zahŕňa žiariče-generátory; oscilácie v nich sú excitované v dôsledku prítomnosti prekážok na ceste konštantného toku - prúdu plynu alebo kvapaliny. Druhou skupinou žiaričov sú elektroakustické meniče; premieňajú už dané výkyvy elektrického napätia alebo prúdu na mechanické kmitanie pevného telesa, ktoré vyžaruje do okolia akustické vlny.

Elektromechanický ultrazvukový žiarič využíva fenomén inverzného piezoelektrického javu a pozostáva z nasledujúcich prvkov (obr. 1)

Doštičky vyrobené z látky s piezoelektrickými vlastnosťami;

Elektródy uložené na jeho povrchu vo forme vodivých vrstiev;

Generátor, ktorý dodáva elektródam striedavé napätie požadovanej frekvencie.

Keď sa na elektródy (2) z generátora (3) privedie striedavé napätie, doska (1) sa periodicky naťahuje a stláča. Vyskytujú sa vynútené oscilácie, ktorých frekvencia sa rovná frekvencii zmeny napätia. Tieto vibrácie sa prenášajú na častice prostredia a vytvárajú mechanické vlnenie s príslušnou frekvenciou. Amplitúda kmitov častíc média v blízkosti žiariča sa rovná amplitúde kmitov dosky.

Medzi zvláštnosti ultrazvuku patrí možnosť získať vlny vysokej intenzity aj pri relatívne malých amplitúdach oscilácií, keďže pri danej amplitúde je hustota energetického toku úmerná frekvencia na druhú.

I \u003d ρ ω 2 ʋ A 2 / 2 (1)

Limitná intenzita ultrazvukového žiarenia je určená vlastnosťami materiálu žiaričov, ako aj charakteristikou podmienok ich použitia.

Rozsah intenzity počas generovania ultrazvuku v oblasti UHF je extrémne široký: od 10 -14 W/cm 2 do 0,1 W/cm 2 .

Na mnohé účely sú potrebné oveľa vyššie intenzity ako tie, ktoré je možné získať z povrchu žiariča. V týchto prípadoch môžete použiť zaostrenie.

Ultrazvukové prijímače. Elektromechanické ultrazvukové prijímače využívajú fenomén priameho piezoelektrického javu.

V tomto prípade pri pôsobení ultrazvukovej vlny dochádza k osciláciám kryštálovej platne (1), v dôsledku čoho sa na elektródach (2) objavuje striedavé napätie, ktoré zaznamenáva záznamový systém (3).

Vo väčšine medicínskych zariadení sa generátor ultrazvukových vĺn súčasne používa ako ich prijímač.

Vlastnosti ultrazvuku, ktoré určujú jeho využitie na diagnostické a terapeutické účely (krátka vlnová dĺžka, smerovosť, lom a odraz, absorpcia, polovičná hĺbka absorpcie)

Terapeutický účinok ultrazvuku je spôsobený mechanickými, tepelnými a chemickými faktormi. Ich spoločné pôsobenie zlepšuje priepustnosť membrán, rozširuje cievy, zlepšuje látkovú výmenu, čím napomáha k obnoveniu rovnovážneho stavu organizmu. Dávkovaný lúč ultrazvuku možno použiť na jemnú masáž srdca, pľúc a iných orgánov a tkanív.

a) krátka vlnová dĺžka. Orientácia. Vlnová dĺžka ultrazvuku je oveľa kratšia ako vlnová dĺžka zvuku. Vzhľadom na to, že vlnová dĺžka λ=υ/ν zistíme: pre zvuk s frekvenciou 1 kHz vlnovú dĺžku λ zvuk =1500/1000=1,5 m; pre ultrazvuk s frekvenciou 1 MHz, vlnová dĺžka λ uz \u003d 1500 / 1 000 000 \u003d 1,5 mm.

Vďaka krátkej vlnovej dĺžke dochádza k odrazu a difrakcii ultrazvuku na objektoch menších ako pri počuteľnom zvuku. Napríklad teleso s veľkosťou 10 cm nebude prekážkou pre zvukovú vlnu s λ=1,5 m, ale stane sa prekážkou pre ultrazvukovú vlnu s λ=1,5 mm. V tomto prípade sa objavuje ultrazvukový tieň, preto je v niektorých prípadoch možné šírenie ultrazvukových vĺn znázorniť pomocou lúčov a aplikovať na ne zákony odrazu a lomu. To znamená, že za určitých podmienok sa ultrazvuková vlna šíri v usmernenom prúde, na ktorý platia zákony geometrickej optiky.

b) Lom a odraz. Rovnako ako u všetkých typov vĺn, javy odrazu a lomu sú vlastné ultrazvuku. Zákony, ktorým sa tieto javy riadia, sú úplne analogické so zákonmi odrazu a lomu svetla. Preto je v mnohých prípadoch šírenie ultrazvukových vĺn znázornené pomocou lúčov.

Pre kvantitatívne charakteristiky procesu sa zavádza pojem koeficient odrazu R=I ref /I o, kde I ref je intenzita odrazenej ultrazvukovej vlny; I about - intenzita incidentu. Ide o bezrozmernú veličinu, ktorá sa mení od nuly (bez odrazu) po jednotku (úplný odraz).

Čím viac sa vlnové impedancie (ρυ) média líšia, tým väčší je podiel odrazenej energie a tým menší je podiel energie prechádzajúcej rozhraním.

Vlnový odpor biologických médií je približne 3000-krát väčší ako vlnový odpor vzduchu (R=1/3000), takže odraz na hranici vzduch-koža je 99,99 %. Ak sa žiarič aplikuje priamo na ľudskú pokožku, potom ultrazvuk neprenikne dovnútra, ale bude sa odrážať od tenkej vrstvy vzduchu medzi žiaričom a pokožkou. Na odstránenie vzduchovej vrstvy je povrch pokožky pokrytý vrstvou vhodného lubrikantu (vodné želé), ktorý pôsobí ako prechodné médium, ktoré znižuje odraz.

Lubrikant musí spĺňať príslušné požiadavky: mať akustickú odolnosť blízku akustickému odporu pokožky, nízky koeficient absorpcie ultrazvuku, značnú viskozitu, dobre zvlhčovať pokožku a byť netoxický (vazelínový olej, glycerín atď. .).

c) Absorpcia, hĺbka polovičnej absorpcie.Ďalšou dôležitou vlastnosťou ultrazvuku je jeho absorpcia v médiu: energia mechanických vibrácií častíc média sa premieňa na energiu ich tepelného pohybu. Energia mechanickej vlny absorbovanej médiom v tomto prípade spôsobuje zahrievanie média. Tento efekt je opísaný vzorcom:

Ja \u003d ja o. e-cl (3)

kde I je intenzita ultrazvukovej vlny, ktorá prešla vzdialenosť l v médiu; I o - počiatočná intenzita; k je absorpčný koeficient ultrazvuku v médiu; e je základ prirodzených logaritmov (e = 2,71).

Spolu s koeficientom absorpcie sa ako charakteristika absorpcie ultrazvuku používa aj polovičná hĺbka absorpcie.

Hĺbka polovičnej absorpcie je hĺbka, pri ktorej sa intenzita ultrazvukovej vlny zníži na polovicu.

Hĺbka polovičnej absorpcie pre rôzne tkanivá má rôzny význam. Preto sa na lekárske účely používajú ultrazvukové vlny rôznych intenzít: malé - 1,5 W / m2, stredné - (1,5-3) W / m2 a veľké - (3-10) W / m2.

Absorpcia v kvapalnom médiu je oveľa menšia ako v mäkkých tkanivách a ešte viac v kostnom tkanive.

8. Interakcia ultrazvuku s hmotou: akustické toky a kavitácia, uvoľňovanie tepla a chemické reakcie, odraz zvuku, videnie zvuku).

a) Akustické toky a kavitácia. Ultrazvukové vlny vysokej intenzity sú sprevádzané množstvom špecifických efektov. Šírenie ultrazvukových vĺn v plynoch a kvapalinách je teda sprevádzané pohybom média, vznikajú akustické prúdenia (zvukový vietor), ktorých rýchlosť dosahuje 10 m/s. Pri frekvenciách v rozsahu UHF (0,1-10) MHz v ultrazvukovom poli s intenzitou niekoľkých W / cm 2 môže byť vystrekovaná a rozprašovaná kvapalina s tvorbou veľmi jemnej hmly. Táto vlastnosť šírenia ultrazvuku sa využíva v ultrazvukových inhalátoroch.

Medzi dôležité javy, ktoré vznikajú pri šírení intenzívneho ultrazvuku v kvapalinách patrí akustická kavitácia-rast v ultrazvukovom poli bublín z existujúcich submikroskopických jadier plynu alebo pár v kvapalinách až do veľkosti zlomkov mm, ktoré začnú pulzovať frekvenciou ultrazvuku a kolabujú v kladnej fáze tlaku. Keď sa bubliny plynu zrútia, veľké miestne tlaky rádu tisíc atmosfér, vznikajú sférické rázové vlny. Takýto intenzívny mechanický vplyv na častice môže viesť k rôznym účinkom, vrátane deštruktívnych, a to aj bez vplyvu tepelného pôsobenia ultrazvuku. Mechanické účinky sú obzvlášť významné pri pôsobení zaostreného ultrazvuku.

Ďalším dôsledkom kolapsu kavitačných bublín je silné zahriatie ich obsahu (až na teplotu cca 10 000 0 C), sprevádzané ionizáciou a disociáciou molekúl.

Fenomén kavitácie je sprevádzaný eróziou pracovných plôch žiaričov, poškodením buniek atď. Tento jav však vedie aj k množstvu priaznivých účinkov. Napríklad v oblasti kavitácie dochádza k zvýšenému miešaniu látky, ktorá sa používa na prípravu emulzií.

b) Uvoľňovanie tepla a chemické reakcie. Absorpcia ultrazvuku látkou je sprevádzaná prenosom mechanickej energie do vnútornej energie látky, čo vedie k jej zahrievaniu. K najintenzívnejšiemu ohrevu dochádza v oblastiach susediacich s rozhraním medzi médiami, keď sa koeficient odrazu blíži k jednotke (100 %). Je to spôsobené tým, že v dôsledku odrazu sa intenzita vlny v blízkosti hranice zvyšuje, a preto sa zvyšuje množstvo absorbovanej energie. Dá sa to overiť experimentálne. Na mokrú ruku je potrebné pripevniť ultrazvukový žiarič. Čoskoro sa na opačnej strane dlane objaví pocit (podobný bolesti pri popálenine), ktorý je spôsobený ultrazvukom odrazeným od rozhrania koža-vzduch.

Tkanivá so zložitou štruktúrou (pľúca) sú citlivejšie na zahrievanie ultrazvukom ako homogénne tkanivá (pečeň). Pomerne veľa tepla sa uvoľňuje na hranici mäkkých tkanív a kostí.

Miestne zahrievanie tkanív o zlomky stupňov prispieva k životnej aktivite biologických objektov, zvyšuje intenzitu metabolických procesov. Dlhodobá expozícia však môže spôsobiť prehriatie.

V niektorých prípadoch sa na lokálne účinky na jednotlivé telesné štruktúry používa fokusovaný ultrazvuk. Tento efekt umožňuje dosiahnuť kontrolovanú hypertermiu, t.j. zahriatie na 41-44 0 C bez prehriatia susedných tkanív.

Zvýšenie poklesu teploty a tlaku, ktoré sprevádza prechod ultrazvuku, môže viesť k tvorbe iónov a radikálov, ktoré môžu interagovať s molekulami. V tomto prípade môžu nastať také chemické reakcie, ktoré nie sú za normálnych podmienok uskutočniteľné. Chemické pôsobenie ultrazvuku sa prejavuje najmä štiepením molekuly vody na H + a OH - radikály s následným vznikom peroxidu vodíka H 2 O 2 .

c) Odraz zvuku. Zvukové videnie. Na základe odrazu ultrazvukových vĺn od nehomogenít zvukové videnie, používané v lekárskom ultrazvuku. V tomto prípade sa ultrazvuk odrazený od nehomogenít premení na elektrické vibrácie a tie na svetelné vibrácie, čo umožňuje vidieť určité predmety na obrazovke v prostredí nepriepustnom pre svetlo.

Pri frekvenciách v ultrazvukovom rozsahu bol vytvorený ultrazvukový mikroskop - zariadenie podobné bežnému mikroskopu, ktorého výhodou oproti optickému je, že biologické štúdie nevyžadujú predbežné farbenie objektu. So zvyšovaním frekvencie ultrazvukovej vlny sa rozlišovacia schopnosť zvyšuje (dajú sa zistiť menšie nehomogenity), ale znižuje sa ich prenikavosť, t.j. hĺbka, v ktorej možno skúmať štruktúry záujmu, klesá. Preto je frekvencia ultrazvuku zvolená tak, aby kombinovala dostatočné rozlíšenie s požadovanou hĺbkou vyšetrenia. Takže na ultrazvukové vyšetrenie štítnej žľazy umiestnenej priamo pod kožou sa používajú vlny 7,5 MHz a na vyšetrenie brušných orgánov sa používa frekvencia 3,5 - 5,5 MHz. Okrem toho sa berie do úvahy aj hrúbka tukovej vrstvy: pre tenké deti sa používa frekvencia 5,5 MHz a pre deti a dospelých s nadváhou frekvencia 3,5 MHz.

9. Biofyzikálne pôsobenie ultrazvuku: mechanické, tepelné, fyzikálne a chemické.

Pôsobením ultrazvuku na biologické objekty v ožarovaných orgánoch a tkanivách vo vzdialenostiach rovnajúcich sa polovici vlnovej dĺžky môžu vzniknúť tlakové rozdiely od jednotiek až po desiatky atmosfér. Takéto intenzívne vplyvy vedú k rôznym biologickým účinkom, ktorých fyzikálny charakter je určený spoločným pôsobením mechanické, tepelné a fyzikálno-chemické javy sprevádzajúce šírenie ultrazvuku v médiu.

mechanické pôsobenie je určený premenlivým akustickým tlakom a spočíva vo vibračnej mikromasáži tkanív na bunkovej a subcelulárnej úrovni, zvýšení permeability bunkových, intracelulárnych a tkanivových membrán depolymerizačným účinkom ultrazvuku na kyselinu hyalurónovú a chondroitín sulfát, čo so sebou prináša zvýšenie pri hydratácii dermálnej vrstvy.

tepelný efekt je spojená s premenou mechanickej energie na tepelnú energiu, pričom teplo vzniká v tkanivách tela nerovnomerne. Najmä veľa tepla sa hromadí na hraniciach médií v dôsledku rozdielu v akustickom odpore tkanív, ako aj v tkanivách, ktoré absorbujú ultrazvukovú energiu vo väčšom množstve (nervové, kostné tkanivo), a na miestach, ktoré sú slabo zásobené krvi.

Fyzikálne a chemické pôsobenie v dôsledku toho, že chemická energia spôsobuje mechanickú rezonanciu v tkanivách tela. Pod vplyvom toho druhého sa zrýchľuje pohyb molekúl a zintenzívňuje sa ich rozklad na ióny, mení sa izoelektrický stav. Vznikajú nové elektrické polia, v bunkách nastávajú elektrické zmeny. Mení sa štruktúra vody a stav hydratačných obalov, vznikajú radikály a rôzne produkty sonolýzy biologických rozpúšťadiel. Výsledkom je stimulácia fyzikálno-chemických a biochemických procesov v tkanivách, aktivácia metabolizmu.

V roku 1756 ruský akademik F. Epinus zistil, že keď sa kryštál turmalínu zahrieva, na jeho tvárach sa objavujú elektrostatické náboje. Následne dostal atómový jav názov pyroelektrický efekt. F. Aepinus predpokladal, že dôvodom elektrických javov pozorovaných pri zmene teploty je nerovnomerné zahrievanie dvoch povrchov, čo vedie k vzniku mechanických napätí v kryštáli. Zároveň upozornil, že stálosť rozloženia pólov na určitých koncoch kryštálu závisí od jeho štruktúry a zloženia, čím sa F. Aepinus priblížil k objavu piezoelektrického javu.

Piezoelektrický jav v kryštáloch objavili v roku 1880 bratia P. a J. Curieovci, ktorí na povrchu platní vyrezaných v určitej orientácii z kremenného kryštálu pozorovali vznik elektrostatických nábojov pri pôsobení mechanických napätí. Tieto náboje sú úmerné mechanickému namáhaniu, menia sa s ním a po odstránení zmiznú. Vznik elektrostatických nábojov na povrchu dielektrika a vznik elektrickej polarizácie v jeho vnútri v dôsledku mechanického namáhania sa nazýva priamy piezoelektrický jav.

Spolu s priamym dochádza k inverznému piezoelektrickému javu, ktorý spočíva v tom, že v doštičke vyrezanej z piezoelektrického kryštálu dochádza pôsobením elektrického poľa k mechanickej deformácii; okrem toho je veľkosť mechanickej deformácie úmerná sile elektrického poľa. Inverzný piezoelektrický efekt by sa nemal zamieňať s javom elektrostrikcie, t.j. s deformáciou dielektrika pôsobením elektrického poľa. Pri elektrostrikcii je medzi deformáciou a poľom kvadratická závislosť a pri piezoelektrickom efekte je lineárna.

Okrem toho sa elektrostrikcia vyskytuje v dielektriku akejkoľvek štruktúry a vyskytuje sa dokonca aj v kvapalinách a plynoch, zatiaľ čo piezoelektrický efekt sa pozoruje iba v pevných dielektrikách, najmä kryštalických.

Piezoelektrina sa objavuje len v tých prípadoch, keď je elastická deformácia kryštálu sprevádzaná posunom ťažísk kladných a záporných nábojov elementárnej bunky kryštálu, t.j. keď spôsobí indukovaný dipólový moment, ktorý je nevyhnutný. na vznik elektrickej polarizácie dielektrika pri pôsobení mechanického namáhania. V štruktúrach, ktoré majú stred symetrie, nemôže žiadna rovnomerná deformácia narušiť vnútornú rovnováhu kryštálovej mriežky, a preto je piezoelektrických iba 20 tried, ktoré nemajú stred symetrie. Absencia stredu symetrie je nevyhnutnou, ale nie postačujúcou podmienkou existencie piezoelektrického javu, a preto ho nemajú všetky acentrické kryštály.

Piezoelektrický efekt nemožno pozorovať v pevných amorfných a kryptokryštalických dielektrikách, pretože to odporuje ich sférickej symetrii. Výnimkou sú prípady, kedy sa vplyvom vonkajších síl stávajú anizotropnými a tým čiastočne nadobúdajú vlastnosti monokryštálov.Pri niektorých typoch kryštálových textúr je možný aj piezoelektrický efekt.

Piezoelektrický jav doteraz nenašiel uspokojivý kvantitatívny popis v rámci modernej atómovej teórie kryštálovej mriežky. Dokonca aj pre štruktúry najjednoduchšieho typu nie je možné ani približne vypočítať rád piezoelektrických konštánt.

Každé piezoelektrikum je elektromechanický menič, preto jeho dôležitou charakteristikou je elektromechanický väzbový koeficient k. Druhá mocnina tohto koeficientu je pomer energie, ktorá sa objaví v mechanickej forme pre daný typ deformácie, k celkovej elektrickej energii prijatej na vstupe zo zdroja energie.

V mnohých prípadoch piezoelektrík sú podstatné ich elastické vlastnosti, ktoré sú opísané modulmi pružnosti c (Youngove moduly Eyu) alebo recipročnými – elastickými konštantami s.

Pri použití piezoelektrických prvkov ako rezonátorov sa v niektorých prípadoch zavádza frekvenčný koeficient, ktorý je súčinom rezonančnej frekvencie piezoelektrického prvku a geometrickej veľkosti, ktorá určuje typ vibrácií. Táto hodnota je úmerná rýchlosti zvuku v smere šírenia elastických vĺn v piezoelektrickom prvku. V súčasnosti je známe, že mnohé látky (viac ako 500) vykazujú piezoelektrickú aktivitu. Praktické uplatnenie však nachádza len málokto.

Piezoelektrický jav (grécky piezo - tlak a elektrina) je jav, ktorý charakterizuje výskyt elektrickej polarizácie (indukcie) pri pôsobení mechanických napätí alebo vznik deformácie pod vplyvom elektrického poľa v určitých látkach (piezokryštáloch). Ak je piezoelektrická platňa, narezaná určitým spôsobom, vystavená mechanickému namáhaniu (stlačenie, ťah, šmyk), potom sa na jej povrchu v dôsledku polarizácie objavia elektrické náboje - ide o takzvaný priamy piezoelektrický efekt; pri umiestnení takejto platne do elektrického poľa vzniká jej deformácia, ktorá lineárne závisí od intenzity elektrického poľa - inverzný piezoelektrický jav.
Mechanizmus priameho piezoelektrického javu sa vysvetľuje výskytom alebo zmenou dipólového momentu základnej bunky kryštálovej mriežky v dôsledku premiestnenia nábojov pôsobením mechanických napätí. Pôsobením elektrického poľa na elementárne náboje v článku dochádza k ich posunutiu a v dôsledku toho k zmene priemerných vzdialeností medzi nimi, t.j. deformácia (reverzný piezoelektrický efekt).
Piezoelektrický jav objavili v roku 1880 bratia P. a J. Curieovci, ktorí ho pozorovali v kremeni a niektorých ďalších kryštáloch.
Nevyhnutnou podmienkou existencie piezoelektrického javu je absencia stredu symetrie v kryštáli. Iba v tomto prípade môže aplikácia napätí viesť k vzniku nekompenzovaného elektrického náboja, t.j. k výskytu polarizácie. Piezoelektriká sú kremeň, turmalín, sengetová soľ, titaničitan bárnatý, dihydrogenfosforečnan draselný, sulfojodid antimónu, sulfid draselný atď. Je tiež súčasťou ľudských kostí.
Princíp priameho piezoelektrického javu sa využíva pri výrobe prijímačov ultrazvukových vibrácií. Na výrobu ultrazvuku sa používa reverzný piezoelektrický efekt a na tomto efekte sú založené všetky terapeutické ultrazvukové prístroje. Podstata získania ultrazvuku je nasledovná. Ak sa na koncové plochy piezokryštálovej platne vyrezanej určitým spôsobom pomocou elektród privedie striedavé elektrické napätie, potom sa jej hrúbka bude striedavo zmenšovať v súlade s frekvenciou striedavého prúdu. Pri zmenšovaní hrúbky platne v okolitých vrstvách prostredia vzniká riedenie a s jeho zväčšovaním hrubnutie častíc média. V dôsledku periodickej zmeny hrúbky dosky, nazývanej piezoelektrický menič, vzniká v médiu ultrazvuková vlna šíriaca sa v smere kolmom na povrch dosky. Zmena hrúbky dosiek piezoelektrických kryštálov je veľmi malá, je úmerná privedenému elektrickému napätiu: AS = L U, kde AS je zmena rozmerov dosky: L je piezoelektrický modul: U je priložený Napätie.
Na zvýšenie intenzity ultrazvukových vibrácií sa používa fenomén rezonancie, ktorý si vyžaduje zohľadnenie frekvencie prirodzených vibrácií látky. Ak sa frekvencia striedavého napätia aplikovaného na piezokryštál zhoduje s jeho vlastnou (rezonančnou) frekvenciou, potom bude amplitúda oscilácie dosky najväčšia. Podľa toho bude aj intenzita ultrazvukových vĺn šíriacich sa do okolia maximálna. Rezonančná frekvencia platne zase závisí od jej veľkosti: čím je platňa tenšia, tým väčšia je jej rezonančná frekvencia. Napríklad pre kremennú dosku s hrúbkou 1 mm zodpovedá rezonančná frekvencia 2,88 MHz a pre hrúbku 0,5 mm - 5,76 MHz.
Predtým sa kremenné platne používali ako piezoelektrický prvok v ultrazvukových terapeutických zariadeniach. Dnes ju nahrádza báriumtitanátová keramika, ktorá má mnohonásobne väčší piezoelektrický efekt.

Piezoelektrický efekt (piezoelektrický efekt) sa pozoruje v kryštáloch určitých látok, ktoré majú určitú symetriu. Najbežnejšie piezoelektrické minerály v prírode sú kremeň, turmalín, sfalerit a nefelín. Niektoré polykryštalické dielektriká s usporiadanou štruktúrou (keramické materiály a polyméry) majú piezoelektrický efekt. Dielektriká, ktoré vykazujú piezoelektrický efekt, sa nazývajúpiezoelektrika.

Ryža. jeden

Vonkajšie mechanické sily pôsobiace v určitých smeroch na piezoelektrický kryštál v ňom spôsobujú nielen mechanickú deformáciu (ako v každom pevnom telese), ale aj elektrickú polarizáciu, t. j. výskyt elektrických nábojov rôznych znakov na jeho povrchoch (obr. 1a, obr. F- pôsobiace sily, P - vektor elektrickej polarizácie). S opačným smerom mechanických síl sa menia znaky nábojov(obr. 1b). Tento jav sa nazývapriamy piezo efekt(obr. 2a).

Ryža. 2

ale piezoelektrický efekt je reverzibilný. Keď je piezoelektrikum vystavené elektrickému poľu zodpovedajúceho smeru, dochádza v ňom k mechanickým deformáciám (obr. 1c).Pri zmene smeru elektrického poľa sa zodpovedajúcim spôsobom zmenia aj deformácie(obr. 1d). Tento jav bol pomenovanýreverzný piezo efekt(obr. 2b).

Piezoelektrický efektsa vysvetľuje nasledovne. V kryštálovej mriežke je v dôsledku nesúladu stredov kladných a záporných iónov objemový elektrický náboj. Pri absencii vonkajšieho elektrického poľa sa táto polarizácia neprejavuje, pretože je kompenzovaná nábojmi na povrchu. Keď sa kryštál deformuje, kladné a záporné ióny mriežky sa navzájom premiestňujú a podľa toho sa mení elektrický moment kryštálu, čo spôsobuje výskyt potenciálov na povrchu. Práve táto zmena elektrického momentu sa prejavuje piezoelektrickým efektom. Piezoelektrický jav závisí nielen od veľkosti mechanického alebo elektrického pôsobenia, ale aj od charakteru a smeru síl vzhľadom na kryštalografické osi kryštálu.

Deformácie piezoelektrického materiálu vznikajúce piezoelektrickým javom sú v absolútnej hodnote nevýznamné. Napríklad kremenná doska s hrúbkou 1 mm pod vplyvom napätia 100 V zmení svoju hrúbku len o 0,23 mikrónu. Nevýznamnosť deformácií piezoelektrík sa vysvetľuje ich veľmi vysokou tuhosťou.

Dopredné a spätné piezoelektrické efekty sú lineárne a sú opísané lineárnymi závislosťami týkajúcimi sa elektrickej polarizácie P k mechanickému namáhaniu g:

P = ag (1).

Táto závislosť sa nazýva rovnica priameho piezoelektrického javu. Koeficient úmernosti α sa nazýva piezoelektrický modul (piezoelektrický modul). Slúži ako miera piezoelektrického efektu. Inverzný piezoelektrický jav je opísaný závislosťou

r=αE (2),

kde r - deformácia;

E - intenzita elektrického poľa.

Ryža. 3

Piezomodul α pre priamy a inverzný efekt má rovnakú hodnotu. Piezoelektrické žiariče nemajú mechanické kontakty a pozostávajú z keramického prvku upevneného na kovovom kotúči (obr. 3).Vibrácie disku sú spôsobené napätím, ktoré je naň aplikované. Striedavé napätie určitej frekvencie vytvára zvukový signál. Piezoelektrické žiariče nepodliehajú mechanickému opotrebovaniu konštrukčných prvkov, majú nízku spotrebu energie, nemajú elektrický šum. Pomocou piezokeramiky je možné získať značný objem zvuku. Jednotlivé vzorky piezokeramických meničov dokážu vyvinúť akustický tlak na vzdialenosť 1 m až do 130 dB (úroveň prahu bolesti)

Ryža. 4

Piezoelektrické žiariče sú dostupné v dvoch verziách:

- „čisté“ meniče (bez riadiaceho obvodu) - piezoelektrické volania;
- žiariče s riadiacim obvodom (so zabudovaným generátorom) - hlásiče.

Aby prevodníky prvého typu generovali zvuky, sú potrebné generované riadiace signály (sínusoida alebo štvorcová vlna určitej frekvencie špecifikovanej pre konkrétny model prevodníka). Emitory so zabudovaným generátorom vyžadujú použitie len určitej úrovne napätia. Takéto zariadenia sa vyrábajú pre menovité napätie od 1 do 250 V (DC a AC).

Napríklad piezokeramický zvonček (piezo bzučiak) ZP-1 (obr. 4)pozostáva z dvoch piezoblokov, pričom membrána každého z nich je vyrobená vo forme plytkej platne s vonkajším priemerom 32 mm. Dosky sú naskladané oproti a spájkované pozdĺž vonkajšieho okraja. Piezoelektrické prvky v zvone sú spínané tak, že pri privedení striedavého napätia sa povrchy dosiek buď zbiehajú alebo rozchádzajú, t.j. na oboch stranách zvona sú vytvorené zóny kompresie a riedenia. Rezonančná frekvencia hovoru je 2 kHz.

Ryža. 5

Vytvára akustický tlak 75 dB vo vzdialenosti 1 m pri napätí pri rezonančnej frekvencii 10 V. Tento zvon vyžaruje zvukové vlny rovnomerne do oboch polopriestorov. stôl 1sú uvedené parametre ostatných piezoelektrických žiaričov, vzhľad ktorý je znázornený na obr.5. Na obr.6 sú uvedené amplitúdovo-frekvenčné charakteristiky piezoelektrických prvkov: PVA-1- obr.6a a ZP-5 - obr.6b.

Tabuľka 1 charakteristiky piezožiaričov

Poznámka: * - navrhnutý na prácu v samooscilujúcom režime.

Ryža. 6, amplitúdovo-frekvenčné charakteristiky piezoelektrických prvkov

A.Kashkarov