ส่งงานที่ดีของคุณในฐานความรู้เป็นเรื่องง่าย ใช้แบบฟอร์มด้านล่าง

นักศึกษา นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา นักวิทยาศาสตร์รุ่นเยาว์ที่ใช้ฐานความรู้ในการศึกษาและการทำงานจะขอบคุณเป็นอย่างยิ่ง

โพสต์เมื่อ http://www.allbest.ru/

กระทรวงสาธารณสุขและ อาชีวศึกษาภูมิภาค Sverdlovsk

ควบคุมการก่อตัวของเขตเมือง Verkhnyaya Salda

เทศบาล สถาบันการศึกษา" ม.2 กับ ศึกษาเชิงลึกฟิสิกส์ คณิตศาสตร์ ภาษาและวรรณคดีรัสเซีย"

โครงการวิจัย

(ทิศทางวิทยาศาสตร์และเทคนิค)

Piezoelectric Effect: มีประสิทธิภาพหรือประสิทธิผล?

ศิลปิน: Ionkin Alexander

นักเรียนชั้นประถมศึกษาปีที่ 11 №2

หัวหน้า: Shevchuk Lyubov Alexandrovna

ครูฟิสิกส์ระดับสูงกว่า

อัปเปอร์ ซัลดา 2008

บทนำ

“ความลึกลับเป็นสิ่งสวยงามที่สุดของ

ประสบการณ์ที่มีให้เรา ตรงนี้

ความรู้สึกยืนอยู่ที่แหล่งกำเนิดของศิลปะที่แท้จริง

และวิทยาศาสตร์ที่แท้จริง

Albert Einstein

ฟิสิกส์มหัศจรรย์มหัศจรรย์? มีอะไรผิดปกติหรือน่าประหลาดใจในเรื่องนี้? แน่นอน นักฟิสิกส์ถือว่าฟิสิกส์เป็นวิทยาศาสตร์ที่น่าตื่นเต้น แต่นั่นเป็นเพราะมันเป็นงานในชีวิตของพวกเขา การค้นพบอนุภาคย่อยของอะตอมใหม่ หรือการหาวิธีใหม่ในการอธิบายปรากฏการณ์ที่คุ้นเคย อาจเป็นเรื่องที่หนักหนาสาหัส อย่างไรก็ตาม ความตื่นเต้นเล็กๆ น้อยๆ แต่น่าพอใจสามารถทำให้เกิดการสังเกตและทำความเข้าใจปรากฏการณ์ทางธรรมชาติในชีวิตประจำวันรอบตัวเรา ท้ายที่สุดแล้ว การจัดการกับการบันทึกเสียง เซ็นเซอร์ระยะไกลและไฟแช็กเป็นเรื่องที่น่าสนใจกว่ามากหากคุณเข้าใจสาระสำคัญของมัน มหัศจรรย์อย่างแท้จริงคือความสำเร็จของฟิสิกส์ในการอธิบายปรากฏการณ์ในชีวิตประจำวัน

เราอยู่ในศตวรรษที่ 21 ศตวรรษแห่งเทคโนโลยีใหม่ ชีวิตไม่หยุดนิ่ง มีการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี อุตสาหกรรม เทคโนโลยี และทุกแห่งที่ใช้แนวทางล่าสุดในกระบวนการบางอย่าง ปรากฏการณ์ที่ทราบกันดีอยู่แล้ว ค้นพบมาเป็นเวลานานและโดยใครบางคน ค้นหาแอปพลิเคชั่นใหม่ เกิดใหม่ หรือค้นหาการใช้งานในพื้นที่ที่อยู่ติดกับวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี - สถาปัตยกรรม การก่อสร้าง การสื่อสาร และอื่นๆ

ดังนั้นจึงใช้เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกอย่างกว้างขวาง สำหรับฉันแล้วดูเหมือนว่ายังมีเงินสำรองที่ซ่อนอยู่อีกมาก พื้นที่ที่ยังไม่ถูกค้นพบ และพื้นที่ของการใช้งาน

ปีการศึกษานี้ ฉันเริ่มทำงานในโครงการวิจัยในทิศทางทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิค "ผลเพียโซอิเล็กทริก: มีประสิทธิภาพหรือประสิทธิผล"

เมื่อทำงานในโปรเจ็กต์นี้ ฉันตั้งเป้าหมายให้ตัวเอง: เพื่อค้นหาความเป็นไปได้ของการใช้เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกในด้านต่างๆ ของชีวิตมนุษย์

สำหรับตัวฉันเอง ฉันได้ระบุงานต่อไปนี้:

ทำความคุ้นเคยกับประวัติการค้นพบและศึกษาปรากฏการณ์ของปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริก

พิจารณาทฤษฎีของผลเพียโซอิเล็กทริก

ทำความคุ้นเคยกับขอบเขตของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก

ทำการทดลองเพื่อแสดงเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรงและย้อนกลับ และเสนอวิธีการหาค่าแรงดันไฟที่เกิดขึ้นระหว่างเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรง

ผลกระทบแรงดันเพียโซอิเล็กทริก

ประวัติการค้นพบและการวิจัยผลเพียโซอิเล็กทริก

piezoelectric effect ถูกค้นพบในปี 1880 โดยพี่น้อง Pierre และ Jacques Curie พวกเขาค้นพบว่าหากผลึกของไดอิเล็กทริกบางชนิด (เกลือโรเชลล์ ควอทซ์ ฯลฯ) อยู่ภายใต้การกระทำทางกล การบีบอัด ประจุไฟฟ้าของสัญญาณตรงข้ามจะปรากฏบนพื้นผิวของพวกมัน หรืออย่างที่พวกเขาพูดในตอนนี้ โพลาไรเซชันเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในคริสตัล ซึ่งสร้างสนามไฟฟ้าภายนอกและภายในให้กับคริสตัล ปรากฏการณ์นี้ - การปรากฏตัวของสนามไฟฟ้าอันเป็นผลมาจากแรงกดดัน - เรียกว่าเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรง

การค้นพบนี้บังเอิญหรือเกิดขึ้นก่อนด้วยสมมติฐานทางวิทยาศาสตร์? ในการศึกษาคุณสมบัติทางไฟฟ้าของไดอิเล็กทริกที่เป็นของแข็งที่มีโครงสร้างเป็นผลึก ปิแอร์ กูรีได้กำหนดหลักการทั่วไป ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าหลักการกูรี ความหมายมีดังนี้ ปรากฏการณ์นี้มีสัญญาณของความสมมาตรทั้งหมดที่สาเหตุที่สร้างมันขึ้นมา ความไม่สมดุลของปรากฏการณ์ถูกกำหนดล่วงหน้าโดยความไม่สมดุลของสาเหตุ เนื่องจากไอออนของสัญญาณตรงข้ามจะอยู่ที่จุดยอดของโครงตาข่ายคริสตัล ประจุรวมของผลึกที่มีรูปร่างใดๆ ก็ตามจะเป็นศูนย์ อย่างไรก็ตาม หากจุดศูนย์กลางของประจุบวกและประจุลบไม่ตรงกัน โมเมนต์ไดโพลของผลึกจะไม่ใช่ศูนย์และมีโพลาไรซ์ ดังนั้น หากโมเมนต์ไดโพลของคริสตัลในสภาวะที่ไม่เปลี่ยนรูปเป็นศูนย์ อันเป็นผลมาจากการเสียรูปของผลึกภายใต้การกระทำทางกล จุดศูนย์กลางของไอออนบวกและลบสามารถเลื่อนอันหนึ่งสัมพันธ์กับอีกอันหนึ่ง และประจุของสัญญาณตรงข้ามจะปรากฏขึ้น บนพื้นผิวของคริสตัล ความเป็นไปได้ของการเปลี่ยนแปลงนั้นขึ้นอยู่กับความสมมาตร (รูปร่าง) ของคริสตัล

หลักการที่กำหนดขึ้นและทฤษฎีกลุ่มทำให้สามารถแยกแยะคลาสของผลึกที่มีผลเพียโซอิเล็กทริกได้ เพียโซอิเล็กทริกแบบผกผันประกอบด้วยความจริงที่ว่าผลึกอิสระที่มีเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรงนั้นมีรูปร่างผิดปกติภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า ในไม่ช้าพี่น้องกูรีก็ยืนยันการทดลองผลเพียโซอิเล็กทริกแบบผกผัน

การวัดเชิงปริมาณครั้งแรกที่สร้างความสัมพันธ์ระหว่างขนาดของประจุและความดันบนผลึกเกลือ Rochelle ดำเนินการโดย Pockels ในปี 1894

ความสัมพันธ์เชิงปริมาณเหล่านี้ถูกนำมาใช้ในรูปแบบทางคณิตศาสตร์โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Voigt ในปี 1910 ในปีพ.ศ. 2471 เขาได้จัดทำระบบความสัมพันธ์เหล่านี้อย่างสมบูรณ์ซึ่งสรุปความรู้ที่สะสมในด้าน piezoelectricity ในช่วงเวลาก่อนหน้า ความสัมพันธ์ที่ได้รับจาก Voigt เป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ในด้านความยืดหยุ่นไฟฟ้า

ทันทีที่เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกพบการใช้งานอย่างกว้างขวางในการบันทึกและในการผลิต - ในเซ็นเซอร์ระบบควบคุมและการจัดการเพียโซอิเล็กทริกจำนวนมาก

ตั้งแต่กลางทศวรรษ 1930 มีการใช้องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกในระบบเรดาร์: เครื่องสะท้อนเสียงพิเศษและตัวกรองที่ทำจากควอตซ์ธรรมชาติแยกคลื่นวิทยุที่สะท้อนจากเป้าหมายจากสเปกตรัมกว้างและขยายสัญญาณ ในอุปกรณ์เหล่านี้ หลักการของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกแบบผกผันนั้นใช้งานได้แล้ว: เมื่อกระแสไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับเพียโซอิเล็กทริก คริสตัลมีรูปร่างผิดปกติและเกิดการสั่นซึ่งสะท้อนกับคลื่นที่ส่งมาจากตัวกรองความถี่ ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 ระบบป้องกันภัยทางอากาศที่พัฒนาโดยอังกฤษโดยใช้ควอตซ์ piezoelectrics ตรวจพบเครื่องบินเยอรมันในระยะใกล้ ทำให้ศัตรูขาดความได้เปรียบจากการเซอร์ไพรส์ สาเหตุส่วนใหญ่มาจากเหตุนี้เองที่แผนการของเกอริงในการเอาชนะบริเตนใหญ่ด้วยกองกำลังของกองทัพบกล้มเหลว

การพัฒนาวิทยาศาสตร์อากาศยานและจรวดในปี 1950 และ 1960 จำเป็นต้องมีการผลิตจำนวนมากของเครื่องมือที่แม่นยำยิ่งขึ้นสำหรับทั้งระบบนำทางและเรดาร์ในอากาศและภาคพื้นดิน มีการขุดแร่ควอทซ์ธรรมชาติที่เหมาะสม (ไม่มีข้อบกพร่องทางโครงสร้าง) น้อยมาก piezotechnical ที่แท้จริงเริ่มขึ้นในช่วงกลางทศวรรษที่ 50 เมื่อพวกเขาได้เรียนรู้วิธีปลูกคริสตัลควอตซ์ประดิษฐ์ - Alexander Shtenberg พนักงานของสถาบันผลึกศาสตร์ Shubnikov ของ USSR Academy of Sciences (IKAN) ประสบความสำเร็จเป็นครั้งแรก

Langasite เป็นวัสดุเพียโซอิเล็กทริกที่มีแนวโน้มดี

ในปีพ.ศ. 2526 กลุ่มนักวิทยาศาสตร์โซเวียตจากแผนกฟิสิกส์ของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโกและสถาบันผลึกศาสตร์ได้ผลิตผลึกแลงกาไซต์เป็นครั้งแรก (แลนทานัมแกลเลียมซิลิเกต - La 3 Ga 5 SiO 14) ในขั้นต้น มีการวางแผนที่จะใช้เป็นองค์ประกอบเชิงแอ็คทีฟของเลเซอร์โซลิดสเตตที่มีความถี่การแผ่รังสีแปรผัน พารามิเตอร์บางตัวของวัสดุไม่เหมาะกับผู้เชี่ยวชาญในทัศนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้น ในทางกลับกัน คุณสมบัติของเพียโซอิเล็กทริกกลับกลายเป็นว่ามีแนวโน้มอย่างมากว่าภายในระยะเวลาที่คิดไม่ถึงสำหรับช่วงเวลานั้น สองปีหลังจากการค้นพบ การผลิตผลึกแลงกาไซต์เริ่มขึ้นที่หน่วยแรสเตอร์หลายแห่งของโรงงานเคมีทดลอง Podolsky (ภัณฑารักษ์) เป็นผู้เชี่ยวชาญจากแผนกผลึกศาสตร์ของ MISiS และ IKAN) ในเวลาเดียวกัน โฟนอน สถาบันชั้นนำสำหรับการพัฒนาพายโซเทคนิค ซึ่งเพิ่งแยกตัวออกจากองค์กรเพียโซในเมืองหลวง ได้รับมอบหมายให้พัฒนาอุปกรณ์แลงกาไซต์สำหรับหัวนำทางขีปนาวุธ

ความสนใจในแลงกาไซต์เกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่ามันมีแถบการส่งสัญญาณที่กว้างกว่าเมื่อเทียบกับควอตซ์ และในขณะเดียวกัน ก็มีความเสถียรของอุณหภูมิ ซึ่งต่างจากลิเธียมแทนทาเลตและไนโอเบต แบนด์วิดท์มีลักษณะตามสเปกตรัมของความถี่ที่มาพร้อมกับคลื่นหลัก และยิ่งแบนด์วิดท์ของสัญญาณที่มีประโยชน์ในเครื่องขยายสัญญาณความถี่กลางกว้างเท่าใด จำนวนข้อมูลดิจิทัลที่อุปกรณ์วิทยุตัวรับส่งสัญญาณสามารถประมวลผลได้ก็จะยิ่งมากขึ้น และให้ความแม่นยำมากขึ้น พิกัดของเป้าหมายบินเร็ว ความสำคัญของตัวกรองบรอดแบนด์ขนาดเล็กนั้นแทบจะไม่สามารถประเมินค่าสูงเกินไปได้ เมื่อพูดถึงการสื่อสารผ่านเซลลูลาร์ ตัวอย่างเช่น มาตรฐาน GSM ที่แพร่หลายในขณะนี้ (เสียงพูดและรูปภาพนิ่ง) ต้องใช้แบนด์วิดท์เพียง 200 kHz เพื่อใช้งาน และ W-CDMA ซึ่งคาดว่าจะกลายเป็นมาตรฐานระดับโลกรุ่นต่อไป เนื่องจากช่วยให้คุณสามารถส่งวิดีโอได้แบบเรียลไทม์ ต้องใช้แบนด์วิดธ์กว้างกว่า 5 MHz นั่นคือที่ความถี่คลื่นฐาน 2 GHz แบนด์วิดท์ตัวกรองควรสูงกว่า 0.3% สำหรับควอตซ์ ดัชนีความกว้างในการส่ง ขึ้นอยู่กับความถี่ของคลื่นหลักคือ 0.1 × 0.3% สำหรับแลงกาไซต์ ตั้งแต่ 0.3 ถึง 1%

จนถึงปัจจุบัน รัสเซียได้ลงนามในสัญญากับ French Temex Microsonics เงินประมาณ 3 ล้านยูโรจะถูกลงทุนในโครงการร่วมของพวกเขาภายใต้กรอบของโครงการนวัตกรรมแห่งยุโรป Eureka ภายในสามปี ฝ่ายฝรั่งเศสจะจัดหามากกว่า 2 ล้านคน โดยหลักแล้วคือรัฐบาลฝรั่งเศส มูลนิธิ Bortnik Foundation จะจัดสรรมากกว่า 200,000 รายการ และ Fomos จะลงทุนประมาณ 700,000 กองทุน ผลที่ตามมา บริษัทรัสเซียจะออกสู่ตลาดยุโรปด้วยวัสดุ piezoelectric ใหม่ (จากภาษากรีก piezo - I press) และ Temex Microsonics จะจัดระเบียบการผลิตตัวกรองแบบอนุกรมเพื่อให้แพร่หลายมากขึ้น ระบบมือถือรุ่นใหม่ (มาตรฐาน W-CDMA)

ทฤษฎีฟิสิกส์ของผลเพียโซอิเล็กทริก

ไดอิเล็กทริก (ในภาษากรีก. dia- ผ่าน, ผ่าน, เป็นภาษาอังกฤษ ไฟฟ้า- ไฟฟ้า) เป็นสารที่ไม่นำไฟฟ้า เหตุผลก็คือไม่มีประจุไฟฟ้าฟรีในไดอิเล็กทริก ประจุบวกและประจุลบในโมเลกุลและอะตอมของไดอิเล็กทริกเชื่อมต่อกันด้วยแรงคูลอมบ์ ซึ่งมากกว่าแรงที่สนามไฟฟ้าภายนอกสามารถกระทำกับประจุเหล่านี้ได้ มันไม่สามารถแยกพวกมันออกจากกัน แต่สามารถแทนที่พวกมันตามระยะห่างของลำดับของมิติของโมเลกุลเอง (10 -10 ม.) ดังนั้นประจุบวกและประจุลบในโมเลกุลไดอิเล็กตริกจึงถูกผูกมัด พวกเขาไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระตามไดอิเล็กทริกที่นำเข้าสู่สนามไฟฟ้าภายนอก

ในโมเลกุลของสาร เราสามารถระบุจุดที่ประจุทั้งหมดของเปลือกอิเล็กตรอนของโมเลกุลจะมีผลเช่นเดียวกันกับประจุบวกของมัน เช่นเดียวกับประจุลบทั้งหมดของโมเลกุลนี้หากมีการกระจายไปทั่วปริมาตร

จุดนี้เรียกว่าจุดศูนย์ถ่วงของประจุลบของโมเลกุล ในทำนองเดียวกัน เราสามารถระบุจุดศูนย์ถ่วงของประจุบวกได้ กล่าวคือ จุดที่ประจุบวกทั้งหมดของโมเลกุลจะมีผลเช่นเดียวกันกับประจุลบของมัน เช่นเดียวกับประจุบวกทั้งหมดของโมเลกุลที่มีต่อพวกมัน

ไดอิเล็กตริกในโมเลกุลที่จุดศูนย์ถ่วงของประจุบวกและประจุลบรวมกันในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอกเรียกว่าไดอิเล็กทริกแบบไม่มีขั้ว ตัวอย่างของไดอิเล็กตริกอาจเป็นก๊าซ: ไฮโดรเจน ไนโตรเจน ออกซิเจน ไดอิเล็กทริกในโมเลกุลซึ่งจุดศูนย์ถ่วงของประจุบวกและประจุลบถูกแยกออกจากกันในเชิงพื้นที่และในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอกเรียกว่าขั้ว โมเลกุลน้ำแข็งเป็นตัวอย่างของโมเลกุลขั้ว

การกระจัดของประจุในโมเลกุลและอะตอมของอิเล็กทริกในทิศทางตรงกันข้ามภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าอันเป็นผลมาจากการที่ประจุที่ถูกผูกไว้ที่ไม่ได้ชดเชยปรากฏบนพื้นผิวของอิเล็กทริกเรียกว่าโพลาไรเซชันของอิเล็กทริก

ในไดอิเล็กตริกอสัณฐานที่เป็นของแข็งที่เป็นเนื้อเดียวกันและไอโซโทป เช่นเดียวกับไดอิเล็กตริกที่เป็นของเหลวและก๊าซ ในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอก โพลาไรเซชันจะขาดหายไปเสมอเนื่องจากการจัดแนวโมเมนต์ไดโพลของแต่ละโมเลกุล หากไดอิเล็กตริกโพลาไรซ์ดังกล่าวถูกลบออกจากสนามไฟฟ้าภายนอก การเคลื่อนที่แบบโกลาหลจากความร้อนซึ่งมีอยู่ในโมเลกุลเสมอ จะกำจัดประจุที่ถูกผูกไว้บนพื้นผิวของมันอย่างรวดเร็ว และในกรณีนี้ โมเมนต์ไดโพลรวมของปริมาตรแต่ละหน่วยของปริมาตรไดอิเล็กตริกจะเท่ากัน ถึงศูนย์นั่นคือโพลาไรซ์จะหายไป

อย่างไรก็ตามในธรรมชาติมีไดอิเล็กทริกที่เป็นผลึกซึ่งโมเลกุลซึ่งก่อตัวเป็นกลุ่มที่มีโพลาไรซ์ที่เกิดขึ้นเอง (ที่เกิดขึ้นเอง) แม้ในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอก เป็นที่ชัดเจนว่ากลุ่มเหล่านี้สามารถเกิดขึ้นได้จากโมเลกุลที่มีขั้วเท่านั้น กลุ่มโมเลกุลดังกล่าวเรียกว่าโดเมน พฤติกรรมของโมเลกุลที่ประกอบขึ้นเป็นโดเมนอธิบายโดยกฎของกลศาสตร์ควอนตัม

ไดอิเล็กทริกที่มีโครงสร้างโดเมนเรียกว่าเฟอร์โรอิเล็กทริก ชื่อนี้มาจากคำว่า "เกลือ Rochelle" ซึ่งเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริกทั่วไปที่สุดซึ่งได้รับการตั้งชื่อตามเภสัชกรชาวฝรั่งเศส E. Segnette ผู้สังเคราะห์สารนี้เป็นครั้งแรก

เฟอร์โรอิเล็กทริกทั้งหมดเป็นคริสตัล

เมื่อผลึกของเฟอร์โรอิเล็กทริกแบบไม่มีขั้วถูกวางลงในสนามไฟฟ้าภายนอก และความแรงของสนามนี้เพิ่มขึ้น โดเมนจะเริ่มปรับทิศทางไปตามสนามมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งถูกป้องกันโดยการเคลื่อนที่ของโมเลกุลที่ทำให้เข้าใจผิดด้วยความร้อน

รูปที่ 1 Ferroelectric ในสนามภายนอก

เมื่อถึงระดับความเข้มข้นที่มากพอ โดเมนคริสตัลทั้งหมดจะถูกจัดวางตามแนวสนาม สถานะของอิเล็กทริกดังกล่าวเรียกว่าความอิ่มตัวและความตึงเครียดที่สอดคล้องกันเรียกว่าความอิ่มตัวของสี

หากคุณเอาไดอิเล็กตริกออกจากสนามไฟฟ้า มันจะเก็บโพลาไรซ์ไว้

ความสามารถในการรักษาโพลาไรซ์แม้ในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอกคือที่สุด คุณสมบัติหลักซึ่งแยกความแตกต่างของเฟอร์โรอิเล็กทริกจากไดอิเล็กทริกอื่น ๆ

ในการขั้วของเฟอร์โรอิเล็กทริก จำเป็นต้องวางในสนามไฟฟ้าที่สวนทางกับสนามไฟฟ้าเดิม

ปัจจุบันรู้จักเฟอโรอิเล็กทริกหลายร้อยชนิด คุณสมบัติที่สำคัญประการที่สองที่แตกต่างจากไดอิเล็กทริกอื่น ๆ คือค่าการอนุญาติที่สัมพัทธ์ที่สูงมากซึ่งสูงถึงหลายพันสำหรับเฟอร์โรอิเล็กทริกแต่ละตัวในขณะที่ไดอิเล็กทริกอื่น ๆ จะแตกต่างกันไปภายในสิบและถึง 81 เท่านั้นสำหรับน้ำ คุณลักษณะที่สามของเฟอร์โรอิเล็กทริกคือ การพึ่งพาอาศัยกันของการอนุญาติสัมพันธ์กับความแรงของสนามไฟฟ้าภายนอกในขณะที่ไดอิเล็กทริกอื่น ๆ จะคงที่

เฟอร์โรอิเล็กทริกทั้งหมดมีคุณสมบัติที่โดดเด่นเช่นนี้ในช่วงอุณหภูมิที่แน่นอนเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เกลือ Rochelle มีโครงสร้างโดเมนเฉพาะในช่วงอุณหภูมิระหว่าง -15 0 C ถึง 22.5 0 C ที่อุณหภูมิอื่นๆ เกลือจะมีลักษณะเหมือนไดอิเล็กตริกธรรมดา ตัวอย่างเช่น ในควอตซ์ที่อุณหภูมิสูงถึง 200 องศาเซลเซียส คุณสมบัติของเพียโซอิเล็กทริกจะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย จากนั้นที่อุณหภูมิ 576 องศาเซลเซียส พวกมันจะเริ่มอ่อนตัวลงอย่างช้าๆ ที่ 576 องศา ตะแกรงผลึกควอทซ์จะถูกจัดเรียงใหม่ อันเป็นผลมาจากการที่คุณสมบัติของเพียโซอิเล็กทริกหายไป เมื่ออุณหภูมิลดลง คุณสมบัติของควอตซ์จะเปลี่ยนไปในทิศทางตรงกันข้าม

อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ที่อิเล็กทริกกลายเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริกเรียกว่า Curie points หลังจากที่พี่น้องปิแอร์และ Joliot Curie ผู้ค้นพบปรากฏการณ์นี้

สำหรับไดอิเล็กทริกส่วนใหญ่ โพลาไรซ์จะเกิดขึ้นภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายนอก และสำหรับไดอิเล็กทริก อันเป็นผลมาจากการกระทำทางกล เช่น ระหว่างการบีบอัดหรือความตึงเครียด

มีผลเพียโซอิเล็กทริกตามยาวและตามขวาง

การปรากฏตัวของประจุบนใบหน้าในแนวตั้งฉากกับแกนขั้วโลก โดยมีการเสียรูปสม่ำเสมอของคริสตัลตามแกนนี้ เรียกว่าเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกตามยาว อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ที่จะทำให้เกิดประจุบนใบหน้าเดียวกันโดยการบีบอัดหรือยืดผลึกในแนวตั้งฉากกับแกนขั้ว ตราบใดที่คริสตัลถูกยืดหรือบีบอัดตามแกนของขั้ว ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกตามขวาง การมีอยู่ของมันถูกกำหนดโดยความสัมพันธ์ระหว่างการเสียรูปตามยาวและตามขวางของวัตถุที่เป็นของแข็ง

รูปที่ 2 ตามยาว (a) และตามขวาง (b) ผลกระทบเพียโซอิเล็กทริก

เพียโซอิเล็กทริกเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริกทั้งหมด เช่นเดียวกับไดอิเล็กทริกอื่นๆ เช่น ควอตซ์ เซรามิกบางชนิด

เฉพาะผลึกไอออนิกเท่านั้นที่สามารถมีคุณสมบัติเป็นเพียโซอิเล็กทริกได้ ผลกระทบของเพียโซอิเล็กทริกเกิดขึ้นเมื่อภายใต้การกระทำของแรงภายนอก ผลึกย่อยย่อยของไอออนบวกมีการเปลี่ยนรูปแตกต่างจากผลึกย่อยของไอออนลบ เป็นผลให้เกิดการกระจัดสัมพัทธ์ของไอออนบวกและลบซึ่งนำไปสู่การปรากฏตัวของผลึกโพลาไรซ์และประจุที่พื้นผิว โพลาไรเซชันในการประมาณค่าแรกจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับการเสียรูป ซึ่งในทางกลับกัน จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรง ดังนั้น โพลาไรซ์จึงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงที่ใช้ ความต่างศักย์อาจเกิดขึ้นระหว่างหน้าที่มีประจุตรงข้ามของไดอิเล็กตริกที่ผิดรูป ซึ่งสามารถวัดได้ และจากค่าของมัน ข้อสรุปสามารถสรุปได้เกี่ยวกับขนาดของการเสียรูปและแรงที่ใช้

ภาพทางกายภาพของโพลาไรเซชันของไดอิเล็กทริกที่เป็นของแข็งถูกเปิดเผยโดยกลศาสตร์ควอนตัม ฉันจะพิจารณาเฉพาะทฤษฎีโพลาไรซ์ที่เป็นทางการเท่านั้น

เพียโซอิเล็กทริกเป็นผลึกที่มีโครงตาข่ายของไอออนบวกและประจุลบ ซึ่งเมื่อผิดรูปไปในทิศทางใด ประจุที่ยึดกับพื้นผิวจะเกิดขึ้นบนใบหน้าในแนวตั้งฉากกับทิศทางของแรงเปลี่ยนรูป

รูปที่ 3 ตาข่ายควอตซ์

หากใบหน้าเหล่านี้มีแผ่นโลหะ เครื่องหมายเดียวกันกับป้ายที่ผูกไว้จะปรากฏบนพื้นผิวด้านนอกโดยไม่เสียค่าใช้จ่าย จะมีความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างเพลต

เพียโซอิเล็กทริกแบบคลาสสิก (และมีความสำคัญในทางปฏิบัติ) คือควอตซ์ (SiO 2) หน่วยเซลล์ของผลึกตาข่ายประกอบด้วยสามโมเลกุล ซึ่งประกอบด้วยไอออนซิลิกอน (บวก) และออกซิเจน (เชิงลบ) แสดงเป็นแผนผังในรูปที่ 3 เอ(คริสตัลไม่รูป): ไอออนบวกเป็นวงกลมฟักไข่ ไอออนลบเป็นสีขาว

เมื่อคริสตัลถูกบีบอัดในทิศทาง X 1 ความสมมาตรของเซลล์จะถูกละเมิด (รูปที่ 3, b) ประจุลบที่ถูกผูกไว้จะปรากฏขึ้นที่ใบหน้าส่วนบนของผลึก และประจุบวกเดียวกันนั้นจะปรากฏขึ้นที่ใบหน้าส่วนล่าง เมื่อยืดออก (รูปที่ 3, c) สัญญาณของประจุจะเปลี่ยนเป็นตรงกันข้าม

ความหนาแน่นของประจุที่พื้นผิวที่การเปลี่ยนรูปสัมพัทธ์เล็กน้อยเป็นสัดส่วนกับความเค้นเชิงกลที่เกิดขึ้นในผลึก:

การพึ่งพาอาศัยกันนี้เรียกว่าสมการของผลเพียโซอิเล็กทริกโดยตรง

ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วน - โมดูลเพียโซอิเล็กทริก d- แสดงเป็นคูลอมบ์ต่อนิวตัน (Cl H -1) สำหรับควอตซ์

d\u003d 2 10 -12 C / N.

พิจารณาผลผกผันของเพียโซอิเล็กทริก: เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับคริสตัล มันจะเปลี่ยนรูป และสัญญาณของการเสียรูปขึ้นอยู่กับทิศทางของสนามไฟฟ้าสถิตภายนอก

รูปที่ 4 ภาพแผนผังของผลกระทบโดยตรง (a, b) และย้อนกลับ (c, d) ลูกศร F และ E แสดงอิทธิพลภายนอก - แรงทางกลและความแรงของสนามไฟฟ้า เส้นประแสดงรูปร่างของเพียโซอิเล็กทริกก่อนการดำเนินการภายนอก เส้นทึบแสดงรูปร่างของการเสียรูปของเพียโซอิเล็กทริก (เพื่อความชัดเจน พวกมันจะถูกขยายหลายครั้ง) P - เวกเตอร์โพลาไรซ์

ให้ความเครียดเชิงกล =10 4 Pa ​​​​สร้างในคริสตัล ในกรณีนี้ ความหนาแน่นของประจุที่ได้จะเป็น

2 10 -8 C / m 2

และในผลึก (=4.5) สนามไฟฟ้าสถิตจะก่อตัวขึ้นด้วยความแรง

ด้วยความหนาของคริสตัล ชม.\u003d 10 -2 ม. บนจานของใบหน้าจะได้รับความต่างศักย์ 5 V

เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าสลับกับเพียโซอิเล็กทริก จะเกิดการสั่นสะเทือนทางกลแบบบังคับ ที่เสียงสะท้อน (และจานมีความถี่ของตัวเอง ซึ่งแปรผกผันกับความหนาของผลึก) แอมพลิจูดการสั่นจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว หากคริสตัลแช่อยู่ในของเหลวซึ่งมีความต้านทานเสียงไม่แตกต่างจากความต้านทานเสียงของคริสตัลมากเกินไป คลื่นเชิงกลที่รุนแรงจะตื่นเต้นในของเหลว มักใช้ความถี่อัลตราโซนิกซึ่งความยาวคลื่นในของเหลวมีขนาดเล็ก ทำให้สามารถรับคลื่นที่แพร่กระจายโดยไม่ดูดซับที่เห็นได้ชัดเจน ซึ่งเป็นเรื่องที่น่าสนใจในทางปฏิบัติ

คลื่นอัลตราโซนิกสามารถสร้างขึ้นในร่างกายที่เป็นของแข็ง (เช่น ในการหล่อโลหะ) โดยที่คลื่นจะแพร่กระจายไปโดยไม่มีการดูดซึมที่ประเมินค่าได้ แต่ถ้ามีโพรงในโลหะที่บังเอิญปรากฏขึ้นในระหว่างการผลิตการหล่อ คลื่นจะกระจายไปบนนั้น ดังนั้นโดยการตรวจสอบโลหะด้วยคลื่นอัลตราโซนิกจึงเป็นไปได้ที่จะพบข้อบกพร่องภายในโดยไม่ทำลายมัน

เนื่องจากการเร่งความเร็วระหว่างคลื่นอัลตราโซนิกมีขนาดใหญ่มาก - ด้วยแอมพลิจูด x m \u003d 10 -6 ม. และความถี่ \u003d 10 5 Hz แอมพลิจูดความเร่งจะเป็น

4 10 5 เมตร/วินาที 2 =4 10 4 กรัม

จากนั้นคลื่นอัลตราโซนิกจะใช้ในการทำความสะอาดพื้นผิวของตัวโลหะ (แช่ในของเหลว) เพื่อสร้างอิมัลชัน

จะวัดค่าของแรงดันสูงที่เกิดจากเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกได้อย่างไร?

องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกเป็นส่วนหลักของไฟแช็กเพียโซ ดังนั้นฉันจึงทำการทดลองทั้งหมดโดยใช้ไฟแช็กเพียโซ เพื่อความสะดวกในการใช้งาน ฉันนำสายจูงสองอันออกจากกล่องพลาสติก

เพื่อกำหนดแรงดันเอาต์พุตเมื่อแสดงผลเพียโซอิเล็กทริกโดยตรง ฉันได้เชื่อมต่อตะกั่วอันหนึ่งจากไฟแช็กกับเคสของอิเล็กโตรมิเตอร์สาธิต และอีกอันเข้ากับแท่งอิเล็กโตรมิเตอร์ เมื่อคุณกดปุ่มเบา ๆ ลูกศรของอิเล็กโตรมิเตอร์จะเริ่มเบี่ยงเบน แต่ฉันไม่สามารถกำหนดค่าแรงดันไฟสูงสุดโดยใช้อิเล็กโตรมิเตอร์ได้ เนื่องจากลูกศรของอุปกรณ์อยู่เหนือสเกล (เรารู้ว่าค่าหารของสเกลอิเล็กโตรมิเตอร์อยู่ที่ประมาณ 300 V)

ฉันจะพยายามพิจารณาว่าแรงดันที่เกิดขึ้นจะอยู่ภายในขอบเขตใด ในการทำเช่นนี้เราจะทำการทดลองกับหลอดฟลูออเรสเซนต์ ฉันจะลบสตาร์ทเตอร์ออกจากวงจรหลอดไฟแล้วลองจุดไฟที่เชื่อมต่อกับเครือข่าย หลอดไฟไม่สว่างขึ้น เพื่อให้สังเกตการปลดปล่อยตัวเองอย่างยั่งยืนในหลอดไฟ จำเป็นต้องมีความแตกต่างที่เป็นไปได้ของลำดับสิบกิโลโวลต์ ฉันจะพยายามสร้างเงื่อนไขดังกล่าวด้วยความช่วยเหลือขององค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกจากไฟแช็กซึ่งรวมอยู่ด้วยแทนที่จะเป็นสตาร์ทเตอร์ เราเชื่อมต่อขั้วหนึ่งของไฟแช็กเพียโซกับอิเล็กโทรดหนึ่งขั้วของหลอดไฟ อีกขั้วหนึ่งกับลวดพันบนพื้นผิวกระจกของหลอดไฟ เมื่อคุณกดปุ่มของไฟแช็กเพียโซ หลอดไฟจะสว่างขึ้น

เพื่อระบุแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของไฟแช็กได้แม่นยำยิ่งขึ้น ฉันใช้สเกลสาธิต ฉันติดฟอยล์โลหะสี่เหลี่ยมหนึ่งอันที่ด้านล่างของตาชั่งและใช้ลวดเส้นบาง ๆ เชื่อมต่อกับหน้าสัมผัสเดียวของไฟแช็ก จากนั้นจึงพลิกถ้วยที่เคลือบแล้ววางบนตาชั่ง ด้านบนของถ้วยนี้ ฉันวางฟอยล์อีกสี่เหลี่ยมหนึ่ง (ฉันใช้การออกแบบตาชั่ง) และเชื่อมต่อกับหน้าสัมผัสที่สองของไฟแช็ก แผ่นฟอยล์โลหะสองแผ่นสร้างตัวเก็บประจุแบบแบน ฉันปรับตาชั่งให้สมดุลกับตุ้มน้ำหนัก

เมื่อคุณกดปุ่มเบา ๆ แรงดึงดูดจากไฟฟ้าสถิตจะเกิดขึ้นระหว่างเพลตกับตาชั่งไม่สมดุล โดยการเบี่ยงเบนของลูกศรของตาชั่ง ฉันกำหนดมวลของตุ้มน้ำหนักที่จำเป็นในการคืนความสมดุล ดังนั้น ฉันสามารถวัดค่าสูงสุดของแรงระหว่างเพลตและคำนวณแรงดันไฟฟ้าได้ ฉันทำการทดลอง 3 ครั้งโดยใช้จานที่มีพื้นที่ S = 1.21 10 -2 m 2 ระยะห่างระหว่างพวกเขาถูกกำหนดเป็น 2 10 -2 m ค่าเฉลี่ยในการทดลองคือ m = 7 10 - 4 กิโลกรัม.

รู้ว่า

จากสูตร 1 ที่ได้จากการคำนวณแรงดัน ผมได้ผลลัพธ์ดังนี้

เมื่อทำการทดลองเกี่ยวกับการวัดแรงดันไฟฟ้าที่เอาต์พุตของไฟแช็กเพียโซ ฉันยังสังเกตผลเพียโซอิเล็กทริกแบบผกผันด้วย ดังนั้นในขณะที่คายประจุเพลตของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าลัดวงจร ฉันได้ยินเสียงคลิกขององค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกเนื่องจากการเสียรูประหว่างการคายประจุของตัวเก็บประจุ

การประยุกต์ใช้เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก

การใช้งานหลักของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก: - การแปลงระหว่างการสั่นสะเทือนทางกลและทางไฟฟ้า - เซ็นเซอร์ความถี่ เซ็นเซอร์และแหล่งที่มาของการสั่นสะเทือนอัลตราโซนิก ปิ๊กอัพ เกจวัดแรงดัน ฯลฯ เนื่องจากเพียโซอิเล็กทริกเป็นทรานสดิวเซอร์ไฟฟ้าแบบย้อนกลับได้ กล่าวคือ พวกเขาสามารถแปลงพลังงานกลเป็น พลังงานไฟฟ้า และในทางกลับกัน พลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล ทรานสดิวเซอร์ที่อิงจากการใช้เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรงเรียกว่าทรานสดิวเซอร์-เจนเนอเรเตอร์ พวกมันมีอินพุตทางกลและเอาต์พุตทางไฟฟ้า

ตัวแปลงตามการใช้เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับเรียกว่าตัวแปลงมอเตอร์ พวกมันมีอินพุตไฟฟ้าและเอาต์พุตทางกล มีอุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริกมากมายที่ใช้เอฟเฟกต์โดยตรงและย้อนกลับ ใช้เอฟเฟกต์โดยตรงเช่นในไมโครโฟน, ปิ๊กอัพเสียง, เซ็นเซอร์ของแรงทางกล, การเคลื่อนที่และการเร่งความเร็ว, ไฟแช็คแก๊สในครัวเรือน ฯลฯ เอฟเฟกต์ย้อนกลับทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับการสร้างโทรศัพท์, ลำโพง, อิมิตเตอร์ล้ำเสียง, รีเลย์, มอเตอร์ ฯลฯ

รู้จักและพบการใช้งานจริงของทรานสดิวเซอร์แบบเพียโซอิเล็กทริก - หม้อแปลงเพียโซอิเล็กทริก (ย่อมาจาก piezotransformers) ตามแผนผัง อุปกรณ์ของ piezotransformer แสดงในรูปที่ 5 ซึ่งอธิบายว่าเป็นตัวแปลงสัญญาณแบบเพียโซอิเล็กทริกในรูปแบบของวงจรสี่ขั้วที่มีเพียงอินพุตและเอาต์พุตทางไฟฟ้าเท่านั้น

รูปที่ 5 Piezotransformer

การกระทำของเพียโซทรานส์ฟอร์มเมอร์ขึ้นอยู่กับการใช้เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกทั้งทางตรงและทางย้อนกลับ แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับอิเล็กโทรดอินพุตของ piezotransformer อันเป็นผลมาจากผลกระทบ piezoelectric ผกผันทำให้เกิดการเสียรูปของปริมาตรทั้งหมดของวัสดุเพียโซอิเล็กทริกและแรงดันไฟฟ้า (ทุติยภูมิ) ปรากฏบนอิเล็กโทรดเอาท์พุทอันเป็นผลมาจากเพียโซอิเล็กทริกโดยตรง ผล. ในเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบเพียโซทรานส์ฟอร์มเมอร์ เหมือนกับที่เคยเป็นมา การแปลงพลังงานเป็นสองเท่า จากไฟฟ้าเป็นเครื่องกล แล้วจากนั้นก็เปลี่ยนเครื่องกลเป็นไฟฟ้า เช่นเดียวกับหม้อแปลงแม่เหล็กไฟฟ้า piezotransformer ใช้ในการแปลงแรงดันไฟฟ้า โดยการเลือกขนาดของอิเล็กโทรดและตำแหน่งของอิเล็กโทรด คุณจะได้รับค่าอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงที่แตกต่างกัน โดยปกติแล้วจะใช้ Piezotransformers ในโหมดเรโซแนนซ์ซึ่งได้ค่าอัตราส่วนการแปลงจำนวนมาก (ตามลำดับหลายร้อย) Piezotransformers ใช้ในอุปกรณ์จ่ายไฟสำรองแรงดันสูง

องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกเป็นส่วนประกอบเพียโซอิเล็กทริกในขนาดที่แน่นอน รูปทรงทางเรขาคณิต และการวางแนวที่สัมพันธ์กับแกนผลึกหลัก (หรือทิศทางของโพลาไรเซชันในกรณีของเพียโซเซรามิกซึ่งมีแผ่นนำไฟฟ้า (อิเล็กโทรด)

รูปที่ 6 องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก: 1 - แผ่นเพียโซอิเล็กทริก 2 - อิเล็กโทรดที่ทำจากวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าวางทับบนขอบของแผ่น

องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกเป็นตัวเก็บประจุไฟฟ้าที่มีไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็ง (ผลึกหรือเซรามิก) คุณสมบัติของตัวเก็บประจุดังกล่าวคือการมีคุณสมบัติของเพียโซอิเล็กทริกในอิเล็กทริกที่เติมช่องว่างระหว่างอิเล็กโทรด หากใช้องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกเป็นทรานสดิวเซอร์ระบบเครื่องกลไฟฟ้า การวางแนวจะถูกเลือกตามความต้องการเพื่อให้ได้ผลลัพธ์สูงสุด แรงภายนอก (ทั้งทางกลและทางไฟฟ้า) ที่กระทำต่อองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกสามารถกระจายหรือทำให้เข้มข้นได้ แรงกระจายช่วยให้สามารถแปลงได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ดังนั้นเพื่อให้โพลาไรเซชันของปริมาตรเพียโซอิเล็กทริกมีประสิทธิภาพมากขึ้น จึงใช้อิเล็กโทรดที่ครอบคลุมพื้นที่ทั้งหมดของใบหน้าองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก และเพื่อสร้างความเค้นทางกลที่กระจายอย่างสม่ำเสมอ วัสดุบุผิวยืดหยุ่นจึงถูกนำมาใช้ซึ่งอยู่ติดกับใบหน้าองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกได้ดี และแปลงแรงกระจุกตัวภายนอกให้เป็นแรงกระจัดกระจาย

แรงภายนอกทำให้เกิดการเสียรูปขององค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก โพลาไรซ์ และลักษณะของประจุไฟฟ้าที่ตรงข้ามกันบนอิเล็กโทรด ขนาดของประจุไฟฟ้าหรือแรงดันที่เกิดขึ้นสามารถวัดได้โดยอุปกรณ์วัดที่เหมาะสมซึ่งติดอยู่กับอิเล็กโทรดขององค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก แรงภายนอกส่งพลังงานไปยังองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกในรูปแบบของการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น ซึ่งสามารถคำนวณได้หากทราบขนาดของแรงกระทำและความแข็งขององค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก พร้อมกันกับการเปลี่ยนรูปขององค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก แรงดันไฟฟ้าปรากฏขึ้นบนอิเล็กโทรด ดังนั้น ส่วนหนึ่งของพลังงานที่ส่งไปยังองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกโดยแรงภายนอกกลายเป็นไฟฟ้า และสามารถคำนวณค่าได้หากทราบแรงดันไฟฟ้าบนอิเล็กโทรดและความจุขององค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก

วันนี้พวกเขาพูดถึงการใช้วัสดุ piezoceramic ที่มีแนวโน้ม วัสดุเพียโซอิเล็กทริกสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่มตามเงื่อนไข: ผลึกเดี่ยวเพียโซอิเล็กทริกและเพียโซเซรามิก

วัสดุเพียโซอิเล็กทริกจากธรรมชาติมีราคาค่อนข้างแพง ในเรื่องนี้ ความต้องการของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วกำลังถูกตอบสนองด้วยผลึกเดี่ยวแบบเพียโซอิเล็กทริกสังเคราะห์ ซึ่งปลูกในโรงงานพิเศษ คุณสมบัติของเพียโซอิเล็กทริกของผลึกดังกล่าวที่มีความสามารถในการทำซ้ำสูงเพียงพอสามารถกำหนดได้โดยองค์ประกอบของส่วนประกอบที่เป็นส่วนประกอบ

คริสตัลที่โตแล้วจะถูกตัดเป็นแผ่นด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง บางส่วน (เฟอร์โรอิเล็กทริก) มีโพลาไรซ์ และองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกทำจากพวกมันโดยการบดและใช้อิเล็กโทรด

เซรามิกส์เพียโซอิเล็กทริก คุณสมบัติทางกายภาพมันเป็นเฟอร์โรอิเล็กทริกโพลีคริสตัลไลน์ซึ่งเป็นสารประกอบทางเคมีหรือสารละลายของแข็ง (ผง) ของเมล็ดพืช (ผลึก)

โดย องค์ประกอบทางเคมีมันเป็นออกไซด์เชิงซ้อน รวมถึงตะกั่วหรือแบเรียมไอออนไดวาเลนต์ เช่นเดียวกับไททาเนียมเตตระวาเลนต์หรือเซอร์โคเนียมไอออน โดยการเปลี่ยนอัตราส่วนพื้นฐานของวัสดุตั้งต้นและการแนะนำสารเติมแต่ง องค์ประกอบต่างๆ ของเพียโซเซรามิกส์จะถูกสังเคราะห์ขึ้น ซึ่งมีลักษณะทางไฟฟ้าฟิสิกส์และเพียโซอิเล็กทริกบางประการ

กลุ่มวัสดุเพียโซเซรามิกประเภท PZT (ลีดเซอร์โคเนตไททาเนต) ได้รับการกระจายสูงสุด ในเวลาเดียวกัน ใช้เซรามิกที่มีแบเรียมไททาเนต (TB) และตะกั่วไททาเนต (TL) ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการพัฒนาวัสดุเพียโซเซรามิกชนิดใหม่ด้วยคุณสมบัติที่ทำให้ในบางกรณีสามารถใช้แทนคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกที่มีราคาแพงกว่าได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง กลุ่มของวัสดุที่ใช้ตะกั่วไนโอเบตได้รับการพัฒนาและกำลังดำเนินการอยู่ ซึ่งพบการใช้งานจริงแล้วเนื่องจากมีความเป็นไปได้ที่จะใช้ในช่วงความถี่สูงถึง 30 MHz ขึ้นไป กำลังดำเนินการวิจัยที่สำคัญเกี่ยวกับการสร้างวัสดุคอมโพสิต piezoceramic เช่นเดียวกับเซรามิกหลายชั้น ผู้ผลิตต่างประเทศขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของเพียโซอิเล็กทริกแบ่งออกเป็นเหล็กแข็งและเฟอร์โรซอฟต์ ในทางปฏิบัติภายในประเทศ มีการแบ่งเพิ่มเติมในเซรามิกส์ที่มีความเข้มข้นปานกลาง เช่นเดียวกับวัสดุที่มีความเสถียรสูง อุณหภูมิสูง ฯลฯ

ซึ่งแตกต่างจากคริสตัลเพียโซอิเล็กทริก องค์ประกอบของเพียโซเซรามิกถูกผลิตขึ้นโดยการกดกึ่งแห้ง การหล่อแบบลื่น การหล่อด้วยแรงดันร้อน การอัดรีดหรือการกดแบบไอโซสแตติก ตามด้วยการยิงในอากาศที่อุณหภูมิ 1,000-1400 0 องศาเซลเซียส เพื่อลดความพรุน การยิงสามารถทำได้ ดำเนินการในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนหรือองค์ประกอบถูกผลิตขึ้นโดยใช้วิธีการหล่อร้อน ด้วยเทคโนโลยีพิเศษ อิเล็กโทรดจะถูกนำไปใช้กับพื้นผิวของชิ้นงาน

จากนั้นเซรามิกจะถูกทำเป็นเพียโซอิเล็กทริกในทิศทางของโพลาไรเซชันที่เลือกโดยวางไว้ในสนามไฟฟ้าแรงที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดที่เรียกว่า Curie โพลาไรซ์มักจะเป็นกระบวนการสุดท้ายในการผลิตองค์ประกอบเพียโซเซรามิก แม้ว่าจะตามด้วยการรักษาเสถียรภาพทางความร้อนและการควบคุมพารามิเตอร์

เซรามิกส์เพียโซอิเล็กทริกเป็นวัสดุที่แข็งและเฉื่อยทางเคมี ไม่ไวต่อความชื้นและอิทธิพลของบรรยากาศอื่นๆ ในแง่ของคุณสมบัติทางกล จะคล้ายกับฉนวนเซรามิก

รูปที่ 7 องค์ประกอบ Piezo ของการกำหนดค่าต่างๆ

องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกสามารถมีการกำหนดค่าได้หลากหลาย ขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ ตั้งแต่แบนไปจนถึงปริมาตร (ทรงกลม ซีกโลก ฯลฯ)

องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกเหมาะอย่างยิ่งเมื่อใช้เป็นทรานสดิวเซอร์ไฟฟ้าเครื่องกล มีการใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการผลิตส่วนประกอบ ส่วนประกอบ และอุปกรณ์ที่เป็น piezoceramic องค์ประกอบเพียโซเซรามิกบางชนิดสามารถทำหน้าที่ของส่วนประกอบหรือการประกอบในขั้นต้นได้แล้ว และไม่จำเป็นต้องพัฒนาเพิ่มเติม ผลิตภัณฑ์ทั้งหมดที่ผลิตบนพื้นฐานของ piezoceramics แบ่งออกเป็นกลุ่มหลักดังต่อไปนี้: เครื่องกำเนิดไฟฟ้า, เซ็นเซอร์ (เซ็นเซอร์), แอคทูเอเตอร์ (piezodrives), ทรานสดิวเซอร์และระบบรวม

เครื่องกำเนิด Piezoceramic แปลงการกระทำทางกลเป็นศักย์ไฟฟ้าโดยใช้เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรง ตัวอย่าง ได้แก่ เครื่องจุดประกายไฟประเภทแรงดันและแรงกระแทก ที่ใช้ในไฟแช็คและระบบจุดระเบิดประเภทต่างๆ รวมถึงแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่อิงจากมัลติเลเยอร์ piezoceramics ที่ใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

รูปที่ 8 เซ็นเซอร์ Piezo

เซ็นเซอร์ Piezoceramic แปลงแรงทางกลหรือการเคลื่อนไหวเป็นสัญญาณไฟฟ้าตามสัดส่วน กล่าวคือ ยังอิงตามเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรงด้วย

ในบริบทของการใช้งานจริง เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์เซ็นเซอร์เป็นอุปกรณ์ที่ขาดไม่ได้ที่ช่วยให้คุณประสานระบบกลไกกับระบบตรวจสอบและควบคุมอิเล็กทรอนิกส์

เซนเซอร์ชนิดเพียโซเซรามิกมี 2 ประเภทหลัก: แกน (แรงเชิงกลกระทำตามแกนโพลาไรซ์) และแบบยืดหยุ่น (แรงกระทำในแนวตั้งฉากกับแกนโพลาไรซ์)

ในเซ็นเซอร์ตามแนวแกน ดิสก์ แหวน กระบอกสูบและเพลตถูกใช้เป็นองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก ตัวอย่าง ได้แก่ เซ็นเซอร์ความเร่ง (มาตรความเร่ง) เซ็นเซอร์ความดัน เซ็นเซอร์น็อค เซ็นเซอร์ทำลาย และอื่นๆ ในทำนองเดียวกัน ตัวอย่างของเซ็นเซอร์ที่ยืดหยุ่นได้ ได้แก่ เซ็นเซอร์แรงและเซ็นเซอร์ความเร่ง

ตัวกระตุ้น Piezoceramic (piezodrives) สร้างขึ้นบนหลักการของเอฟเฟกต์ piezoelectric ผกผัน และดังนั้นจึงได้รับการออกแบบมาเพื่อแปลงปริมาณไฟฟ้า (แรงดันหรือประจุ) เป็นการกระจัดทางกล (กะ) ของของไหลทำงาน แอคทูเอเตอร์แบ่งออกเป็นสามกลุ่มหลัก: แนวแกน แนวขวาง และแบบยืดหยุ่น แอคทูเอเตอร์ตามแนวแกนและแนวขวางก็มีชื่อสามัญเช่นกัน - แพ็คเกจหลายชั้น เนื่องจากประกอบจากองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก (แผ่นดิสก์ แท่ง จานหรือแท่ง) หลายอันลงในแพ็คเกจ พวกเขาสามารถพัฒนาแรงที่สำคัญ (แรงบล็อก) สูงถึง 10 kN ที่แรงดันควบคุม 1 kV แต่มีส่วนเบี่ยงเบนเล็กน้อยมากของส่วนการทำงาน (จากไม่กี่นาโนเมตรถึงหลายร้อยไมครอน) แอคทูเอเตอร์ดังกล่าวเรียกอีกอย่างว่าทรงพลัง

แอคทูเอเตอร์ที่ยืดหยุ่นได้ (ไบมอร์ฟ) พัฒนาแรงบล็อกเล็กน้อยที่ส่วนเบี่ยงเบนเล็กน้อย (หลายร้อยไมครอน) ของชิ้นงาน อย่างไรก็ตาม บริษัทอเมริกัน APC International Inc. จัดการเพื่อสร้างและเข้าสู่ตลาดด้วยแผ่น bimorph ชนิดใหม่ - "ตัวกระตุ้นเทป" (ลงทะเบียน เครื่องหมายการค้า). ตัวกระตุ้นแบบแถบสามารถให้แรงบล็อกที่ 0.95 นิวตัน และค่าโก่งตัวที่ 1.2 มม. หรือการโก่งตัวสูงสุด 3 มม. และแรงบล็อกที่ 0.6 นิวตัน

แอคทูเอเตอร์ที่ยืดหยุ่นอยู่ในกลุ่มพลังงานต่ำ กลุ่มเดียวกันจะรวมถึงแอคทูเอเตอร์ในแนวแกนที่มีแนวโน้มจะเป็นโมโนบล็อกที่สร้างโดยใช้เทคโนโลยีของเพียโซเซรามิกหลายชั้น

ตัวกระตุ้นแพ็คเก็ตสามารถผลิตได้โดยบริษัทที่ไม่เกี่ยวข้องกับการผลิตเพียโซเซรามิก แอคทูเอเตอร์ที่ยืดหยุ่นและอยู่ในแนวแกนที่ทำจากเซรามิกหลายชั้นนั้นเป็นองค์ประกอบเพียโซเซรามิก สามารถผลิตได้โดยองค์กรที่เป็นเจ้าของเทคโนโลยีและอุปกรณ์สำหรับการผลิตชิ้นส่วน piezoceramic เท่านั้น

ทรานสดิวเซอร์ Piezoceramic ออกแบบมาเพื่อแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล เช่นเดียวกับแอคทูเอเตอร์ พวกเขาใช้หลักการของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกผกผัน

ตัวแปลงขึ้นอยู่กับช่วงความถี่แบ่งออกเป็นสามประเภท:

เสียง (ต่ำกว่า 20 kHz) - ออด, ไมโครโฟนโทรศัพท์, ลำโพงความถี่สูง, ไซเรน, ฯลฯ ;

อัลตราโซนิก - อิมิตเตอร์ความเข้มสูงสำหรับการเชื่อมและการตัด, การล้างและทำความสะอาดวัสดุ, เซ็นเซอร์ระดับของเหลว, เครื่องพ่นกระจาย, เครื่องกำเนิดหมอก, เครื่องช่วยหายใจ, เครื่องทำความชื้นในอากาศ กลุ่มที่สำคัญคือสิ่งที่เรียกว่าเมตรระยะทางอัลตราโซนิกในอากาศซึ่งเป็นส่วนประกอบ piezoceramic ใช้เป็นเครื่องวัดระยะทางสำหรับอุปกรณ์ยานยนต์และรถแทรกเตอร์ เซ็นเซอร์แสดงสถานะและการเคลื่อนไหวในระบบรักษาความปลอดภัย มาตรวัดระดับ สำหรับเฝ้าติดตามและควบคุมจากระยะไกล ในอุปกรณ์สำหรับไล่นก สัตว์ และแมลงศัตรูพืชทางการเกษตร ฯลฯ มีการผลิตอุปกรณ์สามประเภท : การส่ง รับ และเครื่องรับส่งสัญญาณ;

อัลตราโซนิกความถี่สูง -- การทดสอบวัสดุและอุปกรณ์ทดสอบแบบไม่ทำลาย การวินิจฉัยทางการแพทย์และอุตสาหกรรม เส้นหน่วงเวลา ฯลฯ

ระบบ piezoceramic แบบรวมจะแปลงปริมาณไฟฟ้าเป็นปริมาณไฟฟ้า โดยใช้เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับและโดยตรงตามลำดับ ตัวอย่างของระบบดังกล่าว ได้แก่ เครื่องสะท้อนเสียงสะท้อน เครื่องวัดการไหล เครื่องแปลงสัญญาณพายโซทรานส์ฟอร์ม "ตัวค้นหาคีย์"

แม้จะมีการค้นพบเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกในศตวรรษที่ 19 และตั้งแต่ครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 ทฤษฎีและเทคโนโลยีในการสร้างวัสดุเพียโซเซรามิกได้รับการพัฒนาอย่างแข็งขัน เชื่อกันว่าเพียโซเซรามิกเป็นหนึ่งในวัสดุที่มีแนวโน้มของ ศตวรรษที่ 21. เหตุผลสำหรับมุมมองนี้คือคุณสมบัติที่โดดเด่นใน piezoceramics ยังไม่เป็นที่ต้องการของวิทยาศาสตร์ วิศวกรรม และเทคโนโลยีอย่างเต็มที่

การใช้งาน piezoceramics ในด้านต่าง ๆ เริ่มขึ้นในยุค 60-70 ของศตวรรษที่ XX คุณสมบัติของเซ็นเซอร์ piezoceramic และทรานสดิวเซอร์ piezoceramic ได้รับการศึกษาและใช้งานค่อนข้างดี ปัจจุบัน piezoceramics ใช้กันอย่างแพร่หลายในการวินิจฉัยอัลตราซาวนด์ในทางการแพทย์ การบินและการขนส่งทางรถไฟ อุตสาหกรรมพลังงาน น้ำมันและก๊าซ พีโซเซรามิกส์กำลัง -- ในการเชื่อมด้วยอัลตราโซนิก การทำความสะอาดพื้นผิว การเคลือบ การเจาะ ฯลฯ

ในเวลาเดียวกัน piezoceramics ยังคงไม่เพียงพอในการสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แอคทูเอเตอร์ และในระบบที่รวมกัน อย่างไรก็ตาม ข้อกำหนดที่ทันสมัยสำหรับการประหยัดพลังงาน การย่อขนาด ความสามารถในการปรับตัวให้เข้ากับระบบควบคุมคอมพิวเตอร์ และระบบตรวจสอบ ส่งผลให้ผู้ผลิตเครื่องจักรและอุปกรณ์ต้องหันมาใช้ผู้ผลิตเพียโซเซรามิกส์มากขึ้น เพื่อร่วมกันค้นหาโซลูชันทางเทคโนโลยีบางอย่างโดยใช้เพียโซเซรามิกส์ เป็นผลให้ประเภทใหม่ปรากฏขึ้น piezoceramics ชนิดใหม่ถูกสร้างขึ้นและองค์ประกอบและส่วนประกอบที่เป็นที่รู้จักกันดีของ piezoceramic ได้รับการปรับปรุง ขณะนี้กำลังให้ความสนใจเป็นพิเศษกับหม้อแปลงและแอคทูเอเตอร์แบบเพียโซเซรามิก

แม้ว่าการบริโภคเพียโซทรานส์ฟอร์มเมอร์ในปัจจุบันจะไม่ดีนัก แต่ศักยภาพสำหรับการใช้งานในอนาคตยังคงมีอยู่มาก

ทิศทางที่มีแนวโน้มดีประการหนึ่งคือการใช้งานในอุปกรณ์ให้แสงสว่างที่เติมก๊าซในครัวเรือนและในโรงงานอุตสาหกรรมเป็นตัวแปลง DC-AC แบบเรโซแนนซ์ ปัจจุบันมีการใช้ส่วนประกอบที่หลากหลายเพื่อจุดประสงค์เหล่านี้ พื้นฐานของความหวัง ติดตั้งไฟมีการวางหลักการที่ช่วยให้ประหยัดพลังงานไฟฟ้าได้ถึง 80% เมื่อเทียบกับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน ดังนั้น พารามิเตอร์เดียวที่ตัวแปลงเปอร์สเปคทีฟต้องเป็นไปตามคือมิติทางเรขาคณิตขั้นต่ำ การวิจัยตลาดยืนยันว่านักพัฒนาระบบแสงสว่างไม่สนใจลักษณะเปรียบเทียบของแรงดันไฟฟ้าหรือการใช้พลังงานของตัวแปลงมากนัก แต่ในขนาดที่อนุญาตให้ติดตั้งในฐานหลอดไฟ การศึกษาล่าสุดได้แสดงให้เห็นความเป็นไปได้ของการใช้หม้อแปลงไฟฟ้าแบบหลายชั้นในเทคโนโลยีการให้แสงสว่างแบบใหม่ ต้นแบบของคอนเวอร์เตอร์ดังกล่าวได้รับการพัฒนาให้ตรงตามข้อกำหนดเกือบทั้งหมด ยกเว้นราคา ดังนั้นผู้ผลิต piezoceramics จึงกำลังทำงานอย่างแข็งขันในเทคโนโลยีที่จะลดต้นทุน

ทิศทางที่น่าสนใจอีกประการสำหรับการใช้ piezotransformers คือการใช้งานในอุปกรณ์ไฟฟ้า อุปกรณ์สมัยใหม่ได้ปรากฏตัวขึ้นในตลาดที่ไม่ได้ใช้เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าแบบชั้นเดียว (ชนิดโรเซน) แบบดั้งเดิม แต่เป็นหม้อแปลงหลายชั้น ตัวอย่าง ได้แก่ แบ็คไลท์จอแสดงผลคริสตัลเหลวและระบบฟ้าผ่าแคโทดฟลูออเรสเซนต์แบบขับเย็น ข้อดีของ piezotransformers หลายชั้นเมื่อเทียบกับแบบดั้งเดิม ได้แก่ ขนาดที่เล็ก (โดยเฉพาะความหนา) และการใช้พลังงานที่ต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม สำหรับหม้อแปลงหลายชั้นที่ทันสมัยซึ่งได้ออกสู่ตลาด ราคาและขนาดยังคงเป็นปัจจัยกำหนด และผู้ผลิตก็กำลังพยายามลดปัจจัยดังกล่าว

มีความเป็นไปได้สูงที่จะใช้ piezotransformers ในจอโทรทัศน์และคอมพิวเตอร์ขั้นสูง ต้นแบบของจอแสดงผลดังกล่าวได้ดำเนินการไปแล้ว ซึ่งเรียกว่า FED - Field Emission Displays (FED - Field Emission Display) เหล่านี้เป็นจอแบนที่มีความละเอียดและความคมชัดของภาพที่สูงกว่าจอภาพสมัยใหม่ อย่างไรก็ตาม หน้าจอเจเนอเรชันใหม่ที่มีภาพที่ไม่มีการสั่นไหว (Flicker Free Image Screen) กำลังได้รับการพัฒนาอยู่แล้ว สำหรับแหล่งจ่ายไฟที่ใช้หม้อแปลง piezoceramic แบบหลายชั้น ตลาดเทคโนโลยีโทรทัศน์และคอมพิวเตอร์สร้างความตื่นตาตื่นใจให้กับความแปลกใหม่และบังคับให้ผู้ผลิตส่วนประกอบ piezoceramic เร่งรัดการวิจัยและพัฒนาในด้านนี้

สแต็คแอคทูเอเตอร์ถูกใช้ในอวกาศ เทคโนโลยีเลเซอร์ และเครื่องมือออปติคัลสำหรับการปรับเสาอากาศและกระจกด้วยความแม่นยำมาโนเมตริก เชื่อกันว่าพวกเขาจะพบการใช้งานที่กว้างขึ้นซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการพัฒนาแรงผลักดันที่มุมการเดินทางขั้นต่ำ

ประเด็นที่น่าสนใจประการหนึ่งคือการใช้งานในการปรับแต่งเครื่องมือกล เนื่องจากโครงสร้างที่แข็งแรง ตัวกระตุ้นแบบเพียโซจึงเป็นเครื่องมือในอุดมคติสำหรับการปรับอย่างรวดเร็วและแม่นยำ ด้วยการใช้แรงดันไฟฟ้าคงที่กับแม่แบบในเฟสที่มีการหมุนของสปินเดิล ทำให้มั่นใจได้ว่ามีความแม่นยำสูงในการประมวลผลชิ้นส่วนโดยตัวการทำงานของเครื่องจักร

ในอุตสาหกรรมเครื่องมือกล มีการวางแผนที่จะใช้เพื่อลด (ชดเชย) การสั่นสะท้าน สามารถชดเชยการสั่นของเครื่องจักรที่ไม่ต้องการได้โดยใช้ตัวกระตุ้นหลายชั้นที่ทำงานในแอนติเฟสที่มีการสั่นสะท้าน ในทางกลับกัน จะปรับปรุงคุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย ตลอดจนหลีกเลี่ยงการสึกหรอของเครื่องมือมากเกินไป และลดระดับเสียงของเครื่องจักรลงอย่างมาก เครื่องชดเชยการสั่นสะเทือนสามารถใช้ได้ไม่เฉพาะในอุตสาหกรรมเครื่องมือกลเท่านั้น แต่ยังสามารถใช้ในด้านอื่นๆ ด้วย

การประยุกต์ใช้งานอีกประการหนึ่งสำหรับตัวกระตุ้นสแต็คคือการควบคุมวาล์วไฮดรอลิก ตัวอย่างนี้คือการพัฒนาล่าสุดของวาล์วความเร็วสูงแบบ piezoceramic สำหรับทั้งอุปกรณ์เชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ดีเซลของรถยนต์และรถบรรทุก และสำหรับระบบจ่ายก๊าซของเครื่องยนต์ดีเซลและเครื่องยนต์สันดาปภายใน

ตัวอย่างที่ชัดเจนของการใช้องค์ประกอบ การประกอบ และชิ้นส่วนที่เป็น piezoceramic แบบบูรณาการ สามารถทำหน้าที่เป็นการพัฒนาร่วมกันของบริษัทอเมริกัน APC International, Ltd. กับผู้ผลิตชิ้นส่วนสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์

ยานพาหนะสมัยใหม่ที่มีความซับซ้อนทางเทคนิคจำเป็นต้องมีการแนะนำอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือ ความปลอดภัย และความสะดวกสบาย

ดังนั้น เนื่องจากคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ piezoceramics จึงถูกนำไปใช้ในด้านวิศวกรรมและเทคโนโลยีต่างๆ มากขึ้น ผู้ผลิตชิ้นส่วนและส่วนประกอบจากต่างประเทศของ piezoceramics พยายามที่จะตอบสนองความต้องการของตลาดสมัยใหม่อย่างเต็มที่มากขึ้นดำเนินการวิจัยและออกแบบเพื่อปรับปรุงพารามิเตอร์ของเซรามิกพัฒนาประเภทใหม่ซึ่งมีการจัดสรรทรัพยากรทางการเงินที่สำคัญ เพื่อลดต้นทุนของผลิตภัณฑ์ มีการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ ๆ ที่ประหยัดพลังงานมากขึ้นและทำให้กระบวนการผลิตเป็นแบบอัตโนมัติ เป็นที่เชื่อกันว่าเฉพาะบริษัทผู้ผลิต piezoceramics ขนาดใหญ่ที่มีเทคโนโลยีขั้นสูงและอุปกรณ์ที่ทันสมัยเท่านั้นที่จะสามารถตอบสนองความต้องการของตลาดโลกได้อย่างเต็มที่

ผลกระทบ Piezoelectric ในการให้บริการขององค์กรที่สร้างเมือง VSMPO-AVISMA Corporation OJSC

VSMPO-Avisma Corporation เป็นองค์กรชั้นนำของโลกในด้านการผลิตผลิตภัณฑ์กึ่งสำเร็จรูปจากโลหะผสมไททาเนียมสำหรับอุตสาหกรรมการบิน พลังงานนิวเคลียร์ ยารักษาโรค และพื้นที่อื่นๆ บริษัทของเราเป็นหนึ่งในซัพพลายเออร์หลักของบริษัทที่มีชื่อเสียงเช่น Snecma โรลส์รอยซ์, โบอิ้ง, แพรตต์ แอนด์ วิทนีย์, กู๊ดริช

สิ่งนี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากผลิตภัณฑ์คุณภาพสูง กระบวนการผลิตที่มีเทคโนโลยีสูง การใช้อุปกรณ์ที่ทันสมัย ​​และวิธีการผลิต

ตัวบ่งชี้ที่โดดเด่นของการทำกำไรขององค์กรคือต้นทุนของผลิตภัณฑ์ และการลดต้นทุนด้วยคุณภาพที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องเป็นงานหลักและต่อเนื่องขององค์กร ส่วนประกอบของต้นทุนการผลิตคือการดำเนินการทางเทคโนโลยีของการควบคุมผลิตภัณฑ์ ซึ่งในบริษัทของเรามีความน่าเชื่อถือและมีความละเอียดอ่อนเป็นหลัก

เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกรองรับการทดสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง

ที่องค์กรของเรา การทดสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการควบคุมผลิตภัณฑ์ 100% ของร้านเครื่องจักรกล โรงหล่อ โรงหล่อ เช่น ผลิตภัณฑ์เหล่านั้นเนื่องจากความซับซ้อนของการกำหนดค่า ไม่รวมการตรวจจับข้อบกพร่องประเภทอื่น (X-ray, luminescent)

การทดสอบด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงขึ้นอยู่กับความสามารถของพลังงานของการสั่นสะเทือนด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงในการแพร่กระจายโดยสูญเสียเล็กน้อยในตัวกลางยืดหยุ่นที่เป็นเนื้อเดียวกันและสะท้อนให้เห็นจากความไม่ต่อเนื่องในตัวกลางนี้ การทดสอบอัลตราโซนิกมีสองวิธีหลัก - วิธีการส่งเสียงและวิธีการสะท้อน ลำแสงอัลตราโซนิกถูกฉีดเข้าไปในตัวอย่าง และตัวบ่งชี้จะวัดความเข้มของการสั่นสะเทือนที่ผ่านตัวอย่างหรือสะท้อนจากความไม่เป็นเนื้อเดียวกันภายในตัวอย่าง ตรวจพบข้อบกพร่องโดยการลดพลังงานที่ส่งผ่านตัวอย่างหรือโดยพลังงานที่สะท้อนจากข้อบกพร่อง การตรวจจับข้อบกพร่องด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงดำเนินการโดยใช้เครื่องตรวจจับข้อบกพร่อง

เครื่องตรวจจับข้อบกพร่อง (จากภาษาละติน "ข้อบกพร่อง" - ขาด และ "ขอบเขต" ของกรีก - "ดู") - อุปกรณ์ที่ช่วยให้คุณตรวจจับข้อบกพร่องในผลิตภัณฑ์ที่ทำจากวัสดุโลหะและอโลหะต่างๆ โดยไม่ทำลาย ไม่ว่าจะมีรอยแตกในผลิตภัณฑ์ เปลือกลึก หรือข้อบกพร่องอื่น ๆ ที่อาจนำไปสู่อุบัติเหตุ เครื่องตรวจจับข้อบกพร่องจะค้นพบทั้งหมดนี้ แต่แม้รอยแตกเล็กน้อยที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่าก็สามารถนำไปสู่การทำลายผลิตภัณฑ์ได้

ให้เราพิจารณาลักษณะทางกายภาพของการทำงานของเครื่องตรวจจับข้อบกพร่องล้ำเสียง - SPL

องค์ประกอบหลักของอุปกรณ์ดังกล่าวคือแผ่นควอทซ์ เมื่อคลื่นเสียงสะท้อนจากข้อบกพร่องตกกระทบ ควอตซ์จะถูกบีบอัดและยืดออกตามความถี่ของการสั่นของคลื่นเสียง และแรงดันไฟฟ้าสลับจะปรากฏขึ้นที่ใบหน้า นี่เป็นผลมาจากผลกระทบเพียโซอิเล็กทริกโดยตรง เป็นผลให้ภายใต้การกระทำของความเครียดทางกลบนพื้นผิวของควอตซ์และไดอิเล็กทริกอื่น ๆ ประจุไฟฟ้าเกิดขึ้นจากโพลาไรเซชัน

หากใช้พัลส์แรงดันไฟสลับกับเพลตของเพลตของแผ่นควอทซ์ แผ่นควอทซ์จะเริ่มสั่นด้วยความถี่ของแรงดันไฟที่ใช้และกลายเป็นแหล่งกำเนิดของการสั่นของอะคูสติกในความถี่เดียวกัน จะสังเกตพบเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกผกผัน

เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกมีอยู่ในคริสตัลเท่านั้นซึ่งเซลล์ยูนิตไม่มีจุดศูนย์กลางสมมาตร เหล่านี้เป็นผลึกไอออนิกซึ่งประกอบด้วยตาข่ายธรรมดาสองอันหรือมากกว่า "ผลัก" เข้าหากันซึ่งแต่ละอันถูกสร้างขึ้นจากไอออนที่มีเครื่องหมายเดียวกัน - ไม่ว่าจะเป็นบวกหรือลบ เมื่อคริสตัลเสียรูป โครงตาข่ายธรรมดาเหล่านี้จะเลื่อนสัมพันธ์กัน ในกรณีนี้ โมเมนต์ไฟฟ้าของคริสตัลจะเปลี่ยนไป: แรงดันไฟฟ้าปรากฏขึ้นบนใบหน้า โพลาไรเซชันของเพียโซอิเล็กทริกในสนามไฟฟ้านำไปสู่การเสียรูป - เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกผกผัน

รูปที่ 9 โครงการอัลตราซาวนด์

พิจารณาโครงร่างของอัลตราซาวนด์ พัลส์ความถี่สูง (2) ถูกจ่ายจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไปยังแผ่นควอตซ์ (1) แผ่นควอตซ์เริ่มสั่นและปล่อยคลื่นอัลตราโซนิกไปยังปริมาตรของชิ้นส่วนโลหะที่กำลังทดสอบ

สะท้อนจากข้อบกพร่อง เช่น รอยร้าว อัลตราซาวนด์จะกลับคืนสู่เพลตและเปลี่ยนเป็นการสั่นสะเทือนทางไฟฟ้า (3) ที่เข้าสู่ออสซิลโลสโคป (5) ระยะห่างระหว่างพัลส์ตรงและพัลส์ที่สะท้อนสามารถนำมาใช้เพื่อกำหนดความลึกของข้อบกพร่อง (4)

ห้องปฏิบัติการทดสอบอัลตราโซนิกก่อตั้งขึ้นที่ VSMPO ในปีพ. ศ. 2505 ผู้ริเริ่มการสร้างห้องปฏิบัติการของวิธีการทดสอบแบบไม่ทำลายคือ Vladislav Valentinovich Tetyukhin เขานำเครื่องตรวจจับข้อบกพร่องอัลตราโซนิกมาและฝึกให้เขาทำงานด้วย ห้องปฏิบัติการได้รับการยอมรับว่าดีที่สุดแห่งหนึ่งในอุตสาหกรรมการบิน นำทีมโดย Arpad Frantsevich Nemeth ผู้เชี่ยวชาญตัวจริงทำงานที่นี่ ตัวอย่างเช่น หลังจากที่ใช้เซ็นเซอร์ทดสอบอัลตราโซนิกของโรงงานคีชีเนาอย่างทรมานเป็นเวลานาน เราก็ตัดสินใจผลิตมันขึ้นมาเอง N.I. Kalinin ลงมือทำธุรกิจ - และเขาก็ทำมัน! ไม่มีใครมีความละเอียดรอบคอบและแม่นยำในการทำงานอย่างที่ Nikolai Ivanovich มี นั่นเป็นผู้เชี่ยวชาญที่ขาดไม่ได้จริงๆ!

เอกสารที่คล้ายกัน

ลักษณะของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก การศึกษาโครงสร้างผลึกของเอฟเฟกต์: การพิจารณาแบบจำลอง การเสียรูปของผลึก กลไกทางกายภาพของผลเพียโซอิเล็กทริกผกผัน คุณสมบัติของผลึกเพียโซอิเล็กทริก การใช้เอฟเฟกต์

ภาคเรียนที่เพิ่ม 12/09/2010


รากฐานทางกายภาพของอัลตราซาวนด์คือการสั่นสะเทือนแบบยืดหยุ่นซึ่งมีความถี่เกิน 20 kHz ซึ่งแพร่กระจายในรูปของคลื่นตามยาวในสื่อต่างๆ ปรากฏการณ์ของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกผกผัน การประยุกต์ใช้ทางการแพทย์ของการวิจัยอัลตราซาวนด์

งานคุมเพิ่ม 01/06/2015


แนวความคิดของผลึก (เชิงพื้นที่) ขัดแตะ โครงสร้างผลึกของเอฟเฟกต์ ขอบเขตการใช้งานของฟิล์มเพียโซฟิล์มอุตสาหกรรม ย้อนกลับผลเพียโซอิเล็กทริก การใช้ผลึกเพียโซอิเล็กทริกเพื่อสร้างพลังงานไฟฟ้า

ภาคเรียนที่เพิ่ม 04/14/2014


การแสดงลักษณะพิเศษของเอฟเฟกต์แมกนีโตอีลาสติกเป็นปรากฏการณ์ของสนามแม่เหล็กแบบผกผัน ซึ่งประกอบด้วยการเปลี่ยนแปลงในการทำให้เป็นแม่เหล็กของแม่เหล็กภายใต้การกระทำของการเสียรูปทางกล ใช้เอฟเฟกต์นี้เพื่อวัดแรง แรงบิด และแรงดัน

ภาคเรียนที่เพิ่ม 12/13/2010


แนวคิดและลักษณะทั่วไปของเอฟเฟกต์โฟโตอีลาสติกและการประยุกต์ใช้เพื่อให้ได้รูปแบบของการกระจายความเค้น วิธีการพื้นฐานในการวัดปริมาณทางกายภาพ: พารามิเตอร์ของการแผ่รังสีแสง ความดัน และความเร่งโดยใช้เอฟเฟกต์โฟโตอีลาสติก

ภาคเรียนที่เพิ่ม 12/13/2010


แนวคิดของเอฟเฟกต์โพเทนชิโอเมตริกและการประยุกต์ในเทคโนโลยี วงจรสมมูลของอุปกรณ์โพเทนชิโอเมตริก การวัดปริมาณทางกายภาพตามเอฟเฟกต์โพเทนชิโอเมตริก เซ็นเซอร์ที่สร้างขึ้นบนพื้นฐานของเอฟเฟกต์โพเทนชิโอเมตริก

ควบคุมงานเพิ่ม 12/18/2010


คำอธิบายของ Hall effect โดยใช้ทฤษฎีอิเล็กตรอน Hall effect ในเฟอร์โรแม่เหล็กและเซมิคอนดักเตอร์ ฮอลล์ EMF เซ็นเซอร์ มุมห้องโถง. ค่าคงที่ฮอลล์ การวัดผลฮอลล์ Hall effect สำหรับสิ่งเจือปนและการนำภายใน

ภาคเรียนที่เพิ่ม 02/06/2007


คุณสมบัติและหลักการใช้เอฟเฟกต์โพซิสเตอร์ในเฟอร์โรอิเล็กทริก รุ่น Heiwang และ Jonker เทคโนโลยีและขั้นตอนหลักของการได้มาซึ่งโพซิสเตอร์ พื้นที่ของมัน การใช้งานจริง, การศึกษาทดลองของผลกระทบที่สอดคล้องกัน.

ภาคเรียนที่เพิ่ม 12/21/2015


ลักษณะทั่วไปและสาระสำคัญของเอฟเฟกต์ piezoresonance เซ็นเซอร์ Piezoresonant และเซ็นเซอร์ วิธีการขึ้นทะเบียนรังสีไอออไนซ์ การหาปริมาณแอมโมเนียในอากาศ ข้อผิดพลาดที่จำกัดความถูกต้องของการวัดตามผลกระทบทางกายภาพที่กำหนด

ภาคเรียนที่เพิ่ม 03/26/2012


ผลของการกระทำระยะไกลระหว่างการฉายรังสีไอออนและโฟตอน วิธีความแข็งระดับไมโครเป็นวิธีการลงทะเบียนเอฟเฟกต์ระยะไกล ผลกระทบทางชีวภาพของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงมิลลิเมตร (EHF) เอฟเฟกต์ระยะไกลในระบบไดโอดซิลิคอน

ใช้ในการผลิตอัลตราซาวนด์

ย้อนกลับผลเพียโซอิเล็กทริก;

สนามแม่เหล็ก;

ไฟฟ้า;

ผลกระทบเพียโซอิเล็กทริก - ผลของการเกิดโพลาไรเซชันไดอิเล็กตริกภายใต้การกระทำของความเค้นเชิงกล (ผลเพียโซอิเล็กทริกโดยตรง) นอกจากนี้ยังมีเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกแบบผกผัน - การเกิดขึ้นของการเปลี่ยนรูปทางกลภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า

เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกย้อนกลับประกอบด้วยแผ่นที่ตัดในลักษณะใดลักษณะหนึ่งจากคริสตัลควอตซ์ (หรือคริสตัลแอนไอโซทรอปิกอื่นๆ) ถูกบีบอัดหรือยืดออกภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับทิศทางของสนาม หากแผ่นดังกล่าวถูกวางไว้ระหว่างเพลตของตัวเก็บประจุแบบแบนซึ่งมีการใช้แรงดันไฟฟ้าสลับ เพลตจะเกิดการสั่นแบบบังคับ การสั่นสะเทือนของเพลตจะถูกส่งไปยังอนุภาคของสิ่งแวดล้อม (อากาศหรือของเหลว) ซึ่งสร้างคลื่นอัลตราโซนิก

ปรากฏการณ์ของสนามแม่เหล็กคือในแท่งแม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกนั้น (เหล็ก เหล็ก นิกเกิล และโลหะผสมของพวกมัน) จะเปลี่ยนขนาดเชิงเส้นภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็กที่พุ่งไปตามแกนของแท่งเหล็ก โดยการวางแท่งดังกล่าวในสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากระแสสลับ (เช่น ภายในขดลวดซึ่งมีกระแสสลับไหลผ่าน) เราจะทำให้เกิดการสั่นแบบบังคับในแกน ซึ่งแอมพลิจูดจะมากเป็นพิเศษเมื่อมีการสั่นพ้อง ปลายก้านสั่นจะสร้างคลื่นอุลตร้าโซนิคในสิ่งแวดล้อม ซึ่งความเข้มจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแอมพลิจูดของการสั่นของปลาย

วัสดุบางชนิด (เช่น เซรามิก) สามารถเปลี่ยนขนาดได้ในสนามไฟฟ้า ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ไฟฟ้าสถิตภายนอกแตกต่างจากเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกผกผันในการเปลี่ยนแปลงขนาดขึ้นอยู่กับความแรงของสนามที่ใช้เท่านั้น แต่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับเครื่องหมายของมัน วัสดุดังกล่าว ได้แก่ แบเรียมไททาเนตและตะกั่วเซอร์โคเนตไททาเนต

ทรานสดิวเซอร์ที่ใช้ปรากฏการณ์ที่อธิบายไว้ข้างต้นเรียกว่า piezoelectric, magnetostrictive และ electrostrictive ตามลำดับ

ตัวปล่อยอัลตราโซนิก.

ในธรรมชาติ สหรัฐอเมริกาพบทั้งเป็นส่วนประกอบของเสียงธรรมชาติหลายอย่าง (ในเสียงลม น้ำตก ฝน ในเสียงก้อนกรวดกลิ้งไปตามคลื่นทะเล ในเสียงที่มาพร้อมกับฟ้าแลบ ฯลฯ) และท่ามกลาง เสียงของสัตว์โลก สัตว์บางชนิดใช้คลื่นอัลตราโซนิกเพื่อตรวจจับสิ่งกีดขวาง การวางแนวในอวกาศ

ตัวปล่อยอัลตราซาวนด์สามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่มใหญ่ อย่างแรกรวมถึงตัวปล่อย-เครื่องกำเนิดไฟฟ้า; การสั่นในนั้นรู้สึกตื่นเต้นเนื่องจากการมีสิ่งกีดขวางในเส้นทางของการไหลคงที่ - ไอพ่นของก๊าซหรือของเหลว อิมิตเตอร์กลุ่มที่สองคือทรานสดิวเซอร์ไฟฟ้า-อะคูสติก พวกมันแปลงความผันผวนของแรงดันไฟหรือกระแสที่ให้ไว้แล้วไปเป็นการสั่นสะเทือนทางกลของวัตถุที่เป็นของแข็ง ซึ่งจะแผ่คลื่นเสียงออกสู่สิ่งแวดล้อม

อิมิตเตอร์อัลตราซาวนด์ไฟฟ้าใช้ปรากฏการณ์ของผลเพียโซอิเล็กทริกผกผันและประกอบด้วยองค์ประกอบต่อไปนี้ (รูปที่ 1)

แผ่นที่ทำจากสารที่มีคุณสมบัติเป็นเพียโซอิเล็กทริก

อิเล็กโทรดที่สะสมอยู่บนพื้นผิวในรูปของชั้นนำไฟฟ้า

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่จ่ายแรงดันไฟฟ้าสลับของความถี่ที่ต้องการไปยังอิเล็กโทรด

เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าสลับกับอิเล็กโทรด (2) จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (3) เพลต (1) จะเกิดการยืดและบีบอัดเป็นระยะ การบังคับสั่นเกิดขึ้นซึ่งมีความถี่เท่ากับความถี่ของการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า การสั่นสะเทือนเหล่านี้จะถูกส่งไปยังอนุภาคของสิ่งแวดล้อม ทำให้เกิดคลื่นกลที่มีความถี่ที่เหมาะสม แอมพลิจูดของการสั่นของอนุภาคของตัวกลางใกล้กับหม้อน้ำมีค่าเท่ากับแอมพลิจูดของการสั่นของเพลต

ลักษณะเฉพาะของอัลตราซาวนด์รวมถึงความเป็นไปได้ที่จะได้รับคลื่นที่มีความเข้มสูงแม้ในแอมพลิจูดการสั่นที่ค่อนข้างเล็ก เนื่องจากที่แอมพลิจูดที่กำหนด ความหนาแน่นของฟลักซ์พลังงานจะเป็นสัดส่วนกับ ความถี่กำลังสอง.

ฉัน \u003d ρ ω 2 ʋ A 2 / 2 (1)

ความเข้มที่ จำกัด ของรังสีอัลตราซาวนด์นั้นพิจารณาจากคุณสมบัติของวัสดุของตัวปล่อยเช่นเดียวกับลักษณะของเงื่อนไขการใช้งาน

ช่วงความเข้มระหว่างการสร้างอัลตราโซนิกในพื้นที่ UHF กว้างมาก: ตั้งแต่ 10 -14 W/cm 2 ถึง 0.1 W/cm 2

สำหรับวัตถุประสงค์หลายประการ จำเป็นต้องใช้ความเข้มที่สูงกว่าความเข้มข้นที่หาได้จากพื้นผิวของตัวปล่อย ในกรณีเหล่านี้ คุณสามารถใช้โฟกัสได้

เครื่องรับอัลตราซาวนด์. เครื่องรับอัลตราโซนิกไฟฟ้าใช้ปรากฏการณ์ของผลกระทบเพียโซอิเล็กทริกโดยตรง

ในกรณีนี้ภายใต้การกระทำของคลื่นอัลตราโซนิกการสั่นของแผ่นคริสตัล (1) เกิดขึ้นซึ่งเป็นผลมาจากแรงดันไฟฟ้าสลับปรากฏบนอิเล็กโทรด (2) ซึ่งบันทึกโดยระบบบันทึก (3)

ในอุปกรณ์ทางการแพทย์ส่วนใหญ่ เครื่องกำเนิดคลื่นอัลตราโซนิกถูกใช้เป็นเครื่องรับพร้อมกัน

คุณสมบัติของอัลตราซาวนด์ที่กำหนดการใช้งานเพื่อการวินิจฉัยและการรักษา (ความยาวคลื่นสั้น, ทิศทาง, การหักเหและการสะท้อนกลับ, การดูดกลืน, ความลึกครึ่งการดูดซึม)

ผลการรักษาของอัลตราซาวนด์เกิดจากปัจจัยทางกล ความร้อนและเคมี การกระทำร่วมกันของพวกเขาช่วยเพิ่มการซึมผ่านของเยื่อหุ้ม, ขยายหลอดเลือด, ปรับปรุงการเผาผลาญ, ซึ่งช่วยในการฟื้นฟูสภาวะสมดุลของร่างกาย สามารถใช้อัลตราซาวนด์ในขนาดยานวดเบาๆ ที่หัวใจ ปอด อวัยวะและเนื้อเยื่ออื่นๆ

ก) ความยาวคลื่นสั้น ปฐมนิเทศ. ความยาวคลื่นอัลตราโซนิกสั้นกว่าความยาวคลื่นเสียงมาก เนื่องจากความยาวคลื่น λ=υ/ν เราพบ: สำหรับเสียงที่มีความถี่ 1 kHz ความยาวคลื่น λ เสียง =1500/1000=1.5 ม.; สำหรับอัลตราซาวนด์ที่มีความถี่ 1 MHz ความยาวคลื่น λ uz \u003d 1500 / 1 000 000 \u003d 1.5 มม.

เนื่องจากความยาวคลื่นสั้น การสะท้อนและการเลี้ยวเบนของอัลตราซาวนด์จึงเกิดขึ้นบนวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าเสียงที่ได้ยิน ตัวอย่างเช่น ลำตัวขนาด 10 ซม. จะไม่เป็นอุปสรรคต่อคลื่นเสียงที่มี λ=1.5 ม. แต่จะกลายเป็นอุปสรรคสำหรับคลื่นอัลตราโซนิกที่มี λ=1.5 มม. ในกรณีนี้เงาอัลตราโซนิกปรากฏขึ้นดังนั้นในบางกรณีการแพร่กระจายของคลื่นอัลตราโซนิกสามารถพรรณนาได้โดยใช้รังสีและสามารถใช้กฎการสะท้อนและการหักเหของแสงได้ นั่นคือภายใต้เงื่อนไขบางประการคลื่นอัลตราโซนิกจะแพร่กระจายในกระแสตรงซึ่งใช้กฎของเลนส์ทางเรขาคณิต

b) การหักเหและการสะท้อนกลับเช่นเดียวกับคลื่นทุกประเภท ปรากฏการณ์ของการสะท้อนและการหักเหของแสงนั้นมีอยู่ในอัลตราซาวนด์ กฎที่ปรากฏการณ์เหล่านี้เชื่อฟังนั้นคล้ายคลึงกับกฎการสะท้อนและการหักเหของแสงอย่างสมบูรณ์ ดังนั้นในหลายกรณี การแพร่กระจายของคลื่นอัลตราโซนิกจะแสดงโดยใช้รังสี

สำหรับลักษณะเชิงปริมาณของกระบวนการ แนวคิดของสัมประสิทธิ์การสะท้อน R=I ref /I o ถูกนำมาใช้ โดยที่ I ref คือความเข้มของคลื่นอัลตราโซนิกที่สะท้อน ฉันเกี่ยวกับ - ความรุนแรงของเหตุการณ์ นี่คือปริมาณที่ไม่มีมิติซึ่งแตกต่างจากศูนย์ (ไม่มีการสะท้อน) ถึงหนึ่ง (การสะท้อนทั้งหมด)

ยิ่งอิมพีแดนซ์คลื่น (ρυ) ของสื่อต่างกันมาก เศษส่วนของพลังงานที่สะท้อนยิ่งมากขึ้นและเศษของพลังงานที่ไหลผ่านอินเทอร์เฟซยิ่งเล็กลง

ความต้านทานคลื่นของตัวกลางทางชีวภาพนั้นมากกว่าความต้านทานคลื่นของอากาศประมาณ 3000 เท่า (R=1/3000) ดังนั้นการสะท้อนที่ขอบเขต อากาศผิวคือ 99.99% หากตัวปล่อยถูกนำไปใช้กับผิวหนังของมนุษย์โดยตรง อัลตราซาวนด์จะไม่แทรกซึมเข้าไปภายใน แต่จะสะท้อนจากชั้นอากาศบาง ๆ ระหว่างตัวปล่อยกับผิวหนัง เพื่อขจัดชั้นอากาศ พื้นผิวของผิวหนังถูกปกคลุมด้วยชั้นของสารหล่อลื่นที่เหมาะสม (เยลลี่น้ำ) ซึ่งทำหน้าที่เป็นสื่อกลางในการเปลี่ยนผ่านที่ลดการสะท้อน

สารหล่อลื่นต้องตรงตามข้อกำหนดที่เกี่ยวข้อง: มีความต้านทานเสียงใกล้กับความต้านทานเสียงของผิวหนัง มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซึมอัลตราโซนิกต่ำ มีความหนืดสูง ผิวเปียกได้ดี และปลอดสารพิษ (น้ำมันวาสลีน กลีเซอรีน ฯลฯ .)

ค) การดูดซึม ความลึกของการดูดซึมครึ่งหนึ่งคุณสมบัติที่สำคัญต่อไปของอัลตราซาวนด์คือการดูดซับในตัวกลาง: พลังงานของการสั่นสะเทือนทางกลของอนุภาคของตัวกลางจะถูกแปลงเป็นพลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน พลังงานของคลื่นกลที่ตัวกลางดูดซับในกรณีนี้ทำให้เกิดความร้อนในตัวกลาง เอฟเฟกต์นี้อธิบายโดยสูตร:

ฉัน \u003d ฉัน o อี-ซีแอล (3)

โดยที่ I คือความเข้มของคลื่นอัลตราโซนิกที่เคลื่อนที่เป็นระยะทาง l ในตัวกลาง ฉัน o - ความเข้มเริ่มต้น; k คือค่าสัมประสิทธิ์การดูดซึมของอัลตราซาวนด์ในตัวกลาง e เป็นฐานของลอการิทึมธรรมชาติ (e = 2.71)

นอกจากค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแล้ว ความลึกครึ่งการดูดซึมยังใช้เป็นลักษณะเฉพาะของการดูดกลืนด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง

ความลึกครึ่งการดูดซึมคือความลึกที่ความเข้มของคลื่นอัลตราซาวนด์ลดลงครึ่งหนึ่ง

ความลึกของการดูดซึมครึ่งหนึ่งสำหรับเนื้อเยื่อต่าง ๆ มีความหมายต่างกัน ดังนั้นเพื่อวัตถุประสงค์ทางการแพทย์จึงใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ที่มีความเข้มต่างๆ: เล็ก - 1.5 W / m 2, กลาง - (1.5-3) W / m 2 และใหญ่ - (3-10) W / m 2

การดูดซึมในตัวกลางที่เป็นของเหลวนั้นน้อยกว่าในเนื้อเยื่ออ่อนและในเนื้อเยื่อกระดูกมากกว่า

8. ปฏิกิริยาของอัลตราซาวนด์กับสสาร: กระแสเสียงและการเกิดโพรงอากาศ การปล่อยความร้อนและ ปฏิกริยาเคมี, เสียงสะท้อน, การมองเห็นเสียง).

ก) กระแสเสียงและการเกิดโพรงอากาศคลื่นอุลตร้าโซนิคที่มีความเข้มสูงมาพร้อมกับเอฟเฟกต์เฉพาะมากมาย ดังนั้นการแพร่กระจายของคลื่นอัลตราโซนิกในก๊าซและของเหลวจะมาพร้อมกับการเคลื่อนที่ของตัวกลางทำให้เกิดกระแสเสียง (ลมโซนิค) ซึ่งมีความเร็วถึง 10 เมตรต่อวินาที ที่ความถี่ในช่วง UHF (0.1-10) MHz ในสนามอัลตราโซนิกที่มีความเข้มข้นหลาย W / cm 2 ของเหลวสามารถพ่นและพ่นด้วยการก่อตัวของหมอกที่ละเอียดมาก คุณสมบัติของการขยายพันธุ์อัลตราซาวนด์นี้ใช้ในเครื่องช่วยหายใจแบบอัลตราโซนิค

ท่ามกลางปรากฏการณ์สำคัญที่เกิดขึ้นระหว่างการแพร่กระจายของอัลตราซาวนด์ที่รุนแรงในของเหลวคือ โพรงอะคูสติก- การเจริญเติบโตในช่องอัลตราโซนิกของฟองอากาศจากนิวเคลียส submicroscopic ที่มีอยู่ของก๊าซหรือไอระเหยในของเหลวจนถึงเศษส่วนของขนาดมม. ซึ่งเริ่มเต้นเป็นจังหวะด้วยความถี่ของอัลตราซาวนด์และยุบในระยะบวกของความดัน เมื่อฟองแก๊สยุบ แรงกดดันในท้องถิ่นจำนวนมากของคำสั่ง พันบรรยากาศเกิดคลื่นกระแทกทรงกลม ผลกระทบทางกลที่รุนแรงต่ออนุภาคดังกล่าวสามารถนำไปสู่ผลกระทบต่างๆ รวมถึงผลกระทบที่ทำลายล้าง แม้จะไม่ได้รับอิทธิพลจากการกระทำทางความร้อนของอัลตราซาวนด์ ผลกระทบทางกลมีความสำคัญอย่างยิ่งภายใต้การกระทำของอัลตราซาวนด์ที่เน้น

ผลที่ตามมาอีกประการหนึ่งของการล่มสลายของฟองอากาศคาวิเทชันคือความร้อนที่รุนแรงของเนื้อหา (สูงถึงอุณหภูมิประมาณ 10,000 0 C) ร่วมกับการแตกตัวเป็นไอออนและการแยกตัวของโมเลกุล

ปรากฏการณ์คาวิเทชันเกิดขึ้นพร้อมกับการพังทลายของพื้นผิวการทำงานของอิมิตเตอร์ ความเสียหายของเซลล์ ฯลฯ อย่างไรก็ตาม ปรากฏการณ์นี้ยังนำไปสู่ผลประโยชน์หลายประการ ตัวอย่างเช่นในพื้นที่ของการเกิดโพรงอากาศจะมีการผสมสารเพิ่มขึ้นซึ่งใช้ในการเตรียมอิมัลชัน

b) การปลดปล่อยความร้อนและปฏิกิริยาเคมีการดูดซึมของอัลตราซาวนด์ด้วยสารจะมาพร้อมกับการถ่ายโอนพลังงานกลไปยังพลังงานภายในของสารซึ่งนำไปสู่ความร้อน ความร้อนที่รุนแรงที่สุดเกิดขึ้นในบริเวณที่อยู่ติดกับส่วนต่อประสานระหว่างตัวกลาง เมื่อค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนใกล้เคียงกับเอกภาพ (100%) นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าจากการสะท้อนความเข้มของคลื่นใกล้ขอบเขตเพิ่มขึ้นและปริมาณพลังงานที่ดูดซับเพิ่มขึ้น สิ่งนี้สามารถยืนยันได้ในการทดลอง จำเป็นต้องแนบตัวปล่อยอัลตราซาวนด์เข้ากับมือที่เปียก ในไม่ช้า ความรู้สึก (คล้ายกับความเจ็บปวดจากการถูกไฟไหม้) เกิดขึ้นที่ฝั่งตรงข้ามของฝ่ามือ ซึ่งเกิดจากอัลตราซาวนด์ที่สะท้อนจากผิวสัมผัสอากาศ

เนื้อเยื่อที่มีโครงสร้างซับซ้อน (ปอด) ไวต่อความร้อนจากอัลตราซาวนด์มากกว่าเนื้อเยื่อที่เป็นเนื้อเดียวกัน (ตับ) ความร้อนค่อนข้างมากถูกปล่อยออกมาที่ขอบของเนื้อเยื่ออ่อนและกระดูก

การให้ความร้อนของเนื้อเยื่อในพื้นที่เป็นเศษส่วนทำให้เกิดกิจกรรมที่สำคัญของวัตถุทางชีววิทยาเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการเผาผลาญอาหาร อย่างไรก็ตาม การเปิดรับแสงเป็นเวลานานอาจทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไป

ในบางกรณีอัลตราซาวนด์ที่เน้นจะใช้สำหรับผลกระทบเฉพาะที่ต่อโครงสร้างร่างกายของแต่ละบุคคล เอฟเฟกต์นี้ช่วยให้คุณควบคุมภาวะอุณหภูมิเกินได้ กล่าวคือ ความร้อนสูงถึง 41-44 0 C โดยไม่ทำให้เนื้อเยื่อข้างเคียงร้อนเกินไป

การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิและความดันลดลงที่มาพร้อมกับอัลตราซาวนด์สามารถนำไปสู่การก่อตัวของไอออนและอนุมูลที่สามารถโต้ตอบกับโมเลกุล ในกรณีนี้ ปฏิกิริยาเคมีดังกล่าวอาจเกิดขึ้นซึ่งไม่สามารถทำได้ภายใต้สภาวะปกติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งผลกระทบทางเคมีของอัลตราซาวนด์โดยการแยกโมเลกุลของน้ำออกเป็น H + และ OH - อนุมูลตามด้วยการก่อตัวของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ H 2 O 2 .

ค) การสะท้อนของเสียง วิสัยทัศน์เสียงขึ้นอยู่กับการสะท้อนของคลื่นอัลตราโซนิกจากความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน การมองเห็นเสียง,ใช้ในอัลตราซาวนด์ทางการแพทย์ ในกรณีนี้ อัลตราซาวนด์ที่สะท้อนจากความไม่เป็นเนื้อเดียวกันจะถูกแปลงเป็นการสั่นสะเทือนทางไฟฟ้า และแบบหลังเป็นการสั่นสะเทือนแบบเบา ซึ่งทำให้สามารถมองเห็นวัตถุบางอย่างบนหน้าจอในระดับทึบแสงปานกลางถึงแสงได้

กล้องจุลทรรศน์อัลตราโซนิกถูกสร้างขึ้นที่ความถี่ในช่วงอัลตราโซนิกซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่คล้ายกับกล้องจุลทรรศน์ธรรมดาซึ่งมีข้อดีเหนือกว่าออปติคัลหนึ่งคือการศึกษาทางชีววิทยาไม่ต้องการการย้อมสีเบื้องต้นของวัตถุ ด้วยความถี่ของคลื่นอัลตราโซนิกที่เพิ่มขึ้น ความละเอียดจะเพิ่มขึ้น (สามารถตรวจจับความไม่เท่าเทียมกันได้น้อยลง) แต่กำลังการแทรกซึมของพวกมันจะลดลง กล่าวคือ ความลึกที่โครงสร้างที่น่าสนใจสามารถสำรวจได้ลดลง ดังนั้นจึงเลือกความถี่อัลตราซาวนด์เพื่อรวมความละเอียดที่เพียงพอกับความลึกที่ต้องการของการตรวจสอบ ดังนั้นสำหรับการตรวจอัลตราซาวนด์ของต่อมไทรอยด์ที่อยู่ใต้ผิวหนังโดยตรงจึงใช้คลื่น 7.5 MHz และสำหรับการตรวจอวัยวะในช่องท้องจะใช้ความถี่ 3.5 - 5.5 MHz นอกจากนี้ยังคำนึงถึงความหนาของชั้นไขมันด้วย: สำหรับเด็กผอมบางจะใช้ความถี่ 5.5 MHz และสำหรับเด็กและผู้ใหญ่ที่มีน้ำหนักเกินความถี่ 3.5 MHz

9. ผลทางชีวฟิสิกส์ของอัลตราซาวนด์: เครื่องกล ความร้อน กายภาพ และเคมี

ภายใต้การกระทำของอัลตราซาวนด์กับวัตถุทางชีววิทยาในอวัยวะและเนื้อเยื่อที่ฉายรังสีในระยะทางเท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น ความแตกต่างของแรงดันจากหน่วยถึงระดับบรรยากาศสามารถเกิดขึ้นได้ ผลกระทบที่รุนแรงดังกล่าวนำไปสู่ผลกระทบทางชีวภาพที่หลากหลาย ซึ่งธรรมชาติทางกายภาพกำหนดโดยการกระทำร่วมกัน ปรากฏการณ์ทางกล ความร้อน และฟิสิกส์เคมีควบคู่ไปกับการขยายพันธุ์ของอัลตราซาวนด์ในตัวกลาง

การกระทำทางกลถูกกำหนดโดยความดันเสียงที่แปรผันและประกอบด้วยการสั่นสะเทือนขนาดเล็กของเนื้อเยื่อในระดับเซลล์และเซลล์ย่อยการซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์ภายในเซลล์และเนื้อเยื่อเพิ่มขึ้นเนื่องจากผลของอัลตราซาวนด์ต่อกรดไฮยาลูโรนิกและ chondroitin ซัลเฟตที่เพิ่มขึ้น ในความชุ่มชื้นของชั้นผิวหนัง

ผลกระทบความร้อนมีความเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานกลเป็นพลังงานความร้อน ในขณะที่ความร้อนถูกสร้างขึ้นอย่างไม่สม่ำเสมอในเนื้อเยื่อของร่างกาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งความร้อนจำนวนมากสะสมที่ขอบเขตของสื่อเนื่องจากความแตกต่างของความต้านทานเสียงของเนื้อเยื่อเช่นเดียวกับในเนื้อเยื่อที่ดูดซับพลังงานอัลตราโซนิกในปริมาณที่มากขึ้น (เส้นประสาท, เนื้อเยื่อกระดูก) และในสถานที่ที่ให้มาไม่ดี เลือด.

การกระทำทางกายภาพและเคมีเนื่องจากพลังงานเคมีทำให้เกิดการสั่นพ้องทางกลในเนื้อเยื่อของร่างกาย ภายใต้อิทธิพลของหลัง การเคลื่อนที่ของโมเลกุลจะถูกเร่งและการสลายตัวของพวกมันเป็นไอออนจะรุนแรงขึ้น สถานะไอโซอิเล็กทริกจะเปลี่ยนไป สนามไฟฟ้าใหม่เกิดขึ้น การเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้าเกิดขึ้นในเซลล์ โครงสร้างของน้ำและสถานะของเปลือกชุ่มชื้นเปลี่ยนแปลง อนุมูลและผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ของ sonolysis ของตัวทำละลายทางชีวภาพปรากฏขึ้น เป็นผลให้เกิดการกระตุ้นกระบวนการทางเคมีกายภาพและชีวเคมีในเนื้อเยื่อกระตุ้นการเผาผลาญ

ในปี ค.ศ. 1756 นักวิชาการชาวรัสเซีย เอฟ เอปินัส ค้นพบว่าเมื่อผลึกทัวร์มาลีนถูกทำให้ร้อน จะมีประจุไฟฟ้าสถิตปรากฏขึ้นบนใบหน้า ต่อจากนั้น ปรากฏการณ์อะตอมจึงถูกตั้งชื่อว่าเอฟเฟกต์ไพโรอิเล็กทริก F. Aepinus สันนิษฐานว่าสาเหตุของปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าที่สังเกตได้เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงคือความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอของพื้นผิวทั้งสอง ซึ่งนำไปสู่ลักษณะที่ปรากฏของความเค้นเชิงกลในผลึก ในเวลาเดียวกัน เขาชี้ให้เห็นว่าความคงตัวในการกระจายของเสาที่ปลายคริสตัลขึ้นอยู่กับโครงสร้างและองค์ประกอบของมัน ดังนั้น F. Aepinus จึงเข้าใกล้การค้นพบของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก

เพียโซอิเล็กทริกในผลึกถูกค้นพบในปี พ.ศ. 2423 โดยพี่น้องพี. และเจ. คูรี ซึ่งสังเกตลักษณะที่ปรากฏบนพื้นผิวของแผ่นเปลือกโลกที่คริสตัลควอทซ์ตัดในทิศทางที่แน่นอน ประจุไฟฟ้าสถิตภายใต้การกระทำของความเค้นเชิงกล ประจุเหล่านี้เป็นสัดส่วนกับความเค้นทางกล เปลี่ยนเครื่องหมายด้วย และหายไปเมื่อถอดออก การก่อตัวของประจุไฟฟ้าสถิตบนพื้นผิวของไดอิเล็กตริกและการเกิดโพลาไรซ์ไฟฟ้าภายในอันเป็นผลมาจากความเค้นทางกลเรียกว่าเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรง

นอกจากผลกระทบโดยตรงแล้ว ยังมีเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกผกผัน ซึ่งประกอบด้วยความจริงที่ว่าการเสียรูปทางกลเกิดขึ้นในแผ่นที่ตัดจากคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าที่ใช้กับมัน นอกจากนี้ ขนาดของการเปลี่ยนรูปทางกลเป็นสัดส่วนกับความแรงของสนามไฟฟ้า ไม่ควรสับสนระหว่างเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับกับปรากฏการณ์การหักเหของไฟฟ้า นั่นคือ กับการเปลี่ยนรูปของไดอิเล็กตริกภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้า เมื่อใช้ไฟฟ้าสถิต จะเกิดการพึ่งพากำลังสองระหว่างการเสียรูปกับสนาม และด้วยเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก จะเป็นเส้นตรง

นอกจากนี้ ไฟฟ้าสถิตเกิดขึ้นในไดอิเล็กตริกของโครงสร้างใดๆ และเกิดขึ้นแม้ในของเหลวและก๊าซ ในขณะที่เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกนั้นสังเกตได้เฉพาะในไดอิเล็กทริกที่เป็นของแข็งเท่านั้น ซึ่งส่วนใหญ่เป็นผลึก

จะปรากฏเฉพาะในกรณีเหล่านั้นเมื่อการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่นของคริสตัลมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงในจุดศูนย์ถ่วงของประจุบวกและลบของเซลล์พื้นฐานของคริสตัล กล่าวคือ เมื่อทำให้เกิดโมเมนต์ไดโพลเหนี่ยวนำ ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็น สำหรับการเกิดขั้วไฟฟ้าของไดอิเล็กทริกภายใต้การกระทำของความเค้นทางกล ในโครงสร้างที่มีศูนย์กลางของความสมมาตร ไม่มีการเสียรูปที่สม่ำเสมอสามารถรบกวนสมดุลภายในของตาข่ายคริสตัลได้ ดังนั้นมีเพียง 20 คลาสที่ไม่มีจุดศูนย์กลางสมมาตรเท่านั้นที่เป็นเพียโซอิเล็กทริก การไม่มีจุดศูนย์กลางสมมาตรเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นแต่ไม่เพียงพอสำหรับการมีอยู่ของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก ดังนั้นจึงไม่ใช่คริสตัลที่มีศูนย์กลางทั้งหมด

ไม่สามารถสังเกตเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกได้ในไดอิเล็กทริกอสัณฐานที่เป็นของแข็งและ cryptocrystalline เนื่องจากสิ่งนี้ขัดแย้งกับความสมมาตรของทรงกลม ข้อยกเว้นคือเมื่อพวกมันกลายเป็นแอนไอโซทรอปิกภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอกและทำให้ได้คุณสมบัติของผลึกเดี่ยวบางส่วน นอกจากนี้ เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกยังเป็นไปได้ในพื้นผิวคริสตัลบางประเภท

จนถึงขณะนี้ เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกยังไม่พบคำอธิบายเชิงปริมาณที่น่าพอใจภายในกรอบของทฤษฎีอะตอมสมัยใหม่ของตาข่ายคริสตัล แม้แต่โครงสร้างแบบง่ายที่สุด ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะคำนวณลำดับของค่าคงที่เพียโซอิเล็กทริกโดยประมาณ

เพียโซอิเล็กทริกแต่ละตัวเป็นทรานสดิวเซอร์ไฟฟ้า ดังนั้นคุณลักษณะที่สำคัญของมันคือสัมประสิทธิ์การคัปปลิ้งไฟฟ้า k กำลังสองของสัมประสิทธิ์นี้คืออัตราส่วนของพลังงานที่ปรากฏในรูปแบบทางกลสำหรับการเสียรูปประเภทหนึ่งต่อพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดที่ได้รับที่อินพุตจากแหล่งพลังงาน

ในหลายกรณีของเพียโซอิเล็กทริก สมบัติการยืดหยุ่นของพวกมันมีความจำเป็น ซึ่งอธิบายโดยอีลาสติก โมดูลิ c (โมดูลิเอยูของยัง) หรือส่วนกลับ - ค่าคงที่ยืดหยุ่น s

ในบางกรณีเมื่อใช้องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกเป็นเรโซเนเตอร์ จะมีการแนะนำค่าสัมประสิทธิ์ความถี่ ซึ่งเป็นผลคูณของความถี่เรโซแนนซ์ขององค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกและขนาดเรขาคณิตที่กำหนดประเภทของการสั่นสะเทือน ค่านี้เป็นสัดส่วนกับความเร็วของเสียงในทิศทางของการแพร่กระจายของคลื่นยืดหยุ่นในองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก ในปัจจุบัน สารหลายชนิด (มากกว่า 500 ชนิด) เป็นที่ทราบกันดีว่ามีกิจกรรมเพียโซอิเล็กทริก อย่างไรก็ตาม มีเพียงไม่กี่คนเท่านั้นที่พบการใช้งานจริง

ผลกระทบของเพียโซอิเล็กทริก (กรีกเพียโซ - แรงดันและไฟฟ้า) เป็นปรากฏการณ์ที่บ่งบอกถึงการเกิดขึ้นของโพลาไรซ์ไฟฟ้า (การเหนี่ยวนำ) ภายใต้การกระทำของความเค้นเชิงกลหรือการเกิดการเสียรูปภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าในสารบางชนิด (piezocrystals) หากแผ่นเพียโซอิเล็กทริกที่ถูกตัดด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งอยู่ภายใต้ความเค้นทางกล (การบีบอัด, แรงตึง, แรงเฉือน) ประจุไฟฟ้าจะปรากฏขึ้นบนพื้นผิวของมันเนื่องจากการโพลาไรเซชัน - นี่คือเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรงที่เรียกว่า เมื่อวางเพลตดังกล่าวในสนามไฟฟ้า การเสียรูปจะเกิดขึ้น ซึ่งขึ้นอยู่กับความแรงของสนามไฟฟ้าเป็นเส้นตรง - ผลเพียโซอิเล็กทริกผกผัน
กลไกของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรงอธิบายได้จากลักษณะหรือการเปลี่ยนแปลงโมเมนต์ไดโพลของเซลล์หน่วยของโครงผลึกคริสตัลอันเป็นผลมาจากการกระจัดของประจุภายใต้การกระทำของความเค้นเชิงกล ภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าต่อประจุพื้นฐานในเซลล์ การกระจัดของพวกมันจะเกิดขึ้นและเป็นผลให้ระยะห่างเฉลี่ยระหว่างพวกมันเปลี่ยนไป กล่าวคือ การเสียรูป (ผลเพียโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับ)
piezoelectric effect ถูกค้นพบในปี 1880 โดยพี่น้อง P. และ J. Curie ซึ่งสังเกตได้จากผลึกควอตซ์และคริสตัลอื่นๆ
เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการมีอยู่ของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกคือการไม่มีศูนย์กลางของสมมาตรในคริสตัล เฉพาะในกรณีนี้การใช้แรงดันไฟฟ้าสามารถนำไปสู่การปรากฏตัวของประจุไฟฟ้าที่ไม่ได้รับการชดเชยเช่น ถึงการเกิดโพลาไรซ์ เพียโซอิเล็กทริก ได้แก่ ควอตซ์ ทัวร์มาลีน เกลือเซงเกต แบเรียมไททาเนต โพแทสเซียมไดไฮโดรเจนฟอสเฟต พลวงซัลโฟโอไดด์ โพแทสเซียมซัลไฟด์ ฯลฯ นอกจากนี้ยังมีอยู่ในกระดูกมนุษย์
หลักการของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรงใช้ในการผลิตเครื่องรับการสั่นสะเทือนล้ำเสียง เพียโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับใช้ในการผลิตอัลตราซาวนด์และอุปกรณ์อัลตราซาวนด์สำหรับการรักษาทั้งหมดจะขึ้นอยู่กับผลกระทบนี้ สาระสำคัญของการได้รับอัลตราซาวนด์มีดังนี้ หากใช้แรงดันไฟฟ้าสลับกับพื้นผิวปลายของแผ่นเพียโซคริสตัลที่ตัดด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งโดยใช้อิเล็กโทรด ความหนาของมันจะลดลงสลับกันตามความถี่ของกระแสสลับ เมื่อความหนาของเพลตในชั้นสิ่งแวดล้อมโดยรอบลดลง จะเกิดการหายากขึ้น และเมื่อเพิ่มขึ้น อนุภาคของตัวกลางก็จะหนาขึ้น เป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงเป็นระยะในความหนาของแผ่นที่เรียกว่าตัวแปลงสัญญาณ piezoelectric คลื่นอัลตราโซนิกเกิดขึ้นในตัวกลางโดยแพร่กระจายไปในทิศทางตั้งฉากกับพื้นผิวของแผ่น การเปลี่ยนแปลงความหนาของแผ่นผลึกเพียโซอิเล็กทริกนั้นน้อยมาก เป็นสัดส่วนกับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้: AS = LU โดยที่ AS คือการเปลี่ยนแปลงในขนาดของเพลต: L คือโมดูลเพียโซอิเล็กทริก: U ถูกนำไปใช้ แรงดันไฟฟ้า.
เพื่อเพิ่มความเข้มของการสั่นสะเทือนอัลตราโซนิกปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ถูกนำมาใช้ซึ่งต้องคำนึงถึงความถี่ของการสั่นสะเทือนตามธรรมชาติของสาร หากความถี่ของแรงดันไฟฟ้าสลับที่ใช้กับ piezocrystal เกิดขึ้นพร้อมกับความถี่ (เรโซแนนซ์) ของมันเอง แอมพลิจูดของการสั่นของเพลตจะใหญ่ที่สุด ดังนั้นความเข้มของคลื่นอัลตราโซนิกที่แพร่กระจายสู่สิ่งแวดล้อมก็จะสูงสุดเช่นกัน ในทางกลับกัน ความถี่เรโซแนนซ์ของเพลตจะขึ้นอยู่กับขนาดของเพลต ยิ่งจานยิ่งบาง ความถี่เรโซแนนซ์ก็จะยิ่งมากขึ้น ตัวอย่างเช่น สำหรับแผ่นควอตซ์ที่มีความหนา 1 มม. ความถี่เรโซแนนซ์จะเท่ากับ 2.88 MHz และสำหรับความหนา 0.5 มม. - 5.76 MHz
ก่อนหน้านี้ แผ่นควอทซ์ถูกใช้เป็นองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกในอุปกรณ์บำบัดด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง ทุกวันนี้ เซรามิกแบเรียมไททาเนตกำลังถูกแทนที่ด้วยเซรามิกส์ซึ่งมีเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกหลายเท่า

เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก (เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก) พบได้ในผลึกของสารบางชนิดที่มีความสมมาตร แร่ธาตุเพียโซอิเล็กทริกที่พบมากที่สุดในธรรมชาติ ได้แก่ ควอทซ์ ทัวร์มาลีน สฟาเลไรต์ และเนฟีลีน ไดอิเล็กทริกโพลีคริสตัลไลน์บางชนิดที่มีโครงสร้างที่สั่งการ (วัสดุเซรามิกและโพลีเมอร์) มีผลเพียโซอิเล็กทริก ไดอิเล็กทริกที่แสดงเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกเรียกว่าเพียโซอิเล็กทริก.

ข้าว. หนึ่ง

แรงทางกลภายนอกซึ่งกระทำการในทิศทางที่แน่นอนบนผลึกเพียโซอิเล็กทริก ไม่เพียงแต่ทำให้เกิดการเสียรูปทางกลในตัวมันเท่านั้น (เช่นเดียวกับในวัตถุที่เป็นของแข็ง) แต่ยังรวมถึงโพลาไรเซชันด้วยไฟฟ้าด้วย เช่น การปรากฏตัวของประจุไฟฟ้าที่มีสัญญาณต่างกันบนพื้นผิว (รูปที่ 1a, F- แรงกระทำ P - เวกเตอร์โพลาไรซ์ไฟฟ้า) ด้วยทิศทางตรงกันข้ามของแรงทางกล สัญญาณของประจุเปลี่ยนไป(รูปที่ 1b). ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าเอฟเฟกต์เพียโซโดยตรง(รูปที่ 2a).

ข้าว. 2

แต่ เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกสามารถย้อนกลับได้. เมื่อเพียโซอิเล็กทริกสัมผัสกับสนามไฟฟ้าในทิศทางที่สอดคล้องกัน จะเกิดการเสียรูปทางกลในนั้น (รูปที่ 1c)เมื่อทิศทางของสนามไฟฟ้าเปลี่ยน การเสียรูปก็จะเปลี่ยนไปตามนั้น(รูปที่ 1d). ปรากฏการณ์นี้มีชื่อว่าเอฟเฟกต์เพียโซย้อนกลับ(รูปที่ 2b) .

เพียโซอิเล็กทริกเอฟเฟกต์อธิบายได้ดังนี้ ในตะแกรงคริสตัลเนื่องจากจุดศูนย์กลางของไอออนบวกและลบไม่ตรงกันจึงมีประจุไฟฟ้าเป็นปริมาตร ในกรณีที่ไม่มีสนามไฟฟ้าภายนอก โพลาไรเซชันนี้จะไม่ปรากฏให้เห็น เนื่องจากถูกชดเชยด้วยประจุบนพื้นผิว เมื่อคริสตัลเสียรูป อิออนบวกและลบของโครงตาข่ายจะเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน และโมเมนต์ไฟฟ้าของคริสตัลจะเปลี่ยนไปตามนั้น ซึ่งทำให้มีศักย์ไฟฟ้าปรากฏบนพื้นผิว นี่คือการเปลี่ยนแปลงของโมเมนต์ไฟฟ้าที่ปรากฎในเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก เพียโซอิเล็กทริกไม่เพียงขึ้นอยู่กับขนาดของการกระทำทางกลหรือทางไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังขึ้นกับธรรมชาติและทิศทางของแรงที่สัมพันธ์กับแกนผลึกของผลึกด้วย

การเสียรูปของวัสดุเพียโซอิเล็กทริกที่เกิดจากเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกนั้นไม่มีนัยสำคัญในค่าสัมบูรณ์ ตัวอย่างเช่น แผ่นควอตซ์ที่มีความหนา 1 มม. ภายใต้การกระทำของแรงดันไฟฟ้า 100 V จะเปลี่ยนความหนาเพียง 0.23 ไมครอน เพียโซอิเล็กทริกอธิบายความไม่สำคัญของการเสียรูปได้ด้วยความแข็งแกร่งที่สูงมาก

ผลกระทบเพียโซอิเล็กทริกแบบไปข้างหน้าและย้อนกลับเป็นแบบเส้นตรงและอธิบายโดยการพึ่งพาเชิงเส้นที่เกี่ยวข้องกับโพลาไรซ์ไฟฟ้า P กับความเค้นเชิงกล g:

P=αg (1).

การพึ่งพาอาศัยกันนี้เรียกว่าสมการของผลเพียโซอิเล็กทริกโดยตรง ค่าสัมประสิทธิ์ของสัดส่วน α เรียกว่าโมดูลเพียโซอิเล็กทริก (โมดูลเพียโซอิเล็กทริก) ทำหน้าที่เป็นตัววัดผลเพียโซอิเล็กทริก ผลกระทบเพียโซอิเล็กทริกผกผันอธิบายโดยการพึ่งพา

r=αE (2),

โดยที่ r - การเสียรูป;

E - ความแรงของสนามไฟฟ้า

ข้าว. 3

piezomodulus α สำหรับผลโดยตรงและผลผกผันมีค่าเท่ากัน ตัวปล่อยเพียโซอิเล็กทริกไม่มีหน้าสัมผัสทางกลและประกอบด้วยองค์ประกอบเซรามิกจับจ้องอยู่ที่จานโลหะ (รูปที่ 3)การสั่นสะเทือนของดิสก์เกิดจากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับดิสก์ แรงดันไฟสลับของความถี่หนึ่งจะสร้างสัญญาณที่ได้ยิน อิมิเตอร์แบบเพียโซอิเล็กทริกไม่อยู่ภายใต้การสึกหรอทางกลขององค์ประกอบโครงสร้าง มีการใช้พลังงานต่ำ ไม่มีสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า ด้วยความช่วยเหลือของ piezoceramics ทำให้สามารถรับเสียงได้มาก ตัวอย่างของทรานสดิวเซอร์ piezoceramic แต่ละตัวสามารถพัฒนาความดันเสียงที่ระยะ 1 ม. ถึง 130 dB (ระดับเกณฑ์ความเจ็บปวด)

ข้าว. 4

ตัวปล่อย Piezoelectric มีให้เลือกสองรุ่น:

- ตัวแปลง "บริสุทธิ์" (ไม่มีวงจรควบคุม) - การโทรแบบเพียโซ
- อิมิตเตอร์พร้อมวงจรควบคุม (พร้อมเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในตัว) - ผู้ประกาศ

เพื่อให้ทรานสดิวเซอร์ประเภทแรกสร้างเสียง จำเป็นต้องมีสัญญาณควบคุมที่สร้างขึ้น (คลื่นไซน์หรือคลื่นสี่เหลี่ยมของความถี่ที่กำหนดสำหรับรุ่นทรานสดิวเซอร์เฉพาะ) ตัวส่งสัญญาณที่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในตัวต้องการเพียงระดับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดเท่านั้น อุปกรณ์ดังกล่าวผลิตขึ้นสำหรับแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 1 ถึง 250 V (DC และ AC)

ตัวอย่างเช่น ระฆัง piezoceramic (piezo buzzer) ZP-1 (รูปที่ 4)ประกอบด้วย piezoblock สองอันซึ่งเมมเบรนแต่ละอันทำในรูปแบบของแผ่นตื้นที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 32 มม. เพลตจะเรียงซ้อนกันตรงข้ามและบัดกรีที่ขอบด้านนอก องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกในกระดิ่งถูกเปลี่ยนในลักษณะที่เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าสลับ พื้นผิวของเพลตจะบรรจบกันหรือแยกจากกัน กล่าวคือ โซนของการบีบอัดและ rarefaction เกิดขึ้นที่ทั้งสองด้านของระฆัง ความถี่เรโซแนนซ์ของการโทรคือ 2 kHz

ข้าว. 5

โดยจะสร้างแรงดันเสียง 75 dB ที่ระยะห่าง 1 ม. ที่แรงดันไฟฟ้าที่ความถี่เรโซแนนซ์ 10 V กระดิ่งนี้จะแผ่คลื่นเสียงออกเป็นครึ่งช่องว่างทั้งสองเท่าๆ กัน ตารางที่ 1พารามิเตอร์ของตัวปล่อยเพียโซอิเล็กทริกอื่น ๆ จะได้รับ รูปร่างซึ่งแสดงในรูปที่ 5. ในรูปที่ 6 นำเสนอลักษณะแอมพลิจูด - ความถี่ขององค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก: PVA-1- fig.6a และ ZP-5 - fig.6b.

ตารางที่ 1 ลักษณะของตัวปล่อยเพียโซ

บันทึก: * - ออกแบบมาให้ทำงานในโหมด self-oscillating

ข้าว. 6 ลักษณะแอมพลิจูดความถี่ขององค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก

A.Kashkarov