Что такое пьезоэффект: Пьезоэлектрический эффект — прямой и обратный пьезоэффект

Пьезоэлектрический эффект: свойства и применение

В 19 веке в 1880 году братья Кюри проводили эксперимент, во время которого происходило образование электрического разряда, когда на кварц или другие виды кристаллов оказывалось давление. В дальнейшем это явление стало известно, как пьезоэлектрический эффект. Греческое слово «пьезо» в переводе на русский язык означает сжатие. Некоторое время спустя, те же ученые открыли явление обратного пьезоэлектрического эффекта, представляющего собой механическую деформацию кристалла под действием электрического поля. Данное явление используется в электронных устройствах, где необходимо распознавание и преобразование звуковых сигналов.

Содержание

Физические свойства пьезоэффекта

В ходе исследований было установлено, что пьезоэлектрический эффект присущ кварцу, турмалину и другим кристаллам естественного и искусственного происхождения. Перечень таких материалов постоянно растет. Если любой из этих кристаллов сжать или растянуть в определенном направлении, на отдельных гранях появятся электрические заряды с положительным и отрицательным значением. Разность потенциалов таких зарядов будет незначительной.

Для того чтобы понять природу пьезоэффекта, необходимо соединить электроды между собой и разместить их на гранях кристалла. При кратковременном сжатии или растяжении в цепи, образованной электродами, можно заметить образование короткого электрического импульса. Именно он является электрическим и физическим проявлением пьезоэффекта. Если же кристалл испытывает постоянное давление, в этом случае импульс не появится. Данное свойство кристаллических материалов широко используется при изготовлении точных чувствительных приборов.

Одним из качеств пьезоэлектрических кристаллов является их высокая упругость. По окончании действия деформирующего усилия, эти материалы без всякой инерции принимают свою изначальную форму и объем. Если же прикладывается новое усилие или изменяется приложенное ранее, в этом случае мгновенно образуется еще один токовый импульс. Данное свойство, известное как прямой и обратный пьезоэффект, успешно используется в устройствах, регистрирующих совсем слабые механические колебания.

В самом начале открытия пьезоэффекта решение такой задачи было невозможно из-за слишком незначительной силы тока в колеблющейся кристаллической цепи. В современных условиях ток может быть усилен многократно, а некоторые виды кристаллов имеют довольно высокий пьезоэффект. Ток, полученный от них, не требует дополнительного усиления и свободно передается по проводам на значительные расстояния.

Прямой и обратный пьезоэффект

Все кристаллы, рассмотренные выше, обладают качествами прямого и обратного пьезоэффекта. Данное свойство одновременно присутствует во всех подобных материалах – с моно- и поликристаллической структурой. Обязательным условием является их предварительная поляризация в процессе кристаллизации воздействием сильного электрического поля.

Для того чтобы понять, как действует прямой пьезоэффект, необходимо кристалл или керамический материал расположить между металлическими пластинами. Генерация электрического заряда происходит в результате приложенного механического усилия – сжатия или растяжения.

Величина полной энергии, полученной от внешней механической силы, составит сумму энергий упругой деформации и заряда емкости элемента. Поскольку пьезоэлектрический эффект носит обратимый характер, возникает специфическая реакция. Прямой пьезоэффект приводит к возникновению электрического напряжения, которое в свою очередь, под влиянием обратного эффекта вызывает деформацию и механические напряжения, оказывающие противодействие внешним силам. За счет этого жесткость элемента будет увеличиваться. В случае отсутствия электрического напряжения, обратный пьезоэффект тоже будет отсутствовать, а жесткость пьезоэлемента уменьшится.

Таким образом, обратный пьезоэлектрический эффект заключается в механической деформации материала – расширении или сжатии под действием приложенного к нему напряжения. Данные элементы выполняют функцию своеобразного мини-аккумулятора и применяются в гидролокаторах, микрофонах, датчиках давления, других чувствительных приборах и устройствах. Свойства обратного эффекта широко используются в миниатюрных акустических устройствах мобильных телефонов, в гидроакустических и медицинских ультразвуковых датчиках.

Виды пьезоэлектрических материалов

Основным свойством таких материалов является возможность получения электроэнергии за счет сжатия или растяжения, то есть, деформации.

Все материалы, используемые на практике, классифицируются следующим образом:

• Кристаллы. Включают в себя кварц и другие виды природных образований.
• Керамические изделия. Представляют собой группу искусственных материалов. Типичными представителями являются цирконат-титанат свинца – ЦТС, а также титанат бария и ниобат лития. Они обладают более ярким пьезоэлектрическим эффектом по сравнению с природными материалами.

Если сравнивать ЦТС и кварц, становится заметно, что при одной и той же деформации, искусственный элемент вырабатывает более высокое напряжение. Когда на него влияет обратный пьезоэлектрический эффект он соответственно сильнее деформируется, когда к нему приложено такое же напряжение, как и к кварцу. Благодаря своим качествам, искусственные материалы получили широкое распространение в конструкциях керамических конденсаторов, ультразвуковых преобразователей и прочих электронных устройств.

Использование пьезоэффекта на практике

Пьезоэлектрические свойства кристаллов и материалов искусственного происхождения успешно применяются в различных областях. В качестве примеров можно привести ультразвуковую дефектоскопию, позволяющую выявлять дефекты внутри металлических конструкций, электромеханические преобразователи, стабилизирующие радиочастоты, различные датчики и другие приборы.

В электротехнике широко используется обратный пьезоэлектрический эффект, связанный с деформацией кристалла под действием приложенного напряжения. В случае наложения на кристалл электрических колебаний с частотой звука, в нем возникнут колебания такой же частоты с выделением в окружающее пространство звуковых волн. Таким образом, один и тот же кристалл может быть использован не только как микрофон, но и как динамик.

Все пьезоэлектрики имеют собственную частоту механических колебаний. Они проявляются с наибольшей силой, когда совпадают с частотой подведенного напряжения. Подобное наложение колебаний известно, как электромеханический резонанс. Данное свойство позволило создать различные виды пьезоэлектрических стабилизаторов, поддерживающих постоянную частоту в генераторах незатухающих колебаний.

Точно такая же реакция наблюдается при действии механических колебаний с частотой, совпадающей с собственными колебаниями кристалла. Подобный эффект и его применение позволил создать акустические приборы, способные выделять из всей массы звуков лишь необходимые для конкретных целей.

При изготовлении приборов и устройств цельные кристаллы не используются. Они распиливаются на пластинки, имеющие строгую ориентацию с их кристаллографическими осями. Пластинки изготавливаются определенной толщины, в зависимости от того, какую резонансную частоту колебаний нужно получить. Они соединяются с металлическими слоями, и в результате происходит рождение готового пьезоэлемента.

Что такое пьезоэлектрический эффект, принцип его работы, как и где это применяется

Пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) наблюдается в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной симметрией. К наиболее распространенным в природе минералам-пьезоэлектрикам относятся кварц, турмалин, сфалерит, нефелин. Пьезоэффектом обладают некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (керамические материалы и полимеры).

Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называются пьезоэлектриками. Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механическую деформацию (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию, т.е появление на его поверхностях электрических зарядов разных знаков (рис.1а, F — действующие силы, Р — вектор электрической поляризации).

При противоположном направлении механических сил меняются знаки зарядов (рис.16). Это явление называют прямым пьезоэффектом (рис.2а).

Рис. 1. Как работает пьезоэлемент.

Рис. 2. Прямой пьезоэффект.

Эффект электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические деформации (рис.1в). При изменении направления электрического поля соответственно изменяются деформации (рис.1 г). Это явление получило название обратного пьезоэффекта (рис.2б).

Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом. В кристаллической решетке вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется объемный электрический заряд.

В отсутствие внешнего электрического поля эта поляризация не проявляется,так как она компенсируется зарядами на поверхности. При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются друг относительно друга, и соответственно изменяется электрический момент кристалла, который вызывает появление потенциалов на поверхности.

Именно это изменение электрического момента и проявляется в пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэффект зависит не только от величины механического или электрического воздействия, но и от характера и направления сил относительно кристаллографических осей кристалла.

Деформации пьезоэлектрика, возникающие вследствие пьезоэффекта, незначительны по абсолютной величине. Например, кварцевая пластина толщиной 1 мм под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на 0,23 мкм. Незначительность деформаций пьезоэлектриков объясняется их очень высокой жесткостью.

Прямой и обратный пьезоэффект линейны и описываются линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением д:

Данную зависимость называют уравнением прямого пьезоэффекта. Коэффициент пропорциональности а называется пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем). Он служит мерой пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект описывается зависимостью

где:

• г — деформация;
• Е — напряженность электрического поля.

Пьезомодуль а для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение. Пьезоэлектрические излучатели не имеют механических контактов и состоят из керамического пьезоэлемента, закрепленного на металлическом диске (рис.З).

Вибрация диска вызвана приложенным к нему напряжением. Переменное напряжение определенной частоты создает звуковой сигнал.

Пьезоэлектрические излучатели не подвержены механическому износу элементов конструкции, имеют малое энергопотребление, у них отсутствуют электрические шумы.

С помощью пьезокерамики удается получать значительную громкость звука. Отдельные образцы пьезокерамических преобразователей могут развивать звуковое давление на расстоянии 1 м до 130 дБ (уровень болевого порога).

Рис. 3. Конструкция пьезоэлектрического излучателя.

Пьезоэлектрические излучатели выпускаются в двух модификациях:

• “чистые” преобразователи (без схемы управления) — пьезозвонки;
• излучатели со схемой управления (с встроенным генератором) — оповещатели.

Чтобы преобразователи первого типа генерировали звуки, необходимы сформированные управляющие сигналы (синусоида или меандр определенной частоты, указанной для конкретной модели преобразователя).

Излучатели со встроенным генератором требуют подачи только определенного уровня напряжения. Такие устройства выпускаются на номинальные напряжения от 1 до 250 В (постоянного и переменного тока).

Рис. 4. Пьезозуммер ЗП-1.

Например, пьезокерамический звонок (пьезозуммер) ЗП-1 (рис.4) состоит из двух пьезоблоков, мембрана каждого из которых выполнена в форме неглубокой тарелки с внешним диаметром 32 мм.

Тарелки сложены встречно и пропаяны по внешней границе. Пьезоэлементы в звонке скоммутированы таким образом, что при подаче переменного напряжения поверхности тарелок либо сходятся, либо расходятся, т.е. с обеих сторон звонка образуются зоны сжатия и разрежения.

Резонансная частота звонка-2 кГц. Он создает звуковое давление 75 дБ на расстоянии 1 м при напряжении на резонансной частоте 10 В.

Табл. 1. Характеристики и размеры пьезозуммеров.

Примечание: * — предназначен для работы в автоколебательном режиме.

Рис. 5. Внешний вид пьезозвонков.

Рис. 6. Типовые амплитудно-частотные характеристики пьезозвонков: ПВА-1 и ЗП-5.

Этот звонок излучает звуковые волны одинаково в оба полупространства. В табл.1 приведены параметры других пьезозвонков, внешний вид которых показан на рис.

5. На рис.6 представлены типовые амплитудно-частотные характеристики пьезозвонков: ПВА-1 — рис.ба и ЗП-5 — рис.66.

Широкое распространение получили пьезокерамические звонки с акустической камерой. Их основное преимущество- большая громкость звучания при малых габаритах.

Конструкция пьезокерамического звонка с акустической камерой проста. Это — полый цилиндр, одно основание которого — пьезоблок, другое — крышка с отверстием.

Соотношение объемавнутренней полости и размера отверстия рассчитывают так, чтобы акустический резонанс камеры и механический резонанс пьезоблока были близки по частоте. Звонок излучает звук благодаря отверстию, в котором частицы воздуха имеют большую амплитуду колебаний. Внешний вид звонков такого типа показан на рис.7.

Рис. 7. Примеры звонков.

Пьезокерамические оповещатели (пьезосирены) — это звукоизлучающие устройства, предназначенные для привлечения внимания на сравнительно большом расстоянии или в условиях шумового фона.

Они представляют собой электроакустические преобразователи с встроенными генераторами звуковой частоты и питанием от источника постоянного напряжения.

Оповещатели по сравнению со звонками должны развивать большее звуковое давление. Это достигается двумя путями. Во-первых, используются повышенные напряжения питания.

Во-вторых, принимаются конструктивные меры для увеличения излучающей поверхности.

Так, чтобы превратить в оповещатель звонок с акустической камерой, нужно снабдить его рупором. Рупор — это труба с увеличивающейся площадью поперечного сечения.

В узком начале трубы находится источник звука, а широкий конец — излучающий. В оповещателях для уменьшения габаритов используются свернутые рупоры.

На рис.8 схематично изображен разрез по вертикали оповещателя со свернутым рупором. Звуковая волна от отверстия акустической камеры радиально распространяется по лабиринту, меняя направление (вверх-вниз). С каждой сменой направления поперечное сечение становится все больше.

Рис. 8. Разрез по вертикали оповещателя со свернутым рупором.

Табл. 2. Параметры распространенных оповещателей разных производителей.

В итоге, площадь излучающего кольцевого отверстия многократно превышает площадь первоначального источника звука. Пример оповещателей с рупором — ОСА-100 и ОСА-110 (рис.9). Иной способ увеличения излучающей поверхности — использование диффузора или диафрагмы.

Рис. 9. Пример оповещателей с рупором ОСА-100 и ОСА-110.

Например так, как схематично показано на рис.10. Воронкообразный диффузор своим основанием приклеивается к центру пьезоблока в точке максимальной амплитуды колебаний.

Параметры распространенных оповещателей разных производителей приведены в табл.2, а их конструктивное исполнение — на рис.11.

Рис. 10. Способ увеличения излучающей поверхности.

Рис. 11. Конструктивное исполнение распространенных оповещателей разных производителей.

Поскольку пьезоэлектрический эффект обратим, пьезоизлучатели можно использовать в качестве тензодатчиков, т.е. элементов, преобразующих толчки, удары и другие механические воздействия на них в электрические сигналы. На основе пьезоэлектрического капсюля ЗП-1 (рис.4) можно создать простое и надежное устройство охранной сигнализации.

Я применил его для контроля “состояния” входной двери в квартире, и оно автоматически включает звуковую сигнализации при любом механическом воздействии на дверь, в том числе, при ее открывании и закрывании.

Схема устройства представлена на рис. 12. Пьезодатчик фиксируется каплей клея “Супер-момент” на дверь с внутренней стороны квартиры (рис.13).

Рис. 12. Простое и надежное устройство охранной сигнализации.

Капсюль ЗП-1, служащий тензодатчиком, включается в разрыв шлейфа, подключенного к разъему Х2 (рис.12). Триггер Шмитта на элементе DD1 микросхемы К561ТЛ1 (зарубежный аналог — CD4093B) переключается пропорционально силе механического воздействия на ЗП-1. Эта микросхема имеет в своем составе 4 однотипных элемента с функцией 2И-НЕ и триггерами Шмитта.

Незадействованные входы остальных элементов (выводы 5, 6, 8, 9, 12 и 13), по правилам эксплуатации КМОП-микросхем, нужно соединить с общим проводом или питанием.

При механическом воздействии на пьезокапсюль, когда дверь открылась или закрылась, после стука по ней, задвигания щеколды или любого иного механического воздействия раздается акустический сигнал длительностью 1…5 с в зависимости от силы механического воздействия и положения движка резистора R1.

В исходном состоянии (после включения питания) на входах элемента DD1 за счет резисторов R1 и R2 присутствует высокий уровень (логическая “1”), на выходе — низкий (“0”).

Транзистор VТ1 закрыт, и звуковой капсюль НА1 не активен. Сотрясение, вибрация и удары влияют на капсюль ЗП-1 и преобразуются с его помощью в электрический сигнал.

Триггер Шмитта реагирует на изменение входного уровня и перебрасывается в другое состояние. Транзистор VТ1 открывается, почти все напряжение питания прикладывается к звуковому капсюлю НА1, и он громко звучит с частотой примерно 1000 Гц.

А. Кашкаров, г. С.-Петербург. РМ-07-12, 08-12.

Пьезоэлектрический эффект — пьезоэлектрические двигатели и системы движения

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектрический эффект — это способность некоторых материалов генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Слово пьезоэлектрический происходит от греческого piezein, что означает сжимать или давить, и piezo, что в переводе с греческого означает «толкать».

Одной из уникальных характеристик пьезоэлектрического эффекта является его обратимость. Это означает, что материалы, демонстрирующие прямой пьезоэлектрический эффект (выработка электричества при приложении напряжения), также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект (генерирование напряжения при воздействии электрического поля). применены).

Когда пьезоэлектрический материал подвергается механическому воздействию, происходит смещение центров положительного и отрицательного заряда в материале, в результате чего возникает внешнее электрическое поле. При реверсировании внешнее электрическое поле либо растягивает, либо сжимает пьезоэлектрический материал.

Пьезоэлектрический эффект очень полезен во многих приложениях, связанных с воспроизведением и обнаружением звука, генерацией высоких напряжений, генерацией электронных частот, микровесами и сверхточной фокусировкой оптических сборок. Он также является основой ряда научных инструментальных методов с атомарным разрешением, таких как сканирующие зондовые микроскопы (СТМ, АСМ и т. д.). Пьезоэлектрический эффект также находит применение и в более приземленных приложениях, например, в качестве источника воспламенения для зажигалок.

История пьезоэлектрического эффекта

Прямой пьезоэлектрический эффект был впервые обнаружен в 1880 году братьями Пьером и Жаком Кюри. Объединив свои знания в области пироэлектричества с пониманием структуры и поведения кристаллов, братья Кюри продемонстрировали первый пьезоэлектрический эффект, используя кристаллы турмалина, кварца, топаза, тростникового сахара и сегнетовой соли. Их первоначальная демонстрация показала, что кварц и сегнетовая соль в то время проявляли наибольшую пьезоэлектрическую способность.

В течение следующих нескольких десятилетий пьезоэлектричество оставалось в лаборатории, над чем можно было экспериментировать по мере того, как проводилась дополнительная работа по изучению большого потенциала пьезоэлектрического эффекта. Начало Первой мировой войны ознаменовало появление первого практического применения пьезоэлектрических устройств — гидролокатора. Это первоначальное использование пьезоэлектричества в гидролокаторе вызвало интенсивный международный интерес к пьезоэлектрическим устройствам. В течение следующих нескольких десятилетий были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые приложения для этих материалов.

Во время Второй мировой войны исследовательские группы в США, России и Японии открыли новый класс искусственных материалов, называемых сегнетоэлектриками, пьезоэлектрические константы которых во много раз превышают природные пьезоэлектрические материалы. Хотя кристаллы кварца были первым коммерчески используемым пьезоэлектрическим материалом и до сих пор используются в приложениях обнаружения гидролокаторов, ученые продолжали поиск материалов с более высокими характеристиками. Эти интенсивные исследования привели к разработке титаната бария и титаната цирконата свинца, двух материалов, которые обладали очень специфическими свойствами, подходящими для конкретных применений.

Пьезоэлектрические материалы

Существует множество материалов, как природных, так и искусственных, которые проявляют ряд пьезоэлектрических эффектов. Некоторые встречающиеся в природе пьезоэлектрические материалы включают берлинит (структурно идентичный кварцу), тростниковый сахар, кварц, сегнетовую соль, топаз, турмалин и кость (сухая кость проявляет некоторые пьезоэлектрические свойства из-за кристаллов апатита, и обычно считается, что пьезоэлектрический эффект действует в качестве датчика биологической силы). Пример искусственных пьезоэлектрических материалов включает титанат бария и цирконат-титанат свинца.

В последние годы в связи с растущим беспокойством по поводу токсичности свинецсодержащих устройств и директивой RoHS, которой следуют в Европейском Союзе, в последнее время предпринимаются усилия по разработке бессвинцовых пьезоэлектрических материалов. На сегодняшний день эта инициатива по разработке новых бессвинцовых пьезоэлектрических материалов привела к появлению множества новых пьезоэлектрических материалов, более безопасных для окружающей среды.

Области применения, наиболее подходящие для пьезоэлектрического эффекта

Благодаря своим характеристикам пьезоэлектрические материалы имеют множество применений
, которые выигрывают от их использования:

Высокое напряжение и источники питания

Примером применения в этой области является электрическая зажигалка, в которой нажатие кнопки заставляет подпружиненный молоток ударять по пьезоэлектрическому кристаллу, тем самым производя достаточно высокий напряжение, при котором электрический ток протекает через небольшой разрядник, нагревая и воспламеняя газ. Большинство типов газовых горелок и плит имеют встроенную пьезосистему впрыска.

Датчики

Принцип действия пьезоэлектрического датчика заключается в том, что физическая величина, преобразованная в силу, действует на две противоположные стороны чувствительного элемента. Обнаружение изменений давления в форме звука является наиболее распространенным применением датчика, которое можно увидеть в пьезоэлектрических микрофонах и пьезоэлектрических звукоснимателях для гитар с электрическим усилением. Пьезоэлектрические датчики, в частности, используются с высокочастотным звуком в ультразвуковых преобразователях для медицинской визуализации и промышленного неразрушающего контроля.

Пьезоэлектрические двигатели

Поскольку очень высокие напряжения соответствуют лишь незначительным изменениям ширины кристалла, этой шириной кристалла можно управлять с точностью выше микрометра, что делает пьезокристаллы важным инструментом для позиционирования объектов с предельной точностью, что делает они идеально подходят для использования в двигателях, таких как различные серии двигателей, предлагаемые Nanomotion.

Что касается пьезоэлектрических двигателей, пьезоэлектрический элемент получает электрический импульс, а затем прикладывает направленную силу к противоположной керамической пластине, заставляя ее двигаться в нужном направлении. Движение создается, когда пьезоэлектрический элемент перемещается относительно статической платформы (например, керамических полосок).

Характеристики пьезоэлектрических материалов обеспечили совершенную технологию, на основе которой Nanomotion разработала различные линейки уникальных пьезоэлектрических двигателей. Используя запатентованную пьезоэлектрическую технологию, компания Nanomotion разработала различные серии двигателей размером от одноэлементного (обеспечивающего усилие 0,4 кг) до восьмиэлементного двигателя (обеспечивающего усилие 3,2 кг). Двигатели Nanomotion способны приводить в движение как линейные, так и поворотные ступени, имеют широкий динамический диапазон скоростей от нескольких микрон в секунду до 250 мм/с и могут легко устанавливаться на традиционные ступени с низким коэффициентом трения или другие устройства. Рабочие характеристики двигателей Nanomotion обеспечивают встроенное торможение и возможность устранения вибраций сервопривода в статическом положении.

Что такое пьезоэлектрический эффект? | CircuitBread

Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при сжатии пьезоэлектрического материала вырабатывается электричество. Это происходит, когда происходит преобразование кинетической или механической энергии из-за деформации кристалла в электрическую энергию. Пьезоэлектрические материалы — это материалы, которые могут производить электричество за счет механического воздействия. Когда пьезоэлектрический материал подвергается механическому воздействию, происходит смещение центров положительного и отрицательного заряда в материале, что приводит к возникновению внешнего электрического поля. В обратном направлении, при обратном пьезоэлектрическом эффекте, внешнее электрическое поле вызывает физическую деформацию пьезоэлектрического материала.

Рис. 1. Принцип прямого пьезоэлектрического эффекта

В 1880 году Жак и Пьер Кюри обнаружили, что давление создает электрические заряды в некоторых типах кристаллов, таких как кварц и турмалин. Они назвали это явление «пьезоэлектрическим эффектом». Слово «пьезо» происходит от греческого слова piezein, что означает сжимать или давить. Позже они заметили, что электрические поля могут деформировать пьезоэлектрические материалы. Этот эффект называется «обратным пьезоэлектрическим эффектом». После этих первых демонстраций была предпринята дополнительная работа по изучению большого потенциала пьезоэлектрического эффекта. Разработан в 1900s для обнаружения айсбергов гидроакустическое устройство является первым практическим применением пьезоэлектрических устройств. Это первоначальное использование пьезоэлектричества в гидролокаторе вызвало большой интерес к пьезоэлектрическим устройствам. В течение следующих нескольких десятилетий были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и приложения.

Пьезоэлектрические материалы

Кристалл – это любое твердое тело, атомы или молекулы которого расположены очень упорядоченным образом, основанным на повторении одного и того же основного атомного строительного блока (элементарной ячейки). В большинстве кристаллов (например, в металлах) элементарная ячейка симметрична; в пьезоэлектрических кристаллах это не так. Обычно пьезоэлектрические кристаллы электрически нейтральны. Расположение атомов может быть несимметричным, но электрические заряды идеально сбалансированы: положительный заряд в одном месте уравновешивает отрицательный заряд поблизости. Однако растяжение или сжатие пьезоэлектрического кристалла деформирует структуру, сдвигая некоторые атомы ближе друг к другу или дальше друг от друга. Это нарушает баланс положительного и отрицательного и вызывает появление чистых электрических зарядов. Этот эффект продолжается во всей кристаллической структуре, так что суммарные положительные и отрицательные заряды появляются на противоположных внешних сторонах кристалла.

Рисунок 2. Пьезоэлектрический эффект (в кварце)

1. Обычно заряды в пьезоэлектрическом кристалле точно сбалансированы, даже если они не расположены симметрично. Силы (электрические дипольные моменты) зарядов точно компенсируются, не оставляя суммарного заряда на гранях кристалла.

2. Когда кристалл растягивается или сжимается, это выводит заряды из равновесия.

3. Теперь дипольные моменты больше не компенсируют друг друга, и на противоположных гранях кристалла появляются суммарные положительные и отрицательные заряды. Подвергая пьезоэлектрический кристалл физическому воздействию, на его противоположных гранях создается напряжение.

Обратный пьезоэлектрический эффект возникает, когда атомы подвергаются электрическому давлению, когда на пьезоэлектрический кристалл подается напряжение. Затем атомы должны будут двигаться, чтобы сбалансировать себя, и это то, что заставляет пьезоэлектрические кристаллы деформироваться, когда на них подается напряжение.

Существует множество пьезоэлектрических материалов, как искусственных, так и природных, которые могут производить электричество. Наиболее известным и первым коммерчески доступным пьезоэлектрическим материалом, используемым в электронных устройствах, является кристалл кварца. Другие природные пьезоэлектрические материалы включают топаз, турмалин и даже кость. Прорыв произошел, когда ученые разработали новый класс искусственных материалов, называемых сегнетоэлектриками, которые обладали пьезоэлектрическими характеристиками, во много раз более мощными, чем пьезоэлектрические кристаллы. Ученые продолжали поиск материалов с более высокими характеристиками, и это привело к разработке титаната бария и титаната цирконата свинца, двух материалов, которые обладают пьезоэлектрическими характеристиками с очень специфическими свойствами, подходящими для конкретных применений.

Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект в сонарном устройстве

Для генерации пьезоэлектричества к пьезоэлектрическим материалам необходимо приложить механическое напряжение. При прямом пьезоэлектрическом эффекте материал действует как миниатюрная батарея, поскольку вырабатывает электричество. Прямой пьезоэлектрический эффект сделал возможными такие устройства, как микрофоны, датчики давления (например, датчики серии PS01), датчики температуры и многие другие типы датчиков. Обращение пьезоэлектрического эффекта, называемое обратным пьезоэлектрическим эффектом, представляет собой преобразование электрической энергии в механическую энергию. Обратный пьезоэлектрический эффект помог разработать устройства, генерирующие акустические звуковые волны. Примерами пьезоэлектрических акустических устройств являются динамики портативных устройств или зуммеры. Преимущество этих динамиков в том, что они очень тонкие, что делает их полезными в ряде телефонов. В медицинских ультразвуковых и гидролокационных преобразователях также используется обратный пьезоэлектрический эффект.

Рис. 3. Принцип обратного пьезоэлектрического эффекта

Первоначально разработанный для помощи в обнаружении айсбергов, интерес к сонару возрос во время Первой мировой войны, чтобы помочь обнаружить подводные лодки под водой. Сегодня гидролокатор имеет множество применений, от поиска рыбы до подводной навигации. Передатчик сонара использует обратный пьезоэлектрический эффект, когда он использует напряжение для отправки звуковой волны для поиска объектов впереди. Как только звуковая волна достигает объекта, она отражается и регистрируется приемником. Приемник, в отличие от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Когда пьезоэлектрическое устройство приемника сжимается возвращающейся звуковой волной, оно посылает сигнал (напряжение) в электронику обработки сигналов, которая принимает эту отраженную звуковую волну и обрабатывает ее.