Пьезоэлектрик это: ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ | это… Что такое ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ?

Пьезоэлектрики | это… Что такое Пьезоэлектрики?

Создание электрического напряжения пьезоэлектриком. Амплитуда колебаний диска сильно увеличена для наглядности.

Пьезоэле́ктрики — диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект, то есть те, которые могут либо под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), либо под влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный пьезоэффект). Оба эффекта открыты братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг.^[1]

Пьезоэлектрики широко используются в современной технике как датчики давления, пьезоэлектрические детонаторы, источники звука огромной мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и др. Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика, изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, из цирконата-титаната свинца.

Чаще всего современный человек встречается с ними в зажигалках, где искра образуется от удара в пьезопластинку, а также при медицинской диагностике с помощью УЗИ, в которой используются пьезоэлектрические источник и датчик ультразвука. Передовой областью использования пьезоэлектриков является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Из них изготавливаются сканирующие элементы зондовых микроскопов, осуществляющие перемещение зонда в плоскости образца с точностью до 0.01 Å. Наибольшее распространение в ней имеют трубчатые пьезоэлементы. Они позволяют получать достаточно большие перемещения объектов при сравнительно небольших управляющих напряжениях. Они представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезоэлектрических материалов. Соединение трех таких трубок в единый узел позволяет организовать перемещение зонда в трех ортогональных направлениях, такой сканирующий элемент называется триподом.

В 1964 г. Ю. В. Гуляев и В. И. Пустовойт предложили слоистую структуру «пьезоэлектрик-полупроводник» в качестве базовой конструкции акустоэлектронных приборов, использующих поверхностно-акустические волны.

Содержание 1 Континуальные среды 2 См. также 3 Примечания 4 Ссылки

Континуальные среды

Твердотельные материалы: пьезоэлектрики, пьезополупроводники и сложные слоистые среды называются континуальными средами функциональной электроники. Выбор континуальных сред определяется природой используемых динамических неоднородностей^[2].

См. также

• Пьезоэлектрический эффект
• Континуальные системы
• Сегнетокерамика

Примечания

1. ↑ Иоффе АФ (1956). «Пьер Кюри». УФН 58 (4): 572-9.
2. ↑ 1. Щука А. А. Функциональная электроника: Учебник для вузов: -М:МИРЭА, 1998. — 260 с.

Ссылки

• Сергей Жуков, О пьезокерамике и перспективах её применения

Пьезоэлектрики

Содержание статьи

1. Что такое пьезоэлектрики

2. Заряды на поверхности пьезоэлектрика

3. Пьезоэлектрические свойства

4. Продольный и поперечный пьезоэффекты

Что такое пьезоэлектрики

Определение

Существует целый ряд кристаллов, у которых на поверхности при деформации возникают электрические заряды. Подобные кристаллы называют пьезоэлектриками.

Разумеется, что сама деформация не может изменить суммарный заряд кристалла, следовательно, возникающие при деформации кристалла поверхностные заряды имеют различные знаки на разных частях поверхности.

Заряды на поверхности пьезоэлектрика

Из опыта известно, что заряды на поверхности пьезоэлектрика возникают в результате однородных деформаций сжатия и растяжения в направлениях, которые называют полярными осями пьезоэлектрика. На противоположных гранях, которые перпендикулярны полярной оси при однородных деформациях, возникают заряды противоположного знака. Надо отметить, что заряды меняют знак при смене знака деформации (то есть растяжение изменяется на сжатие). oC$ процесс происходит в обратном направлении.

Продольный и поперечный пьезоэффекты

Различают продольный и поперечный пьезоэффекты. В продольном пьезоэффекте, заряды возникают на гранях перпендикулярных полярной оси, при однородной деформации вдоль оси кристалла. Можно вызвать появление зарядов на тех же гранях, сжимая или растягивая кристалл перпендикулярно полярной оси, если только при этом происходит деформация вдоль полярной оси. Такое явление называют поперечным пьезоэффектом.

Пьезоэлектрическими свойствами могут обладать только ионные кристаллы. Такой эффект может возникать только в том случае, если под действием внешних сил кристаллическая подрешетка из положительных ионов деформируется иначе, чем подрешетка из отрицательных ионов. То есть в результате деформации происходит относительный сдвиг положительных и отрицательных ионов, который ведет к возникновению поляризации кристалла и поверхностных зарядов. Поляризованность пропорциональна деформации, а она в свою очередь, пропорциональна деформирующей силе.

Разность потенциалов, которая возникает между гранями пьезоэлектрика можно измерить. Следовательно, можно сделать заключение о силе деформации кристалла. Эту связь используют в пьезоэлектрических датчиках (пьезоэлектрический манометр) для измерения быстропеременных давлений. Существуют пьезоэлектрические микрофоны, звукосниматели, пьезоэлектрические датчики в автоматике и телемеханике. Пьезоэлектрическая кварцевая пластинка, которая вырезается определенным образом, может помещаться внутрь исследуемого газа. О давлении газа судят по величине пьезоэлектрических зарядов, которые возникают на пластинке. Существует целый ряд пьезоэлектрических преобразователей: пьезоэлектрические стабилизаторы, фильтры, виброметры. Гидрофоны в акустике.

Обратный пьезоэффект заключается в том, что во внешнем электрическом поле пьезоэлектрик деформируется. При деформации пьезоэлектрика работа затрачивается на образование энергии упругой деформации и энергии возникающего при этом результате пьезоэффекта электрического поля.

Если при деформации пьезоэлектрика вдоль полярной оси между гранями кристалла, перпендикулярными оси, возникает разность потенциалов, то для осуществления такой деформации без приложения механических сил необходимо к этим граням приложить такую же разность потенциалов, но с противоположным знаком.

Механизм обратного пьезоэффекта аналогичен прямому пьезоэффекту. Обратный пьезоэффект применятся, например, в кварцевых излучателях ультразвука. Он был предложен во время первой мировой войны Ланжевеном. Смещения, которые возникают в кварцевой пластинке при наложении на нее электростатического поля, очень малы. Но их можно увеличить в тысячи раз, а энергию колебаний в миллионы раз, если использовать при этом переменное поле. При этом используется явление резонанса. При этом собственные частоты для кварца находят из соотношения:

\[h=\frac{\lambda }{2}n\ \left(1\right),\]

где $\lambda -$длина ультразвуковой волны в кварце, $n$ — целое число. При $n=1$ получают основное колебание пластинки, при $n > 1$ — соответствующие обертоны. При резонансной частоте электрического поля кварцевая пластинка является мощным источником ультразвука. Подобные источники ультразвука были предложены Ланжевеном для измерения морских глубин и подводной сигнализации.

Пьезоэффект наблюдается в кварце, турмалине, сегнетовой соли, титанате бария и других веществах.

Пример 1

Задание: Используя законы термодинамики, покажите, что из существования прямого пьезоэффекта следует и существование обратного эффекта. Рассмотреть изотермический процесс. Доказательство можно провести на примере пластины кварца в виде параллелепипеда длиной l, шириной b, высотой h. Эффект считать продольным. Заряды возникают на одних и тех же гранях при деформации пластины вдоль осей X и Y. Считать, что эффекта по оси Z нет.

Решение:

Пусть внешнее электрическое поле направлено по оси X. Тогда вдоль осей X и Y действуют механические напряжения ${\tau }_x$ и ${\tau }_y$. Если объем (V) пластинки равен:

\[V=lbh\ \left(1.1\right),\]

то элемент работы ($\delta A$), которую необходимо затратить на ее поляризацию в ходе квазистатического процесса равен:

\[\delta A_1=V\overrightarrow{E}d\overrightarrow{P}=VE_xdP_x\left(1.2\right).\]

Элементарная работа сил натяжения равна:

\[\delta A_2=bl{\tau }_xdh+hb{\tau }_ydl\ (1.3)\]

Из первого начала термодинамики запишем:

\[dU=TdS+\delta A\ \ \left(1.4\right),\]

где $\delta A$ равна:

\[\delta A=\delta A_1+\delta A_{2\ }\left(1.5\right).\]

Для единицы объема можно записать, что:

\[du=Tds+E_xdP_x+{\tau }_x\frac{dh}{h}+{\tau }_y\frac{dl}{l}\left(1.6\right),\ \]

где $u,s$ — удельные величины внутренней энергии и энтропии. Выражение (1.6) можно переписать в виде:

\[du=Tds+E_xdP_x+{\tau }_xdln\left(h\right)+{\tau }_ydln\left(l\right)\left(1. 7\right).\]

Обозначим следующее выражение как функцию $f$, запишем:

\[f=u-Ts-E_xP_x-{\tau }_xln\left(h\right)-{\tau }_yln\left(l\right)\left(1.8\right).\]

В таком случае имеем, что

\[df=-sdT-P_xd-d{\tau }_x-ln\left(l\right)d{\tau }_y\left(1.9\right).\]

Так как $df$ — полный дифференциал, то имеют место выражения:

\[{\left(\frac{\partial P_x}{\partial {\tau }_x}\right)}_T={\left(\frac{\partial ln\left(h\right)}{\partial E_x}\right)}_T=\frac{1}{h}{\left(\frac{\partial h}{\partial E_x}\right)}_T\left(1.10\right).\] \[{\left(\frac{\partial P_y}{\partial {\tau }_y}\right)}_T={\left(\frac{\partial ln\left(l\right)}{\partial E_x}\right)}_T=\frac{1}{l}{\left(\frac{\partial l}{\partial E_x}\right)}_T\left(1.11\right).\]

В том случае если есть прямой эффект, по производные слева не равны нулю. Следовательно, получаем, что:

\[{\left(\frac{\partial h}{\partial E_x}\right)}_T\ne 0(1. 12).\] \[\frac{1}{l}{\left(\frac{\partial l}{\partial E_x}\right)}_T\ne 0(1.13).\]

Ответ: Наличие выражений (1.12) и (1.13) доказывает существование обратного эффекта при наличие прямого.

Пример 2

Задание: Сравните два явления: обратный пьезоэлектрический эффект и электрострикцию. Выделите различия.

Решение:

Электрострикцией называют явление изменения гидростатического давления и плотности диэлектриков. Дополнительные силы, возникающие в результате зависимости диэлектрической проницаемости от плотности диэлектрика, называют электрострикционными силами.

Обратный пьезоэффект заключается в том, что во внешнем электрическом поле пьезоэлектрик деформируется.

Электрострикция наблюдается во всех диэлектриках при помещении их в неоднородное электрическое поле. Обратный пьезоэффект имеет место только в кристаллах и не во всех. Обратный пьезоэффект может наблюдаться с однородных полях.

Силы электрострикции возникают в результате действия электрического поля на поляризованный диэлектрик, поляризация которого вызвана тем же полем. Следовательно, силы электрострикции зависят от квадрата напряженности поля. Они не изменяются при изменении направления поля на противоположное. Обратный пьезоэффект возникает в результате действия внешнего электрического поля на имеющиеся разноименно заряженные кристаллические решетки. Возникающие в эффекте силы линейны полю. Они изменяют знак на противоположный при изменении знака поля.

Сообщество экспертов Автор24

Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 09.12.2021

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?

Загрузите эту статью в формате .PDF Файлы этого типа содержат графику и схемы с высоким разрешением, если применимо.

Обновлено 26.10.2022

Пьезоэлектричество было открыто двумя братьями французских ученых Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. создает электрический заряд в этом определенном материале. ¹ Позднее они назвали это странное научное явление пьезоэлектрическим эффектом.

Братья Кюри вскоре открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после того, как они подтвердили, что когда электрическое поле прикладывалось к кристаллическим выводам, это приводило к деформации или беспорядку в кристаллическом выводе, что теперь называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова piezo, означающего сжимать или давить. Интересно, что электрический в переводе с греческого означает янтарь. Янтарь также оказался источником электрического заряда. ²

Сегодня многие электронные устройства используют пьезоэлектричество. Например, когда вы используете какое-либо программное обеспечение для распознавания голоса или даже Siri на своем смартфоне, микрофон, в который вы говорите, вероятно, использует пьезоэлектричество. Этот пьезокристалл превращает звуковую энергию вашего голоса в электрические сигналы, которые интерпретирует ваш компьютер или телефон. ³ Все это становится возможным благодаря пьезоэлектричеству.

Создание различных более продвинутых технологий можно проследить до открытия пьезоэлектричества. Например, мощный гидроакустический «гидроакустический буй», небольшие чувствительные микрофоны и керамический преобразователь звукового тона стали возможными благодаря пьезоэлектричеству. Сегодня мы наблюдаем развитие все большего количества пьезоэлектрических материалов и устройств.

Пьезоэлектрический эффект — это способность некоторых материалов генерировать электрическое поле в ответ на приложенное механическое напряжение. Эти материалы включают кристаллы, керамику, полимеры, древесину (волокна целлюлозы) и множество других синтетических и композитных материалов. Первоначально обнаруженный в 1880 году братьями Кюри, пьезоэлектрический эффект нашел свое применение в повседневной электронике, на которую мы полагаемся в повседневном использовании, включая смартфоны, ноутбуки, датчики, светодиоды и многое другое.

Некоторые из этих устройств, такие как электронная зубная щетка, используют пьезоэлектричество для создания физических вибраций, которые вызывают вибрацию зубной щетки и облегчают чистку зубов. То же самое с микрофоном в смартфоне, который переводит звук голоса человека в электронные сигналы, которые может считывать встроенный процессор для взаимодействия с определенными приложениями и функциями.

Пьезоэлектричество можно использовать по-разному, включая определение изменения давления, силы и температуры. Генерация электричества путем преобразования движения в энергию, производство ультразвуковых звуков, управление акустикой в ​​динамиках и даже генерация электрических сигналов в кардиостимуляторах — вот лишь несколько примеров того, как можно использовать пьезоэлектричество.

Прямой пьезоэлектрический эффект

Как уже говорилось, сжатие пьезоэлектрического материала производит электричество (пьезоэлектричество). Рисунок 1 поясняет концепцию.

Пьезокерамический материал — непроводящая пьезоэлектрическая керамика или кристалл — помещается между двумя металлическими пластинами. Для генерации пьезоэлектричества необходимо, чтобы этот материал был сжат или сжат. Механическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому керамическому материалу, генерирует электричество.

Как показано на рис. 1, на материале присутствует потенциал напряжения. Между двумя металлическими пластинами находится пьезокристалл. Металлические пластины собирают заряды, которые создают/производят напряжение (символ молнии), то есть пьезоэлектричество. Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрная батарея, потому что он производит электричество. Это прямой пьезоэлектрический эффект. К устройствам, использующим прямой пьезоэлектрический эффект, относятся микрофоны, датчики давления, гидрофоны и многие другие типы датчиков.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект можно обратить вспять, который называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Это создается путем приложения электрического напряжения, чтобы заставить пьезоэлектрический кристалл сжиматься или расширяться   (рис. 2) . Обратный пьезоэлектрический эффект преобразует электрическую энергию в механическую.

Использование обратного пьезоэлектрического эффекта может помочь в разработке устройств, генерирующих и производящих акустические звуковые волны. Примерами пьезоэлектрических акустических устройств являются динамики (обычно используемые в портативных устройствах) или зуммеры. Преимущество таких динамиков в том, что они очень тонкие, что делает их полезными в ряде телефонов. Даже в медицинских ультразвуковых и гидролокационных преобразователях используется обратный пьезоэлектрический эффект. Неакустические инверсные пьезоэлектрические устройства включают в себя двигатели и приводы.

Пьезоэлектрические материалы

Пьезоэлектрические материалы — это материалы, которые могут производить электричество за счет механического воздействия, например сжатия. Эти материалы также могут деформироваться при подаче напряжения (электричества).

Все пьезоэлектрические материалы являются непроводящими, чтобы возникал и работал пьезоэлектрический эффект. Их можно разделить на две группы: кристаллы и керамика. ⁴

Некоторыми примерами пьезоэлектрических материалов являются PZT (также известный как цирконат-титанат свинца), титанат бария и ниобат лития. Эти искусственные материалы имеют более выраженный эффект (лучший материал для использования), чем кварц и другие природные пьезоэлектрические материалы.

Сравните PZT с кварцем. PZT может производить большее напряжение при той же величине приложенного механического напряжения. И наоборот, подача напряжения на PZT вместо кварца обеспечивает большее движение. Кварц, хорошо известный пьезоэлектрический материал, также является первым известным пьезоэлектрическим материалом.

ЦТС создается и производится (при высоких температурах) из двух химических элементов — свинца и циркония — и в сочетании с химическим соединением, называемым титанатом. Химическая формула PZT: (Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O ₃ ). Он обычно используется для производства ультразвуковых преобразователей, керамических конденсаторов и других датчиков и исполнительных механизмов. Он также демонстрирует особый набор различных свойств. В 1952 году PZT был изготовлен Токийским технологическим институтом. ⁵

Титанат бария представляет собой ферроэлектрический керамический материал с пьезоэлектрическими свойствами. ⁶ По этой причине титанат бария использовался в качестве пьезоэлектрического материала дольше, чем большинство других. Его химическая формула BaTiO _{3 9.0124 . Титанат бария был открыт в 1941 году во время Второй мировой войны. ⁷}

Ниобат лития представляет собой соединение, которое объединяет кислород, литий и ниобий. Его химическая формула LiNbO ₃ . ⁸ Также сегнетоэлектрический керамический материал, он похож на титанат бария тем, что также обладает пьезоэлектрическими свойствами. ⁹

Пьезоэлектрические устройства

Сонар

Сонар, появившийся в 1900-х годах, был изобретен Льюисом Никсоном. Первоначально он разработал сонар для обнаружения айсбергов. Однако интерес к гидролокаторам возрос во время Первой мировой войны, чтобы помочь обнаружить подводные лодки под водой. Конечно, у гидролокатора сегодня много целей и применений, от поиска рыбы до подводной навигации и так далее.

На рис. 3 сонар посылает через передатчик звуковую волну (сигнал) для поиска объектов впереди. Передатчик использует обратный пьезоэлектрический эффект, когда передатчик использует напряжение, чтобы помочь ему послать звуковую волну. Как только звуковая волна достигает объекта, она отражается. Отраженная звуковая волна будет обнаружена приемником.

Приемник, в отличие от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрическое устройство приемника сжимается возвращающейся звуковой волной. Он посылает сигнал (напряжение) на электронику обработки сигналов, которая принимает отраженную звуковую волну и начинает ее обрабатывать. Он определит расстояние до объекта, вычислив синхронизирующие сигналы от передатчика и приемника.

Пьезоэлектрические приводы

На рис. 4 показана работа пьезоэлектрического привода. Основание остается неподвижным и действует как металлическая пластина, которая сжимает средний пьезоэлектрический материал. Затем к материалу прикладывается напряжение, которое расширяется и сжимается от электрического поля приложенного напряжения. Пьезокристалл движется очень мало, будь то вперед или назад. Как только пьезоматериал или кристалл перемещаются, он медленно толкает и тянет привод.

Пьезоэлектрический привод имеет множество применений и применений. Например, эти актуаторы используются в вязальных машинах и машинах Брайля, поскольку они имеют такое небольшое количество движущихся частей и очень простую конструкцию. Их можно найти даже в видеокамерах и сотовых телефонах, потому что они доказали свою эффективность в качестве механизма автофокусировки. ¹⁰

Пьезоэлектрические динамики и зуммеры

Пьезоэлектрические динамики и зуммеры используют обратный пьезоэлектрический эффект для генерации и воспроизведения звука. При подаче напряжения на динамики и зуммеры возникают звуковые волны (опять же рис. 2) . Сигнал звукового напряжения, подаваемый на пьезоэлектрическую керамику динамиков или зуммеров, заставит материал вибрировать воздух. Эта вибрация производит звуковые волны, которые исходят из динамика.

Пьезоэлектрические динамики обычно используются в будильниках или других небольших механических устройствах для воспроизведения простых звуков высокого качества. Это потому, что они ограничены небольшим количеством частотных характеристик. ¹¹

Пьезодрайверы

Пьезодрайверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое напряжение для питания пьезоэлектрических устройств. Пьезодрайверы очень важны, потому что они помогают инженерам производить большее напряжение для создания больших синусоидальных волн.

На рис. 5 представлена ​​блок-схема, иллюстрирующая работу пьезопривода. Пьезодрайверы берут низкое напряжение батареи и используют усилитель для преобразования его в более высокое напряжение. Затем более высокое напряжение используется для питания усилителя. Генератор будет вводить небольшие синусоидальные волны, которые усилитель преобразует в синусоидальные волны большего напряжения. Усилитель управляет пьезоустройством.

В приведенной ниже таблице перечислены несколько различных компаний, которые продают и производят различные виды пьезодрайверов.

Заключение

Какое будущее ждет пьезоэлектричество и как оно может выглядеть? Одна из самых популярных идей — использовать эффект для сбора энергии. Представьте себе зарядку смартфонов во время ходьбы или занятий спортом с той же эффективностью, что и при быстрой зарядке. Встраивание пьезоэлектрических систем под дороги и автомагистрали может привести в действие инфраструктуру, такую ​​как город и светофоры. Его можно даже использовать в качестве ультразвуковых двигателей для усовершенствованной оптики, медицинских датчиков внутри тела и шин, генерирующих электричество.

Будущее пьезоэлектричества очень перспективно. Эта технология постоянно развивается и становится все более эффективной и менее затратной. Существует множество потенциальных применений пьезоэлектричества, и ожидается, что популярность этой технологии будет расти в ближайшие годы.