Прямой пьезоэлектрический эффект это. Пьезоэлектрический эффект: понятие, виды, применение и особенности

Что такое пьезоэлектрический эффект. Как работает прямой и обратный пьезоэффект. Какие материалы обладают пьезоэлектрическими свойствами. Где применяется пьезоэлектричество в современных технологиях. Каковы преимущества и недостатки пьезоэлектрических устройств.

Что такое пьезоэлектрический эффект и как он работает

Пьезоэлектрический эффект — это явление возникновения электрического заряда на поверхности некоторых кристаллов при их механической деформации. Впервые это явление было открыто братьями Пьером и Жаком Кюри в 1880 году.

Пьезоэлектрический эффект обусловлен особенностями кристаллической решетки определенных материалов. При сжатии или растяжении таких кристаллов происходит смещение электрических зарядов, что приводит к поляризации — появлению электрического поля.

Существует два вида пьезоэлектрического эффекта:

• Прямой пьезоэффект — возникновение электрического заряда при деформации кристалла
• Обратный пьезоэффект — деформация кристалла под действием приложенного электрического поля

Благодаря этим эффектам пьезоэлектрические материалы способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот. Это свойство лежит в основе работы многих современных устройств и технологий.

Материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами

Пьезоэлектрический эффект наблюдается в кристаллах, не имеющих центра симметрии. К природным пьезоэлектрикам относятся:

• Кварц
• Турмалин
• Сегнетова соль
• Сахар
• Топаз

Также существуют синтетические пьезоэлектрические материалы:

• Титанат бария (BaTiO3)
• Цирконат-титанат свинца (PZT)
• Ниобат лития (LiNbO3)
• Пьезокерамика на основе титаната свинца

Синтетические материалы обладают более выраженным пьезоэффектом по сравнению с природными кристаллами. Это позволяет создавать более эффективные пьезоэлектрические устройства.

Основные области применения пьезоэлектрического эффекта

Благодаря способности преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот, пьезоэлектрики нашли широкое применение в различных областях техники и технологий:

Датчики и измерительные приборы

Пьезоэлектрические датчики используются для измерения:

• Давления
• Ускорения
• Вибрации
• Силы
• Деформации

Они применяются в тензометрах, акселерометрах, микрофонах, гидрофонах и других измерительных приборах.

Генераторы высокого напряжения

Пьезоэлектрические генераторы способны создавать высокое напряжение при малых механических воздействиях. Они используются в:

• Газовых зажигалках
• Системах зажигания двигателей
• Электрошокерах

Ультразвуковые устройства

На основе обратного пьезоэффекта работают излучатели и приемники ультразвука, применяемые в:

• Медицинской диагностике (УЗИ)
• Дефектоскопии
• Ультразвуковой очистке
• Эхолокации

Пьезоэлектрические двигатели

Пьезодвигатели обеспечивают высокоточное позиционирование в:

• Оптических системах
• Микроскопах
• Приводах жестких дисков

Преимущества и недостатки пьезоэлектрических устройств

Использование пьезоэлектрического эффекта имеет ряд преимуществ:

• Высокая чувствительность и точность измерений
• Способность работать в широком частотном диапазоне
• Простота конструкции
• Малые размеры и вес
• Высокая надежность

К недостаткам можно отнести:

• Зависимость характеристик от температуры
• Ухудшение свойств со временем (старение)
• Хрупкость пьезокерамики
• Высокая стоимость некоторых пьезоматериалов

Перспективы развития пьезоэлектрических технологий

Развитие пьезоэлектрических технологий идет в нескольких направлениях:

• Создание новых пьезоматериалов с улучшенными характеристиками
• Миниатюризация пьезоэлектрических устройств
• Расширение частотного и температурного диапазонов работы
• Повышение эффективности преобразования энергии
• Разработка пьезоэлектрических наногенераторов

Перспективной областью применения пьезоэлектриков является сбор энергии из окружающей среды (energy harvesting) для питания автономных электронных устройств и сенсоров.

Заключение

Пьезоэлектрический эффект, открытый более 140 лет назад, продолжает находить новые применения в современных технологиях. Уникальная способность пьезоэлектриков преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот делает их незаменимыми в различных областях науки и техники — от бытовой электроники до космических аппаратов.

Дальнейшее развитие пьезоэлектрических материалов и технологий открывает широкие перспективы для создания новых высокоэффективных устройств и систем. Пьезоэлектрики играют важную роль в развитии таких направлений, как Интернет вещей, носимая электроника, робототехника и альтернативная энергетика.

Пьезоэлектрический эффект и его роль в современной электронике

Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что при давлении на кварц или отдельные кристаллы образуется электрический заряд. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта.

Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после приложения к материалу или кристаллу электрического поля, которое привело к механической деформации объекта.

Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова «пьезо», что обозначает сжатие. Стоит отметить, что от греческого слова «янтарь» происходит слово «электричество». Янтарь тоже может быть источником электрической энергии.

Многие современные электронные устройства используют пьезоэлектрический эффект для своей работы. Например, при использовании некоторых устройств распознавания звука микрофоны, которые они используют, работают на основе упомянутого выше эффекта. Пьезоэлектрический кристалл превращает энергию вашего голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства.

Создание некоторых продвинутых технологий тоже стало возможно благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Например, мощные гидролокаторы используют маленькие чувствительные микрофоны и керамический звуковой датчик, созданные на основе пьезоэлектрического эффекта.

 Прямой пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический материал (керамический или кристаллический) помещают между двумя металлическими пластинами. Для генерации электрического заряда необходимо приложить механическое усилие (сжать или разжать). При приложении механического усилия на металлических пластинах начинает скапливаться электрический заряд:

Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрный аккумулятор. Микрофоны, датчики давления, гидролокаторы и другие чувствительные устройства используют этот эффект для своей работы.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Выше упоминалось, что существует и обратный пьезоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет механическая деформация тела, под которой оно будет расширяться или сжиматься:

Обратный пьезоэлектрический эффект значительно помогает при разработке акустических устройств. Примером могут послужить звуковые колонки, сирены, звонки. Преимущества таких динамиков в том, что они очень тонкие, а это делает их практически незаменимыми при использовании в мелких устройствах, например, в мобильных телефонах. Также этот эффект часто используют медицинские ультразвуковые и гидроакустические датчики.

Пьезоэлектрические материалы

Данные материалы должны производить электрическую энергию из-за механических воздействий, таких как сжатие. Также эти материалы должны деформироваться при приложении к ним напряжения.

Данные материалы условно разделяют на две группы – кристаллы и керамические изделия. ЦТС (известный как цирконат-титанат свинца), титанат бария, ниобат лития – примеры искусственных пьезоэлектрических материалов, обладающих более ярко выраженным эффектом, чем кварц и другие природные материалы.

Давайте сравним искусственно полученный цирконат-титанат свинца ЦТС и природный элемент кварц. Итак, ЦТС способен вырабатывать гораздо большее напряжение при одинаковой деформации. Соответственно при обратном эффекте он склонен к большей деформации при одном и том же напряжении. Кварц – первый известный пьезоэлектрический материал.

ЦТС производится при высоких температурах с двух химических элементов – свинца и циркония, с добавлением химического соединения под названием титанат. Химическая формула ЦТС Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O₃. Он широко используется для производства ультразвуковых преобразователей, керамических конденсаторов, датчиков и других электронных устройств. Он также имеет специфический диапазон различных свойств. Впервые был изготовлен в 1952 году в Токийском технологическом институте.

Титанат бария представляет собой сегнетоэлектрический керамический материал с пьезоэлектрическими свойствами. По этой причине титанат бария использовался в качестве пьезоэлектрического материала больше, чем другие. Титанат бария был открыт в 1941 году во время Второй мировой войны и имеет химическую формулу BaTiO₃.

Ниобат лития – соединение, сочетающее в себе кислород, литий и ниобий. Имеет химическую формулу LiNbO₃. Как и титанат бария, является сегнетоэлектрическим керамическим материалом.

Пьезоэлектрические устройства

Гидролокатор

Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов. Однако интерес к нему очень сильно возрос в период Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок. В наше время гидролокатор является распространенным прибором с большим количеством различного рода применений.

На рисунке ниже показан принцип работы гидролокатора:

А принцип работы довольно прост – передатчик, который использует обратный пьезоэлектрический эффект, посылает звуковые волны в определенном направлении. При попадании волны на объект она отражается и возвращается обратно, где ее обнаруживает приемник.

Приемник, в отличии от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Он преобразует возвращаемую отраженную звуковую волну в электрический сигнал и передает его в электронную систему, которая и будет производит дальнейшую обработку сигнала. Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.

Пьезоэлектрические исполнительные устройства

Ниже показана работа силового привода на  основе пьезоэлектрического эффекта:

Работа привода довольно проста – под воздействием приложенного к материалу напряжения происходит его расширение или сужение, которое и приводит привод в движение.

Например, некоторые вязальные машины используют этот эффект для своей работы благодаря его простоте и минимальному количеству вращающихся частей. Такие приводы применяются даже в некоторых видеокамерах и мобильных телефонах в качестве приводов фокусировки.

Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры

Такие устройства используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания и воспроизведения звука. При подаче напряжения к динамикам и зуммерам он начинает вибрировать и таким образом генерирует звуковые волны.

Пьезоэлектрические динамики обычно используют в будильниках или других несложных акустических системах для создания простой аудиосистемы. Эти ограничение вызваны частотой среза данных систем.

Пьезо драйверы

Пьезо драйверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое для питания силовых пьезоэлектрических устройств. Пьезо драйверы помогают инженерам создавать большие значения синусоидального напряжения.

Ниже представлена блок схема, показывающая принцип работы пьезо драйвера:

Пьезо драйвер будет получать низкое напряжение от батареи и повышать его с помощью усилителя. Осциллятор будет подавать на вход драйвера синусоидальное напряжение малой амплитуды, которое в последующем будет повышено пьезо драйвером и отправлено на пьезо устройство.

Изучение пьезоэлектрического эффекта в кварце

Библиографическое описание:

Дугиева, Д. А. Изучение пьезоэлектрического эффекта в кварце / Д. А. Дугиева. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 34 (324). — С. 4-6. — URL: https://moluch.ru/archive/324/73284/ (дата обращения: 13. 02.2023).



В 1880 году братья Жак и Пьер Кюри обнаружили, что при растяжении и сжатии некоторых естественных кристаллов, на гранях возникали электрические заряды. Братья назвали это явление пьезоэлектрическим (в переводе с греч. «пьезо» означает «давить»), а сами кристаллы назвали пьезоэлектрическими кристаллами. Позже выяснилось, что пьезоэлектрический эффект присущ ряду кристаллов, которые принадлежат к определенным кристаллографическим классам.

Суть пьезоэлектрического эффекта в том, что электрическая поляризация может возникать в кристалле в результате действия механического напряжения или деформации, величина и знак которых зависит зависят от приложенного напряжения. Это явление носит название – прямой пьезоэффект. Впервые прямой пьезоэффект братья Кюри открыли у кристалла турмалина. Они обнаружили, что если на кристалл в определенном направлении оказывать механическое давление, то на противоположных сторонах кристалла создаются электрические заряды, которые пропорциональны давлению и противоположной полярности.

Позже они также обнаружили аналогичный эффект в кварце и многих искусственно выращенных кристаллах.

После этого в 1881 г. был подтвержден и обратный пьезоэлектрический эффект – механическая деформация кристалла, которая вызвана приложенным электрическим полем.

Яркий образец проявления прямого пьезоэффекта можно посмотреть на модели, имитирующей структуру кварца SiO2.(рис.1) Рентгеноструктурный анализ показывает, что основой структура кварцаSiO2 являются винтовые цепочки тетраэдров SiO4, которые расположены вдоль оптической оси. (рис. 1а)

Рис.1. Структурная ячейка кварца (а), схема структуры кварца (б) и возникновение пьезоэлектрического эффекта (в,г).

1,3,5-ионы кремния; 2,4,6-ионы кислорода

В структуре кристалла каждый ион кремния Si, который обладает положительным зарядом +4е, тетраэдрически охвачен четырьмя иoнами и чередуются с отрицательными ионами кислорода -2e, и каждый из ионов кислорода одновременно связан с двумя ионами кремния, причем на один ион кремния требуется по два иона кислорода согласно формуле SiO2.

Однако заряды всех ионов кристаллической ячейки компенсируют друг друга, и она электрически нейтральна. Если мы наблюдаем каждую пару ионов кислорода, как частицу с зарядом -4e, то структурная ячейка, показанная на (рис. 1а), примет вид, представленный на (рис. 1б). Предположим, что на эту ячейку действует внешняя сила в направлении электрической оси Х (рис. 1в), тогда ион Si-1 сместится и окажется между ионами О-2 и О-6, а ион О-4 находится в середине ионов Si-3 и Si-5. Поэтому на одной поверхности появится положительный заряд, а на другой- отрицательный, а значит будет прямой пьезоэффект.

В недеформированной ячейке совпадают центры положительных и отрицательных зарядов (рис.1б). Если же внешнее давление будет приложено также, как указано на рис. 1в и 1г, то ионы будут смещаться так, что образуются электрические диполи, и кристалл становится поляризованным. Изменение знака усилия вызывает перемену знака зарядов.

Из этой модели следует, что пьезоэлектрический эффект анизотропен, то есть он в различных направлениях проявляется по-разному. Если в вертикальном направлении приложить механические усилия (рис.1в), то пьезоэффект окажется продольным, так как возникает поляризация в том же направлении (рис. 1г), то пьезоэффект оказывается поперечным. В любых случаях, когда данная модель находится в горизонтальном направлении поляризация не происходит.

Используя модель структурной ячейки (рис.1а), можно объяснить появление пьезоэлектрического эффекта, а также отсутствие асимметрии в расположении зарядов в направлении оси третьего порядка при сжатии и растяжении кварца. Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты применяется для стабилизации частоты. При повторяющемся изменении электрического поля, приложенного к кристаллу, например кварца, в последнем возникают резонансные механические колебания, если частота изменения поля равна одной из собственных частот кристалла. Такие механические колебания, использующие обратный пьезоэффект, создают очень сильные электрические колебания, которые сильно влияют на возбудившую их электрическую цепь.

Частота собственных колебаний пьезоэлектрического кристалла находится его геометрическими размерами и физическими свойствами.

В качестве пьезоэлектрических материалов, помимо кварца, могут использоваться турмалин, виннокислые этилендиамин и калий, различные керамики, такие как титанат бария и многие другие моно- и поликристаллов. Однако ни один из них по сегодняшний день не стал довольно сильным конкурентом кварцу из-за того, что кварц совмещает в себе множество преимуществ. Эти преимущества включают тот факт, что кристаллы кварца представляют собой почти идеально упругие тела, имеют незначительное внутреннее трение, высокую механическую и термическую прочность, и наблюдаются в природе в виде чрезвычайно крупных образований. К тому же, на сегодняшний день в большинстве странах мира разработано промышленное производство синтетических кристаллов кварца, чуть ли не уступающие по качеству природным. Одно из ведущих мест в этой отрасли принадлежит нашей стране.

Литература:

1. Физика твердого тела. Лабораторный практикум. В 2т./ Под ред. Проф. А. Ф. Хохлова. Том 2. Физические свойства твердых тел-2-е изд., М.: Высшая шк., 2001 г.
2. Кэдп У., Пьезоэлектричество и его практическое применение, пер. с англ., М., 1949;
3. Д. В. Сивухин. Общий курс физики. Т. I. Механика.- Москва.:1979.
4. Берлинкур Д., Керран Д., Жаффе Г., Пьезоэлектрические и пьезомагнитные материалы и их применение в преобразователях // Физическая акустика/ под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. А, М., 1966;
5. http://www.lit-phonon.ru/page1/03/1

Основные термины (генерируются автоматически): пьезоэлектрический эффект, прямой пьезоэффект, ион кремния, кристалл, заряд, ион, ион кислорода, кварц, положительный заряд, структурная ячейка.

Процесс, Использование и Типы – Boréas Technologies

Пьезоэлектрический эффект, впервые открытый в 1880 году Жаком и Пьером Кюри, оказался незаменимым во многих областях. От пьезопреобразователей, используемых в электронике, до пьезоэлектрических датчиков, используемых в медицинской визуализации, применение механического напряжения для создания электрического поля нашло применение во всех отраслях промышленности, и его обратный эффект оказался столь же мощным.

В этой статье мы рассмотрим, что вызывает пьезоэлектрический эффект, его различные формы, доступные типы пьезокристаллов и то, как это научное явление можно применить в вашей отрасли. Если вы когда-нибудь задавались вопросом: «Что такое пьезоэлектрический эффект?», читайте дальше, и вы узнаете!

Как возникает пьезоэлектрический эффект?

Каким бы запутанным ни казался на первый взгляд пьезоэлектрический эффект, физика, стоящая за ним, относительно проста. Мы избавим вас от уравнений, но для создания пьезоэлектрического эффекта кристаллы сжимаются или растягиваются, и возникает электрический заряд. Вот разбивка каждого шага процесса.

Начните с пьезоэлектрического кристалла

Первыми материалами, проявляющими пьезоэлектрические свойства, были встречающиеся в природе полукристаллические полимеры, прежде всего кварц. Все они имеют структуру кристаллической решетки, которая приводит к дисбалансу электрического заряда на их поверхностях при приложении механического напряжения. Некоторые из наиболее распространенных природных пьезоэлектрических материалов: 

• Кварц
• Топаз
• Соль сегнетовая
• Турмалин

Позже исследователи обнаружили, что керамический материал, обладающий аналогичной структурой решетки, также может создавать электрический заряд при воздействии на него механических воздействий, поэтому они разработали несколько синтетических пьезоэлектрических керамических материалов. Некоторые распространенные синтетические пьезоэлектрические материалы включают:

• Цирконат титанат свинца или PZT
• Титанат бария
• Титанат ниобия
• Феррит висмута 
• И многое другое

Многие синтетические пьезокерамические материалы обладают превосходными свойствами по сравнению с природными аналогами, а также могут быть более экономичными в использовании.

Применение механического напряжения к пьезоэлектрическому элементу

После выбора пьезоэлектрического материала его помещают между двумя металлическими пластинами, которые сжимают его, создавая дисбаланс заряда на поверхности кристалла. Пластины также собирают заряды, создавая положительно заряженный электрод с одной стороны и отрицательно заряженный электрод с другой. Это делает пьезоэлектрическое устройство похожим по конструкции на батарею, поскольку оно содержит положительный и отрицательный электроды, а между ними находится среда для переноса заряда (диэлектрик в случае батареи и кристалл в случае пьезоэлектриков).

Преобразование механической энергии в электрическую

Пьезоэлектрический эффект служит для преобразования механической энергии в электрическую и наоборот, а сжатие или растяжение пьезоэлектрического материала делает именно это. Когда металлические пластины оказывают давление на пьезоэлектрический материал, они начинают накапливать заряд, достаточный для создания электрического потенциала, который затем используется для передачи напряжения по подключенной цепи. Так механическая энергия преобразуется в электрическую с помощью пьезоэлектрического эффекта.

Прямой пьезоэлектрический эффект против обратного пьезоэлектрического эффекта

Пьезоэлектрический эффект может создавать электрическую энергию из механической силы, но он способен делать больше. На самом деле существует две версии этого явления: прямой пьезоэлектрический эффект и обратный пьезоэлектрический эффект. Вот разница между ними:

• Прямой пьезоэлектрический эффект основан на способности полукристаллического полимера генерировать электрический заряд при приложении к нему механической силы.
• Также известный как обратный пьезоэлектрический эффект, обратный пьезоэлектрический эффект прикладывает электрическое поле к пьезоэлектрическому материалу, что приводит к удлинению или сжатию его поверхности.

Как следует из названия, они просто противоположны друг другу. В первом случае внешняя физическая деформация приводит к электричеству, а во втором внешнее электрическое поле приводит к физической деформации, и оба имеют уникальные применения.

Применение пьезоэлектричества в реальной жизни

Если пьезоэлектрический эффект звучит как абстрактная научная концепция, то это не так. Пьезоэлектрический эффект лежит в основе многих устройств, которые мы используем каждый день. Охватывая широкий спектр отраслей промышленности, некоторые из наиболее распространенных пьезоэлектрических применений:

• Независимо от размера, во многих типах весов используются тензодатчики для точного измерения веса объекта. Эти тензодатчики генерируют электрический ток, пропорциональный их физической деформации, которая соответствует приложенному к ним весу.
• Вес — это не все, что могут измерить пьезоэлектрические материалы; они также могут обнаруживать вибрации, звуковые волны и смещения. Это делает их полезными датчиками во многих приложениях робототехники, где их также можно использовать для создания высоковольтных микронасосов и тактильных драйверов.
• Чаще всего пьезоэлектрические материалы используются в кармане или в руке: в мобильном телефоне. Датчики, которые обнаруживают давление на экран вашего смартфона, являются классическим примером пьезоэлектрических материалов. Они также являются частью тактильного дизайна — науки о том, как прикосновение влияет на пользовательский опыт.
• Когда применяется обратный пьезоэлектрический эффект, электрическое поле может создавать физическую деформацию, такую ​​как сжатие или растяжение. Колеблйте ток достаточно быстро, и в результате получится динамик, который выводит звуковые волны на выбранной вами частоте.
• Пьезоэлектрики широко используются в сфере здравоохранения, их можно найти в датчиках, технологиях медицинской визуализации и даже электронных носимых устройствах. Пьезоэлектрические материалы могут помочь врачам ставить более точные диагнозы и помочь пациентам жить более здоровой жизнью.

Еще одним применением является использование пьезоэлектриков для сбора энергии, когда инженеры пытаются разработать системы, использующие скрытую энергию в пространстве. Примеры могут включать напольные плитки, которые создают небольшой электрический ток, который питает датчик IoT (Интернет вещей) каждый раз, когда он сжимается, или даже сегменты автомагистралей, которые питают светофоры каждый раз, когда по ним проезжает транспортное средство.

Разработка исключительных электронных устройств с помощью пьезоэлектрического драйвера

Независимо от того, состоит ли ваша задача в разработке прямого пьезопривода для регулировки зеркала телескопа или улавливания неиспользуемой энергии для повышения эффективности работы маломощных устройств, пьезоэлектрический эффект делает возможным преобразование деформации в мощность . Одним из способов использования мощности пьезоэлектриков является использование пьезодрайвера, в котором используется полимер пьезоустройства для подачи необходимого тока высокого напряжения в ваше приложение при 10-кратном снижении энергопотребления.

Boréas Technologies обладает обширным опытом использования пьезоэлектрических технологий для создания маломощных тактильных драйверов, которые идеально подходят для электронных, автомобильных и IoT-приложений, а также многих других. Свяжитесь с нами сегодня, и позвольте нам привести ваш следующий дизайн в действие.

Основы пьезотехнологии

Слово «пьезо» происходит от греческого слова «давление». В 1880 году Жак и Пьер Кюри обнаружили, что давление генерирует электрические заряды в ряде кристаллов, таких как кварц и турмалин; они назвали это явление «пьезоэлектрическим эффектом». Позже они заметили, что электрические поля могут деформировать пьезоэлектрические материалы. Этот эффект называется «обратным пьезоэлектрическим эффектом».

Промышленный прорыв произошел с >> пьезоэлектрической керамикой, когда ученые обнаружили, что титанат бария принимает пьезоэлектрические характеристики в полезном масштабе при приложении электрического поля.

В настоящее время пьезоэлектрический эффект используется во многих бытовых изделиях, таких как зажигалки, громкоговорители и преобразователи сигналов. Технология пьезоприводов также получила признание в автомобильной технике, поскольку пьезоуправляемые клапаны впрыска в двигателях внутреннего сгорания сокращают время перехода и значительно улучшают плавность и качество выхлопных газов.

Давление создает заряды на поверхности пьезоэлектрических материалов. Этот прямой пьезоэлектрический эффект , также называемый генераторным или сенсорным эффектом, преобразует механическую энергию в электрическую.

И наоборот, обратный пьезоэлектрический эффект  вызывает изменение длины материалов этого типа при приложении электрического напряжения. Этот эффект привода преобразует электрическую энергию в механическую.

Пьезоэффект проявляется как в монокристаллических материалах, так и в поликристаллической сегнетокерамике. В монокристаллах асимметрия строения элементарных ячеек кристаллической решетки, т.е. полярная ось, образующаяся ниже температуры Кюри Т _C  , является достаточным условием для возникновения эффекта.

Пьезоэлектрическая керамика дополнительно имеет спонтанную поляризацию, т.е. концентрации положительных и отрицательных зарядов элементарных ячеек отделены друг от друга. При этом ось элементарной ячейки вытягивается в направлении спонтанной поляризации и возникает спонтанная деформация.

Пьезоэлектрический эффект природных монокристаллических материалов, таких как кварц, турмалин и сегнетовая соль, относительно невелик. Поликристаллическая сегнетоэлектрическая керамика, такая как титанат бария (BaTiO ₃ ) и титанат цирконата свинца (PZT) демонстрируют большие смещения или индуцируют большие электрические напряжения. Пьезокерамические материалы PZT доступны во многих вариантах и ​​наиболее широко используются в приводах или датчиках. Специальные легирования керамики ЦТС, например, ионами Ni, Bi, La, Nd, Nb, позволяют целенаправленно оптимизировать пьезоэлектрические и диэлектрические параметры.

При температурах ниже температуры Кюри T _C  решеточная структура кристаллитов PZT становится искаженной и асимметричной. Это приводит к образованию диполей, ромбоэдрических и тетрагональных фаз кристаллитов, представляющих интерес для пьезотехнологии. Керамика проявляет спонтанную поляризацию. Выше температуры Кюри пьезокерамический материал теряет свои пьезоэлектрические свойства.

>> Подробнее о пьезоэлектрических материалах

Поляризованные домены (Изображение: IKTS Dresden)

Для минимизации внутренней энергии материала в кристаллитах керамики образуются сегнетоэлектрические домены. Внутри этих объемов направления спонтанной поляризации совпадают.

Различная ориентация граничащих доменов разделена доменными стенками. Процесс сегнетоэлектрической поляризации необходим, чтобы сделать керамику макроскопически пьезоэлектрической.

Принцип сегнетоэлектрической поляризации

Для этого применяется сильное электрическое поле в несколько кВ/мм для создания асимметрии в ранее неорганизованном керамическом соединении. Электрическое поле вызывает переориентацию спонтанной поляризации. При этом домены с благоприятной ориентацией к направлению поля полярности растут, а с неблагоприятной — сжимаются. Доменные стенки смещаются в кристаллической решетке.

После поляризации большинство переориентаций сохраняется даже без приложения электрического поля. Однако небольшое количество доменных стенок смещается обратно в исходное положение, например, за счет внутренних механических напряжений.

Керамика расширяется всякий раз, когда прикладывается электрическое поле, которое менее сильное, чем исходная напряженность поля поляризации. Часть этого эффекта обусловлена ​​пьезоэлектрическим сдвигом ионов в кристаллической решетке и называется внутренний эффект .

Внешний эффект основан на обратимой сегнетоэлектрической переориентации элементарных ячеек. Он увеличивается с увеличением напряженности возбуждающего поля и отвечает за большинство нелинейных гистерезисных и дрейфовых характеристик сегнетоэлектрической пьезокерамики.

Смещение сегнетоэлектрической пьезокерамики при различных амплитудах управления

Поляризованные пьезоэлектрические материалы характеризуются несколькими коэффициентами и соотношениями.
В упрощенном виде основные соотношения между электрическими и упругими свойствами можно представить следующим образом:

	D Плотность электрического потока
	Т механическое напряжение
	E Электрическое поле
	S Механическая деформация
	d Коэффициент пьезоэлектрического заряда
	εT Диэлектрическая проницаемость (для T = постоянная)
	sE Коэффициент податливости или эластичности (для E = постоянный)

Эти соотношения применимы только к небольшим электрическим и механическим амплитудам, так называемым малым значениям сигнала. В этом диапазоне зависимости между механической, упругой деформацией S или напряжением T и электрическим полем E или плотностью электрического потока D носят линейный характер, а значения коэффициентов постоянны.

Эти коэффициенты слабого сигнала можно найти в таблице данных материалов:

Ортогональная система для описания свойств поляризованной пьезокерамики. Ось 3 — направление поляризации

Направления обозначаются осями 1, 2 и 3 (соответствующими осям X, Y и Z декартовой системы координат). Оси вращения, известные как U, V, W в системе координат, обозначаются цифрами 4, 5 и 6.

Направление поляризации (ось 3) устанавливается в процессе поляризации с помощью сильного электрического поля, приложенного между двумя электродами. Здесь достигается наибольшее смещение пьезокерамики.

Поскольку пьезоэлектрический материал анизотропен, соответствующие физические величины описываются тензорами. Поэтому пьезоэлектрические коэффициенты индексируются соответствующим образом.

Электромеханическое поведение пьезоэлектрического тела, возбужденного до колебаний, может быть представлено электрической эквивалентной схемой.

C ₀  – емкость диэлектрика. Последовательная схема, состоящая из C ₁ , L ₁ и R ₁ , описывает изменение механических свойств, таких как упругая деформация, эффективная масса (инерция) и механические потери в результате внутреннего трения. Однако это описание колебательного контура можно использовать только для частот, близких к собственному механическому резонансу.

Большинство параметров пьезоэлектрических материалов определяются путем измерения импеданса на специальных тестовых телах в резонанс. Последовательный и параллельный резонансы используются для определения пьезоэлектрических параметров. Они соответствуют хорошему приближению минимума импеданса f _м  и максимальное f _n .

Эквивалентная принципиальная схема пьезоэлектрического резонатора Типичная кривая импеданса

Состояния или режимы колебаний и деформация определяются геометрией тела, механоупругими свойствами и ориентацией электрического поля и поляризацией.