Piezoelektrik etki, 19. yüzyılın sonunda Fransız bilim adamları Curie kardeşler tarafından keşfedildi. O zamanlar, keşfedilen fenomenin pratik uygulaması hakkında konuşmak için çok erkendi, ancak şu anda piezoelektrik elemanlar hem teknolojide hem de günlük yaşamda yaygın olarak kullanılmaktadır.
İçerik
Piezoelektrik etkinin özü
Ünlü fizikçiler, bazı kristaller (kaya kristali, turmalin vb.) deforme olduğunda yüzlerinde elektrik yüklerinin oluştuğunu belirlemişlerdir. Aynı zamanda, potansiyel fark küçüktü, ancak o sırada var olan cihazlar tarafından güvenle sabitlendi ve iletkenler kullanılarak zıt kutupsal yüklere sahip bölümleri bağlayarak, elde etmek mümkün oldu. elektrik. Fenomen, sıkıştırma veya germe anında yalnızca dinamikte sabitlendi. Statik moddaki deformasyon piezoelektrik etkiye neden olmadı.
Yakında, zıt etki teorik olarak doğrulandı ve pratikte keşfedildi - bir voltaj uygulandığında kristal deforme oldu.Her iki fenomenin de birbirine bağlı olduğu ortaya çıktı - eğer bir madde doğrudan bir piezoelektrik etki gösteriyorsa, o zaman bunun tersi de onun içinde doğaldır ve bunun tersi de geçerlidir.
Bu fenomen, bazı polikristal yapıların yanı sıra, yeterli asimetriye sahip anizotropik tip kristal kafese (yönüne bağlı olarak fiziksel özellikleri farklı olan) sahip maddelerde gözlenir.
Herhangi bir katı cisimde, uygulanan dış kuvvetler deformasyona ve mekanik gerilmelere neden olur ve piezoelektrik etkisi olan maddelerde de yüklerin polarizasyonuna neden olurlar ve polarizasyon uygulanan kuvvetin yönüne bağlıdır. Maruz kalma yönünü değiştirirken, hem polarizasyon yönü hem de yüklerin polaritesi değişir. Polarizasyonun mekanik strese bağımlılığı doğrusaldır ve t'nin mekanik stres olduğu ve d'nin piezoelektrik modül (piezoelektrik modül) olarak adlandırılan bir katsayı olduğu P=dt ifadesi ile tanımlanır.
Benzer bir fenomen, ters piezoelektrik etki ile ortaya çıkar. Uygulanan elektrik alanın yönü değiştiğinde, deformasyonun yönü değişir. Burada bağımlılık da doğrusaldır: r=dE, burada E elektrik alan kuvveti ve r gerilimdir. Katsayı d, tüm maddeler için doğrudan ve ters piezoelektrik etkiler için aynıdır.
Aslında, yukarıdaki denklemler yalnızca tahminlerdir. Gerçek bağımlılıklar çok daha karmaşıktır ve kristal eksenlerine göre kuvvetlerin yönü tarafından da belirlenir.
Piezoelektrik etkisi olan maddeler
Piezoelektrik etki ilk kez kaya kristallerinde (kuvars) bulundu. Bugüne kadar, bu malzeme piezoelektrik elemanların üretiminde çok yaygındır, ancak üretimde sadece doğal malzemeler kullanılmamaktadır.
Birçok piezoelektrik, ABO formülüne sahip maddelerden yapılır.3, ör. BaTiO3, РbТiO3. Bu malzemeler polikristal (birçok kristalden oluşan) bir yapıya sahiptir ve onlara piezoelektrik etki gösterme yeteneği kazandırmak için harici bir elektrik alanı kullanılarak polarizasyona tabi tutulmaları gerekir.
Film piezoelektrikleri (poliviniliden florür, vb.) elde etmeyi mümkün kılan teknolojiler vardır. Onlara gerekli özellikleri kazandırmak için, bir elektrik alanında uzun süre polarize olmaları da gerekir. Bu tür malzemelerin avantajı çok küçük bir kalınlıktır.
Piezoelektrik etkisi olan maddelerin özellikleri ve özellikleri
Polarizasyon sadece elastik deformasyon sırasında meydana geldiğinden, bir piezomalzemenin önemli bir özelliği, dış kuvvetlerin etkisi altında şekil değiştirme yeteneğidir. Bu yeteneğin değeri, elastik uyum (veya elastik rijitlik) ile belirlenir.
Piezoelektrik etkiye sahip kristaller oldukça elastiktir - kuvvet (veya dış stres) kaldırıldığında orijinal şekillerine geri dönerler.
Piezokristallerin ayrıca kendi mekanik rezonans frekansı vardır. Kristali bu frekansta titreştirirseniz, genlik özellikle büyük olacaktır.
Piezoelektrik etki sadece bütün kristallerde değil, belirli koşullar altında kesilmiş plakalarında da kendini gösterdiğinden, kesimin geometrik boyutlarına ve yönüne bağlı olarak farklı frekanslarda rezonanslı piezoelektrik madde parçaları elde etmek mümkündür.
Ayrıca, piezoelektrik malzemelerin titreşim özellikleri, mekanik kalite faktörü ile karakterize edilir. Uygulanan eşit bir kuvvetle rezonans frekansındaki salınımların genliğinin kaç kat arttığını gösterir.
Bir piezoelektriğin özelliklerinin sıcaklığa açık bir bağımlılığı vardır ve bu, kristaller kullanılırken dikkate alınması gerekir. Bu bağımlılık katsayılarla karakterize edilir:
- rezonans frekansının sıcaklık katsayısı, kristal ısıtıldığında / soğutulduğunda rezonansın ne kadar uzaklaştığını gösterir;
- sıcaklık genleşme katsayısı, piezoelektrik levhanın lineer boyutlarının sıcaklıkla ne kadar değiştiğini belirler.
Belirli bir sıcaklıkta piezokristal özelliklerini kaybeder. Bu sınır Curie sıcaklığı olarak adlandırılır. Bu limit her malzeme için ayrıdır. Örneğin kuvars için +573 °C'dir.
Piezoelektrik etkinin pratik kullanımı
Piezoelektrik elemanların en ünlü uygulaması ateşleme elemanı olarak kullanılmasıdır. Piezoelektrik etki, cep çakmaklarında veya gaz sobaları için mutfak ateşleyicilerinde kullanılır. Kristale basıldığında, potansiyel bir fark oluşur ve hava boşluğunda bir kıvılcım oluşur.
Piezoelektrik elemanların bu uygulama alanı tükenmemiştir. Benzer etkiye sahip kristaller, gerinim ölçerler olarak kullanılabilir, ancak bu kullanım alanı, piezoelektrik etkinin yalnızca dinamikte ortaya çıkma özelliği ile sınırlıdır - değişiklikler durursa, sinyal üretmeyi durdurur.
Piezokristaller mikrofon olarak kullanılabilir - akustik dalgalara maruz kaldığında elektrik sinyalleri oluşur. Ters piezoelektrik etkisi aynı zamanda (bazen aynı anda) ses yayıcılar gibi elementlerin kullanımına da izin verir. Kristale bir elektrik sinyali uygulandığında, piezoelektrik eleman akustik dalgalar üretmeye başlayacaktır.
Bu tür yayıcılar, özellikle tıbbi teknolojide ultrasonik dalgalar oluşturmak için yaygın olarak kullanılmaktadır. saat Bu plakanın rezonans özellikleri de kullanılabilir.Yalnızca doğal frekans dalgalarını seçen bir akustik filtre olarak kullanılabilir. Diğer bir seçenek de, bir ses üretecinde (siren, dedektör vb.) bir piezoelektrik elemanın eş zamanlı olarak frekans ayarlayıcı ve ses yayan eleman olarak kullanılmasıdır. Bu durumda ses her zaman rezonans frekansında üretilecek ve az enerji tüketimi ile maksimum ses seviyesi elde edilebilecektir.
Rezonans özellikleri, radyo frekansı aralığında çalışan jeneratörlerin frekanslarını stabilize etmek için kullanılır. Kuvars plakalar, frekans ayar devrelerinde oldukça kararlı ve yüksek kaliteli salınım devrelerinin rolünü oynar.
Elastik deformasyon enerjisini endüstriyel ölçekte elektrik enerjisine dönüştürmek için hala harika projeler var. Örneğin, rayların bölümlerini aydınlatmak için yayaların veya arabaların yerçekiminin etkisi altında kaldırımın deformasyonunu kullanabilirsiniz. Uçak ağını sağlamak için uçağın kanatlarının deformasyon enerjisini kullanabilirsiniz. Bu tür kullanım, piezoelektrik elemanların yetersiz verimliliği ile sınırlandırılmıştır, ancak pilot tesisler zaten oluşturulmuştur ve daha fazla iyileştirme vaadi göstermişlerdir.
Benzer makaleler:
