Андрей Смирнов
Время чтения: ~18 мин.
Просмотров: 0

Пьезоэффект

Обратный пьезоэлектрический эффект

Обратный пьезоэлектрический эффект ( см. также § 91) — это возникновение деформации в вырезанной определенным образом кварцевой пластинке ( в последнее время вместо кварца применяется титанат бария) под действием электрического поля.

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в растяжении или сжатии этих кристаллов, помещенных в электрическом поле.

Обратный пьезоэлектрический эффект наблюдается, когда пьезоэлектрический кристалл помещают в электрическое поле. Этот эффект состоит в том, что под воздействием электрического поля геометрические размеры пьезоэлектрического кристалла изменяются.

Обратный пьезоэлектрический эффект характеризуется тем, что пьезоэлектрическая пластинка, внесенная в электрическое поле, изменяет свои размеры в соответствии с напряженностью и направлением этого поля.

Обратный пьезоэлектрический эффект используется для измерения больших или быстроизменяю-щихся давлений, в частности, для изучения ультразвуковых колебаний; электрическое напряжение, которое появляется на гранях деформируемого кристалла, усиливается и затем подается к измерительным приборам.

Зависимость диэлектрической проницаемости растворов ВаТЮз — SrTiOs от температуры. ( Числа — содержание ЗгТЮз, %.| Зависимость диэлектрической проницаемости растворов ВаТЮз — СаТЮз от температуры. Числа — содержание СаТЮз, %.| Зависимость диэлектрической проницаемости тройных растворов ВаТЮз — SrTiOs — СаТЮз от температуры.| Идеальные формы кристаллов кварца.

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении механического напряжения в кристалле под действием приложенного к нему электрического поля.

Обратный пьезоэлектрический эффект ( см. также § 91) — это возникновение деформации в вырезанной определенным образом кварцевой пластинке ( в последнее время вместо кварца применяется титанат бария) под действием электрического поля.

Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца ( или другого анизотропного кристалла), под действием электрического поля сжимается или удлиняется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластину между обкладками плоского конденсатора, на которые подается переменное напряжение, то пластина придет в вынужденные колебания. Эти колебания приобретают наибольшую амплитуду, когда частота изменений электрического напряжения совпадает с частотой собственных колебаний пластины. Колебания пластины передаются ча-стицам окружающей среды ( воздуха или жидкости), что и порождает ультразвуковую волну.

Зависимость диэлектрической проницаемости растворов BaTiOs — SrTiOs от температуры. ( Числа — содержание SrTiOs, %.| Зависимость диэлектрической проницаемости тройных растворов ВаТЮз — SrTiOs — CaTiOs от температуры.| Зависимость диэлектрической проницаемости растворов BaTiOs — CaTiOs от температуры. Числа — содержание СаТЮз, %.

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении механического напряжения в кристалле под действием приложенного к нему Электрического поля.

Обратный пьезоэлектрический эффект ( изменение размеров пьезокварца в электрическом поле) представляет собой частный случай более общего явления электрострикции — изменения размеров твердых и жидких диэлектриков при электрической поляризации.

Обратный пьезоэлектрический эффект используется для измерения больших или быстроизменяющихся давлений, в частности для изучения ультразвуковых колебаний; электрическое напряжение, которое появляется на гранях деформируемого кристалла, усиливается и затем подается к измерительным приборам.

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в растяжении или сжатии этих кристаллов, помещенных в электрическом поле.

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении механических напряжений и деформаций в кварцевой пластине, помещенной в электрическое поле.

Особенности приборов, измеряющих вибрации

Чтобы увеличить чувствительность измерительного прибора, необходимо применить пьезоэлементы с высоким модулем. Этот материал укладывают параллельно в ряд и соединяют металлическими прокладками и пластинами. Для подобного эффекта еще могут применяться вещества, которые работают на изгиб. Однако они имеют низкую частоту и уступают механике сжатия.

Материал может быть биморфным, его обычно собирают последовательно или параллельно, все зависит от положительно расположенных осей. Как правило, это две пластины. Если учитывать нейтральный слой, то над ним вместо пьезоэлемента может использоваться накладка из металла со средней толщиной.

Чтобы измерить сигналы, которые двигаются достаточно медленно, необходимо сделать следующее:

  • пьезопреобразователь включают в автогенератор;
  • кристалл находится на резонансной частоте;
  • как только произойдет нагрузка, показатели изменятся.

Сегодня пьезоакселерометры – усовершенствованные приборы, которые могут быть высокочастотными, с сильной чувствительностью.

Механизм действия пьезоэлемента

Основа
— это блок пьезоэлемента, который отправляет от кнопки силу давления на сам пьезоэлемент. Основная составляющая пьезоэлемента — пьезокристалл
. Это пластинка, вырезанная из кварцевого кристалла. Ее функция — механическую деформацию превращать в электрическое напряжение

. Пластинка очень твердая, способна выдержать значительные изгибы и сжатия и выдавать высокое напряжение.При плавном нажатии на кристалл, выдаваемое напряжение будет невелико, но оно будет длительным. При нажатии на кристалл с той же силой, но быстро и мгновенно — выдаваемое напряжение сильнее, но оно будет моментальным.Поэтому для создания искры в пьезозажигалке используется это свойство кристалла

. Для изменения силы удара с плавного на резкий в зажигалке имеется механизм: упругая пружина, которая находится под кнопкой пьезозажигалки. Нажимая на кнопку — сжимается и пружина. После нажатия на кнопку до конца — пружина отодвигает рычажок, на который она опирается. После этого пружина резко распрямляется. На другом конце пружины расположен металлический молоточек, который при раскрытии пружины с огромной скоростью ударяет в кристалл. На обратной стороне кристалла имеется металлическая подкладка, которая не дает кристаллу сдвинуться от движения молоточка.В результате получается мгновенный и сильный удар по кристаллу, который вызывает искру.

Датчики давления 415 интеллектуальные модели 5ХХХ

(датчики избыточного давления, датчики абсолютного давления, датчики  датчики перепада давления, датчики разности давления, гидростатического давления )

Область применения: Датчики предназначены для работы в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами и обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра — давления избыточного, абсолютного, гидростатического, разрежения, разности давлений сред в токовый выходной сигнал.

Измеряемые среды: газ, жидкость, пар

Пределы измерений:

  • избыточное давление от 0,1 кПа до 250 МПа
  • абсолютное давление от 25 кПа до 16 МПа
  • разрежение от 0,1 кПа до 100 кПа
  • давление-разрежение от ± 0,05 кПа до − 0,1…2,4 МПа
  • разность давлений от 0,25 кПа до 2,5 МПа
  • гидростатического давления от 0,25 м.в.ст. до 250 м.в.ст.

Выходные сигналы:

  • аналоговый сигнал постоянного тока 4-20 мА, 0-5мА, 0-20мА
  • цифровой сигнал на базе интерфейса RS-485
  • релейный управляющий (замыкающий контакт по 4 видам уставок)
  • USART с протоколом обмена Modbus, HART совместимым интерфейсом

Основная погрешность: 0,5 (0,25; 0,15; 0,1)%

Температура окружающего воздуха: базовое исолнение -30…50  (5…50; 1…80;  −30…50, −40…80)°С

Исполнение:

  • общепромышленное
  • взрывозащищенные:

    — 415-Ex — искробезопасная электрическая цепь (ExiaIICT5 X)

    — 415-Вн – взрывонепроницаемая оболочка (ExidsIICT5 X)

  • кислородное 415-К

Степень защиты от воды и пыли по ГОСТ14254: — IP65 для 55Х6 — IP68

Преимущества:

  • Контроль текущего значения измеряемого давления
  • Контроль и настройка параметров датчика
  • Многофункциональный индикатор (цифровое значение параметра, единицы измерения, шкала 0÷100%, уровни срабатывания уставок)
  • Оперативная установка «нуля»
  • Выбор системы и настройка единиц измерения (Па, кПа, МПа, кгс/см2, кгс/м2, мА)
  • Настройка времени усреднения выходного сигнала (демпфирование)
  • Настройка на «смещенный» предел измерения
  • Выбор зависимости выходного сигнала от входной величины: (линейно-возрастающая, линейно-убывающая, пропорциональная квадратному корню)
  • Коррекция погрешностей измерений с помощью встроенного микропроцессора и датчика температуры
  • Непрерывная самодиагностика
  • Тестирование и управление параметрами датчика на расстоянии с помощью ПК
  • Защита настроек от несанкционированного доступа
  • Передача информации на верхний уровень с помощью интерфейса RS-485
  • Архивирование — регистрация и хранение информации о значениях давления по 4 алгоритмам
  • Управление исполнительными устройствами по двухпозиционному закону (твердотельное реле)

Пример обозначения при заказе

Заказ

Техническая документация

Модель 5ХХ3

Модель 5ХХ7

Модель 5ХХ5

Модель 54Х4

Пьезоэлектрический преобразователь

Пьезоэлектрическая пластина
представляет собой устройство, которое использует пьезоэлектрический эффект для измерения давления, ускорения, деформации или силы путем преобразования их в электрический заряд.

Пьезоэлектричество
— это электричество, генерируемое пьезоэлементом, эффект которого называется пьезоэлектрическим эффектом
. Это способность некоторых материалов генерировать напряжение переменного тока (переменного тока) при механическом напряжении или вибрации или вибрировать при воздействии переменного напряжения или и то и другое.Наиболее распространенным пьезоэлектрическим материалом является кварц.

Этот эффект оказывает определенная керамика, соли Рошеля и другие другие твердые вещества. Когда звуковая волна ударяет по одной или обеим сторонам пластин, пластины вибрируют. Кристалл поднимает эту вибрацию, что приводит к слабому напряжению переменного тока. Следовательно, между двумя металлическими пластинами возникает напряжение переменного тока, с формой волны, подобной форме звуковых волн.

И наоборот, если к пластинам подается сигнал переменного тока, это заставляет кристалл вибрировать синхронно с сигнальным напряжением. В результате металлические пластины также вибрируют и создают акустические помехи.Практически каждый человек хотя бы один раз в жизни пользовался газовой зажигалкой, например моделью IMCO TRIPLEX, с пьезоэлементом. Это простое в исполнении и полезное в быту устройство позволяет добывать огонь всего одним щелчком. Огонь образуется из-за возгорания газа при контакте с электрическим разрядом, производимым пьезоэлементом зажигалки при нажатии на соответствующую клавишу.

При нажатии кнопки на пьезозажигалке мы слышим треск искры, далее газовая горелка разгорается.

О предприятии

Научно-производственное предприятие ООО «Пьезоэлектрик», создано в 1992 году на базе НКТБ «Пьезоприбор» РГУ, являющегося на протяжении 35 лет основным разработчиком и поставщиком пьезоэлектрических преобразователей для ракетно-космической техники страны.
Разработки ООО «Пьезоэлектрик» основаны на современной отечественной и зарубежной элементной базе, а также на оригинальных технологиях пьезокерамического производства и проводятся в тесном сотрудничестве с НКТБ «Пьезоприбор».
В настоящее время мы выпускаем наиболее широкую номенклатуру общепромышленных датчиков давления, включая датчики абсолютного, избыточного, гидростатического давления, разрежения, давления-разрежения и разности давлений, в том числе недорогие и интеллектуальные с развитым сервисом, с низким энергопотреблением и высокотемпературные, погружные и для систем управления аэростатами, обеспечивая все востребованные промышленностью диапазоны измерений.
Мы гордимся тем, что на основе наших пьезоэлектрических датчиков разработаны 11 типов вихревых расходомеров воды, газа и пара, включенных в государственный реестр средств измерения РФ и серийно выпускаемых на 7 предприятиях страны, в том числе такими уважаемыми, как ОАО «Сибнефтеавтоматика», ЗАО «Даймет», ОАО «Опытный завод Электрон», ООО «Глобус», ЗАО «Взлет», ООО «Ирвис», ЗАО «Метран».

Приборы этих предприятий, созданные с применением наших датчиков давления, по техническому уровню не уступают лучшим зарубежным образцам, а по некоторым характеристикам и превосходят их, обеспечивая около 90% российского рынка вихревых средств учета газа и пара среди отечественных производителей. И в этих успехах есть наш скромный вклад.
Мы выпускаем вибрационные сигнализаторы уровня, превосходящие по предельным рабочим давлениям лучшие отечественные образцы, и благодаря этому применяемые в системах управления магистральными газопроводами.
Мы создаем оборудование, ориентируясь на потребности наших Заказчиков и мировые тенденции развития. Наши приборы с успехом используются в системах коммерческого учета энергоресурсов и автоматизации технологических процессов на предприятиях различных отраслей промышленности, в том числе в энергетике, машиностроении, металлургии, газовой, нефтеперерабатывающей, пищевой и других во всех регионах России от Владивостока до Калининграда и за рубежом.

Производство

       
 
Калибровка датчиков давления 415
 
Участок механической обработки пьезоэлементов
 
Участок поляризации пьезоэлементов
 
участок измерения характеристик пьезоэлементов
       
 
Участок серебрения пьезоэлементов
 
Участок обжига пьезоэлементов
 
Сбыт и маркетинг
 
Монтаж печатных плат

Принцип работы

Действие пьезоэлемента наиболее четко просматривается на примере зажигалки нажимного действия. При нажатии на клавишу, зажигалка выдает целую серию искр, что свидетельствует о наиболее удачном использовании пьезогенератора в данной конструкции. Чтобы представить себе принцип работы, рекомендуется рассмотреть схему упрощенной модели этого устройства. Она выполнена в виде опоры с рычагом, создающим большое усилие, воздействующее на пьезоэлемент.

Сами элементы представляют собой сплошные цилиндрические конструкции, на торцах которых расположены электроды. Они соприкасаются друг с другом, поэтому на них воздействует одинаковая сила. Ориентация каждого пьезоэлемента между собой выполнена таким образом, чтобы электроды соприкасающихся поверхностей имели один заряд, например, положительный, а противоположные концы – заряд с другим знаком. Порядок подключения необходимо обязательно соблюдать, особенно при изготовлении подобного устройства своими руками.

Под действием рычага электроды замыкаются, и возникает электрическое параллельное соединение каждого пьезоэлемента между собой. От точки соприкосновения выводится токовод с закругленным наконечником, расположенным от металлической основы на определенном расстоянии. Во время нажатия на рычаг воздушный промежуток между основой и наконечником пробивается электрической искрой. Теперь уже понятно, как работает такая зажигалка. При дальнейшем нажатии усилие возрастает, что приводит к появлению второй и последующей искр. Это будет происходить до тех пор, пока пьезоэлементы не разрушатся полностью.

2.3. Взаимосвязь между пьезокоэффициентами в кристалле

Уравнения
пьезоэффекта (2.5) и (2.10), характеризующие
различные связи между механическими
параметрами σ и x и электрическими
параметрами P и E, могут быть для наглядности
представлены в виде диаграммы, которая
называется «пьезоэлектрическим
квадратом» (рис. 4). В вершинах этого
квадрата расположены σ, x, P и E. В левых
вершинах квадрата находятся механическое
напряжение σ и деформация x, а их линейная
связь представлена прямой линией,
характеризующей различное представление
закона Гука

xm
= s mn
σn ,

σn=
cmnxm
, (2.11)

где s – упругая
податливость, c – упругая жесткость.

Правые
вершины квадрата содержат электрическое
поле E и поляризацию
P, а соединяющая их
линия характеризует электрическое
взаимодействие

P =
εE, (2.12)

где
– диэлектрическая
восприимчивость.

Горизонтальные
линии диаграммы, а также диагонали
квадрата характеризуют все уравнения
прямого и обратного пьезоэлектрического
эффектов. Возле прямых линий – связей
указаны соответствующие пьезокоэффициенты.
Способ пользования квадратом следующий:
физическая величина, стоящая внутри
кружка в вершине квадрата, равна
расположенному около нее пьезокоэффициенту,
умноженному на величину, изображенную
в другом кружке в противоположном конце
стрелки. Например, верхней линии
пьезоэлектрического квадрата соответствуют
уравнения пьезоэффекта P = dσ и σ = hP, а
нижней линии – уравнения пьезоэффекта
x = dE и E = hx.

Приведенные
выше соотношения позволяют установить
связь между различными пьезоэлектрическими
коэффициентами din, eim, gin,
и hjmкристалла через упругие (сmnили smn) и диэлектрические (ij)
параметры пьезоэлектрика. Например, из
(2.2) следует Pi= dinn,
а из (2.11) можно записатьn= сmnxm, откуда

Pi
= dincmnxm.
(2.13)

Сравнивая (3.13) с
(3.5), получаем одно из уравнений связи
между коэффициентами

eim
= dincmn
. (2.14)

В
этом и других подобных соотношениях
необходимо учитывать при каких
электрических условиях определены сmn
или smn:
для короткозамкнутого (Е = 0) или для
разомкнутого (D=0) пьезоэлектрика,
поскольку сЕmn
= сDmn
и sEmn
= sDmn.
В другие соотношения между пьезокоэффициентами
входят компоненты тензора ij,
которые различаются для механически
свободных (ij,
т.е. при 
= 0) и для зажатых кристаллов и текстур
(хij,
т.е. при х = 0).

В
соотношение (2.14) при определении
пьезомодуля din
из прямого пьезоэффекта с учетом
электрически свободного кристалла
упругая жесткость должна входить с
индексом Е. Это означает, что её определяют
при Е = 0. Следовательно, приведенное
соотношение должно быть записано в виде

.
(2.15)

При
определении пьезокоэффициента eim
из прямого пьезоэффекта пьезоэлектрик
также электрически свободен (Е = 0), так
что в другом уравнении связи
пьезокоэффициентов упругая податливость
также должна записываться с индексом
Е, т.е.

.
(2.16)

Выведем
еще одно соотношение связи между
пьезокоэффициентами. Согласно (2.10) для
обратного пьезоэффекта имеем хm
= gmi
Pi,
но так как согласно (2.2) Pi
= ijEj
, то можно записать

.
(2.17)

Сравнивая
(2.17) с (3.10) и учитывая условия измерения,
получаем

.
(2.18)

Аналогичным
образом можно получить и другие
соотношения между пьезоэлектрическими
коэффициентами с учетом условий
определения диэлектрических и упругих
параметров. Приведем соотношения для
всех пьезокоэффициентов, в том числе
(2.15), (2.16) и (2.18)

; (2.19)

; (2.20)

(2.21)

. (2.22)

Отметим,
что механические и электрические
параметры кристалла могут быть измерены
при адиабатических и изотермических
условиях. Первый случай реализуется в
экспериментах при высокочастотных
измерениях, а второй – при статических
или квазистатических измерениях. Поэтому
следует различать csmn
и cTmn,
ssmn
и sTmn,
sij
и Tij
соответственно. Эти различия будут
касаться и пьезомодулей dsin
и dTin
, а также других пьезоэлектрических
коэффициентов. Эти различия в зависимости
от условий измерения в адиабатических
и изотермических режимах невелики для
линейных диэлектриков. Например, величины
ssmn
и sTmn
отличаются на ~ 1 %, причем ssmn
< sTmn
, а различие в пьезомодулях dsin
и dTin
составляет ~ 0,1 %, а в величинах sij
и Tij
и того меньше. Однако для сегнетоэлектриков,
особенно вблизи температуры фазового
перехода, разницей в sij
и Tij
пренебречь нельзя. Существенно при этом
могут отличаться значения всех
пьезомодулей, измеренных при постоянной
энтропии или постоянной температуре.

Термины и определения для пьезоэлектрических резонаторов

Основные термины для пьезоэлектрических резонаторов установлены стандартами Международной электротехнической комиссии (МЭК). В соответствии с этим документом определена стандартная отечественная терминология для основных понятий, касающихся пьезоэлектрических резонаторов. В справочнике использована стандартная терминология, имеющаяся в указанных документах. Понятия, для которых еще нет твердо установленных терминов, определены терминами, известными из тех или иных источников, на которые даны соответствующие ссылки.

Пьезоэлектрический резонатор (пьезорезонатор) — компонент радиоэлектронной аппаратуры. Его основной частью является пьезоэлемент, определяющий резонансный характер зависимости его полного сопротивления от частоты и имеющий параметры и характеристики, оговоренные в технической документации.

Многополюсный резонатор — резонатор с числом внешних выводов больше двух, соединенных с электродами пьезоэлемента и не связанных электрически между собой.

Многоэлементный пьезорезонатор — пьезоэлектрический резонатор, в корпусе которого смонтировано несколько пьезоэлементов.

Двухмодовый резонатор — резонатор, пьезоэлемент которого имеет две рабочие моды колебаний и соответственно две рабочие частоты.

Бескорпусной пьезорезонатор — пьезорезонатор, не имеющий внешней оболочки (корпуса), конструктивные и электрические параметры которого нормированы, а методы испытаний и правила обращения указаны в технической документации. Термины «пьезоэлемент» и «пьезовибратор» синонимами бескорпусного резонатора не являются.

Пьезоэлектрический элемент (пьезоэлемент) — пластина, стержень или тело иной формы из пьезоэлектрика, имеющие определенные размеры и ориентацию относительно кристаллографических осей или определенное направление поляризации (для керамики) с электродами.

Пьезоэлектрический вибратор (пьезовибратор) — пьезоэлемент с деталями крепления или смонтированный с держателем.

Электроды — пленки, наложенные на пьезоэлектряческую пластину, или проводящие пластины, расположенные вблизи нее, предназначенные для приложения внешнего электрического напряжёi4ия или съема пьезоэлектрических зарядов.

Корпус — оболочка, предохраняющая пьезоэлемент от внешних механических и климатических воздействий и имеющая выводы для соединения с внешней электрической цепью.

Держатель — устройство для фиксации положения пьезоэлемента в корпусе резонатора или на плате функционального пьезоэлектрического прибора.

Отражатель — компактная относительно массивная деталь в виде шайбы, шарика или тела иной формы устанавливаемая на проволочных держателях для предотвращения потерь энергии вследствие распространения по ним возбужденных пьезоэлементом механических колебаний.

Пьезоэлектрическая подложка (пьезоподложка) — пластина из пьезоэлектрика с пленочными электродами, на которой расположены также элементы другого функционального назначения.

Микроминиатюрные резонаторы — сверхминиатюрные резонаторы, предназначенные для использования в наручных электронных часах и микроэлектронной аппаратуре.

Резонатор-термостат — резонатор, у которого внутри корпуса размещены нагреатель пьезоэлемента, датчик температуры и другие элементы, определяющие температурньтй режим ПЭ.

Интегральный резонатор — резонатор, основные элементы которого (пьезоэлемент, детали его крепления и держатель) выполнены из одного куска пьезоэлектрика.

Резонатор с зазором — резонатор, пьезоэлемент которого имеет электроды, расположенные на небольшом расстоянии от поверхности последнего.

Полюс резонатора — внешний вывод от электрода ПЭ для включения во внешнюю цепь.

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 свойства горных пород

Некоторые минералы горных пород обладают пьезоэлектрическим свойством за счёт того, что электрические оси этих минералов расположены не хаотично, а ориентированы преимущественно в одном направлении, поэтому одноимённые концы электрических осей («плюсы» или «минусы») группируются вместе. Это научное открытие было сделано в Институте физики Земли советскими учёными М. П. Воларовичем и Э. И. Пархоменко и занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 57 с приоритетом от 1954 г. На основе этого открытия разработан пьезоэлектрический метод геологической разведки кварцевых, пегматитовых и хрусталеносных жил, которым сопутствуют золото, вольфрам, олово, флюорит и другие полезные ископаемые.

Прямой пьезоэффект

Прямой пьезоэффект проявляется в образовании зарядов на поверхности твердого тела под действием механических напряжений. Обратный пьезоэффект проявляется в изменении. Эти эффекты очень ярко проявляются в кварцевом резонаторе.

Прямой пьезоэффект состоит в появлении электрических зарядов при деформации пьезоэлемента, а обратный — в его деформации под действием электрического поля. Таким образом, пластина излучает благодаря обратному пьезоэффек-ту, а принимает — благодаря прямому.

Прямой пьезоэффект состоит в том, что при сжатии или растяжении пластинки, вырезанной из кварца, сегнетовой соли и некоторых других кристаллов, на ее гранях появляются электрические заряды. Под действием продольной упругой волны на гранях пластинки периодически появляются заряды противоположных знаков. Прямой пьезоэффект используют для регистрации ультразвуковых волн.

Прямой пьезоэффект состоит в появлении электрических зарядов противоположных знаков на поверхностях кристаллов некоторых веществ при механическом воздействии на них. При изменении направления механического воздействия знаки зарядов изменяются на противоположные.

Прямой пьезоэффект заключается в том, что некоторые вещества с кристаллической структурой при действии механических сил могут электрически поляризоваться. Пьезоэффект присущ кристаллам с ионными решетками, имеющими низкую степень симметрии. При механических воздействиях происходит деформация элементарных ячеек кристалла и смещение положительных и отрицательных ионов относительно друг друга, что ведет к изменению электрических моментов и к поляризации кристалла в целом. С изменением деформации сжатия на деформацию растяжения ( или наоборот) направление поляризации меняется на противоположное.

Следствием прямого пьезоэффекта является обратный пьезоэффект — появление механической деформации под действием электрического поля. Связь между механическими и электрическими параметрами ( деформацией и электрическим полем) носит в обоих случаях линейный характер.

Схема пьезоэффекта в кварце.

Явление прямого пьезоэффекта, заключающееся в возникновении зарядов на гранях кристаллов некоторых веществ при их растяжении и сжатии, было открыто в 1880 г. братьями Кюри.

Следствием прямого пьезоэффекта является обратный пьезоэффект — появление механической деформации под действием электрического поля. У некоторых пьезоэлектриков решетка положительных ионов в состоянии термодинамического равновесия смещена относительно решетки отрицательных ионов, в результате чего они оказываются электрически поляризованными даже без внешнего электрического поля. Такие кристаллы называются пнроэлектриками. Эти группы веществ находят широкое применение в технике и бытовых устройствах.

Следствием прямого пьезоэффекта является обратный пьезоэф-фект — появление механических деформаций под действием электрического поля. При упругой деформации происходит смещение положительных и отрицательных ионов друг относительно друга, что приводит к возникновению электрического момента. Пьезоэффекты наблюдаются только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Смещение частиц в кристаллах, обладающих центром симметрии, не приводит к появлению поляризованного состояния. В этом случае происходит электрическая компенсация моментов.

Упрощенная структура ячейки кварца ( а и схема образования пьезоэлектрического эффекта ( б и в.

Благодаря прямому пьезоэффекту эти колебания обусловливают весьма интенсивные электрические колебания, которые используют для создания замкнутой электромеханической автоколебательной системы — кварцевого генератора.

Упрощенная структура ячейки кварца ( а и схема образования пьезоэлектрического эффекта ( б и в.

Благодаря прямому пьезоэффекту эти колебания обусловливают весьма интенсивные электрические колебания, которые используют для создания замкнутой электромеханической автоколебательной системы — кварцевого генератора.

Благодаря прямому пьезоэффекту на поверхности пластинки кварца образуются электрические заряды и через пластинку проходит ток, совпадающий по фазе с приложенным напряжением. Следовательно, через кварц, кроме реактивной составляющей тока, проходит активная составляющая, которую называют пьезоэлектрической.

Делаем мини электрошокер

Потребуется:— пьезоэлемент (вынутый из зажигалки),— металлическая ручка,— фольга,— пассатижи.

Разбираем ручку, все детали ручки должны быть металлические. Выводной провод тока пьезоэлемента подкручиваем и вставляем в стержень пасты. И далее собираем, как показано на видео.А дальше можете подшутить над другом — предложить ему попользоваться вашей ручкой.Ток будет слабым, а эффект от неожиданности — очень сильным!

  • можно попробовать сделать микросварку
    ,
  • можно искрой нанести надписи
    ,
  • можно сделать устройство активной охраны
    .

Удачных вам экспериментов, друзья.

Электромеханический преобразователь, изготавливаемый из пьезоэлектрических материалов, определенной формы и ориентации относительно кристаллографических осей, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую (прямой пьезоэффект), а электрическая в механическую (обратный пьезоэффект).

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.

Сменить цвет

Диаметр: 10 ммТолщина: 1 ммМатериал: ЦТС-26Напряжение: 5ВЧастота возбуждения: 1МГцМасштаб колебаний: 30000:1

Посмотреть колебания

Остановить колебания

Рисунок — Колебание свободного пьезоэлемента под действием напряжения (обратный пьезоэффект)

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации