Пиезоелектричен ефект, приложение в науката и техниката

Пиезоелектричният ефект (пиезоелектричният ефект)се състои в това, че при механична деформация на някои кристали в определени посоки върху лицата им се появяват електрически заряди с противоположни знаци.Пиезоелектричният ефект се наблюдава при кварц, турмалин, рошелска сол, бариев титанат, цинкова смес и други вещества. Пиезоелектричният ефект в кварца възниква по електрическите оси X1, X2, X3 на кристала, които са перпендикулярни на оптичната му ос Z. Обръщането на посоката на деформация на кристала обръща знаците на зарядите на повърхностите. Обратният пиезоелектричен ефект се състои в промяна на линейните размери на някои кристали под въздействието на електрическо поле. Промяната в посоката на електрическото поле води до промяна в естеството на деформациите към обратното. Този ефект е от голямо значение за получаване на ултразвук (виж Пиезоелектрични излъчватели).

Пиезоелектрицитеса кристали, в които под въздействието на равномерна деформация възниква диполен момент, а оттам и електрическо поле, пропорционално на деформацията. Наличието на пиезоелектрични свойства е тясно свързано със симетрията на кристала.

Пиезоелектричният ефект съществува в редица полупроводници - CdS, Zn0, GaAs, InSb, Te и др. Повечето от експериментите, особено на първия етап, бяха проведени върху CdS - този полупроводник е доста силен пиезоелектрик и в същото време фотопроводник (т.е. променя проводимостта си при осветяване). Следователно, както вече беше споменато, е лесно да се отделят електронните ефекти в него.

Ако звукът се разпространява в пиезоелектрик, т.е. деформационна вълна, тогава той се придружава от електрически полета, които имат пространствени и времевичестота на звуковата вълна. Тези полета са надлъжни, тоест успоредни на посоката на разпространение на звука. Можем да кажем, че в пиезоелектриците всяка звукова вълна е придружена от вълна на надлъжно електрическо поле (ще го наричаме пиезоелектрично поле). Като оценка на силата на тези полета може да се даде следната цифра: когато звукът се разпространява в такъв силен пиезоелектричен материал като CdS, при плътност на потока на звукова енергия S от порядъка на 1 W/cm2, амплитудата на силата на променливото поле може да достигне няколкостотин волта на сантиметър.

Нека сега разберем как пиезоелектричният ефект влияе върху разпространението на звука в пиезоелектриците. Нека надлъжен или напречен звук се разпространява в пиезодиелектрик по протежение на оста на симетрия на кристала, която ще наричаме оста OX. Деформацията в такава вълна се характеризира с du/dx, където и

И какво ще се случи с електроните в полупроводника? Те ще бъдат преразпределени в пространството, опитвайки се да се отцедят от потенциални "гърбици" и да запълнят потенциални "ями". В този случай първоначалният потенциал ще намалее (φ0, или, както се казва, ще бъде екраниран от проводящи електрони). Следователно първият въпрос, който трябва да бъде решен, е: как се преразпределят електроните в потенциалното поле и как ще го екранират? За да се реши този проблем, е необходимо да се разбере как да се опише движението на електрон в полето на звукова вълна. Това по същество зависи от това каква е стойността на отношението между дължината на звуковата вълна 2l/q и дължината l на свободния път на електроните, каква е стойността на параметъра ql. Този параметър играе централна роля в теорията на акустичните свойства на проводниците; за различни стойности от него, електроните взаимодействат по различен начин със звука. Обикновено в пиезоелектричните полупроводници ql "1, така че засега се ограничаваме доразглеждане на този случай. В чистите метали при ниски температури може да се запази обратното неравенство. Това ще бъде обсъдено в следващата глава.

Пиезоелектричен ефект, приложение в науката и технологиите.

Патент на САЩ N3239283. Американските изобретатели J. Broz и W. Lauberdorfer разработиха конструкция на лагера, при която триенето се унищожава от вибрации, но не са необходими специални механизми за създаването му. Лагерните втулки са изработени от пиезоелектричен материал. Токът кара пиезоелектричния материал да се свива и разширява, създавайки вибрация, която унищожава триенето.

Инсталирането на пиезоелектрични преобразуватели на реактивни самолети спестява почти една трета от горивото, използвано за генериране на електричество, следователно позволява увеличаване на обхвата на полета. Тук вибрациите и вибрациите на фюзелажа и крилата се преобразуват директно в електричество.

Philips успешно развива идеята за пиезоелектрическо задвижване за механизми с ниска мощност. По-специално тя създаде светофар, чиито батерии се зареждат от шума на колите на кръстовището.

Говори се за създаване на звукоизолиращи прегради за жилищни сгради от пиезоелектрически материали. Тук двойният ефект е както шумопоглъщане, така и генериране на електроенергия, например за отопление на апартаменти.

Пиезоелектрически мастиленоструен

Пиезоелектричните мастиленоструйни глави за принтери са разработени през седемдесетте години. В повечето от тези принтери камерата за мастило е под налягане от пиезоелектричен диск, който променя формата си (огъва се), когато към него се приложи електрическо напрежение. Извивайки се, дискът, който служи като една от стените на мастилената камера, намалява нейния обем. Под въздействието на свръхналягане течното мастило се изхвърлякапкови дюзи. Пионерът на пиезоелектричната технология, Epson, не успя да се конкурира успешно в обема на продажбите със своите конкуренти Canon и Hewlett-Packard поради относително високата технологична цена на пиезоелектричните печатащи глави - те са по-скъпи и по-сложни от печатащите глави с балончета.

Битова пиезоелектрическа запалка ZP-1 "Tolne".

Запалката е предназначена за запалване на газ в горелките на битови газови уреди. Източникът на искра е пиезоелектричен елемент. Чрез натискане на клавиша силата на компресия се предава на пиезоелектричните елементи, в резултат на което възниква искра между контактите, разположени вътре в металната дюза, носена на удължения край на пиезо запалката. Искрата, която запалва газта, се генерира както при натискане на клавиша, така и при отпускане. Модерният дизайн може да направи запалката акцент в кухненския интериор.

Пиезоелектричните преобразувателисе използват за генериране на ултразвук с честоти до 50 MHz. Основният елемент на пиезоелектричния излъчвател е пиезоелектрична плоча, която поради обратния пиезоелектричен ефект извършва принудителни механични трептения в променливо електрическо поле.