Пьезоэлектрический эффект. Виды и применение. Особенности

Впервые с явлением под названием «пьезоэлектрический эффект» чаще всего сталкиваются пользователи бытовых газовых зажигалок. При нажатии на кнопку такого изделия издается характерный для него треск и вырабатывается искра, зажигающая природный газ. Понятно, что это происходит в результате превращения механического воздействия в электрический разряд.

Его появление объясняется поляризацией диэлектриков при механической деформации кристаллов («пьезо» в переводе с греческого языка означает «сжимаю»). Особо отмечается, что это явление обратимо. Последнее означает, что под воздействием электрического поля (напряжения) в определенных условиях происходит механическая деформация диэлектрика.

Pezoelektricheskii effekt 2

Как был открыт пьезоэлектрический эффект и в чем его суть

Это явление (точнее – его прямая разновидность) было случайно открыто в 1880 году исследователями из Франции братьями Кюри. Обратный эффект теоретически предсказан ученым Липпманом в следующем году. Сделать это удалось при исследовании термодинамических процессов и получении выводов о предположительном поведении кристаллов диэлектриков. Буквально в том же году обратный эффект был практически подтвержден братьями Кюри.

Суть происходящих в пьзоэлементах процессов

Прежде чем разобраться в сути такого явления – сначала следует усвоить правило, утверждающее, что пьезоэлектрические вещества всегда обладают обратным эффектом. Это утверждение справедливо как для монокристаллических, так и для поликристаллических структур.

Во втором случае вещества предварительно поляризуются сильным электрическим полем на одной из перечисленных ниже стадий их получения:

В процессе кристаллизации диэлектриков.
При фазовом переходе в точке температуры Кюри (Примером поляризации при переходе точки Кюри может служить получение керамических пьезоэлектрических диэлектриков из смеси свинца с другими добавками).
Охлаждении сегнетоэлектриков.
Наложении стороннего электрического поля.

Известно, что любой пьезоэлектрик состоит из множества однотипных структурных элементов. Поэтому при расчете наведенной в результате сжатия/растяжения ЭДС учитывается суммарный эффект, получаемый от каждого из них. Полная энергия, генерируемая элементами за счет внешнего механического воздействия, равна сумме отдельных составляющих упругой деформации.

Поскольку пьезоэлектрический эффект обратим – после сжатия кристаллов возникает ответная реакция. В результате полученное электрическое напряжение в свою очередь создает механические напряжения и деформации, способные противодействовать внешним силам. Это индукционное явление приводит к некоторому увеличению жесткости пьезоэлемента.

Для подтверждения свойств диэлектриков с пьезоэлектрическим эффектом проделывается следующий опыт. Берется пьезоэлемент, на который предварительно было оказано механическое воздействие. Далее, появившееся на нем электрическое напряжение обнуляется путем короткого замыкания полярных электродов. При этом специальными тензорными приборами удается обнаружить уменьшение его жесткости.

Исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки кристаллической структуры материала. Поскольку весь диэлектрик состоит из огромного количества таких ячеек – их свойства целиком переносятся на все вещество (макроскопический кристалл). Необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в составляющих макроэлемента.

У электрических проводников пьезоэлектрический эффект совсем не проявляется, что объясняется свободным перемещением зарядов по всей пространственной решетке этих материалов. Любое механическое воздействие, приведшее к смещению молекул и возникновению заряда, компенсируется хорошей проводимостью этих структур.

Разновидности пьезоэлектриков

Известные виды материалов, проявляющих пьезоэффект, подразделяются на кристаллические и керамические вещества. К первым относится кварц и подобные ему природные минералы. Вторая категория – это материалы искусственного происхождения, типичными представителями которых являются титанат бария, ниобат лития и цирконат-титанат свинца (ЦТС). У этих веществ пьезоэлектрический эффект проявляется в более выраженной форме, чем это наблюдается у структур природного происхождения.

При сравнении ЦТС с кварцем отмечается, что при одной и той же величине деформации искусственный материал позволяет получить более высокую разность потенциалов. При обратном воздействии он точно также сильнее деформируется при одинаковых значениях приложенного напряжения. Благодаря таким характеристикам искусственные вещества широко применяются сегодня при производстве конденсаторов на основе керамики и ультразвуковых преобразователей различного типа.

Явления, с которым не следует путать

Пьезоэлектрический эффект не следует путать с так называемой «электрострикцией» (изменением формы под воздействием напряжения), наблюдаемой в диэлектриках с любой пространственной структурой.

Как прямой, так и обратный пьезоэффекты возможны только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Именно эта особенность структуры кристаллических диэлектриков и способствует образованию в них заряда при сжатии или растяжении. Помимо этого, пьезоэлектрический эффект нельзя путать с пьезорезистивными явлениями (при их проявлении у вещества изменяется показатель проводимости).

Практическое использование

Прямой пьезоэффект может использоваться не только в газовых зажигалках, но и во многих других технических решениях, это:

Различные датчики.
Сверхчувствительные сенсоры.
Взрыватели.

В отличие от пьезозажигалок, где он обеспечивает получение высокого напряжения на разряднике после нажатия пальцем клавиши, в сенсорах и датчиках с его помощью измеряются параметры некоторых величин (обратный эффект). В качестве взрывателя эти элементы применяются в выстрелах от гранатометов РПГ-7, в частности.

Датчики повышенной чувствительности на основе пьезолементов «улавливают» малейшие механические вибрации и реагируют на них появлением контрольного напряжения на регистрирующем приборе. С их помощью, например, очень удобно измерять давления жидкостей и газов. Добавим к этому, что такие элементы часто устанавливаются в гидрофонах, микрофонах, а также в приемниках сонаров. На начальном этапе развития грамзаписи пьезоэлементы использовались в головках звукоснимателей электропроигрывателей простейшего типа.

Pezoelektricheskii effekt 3

Обратный пьезоэлектрический эффект широко применяется в акустической аппаратуре в самых различных бытовых приборах. Как вибрирующие элементы такие кристаллы чаще всего встречаются в пьезокерамических звуковых излучателях. Эти приборы отличаются повышенной отдачей на высоких частотах и имеют сравнительно небольшие размеры. Благодаря этому их удается встраивать в миниатюрные девайсы и изделия, где они выполняют функцию излучателей звука.

Это могут быть:

Поздравительные музыкальные открытки.
Наручные часовые устройства.
Различные виды бытовой техники.

В последнем случае имеются в виду излучатели, устанавливаемые в увлажнители воздуха, а также в приборы ультразвуковой гидроочистки (например, в стиральные машины некоторых моделей). Еще одна сфера применения пьезоэлементов – промышленные ультразвуковые ванны, используемые при поведении самых различных технологических операций. В морском деле эти приборы используются в излучателях гидролокаторов (сонарах).

Области применения, не связанные с акустикой

Помимо обширной сферы акустических приложений пьезоэлектрический эффект широко применяется в следующих областях:

В устройствах механического перемещения (активаторах).
При изготовлении элементов точного позиционирования, входящих в состав современной аппаратуры (жестких дисков или туннельных микроскопов, в частности).
В адаптивной оптике – для корректировки кривизны отражающей поверхности зеркал.
В двигателях, работающих на принципах пьезоэффекта.
Помимо всего пьезоэлектрический эффект используется в устройствах, обеспечивающих подачу чернил в струйных принтерах.

Обе разновидности этого явления (прямой и обратный эффект) используются в следующих приборах:

Кварцевые резонаторы (в них они выполняют функцию эталона частоты).
Пьезоэлектрические трансформаторы, преобразующие напряжения высокой частоты.
Устройства, работающие с использованием эффекта распространения поверхностных акустических волн (УЛЗ).

Прямое и обратное проявления пьезоэлектричества также применяются при изготовлении датчиков, функционирующих по принципу распространения поверхностных волн.

При изготовлении современных приборов и устройств цельные кристаллы, как правило, не применяются. Перед использованием они распиливаются на тонкие пластинки с четкой ориентацией по кристаллографическим осям. Толщина пластинчатых заготовок выбирается в зависимости от того, какую требуется получить резонансную частоту. Для получения готового к использованию пьезоэлемента нарезанные пластины помещаются в обрамление из двух металлических прослоек.