Свойства пьезоэффекта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВО «НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Контрольная работа

по дисциплине «Электронные приборы»

Работу выполнил: Швед А.А.

Преподаватель: Куликов В.П.

Новосибирск 2019

Физические свойства пьезоэффекта

В ходе исследований было установлено, что пьезоэлектрический эффект присущ кварцу, турмалину и другим кристаллам естественного и искусственного происхождения. Перечень таких материалов постоянно растет. Если любой из этих кристаллов сжать или растянуть в определенном направлении, на отдельных гранях появятся электрические заряды с положительным и отрицательным значением. Разность потенциалов таких зарядов будет незначительной.

Для того чтобы понять природу пьезоэффекта, необходимо соединить электроды между собой и разместить их на гранях кристалла. При кратковременном сжатии или растяжении в цепи, образованной электродами, можно заметить образование короткого электрического импульса. Именно он является электрическим и физическим проявлением пьезоэффекта. Если же кристалл испытывает постоянное давление, в этом случае импульс не появится. Данное свойство кристаллических материалов широко используется при изготовлении точных чувствительных приборов. На рисунке №1 изображен пример сжатия и растяжения пьезокристала.

Рисунок 1

Одним из качеств пьезоэлектрических кристаллов является их высокая упругость. По окончании действия деформирующего усилия, эти материалы без всякой инерции принимают свою изначальную форму и объем. Если же прикладывается новое усилие или изменяется приложенное ранее, в этом случае мгновенно образуется еще один токовый импульс. Данное свойство, известное как прямой и обратный пьезоэффект, успешно используется в устройствах, регистрирующих совсем слабые механические колебания.

В самом начале открытия пьезоэффекта решение такой задачи было невозможно из-за слишком незначительной силы тока в колеблющейся кристаллической цепи. В современных условиях ток может быть усилен многократно, а некоторые виды кристаллов имеют довольно высокий пьезоэффект. Ток, полученный от них, не требует дополнительного усиления и свободно передается по проводам на значительные расстояния.

Прямой и обратный пьезоэффект

Все кристаллы, рассмотренные выше, обладают качествами прямого и обратного пьезоэффекта. Данное свойство одновременно присутствует во всех подобных материалах - с моно- и поликристаллической структурой. Обязательным условием является их предварительная поляризация в процессе кристаллизации воздействием сильного электрического поля.

Для того чтобы понять, как действует прямой пьезоэффект, необходимо кристалл или керамический материал расположить между металлическими пластинами. Генерация электрического заряда происходит в результате приложенного механического усилия - сжатия или растяжения.(Пример генерации электрического заряда при сжатии пьзоэлемента на рис. 2)

Рисунок 2

Виды пьезоэлектрических материалов

Основным свойством таких материалов является возможность получения электроэнергии за счет сжатия или растяжения, то есть, деформации.(рис №3)

Рисунок 3

· Кристаллы. Включают в себя кварц и другие виды природных образований.

· Керамические изделия. Представляют собой группу искусственных материалов. Типичными представителями являются цирконат-титанат свинца - ЦТС, а также титанат бария и ниобат лития. Они обладают более ярким пьезоэлектрическим эффектом по сравнению с природными материалами.

Если сравнивать ЦТС и кварц, становится заметно, что при одной и той же деформации, искусственный элемент вырабатывает более высокое напряжение. Когда на него влияет обратный пьезоэлектрический эффект он соответственно сильнее деформируется, когда к нему приложено такое же напряжение, как и к кварцу. Благодаря своим качествам, искусственные материалы получили широкое распространение в конструкциях керамических конденсаторов, ультразвуковых преобразователей и прочих электронных устройств.

Применение пьезоэлемента

пьезоэффект кристалл

Применение пьезоэлемента обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.

В генераторах, пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.

Практические примеры использования пьезогенераторов

Пьезогенераторы целесообразнее использовать для питания маломощных устройств, например мобильных коммуникационных аппаратов, мобильных плееров или небольших источников света. Максимальное напряжение, которое можно получить на выходе ПГ, обычно не превышает 1,6 В.

Пьезогенератор, построенный на принципе продольного направления колебаний, в некоторых опытах помещался в подкладку обуви. Бег или ходьба в такой обуви позволяет вырабатывать небольшую мощность. Есть в такой технологии недостаток - хрупкость ПЭ, имеющего спиральную пластинчатую структуру. По этой причине проще встраивать ПГ в поверхность, по которой выполняется перемещение людей. На станции метро Марунучи, расположенной в Токио, в настил пола помещены пьезоэлементы. Из-за большого скопления людей, давящих ступнями на пол, вырабатывается небольшая, но существенная мощность.

Таким же способом можно получать электроэнергию от деформации полотна трассы, по которой движутся автомобили, а затем аккумулировать ее для дальнейшего использования в нуждах расположенных вблизи потребителей. Велосипедную фару, как оказалось, можно тоже подпитывать от ПГ, расположенного в педали. Мощности, получаемой только от пьезогенераторов, в данном случае недостаточно для полноценного электроснабжения фары, но в комбинации с использованием генераторов типа «динамо» технология вполне применима.

Возможно также совмещение в одном генераторе ПЭ с элементами, трансформирующими солнечную энергию в электрическую. Кроме того, опыты показывают, что более масштабные пьезогенераторы обладают коэффициентом полезного действия, превышающим КПД менее габаритных образцов. Разработки механически прочных и гибких пьезоэлементов позволяют использовать их не только в обувной подкладке, но и при изготовлении одежды. Нанонити для этих целей производятся методом электроспиннинга. Эта технология дает дополнительные возможности получения электроэнергии от движений тела, сердцебиения и т.д.

В сенсорах, пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.

Датчики силы Пьезоэлектрические датчики силы в последнее время принимают активное участие в лабораторных исследованиях. Они отличаются повышенной точностью и неплохой проводимостью. Однако важно отметить, что рабочая частота в данном случае находится на уровне 4 Гц. Многие модификации производятся с обычными контактными мембранами. Также стоит отметить, что в магазинах представлены проводные устройства с кварцевыми пластинами. Показатель проводимости у таких датчиков составляет примерно 5 мк. Многие модификации разрешается применять в условиях повышенной влажности. Емкость проводников в данном случае равняется 55 пФ.

Датчики давления Пьезоэлектрические датчики давления производятся с мембранами разных типов. Если верить отзывам экспертов, то наиболее востребованными устройствами считают контактные элементы, показатель проводимости у них равняется 8 мк. При этом рабочая частота максимум достигает 5 Гц. Контактные мембраны у датчиков встречаются довольно редко. Кварцевые пластины устанавливаются через выводы. Емкость проводников в среднем равняется 120 пФ. Отдельного внимания у модификаций заслуживают компактные втулки. Как правило, они применяются экранированного типа. Для измерительной аппаратуры датчики данного типа подходят замечательно. Довольно часто их подключают к осциллографам. Подпятники у модификаций применяются переходного типа. Некоторые модели способны похвастаться высокой точностью замеров.

Пьезоэлектрические датчики температуры работают на низкоомных модулях. Если верить отзывам экспертов, то мембраны в основном применяются контактного типа, и переходники под них используются низкой проводимости. Кварцевые пластины способны работать в условиях повышенной влажности. Если говорить про недостатки, то важно отметить, что модели производятся в основном без подпятников. Вместо них на мембраны устанавливаются специальные изоляционные пленки. Показатель диэлектрической проницаемости лежит в районе 50 %.

Датчики ускорения Пьезоэлектрический датчик ускорения довольно часто используется в промышленности. Выводы у моделей подключаются через мембраны. Некоторые устройства производятся специально под приводные агрегаты. Мембраны в данном случае устанавливаются контактного типа. Также стоит отметить, что в магазинах представлены элементы, которые работают на полированных пластинах. Подпятники в основном используются компактных размеров. Изоляция у моделей применяется высокого качества. Металлические подкладки встречаются довольно редко. Также надо отметить, что существуют устройства, которые способны работать при частоте 3 Гц. Показатель проводимости у них, как правило, не превышает 44 мк. Емкость проводников у моделей данного типа находится в районе 40 пФ.

В силовых приводах, пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.

Ультразвуковомй двимгатель (Ультразвуковой мотор, Пьезодвигатель, Пьезомагнитный двигатель, Пьезоэлектрический двигатель), двигатель, в котором рабочим элементом является пьезоэлектрическая керамика, благодаря которой он способен преобразовать электрическую энергию в механическую с очень большим КПД, превышающим у отдельных видов 90 %. Это позволяет получать уникальные приборы, в которых электрические колебания прямо преобразуются во вращательное движение ротора, при этом крутящий момент, развиваемый на валу такого двигателя столь велик, что исключает необходимость применения какого-либо механического редуктора для повышения крутящего момента. Также данный двигатель обладает выпрямительными свойствами гладкого фрикционного контакта. Эти свойства проявляются и на звуковых частотах. Такой контакт является аналогом электрического выпрямительного диода. Поэтому ультразвуковой двигатель можно отнести к фрикционным электромоторам.

Используемые источники

1. К.Б. Классен. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. Москва: Постмаркет, 2000. - 352 с.

2. Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики / Под ред. В.М. Шарапова. - Москва: Техносфера, 2006. - 632 с.

Размещено на Allbest.ru