Пьезоэлемент и пьезоэффект: как работает, что такое пьезоэлектрический эффект

Что ждет пьезоэлектрические материалы будущем?

Так что же ждет пьезоэлектрические материалы в будущем? Возникает захватывающая идея, что пьезоматериалы из нановолокна могут быть коммерчески использованы в качестве источника энергии. Они полагаются на механическое усилие для выработки электричества. Поэтому, если расположить их, например, на сенсорном экране, то они могут выступить в качестве подзарядки устройства. Конечно, часть созданной мощности идет на выполнение действия на сенсорном экране. Но есть вариант создания дополнительных ресурсов.

Два самых популярных материала, используемых для наногенераторов, — это полимер поливинилиденфторид (ПВДФ) и керамический цирконат-титанат свинца (PZT). ПВДФ демонстрирует более высокие пьезоэлектрические свойства, чем другие полимеры. Это связано с его полярной кристаллической структурой. В свою очередь PZT также имеет кристаллическую структуру и способен генерировать гораздо более высокие напряжения, чем другие пьезоэлектрические материалы для сбора энергии. Он также механически более прочен, особенно в форме нанопроволоки.

Промышленный дизайнер Чон-Хун Кимхас придумал блестящую идею использования пьезоэлектричества для питания автомобиля. Такие устройства, которые заряжают аккумуляторы, получают энергию от вибраций, возникающих при движении машины. Эта технология не производит выбросов и не зависит от ископаемого топлива, что делает ее экологически чистой.

Другой промышленный дизайнер, Пол Фригу, разработал мобильный телефон, который может заряжаться сам! Модель Zeri использует термоэлектрические и пьезоэлектрические системы. Первый использует изменения температуры для генерации заряда; второй — колебания воздуха. Эти две функции делают смартфон на 100% экологически чистым.

Мексиканец Альберто Вильярреал создал пару обуви, которая освещает путь ее владельцу. Используя кинетическую энергию ходьбы или бега, электролюминесцентные полимеры могут производить свет. Эти эффекты буду полезны для бегунов.

Следующая инновационная технология — в секторе планшетов. Использование регенеративного ввода на сенсорном экране вполне может стать предпочтительным способом зарядки этих популярных гаджетов. В среднем (статистически) средний человек нажимает на сенсорный экран 1 000 раз в день. Этого более чем достаточно для питания планшета.

Напоследок, пожалуй, самый интересный пьезоэлектрический гаджет — душ. Разработанный финскими, мексиканскими и немецкими инженерами, он содержит множество крошечных нанопроволок. Эти нанопровода используют энергию проходящей воды для производства электричества, которое используется для нагрева воды. Устройство также имеет сенсорные панели, которые контролируют количество использованной воды и подсчитывают время, проведенное пользователем в душе. Также имеется регулятор, который контролирует давление воды.

Предыдущая
РазноеЧто такое однолинейная схема электроснабжения и какие требования для её проектирования?
Следующая
РазноеОтносительная диэлектрическая проницаемость

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики

), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называетсяпрямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

Справка: Первая статья Жака и Пьера Кюри о пьезоэлектричестве была представлена Минералогическому обществу Франции (Societe mineralogique de France) на сессии 8 Апреля 1880 года и позже Академии наук (Academie des Sciences) на сессии 24 августа 1880 года. Пьер и Жак Кюри впервые открыли прямой пьезоэлектрический эффект у кристалла турмалина

. Они заметили, что если оказывать механическое давление на кристалл в определенном направлении, на противоположных сторонах кристалла возникают электрические заряды пропорциональные давлению и противоположной полярности. Позже они открыли подобный эффект у кварца и других кристаллов . В 1880 году Пьеру Кюри был только 21 год .

Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект

, а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.

Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.

Рисунок 1 – Элементарная ячейка цирконата титоната свинца (ЦТС) при температуре выше точки Кюри (слева) и при температуре ниже точки Кюри (справа)

Здесь можно кратко пояснить пьезоэлектрический эффект

на примере титаната бария, часто применяемой пьезоэлектрической керамики со сравнительно простой конструкцией элементарной ячейки. Титанат бария ВаТiO3, как и многие другие пьезокерамические вещества, аналогичен по структуре перовскиту (СаТiО3), по которому и назван этот класс материалов. Элементарная ячейка при температурах выше, критической, которая называется также точкой Кюри, является кубической. Если температура ниже этой критической, то элементарная ячейка тетрагонально искажается по направлению к одной из кромок. В результате изменяются и расстояния между положительно и отрицательно заряженными ионами (рисунок 1, для ВаТiO3 вместо Pb — Ba). Смещение ионов из их первоначального положения очень мало: оно составляет несколько процентов параметра элементарной ячейки. Однако такое смещение приводит к разделению центров тяжести зарядов внутри ячейки, так что образуется электрический дипольный момент. По энергетическим условиям диполи соседних элементарных ячеек кристалла упорядочиваются по областям в одинаковом направлении, образуя так называемые домены.

Рисунок 2 – Неупорядоченная поляризация (слева) и упорядоченная поляризация доменов при наложениии сильного электрического поля (справа)

Направления поляризации доменов распределяются в поликристаллической структуре по статическому закону. Таким образом, неупорядоченные скопления отдельных микрокристаллов в структуре вещества, образующиеся только в спеченной керамики, в макроскопическом смысле вообще не могут давать никакого пьезоэлектрического эффекта. Только после так называемого процесса поляризации, в котором при наложении сильного электрического поля на керамику происходит выравнивание возможно большего числа доменов параллельно друг другу, удается использовать пьезоэлектрические свойства элементарных ячеек. Поляризация обычно проводится при температуре немного ниже температуры Кюри, чтобы облегчить ориентацию доменов. После охлаждения это упорядоченное состояние остается стабильным.

Современные средства проектирования позволяют рассчитать / промоделировать отдельно пьезоэлемент или пьезоэлектрический преобразователь целиком. По согласованию с Инженерными решениями Вы можете заказать расчет парметров пьезоэлектрического преобразователя

Механическое сжатие или растяжение, действующее на пьезоэлектрическую пластину параллельно направлению поляризации, приводит к деформации всех элементарных ячеек. При этом центры тяжести зарядов взаимно смещаются внутри элементарных ячеек, которые расположены теперь преимущественно параллельно, и в результате получается заряд на поверхности .

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 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.

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.

Умельцы научились применять его в ремонте (точнее, в «убийстве») смартфонов или мобильных телефонов. Сразу же появляется логичный вопрос: а зачем индивиду со здоровой нервной системой ломать свой смартфон? Ситуация может быть разной. Кто-то желает сдать телефон по гарантии, так как он ему уже разонравился. Кто-то просто решил приколоться над дружком.

Вещества, обладающие пьезоэффектом

Впервые пьезоэффект был найден у кристаллов горного хрусталя (кварца). По сегодняшнее время этот материал очень распространен в производстве пьезоэлементов, но в производстве применяются не только природные материалы.

Много пьезоэлектриков изготавливается на основе веществ с формулой ABO₃, например BaTiO₃, РbТiO₃. Эти материалы обладают поликристаллической (состоящей из множества кристаллов) структурой, и чтобы придать им способность проявлять пьезоэффект они должны быть подвергнуты поляризации с помощью внешнего электрического поля.

Существую технологии, позволяющие получить плёночные пьезоэлектрики (поливинилиденфторид и т.п.). Чтобы придать им необходимые свойства, их также надо длительное время поляризовать в электрическом поле. Преимущество таких материалов – очень малая толщина.

Практическое использование пьезоэффекта

Самое известное применение пьезоэлементов – в качестве элемента для зажигания. Пьезоэффект используется в карманных зажигалках или в кухонных воспламенителях для газовых плит. При нажатии на кристалл возникает разность потенциалов и в воздушном промежутке появляется искра.

Этим область применения пьезоэлементов не исчерпывается. Кристаллы, обладающие подобным эффектом, могут применяться в качестве датчиков деформации, но эту сферу использования ограничивает свойство пьезоэффекта проявляться только в динамике – если изменения остановились, сигнал перестает генерироваться.

Пьезокристаллы могут быть использованы в качестве микрофона – при воздействии акустических волн формируются электрические сигналы. Обратный пьезоэффект позволяет также (иногда одновременно) применять такие элементы в качестве звукоизлучателей. При подаче на кристалл электрического сигнала, пьезоэлемент начнет генерировать акустические волны.

Такие излучатели широко применяются для создания ультразвуковых волн, в частности, в медицинской технике. При этом можно использовать и резонансные свойства пластины. Она может применяться в качестве акустического фильтра, выделяющего волны только собственной частоты. Другой вариант – использование в звуковом генераторе (сирене, извещателе и т.п.) пьезоэлемента одновременно в качестве частотозадающего и звукоизлучающего элемента. В этом случае звук всегда будет генерироваться на резонансной частоте, и можно получить максимальную громкость с небольшими энергозатратами.

Резонансные свойства используются для стабилизации частот генераторов, работающих в радиочастотном диапазоне. Пластинки из кварца выполняют роль высокостабильных и высокодобротных колебательных контуров в частотозадающих цепях.

Существуют фантастические пока проекты преобразовывать энергию упругой деформации в электрическую энергию в промышленных масштабах. Можно использовать деформацию дорожного покрытия под действием тяжести пешеходов или автомобилей, например, для освещения участков трасс. Можно применять энергию деформации крыльев самолета для обеспечения бортсети. Такое использование сдерживается недостаточным КПД пьезоэлементов, но опытные установки уже созданы, и они показали перспективность дальнейшего совершенствования.

Магнитное поле: источники, свойства, характеристики и применение

Что такое потенциал и разность потенциалов между двумя точками

Что такое датчик Холла: принцип работы, устройство и способы проверки на работоспособность

Что такое диэлектрическая проницаемость

Чем отличаются и где используются постоянный и переменный ток

Что такое фотоэффект, законы фотоэффекта и применение его на практике

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.

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.

расчет

Макроскопическое описание в контексте механики сплошных сред показано ниже. Учитывается только линейное приближение между рассматриваемыми размерами. Нелинейные эффекты, такие как электрострикция , здесь не учитываются.

геометрия

Определение направлений осей

Система координат выбрана для описания пространственно различных свойств . Для индексации обычно используется система координат x, y, z, оси которой обозначены цифрами 1, 2, 3 (ось 3 соответствует оси поляризации). В настриг шерсти на этих осей пронумерованы 4, 5, 6. На основании этих осей, пьезоэлектрические свойства выражаются в уравнениях с тензорами .

Уравнения

Простейшие уравнения пьезоэффекта содержат поляризацию P _pz (единица [Кл / м²]) и деформацию S _pz ( безразмерная величина ):

П.пzзнак равноd⋅Тзнак равное⋅С.{\ Displaystyle P_ {pz} = d \ cdot T = e \ cdot S}

С.пzзнак равноd⋅Э.{\ Displaystyle S_ {pz} = d \ cdot E}

где d, e — пьезоэлектрические коэффициенты, E — напряженность электрического поля (В / м), а T — механическое напряжение (Н / м²). Первое уравнение описывает прямой, второе — обратный пьезоэффект.

Пьезоэлектрические коэффициенты описываются трехступенчатыми так называемыми пьезоэлектрическими тензорами . С одной стороны, у вас есть:

коэффициенты пьезоэлектрических искажений (реакция искажения на электрическое поле)

dяj,kзнак равно∂С.яj∂Э.k{\ displaystyle d_ {ij, k} = {\ frac {\ partial S_ {ij}} {\ partial E_ {k}}}}; с другой стороны

коэффициенты пьезоэлектрического напряжения (реакция механического напряжения на электрическое поле)

еяj,kзнак равно∂Тяj∂Э.k{\ displaystyle e_ {ij, k} = {\ frac {\ partial T_ {ij}} {\ partial E_ {k}}}}

Два коэффициента могут быть связаны с упругими постоянными :

еяj,kзнак равно∑лм(С.яjлм⋅dлм,k){\ displaystyle e_ {ij, k} = \ sum _ {lm} \ left (C_ {ijlm} \ cdot d_ {lm, k} \ right)}

Эффекты второго порядка (обратный пьезоэффект) описываются коэффициентами электрострикции .

Пример структуры матриц коэффициентов для класса кристаллов 4мм , к которому также принадлежит ЦТС

Приведенные выше тензоры обычно переписываются в матричной форме ( нотация Фойгта ). Это дает матрицы с шестивалентными компонентами, которые соответствуют определению оси, показанному выше. Затем пьезоэлектрические эффекты описываются двумя связанными уравнениями, в которых вместо поляризации используется диэлектрическое смещение D.

Д.знак равноd⋅Т+εТ⋅Э.{\ displaystyle D = d \ times T + \ varepsilon ^ {T} \ times E}

С.знак равноsЭ.⋅Т+d⋅Э.{\ Displaystyle S = s ^ {E} \ times T + d \ times E}

εТ{\ Displaystyle \ varepsilon ^ {T}} Диэлектрическая проницаемость при постоянном механическом напряжении

sЭ.{\ displaystyle s ^ {E}} Константа упругости при постоянной напряженности электрического поля

Обычно элементы этих уравнений суммируются в матрице связи. Наиболее важным параметром материала для обратного пьезоэффекта и, следовательно, для исполнительных механизмов является постоянная пьезоэлектрического заряда d. Он описывает функциональную взаимосвязь между напряженностью приложенного электрического поля и создаваемой им деформацией. Характерные размеры пьезоэлектрического преобразователя различны для разных направлений воздействия.

Слева: перекрестный эффект. Справа: продольный эффект

В области приводов важны два основных эффекта. Для этих двух эффектов уравнение разложения упрощается следующим образом

Пьезоэлектрический поперечный или поперечный эффект ( эффект d ₃₁ ). Механическая сила действует поперек приложенного поля.

С.1знак равноs11Э.⋅Т1+d31 год⋅Э.3{\ Displaystyle S_ {1} = s_ {11} ^ {E} \ cdot T_ {1} + d_ {31} \ cdot E_ {3}}
Пьезоэлектрический продольный или продольный эффект ( эффект d ₃₃ ). Механическая сила действует параллельно приложенному полю.

С.3знак равноs33Э.⋅Т3+d33⋅Э.3{\ Displaystyle S_ {3} = s_ {33} ^ {E} \ cdot T_ {3} + d_ {33} \ cdot E_ {3}}

Пьезоэлектрические материальные уравнения

Поляризованные пьезоэлектрические материалы характеризуются несколькими коэффициентами и соотношениями. Четыре возможные формы для пьезоэлектрических материальных уравнений показаны ниже :

Форма механическое напряжение — заряд
Форма механическое напряжение — электрическое напряжение
Форма деформация — заряд
Форма деформация — электрическое напряжение
,

где {T} — 6×1 вектор механического напряжения, Па,
{S} — 6×1 вектор механической относительной деформации (упругая деформация), м/м,
{D} — 3×1 вектор электрической индукции (электрическое смещение), Кл/м2,
{E} — 3×1 вектор напряженности электрического поля, В/м,
[cE/D] — 6×6 матрица коэффициентов упругой жесткости (при постоянной E/D), Н/м2
[sE/D] — 6×6 матрица коэффициентов упргой поддатливости (при постоянной E/D), м2/Н,
[εS/T] — 3×3 матрица диэлектрической проницаемости (для S = постоянная/T = 0), Ф/м,
— 3×6 матрица пьезоэлектрических коэффициентов механического напряжения, Кл/м2 или Н/Вм,
— 3×6 матрица пьезоэлектрических коэффициентов деформации, Н/Кл или В/м,
— 3×6 матрица пьезоэлектрических коэффициентов заряда (относительной деформации), Кл/Н или м/В,
— 3×6 матрица пьезоэлектрических постоянных электрического напряжения (давления), м2/Кл или Вм/Н,
t (верхний индекс) — транспонированная матрица

Альтернативный источник энергии посредством преобразователей

Одним из знаменитых и неисчерпаемых средств получения электричества является энергия волн. Такие станции монтируют непосредственно в водную среду. Это явление связано с солнечными лучами, которые нагревают массу воздуха, благодаря чему возникают волны. Вал данного явления имеет энергоемкость, которая определяется по силе ветра, ширине воздушных фронтов, продолжительности порывов.

Значение может колебаться на мелководье или достигать 100 кВт на один метр. Пьезоэлектрический преобразователь энергии волн работает по определенному принципу. Уровень воды поднимается посредством волны, в процессе воздух выдавливается из сосуда. Затем потоки пропускаются реверсирующейся турбиной. Агрегат вращается по определенному направлению, вне зависимости от движения волн.

Этот аппарат имеет положительную характеристику. До сегодняшнего дня совершенствование конструкции не прогнозируется, потому что эффективность и принцип работы доказаны всеми существующими путями. В процессе технического прогресса, возможно, будут построены плавучие станции.