L'efecte piezoelèctric va ser descobert pels científics francesos germans Curie a finals del segle XIX. En aquell moment, era massa aviat per parlar de l'aplicació pràctica del fenomen descobert, però actualment els elements piezoelèctrics s'utilitzen àmpliament tant en tecnologia com en la vida quotidiana.
Contingut
L'essència de l'efecte piezoelèctric
Físics famosos han establert que quan alguns cristalls (cristall de roca, turmalina, etc.) es deformen, les càrregues elèctriques sorgeixen a les seves cares. Al mateix temps, la diferència de potencial era petita, però estava fixada amb confiança pels dispositius que existien en aquell moment, i connectant seccions amb càrregues polars oposades mitjançant conductors, era possible obtenir electricitat. El fenomen es va fixar només en la dinàmica, en el moment de la compressió o estirament. La deformació en el mode estàtic no va provocar cap efecte piezoelèctric.
Aviat, l'efecte contrari es va justificar teòricament i es va descobrir a la pràctica: quan s'aplicava una tensió, el cristall es deformava.Va resultar que tots dos fenòmens estan interconnectats: si una substància presenta un efecte piezoelèctric directe, també hi és inherent el contrari, i viceversa.
El fenomen s'observa en substàncies amb una xarxa cristal·lina de tipus anisòtrop (les propietats físiques de les quals són diferents segons la direcció) amb suficient asimetria, així com algunes estructures policristalines.
En qualsevol cos sòlid, les forces externes aplicades provoquen deformacions i tensions mecàniques, i en substàncies amb efecte piezoelèctric, també provoquen polarització de càrregues, i la polarització depèn de la direcció de la força aplicada. Quan es canvia la direcció d'exposició, tant la direcció de polarització com la polaritat de les càrregues canvien. La dependència de la polarització de l'esforç mecànic és lineal i es descriu per l'expressió P=dt, on t és l'esforç mecànic, i d és un coeficient anomenat mòdul piezoelèctric (mòdul piezoelèctric).
Un fenomen similar es produeix amb l'efecte piezoelèctric invers. Quan canvia la direcció del camp elèctric aplicat, canvia la direcció de la deformació. Aquí la dependència també és lineal: r=dE, on E és la intensitat del camp elèctric i r és la deformació. El coeficient d és el mateix per als efectes piezoelèctrics directes i inversos per a totes les substàncies.
De fet, les equacions anteriors són només estimacions. Les dependències reals són molt més complicades i també estan determinades per la direcció de les forces respecte als eixos del cristall.
Substàncies amb efecte piezoelèctric
Per primera vegada, l'efecte piezoelèctric es va trobar en cristalls de roca (quars). Fins avui, aquest material és molt comú en la producció d'elements piezoelèctrics, però no només s'utilitzen materials naturals en la producció.
Molts piezoelèctrics estan fets de substàncies amb la fórmula ABO.3, per exemple, BaTiO3, РbТiO3. Aquests materials tenen una estructura policristalina (formada per molts cristalls) i per tal de donar-los la capacitat d'exhibir un efecte piezoelèctric, s'han de sotmetre a polarització mitjançant un camp elèctric extern.
Hi ha tecnologies que permeten obtenir pel·lícules piezoelèctriques (fluorur de polivinilidè, etc.). Per donar-los les propietats necessàries, també cal que estiguin polaritzats durant molt de temps en un camp elèctric. L'avantatge d'aquests materials és un gruix molt petit.
Propietats i característiques de les substàncies amb efecte piezoelèctric
Com que la polarització només es produeix durant la deformació elàstica, una característica important d'un piezomaterial és la seva capacitat de canviar de forma sota l'acció de forces externes. El valor d'aquesta capacitat està determinat per la compliance elàstica (o rigidesa elàstica).
Els cristalls amb efecte piezoelèctric són molt elàstics: quan s'elimina la força (o l'estrès extern), tornen a la seva forma original.
Els piezocristalls també tenen la seva pròpia freqüència de ressonància mecànica. Si feu vibrar el cristall a aquesta freqüència, l'amplitud serà especialment gran.
Com que l'efecte piezoelèctric es manifesta no només per cristalls sencers, sinó també per plaques d'ells tallades en determinades condicions, és possible obtenir peces de substàncies piezoelèctriques amb ressonància a diferents freqüències, depenent de les dimensions geomètriques i la direcció del tall.
A més, les propietats vibratòries dels materials piezoelèctrics es caracteritzen per un factor de qualitat mecànica. Mostra quantes vegades augmenta l'amplitud de les oscil·lacions a la freqüència de ressonància amb una força aplicada igual.
Hi ha una clara dependència de les propietats d'un piezoelèctric de la temperatura, que s'ha de tenir en compte quan s'utilitzen cristalls. Aquesta dependència es caracteritza pels coeficients:
- el coeficient de temperatura de la freqüència de ressonància mostra quant desapareix la ressonància quan s'escalfa / refreda el cristall;
- el coeficient d'expansió de temperatura determina quant canvien les dimensions lineals de la placa piezoelèctrica amb la temperatura.
A una temperatura determinada, el piezocristall perd les seves propietats. Aquest límit s'anomena temperatura de Curie. Aquest límit és individual per a cada material. Per exemple, per al quars és de +573 °C.
Ús pràctic de l'efecte piezoelèctric
L'aplicació més famosa dels elements piezoelèctrics és com a element d'encesa. L'efecte piezoelèctric s'utilitza en encenedors de butxaca o encenedors de cuina per a estufes de gas. Quan es pressiona el cristall, sorgeix una diferència de potencial i apareix una espurna a l'entrefer.
Aquesta àrea d'aplicació dels elements piezoelèctrics no s'esgota. Els cristalls amb un efecte similar es poden utilitzar com a extensometres, però aquesta àrea d'ús està limitada per la propietat de l'efecte piezoelèctric d'aparèixer només en dinàmica: si els canvis s'aturen, el senyal deixa de generar-se.
Els piezocristalls es poden utilitzar com a micròfon: quan s'exposen a ones acústiques, es formen senyals elèctrics. L'efecte piezoelèctric invers també permet (de vegades simultàniament) l'ús d'elements com els emissors de so. Quan s'aplica un senyal elèctric al cristall, l'element piezoelèctric començarà a generar ones acústiques.
Aquests emissors s'utilitzen àmpliament per crear ones ultrasòniques, en particular, en tecnologia mèdica. A les això també es poden utilitzar les propietats ressonants de la placa.Es pot utilitzar com a filtre acústic que selecciona només ones de freqüència natural. Una altra opció és utilitzar un element piezoelèctric en un generador de so (sirena, detector, etc.) simultàniament com a element de configuració de freqüència i d'emissió de so. En aquest cas, el so es generarà sempre a la freqüència de ressonància, i es podrà obtenir el màxim volum amb un consum escàs d'energia.
Les propietats de ressonància s'utilitzen per estabilitzar les freqüències dels generadors que operen en el rang de radiofreqüències. Les plaques de quars tenen el paper de circuits oscil·latoris altament estables i d'alta qualitat en circuits de configuració de freqüència.
Encara hi ha projectes fantàstics per convertir l'energia de la deformació elàstica en energia elèctrica a escala industrial. Podeu utilitzar la deformació del paviment sota la influència de la gravetat dels vianants o dels cotxes, per exemple, per il·luminar trams de vies. Podeu utilitzar l'energia de deformació de les ales de l'avió per proporcionar la xarxa d'aeronaus. Aquest ús es veu limitat per la insuficient eficiència dels elements piezoelèctrics, però ja s'han creat plantes pilot i han mostrat la promesa de millores posteriors.
Articles semblants:
