Der piezoelektrische Effekt wurde Ende des 19. Jahrhunderts von den französischen Wissenschaftlern der Brüder Curie entdeckt. Damals war es noch zu früh, um über die praktische Anwendung des entdeckten Phänomens zu sprechen, aber derzeit sind piezoelektrische Elemente sowohl in der Technik als auch im Alltag weit verbreitet.
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Die Essenz des piezoelektrischen Effekts
Berühmte Physiker haben festgestellt, dass bei der Verformung einiger Kristalle (Bergkristall, Turmalin usw.) elektrische Ladungen auf ihren Oberflächen entstehen. Gleichzeitig war die Potentialdifferenz gering, wurde jedoch durch die damals vorhandenen Geräte sicher fixiert, und durch Verbinden von Abschnitten mit entgegengesetzt polaren Ladungen mithilfe von Leitern war es möglich, sie zu erhalten elektrischer Strom. Das Phänomen wurde nur in der Dynamik im Moment der Kompression oder Dehnung fixiert. Die Verformung im statischen Modus verursachte keinen piezoelektrischen Effekt.
Bald wurde der gegenteilige Effekt theoretisch begründet und in der Praxis entdeckt: Beim Anlegen einer Spannung verformte sich der Kristall.Es stellte sich heraus, dass beide Phänomene miteinander verbunden sind – wenn ein Stoff einen direkten piezoelektrischen Effekt zeigt, dann ist ihm auch das Gegenteil inhärent und umgekehrt.
Das Phänomen wird bei Substanzen mit einem anisotropen Kristallgitter (dessen physikalische Eigenschaften je nach Richtung unterschiedlich sind) mit ausreichender Asymmetrie sowie einigen polykristallinen Strukturen beobachtet.
In jedem festen Körper verursachen die angelegten äußeren Kräfte Verformungen und mechanische Spannungen, und in Substanzen mit piezoelektrischem Effekt verursachen sie auch eine Polarisation von Ladungen, und die Polarisation hängt von der Richtung der angelegten Kraft ab. Bei Änderung der Belichtungsrichtung ändert sich sowohl die Polarisationsrichtung als auch die Polarität der Ladungen. Die Abhängigkeit der Polarisation von der mechanischen Spannung ist linear und wird durch den Ausdruck P = dt beschrieben, wobei t die mechanische Spannung und d ein Koeffizient ist, der als piezoelektrisches Modul (piezoelektrisches Modul) bezeichnet wird.
Ein ähnliches Phänomen tritt beim umgekehrten piezoelektrischen Effekt auf. Wenn sich die Richtung des angelegten elektrischen Felds ändert, ändert sich die Richtung der Verformung. Auch hier ist die Abhängigkeit linear: r=dE, wobei E die elektrische Feldstärke und r die Dehnung ist. Der Koeffizient d ist für direkte und inverse piezoelektrische Effekte für alle Substanzen gleich.
Tatsächlich sind die obigen Gleichungen nur Schätzungen. Die tatsächlichen Abhängigkeiten sind viel komplizierter und werden auch durch die Richtung der Kräfte relativ zu den Kristallachsen bestimmt.
Substanzen mit piezoelektrischem Effekt
Erstmals wurde der piezoelektrische Effekt in Bergkristallen (Quarz) nachgewiesen. Bis heute ist dieses Material sehr verbreitet bei der Herstellung von piezoelektrischen Elementen, aber nicht nur natürliche Materialien werden in der Produktion verwendet.
Viele Piezoelektrika werden aus Substanzen mit der ABO-Formel hergestellt.3, z.B. BaTiO3, РbТiO3. Diese Materialien haben eine polykristalline (aus vielen Kristallen bestehende) Struktur, und um ihnen die Fähigkeit zu verleihen, einen piezoelektrischen Effekt zu zeigen, müssen sie unter Verwendung eines externen elektrischen Felds polarisiert werden.
Es gibt Technologien, die es ermöglichen, Film-Piezoelektrika (Polyvinylidenfluorid usw.) zu erhalten. Um ihnen die nötigen Eigenschaften zu verleihen, müssen sie außerdem lange in einem elektrischen Feld polarisiert werden. Der Vorteil solcher Materialien ist eine sehr geringe Dicke.
Eigenschaften und Eigenschaften von Stoffen mit piezoelektrischem Effekt
Da die Polarisation nur während der elastischen Verformung auftritt, ist eine wichtige Eigenschaft eines Piezomaterials seine Fähigkeit, seine Form unter Einwirkung äußerer Kräfte zu ändern. Der Wert dieser Fähigkeit wird durch die elastische Nachgiebigkeit (oder elastische Starrheit) bestimmt.
Kristalle mit piezoelektrischem Effekt sind hochelastisch – wenn die Kraft (oder äußere Spannung) entfernt wird, kehren sie in ihre ursprüngliche Form zurück.
Piezokristalle haben auch eine eigene mechanische Resonanzfrequenz. Wenn Sie den Kristall mit dieser Frequenz zum Schwingen bringen, wird die Amplitude besonders groß.
Da sich der piezoelektrische Effekt nicht nur bei ganzen Kristallen, sondern auch bei unter bestimmten Bedingungen geschnittenen Platten davon manifestiert, ist es möglich, Stücke piezoelektrischer Substanzen mit Resonanz bei unterschiedlichen Frequenzen zu erhalten, abhängig von den geometrischen Abmessungen und der Richtung des Schnitts.
Auch die Schwingungseigenschaften piezoelektrischer Materialien sind durch einen mechanischen Qualitätsfaktor gekennzeichnet. Sie zeigt, wie oft die Amplitude der Schwingungen bei der Resonanzfrequenz bei gleicher aufgebrachter Kraft zunimmt.
Es besteht eine deutliche Abhängigkeit der Eigenschaften eines Piezoelektrikums von der Temperatur, die bei der Verwendung von Kristallen berücksichtigt werden muss. Diese Abhängigkeit wird durch die Koeffizienten charakterisiert:
- der Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz zeigt an, wie stark die Resonanz verschwindet, wenn der Kristall erwärmt / gekühlt wird;
- der Temperaturausdehnungskoeffizient bestimmt, wie stark sich die linearen Abmessungen der piezoelektrischen Platte mit der Temperatur ändern.
Ab einer bestimmten Temperatur verliert der Piezokristall seine Eigenschaften. Diese Grenze wird als Curie-Temperatur bezeichnet. Diese Grenze ist für jedes Material individuell. Bei Quarz sind es beispielsweise +573 °C.
Praktische Anwendung des piezoelektrischen Effekts
Die bekannteste Anwendung von piezoelektrischen Elementen ist die als Zündelement. Der piezoelektrische Effekt wird in Taschenfeuerzeugen oder Küchenanzündern für Gasherde genutzt. Wenn der Kristall gedrückt wird, entsteht eine Potentialdifferenz und ein Funke erscheint im Luftspalt.
Dieses Anwendungsgebiet piezoelektrischer Elemente ist nicht erschöpft. Kristalle mit ähnlicher Wirkung können als Dehnungsmessstreifen verwendet werden, aber dieser Einsatzbereich ist durch die Eigenschaft des piezoelektrischen Effekts begrenzt, nur in der Dynamik zu erscheinen – wenn die Änderungen aufhören, hört das Signal auf zu erzeugen.
Piezokristalle können als Mikrofon verwendet werden – wenn sie akustischen Wellen ausgesetzt werden, entstehen elektrische Signale. Der umgekehrte piezoelektrische Effekt ermöglicht auch (manchmal gleichzeitig) die Verwendung solcher Elemente als Schallgeber. Wenn ein elektrisches Signal an den Kristall angelegt wird, beginnt das piezoelektrische Element, Schallwellen zu erzeugen.
Solche Strahler werden insbesondere in der Medizintechnik zur Erzeugung von Ultraschallwellen vielfach eingesetzt. Bei Dies die Resonanzeigenschaften der Platte können ebenfalls verwendet werden.Es kann als akustisches Filter verwendet werden, das nur Eigenfrequenzwellen auswählt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ein piezoelektrisches Element in einem Schallgeber (Sirene, Detektor etc.) gleichzeitig als frequenzgebendes und schallabgebendes Element zu verwenden. In diesem Fall wird der Ton immer mit der Resonanzfrequenz erzeugt und es kann mit geringem Energieverbrauch eine maximale Lautstärke erreicht werden.
Resonanzeigenschaften werden verwendet, um die Frequenzen von Generatoren zu stabilisieren, die im Hochfrequenzbereich arbeiten. Quarzplatten spielen in frequenzeinstellenden Schaltungen die Rolle von hochstabilen und hochwertigen Schwingkreisen.
Es gibt immer noch fantastische Projekte, um die Energie der elastischen Verformung im industriellen Maßstab in elektrische Energie umzuwandeln. Die Verformung des Belags unter dem Einfluss der Schwerkraft von Fußgängern oder Autos können Sie zum Beispiel nutzen, um Streckenabschnitte zu beleuchten. Sie können die Verformungsenergie der Tragflächen des Flugzeugs nutzen, um das Flugzeugnetz bereitzustellen. Eine solche Verwendung wird durch die unzureichende Effizienz piezoelektrischer Elemente eingeschränkt, aber es wurden bereits Pilotanlagen geschaffen, die weitere Verbesserungen versprechen.
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