Пьезоэффект. реферат. Реферат по дисциплине Физические основы современных технологий на тему Пьезоэффект. Пьезоэлементы и их применение
 Скачать 486.68 Kb.
|
|
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ РЕФЕРАТ по дисциплине «Физические основы современных технологий» на тему: Пьезоэффект. Пьезоэлементы и их применение Выполнили студенты: Ельсов Сергей Александрович, Заморин Михаил Владимирович, 1 курс, заочный факультет, Специальность: 25.04.02 ТЭ АЭС и ПНК Преподаватель: Захарченко Кирилл Викторович Москва 2021г. 2 СОДЕРЖАНИЕ Введение……………………………………………………………….. 3 1.Основная часть реферата…………………………………………… 4 1.1 Понятие пьезоэлектрического эффекта…………………………... 4 1.2 Пьезоэлементы и их применение………………………………... 7 Заключение……………………………………………………………. 14 Список используемых источников…………………………………... 15 3 ВВЕДЕНИЕ Пьезоэлектричество было открыто в 1880 г. братьями Пьером и Жаком Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных при определённой ориентировки из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта. Более 40 лет пьезоэлектричество не находило практического применения, оставаясь достоянием физических лабораторий. Лишь во время первой мировой войны французский ученый Поль Ланжевен применил это явление для генерирования кварцевой пластинкой ультразвуковых колебаний в воде для целей подводной локации («эхолот»). После этого изучением пьезоэлектрических свойств кварца и некоторых других кристаллов и их практическими приложениями заинтересовался ряд физиков. В наше время пьезоэлектричество нашло свое применение в различных видах деятельности человека. В данной работе рассмотрены основы понятия пьезоэлектрического эффекта, а так же приведена информация об пьезоэлектрических материалах и область их применения. 4 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1.1 Понятие пьезоэлектрического эффекта Пьезоэлектрический эффект (сокращенно пьезоэффект) наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Пьезоэффектом могут обладать кристаллы, не имеющие центра симметрии, а имеющие так называемые полярные направления (оси). Пьезоэффектом могут обладать также некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (текстурой), например керамические материалы и полимеры. Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называют пьезоэлектриками. Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию и, следовательно, появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков. При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Это явление называют прямым пьезоэффектом. Рис 1. Схематичное изображение прямого пьезоэффекта 5 Чтобы его наблюдать, из кристалла вырезают прямоугольный параллелепипед, грани которого должны быть ориентированы строго определенным образом относительно кристалла. При сдавливании параллелепипеда одна его грань заряжается положительно, а другая - отрицательно. Оказывается, что в этом случае плотность поляризованного заряда грани прямо пропорциональна давлению и не зависит от размеров параллелепипеда. Если сжатие заменить растяжением параллелепипеда, то заряды на его гранях изменяют знаки на обратные. Пьезоэффект может возникать как при нормальных, так и при касательных напряжениях. Пьезоэффект обратим. При воздействии на пьезоэлектрик, например кристалл, электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические напряжения и деформации. При изменении направления электрического поля на противоположное соответственно изменяются на противоположное направления напряжений и деформаций. Это явление получило название обратного пьезоэффекта. Рис.2. Схематичное изображение обратного пьезоэффекта Пьезоэлектрический эффект, в зависимости от вида образца, может быть продольным или поперечным. В случае с продольным пьезоэлектрическим эффектом, заряды в ответ на деформацию или деформация в ответ на действие внешним электрическим полем, возникают в том же направлении, что и инициирующее воздействие. При поперечном пьезоэлектрическом эффекте возникновение зарядов или направление 6 деформации окажутся перпендикулярны направлению вызывающего их воздействия. Рис 3. Схематичные изображения, поясняющие продольный (а) и поперечный (б) пьезоэффекты Если на пьезоэлектрик начать действовать переменным электрическим полем, то в нем возникнет той же частоты переменная деформация. Если пьезоэффект продольный, то деформации будут носить характер сжатия и растяжения по направлению приложенного электрического поля, а если поперечный, то станут наблюдаться поперечные волны. Деформации пьезоэлектрика, возникающие вследствие пьезоэффекта, весьма незначительны по абсолютной величине. Например, кварцевая пластина толщиной 1 мм под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на 2,3х10 -7 мм. Незначительность величин деформаций пьезоэлектриков объясняется их очень высокой жесткостью. Как было упомянуто ранее пьезоэлектрики ‒ это диэлектрики, обладающие ярко выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Следует отметить, что пьезоэлектрический эффект, первоначально обнаруженный в природных материалах, таких как кварц, турмалин, сегнетова соль и т. д., довольно слабый. По этой причине были синтезированы поликристаллические сегнетоэлектрические керамические 7 материалы с улучшенными свойствами, такие как цирконат-титанат свинца ЦТС, титанат бария и ниобат лития Все пьезоэлектрические материалы, используемые на практике, разделяются на две группы и классифицируются следующим образом: ‒ 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. Так же в ответ на опасения по поводу вредного воздействия свинца на окружающую среду были разработаны материалы такие как: ниобат натрия-калия, феррит висмута, ниобат натрия. 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. 1.2 Пьезоэлементы и их применение Пьезоэлемент ‒ электромеханический преобразователь, изготавливаемый из пьезоэлектрических материалов, определенной формы и ориентации относительно кристаллографических осей, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую (прямой пьезоэффект), а электрическая в механическую (обратный пьезоэффект). Пьезоэлементы представляют собой изготовленные из пьезокрамики или ионного пьезоэлектрического материала детали простой геометрической формы 8 (пластины, диски, кольца, бруски, стержни, цилиндры и т.п.) с нанесенными на определенные ее поверхности электродами. Рис.4. Примеры пьезоэлементов различной геометрической формы Процесс изготовленияпьезоэлементов разделяется на несколько этапов. При осуществлении синтеза заданного сегнетоэлектрического соединения исходное сырье (окислы или соли, например, двуокись титана и окись бария) измельчается и смешивается в количествах, соответствующих стехиометрическому составу соединения, а затем подвергается термической обработке при температурах 900 – 1300 °С, в процессе которой происходит химический синтез. Используется также так называемый метод осаждения из водных растворов, при котором температура синтеза благодаря идеальному перемешиванию компонентов снижается до 750 – 1000 °С. Из порошкообразного синтезированного материала прессованием (а также литьём под давлением) получаются заготовки необходимой конфигурации и размеров для будущих пьезоэлементов, которые затем подвергаются обжигу 9 по строго определенному температурному режиму, в большой степени определяющему свойства пьезокерамики. Механическая обработка детали после обжига обеспечивает ей точно заданную форму и размеры. Далее на деталь наносятся электроды из серебра, никеля, платины и др., причем наибольшее распространение получил метод вжигания серебра. Для поляризации керамики к электродам подводится электрическое напряжение (напряжённость поля Е составляет от 0,5 до 3 кВ/мм в зависимости от химического состава и метода поляризации). С целью уменьшения напряженности поля Е при поляризации образец нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. Пьезокерамике свойственно так называемое старение, т. е. изменение её параметров (диэлектрической проницаемости, пьезомодулей) со временем, особенно заметное в первые несколько суток после изготовления и поляризации образцов, которое обусловлено изменением как механических напряжений на границах между зёрнами, так и величины остаточной поляризации Обычно пьезоэлементы по отдельности редко используются в качестве пьезопреобразователей, поскольку один пьезоэлемент может работать в весьма ограниченном диапазоне перемещений (0,01…0,1 мкм). Для расширения функциональных возможностей пьезопреобразователей, в частности увеличения диапазона перемещений пьезоэлементы объединяют в более сложные конструкции. На практике широкое распространение получили пьезопреобразователи пакетной конструкции. Они представляют собой набор из отдельных пьезоэлементов, число которых может находиться в пределах от 5 до 200 шт. и определяется требуемым диапазоном перемещений (рис. 5). Небольшое перемещение каждого пьезоактивного слоя суммируется в общее перемещение, которое может доходить до 10 мкм и более. 10 Рис.5. Пакетные пъезоэлементы Применение пьезоэлемента обычно сводится к четырем категориям: генераторы, сенсоры, 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. Пример применения генераторного пьезоэлемента ‒ электрическая зажигалка. При нажатии на кнопку на зажигалке, кнопка заставляет небольшой подпружиненный молоток ударять по пьезоэлектрическому кристаллу, создавая ток высокого напряжения, который течет через зазор для нагрева и воспламенения газа. Рис. 6 Пьезомеханизм зажигалки 11 ‒ В сенсорах, пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал. Пример ‒ пьезоэлектрический акселерометр компрессионного типа, работающий на растяжение-сжатие, который представляет собой механическую систему с одной степенью свободы, совершающую вынужденные колебания под влиянием силы, действующей со стороны объекта. Чувствительный элемент пьезоакселерометра состоит из массы, прикрепленной посредством пьезоэлектрического элемента к основанию таким образом, что при возникновении вибраций или ударов основания возникает сила реакции массы, вызывающая деформацию пьезоэлемента и генерирующая в нем заряд, пропорциональный величине виброускорения. Рис. 7 Схема пьезоакселерометра ‒ В силовых приводах, пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал. Пример применения - струйная пьезоэлектрическая печать. Принцип работы: избыточное давление в камере с чернилами создается с помощью диска из пьезоэлектрика, который изменяет свою форму (выгибается) при подведении к нему электрического напряжения. Выгнувшись, диск, который 12 служит одной из стенок камеры с чернилами, уменьшает ее объем. Под действием избыточного давления жидкие чернила вылетают из сопла в виде капли. Рис.8 Схема пьезоэлектрической головки принтера ‒ В преобразователях, пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики. Рассмотрим вид преобразователя на примере пьезоэлектрического микрофона: звуковые волны попадают на мембрану (диафрагму), которая передает колебания на пьезокристалл микрофона (биморф), который закреплен на опорах. При помощи пьезокристалла происходит преобразование энергии звуковых волн в слабый электрический ток. Этот небольшой ток затем поступает на усилитель, который делает его достаточно сильным, чтобы обеспечить нормальную работу громкоговорителя. 13 Рис. 9 Схема мембранного пьезомикрофона 14 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Применение пьезоэлементов весьма разностороннее, они нашли свое применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. В настоящее время ведутся работы по решению задачи, как сделать использование этих материалов более продуктивным. Разрабатываются генераторы, обладающие небольшими размерами, основой которых служит нитрид алюминия (имеет лучшие физические свойства, чем ЦТС), успешно заменивший традиционный цирконат-титанат свинца (ЦТС). Данное устройство по своей сути является беспроводным температурным датчиком, способным накапливать энергию от различных вибраций и передавать полученные данные через установленные промежутки времени. В настоящее время преобразователи на базе пьезоэлементов устанавливаются на реактивные самолеты. Данное техническое решение дает возможность экономии до 30% топливных ресурсов, используя колебания крыльев и самого фюзеляжа. Созданы экспериментальные светофоры, работающие от аккумуляторов, заряжающихся от колебаний воздуха, вызванных городским шумом. В будущем эти разработки позволят ликвидировать дефицит мощностей. С помощью пьезоэлементов станет возможно получать электричество в результате движения автомобилей по специально оборудованным трассам. Даже десять километров такой пьезодороги выдадут около 5 МВт/час. Тротуары для пешеходов также внесут свой вклад в добычу электроэнергии. Несомненно, что с развитием науки появятся новые области применения пьезоэлектрических кристаллов. Данное направление очень интересное и перспективное, привлекающее внимание ученых многих стран. 15 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. https://electric-220.ru/ 2. https://hightech.fm/ 3. https://engineering-solutions.ru/ 4. http://www.mini-soft.ru/ 5. https://www.eurotek-general.ru/ |