Zjawisko piezoelektryczne
- zastosowania
Zjawisko piezoelektryczne -
definicja:
Zjawisko piezoelektryczne zostało odkryte w
1880 roku przez Piotra i Jakuba Curie,
występuje w anizotropowych ośrodkach
dielektrycznych. Przez efekt piezoelektryczny
rozumiemy oddziaływanie pomiędzy
wielkościami elektrycznymi i mechanicznymi.
Oddziaływanie to może być opisane przez
liniową zależność pomiędzy dielektrycznymi i
sprężystymi własnościami materiału:
gdzie: D – indukcja elektryczna,
E – natężenie pola elektrycznego,
T – naprężenie,
ε – przenikalność elektryczna
S – odkształcenie,
s – podatność (odwrotność modułu
Younga),
d – współczynnik piezoelektryczny.
D
=dT ε
T
E
1
S
=s
E
T
dE
2
Zjawisko piezoelektryczne -
definicja:
Zjawisko piezoelektryczne -
definicja:
Równanie (1) opisuje efekt piezoelektryczny prosty. Tutaj
rozpatrujemy D jako jako zmienną zależną, zauważmy,
że istnieje tutaj zwykły człon ε
T
E, który jest słuszny dla
przypadku liniowego dielektryka i opisuje polaryzację
materiału odprężonego) oprócz członu opisującego
wzrost polaryzacji wskutek udziału energii mechanicznej.
Podobnie równanie (2) opisuje efekt piezoelektryczny
odwrotny, tj. odkształcenie spowodowane abo elastyczną
odpowiedzią na naprężenie lub wskutek przemieszczenia
sie ładunków indukowanego przez przyłożone pole
elektryczne.
Proste efekt piezoelektryczny
Proste zjawisko piezoelektryczne polega
na indukowaniu ładunków elektrycznych Q
na powierzchni dielektryka (polaryzacji)
pod działaniem naprężeń mechanicznych
(naprężeń zewnętrznych).
C
=G
Proste zjawisko piezoelektryczne
●
S – powierzchnia elektrod
●
d – moduł
piezoelektryczny,
●
σ – naprężenie (stosunek
siły F działającej na
powierzchnię S do
wielkości tej powierzchni).
Jednostka naprężenia jest
N/m
2
Q
=S⋅d⋅
=
F
S
Q
=d⋅F
[C ]=
[
C
N
]
⋅[ N ]
Odwrotne zjawisko piezoelektryczne
Odwrotne zjawisko piezoelektryczne
polega na deformacji piezoelektryka pod
wpływem zewnętrznego pola elektrycznego:
Odwrotne zjawisko piezoelektryczne
l=d⋅E
[m]=[m]⋅
[
m
V
]
●
Δl deformacja względna
(stosunek zmiany
rozmiaru ciała do
rozmiaru początkowego)
●
d moduł
piezoelektryczny
●
E natężenie pola
elektrycznego
Podstawy fizyczne
Właściwości piezoelektryczne wykazują dielektryki
nieliniowe – ferroelektryki. W dielektrykach
nieliniowych przenikalność elektryczna zależy od
wartości natężenia pola elektrycznego, w którym
umieszczono dielektryk:
Wektor indukcji elektrycznej będzie również
złożoną funkcją wektora E
ε
= f
E
=ε
E
D=ε
E
⋅E
Właściwości fizyczne ferroelektryków
●
Ferroelektryk to taki dielektryk w którym istnieje
polaryzacja nawet wtedy gdy natężenie zewnętrznego
pola elektrycznego jest równe zeru (polaryzacja ta
nazywana jest polaryzacją spontaniczną) a kierunek tej
polaryzacji
można
zmienić
zewnętrznym
polem
elektrycznym
●
Ferroelektryki mają zazwyczaj bardzo duże
przenikalności dielektryczne
●
Każdy ferroelektryk jest piezoelektrykiem (ale nie
odwrotnie).
●
Przykłady materiałów:BaTiO
3
, PZT, PbTiO
3
, PbZRO
3
,
KnbO
3
,
LiTaO
3
,
LiNbO
3
METODY BADANIA I ZASTOSOWANIA
ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO
Metody badania własności piezoelektrycznych
materiałów można podzielić na statyczne,
kwazistatyczne i dynamiczne.
METODY BADANIA I ZASTOSOWANIA
ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO
Metody statyczne polegają na bezpośrednim
pomiarze ładunków piezoelektrycznych
indukowanych na powierzchniach kryształu pod
wpływem zewnętrznych naprężeń
mechanicznych, lub na pomiarze odkształcenia
kryształu pod wpływem zewnętrznego pola
elektrycznego.
METODY BADANIA I ZASTOSOWANIA
ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO
Metody kwazistatyczne polegają na pomiarze
deformacji kryształu pod wpływem periodycznie
zmiennego pola elektrycznego (odwrotne zjawisko
piezoelektryczne) lub pomiarze ładunku
generowanego na powierzchni kryształu pod
wpływem zmiennych naprężeń mechanicznych
(zjawisko proste) o częstości znacznie mniejszej
od częstości rezonansowych badanych próbek.
METODY BADANIA I ZASTOSOWANIA
ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO
Metody dynamiczne polegają na pomiarze
częstości rezonansowych i anty rezonansowych
drgań własnych płytek wyciętych z materiałów
piezoelektrycznych (kryształów, ceramik lub folii)
oraz wyznaczaniu parametrów zastępczych
obwodów elektrycznych tych próbek.
Zastosowanie
Czujniki:
●
ciśnienia
●
zapłonu w silnikach spalinowych
●
zderzeń
●
przepływu
●
ruchu – zastosowania medyczne i
przemysłowe
●
wskaźniki poziomu cieczy
●
przyspieszenia
Zastosowanie
Przetworniki małej mocy
odkształcenia, przemieszczenia – kilka mm, F→1-10N
●
systemy wtrysku w drukarkach
atramentowych atramentowych
●
czytniki pisma Braille'a
●
przepływu powietrza
Zastosowanie
Przetworniki dużej mocy
odkształcenia, przemieszczenia do 0.15 mm F→1-10N
●
systemy wtrysku paliwa – silniki Diesla i
benzynowe
●
zawory hydrauliczne
●
aktywne tłumiki w ogranicznikach maszyn
Zastosowanie
Generatory napięcia
●
zapalarki gazu
●
zapalniczki papierosów
●
lampy błyskowe
●
zapalniki do materiałów wybuchowych
●
ogniwa, baterie
Zastosowanie
Silniki
●
obrotowe z falową powierzchnia
●
liniowe
●
skrętne, wibracyjne
Zastosowanie
Inne
●
linie opóźniające TV, Video
●
rezonatory, filtry radiowe, TV i
telekomunikacyjne
●
inwertery, transformatory
●
przyrządy piroelektryczne
●
przyciski klawiatury
●
detektory ultradźwiękowe
●
brzęczki, alarmy w zegarkach, zabawkach
●
mikrofony
●
mikromanipulatory (skaningowy mikroskop
tunelowy)
Dziękuję za uwagę
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
więcej podobnych podstron