Munca pezoelektroniki diverse dispozitive bazate pe efect piezoelectricitate cal, care a fost descoperit în 1880 de oamenii de știință francezi frați Pierre Curie și Jacques Curie. Cuvântul „piezoelectricitate“ înseamnă „energie electrică de presiune.“ efect piezoelectric direct (piezoeffect mai scurt) este la o presiune care unele corpuri cristaline numite pezoelektrikami pe fețele opuse ale organelor cu egale, dar diferite în semn sarcinile electrice. În cazul în care direcția de deformare, adică. E. Nu comprima și întindeți piezoelectric, taxa pe fețele schimba semnul inversat ..
Piezoelectricii includ unele cristale naturale sau artificiale, de exemplu cuarț sau sare Rochelle, precum și materiale piezo-ceramice speciale, de exemplu titanat de bariu. Pe lângă efectul piezoelectric direct, este de asemenea utilizat efectul piezoelectric invers, care constă în faptul că sub acțiunea unui câmp electric piezoelectricul este comprimat sau expandat în funcție de direcția vectorului de intensitate a câmpului. În piezoelectricii cristalini intensitatea efectului piezoelectric direct și invers depinde de modul în care forța mecanică sau intensitatea câmpului electric sunt direcționate față de axele cristaline.
Pentru scopuri practice, se folosesc piezoelectrice de diferite forme: plăci rectangulare sau circulare, cilindri, inele. Din cristale, astfel de piezoelemente sunt decupate într-un anumit mod, respectând orientarea în raport cu axele cristalului. Elementul piezoelectric este plasat între plăcile metalice sau filmele de metal sunt plasate pe fețele opuse ale elementului piezoelectric. Astfel, obținem un condensator cu un dielectric dintr-un piezoelectric.
Dacă se aplică o tensiune alternativă unui astfel de piezoelement, elementul piezo se va contracta și se va extinde datorită efectului piezoelectric invers, adică va efectua oscilații mecanice. În acest caz, energia oscilațiilor electrice este transformată în energia oscilațiilor mecanice cu o frecvență egală cu frecvența tensiunii alternante aplicate. Deoarece elementul piezoelectric are o anumită frecvență a propriilor oscilații mecanice, fenomenul de rezonanță poate fi observat. Cea mai mare amplitudine a oscilațiilor plăcii unui piezoelement este obținută atunci când frecvența EMF extern coincide cu frecvența vibrațiilor naturale a plăcii. Trebuie remarcat faptul că există mai multe frecvențe rezonante, care corespund diferitelor tipuri de vibrații ale plăcii.
Sub influența unei variabile externe a forței mecanice, apare o tensiune alternativă de aceeași frecvență pe elementul piezoelectric. În acest caz, energia mecanică este transformată într-o energie electrică, iar elementul piezoelectric devine un generator de variabilă emf. Putem spune că elementul piezoelectric este un sistem oscilator în care pot să apară oscilații electromecanice. Fiecare piezoelement este echivalent cu un circuit oscilant. În circuitul oscilator obișnuit,
constând dintr-o bobină și un condensator, energia câmpului electric concentrată în condensator este transferată periodic la energia câmpului magnetic al bobinei și invers. Într-un element piezoelectric, energia mecanică se transformă periodic într-una electrică. În circuitul echivalent al elementului piezoelectric din Fig. Inductanța L reflectă proprietățile inerțiale ale plăcii piezoelectrice, capacitatea C caracterizează proprietățile elastice ale plăcii, iar rezistența activă r este pierderea de energie datorată vibrațiilor. Capacitate Co numit static, reprezintă capacitatea obișnuită dintre plăcile unui piezoelement și nu este legată de proprietățile sale vibraționale.
Unul dintre primele dispozitive piezoelectrice a fost un rezonator de cuarț având o stabilitate foarte mare a frecvenței de oscilație. Timp de mulți ani, rezonatorul de cuarț a fost utilizat cu succes pentru a stabiliza frecvența generatoarelor și a emițătoarelor radio. Se obține în special o stabilitate ridicată dacă rezonatorul de cuarț este plasat într-un termostat. Există, de asemenea, o tăietură specială a plăcii de cuarț (relativ la axele cristalului), în care, chiar și fără termostat, stabilitatea frecvenței este foarte mare. Frecvența de rezonanță a unui rezonator cuarț depinde de dimensiunile sale geometrice. Astfel, de exemplu, atunci când placa de cuarț este oscilată în grosime, frecvența rezonantă este determinată tocmai de grosimea plăcii. Modificarea grosimii datorată temperaturii duce la instabilitatea frecvenței.
EXEMPLU tranzistor de circuit oscilator cu cristal controlat este prezentat în Fig. 2. Cristalul setează tranzistorul de intrare (complot bază - tensiune emițător) cu frecvența de oscilație stabilă și oscilații amplificate sunt obținute în circuitul rezonant inclus în ieșire, circuitul colector. Feedback-ul este necesar pentru oscilator de auto-excitație prin capacitate colector -base. În cazul în care capacitatea este insuficientă, între colector și de bază includ un condensator suplimentar. Rezistoare R1 și R2 sunt incluse emitor joncțiune a fost la transmite tensiunea.
Factorul Q al rezonanților de cuart, adică raportul dintre reactivul stocat
energie la energia pierderilor, este foarte mare și este de 10 4 -10 6. În conformitate
cu circuitul echivalent din Fig. 1 rezonator de cuart are două principale
frecvențe rezonante. Pentru o rezonanță de serie (tensiune de rezonanță -
în circuitul L-C-r, frecvența de rezonanță f1 = [2π (LC) 1/2] -1. și
pentru un circuit în care se obține o rezonanță paralelă (rezonanța curenților)
frecvența de rezonanță va fi mai mare: f2 = [2π (LCE) 1/2] -1 capacitate echivalentă SE = CC0 / (C + C0).
Piezoresonatorii pot fi făcuți nu numai din cuarț, ci și din piezo-ceramică. Cu toate acestea, factorul de calitate scade și se ridică la 10 2 -10 4.
cristale de cuarț sunt utilizate pe scară largă ca standarde de frecvență, în dispozitive de măsurare de frecvență, un ceas electronic pentru a asigura un accident vascular cerebral de mare precizie. Deoarece rezonatoare sunt compuse din filtre bandpass de cuarț și lățimea de bandă izolatoare un electron transmisiv foarte îngust. Un grup mare de diferite dispozitive piezoelectrice sunt traductoare piezoelectrice care reacționează la temperatură, presiune, deplasare, accelerație. În cele mai multe cazuri, activitatea acestor senzori se bazează pe faptul că, chiar și mici modificări ale dimensiunilor geometrice ale elementului piezoelectric produc o schimbare notabilă în frecvența de rezonanță. Multe dispozitive piezoelectrice piezoceramic utilizate, care efectul piezoelectric este mult mai puternic decât cel de cuarț (de exemplu, titanat de bariu, în 100 de ori mai puternic).
Microfoanele și pickup-urile piezoelectrice lucrează la utilizarea piezoelectricității directe. Ei folosesc sare Rochelle sau piezo-
Considerabile transformatoarele interesul piezoelectrice (PET), în care elementul piezoelectric are trei sau mai mulți electrozi conectați la o sursă de tensiune alternativă și o sarcină sau la mai multe surse si sarcini multiple.
La fel ca transformatoarele convenționale cu înfășurări, PET poate amplifica semnalul prin tensiune sau curent, convertește rezistența la sarcină, efectuează o deplasare de fază de 180 °. Există PET-bandă îngustă,
la frecvențe apropiate de unul apropiat
din frecvențele rezonante ale elementului piezoelectric,
În majoritatea cazurilor, PET-urile sunt transformatoare de tensiune, dar dacă sunt proiectate pentru curenți mari - câțiva amperi, se numesc transformatoare de curent. O parte din PET conectat la sursa de tensiune alternativă se numește excitator, iar partea conectată la sarcină se numește generatorul. În excitator, datorită efectului piezoelectric invers, energia oscilațiilor electrice trece în energia undelor acustice, care se propagă spre generator. În ea, datorită efectului piezoelectric direct, energia oscilațiilor mecanice este transformată în vibrații electrice. Deoarece amplitudinea oscilațiilor mecanice este maximă la rezonanță, atunci la frecvențele rezonante raportul de transformare, egal cu raportul dintre tensiunea secundară și tensiunea primară, va fi maxim.
În cea mai simplă formă, PET este fabricat din două bare piezoceramice lipite împreună (Figura 3). O bară servește drept agent cauzator, celălalt generator. Ambele bare sunt fabricate din piezoceramica de diferite compoziții, deoarece sunt impuse cerințe diferite asupra materialelor agentului patogen și ale generatorului. În funcție de amplasarea electrozilor pe exciter și generator, sunt posibile transformatoare de diferite tipuri. Transformatoarele de tip transversal-longitudinal au fost cele mai utilizate pe scară largă. Acest PET este prezentat în Fig. 10.3. În excitator, câmpul electric este direcționat de-a lungul și în generatorul de-a lungul. În funcție de raportul dintre raportul raportului de transformare a tensiunii în modul inactiv poate ajunge la mai multe mii.
În plus față de „pătratului“ sunt folosite și alte animale de companie: disc, cilindric-parametru, inel. Piezotransformer pot fi folosite în diferite scheme de la o putere de wați-leagăn până la câteva zeci de wați, și chiar, în special în consum redus de energie la redresor de înaltă tensiune sau în mică putere redresoare low-volți circuite tranzistor de putere. O astfel de Transfrm-eficienta motorului de diagnosticare este de 80 - 95%. Trebuie remarcat o serie de caracteristici importante ale PET: fără lichidare simplitate dispozitiv, costuri reduse, greutate redusă, posibilitatea de miniaturizare pentru utilizare în chips-uri, capacitatea de a lucra atât la joasă și la frecvențe înalte, o mare varietate de modele și moduri de operare. Un dezavantaj al PET - lipsa de conducere pentru o componentă de curent continuu, care nu permite să le utilizeze în unele circuite practice.
Micromotoarele piezoelectrice (PMD) sunt numite motoare în care mișcarea mecanică a rotorului se datorează unui efect piezoelectric sau piezomagnetic.
Absența înfășurărilor și simplitatea tehnologiei de fabricație nu sunt singurele avantaje ale motoarelor piezoelectrice. De mare putere specifică (123 W / kg la MIT și 19 W / kg pentru micromotoare electromagnetice convenționale), cu randament ridicat (obținut record de eficiență până acum = 85%), o gamă largă de viteze și cupluri de pe arbore, caracteristici mecanice excelente, lipsa radiat câmpuri magnetice și o serie de alte avantaje ale motoarelor piezoelectrice ne permit să le considere motoare, care pe scară largă va înlocui Micromașine electrice utilizate în prezent.
§ 7.1. Efectul piezoelectric
Se știe că unele materiale solide, de exemplu cuarț, sunt capabile să schimbe dimensiunile lor liniare într-un câmp electric. Fierul, nichelul, aliajele sau oxizii pot schimba dimensiunile când se schimbă câmpul magnetic înconjurător. Primele dintre acestea se referă la materiale piezoelectrice, iar cele din urmă la materiale piezoelectrice. În consecință, se disting efectele piezoelectrice și piezomagnetice.
Motorul piezoelectric poate fi fabricat atât din aceste, cât și din alte materiale. Cu toate acestea, cele mai eficiente în prezent sunt motoarele piezoelectrice, nu piezomagnetice.
Există un efect piezoelectric direct și invers. Direct - aceasta este apariția unei încărcături electrice în deformarea unei celule piezoelectrice. Inversarea este o schimbare liniară a dimensiunii elementului piezoelectric atunci când câmpul electric se schimbă. Efectul piezoelectric a fost descoperit pentru prima dată de Jeanne și Paul Curie în 1880 pe cristale de cuarț. Ulterior, aceste proprietăți au fost descoperite în mai mult de 1500 de substanțe, din care sunt utilizate pe scară largă de sare Rochelle, titanat de bariu și altele. Este clar că motoarele piezoelectrice „de lucru“ asupra efectului piezoelectric invers.
Trimiteți-le prietenilor: