האפקט הפיאזואלקטרי התגלה על ידי המדענים הצרפתים האחים קירי בסוף המאה ה-19. באותה תקופה, היה מוקדם מדי לדבר על היישום המעשי של התופעה שהתגלתה, אך כיום נעשה שימוש נרחב באלמנטים פיזואלקטריים הן בטכנולוגיה והן בחיי היומיום.
תוֹכֶן
מהות האפקט הפיאזואלקטרי
פיזיקאים מפורסמים קבעו שכאשר גבישים מסוימים (גביש סלע, טורמלין וכו') מעוותים, מטענים חשמליים מתעוררים על פניהם. יחד עם זאת, הפרש הפוטנציאלים היה קטן, אך הוא תוקן בבטחה על ידי המכשירים שהיו קיימים באותה תקופה, ועל ידי חיבור מקטעים בעלי מטענים מנוגדים לקוטביים באמצעות מוליכים, ניתן היה להשיג חַשְׁמַל. התופעה תוקנה רק בדינמיקה, ברגע של דחיסה או מתיחה. דפורמציה במצב סטטי לא גרמה לאפקט פיזואלקטרי.
עד מהרה, ההשפעה ההפוכה הייתה מוצדקת תיאורטית והתגלתה בפועל - כאשר הופעל מתח, הגביש היה מעוות.התברר ששתי התופעות קשורות זו בזו - אם חומר מפגין אפקט פיזואלקטרי ישיר, אז טבוע בו גם ההפך, ולהיפך.
התופעה נצפית בחומרים בעלי סריג גבישי מסוג אנזוטרופי (שהתכונות הפיזיקליות שלהם שונות בהתאם לכיוון) בעלי אסימטריה מספקת, וכן בכמה מבנים רב גבישיים.
בכל גוף מוצק, הכוחות החיצוניים המופעלים גורמים לעיוות וללחצים מכניים, ובחומרים בעלי אפקט פיזואלקטרי הם גורמים גם לקיטוב של מטענים, והקיטוב תלוי בכיוון הכוח המופעל. כאשר משנים את כיוון החשיפה, גם כיוון הקיטוב וגם הקוטביות של המטענים משתנים. התלות של הקיטוב במתח מכני היא ליניארית ומתוארת על ידי הביטוי P=dt, כאשר t הוא מתח מכני, ו-d הוא מקדם הנקרא מודול פיזואלקטרי (מודול פיזואלקטרי).
תופעה דומה מתרחשת עם אפקט פיזואלקטרי הפוך. כאשר כיוון השדה החשמלי המופעל משתנה, כיוון העיוות משתנה. כאן התלות היא גם לינארית: r=dE, כאשר E הוא עוצמת השדה החשמלי ו-r הוא המתח. מקדם d זהה להשפעות פיזואלקטריות ישירות והפוכות עבור כל החומרים.
למעשה, המשוואות לעיל הן הערכות בלבד. התלות בפועל הרבה יותר מסובכת ונקבעת גם לפי כיוון הכוחות ביחס לצירי הגביש.
חומרים בעלי אפקט פיזואלקטרי
בפעם הראשונה, האפקט הפיאזואלקטרי נמצא בגבישי סלע (קוורץ). עד היום, חומר זה נפוץ מאוד בייצור אלמנטים פיזואלקטריים, אך לא רק חומרים טבעיים משמשים בייצור.
פיזואלקטריים רבים עשויים מחומרים בעלי נוסחת ABO.3, למשל BaTiO3, РbТiO3. לחומרים אלו יש מבנה פולי-גבישי (המורכב מגבישים רבים), ועל מנת להעניק להם את היכולת להפגין אפקט פיזואלקטרי, עליהם להיות נתונים לקיטוב באמצעות שדה חשמלי חיצוני.
ישנן טכנולוגיות המאפשרות להשיג פיזואלקטרי סרטים (פוליווינילידן פלואוריד וכו'). כדי לתת להם את המאפיינים הדרושים, הם צריכים גם להיות מקוטבים במשך זמן רב בשדה חשמלי. היתרון של חומרים כאלה הוא עובי קטן מאוד.
מאפיינים ומאפיינים של חומרים בעלי אפקט פיזואלקטרי
מכיוון שקיטוב מתרחש רק במהלך דפורמציה אלסטית, מאפיין חשוב של חומר פיאזו הוא יכולתו לשנות צורה תחת פעולת כוחות חיצוניים. הערך של יכולת זו נקבע על ידי עמידה אלסטית (או קשיחות אלסטית).
גבישים בעלי אפקט פיזואלקטרי הם אלסטיים ביותר - כאשר הכוח (או הלחץ החיצוני) מוסר, הם חוזרים לצורתם המקורית.
לפיאזוקריסטלים יש גם תדר תהודה מכני משלהם. אם תגרום לקריסטל לרטוט בתדר הזה, המשרעת תהיה גדולה במיוחד.
מכיוון שהאפקט הפיאזואלקטרי מתבטא לא רק בגבישים שלמים, אלא גם בלוחות שלהם חתוכים בתנאים מסוימים, ניתן להשיג פיסות של חומרים פיזואלקטריים עם תהודה בתדרים שונים, בהתאם לממדים הגיאומטריים ולכיוון החיתוך.
כמו כן, תכונות הרטט של חומרים פיזואלקטריים מאופיינות בגורם איכות מכני. זה מראה כמה פעמים משרעת התנודות בתדר התהודה גדלה בכוח מופעל שווה.
יש תלות ברורה של המאפיינים של פיזואלקטרי בטמפרטורה, אשר יש לקחת בחשבון בעת שימוש בקריסטלים. תלות זו מאופיינת על ידי המקדמים:
- מקדם הטמפרטורה של תדר התהודה מראה עד כמה התהודה נעלמת כאשר הגביש מחומם / מקורר;
- מקדם התפשטות הטמפרטורה קובע עד כמה הממדים הליניאריים של הלוח הפייזואלקטרי משתנים עם הטמפרטורה.
בטמפרטורה מסוימת, הפיזוקריסטל מאבד את תכונותיו. מגבלה זו נקראת טמפרטורת קירי. מגבלה זו היא אינדיבידואלית עבור כל חומר. לדוגמה, עבור קוורץ זה הוא +573 מעלות צלזיוס.
שימוש מעשי באפקט הפיאזואלקטרי
היישום המפורסם ביותר של אלמנטים פיזואלקטריים הוא כאלמנט הצתה. האפקט הפיאזואלקטרי משמש במציתי כיס או מציתים למטבח לכיריים גז. כאשר הקריסטל נלחץ נוצר הבדל פוטנציאל ומופיע ניצוץ במרווח האוויר.
תחום יישום זה של אלמנטים פיזואלקטריים אינו מוצה. גבישים בעלי אפקט דומה יכולים לשמש כמדדי מתח, אך תחום שימוש זה מוגבל על ידי תכונת האפקט הפייזואלקטרי להופיע רק בדינמיקה - אם השינויים מפסיקים, האות מפסיק להיווצר.
ניתן להשתמש בפיזוקריסטלים כמיקרופון – בחשיפה לגלים אקוסטיים נוצרים אותות חשמליים. האפקט הפיזואלקטרי ההפוך מאפשר גם (לפעמים בו-זמנית) שימוש באלמנטים כמו פולטי קול. כאשר אות חשמלי מופעל על הגביש, האלמנט הפיאזואלקטרי יתחיל ליצור גלים אקוסטיים.
פולטים כאלה נמצאים בשימוש נרחב ליצירת גלים קוליים, בפרט, בטכנולוגיה רפואית. בְּ זֶה ניתן להשתמש גם במאפייני התהודה של הצלחת.זה יכול לשמש כמסנן אקוסטי שבוחר רק גלי תדר טבעי. אפשרות נוספת היא להשתמש באלמנט פיזואלקטרי במחולל קול (צפירה, גלאי וכו') בו זמנית כאלמנט קובע תדר ופולט קול. במקרה זה, הצליל יופק תמיד בתדר התהודה, וניתן להשיג עוצמת קול מקסימלית בצריכת אנרגיה מועטה.
מאפייני תהודה משמשים לייצוב התדרים של גנרטורים הפועלים בטווח תדרי הרדיו. לוחות קוורץ ממלאים את התפקיד של מעגלי תנודה יציבים ואיכותיים ביותר במעגלים של הגדרת תדר.
יש עדיין פרויקטים פנטסטיים להמרת האנרגיה של דפורמציה אלסטית לאנרגיה חשמלית בקנה מידה תעשייתי. אתה יכול להשתמש בעיוות של המדרכה בהשפעת כוח המשיכה של הולכי רגל או מכוניות, למשל, כדי להאיר קטעים של המסילות. אתה יכול להשתמש באנרגיית העיוות של כנפי המטוס כדי לספק את רשת המטוסים. שימוש כזה מוגבל על ידי יעילות לא מספקת של אלמנטים פיזואלקטריים, אבל מפעלי פיילוט כבר נוצרו, והם הראו הבטחה לשיפור נוסף.
מאמרים דומים:
