Turinys:
Pjezoelektrinis efektas
Pjezoelektrikai – pavieniai kristalai
Kvarcas
Turmalinas
Rochelle druska
Amonio divandenilio fosfatas
Kalio tartratas
Li?io niobatas
Polikristaliniai pjezoelektrai
Pjezoelektrin?s tekst?ros
Pjezoelektrin? keramika
Keramini? pjezoelement? gamybos technologijos ypatumai
Pramonin?s pjezokeramin?s med?iagos ir pjezoelektrai – polimerai
Bario titanato pagrindu pagamintos med?iagos
Med?iagos, kuri? pagrind? sudaro kietieji titanato tirpalai - ?vino cirkonatas
?vino metaniobato pagrindu pagamintos med?iagos
Pjezoelektrai – polimerai

Pjezoelektrinis efektas

1756 metais rus? akademikas F. Epinusas i?siai?kino, kad kaitinant turmalino kristal? ant jo veid? atsiranda elektros kr?viai. V?liau ?is rei?kinys buvo pavadintas piroelektriniu efektu. F. Epinusas dar? prielaid?, kad elektros rei?kini?, stebim? kei?iantis temperat?rai, prie?astis yra netolygus dviej? pavir?i? ?kaitimas, d?l kurio kristale atsiranda mechanini? ?tempim?. Kartu jis atkreip? d?mes?, kad poli? pasiskirstymo tam tikruose kristalo galuose pastovumas priklauso nuo jo strukt?ros ir sud?ties, tod?l F. Epinusas priart?jo prie pjezoelektrinio efekto atradimo.

Pjezoelektrin? efekt? kristaluose 1880 metais atrado broliai P. ir J. Curie, kurie, veikiant mechaniniam ?tempimui, pasteb?jo elektrostatini? kr?vi? atsiradim? plok??i?, tam tikra kryptimi i?pjaut? i? kvarco kristalo, pavir?iuje. ?ie kr?viai yra proporcingi mechaniniam ?tempimui, kartu su juo kei?ia ?enkl? ir i?nyksta j? pa?alinus.

Elektrostatini? kr?vi? susidarymas dielektriko pavir?iuje ir elektrin?s poliarizacijos atsiradimas jo viduje d?l mechaninio ?tempio poveikio vadinamas tiesioginiu pjezoelektriniu efektu.

Kartu su tiesioginiu yra ir atvirk?tinis pjezoelektrinis efektas, kur? sudaro tai, kad plok?tel?je, i?pjautoje i? pjezoelektrinio kristalo, veikiant jai veikian?iam elektriniam laukui, atsiranda mechanin? deformacija; Be to, mechanin?s deformacijos dydis yra proporcingas elektrinio lauko stipriui.

Atvirk?tinio pjezoelektrinio efekto nereik?t? painioti su elektrostrikcijos rei?kiniu, t.y. su dielektriko deformacija veikiant elektriniam laukui. Esant elektrostrikcijai, yra kvadratinis ry?ys tarp deformacijos ir lauko, o su pjezoelektriniu efektu – tiesinis ry?ys. Be to, elektrostrikcija atsiranda bet kokios strukt?ros dielektrikuose ir netgi skys?iuose bei dujose, o pjezoelektrinis efektas pastebimas tik kietuose dielektrikuose, daugiausia kristaliniuose.

Pjezoelektra atsiranda tik tais atvejais, kai kristalo tampri?j? deformacij? lydi kristalo elementarios l?stel?s teigiam? ir neigiam? kr?vi? svorio centr? poslinkis, t.y. kai tai sukelia individual? dipolio moment?, kuris yra b?tinas. d?l dielektriko elektrin?s poliarizacijos atsiradimo veikiant mechaniniam ?tempimui. Strukt?rose, kuriose yra simetrijos centras, jokia vienoda deformacija negali sutrikdyti vidin?s kristalin?s gardel?s pusiausvyros, tod?l tik 20 kristal? klasi?, neturin?i? simetrijos centro, yra pjezoelektriniai. Simetrijos centro nebuvimas yra b?tina, bet nepakankama pjezoelektrinio efekto egzistavimo s?lyga, tod?l ne visi acentriniai kristalai j? turi.

Pjezoelektrinio efekto negalima pasteb?ti kietuose amorfiniuose ir kriptokristaliniuose dielektrikuose (beveik izotropiniuose), nes tai prie?tarauja j? sferinei simetrijai. I?imtis yra tada, kai jie tampa anizotropiniai veikiami i?orini? j?g? ir taip i? dalies ?gyja pavieni? kristal? savybes. Kai kuri? tip? kristalin?se tekst?rose taip pat galimas pjezoelektrinis efektas.

Iki ?iol pjezoelektrinis efektas nerado patenkinamo kiekybinio apra?ymo ?iuolaikin?s kristalin?s gardel?s atomin?s teorijos r?muose. Net ir papras?iausio tipo konstrukcijoms ne?manoma net apytiksliai apskai?iuoti pjezoelektrini? konstant? eil?s tvark?.

?iuo metu yra sukurta fenomenologin? pjezoelektrinio efekto teorija, siejanti deformacijas ir mechaninius ?tempimus su elektriniu lauku ir poliarizacija kristaluose. Sukurta parametr? sistema, kuri lemia kristalo, kaip pjezoelektriko, efektyvum?. Pjezoelektrinis modulis (pjezomodulis) d nustato kristalo poliarizacij? (arba kr?vio tank?) esant tam tikram taikomam mechaniniam ?tempiui; pjezoelektrin? konstanta lemia mechanines j?gas, atsirandan?ias suspaustame kristale veikiant elektriniam laukui; pjezoelektrin? konstanta g apib?dina elektros ?tamp? atviroje grandin?je esant tam tikram mechaniniam ?tempimui; ir galiausiai pjezoelektrin? konstanta h nustato elektros ?tamp? atviroje grandin?je tam tikrai mechaninei deformacijai. ?ios konstantos yra susij? dyd?iai ir yra tarpusavyje susij? ry?iais, apiman?iais tamprumo konstantas ir kristal? dielektrin? konstant?, tod?l galima naudoti bet kuri? i? j?. Da?niausiai naudojamas pjezoelektrinis modulis yra d. Pjezoelektrin?s konstantos yra tenzoriai, tod?l kiekvienas kristalas gali tur?ti kelis nepriklausomus pjezomodulius.

Apskritai tiesioginio pjezoelektrinio poveikio lygtis, veikiant vienodam mechaniniam ?tempiui Tr, para?yta taip:

kur Pi yra poliarizacijos vektoriaus komponentas; dir - pjezomodulis; Tr yra mechaninio ?tempio komponentas.

Atvirk?tinio pjezoelektrinio efekto lygtis para?yta taip:

kur Xi yra elastin?s deformacijos komponentas; Er yra elektrinio lauko stiprumo komponentas.

Kiekvienas pjezoelektrikas yra elektromechaninis keitiklis, tod?l svarbi jo charakteristika yra elektromechaninio sujungimo koeficientas r. ?io koeficiento kvadratas parodo tam tikro tipo deformacijos mechanine forma pasirei?kusios energijos ir visos elektros energijos, gaunamos i? maitinimo ?altinio, santyk?.

Daugeliu pjezoelektrik? atvej? esmin?s yra j? tamprumo savyb?s, kurios apib?dinamos tamprumo moduliais C (Young moduli Eyu) arba j? atvirk?tiniais dyd?iais – tamprumo konstantomis S.

Naudojant pjezoelektrinius elementus kaip rezonatorius, kai kuriais atvejais ?vedamas da?nio koeficientas, kuris yra pjezoelektrinio elemento rezonansinio da?nio ir geometrinio dyd?io, lemian?io vibracijos tip?, sandauga. ?i reik?m? yra proporcinga garso grei?iui tampri?j? bang? sklidimo pjezoelemente kryptimi.

?iuo metu ?inoma daug med?iag? (daugiau nei 500), kurios pasi?ym?jo pjezoelektriniu aktyvumu. Ta?iau tik keli i? j? randa praktin? pritaikym?.

Pjezoelektrikai – pavieniai kristalai

Kvarcas. Kvarcas yra gamtoje pla?iai paplit?s mineralas, ?emesn?je nei 573 laipsni? Celsijaus temperat?roje jis kristalizuojasi ?e?iakamp?s sistemos trigonal-trapezoedrin?je klas?je. Jis priklauso enantiomorfinei klasei ir gamtoje randamas dviem modifikacijomis: de?in?je ir kair?je.

Kvarco chemin? sud?tis yra bevandenis silicio dioksidas (SiO2), kurio molekulin? mas? 60,06.

Kvarcas yra vienas kie?iausi? mineral? ir pasi?ymi dideliu cheminiu atsparumu.

I?orin?s nat?rali? kvarco kristal? formos yra labai ?vairios. Labiausiai paplitusi forma yra ?e?iakamp?s prizm?s ir romboedr? (piramid?s formos) derinys. Prizm?s pavir?iai i?siple?ia link kristalo pagrindo ir turi horizontal? atspalv? ant pavir?iaus.

Kvarcas, tinkamas naudoti pjezoelektrin?je ?rangoje, gamtoje randamas kristal?, j? fragment? ir apvali? akmenuk? pavidalu. Spalva svyruoja nuo bespalv?s skaidrios (uolien? kri?tolas) iki juodos (morionas).

Paprastai nat?ral?s kvarco kristalai turi ?vairi? defekt?, ma?inan?i? j? vert?. Defektai yra pa?alini? mineral? (rutilo chlorito) ?traukimas, ?tr?kimai, burbuliukai, ?m?klos, m?lynos adatos, dry?iai ir dvyniai.

?iuo metu kartu su nat?raliais naudojami ir sintetiniai kvarco kristalai, auginami autoklavuose auk?tesn?je temperat?roje ir sl?gyje i? ?armini? tirpal?, prisotint? silicio dioksidu.

Kvarco pjezoelektrin?s savyb?s pla?iai naudojamos technologijoje radijo da?niams stabilizuoti ir filtruoti, generuoti ultragarso virpesius ir matuoti mechaninius dyd?ius (pjezometrija).

Turmalinas. Turmalinas kristalizuojasi trigonalin?s sistemos trigonalin?je-piramidin?je klas?je. Kristalai prizmi?ki su i?ilginiu i?siritimu, pailgi, da?nai adatos formos.

Pagal savo chemin? sud?t? turmalinas yra sud?tingas aliuminio borosilikatas su magnio, gele?ies ar ?armini? metal? (Na, Li, K) priemai?omis.

Spalva svyruoja nuo juodos iki ?alios, taip pat raudonos iki vienspalv?s, re?iau bespalv?s. ?trynus jis ?sielektrina ir turi stipr? piroelektrin? efekt?.

Turmalinas yra pla?iai paplit?s gamtoje, ta?iau daugeliu atvej? kristalai yra pilni ?tr?kim?. Be defekt? kristalai, tinkami pjezoelektriniams rezonatoriams, yra reti.

Pagrindinis turmalino privalumas – didesn? dalinio koeficiento vert?, lyginant su kvarcu. D?l to, taip pat d?l didesnio turmalino mechaninio stiprumo, galima gaminti auk?tesnio da?nio rezonatorius.

?iuo metu turmalinas beveik nenaudojamas pjezoelektriniams rezonatoriams gaminti ir ribotai naudojamas hidrostatiniam sl?giui matuoti.

Rochette druska. Rochelle druska kristalizuojasi rombin?s sistemos rombotetraedrin?je klas?je. Priklausymas enantiomorfinei klasei lemia teorin? Ro?elio druskos de?iniaranki? ir kairiaranki? kristal? egzistavimo galimyb?. Ta?iau Rochelle druskos kristalai, gauti i? vyno gamybos atliek?, yra tik de?in?je pus?je.

Siekiant apsaugoti nuo dr?gm?s, pjezoelementai i? Rochelle druskos padengiami plonomis lako pl?vel?mis.

Pjezoelektriniai elementai, pagaminti i? Rochelle druskos, buvo pla?iai naudojami ?rangoje, veikian?ioje palyginti siaurame temperat?ros diapazone, ypa? garso imtuvuose. Ta?iau ?iuo metu juos beveik visi?kai pakei?ia keraminiai pjezoelementai.

Amonio divandenilio fosfatas. Amonio divandenilio fosfatas kristalizuojasi tetragonin?je sistemoje. Kristalai yra tetragonin?s piramid?s ir prizm?s derinys.

Divandenilio fosfato kristaluose n?ra kristalizuoto vandens ir jie nedehidratuoja. Esant 93 % santykinei oro dr?gmei, kristalai pradeda sugerti dr?gm? ir tirpsta.

Amonio divandenilio fosfatas tirpsta 190 laipsni? Celsijaus temperat?roje, ta?iau auk?tesn?je nei 100 laipsni? temperat?roje nuo kristalo pavir?iaus pradeda garuoti amoniakas. Tai riboja vir?utin? darbin?s temperat?ros rib?.

?iuo metu d?l pla?iai paplitusios pjezoelektrin?s keramikos pl?tros amonio-divandenilio fosfato naudojimas yra ribotas.

Kalio tartratas. Kalio tartratas (simbolis VK) kristalizuojasi vienakristalin?je sistemoje.

I? VC pagaminti rezonatoriai turi auk?tus kokyb?s koeficientus ir elektromechaninius sujungimo koeficientus. Jie gali pakeisti kvarc? tolimojo atstumo filtruose.

Li?io niobatas. Li?io niobatas yra sintetinis kristalas, kuris kristalizuojasi romboedrin?s sistemos ditrigonalin?je piramidin?je klas?je.

Li?io niobatas netirpsta vandenyje, nesuyra auk?toje temperat?roje, pasi?ymi dideliu mechaniniu stiprumu. Kalbant apie elektrines savybes, tai yra feroelektrikas, kurio Curie temperat?ra yra apie 1200 laipsni? Celsijaus.

D?l savo auk?t? pjezoelektrini? ir mechanini? savybi?, ?skaitant auk?t? kokyb?s faktori?, li?io niobatas yra perspektyvi med?iaga ?vairi? paskir?i? keitikli? gamybai. Plonos (apie vieno mikrometro storio) li?io niobato pl?vel?s, gautos katodo dulkinimo b?du vakuume, yra orientuotos polikristalin?s tekst?ros, kurios gali b?ti naudojamos kaip ultragarso virpesi? skleid?jai ir imtuvai mikrobang? diapazone.

Polikristaliniai pjezoelektrai.

Pjezoelektrin?s tekst?ros. Tekst?ros, kurios yra tam tikru b?du erdv?je orientuot? pjezoelektrini? kristal? rinkinys, neturintis simetrijos centro, gali tur?ti pjezoelektrin? efekt?. Pjezoelektrin? efekt? Ro?elio druskos tekst?rose atrado A.V.?ubnikovas; Jis taip pat nustat? pagrindinius pjezoelektrinio efekto principus pana?iose terp?se. Rochelle druskos pjezo tekst?ros, gautos teptuku ant pagrindo u?tepus i?lydyt? Rochelle drusk?, turi vien? Rochelle druskos pjezomodul? d14.

?iuo metu tokios tekst?ros prakti?kai nedomina. Auk??iausios vert?s imebt tekst?ra, pagr?sta poliarizuota pjezoelektrine keramika.

Pjezoelektrin? keramika. Toki? med?iag? feroelektrin?s savyb?s lemia pjezoelektrinio efekto galimyb?. Veikiant pastoviam elektriniam laukui, kai kurios sritys yra orientuotos taikomo lauko kryptimi. Pa?alinus i?orin? lauk?, dauguma domen? yra laikomi naujoje pad?tyje d?l vidinio lauko, kuris atsiranda d?l lygiagre?ios domen? poliarizacijos kryp?i? orientacijos. D?l to keramika tampa poliarine tekst?ra, kuri turi pjezoelektrin? efekt?.

Keramikos pjezoelement? gamybos technologija nenustato esmini? apribojim? j? formai ir dyd?iui. ?ios aplinkyb?s, taip pat didel?s pjezoelektrini? charakteristik? vert?s l?m? keramini? pjezoelement? plat? panaudojim? technologijoje, ypa? ultragarso virpesius skleid?ian?iuose ir priiman?iuose ?renginiuose.

Keramini? pjezoelement? gamybos technologijos ypatumai. I?skirtinis pjezokeramini? gamini? gamybos proceso bruo?as yra j? poliarizacija stipriu pastoviu elektriniu lauku, kuris da?niausiai taikomas u?d?jus elektrodus ant sukepinto ruo?inio, gauto vienu i? keramikos technologijos b?d?.

Pramonin?s pjezokeramin?s med?iagos ir pjezokeraminiai polimerai.

Skirting? savybi? med?iagos skirstomos ? preki? ?enklus (pagal sud?t? ir savybes) ir funkcines grupes (pagal paskirt?).

1 funkcin?s grup?s med?iagos naudojamos gaminant itin jautrius pjezoelektrinius elementus, veikian?ius mechanini? virpesi? pri?mimo arba skleid?iamo re?imu. 2 funkcin?s grup?s med?iagos skirtos pjezoelementams, dirbantiems stipri? elektrini? lauk? ar didelio mechaninio ?tempimo s?lygomis. Pjezoelementams, kuri? rezonansini? da?ni? stabilumas padidintas priklausomai nuo temperat?ros ir laiko, gaminti naudojamos 3 funkcin?s grup?s med?iagos, auk?tos temperat?ros pjezoelementams – 4 funkcin?s grup?s med?iagos.

Dabar panagrin?kime ?vairi? pjezokeramikos r??i? savybes.

Med?iagos bario titanato pagrindu. Bario titanatas yra feroelektrinis. Bario titanato pjezokeramika (TB-1) pla?iai naudojama keitikli?, kuriems netaikomi grie?ti temperat?rinio charakteristik? stabilumo laiko reikalavimai, gamybai. Kadangi degimo metu bario titanato sud?tyje n?ra laki?j? komponent? ir pjezoelektrini? element? gamybos technologijos paprastumas, ?i med?iaga vis dar pla?iai paplitusi technologijoje.

Med?iagos, kuri? pagrind? sudaro kietieji titanato tirpalai - ?vino cirkonatas. Kietieji ?vino titanato tirpalai turi labai auk?tas pjezoelektrines charakteristikas. Remiantis ?iais tvirtais sprendimais, buvo sukurta technologini? pjezokeramini? med?iag? serija, pavadinta PZT (u?sienyje PZT).

Gamini? i? med?iag?, toki? kaip PZT, gamybos technologij? apsunkina tai, kad juose yra ?vino oksido, kuris i? dalies i?garuoja degant auk?toje temperat?roje, tod?l savyb?s blogai atkuriamos. Tod?l pjezoelektrini? element? ruo?ini? deginimas atliekamas ?vino oksido gar? atmosferoje, kuriai ruo?iniai dedami ? sandariai u?darytas kapsules, kuriose yra ?vino oksido jungini? u?pildas. Ta?iau d?l auk?t? ?io tipo med?iag? charakteristik? jie labai paplit? gaminant pjezoelektrinius keitiklius ?vairiems tikslams: elektroakustiniams prietaisams, ultragarso technologijai, pjezometrijai, taip pat kai kuri? tip? radijo filtrams.

Med?iagos ?vino metaniobato pagrindu. Kietieji ?vino ir bario metaniobat? tirpalai turi auk?t? Curie ta?k?. J? pagrindu pagamintos med?iagos yra stabilios pla?iame pjezoelektrini? moduli? ir rezonanso da?ni? temperat?r? diapazone. Gamini? i? j? gamybos technologija yra paprastesn? nei i? PZT prek?s ?enklo med?iag?, nes ?vino oksidas, esantis niobato keramikoje, degimo metu prakti?kai n?ra lakus.

Pjezoelektrikai yra polimerai. Kai kurios polimerin?s med?iagos mechani?kai orientuot? pl?veli? pavidalu, poliarizuotos elektriniame lauke, turi polin? tekst?r?, kurioje pastebimas pjezoelektrinis efektas. Tarp j? polivinilideno fluoridas (PVDF) yra prakti?kai ?domus. I? ?io polimero i?traukus pl?veles 300...400%, jos orientuojamos taip, kad susidaryt? ypatinga konformacija, kuri po poliarizacijos stipriame elektriniame lauke ?gauna pjezoelektrin? efekt?.

Nuorodos:

Elektros med?iag? vadovas 3 tomas

Planuoti

?vadas

1. Pjezoelektrinio efekto apra?ymas

a) Poveikio kristalin? strukt?ra

b) Modelio svarstymas

2. Kristal? deformacijos

3. Atvirk?tinis pjezoelektrinis efektas

4. Atvirk?tinio pjezoelektrinio efekto fizinis mechanizmas

5. Pjezoelektrini? kristal? savyb?s

6. Efekto taikymas

I?vada

Literat?ra

?vadas

Mano kursinio darbo tema yra „Pjezoelektra“. Pasirinkau ?i? tem?, nes pjezoelektra yra ?domus rei?kinys. Iki ?iol svarst?me dielektrik? poliarizacij?, kuri? sukelia i?orinis elektrinis laukas. Kai kuriuose kristaluose poliarizacija gali vykti be i?orinio lauko, jei kristalas yra veikiamas mechanin?s deformacijos. ?is rei?kinys, kur? 1880 m. atrado Pierre'as ir Jacques'as Curie, buvo vadinamas „pjezoelektriniu efektu“. ?iais laikais pjezoelektra buvo pritaikyta ?vairiose ?mogaus veiklos r??yse. Band?iau daugiau su?inoti apie ?io rei?kinio prigimt? ir jo pritaikym?. Kita prie?astis, kod?l pasirinkta b?tent ?i tema, buvo ta, kad ?is efektas naudojamas daugelyje ?rengini?, toki? kaip mikrofonai, telefonai, hidrofonai.

Nagrin?damas ?i? tem? naudojau ?i? literat?r?: S.G. Kala?nikovas „Elektra“, D.V. Sivukhin „Bendrasis fizikos kursas: Elektra, 3 tomas“,

1. Pjezoelektrinio efekto apra?ymas

Daugelyje kristal?, i?tempus ir suspaud?iant tam tikromis kryptimis, atsiranda elektrin? poliarizacija. D?l to ant j? pavir?i? atsiranda abiej? ?enkl? elektros kr?viai. ?is rei?kinys vadinamas tiesioginiu pjezoelektriniu efektu. Tada jis buvo pasteb?tas turmalino, cinko mi?inio, natrio chlorato, vyno r?g?ties, cukranendri? cukraus, Rochelle druskos, bario titanato ir daugelio kit? med?iag? kristaluose. Tik joniniai kristalai gali tur?ti pjezoelektrini? savybi?. Jei teigiam? ir neigiam? jon? kristalin?s gardel?s, i? kuri? statomi tokie kristalai, veikiant i?orin?ms j?goms deformuojasi skirtingai, tai skirting? ?enkl? elektros kr?viai atsiranda prie?ingose kristalo pavir?iaus vietose. Tai pjezoelektrinis efektas. Esant vienodai deformacijai, pjezoelektrinis efektas pastebimas, kai kristale yra viena ar daugiau polini? a?i? (kryp?i?). Kristalo poliarin? a?is (kryptis) suprantama kaip bet kokia tiesi linija, nubr??ta per kristal?, kurios abu galai yra nelyg?s, tai yra nekei?iami. Kitaip tariant, kai kristalas pasukamas 180° aplink bet kuri? a??, statmen? polinei, jis nesusilygina su savimi. Apskritai, kad pjezoelektrinis efektas egzistuot? esant vienodai deformacijai, kristalas neturi tur?ti simetrijos centro. I? ties?, jei nedeformuotas kristalas tur?t? simetrijos centr?, pastarasis b?t? i?saugotas net ir vienodai deformuojant kristal?. Kita vertus, elektri?kai poliarizuotame kristale yra speciali kryptis, b?tent poliarizacijos vektoriaus kryptis. Jei toks yra, kristalas negali tur?ti simetrijos centro. Atsirad?s prie?taravimas patvirtina m?s? teigin?. I? 32 kristal? klasi? 21 klas? neturi simetrijos centro. Ta?iau viename i? j? d?l kit? simetrijos element? derinio pjezoelektrinis efektas taip pat ne?manomas. Taigi pjezoelektrin?s savyb?s stebimos 20 kristal? klasi?.

A)Kristalin?s strukt?ros efektas

Panagrin?kime pjezoelektrin? efekt? naudodami kvarco kristalo pavyzd? – svarbiausi? pjezoelektrin? kristal?, kuris d?l puiki? mechanini? ir elektrini? savybi? rado pla?i? mokslin? ir technin? pritaikym?. Esant ?prastoms temperat?roms ir sl?giams, kvarcas atsiranda vadinamajame

- modifikacijos. Kvarcinis kristalas (1 pav.) priklauso trigonalinei sistemai ir turi tris antros eil?s simetrijos a?is, nurodytas pav. 1 per , , .

Jie yra poliarin?s kristalo a?ys. Kiekvienas i? j? jungia prie?ingas, bet nelygias ?e?iakamp?s prizm?s briaunas. ?i? briaun? skirtumai matyti i? to, kad vienos i? j? kra?tai yra greta ma?? briaun?, paveiksle pa?ym?t? raid?mis a ir b, o kito briaunos kra?tai toki? briaun? neturi. Ketvirta a?is

yra tre?ios eil?s simetrijos a?is. Ji vadinama optine a?imi, nes kristalo sukimas aplink ?i? a?? bet kokiu kampu neturi jokios ?takos ?viesos sklidimui kristale.

Kai kvarco kristal? veikia mechaniniai sm?giai, poliarin?s a?ies galuose (tiksliau, jai statmenuose pavir?iuose) atsiranda prie?ingi elektros kr?viai. Neb?tina, kad taikomos i?orin?s j?gos veikt? atitinkamos polin?s a?ies kryptimi. Tik b?tina, kad veikiant i?orin?ms j?goms i?ilgai ?ios a?ies atsirast? ?tempimas arba suspaudimas.

Esant temperat?rai iki 200 °C, kvarco pjezoelektrin?s savyb?s prakti?kai nepriklauso nuo temperat?ros. Toliau kylant temperat?rai, pjezoelektrinis efektas l?tai ma??ja. 576 °C temperat?roje

-kvarcas patiria fazin? transformacij? ir pereina ? -modifikacij?. Kvarco kristalai priklauso ?e?iakampei sistemai, tod?l pjezoelektriniai rei?kiniai juose nepastebimi pagal tai, kas buvo pasakyta auk??iau. Atvirk??iai ma??jant temperat?rai, atkuriama pirmin? kvarco strukt?ra, o ?is atstatymas vyksta esant ?iek tiek ?emesnei nei pradin? temperat?ra (histerez?). ?emiau mes kalbame apie kvarc?.

b)Modelio svarstymas

Pjezoelektrinio efekto atsiradim? lengva suprasti naudojant si?lom? modelio svarstym? Meisneris. Chemin? kvarco formul? yra

. Jo kristalin? gardel? sudaro teigiami silicio jonai ir neigiami deguonies jonai. Kiekvienas silicio jonas turi keturis, o kiekvienas deguonies jonas – du elementarius kr?vius. Pirmiausia galima ?sivaizduoti, kad silicio ir deguonies jonai yra ?e?iakamp?se l?stel?se, i? kuri? viena parodyta Fig. 2, ?i?rint ? kristal? i?ilgai optin?s a?ies (statmenai br??inio plok?tumai). Silicio jonai vaizduojami kaip dideli rutuliukai 1,2,3, deguonies jonai – ma?i. Tie ir kiti jonai i?sid?st? spirale, kurios sukimosi krypt? lemia tai, koks kvarcas imamas: kairiarankis ar de?iniarankis (1 ir 2 pav. – kairiarankis kvarcas). Silicio jonas 3 yra ?iek tiek giliau nei jonas 2, o jonas 2 yra giliau nei jonas 1. Deguonies jon? vieta nereikalauja papildomo paai?kinimo. Paprastai elementas yra elektri?kai neutralus ir neturi elektrinio dipolio momento.

Nor?dami supaprastinti savo samprotavimus, pakeiskime kiekvien? gretim? deguonies jon? por? vienu neigiamu jonu, turin?iu dvigub? kr?v?. Pasieksime supaprastint? l?stel?s model?, parodyt? Fig. 3a). Jei tokia l?stel? yra suspaud?iama i?ilgai polin?s a?ies

(3b pav.), tada silicio jonas 3 ir deguonies jonas 4 ?sispraus tarp juos supan?i? ?onini? jon?. D?l to plok?tel?s A plok?tumoje atsiras neigiami kr?viai, o B plok?tumoje – teigiami (i?ilginis pjezoelektrinis efektas). Suspaudus ?onine kryptimi, t.y. statmenai polinei ir optinei a?ims (3c pav.) 1 ir 2 silicio jonai gauna vienodus, bet prie?ingos krypties poslinkius ? l?stel?. 5 ir 6 deguonies jonai elgiasi taip pat.

?iuo atveju i?laikoma l?stel?s simetrija plok?tumos, einan?ios per vidur? tarp plok?tum? C ir D, at?vilgiu ir ?iose plok?tumose nekyla jokie kr?viai. Ta?iau silicio jonas 3 ir deguonies jonas 4 pasislenka ? i?or?. D?l to atsiranda dipolio momentas, nukreiptas ? teigiam? poliarin?s a?ies pus?

. Teigiamas kr?vis atsiranda plok?tumoje A, o neigiamas – plok?tumoje B (skersinis pjezoelektrinis efektas). Taigi i?ilginio ir skersinio poveikio kr?vi? ?enklai yra prie?ingi. I? nagrin?jamo modelio taip pat ai?ku, kad gniu?dym? pakeitus ?tempimu, pjezoelektrinio efekto metu kei?iasi elektros kr?vi? po?ymiai ir kad poliarizacija yra proporcinga kristalo deformacijai (kai deformacijos nedidel?s). O kadangi tarp deformacijos ir j?gos pagal d?sn? Kablys(1635-1703) yra tiesioginis proporcingumas, tada pjezoelektrinio efekto metu kristalo poliarizacija taip pat tur?t? b?ti proporcinga taikomai j?gai. Galiausiai i? modelio ai?ku, kad kristalo suspaudimas ar tempimas optin?s a?ies kryptimi n?ra lydimas joki? pjezoelektrini? efekt?. Visas ?ias i?vadas patvirtina patirtis.

Pjezoelektrinis efektas (pjezoelektrinis efektas) stebimas kai kuri? med?iag? kristaluose, kurie turi tam tikr? simetrij?. Gamtoje da?niausiai pasitaikantys pjezoelektriniai mineralai yra kvarcas, turmalinas, sfaleritas ir nefelinas. Kai kurie polikristaliniai dielektrikai su tvarkinga strukt?ra (keramin?s med?iagos ir polimerai) turi pjezoelektrin? efekt?. Dielektrikai, turintys pjezoelektrin? efekt?, vadinamipjezoelektra.

Ry?iai. 1

I?orin?s mechanin?s j?gos, veikian?ios tam tikromis kryptimis pjezoelektrin? kristal?, sukelia jame (kaip ir bet kuriame kietame k?ne) ne tik mechanines deformacijas, bet ir elektrin? poliarizacij?, t.y. skirting? ?enkl? elektros kr?vi? atsiradim? ant jo pavir?i? (1a pav.). F- veikian?ios j?gos, P - elektrin?s poliarizacijos vektorius). Kai mechanin?s j?gos yra prie?ingos krypties, kr?vi? ?enklai kinta(1b pav.). ?is rei?kinys vadinamastiesioginis pjezoelektrinis efektas(2a pav.).

Ry?iai. 2

Bet pjezoelektrinis efektas yra gr??tamas. Kai pjezoelektr? veikia atitinkamos krypties elektrinis laukas, jame atsiranda mechanini? deformacij? (1c pav.).Kei?iantis elektrinio lauko kryp?iai atitinkamai kei?iasi ir deformacijos(1d pav.). ?is rei?kinys vadinamasatvirk?tinis pjezoelektrinis efektas(2b pav.) .

Pjezoelektrinis efektaspaai?kinama taip. Kristalin?je gardel?je d?l teigiam? ir neigiam? jon? centr? nesutapimo yra t?rinis elektros kr?vis. Nesant i?orinio elektrinio lauko, ?i poliarizacija neatsiranda, nes j? kompensuoja pavir?iaus kr?viai. Kristalui deformuojant teigiami ir neigiami gardel?s jonai pasislenka vienas kito at?vilgiu, atitinkamai pasikei?ia kristalo elektrinis momentas, d?l kurio pavir?iuje atsiranda potencial?. B?tent ?is elektrinio sukimo momento pokytis pasirei?kia pjezoelektriniu efektu. Pjezoelektrinis efektas priklauso ne tik nuo mechaninio ar elektrinio poveikio dyd?io, bet ir nuo j?g? pob?d?io bei krypties kristalo kristalografini? a?i? at?vilgiu.

Pjezoelektro deformacijos, atsirandan?ios d?l pjezoelektrinio efekto, yra nereik?mingos absoliu?ia verte. Pavyzd?iui, 1 mm storio kvarco plok?t?, veikiama 100 V ?tampos, savo stor? pakei?ia tik 0,23 mikrono. Pjezoelektrik? deformacijos nereik?mingumas paai?kinamas labai dideliu j? standumu.

Tiesioginis ir atvirk?tinis pjezoelektrinis poveikis yra tiesinis ir apib?dinamas tiesin?mis priklausomyb?mis, jungian?iomis elektrin? poliarizacij? P su mechaniniu ?tempimu g:

Р=ag (1).

?i priklausomyb? vadinama tiesioginio pjezoelektrinio efekto lygtimi. Proporcingumo koeficientas a vadinamas pjezoelektriniu moduliu (pjezoelektriniu moduliu). Jis naudojamas kaip pjezoelektrinio efekto matas. Atvirk?tinis pjezoelektrinis efektas apib?dinamas priklausomybe

r = aE (2),

kur r yra deformacija;

E yra elektrinio lauko stiprumas.

Ry?iai. 3

Tiesioginio ir atvirk?tinio poveikio pjezoelektrinis modulis a turi t? pa?i? reik?m?. Pjezoelektriniai emiteriai neturi mechanini? kontakt? ir susideda i? keraminio elemento, sumontuoto ant metalinio disko (3 pav.).Disko vibracij? sukelia jam taikoma ?tampa. Tam tikro da?nio kintamoji ?tampa sukuria garso signal?. Pjezoelektriniai emiteriai n?ra mechani?kai susid?v?j? konstrukcini? element?, sunaudoja ma?ai energijos, neturi elektrinio triuk?mo. Pjezokeramikos pagalba galima i?gauti reik?ming? garso stiprum?. Kai kurie pjezokeramini? keitikli? pavyzd?iai gali sukurti garso sl?g? 1 m atstumu iki 130 dB (skausmo slenks?io lygis)

Ry?iai. 4

Pjezoelektriniai emiteriai yra dviej? modifikacij?:

- „grynieji“ keitikliai (be valdymo grandin?s) - pjezo varpai;
- emiteriai su valdymo grandine (su ?montuotu generatoriumi) - sirenos.

Tam, kad pirmojo tipo keitikliai generuot? garsus, reikalingi generuojami valdymo signalai (tam tikro da?nio sinusin? arba kvadratin? banga, nurodyta konkre?iam keitiklio modeliui). Emiteriams su ?montuotu generatoriumi reikalingas tik tam tikras ?tampos lygis. Tokie ?renginiai yra vardinei ?tampai nuo 1 iki 250 V (DC ir AC).

Pavyzd?iui, pjezokeraminis varpas (pjezo garsinis signalas) ZP-1 (4 pav.)susideda i? dviej? pjezoelektrini? blok?, kuri? kiekvieno membrana pagaminta negilios plok?t?s, kurios i?orinis skersmuo 32 mm, pavidalu. Plok?t?s sukraunamos prie?ingai ir sulituojamos i?ilgai i?orin?s kra?tin?s. Varpe esantys pjezoelementai sujungti taip, kad ?vedant kintam?j? ?tamp? plok??i? pavir?iai arba susilieja, arba i?siskiria, t.y. abiejose varpo pus?se susidaro suspaudimo ir ret?jimo zonos. Varpo rezonansinis da?nis yra 2 kHz.

Ry?iai. 5

Jis sukuria 75 dB garso sl?g? 1 m atstumu esant 10 V rezonansinio da?nio ?tampai. ?is varpas vienodai skleid?ia garso bangas ? abi puserdes. 1 lentel?jepateikti kit? pjezo emiteri? parametrai, kuri? i?vaizda parodyta 5 pav. 6 pav pateiktos pjezoelement? amplitudin?s-da?nin?s charakteristikos: PVA-1- Fig.6a ir ZP-5 - Fig.6b.

1 lentel? pjezo emiteri? charakteristikos

Tipas	Garsas spaudimas, DB	Darbas ?tampa,	Rezonansinis da?nis, kHz	Matmenys, mm
				Skersmuo	Auk?tis
ZP-1			1...3
ZP-3			4,1 ±0,05	42,7
ZP-4			4,1±0,05
ZP-5			1...3
ZP-6			4,1±0,05
ZP-18			4,1 ±0,05
ZP-19
ZP-22*			1 ...3,5
ZP-25			4,1 ±0,05
ZP-31
PVA-1
PPA-1

Pastaba: * - skirtas veikti savaiminio virpesio re?imu.

Ry?iai. 6, pjezoelement? amplitudin?s-da?nin?s charakteristikos

A. Ka?karovas

Kiet?j? dielektrik? savybi? tyrimas parod?, kad kai kurie i? j? poliarizuojasi ne tik elektrinio lauko pagalba, bet ir deformuojant juos veikiant mechaniniam poveikiui.

Dielektriko poliarizacija, veikiant mechaniniam poveikiui, vadinama tiesioginiu pjezoelektriniu efektu. ?is efektas b?dingas kvarco kristalams ir visai segmentoelektrikai. Norint j? steb?ti, i? kristalo i?pjaunamas sta?iakampis gretasienis, kurio kra?tai kristalo at?vilgiu turi b?ti orientuoti grie?tai apibr??ta tvarka. Suspaudus gretasien?, vienas jo pavir?ius ?kraunamas teigiamai, o kitas – neigiamai. Pasirodo, ?iuo atveju veido poliarizacijos kr?vio tankis yra tiesiogiai proporcingas sl?giui ir nepriklauso nuo gretasienio dyd?io. Jei suspaudimas bus pakeistas gretasienio i?tempimu, tada jo pavir?i? kr?viai pakeis savo ?enklus ? prie?ing?.

Pjezokristaluose stebimas ir prie?ingas rei?kinys. Jei i? pjezokristalo i?pjauta plok?tel? ?dedama ? elektrin? lauk?, ?krauna metalines plok?tes, tada ji poliarizuojasi ir deformuojasi, pavyzd?iui, suspaud?iama. Pasikeitus i?orinio elektrinio lauko kryp?iai, plok?t?s suspaudimas pakei?iamas jos tempimu (i?sipl?timu). ?is rei?kinys vadinamas atvirk?tiniu pjezoelektriniu efektu.

Ry?iai. 31. Pjezoelektrinis keitiklis

Norint pajusti kr?vio ar ?tampos pokyt?, prie pjezoelektrin?s med?iagos prijungiamos dvi metalin?s plok?t?s, kurios i? tikr?j? sudaro kondensatoriaus plok?tes, kuri? talpa nustatoma pagal santyk?.

kur Q yra kr?vis,

V - ?tampa.

Fig. 31 paveiksle parodytas pjezoelektrinio keitiklio ?taisas.

Praktikoje kaip pjezoelektrin?s med?iagos naudojami kvarco kristalai, rocelio druska, sintetiniai kristalai (li?io sulfatas) ir poliarizuota keramika (bario titanas).

Kvarcin?s plok?t?s pla?iai naudojamos pjezoelektriniuose mikrofonuose, apsaugos jutikliuose ir nuolatini? bang? generatori? stabilizatoriuose.

Fig. 32 paveiksle parodytas pjezoelektrinio mikrofono ?taisas

Kai garso sl?gis nukreipia diafragm?, jos jud?jimas sukelia pjezoelektrin?s plok?t?s deformacij?, kuri savo ruo?tu sukuria elektrin? signal? i??jimo kontaktuose.

Optiniai keitikliai

Optiniai keitikliai apima ?renginius, kurie ?viesos energij? paver?ia elektros energija ir atvirk??iai. Papras?iausias tokio tipo ?renginys yra ?viesos diodas, kuris skleid?ia ?vies?, kai srov? praeina per p-n sand?r? ? priek?. ?viesos diodui atvirk?tinis prietaisas vadinamas fotodiodu. Fotodiodas yra optin?s spinduliuot?s imtuvas, paver?iantis j? elektriniais signalais. Be to, fotodiodas, paver?iantis ?vies? elektros energija, veikia ir kaip elektros energijos – saul?s ?viesos – ?altinis.

Sud?tingesni optiniai keitikliai yra ?vairi? konstrukcij? elektrooptiniai keitikliai (EOC) ir transliuojantys televizijos kineskopai.

Kalbant apie techninius informacijos nutek?jimo optin?se sistemose kanalus, akustinis-optinis efektas yra pavojingas. Akusto-optinis efektas – ?viesos l??io, atspind?io ar sklaidos rei?kinys, atsirandantis d?l stiklo atspindin?i? pavir?i? arba ?viesolaidini? kabeli? tampri? deformacij? veikiant garso virpesiams.

Pagrindinis ?viesolaidinio kabelio elementas yra plono cilindrinio stiklo pluo?to formos ?viesos kreiptuvas. ?viesolaidinis ?viesos kreiptuvas yra dviej? sluoksni? konstrukcijos ir susideda i? ?erdies ir apvalkalo su skirtingomis optin?mis charakteristikomis (l??io rodikliais n1 Ir n2). ?erdis yra skirta elektromagnetinei energijai perduoti. Apvalkalo paskirtis: sudaryti geresnes s?lygas atspind?ti ties ?erdies ir apvalkalo riba ir apsaugoti nuo energijos spinduliuot?s ? aplinkin? erdv?.

Bangos perdavimas per ?viesos kreiptuv? atliekamas d?l jos atspind?io nuo ?erdies ir apvalkalo ribos, kurios turi skirtingus l??io rodiklius ( n1 Ir n2). Skirtingai nuo ?prast? elektros laid?, ?viesos kreiptuvai neturi dviej? laidinink?, o perdavimas vyksta naudojant bangolaid?io metod? viename bangolaidyje d?l daugyb?s bangos atspind?i? nuo s?sajos.

Labiausiai paplit? yra dviej? tip? pluo?tiniai ?viesos kreiptuvai: pakopiniai ir gradientiniai (33 pav.).

?iuolaikin?se ?viesolaidin?se sistemose informacijos perdavimo procese naudojamas ?viesos ?altinio amplitud?s, intensyvumo ir poliarizacijos moduliavimas.

I?orinis akustinis poveikis ?viesolaidiniam kabeliui lemia jo geometrini? matmen? (storio) pasikeitim?, d?l ko pasikei?ia ?viesos kelias, t.y. intensyvumo poky?iui ir proporcingai ?io sl?gio dyd?iui.

Skaiduliniai ?viesos kreiptuvai, kaip mechaninio sl?gio keitikliai ? ?viesos intensyvumo poky?ius, prakti?kai pritaikomi apsaugos sistemose, taip pat yra akustin?s informacijos nutek?jimo ?altinis d?l akustin?s-optin?s (arba akusto-elektrin?s) konversijos – mikrofono efekto skaiduloje. -optin?s informacijos perdavimo sistemos.

Kai skaidulos yra laisvai pritvirtintos nuimamame ?viesos kreiptuv? jungtyje, atsiranda akustinis-optinis ?viesos moduliavimo akustiniais laukais efektas. Akustiniai pluo?tai sukelia sujungt? ?viesos kreiptuvo gal? poslink? vienas kito at?vilgiu. Tokiu b?du atliekamas per pluo?t? einan?ios spinduliuot?s amplitud?s moduliavimas. ?i savyb? prakti?kai pritaikoma hidrofonuose su svyruojan?iais optiniais pluo?tais. Fig. 34 paveiksle parodyta tokio jutiklio (keitiklio) konstrukcija

Moduliacijos gylis priklauso nuo dviej? parametr?, i? kuri? vienas (dt/dx) priklauso nuo pluo?to konstrukcijos ir savybi?, o kitas priklauso nuo sl?gio j?gos.

?viesos kreiptuvo jautrumas sl?giui nustatomas pagal santyk?

kur yra fazinis poslinkis d?l sl?gio poky?i?.

Magnetostrikcijos efektas
Ultragarsiniai generatoriai
Ultragarsinis pjovimas
Suma??jusios mechanin?s j?gos apdorojant pjovimo ?rankiais
Ultragarsinis valymas
Ultragarsinis suvirinimas
Ultragarsinis litavimo skardinimas
Ultragarsinis tyrimas
Ultragarsin? greitoji analiz?
Gamybos proces? pagreitinimas
Ultragarsinis impregnavimas
Ultragarsas metalurgijoje
Ultragarsas kasyboje
Ultragarsas elektronikoje
Ultragarsas ?em?s ?kyje
Ultragarsas maisto pramon?je
Ultragarsas biologijoje
Ultragarsin? lig? diagnostika
Ultragarsinis lig? gydymas
Sausumoje ir j?roje

1880 m. pranc?z? mokslininkai broliai Jacques'as ir Pierre'as Curie atrado pjezoelektrin? efekt?. Jo esm? slypi tame, kad jei kvarco plok?t? deformuojasi, jos pavir?iuose atsiranda prie?ingo ?enklo elektros kr?viai. Tod?l pjezoelektra yra elektra, atsirandanti d?l mechaninio poveikio med?iagai („pjezo“ graiki?kai rei?kia „spausti“).
Pirm? kart? pjezoelektrin?s savyb?s buvo aptiktos kaln? kristale, vienoje i? kvarco atmain?. Kaln? kri?tolas yra skaidrus, bespalvis, ? led? pana?us kristalas. Soviet? mineralogas A.E.Fersmanas savo knygoje „Pramogin? mineralogija“ ra??: „Paimkite ? rank? kaln? kri?tolo gabal? ir t? pat? stiklo gabal? - abu yra pana?ios spalvos ir skaidrumo. Jei juos sulau?ysite, jie bus vienodai a?tr?s, pjaunami. „kristalas“ i? graiki?ko pavadinimo „ledas“, nes kaln? kri?tolas tikrai labai pana?us ? led?...“
Gamtoje randama beveik du ?imtai kvarco veisli?. Tai aukso geltonumo citrinas, kraujo raudonumo karneolis, rausvai rudas avantiurinas su auksiniu atspalviu, violetinis ametistas ir daugelis kit?. Beveik de?imtadal? ?em?s plutos sudaro ?vairi? r??i? kvarcas. Net ?prast? sm?l? daugiausia sudaro kvarco gr?deliai.
Kvarcas pla?iai naudojamas moksle ir technikoje. Jis tirpdo ultravioletinius spindulius, yra kietas ir atsparus ugniai. Kvarcinio stiklo indus galima pa?ildyti iki raudonumo ir i?kart panardinti ? ledin? vanden?. Jis atsparus beveik visoms r?g?tims ir yra prastas elektros laidininkas. Ta?iau did?iausia jo savyb? yra pjezoelektra. Jei plok?tel?, tam tikru b?du i?pjauta i? kvarco kristalo, yra suspausta ir atlaisvinta, jos pavir?iuose atsiras prie?ing? ?enkl? elektros kr?viai. Kuo stipresnis suspaudimas, tuo didesnis kr?vis. Elektros kr?vi? atsiradimas ant kvarco plok?t?s pavir?i? jos deformacijos metu vadinamas tiesioginiu pjezoelektriniu efektu.
Jeigu tokiai kvarco plok?tei bus pritaikytas elektros kr?vis, jos dydis pasikeis. Kuo didesnis kr?vis, tuo labiau plok?t? deformuojasi. Kai kintamasis elektrinis laukas veikia plok?t?, jis laikui b?gant susitraukia arba ple?iasi, pasikeitus tiekiamos ?tampos ?enklui. Jei pastarasis kinta ultragarso da?niu, tai plok?tel? taip pat vibruoja ultragarso da?niu, kuris yra kvarco panaudojimo ultragarso bangoms gaminti pagrindas. Kvarco plok?t?s dyd?io pokytis veikiant elektros kr?viams vadinamas atvirk?tiniu pjezoelektriniu efektu.
Tiesioginis pjezoelektrinis efektas naudojamas ultragarso vibracijos imtuvuose, kur pastarieji paver?iami kintam?ja srove. Bet jei tokiam imtuvui taikoma kintamoji ?tampa, atvirk?tinis pjezoelektrinis efektas visi?kai atsiskleid?ia. Tokiu atveju kintamoji srov? paver?iama ultragarso virpesiais, o imtuvas veikia kaip ultragarso skleid?jas. Vadinasi, pjezoelektrinis imtuvas ir emiteris gali b?ti pavaizduoti kaip vienas ?renginys, kuris pakaitomis gali skleisti ir priimti ultragarso virpesius. Toks prietaisas vadinamas ultragarsiniu akustiniu keitikliu.
Akustiniai keitikliai s?kmingai naudojami ?vairiose elektroakustin?se sistemose, ypa? sistemose, skirtose akustiniams ir hidroakustiniams matavimams ir tyrimams. Pjezoelektriniai prietaisai pla?iai naudojami kosmoso tyrin?jimuose. ?iais laikais juos vaizduoja kai kurie jutikliai, perduodantys duomenis apie astronauto b?kl?, s?lygas erdv?laivyje, ?sp?jantys apie meteorito pavoj? ir kt.
Pjezoelektriniai prietaisai padeda „ap?iuopti“ orlaivi? dalis, nustatyti j? skai?iavim? klaidas ir u?kirsti keli? pavojingoms ?i? klaid? pasekm?ms; „pa?i?r?k“ ? ?audymo ginklo vamzd?, kad pamatuot? sl?g? ar gautum?te kit? duomen?. Pjezoelektra naudojama radijo in?inerijoje ir televizijoje. Pjezoelektriniai prietaisai padeda rasti ?uv? b?rius, tyrin?ti ?em?s gelmes, ie?koti mineral?, diagnozuoti ir gydyti ?mones, analizuoti ir pagreitinti cheminius procesus ir kt.
Kvarcas ilg? laik? buvo laikomas viena i? pagrindini? med?iag?, naudojam? ultragarso keitikli? gamybai. Ta?iau emiteris, pagamintas i? ma?os kvarco plok?t?s, turi ma?ai galios. Nor?dami j? padidinti, spinduliuojamo pavir?iaus plotas padidinamas, i?d?stant kvarco plok?tes savoti?kos mozaikos pavidalu.
Gamtoje kvarco kristalai da?niausiai randami santykinai ma?? dyd?i?, nors yra ir i?im?i?. Ryt? Alp?se geologai viename lizde aptiko ?e?is kaln? kristal? kristalus, kuri? bendra mas? vir?ija pusantros tonos. Dar unikalesn? radin? aptiko Uralo geologai, aptik? kristal? telkin? su visa mil?ini?k? kristal? ?eima. Pirmiausia i? uolos buvo i?gauti 800 kilogram? sveriantys kristalai. V?lesn?s atkaklios paie?kos dav? absoliu?iai stulbinan?ius rezultatus – buvo rasta dvide?imties skaidri? gryn? kristal? ?vaig?dynas. J? bendras svoris vir?ijo 9 tonas. Ta?iau tokie radiniai negali patenkinti nuolat augan?i? mokslo ir technologij? poreiki? kvarco kristalams. Tod?l bandoma juos dirbtinai auginti laboratorijose, bet, deja, auga l?tai, o j? gamyba brangi.
Ie?kodami kit? pjezoelektrini? med?iag?, mokslininkai atkreip? d?mes? ? Ro?elio drusk?. Pirm? kart? j? i? vyno r?g?ties drusk? gavo pranc?z? vaistininkas Segnet. Rochelle drusk? lengva apdoroti, Rochelle druskos kristal? galima perpjauti paprastu si?lu, sudr?kintu vandeniu. Palyginti su kitais pjezoelektriniais kristalais, ?skaitant kvarc?, Rochelle druskos kristalas turi ?ymiai didesn? pjezoelektrin? efekt?; menkiausias mechaninis poveikis plok?telei sukelia elektros kr?vi? atsiradim?. Ta?iau Rochelle druska turi ir rimt? tr?kum?, kurie riboja jos praktin? panaudojim?. Tai vis? pirma ?ema lydymosi temperat?ra – apie 60 laipsni?, kai Ro?elio druskos kristalas praranda savo pjezoelektrines savybes ir jos nebeatstatomos. Rochelle druska I?tirpsta vandenyje, tod?l yra jautri dr?gmei. Be to, jis yra trapus ir negali atlaikyti dideli? mechanini? apkrov?.
Ypa? atkakliai nauj? pjezoelektrini? med?iag? tyrimai buvo vykdomi Antrojo pasaulinio karo metais. Juos suk?l? „kvarco badas“, kil?s d?l pla?iai paplitusio pjezoelektrinio kvarco naudojimo hidroakustiniuose ?renginiuose ir karin?je radijo elektronikoje. Taigi amonio-divandenilio fosfato kristalai tuo metu buvo naudojami pjezoelektriniams keitikliams gaminti. ?i med?iaga yra stabili da?niui ir leid?ia dirbti su didel?mis galiomis bei pla?iame da?ni? diapazone. Kitos pjezoelektrin?s med?iagos jau seniai naudojamos, pavyzd?iui, amonio fosfatas, li?io sulfatas ir kalio-divandenilio fosfatas. Hidroakustiniuose keitikliuose jie buvo naudojami mozaikini? paket? pavidalu. Ta?iau visi ?ie pjezokristalai turi bendr? tr?kum? – ma?? mechanin? stiprum?. Tod?l mokslininkai atkakliai ie?kojo pakaitalo, kuris pjezoelektrin?mis savyb?mis b?t? artimas jiems ir netur?t? min?to tr?kumo. Ir tok? pakaital? rado soviet? mokslininkai, dirb? vadovaujant SSRS moksl? akademijos nariui korespondentam B. M. Vul. Tai buvo bario titanatas, kuris n?ra kristalas, kaip kvarcas ir Ro?elio druska, ir pats neturi pjezoelektrini? savybi?.
Bario titanatas gaunamas dirbtinai, nes ?em?s ?arnyne jis yra labai retas. Tam labai auk?toje temperat?roje deginamas dviej? mineralini? med?iag? – bario karbonato ir titanato dioksido – mi?inys. Gaunama gelsvai balta mas?, kuri savo i?vaizda ir mechanin?mis savyb?mis primena ?prast? mol?. ?iai masei, kaip ir moliui, galima suteikti bet koki? form?, ta?iau ji bus mechani?kai tvirta ir netirpi vandenyje. O tam, kad bario titanatui suteikt? pjezoelektrines savybes, sudegusi mas? patalpinama ? stipr? elektrin? lauk? ir at?aldoma. D?l to ?vyksta bario titanato kristal? poliarizacija, j? dipoliai (dviej? prie?ing?, bet absoliu?ia verte vienod? elektros kr?vi?, esan?i? tam tikru atstumu vienas nuo kito, derinys) u?ima t? pa?i? pad?t?, o po au?inimo jie fiksuojami, tarsi „u??aldytas“ ?ioje b?senoje. Gautos med?iagos pjezoelektrinis efektas yra 50 kart? didesnis nei kvarco, o jos kaina yra ma?a, nes jos gamybai yra labai daug ?aliav?. Bario titanato tr?kumai yra dideli mechaniniai ir dielektriniai nuostoliai, d?l kuri? jis perkaista, o esant auk?tesnei nei 90 laipsni? temperat?rai, pjezoelektrinis efektas ?ymiai suma??ja.
Bario titanato keramik? galima pjaustyti, ?lifuoti, poliruoti, suteikiant keitikliui reikiam? form? ir dyd? (plok??ia plok?tel?, cilindras, pusrutulis, rutulio dalis ir kt.). Bario titanato keitikliai efektyviau paver?ia elektros energij? mechanine energija, turi didesn? atsparum? elektros gedimui ir gali veikti esant ?emai ?tampai. Be to, bario titanato ultragarsiniai keitikliai gali veikti impulsiniu re?imu.
Pjezoelektrini? keitikli? gamybai naudojama ir kita pjezokeramika: cirkonio ir ?vino titanato (PZT) mi?inys, ?i pjezokeramika turi dvigubai stipresn? pjezoelektrin? poveik? nei bario titanatas. Pjezokeramika PZT netirpsta vandenyje ir gali b?ti apdorojama mechani?kai.
Tuo pa?iu metu buvo t?siama pjezoelektrines savybes turin?i? ir b?tinus techninius reikalavimus atitinkan?i? kristal? paie?ka. Taip kadmio sulfidas pateko ? mokslinink? d?mes?. Be to, kad jis turi i?skirtin? geb?jim? sustiprinti ultragarso virpesius, i? jo galima pagaminti ultragarsin? keitikl?, skirt? labai auk?tiems da?niams, visi?kai neprieinamiems kvarcui ir bario titanatui. Tyr?jai teigia, kad kadmio sulfido kristalas i?liks galim? pritaikym? skai?iaus rekordas. Jis ne tik gali tarnauti kaip ultragarso stiprintuvas ir keitiklis, bet taip pat gali b?ti naudojamas kartu su germaniu ir siliciu kaip bendras puslaidininkis. Be to, kadmio sulfidas yra puikus fotorezistorius.
?iek tiek supaprastinus galima teigti, kad pjezoelektrinis keitiklis yra vienas ar keli atskiri pjezoelektriniai elementai su plok??iu arba sferiniu pavir?iumi, sujungti tam tikru b?du, priklijuoti prie bendros metalin?s plok?t?s. Dideliam spinduliavimo intensyvumui gauti naudojami fokusuojantys pjezoelektriniai keitikliai arba koncentratoriai, kurie gali b?ti ?vairi? form? (pusrutuliai, tu??iaviduri? rutuli? dalys, tu??iaviduriai cilindrai, tu??iaviduri? cilindr? dalys). Tokie keitikliai naudojami galingiems ultragarso virpesiams auk?tais da?niais generuoti. ?iuo atveju spinduliavimo intensyvumas sferini? keitikli? ?idinio ta?ko centre yra 100-150 kart? didesnis nei vidutinis intensyvumas keitiklio skleid?ian?iame pavir?iuje.

"Garsas, ultragarsas, infragarsas"