Inneh?ll:
Piezoelektrisk effekt
Piezoelektrik - enkristaller
Kvarts
Turmalin
Rochelle salt
Ammoniumdiv?tefosfat
Kaliumtartrat
Litiumniobat
Polykristallin piezoelektrik
Piezoelektriska texturer
Piezoelektrisk keramik
Funktioner hos tillverkningstekniken f?r keramiska piezoelement
Industriella piezokeramiska material och piezoelektrik - polymerer
Bariumtitanatbaserade material
Material baserade p? fasta l?sningar av titanat - blyzirkonat
Blymetanibatbaserade material
Piezoelektrik - polymerer

Piezoelektrisk effekt

?r 1756 uppt?ckte den ryske akademikern F. Epinus att n?r en turmalinkristall v?rms upp, uppst?r elektriska laddningar p? dess ansikten. Detta fenomen fick senare namnet pyroelektrisk effekt. F. Epinus antog att orsaken till de elektriska fenomen som observeras n?r temperaturen ?ndras ?r den oj?mna uppv?rmningen av tv? ytor, vilket leder till uppkomsten av mekaniska sp?nningar i kristallen. Samtidigt p?pekade han att konstansen i f?rdelningen av poler vid vissa ?ndar av kristallen beror p? dess struktur och sammans?ttning, s? F. Epinus kom n?ra uppt?ckten av den piezoelektriska effekten.

Den piezoelektriska effekten i kristaller uppt?cktes 1880 av br?derna P. och J. Curie, som observerade uppkomsten av elektrostatiska laddningar p? ytan av plattor skurna fr?n en kvartskristall i en viss orientering under p?verkan av mekanisk p?k?nning. Dessa laddningar ?r proportionella mot mekanisk belastning, byter tecken med den och f?rsvinner n?r den tas bort.

Bildandet av elektrostatiska laddningar p? ytan av ett dielektrikum och f?rekomsten av elektrisk polarisation inuti det som ett resultat av exponering f?r mekanisk stress kallas den direkta piezoelektriska effekten.

Tillsammans med den direkta finns det en omv?nd piezoelektrisk effekt, som best?r i det faktum att mekanisk deformation uppst?r i en platta skuren fr?n en piezoelektrisk kristall under p?verkan av ett elektriskt f?lt som appliceras p? den; Dessutom ?r storleken p? mekanisk deformation proportionell mot den elektriska f?ltstyrkan.

Den omv?nda piezoelektriska effekten b?r inte f?rv?xlas med fenomenet elektrostriktion, det vill s?ga med deformationen av dielektrikumet under p?verkan av ett elektriskt f?lt. Med elektrostriktion finns det ett kvadratiskt samband mellan deformationen och f?ltet, och med den piezoelektriska effekten finns det ett linj?rt samband. Dessutom f?rekommer elektrostriktion i ett dielektrikum av vilken struktur som helst och f?rekommer ?ven i v?tskor och gaser, medan den piezoelektriska effekten endast observeras i fasta dielektrika, huvudsakligen kristallina.

Piezoelektricitet upptr?der endast i de fall d? den elastiska deformationen av kristallen ?tf?ljs av en f?rskjutning av tyngdpunkterna f?r de positiva och negativa laddningarna av kristallens element?ra cell, d.v.s. n?r den orsakar ett individuellt dipolmoment, vilket ?r n?dv?ndigt f?r f?rekomsten av elektrisk polarisering av dielektrikumet under p?verkan av mekanisk p?k?nning. I strukturer som har ett symmetricentrum kan ingen enhetlig deformation st?ra den inre j?mvikten i kristallgittret och d?rf?r ?r endast 20 klasser av kristaller som inte har ett symmetricentrum piezoelektriska. Fr?nvaron av ett symmetricentrum ?r ett n?dv?ndigt men inte tillr?ckligt villkor f?r existensen av den piezoelektriska effekten, och d?rf?r har inte alla acentriska kristaller det.

Den piezoelektriska effekten kan inte observeras i fasta amorfa och kryptokristallina dielektrika (n?stan isotrop), eftersom detta mots?ger deras sf?riska symmetri. Undantaget ?r n?r de blir anisotropa under p?verkan av yttre krafter och d?rigenom delvis f?r egenskaperna hos enkristaller. Den piezoelektriska effekten ?r ocks? m?jlig i vissa typer av kristallina texturer.

Hittills har den piezoelektriska effekten inte funnit en tillfredsst?llande kvantitativ beskrivning inom ramen f?r den moderna atomteorin om kristallgittret. ?ven f?r strukturer av den enklaste typen ?r det om?jligt att ens ungef?rligen ber?kna ordningen f?r de piezoelektriska konstanterna.

F?r n?rvarande har en fenomenologisk teori om den piezoelektriska effekten utvecklats, som kopplar samman deformationer och mekaniska sp?nningar med det elektriska f?ltet och polarisering i kristaller. Ett system av parametrar har etablerats som best?mmer effektiviteten av kristallen som en piezoelektrisk. Den piezoelektriska modulen (piezomodulus) d best?mmer kristallpolarisationen (eller laddningst?theten) vid en given p?lagd mekanisk sp?nning; den piezoelektriska konstanten best?mmer de mekaniska krafterna som uppst?r i en fastsp?nd kristall under p?verkan av ett elektriskt f?lt; den piezoelektriska konstanten g karakteriserar den elektriska sp?nningen i en ?ppen krets vid en given mekanisk p?k?nning; och slutligen best?mmer den piezoelektriska konstanten h den elektriska sp?nningen i en ?ppen krets f?r en given mekanisk deformation. Dessa konstanter ?r relaterade storheter och ?r relaterade till varandra genom relationer som inkluderar elastiska konstanter och dielektriska konstanter f?r kristaller, s? vilken som helst av dem kan anv?ndas. Den mest anv?nda piezoelektriska modulen ?r d. Piezoelektriska konstanter ?r tensorer, och d?rf?r kan varje kristall ha flera oberoende piezomoduler.

I allm?nhet skrivs ekvationen f?r den direkta piezoelektriska effekten under p?verkan av en enhetlig mekanisk sp?nning Tr som f?ljer:

D?r Pi ?r polarisationsvektorkomponenten; dir - piezomodul; Tr ?r den mekaniska sp?nningskomponenten.

Den omv?nda piezoelektriska effektekvationen skrivs som f?ljer:

D?r Xi ?r den elastiska deformationskomponenten; Er ?r den elektriska f?ltstyrkan.

Varje piezoelektrisk ?r en elektromekanisk givare, s? dess viktiga egenskap ?r den elektromekaniska kopplingskoefficienten r. Kvadraten p? denna koefficient representerar f?rh?llandet mellan energin som manifesteras i mekanisk form f?r en given typ av deformation och den totala elektriska energin som tas emot vid ing?ngen fr?n kraftk?llan.

I m?nga fall ?r piezoelektrik v?sentliga p? grund av deras elastiska egenskaper, som beskrivs av elasticitetsmodulerna C (Young moduli Eyu) eller deras omv?nda storheter - elastiska konstanter S.

Vid anv?ndning av piezoelektriska element som resonatorer inf?rs i vissa fall en frekvenskoefficient, som ?r produkten av det piezoelektriska elementets resonansfrekvens och den geometriska storleken som best?mmer typen av vibration. Detta v?rde ?r proportionellt mot ljudets hastighet i riktningen f?r utbredning av elastiska v?gor i det piezoelektriska elementet.

F?r n?rvarande ?r m?nga ?mnen k?nda (mer ?n 500) som har visat piezoelektrisk aktivitet. Men bara ett f?tal av dem finner praktisk till?mpning.

Piezoelektrik - enkristaller

Kvarts. Kvarts ?r ett mineral som ?r utbrett i naturen under en temperatur p? 573 Celsius, det kristalliserar i den trigonala-trapesoedriska klassen i det hexagonala systemet. Den tillh?r den enantiomorfa klassen och finns i naturen i tv? modifikationer: h?ger och v?nster.

Den kemiska sammans?ttningen av kvarts ?r vattenfri kiseldioxid (SiO2) molekylvikt 60,06.

Kvarts ?r ett av de h?rdaste mineralerna och har h?g kemisk resistens.

De yttre formerna av naturliga kvartskristaller ?r mycket olika. Den vanligaste formen ?r en kombination av ett hexagonalt prisma och romboeder (pyramidformiga ytor). Prismats ytor expanderar mot basen av kristallen och har horisontell skuggning p? ytan.

Kvarts l?mplig f?r anv?ndning i piezoelektrisk utrustning finns i naturen i form av kristaller, deras fragment och rundade sm?sten. F?rgen varierar fr?n f?rgl?s-transparent (bergkristall) till svart (morion).

Normalt inneh?ller naturliga kvartskristaller olika defekter som minskar deras v?rde. Defekter inkluderar inf?rande av fr?mmande mineraler (rutilklorit), sprickor, bubblor, sp?ken, bl? n?lar, r?nder och tvillingar.

F?r n?rvarande, tillsammans med naturliga, anv?nds syntetiska kvartskristaller, odlade i autoklaver vid f?rh?jda temperaturer och tryck fr?n alkaliska l?sningar m?ttade med kiseldioxid.

De piezoelektriska egenskaperna hos kvarts anv?nds i stor utstr?ckning inom teknik f?r att stabilisera och filtrera radiofrekvenser, generera ultraljudsvibrationer och m?ta mekaniska storheter (piezometri).

Turmalin. Turmalin kristalliseras i den trigonala-pyramidala klassen i det trigonala systemet. Kristallerna ?r prismatiska med l?ngsg?ende kl?ckning, l?ngstr?ckta, ofta n?lformade.

N?r det g?ller dess kemiska sammans?ttning ?r turmalin ett komplext aluminiumborosilikat med f?roreningar av magnesium, j?rn eller alkalimetaller (Na, Li, K).

F?rgen varierar fr?n svart till gr?nt, ?ven r?tt till singel, mer s?llan f?rgl?s. N?r den gnuggas blir den elektrifierad och har en stark pyroelektrisk effekt.

Turmalin ?r utbrett i naturen, men i de flesta fall ?r kristallerna fulla av sprickor. Defektfria kristaller l?mpliga f?r piezoelektriska resonatorer ?r s?llsynta.

Den st?rsta f?rdelen med turmalin ?r det h?gre v?rdet p? partialkoefficienten j?mf?rt med kvarts. P? grund av detta, s?v?l som p? grund av turmalins st?rre mekaniska styrka, ?r det m?jligt att tillverka resonatorer f?r h?gre frekvenser.

F?r n?rvarande anv?nds turmalin knappast f?r tillverkning av piezoelektriska resonatorer och har begr?nsad anv?ndning f?r att m?ta hydrostatiskt tryck.

Rochette salt. Rochelle-salt kristalliseras i den rombotetraedriska klassen i det rombiska systemet. Att tillh?ra den enantiomorfa klassen best?mmer den teoretiska m?jligheten av f?rekomsten av h?ger- och v?nsterh?nta kristaller av Rochelle-salt. Kristaller av Rochelle-salt som erh?llits fr?n vinavfall ?r dock endast h?gersidiga.

F?r att skydda mot fukt ?r piezoelement gjorda av Rochelle-salt belagda med tunna filmer av lack.

Piezoelektriska element gjorda av Rochelle-salt anv?ndes i stor utstr?ckning i utrustning som arbetar i ett relativt sn?vt temperaturomr?de, s?rskilt i ljudupptagningar. Men f?r n?rvarande ?r de n?stan helt ersatta av keramiska piezoelement.

Ammoniumdiv?tefosfat. Ammoniumdiv?tefosfat kristalliserar i det tetragonala systemet. Kristallerna ?r en kombination av en tetragonal pyramid och ett prisma.

Div?tefosfatkristaller inneh?ller inte kristalliserat vatten och torkar inte ut. Vid 93 % relativ luftfuktighet b?rjar kristallerna absorbera fukt och l?sas upp.

Ammoniumdiv?tefosfat sm?lter vid en temperatur p? 190 grader Celsius, men ?ver 100 grader b?rjar ammoniak avdunsta fr?n kristallens yta. Detta begr?nsar den ?vre gr?nsen f?r driftstemperaturer.

F?r n?rvarande, p? grund av den utbredda utvecklingen av piezoelektrisk keramik, ?r anv?ndningen av ammoniumdiv?tefosfat begr?nsad.

Kaliumtartrat. Kaliumtartrat (symbol VK) kristalliseras i ett enkristallsystem.

Resonatorer gjorda av VC har h?ga kvalitetsfaktorer och elektromekaniska kopplingskoefficienter. De kan ers?tta kvarts i l?ngdistansfilter.

Litiumniobat. Litiumniobat ?r en syntetisk kristall som kristalliseras i den ditrigonala-pyramidala klassen i det romboedriska systemet.

Litiumniobat ?r ol?sligt i vatten, s?nderdelas inte vid h?ga temperaturer och har h?g mekanisk h?llfasthet. N?r det g?ller elektriska egenskaper ?r det ett ferroelektriskt med en Curie-temperatur p? cirka 1200 grader Celsius.

P? grund av dess h?ga piezoelektriska och mekaniska egenskaper, inklusive h?g kvalitetsfaktor, ?r litiumniobat ett lovande material f?r tillverkning av omvandlare f?r olika ?ndam?l. Tunna (cirka en mikrometer tjocka) filmer av litiumniobat, erh?llna genom katodf?rstoftning i vakuum, ?r orienterade polykristallina texturer som kan anv?ndas som s?ndare och mottagare av ultraljudsvibrationer i mikrov?gsomr?det.

Polykristallin piezoelektrik.

Piezoelektriska texturer. Texturer, som ?r en upps?ttning piezoelektriska kristaller orienterade p? ett visst s?tt i rymden och utan ett symmetricentrum, kan ha en piezoelektrisk effekt. Den piezoelektriska effekten i strukturen av Rochelle-salt uppt?cktes av A.V. Shubnikov; Han etablerade ocks? de grundl?ggande principerna f?r den piezoelektriska effekten i liknande medier. Piezotexturer av Rochelle-salt, erh?llna genom att applicera sm?lt Rochelle-salt p? ett substrat med en borste, har en piezomodulus d14 av Rochelle-salt.

F?r n?rvarande ?r s?dana texturer inte av praktiskt intresse. H?gsta v?rde imebt-textur baserad p? polariserad piezoelektrisk keramik.

Piezoelektrisk keramik. De ferroelektriska egenskaperna hos s?dana material best?mmer m?jligheten f?r den piezoelektriska effekten. Under p?verkan av ett konstant elektriskt f?lt ?r n?gra av dom?nerna orienterade i det applicerade f?ltets riktning. Efter att det externa f?ltet har tagits bort h?lls de flesta dom?nerna i sin nya position p? grund av det interna f?ltet, som uppst?r som ett resultat av den parallella orienteringen av dom?nernas polarisationsriktningar. Tack vare detta blir keramiken en pol?r textur, som har en piezoelektrisk effekt.

Keramisk teknik f?r tillverkning av piezoelement s?tter inga grundl?ggande begr?nsningar f?r deras form och storlek. Dessa omst?ndigheter, s?v?l som h?ga v?rden p? piezoelektriska egenskaper, har lett till den utbredda anv?ndningen av keramiska piezoelement inom teknik, s?rskilt i enheter f?r att s?nda ut och ta emot ultraljudsvibrationer.

Funktioner hos tillverkningstekniken f?r keramiska piezoelement. Ett utm?rkande drag f?r tillverkningsprocessen av piezokeramiska produkter ?r deras polarisering av ett starkt konstant elektriskt f?lt, som vanligtvis appliceras efter applicering av elektroder p? ett sintrat arbetsstycke som erh?llits med en av metoderna f?r keramisk teknik.

Industriella piezokeramiska material och piezokeramiska polymerer.

Material med olika egenskaper delas in i varum?rken (efter sammans?ttning och egenskaper) och funktionella grupper (efter syfte).

Material i funktionsgrupp 1 anv?nds f?r tillverkning av mycket k?nsliga piezoelektriska element som arbetar i l?get f?r att ta emot eller avge mekaniska vibrationer. Material i funktionsgrupp 2 ?r avsedda f?r piezoelektriska element som arbetar under f?rh?llanden med starka elektriska f?lt eller h?g mekanisk p?k?nning. Material av funktionell grupp 3 anv?nds f?r tillverkning av piezoelement med ?kad stabilitet av resonansfrekvenser beroende p? temperatur och tid, och material i funktionell grupp 4 anv?nds f?r h?gtemperatur piezoelement.

L?t oss nu ?verv?ga egenskaperna hos olika typer av piezokeramik.

Material baserade p? bariumtitanat. Bariumtitanat ?r ferroelektriskt. Piezokeramisk bariumtitanat (TB-1) anv?nds ofta f?r tillverkning av omvandlare, som inte ?r f?rem?l f?r strikta krav p? temperatur- och tidsstabilitet hos egenskaper. Fr?nvaron av flyktiga komponenter i bariumtitanatformuleringen under br?nning och enkelheten i tekniken f?r tillverkning av piezoelektriska element g?r att detta material fortfarande ?r utbrett inom tekniken.

Material baserade p? fasta l?sningar av titanat - blyzirkonat. Fasta l?sningar av blytitanat har mycket h?ga piezoelektriska egenskaper. Baserat p? dessa solida l?sningar utvecklades en serie tekniska piezokeramiska material, kodnamnet PZT (utomlands PZT).

Tekniken f?r att tillverka produkter av material som PZT kompliceras av att de inneh?ller blyoxid, som delvis f?r?ngas vid h?gtemperaturbr?nning, vilket leder till d?lig reproducerbarhet av egenskaper. D?rf?r utf?rs br?nning av piezoelektriska element?mnen i en atmosf?r av blyoxid?nga, f?r vilken ?mnena placeras i t?tt slutna kapslar som inneh?ller en ?terfyllning av blyoxidf?reningar. Men de h?ga egenskaperna hos denna typ av material g?r dem mycket vanliga f?r tillverkning av piezoelektriska givare f?r olika ?ndam?l: f?r elektroakustiska enheter, ultraljudsteknik, piezometri, s?v?l som vissa typer av radiofilter.

Material baserade p? blymetaniobat. Fasta l?sningar av bly och bariummetaniobater har en h?g Curie-punkt. Material baserade p? dem ?r stabila i ett brett temperaturomr?de av piezoelektriska moduler och resonansfrekvenser. Tekniken f?r att tillverka produkter fr?n dem ?r enklare ?n fr?n material av m?rket PZT, eftersom blyoxiden som ing?r i niobatkeramik ?r praktiskt taget icke-flyktig under br?nning.

Piezoelektrik ?r polymerer. Vissa polymermaterial i form av mekaniskt orienterade filmer polariserade i ett elektriskt f?lt har pol?ra texturer i vilka en piezoelektrisk effekt observeras. Bland dem ?r polyvinylidenfluorid (PVDF) av praktiskt intresse. N?r filmer dras fr?n denna polymer med 300...400%, ?r de orienterade f?r att bilda en speciell konformation, som efter polarisering i ett starkt elektriskt f?lt f?r en piezoelektrisk effekt.

Referenser:

Handbok f?r elektriska material volym 3

Planen

Introduktion

1. Beskrivning av den piezoelektriska effekten

a) Kristallstruktur av effekten

b) Modell?verv?gande

2. Kristalldeformationer

3. Omv?nd piezoelektrisk effekt

4. Fysisk mekanism f?r den omv?nda piezoelektriska effekten

5. Egenskaper hos piezoelektriska kristaller

6. Applicera effekten

Slutsats

Litteratur

Introduktion

?mnet f?r mitt kursarbete ?r "Piezoelektricitet". Jag valde detta ?mne eftersom piezoelektricitet ?r ett intressant fenomen. Hittills har vi ?verv?gt polariseringen av dielektrikum orsakad av ett externt elektriskt f?lt. I vissa kristaller kan polarisering ske utan ett yttre f?lt om kristallen uts?tts f?r mekanisk deformation. Detta fenomen, som uppt?cktes 1880 av Pierre och Jacques Curie, kallades den "piezoelektriska effekten". Nuf?rtiden har piezoelektricitet funnit sin till?mpning i olika typer av m?nskliga aktiviteter. Jag f?rs?kte l?ra mig mer om detta fenomens natur och dess till?mpning. En annan anledning till att v?lja just detta ?mne var att denna effekt anv?nds i m?nga enheter som mikrofoner, telefoner, hydrofoner.

F?r att studera detta ?mne anv?nde jag f?ljande litteratur: S.G. Kalashnikov "Elektricitet", D.V. Sivukhin "Allm?n kurs i fysik: Elektricitet Volym 3",

1. Beskrivning av den piezoelektriska effekten

I m?nga kristaller, n?r de str?cks och komprimeras i vissa riktningar, uppst?r elektrisk polarisering. Som ett resultat upptr?der elektriska laddningar av b?da tecknen p? deras ytor. Detta fenomen kallas den direkta piezoelektriska effekten. Det observerades sedan i kristaller av turmalin, zinkblandning, natriumklorat, vinsyra, r?rsocker, Rochelle-salt, bariumtitanat och m?nga andra ?mnen. Endast joniska kristaller kan ha piezoelektriska egenskaper. Om kristallgittren av positiva och negativa joner fr?n vilka s?dana kristaller ?r byggda deformeras olika under p?verkan av yttre krafter, upptr?der elektriska laddningar av olika tecken p? motsatta st?llen p? kristallens yta. Detta ?r den piezoelektriska effekten. Med enhetlig deformation observeras den piezoelektriska effekten n?r det finns en eller flera pol?ra axlar (riktningar) i kristallen. En kristalls pol?ra axel (riktning) f?rst?s som vilken r?t linje som helst som dras genom kristallen, vars b?da ?ndar ?r oj?mna, det vill s?ga icke utbytbara. Med andra ord, n?r kristallen roteras 180° runt vilken axel som helst som ?r vinkelr?t mot den pol?ra, kommer den inte i linje med sig sj?lv. I allm?nhet, f?r att den piezoelektriska effekten ska existera under enhetlig deformation, m?ste kristallen inte ha n?got symmetricentrum. Om en odeformerad kristall hade ett symmetricentrum, skulle den senare bevaras ?ven med enhetlig deformation av kristallen. ? andra sidan, i en elektriskt polariserad kristall finns det en speciell riktning, n?mligen riktningen f?r polarisationsvektorn. Om det finns en s?dan kan kristallen inte ha ett symmetricentrum. Den resulterande mots?gelsen bevisar v?rt uttalande. Av de 32 kristallklasserna har 21 klasser inget symmetricentrum. I en av dem g?r dock kombinationen av andra symmetrielement den piezoelektriska effekten ocks? om?jlig. S?ledes observeras piezoelektriska egenskaper i 20 kristallklasser.

A)Kristallstruktureffekt

L?t oss ?verv?ga den piezoelektriska effekten med hj?lp av exemplet med en kvartskristall - den viktigaste piezoelektriska kristallen, som har hittat breda vetenskapliga och tekniska till?mpningar p? grund av dess utm?rkta mekaniska och elektriska egenskaper. Vid vanliga temperaturer och tryck f?rekommer kvarts i s.k

- ?ndringar. Kvartskristallen (fig. 1) tillh?r trigonalsystemet och har tre symmetriaxlar av andra ordningen, angivna i fig. 1 genom , , .

De ?r kristallens pol?ra axlar. Var och en av dem f?rbinder motsatta men oj?mna kanter p? ett hexagonalt prisma. Skillnaden mellan dessa kanter framg?r av det faktum att kanterna p? en av dem ligger intill sm? kanter, indikerade i figuren med bokst?verna a och b, medan kanterna p? den andra kanten inte har s?dana kanter. Fj?rde axeln

?r tredje ordningens symmetriaxel. Det kallas den optiska axeln, eftersom rotation av kristallen runt denna axel i vilken vinkel som helst inte har n?gon effekt p? ljusets utbredning i kristallen.

N?r mekaniska st?tar appliceras p? en kvartskristall upptr?der motsatta elektriska laddningar i ?ndarna av polaxeln (mer exakt, p? ytorna som ?r vinkelr?ta mot den). Det ?r inte n?dv?ndigt att de p?f?rda yttre krafterna verkar i riktning mot den aktuella polaxeln. Det ?r bara n?dv?ndigt att, som ett resultat av verkan av yttre krafter, uppst?r sp?nning eller kompression l?ngs denna axel.

Vid temperaturer upp till 200 °C ?r de piezoelektriska egenskaperna hos kvarts praktiskt taget oberoende av temperaturen. Med en ytterligare ?kning av temperaturen minskar den piezoelektriska effekten l?ngsamt. Vid 576°C

-kvarts genomg?r en fasomvandling och g?r in i -modifieringen. Kvartskristaller tillh?r det hexagonala systemet, och d?rf?r observeras inte piezoelektriska fenomen i dem i enlighet med vad som s?gs ovan. Med en omv?nd temperaturminskning ?terst?lls den ursprungliga strukturen av kvarts, och denna restaurering sker vid en temperatur n?got l?gre ?n den ursprungliga (hysteres). Nedan pratar vi om kvarts.

b)Modell?verv?gande

F?rekomsten av den piezoelektriska effekten ?r l?tt att f?rst? med den f?reslagna modell?verv?gningen Meissner. Den kemiska formeln f?r kvarts ?r

. Dess kristallgitter best?r av positiva kiseljoner och negativa syrejoner. Varje kiseljon b?r fyra, och varje syrejon tv?, element?ra laddningar. Till en f?rsta uppskattning kan man f?rest?lla sig att kisel- och syrejoner finns i hexagonala celler, varav en visas i fig. 2, n?r man tittar p? kristallen l?ngs den optiska axeln (vinkelr?tt mot ritningens plan). Kiseljoner avbildas som stora bollar 1,2,3, syrejoner - sm?. Dessa och andra joner ?r ordnade i en spiral, vars rotationsriktning best?ms av vilken kvarts som tas: v?nsterh?nt eller h?gerh?nt (fig. 1 och 2 h?nvisar till v?nsterh?nt kvarts). Kiseljon 3 ligger n?got djupare ?n jon 2, och jon 2 ligger djupare ?n jon 1. Placeringen av syrejoner kr?ver ingen ytterligare f?rklaring. I allm?nhet ?r cellen elektriskt neutral och har inget elektriskt dipolmoment.

F?r att f?renkla v?rt resonemang, l?t oss ers?tta varje par av n?rliggande syrejoner med en negativ jon med dubbel laddning. Vi kommer fram till en f?renklad cellmodell som visas i fig. 3a). Om en s?dan cell uts?tts f?r kompression l?ngs den pol?ra axeln

(Fig. 3b)), d? kommer kiseljon 3 och syrejon 4 att kilas in mellan sidojonerna som omger dem. Som ett resultat kommer negativa laddningar att visas p? plattans plan A och positiva laddningar p? plan B (l?ngsg?ende piezoelektrisk effekt). Vid sammanpressning i sidled, dvs. vinkelr?tt mot de pol?ra och optiska axlarna (fig. 3c)) f?r kiseljonerna 1 och 2 identiska men motsatt riktade f?rskjutningar in i cellen. Syrejonerna 5 och 6 beter sig p? samma s?tt.

I detta fall bibeh?lls cellens symmetri i f?rh?llande till planet som passerar i mitten mellan plan C och D, och inga laddningar uppst?r p? dessa plan. Emellertid f?rskjuts kiseljon 3 och syrejon 4 ut?t. P? grund av detta uppst?r ett dipolmoment, riktat mot den positiva sidan av polaxeln

. En positiv laddning upptr?der p? plan A och en negativ laddning upptr?der p? plan B (tv?rg?ende piezoelektrisk effekt). Tecknen p? laddningarna i de l?ngsg?ende och tv?rg?ende effekterna ?r allts? motsatta. Fr?n modellen under ?verv?gande ?r det ocks? tydligt att ers?ttning av kompression med sp?nning leder till en f?r?ndring av tecknen p? elektriska laddningar under den piezoelektriska effekten och att polariseringen ?r proportionell mot deformationen av kristallen (n?r deformationerna ?r sm?). Och sedan mellan deformation och kraft enligt lagen Hooke(1635-1703) finns det direkt proportionalitet, d? b?r polariseringen av kristallen under den piezoelektriska effekten ocks? vara proportionell mot den applicerade kraften. Slutligen framg?r det av modellen att kompression eller str?ckning av kristallen i den optiska axelns riktning inte ?tf?ljs av n?gra piezoelektriska effekter. Alla dessa slutsatser bekr?ftas av erfarenheten.

Den piezoelektriska effekten (piezoelektrisk effekt) observeras i kristaller av vissa ?mnen som har en viss symmetri. De vanligaste piezoelektriska mineralerna i naturen inkluderar kvarts, turmalin, sfalerit och nefelin. Vissa polykristallina dielektrika med en ordnad struktur (keramer och polymerer) har den piezoelektriska effekten. Dielektrika som har en piezoelektrisk effekt kallaspiezoelektrik.

Ris. 1

Externa mekaniska krafter, som verkar i vissa riktningar p? en piezoelektrisk kristall, orsakar inte bara mekanisk deformation i den (som i vilken fast kropp som helst), utan ocks? elektrisk polarisering, dvs. uppkomsten av elektriska laddningar av olika tecken p? dess ytor (Fig. 1a, F- verkande krafter, P - elektrisk polarisationsvektor). N?r de mekaniska krafterna ?r i motsatt riktning ?ndras laddningarnas tecken(Fig. Ib). Detta fenomen kallasdirekt piezoelektrisk effekt(Fig. 2a).

Ris. 2

Men piezoelektrisk effekt ?r reversibel. N?r en piezoelektrik exponeras f?r ett elektriskt f?lt i l?mplig riktning uppst?r mekaniska deformationer i det (fig. 1c).N?r det elektriska f?ltets riktning ?ndras ?ndras deformationerna d?refter(Fig. Id). Detta fenomen kallasomv?nd piezoelektrisk effekt(Fig. 2b).

Piezoelektrisk effektf?rklaras enligt f?ljande. I kristallgittret finns det en volymetrisk elektrisk laddning p? grund av obalansen mellan centra f?r positiva och negativa joner. I fr?nvaro av ett externt elektriskt f?lt upptr?der inte denna polarisering, eftersom den kompenseras av laddningar p? ytan. N?r kristallen deformeras, f?rskjuts de positiva och negativa jonerna i gittret i f?rh?llande till varandra, och kristallens elektriska moment ?ndras i enlighet d?rmed, vilket orsakar uppkomsten av potentialer p? ytan. Det ?r denna f?r?ndring i det elektriska vridmomentet som visar sig i den piezoelektriska effekten. Den piezoelektriska effekten beror inte bara p? storleken p? den mekaniska eller elektriska st?ten, utan ocks? p? karakt?ren och riktningen av krafterna i f?rh?llande till kristallens kristallografiska axlar.

Deformationerna av det piezoelektriska materialet till f?ljd av den piezoelektriska effekten ?r obetydliga i absolut v?rde. Till exempel ?ndrar en 1 mm tjock kvartsplatta under p?verkan av en sp?nning p? 100 V sin tjocklek med endast 0,23 mikron. Obetydligheten av deformation av piezoelektrik f?rklaras av deras mycket h?ga styvhet.

De direkta och omv?nda piezoelektriska effekterna ?r linj?ra och beskrivs av linj?ra beroenden som f?rbinder den elektriska polarisationen P med mekanisk sp?nning g:

R=ag (1).

Detta beroende kallas ekvationen f?r den direkta piezoelektriska effekten. Proportionalitetskoefficienten a kallas den piezoelektriska modulen (piezoelektrisk modul). Det fungerar som ett m?tt p? den piezoelektriska effekten. Den omv?nda piezoelektriska effekten beskrivs av beroendet

r=aE (2),

d?r r ?r deformation;

E ?r den elektriska f?ltstyrkan.

Ris. 3

Den piezoelektriska modulen a f?r direkta och omv?nda effekter har samma v?rde. Piezoelektriska s?ndare har inga mekaniska kontakter och best?r av ett keramiskt element monterat p? en metallskiva (fig. 3).Skivans vibrationer orsakas av sp?nningen som appliceras p? den. En v?xelsp?nning av en viss frekvens skapar en ljudsignal. Piezoelektriska s?ndare uts?tts inte f?r mekaniskt slitage av strukturella element, har l?g energif?rbrukning och har inget elektriskt brus. Med hj?lp av piezokeramik ?r det m?jligt att f? en betydande ljudvolym. Vissa prover av piezokeramiska givare kan utveckla ljudtryck p? ett avst?nd av 1 m upp till 130 dB (sm?rttr?skelniv?)

Ris. 4

Piezoelektriska s?ndare finns i tv? modifieringar:

- "rena" omvandlare (utan styrkrets) - piezoklockor;
- s?ndare med styrkrets (med inbyggd generator) - sirener.

F?r att omvandlare av den f?rsta typen ska generera ljud kr?vs genererade styrsignaler (sinusv?g eller fyrkantv?g med en viss frekvens specificerad f?r en specifik omvandlarmodell). Emitters med en inbyggd generator kr?ver endast en viss sp?nningsniv?. S?dana enheter finns tillg?ngliga f?r m?rksp?nningar fr?n 1 till 250 V (DC och AC).

Till exempel, piezokeramisk klocka (piezosummer) ZP-1 (fig. 4)best?r av tv? piezoelektriska block, vars membran ?r gjord i form av en grund platta med en ytterdiameter p? 32 mm. Plattorna staplas motvikt och l?ds l?ngs den yttre b?rden. Piezoelementen i klockan ?r anslutna p? ett s?dant s?tt att n?r en v?xelsp?nning appliceras, antingen konvergerar eller divergerar plattornas ytor, d.v.s. zoner av kompression och s?llsynthet bildas p? b?da sidor om klockan. Klockans resonansfrekvens ?r 2 kHz.

Ris. 5

Den producerar ett ljudtryck p? 75 dB p? ett avst?nd av 1 m vid en sp?nning vid resonansfrekvensen 10 V. Denna klocka avger ljudv?gor lika i b?da halvrummen. I tabell 1parametrarna f?r andra piezos?ndare anges, vars utseende visas i fig. 5. I fig. 6 amplitud-frekvensegenskaperna f?r piezoelement presenteras: PVA-1- Fig. 6a och ZP-5 - Fig. 6b.

Tabell 1 egenskaper hos piezos?ndare

Typ	Ljud tryck, DB	Arbetss?tt Sp?nning,	Resonant frekvens, kHz	M?tt, mm
				Diameter	H?jd
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

Notera: * - konstruerad f?r att fungera i sj?lvoscillerande l?ge.

Ris. 6, amplitud-frekvensegenskaper hos piezoelement

A. Kashkarov

En studie av egenskaperna hos fasta dielektrika har visat att vissa av dem polariseras inte bara med hj?lp av ett elektriskt f?lt, utan ?ven under deformation under mekanisk p?verkan p? dem.

Polariseringen av ett dielektrikum under mekanisk verkan kallas den direkta piezoelektriska effekten. Denna effekt ?r inneboende i kvartskristaller och all segmentoelektrik. F?r att observera det sk?rs en rektangul?r parallellepiped ut ur kristallen, vars kanter m?ste orienteras p? ett strikt definierat s?tt i f?rh?llande till kristallen. N?r en parallellepiped komprimeras blir en av dess ytor positivt laddad och den andra negativt laddad. Det visar sig att i detta fall ?r polarisationsladdningst?theten p? ytan direkt proportionell mot trycket och beror inte p? storleken p? parallellepipeden. Om kompression ers?tts av str?ckning av en parallellepiped, kommer laddningarna p? dess ansikten att ?ndra sina tecken till det motsatta.

Det motsatta fenomenet observeras ocks? i piezokristaller. Om en platta skuren fr?n en piezokristall placeras i ett elektriskt f?lt och laddar metallplattorna, blir den polariserad och deformeras, till exempel komprimerad. N?r riktningen f?r det yttre elektriska f?ltet ?ndras, ers?tts plattans kompression av dess str?ckning (expansion). Detta fenomen kallas den omv?nda piezoelektriska effekten.

Ris. 31. Piezoelektrisk givare

F?r att uppfatta en f?r?ndring i laddning eller sp?nning ?r tv? metallplattor anslutna till det piezoelektriska materialet, som faktiskt bildar plattorna i en kondensator, vars kapacitans best?ms av f?rh?llandet

d?r Q ?r laddningen,

V - sp?nning.

I fig. Figur 31 visar anordningen f?r en piezoelektrisk givare.

I praktiken anv?nds kvartskristaller, rocheliumsalt, syntetiska kristaller (litiumsulfat) och polariserad keramik (bariumtitan) som piezoelektriska material.

Kvartsplattor anv?nds ofta i piezoelektriska mikrofoner, s?kerhetssensorer och stabilisatorer f?r kontinuerliga v?ggeneratorer.

I fig. Figur 32 visar anordningen f?r en piezoelektrisk mikrofon

N?r ljudtrycket avleder membranet, orsakar dess r?relse deformation av den piezoelektriska plattan, vilket i sin tur producerar en elektrisk signal vid utg?ngskontakterna.

Optiska omvandlare

Optiska omvandlare inkluderar enheter som omvandlar ljusenergi till elektrisk energi och vice versa. Den enklaste enheten av denna typ ?r en LED, som avger ljus n?r str?m passerar genom p-n-?verg?ngen i riktning fram?t. Enheten inverterad till lysdioden kallas en fotodiod. En fotodiod ?r en mottagare av optisk str?lning som omvandlar den till elektriska signaler. Dessutom fungerar fotodioden, som omvandlar ljus till elektrisk energi, ocks? som en k?lla till elektrisk energi - solljus.

Mer komplexa optiska omvandlare ?r elektrooptiska omvandlare (EOC) och s?ndande TV-r?r av olika design.

N?r det g?ller tekniska kanaler f?r informationsl?ckage i optiska system ?r den akustooptiska effekten farlig. Den akustooptiska effekten ?r ett fenomen av brytning, reflektion eller spridning av ljus som orsakas av elastiska deformationer av glasreflekterande ytor eller fiberoptiska kablar under p?verkan av ljudvibrationer.

Huvudelementet i en fiberoptisk kabel ?r en ljusledare i form av en tunn cylindrisk glasfiber. Fiberljusledaren har en tv?skiktsdesign och best?r av en k?rna och en bekl?dnad med olika optiska egenskaper (brytningsindex p1 Och n2). K?rnan tj?nar till att ?verf?ra elektromagnetisk energi. Syftet med skalet: skapa b?ttre f?ruts?ttningar f?r reflektion vid gr?nsen mellan k?rna och skal och skydd mot energistr?lning in i det omgivande rummet.

?verf?ringen av en v?g genom en ljusledare utf?rs p? grund av dess reflektion fr?n gr?nsen f?r k?rnan och bekl?dnaden, som har olika brytningsindex ( p1 Och n2). Till skillnad fr?n konventionella elektriska ledningar har ljusledare inte tv? ledare, och ?verf?ring sker med hj?lp av v?gledarmetoden i en v?gledare, p? grund av flera reflektioner av v?gen fr?n gr?nssnittet

De mest utbredda ?r tv? typer av fiberljusledare: stegvis och gradient (Fig. 33).

I moderna fiberoptiska system anv?nder processen att ?verf?ra information modulering av ljusk?llan i amplitud, intensitet och polarisation.

Extern akustisk p?verkan p? en fiberoptisk kabel leder till en f?r?ndring av dess geometriska dimensioner (tjocklek), vilket orsakar en f?r?ndring av ljusets v?g, d.v.s. till en f?r?ndring i intensitet, och i proportion till storleken p? detta tryck.

Fiberljusledare, som omvandlare av mekaniskt tryck till f?r?ndringar i ljusintensitet, finner praktisk till?mpning i s?kerhetssystem och ?r ocks? en k?lla till l?ckage av akustisk information p? grund av akusto-optisk (eller akusto-elektrisk) omvandling - mikrofoneffekten i fiber -optiska informations?verf?ringssystem.

N?r fibrerna ?r l?st fastsatta i ljusledarnas l?stagbara kontaktdon upptr?der den akusto-optiska effekten av ljusmodulering av akustiska f?lt. Akustiska fibrer orsakar en f?rskjutning av de anslutna ?ndarna av ljusledaren i f?rh?llande till varandra. P? detta s?tt utf?rs amplitudmodulering av str?lningen som passerar genom fibern. Denna egenskap finner praktisk till?mpning i hydrofoner med oscillerande optiska fibrer. I fig. Figur 34 visar designen av en s?dan sensor (givare)

Modulationsdjupet beror p? tv? parametrar, varav en (dt/dx) best?ms av fiberns design och egenskaper, och den andra beror p? tryckkraften

Ljusledarens k?nslighet f?r tryck best?ms av f?rh?llandet

var ?r fasf?rskjutningen orsakad av tryckf?r?ndringar.

Magnetostriktionseffekt
Ultraljudsgeneratorer
Ultraljudssk?rning
Minskade mekaniska krafter vid bearbetning med sk?rande verktyg
Ultraljudsreng?ring
Ultraljudssvetsning
Ultraljudsl?dning f?rtenning
Ultraljudstestning
Ultraljudsexpressanalys
Acceleration av produktionsprocesser
Ultraljudsimpregnering
Ultraljud inom metallurgi
Ultraljud i gruvdrift
Ultraljud inom elektronik
Ultraljud inom lantbruket
Ultraljud inom livsmedelsindustrin
Ultraljud i biologi
Ultraljudsdiagnostik av sjukdomar
Ultraljudsbehandling av sjukdomar
P? land och hav

?r 1880 uppt?ckte de franska forskarna br?derna Jacques och Pierre Curie den piezoelektriska effekten. Dess v?sen ligger i det faktum att om en kvartsplatta deformeras, upptr?der elektriska laddningar av motsatt tecken p? dess ansikten. D?rf?r ?r piezoelektricitet elektricitet som h?rr?r fr?n mekanisk p?verkan p? ett ?mne ("piezo" p? grekiska betyder "pressa").
F?r f?rsta g?ngen uppt?cktes piezoelektriska egenskaper i bergkristall, en av sorterna av kvarts. Bergkristall ?r en transparent, f?rgl?s, isliknande kristall. Den sovjetiske mineralogen A.E. Fersman skrev i sin bok "Entertaining Mineralogy": "Ta i handen en bit bergskristall och samma glasbit - b?da ?r lika i f?rg och genomskinlighet Om du bryter dem kommer de att ha lika skarpa sk?rningar kanter och formen p? sprickan Men det kommer att finnas en skillnad: bergskristallen kommer att f?rbli kall i din hand under l?ng tid, glaset kommer mycket snart att bli varmt... Om de gamla grekerna k?nde till denna egenskap eller inte ?r ok?nt, men. i alla fall var det de som gav v?r sten namnet "kristall" fr?n det grekiska namnet f?r "is", eftersom bergskristall verkligen ?r v?ldigt lik is..."
N?stan tv?hundra sorters kvarts finns i naturen. Dessa inkluderar gyllene-gul citrin, blodr?d karneol, r?dbrun aventurin med en gyllene nyans, lila ametist och m?nga andra. N?stan en tiondel av jordskorpan best?r av olika typer av kvarts. ?ven vanlig sand best?r huvudsakligen av kvartskorn.
Kvarts anv?nds ofta inom vetenskap och teknik. Det l?ser upp ultravioletta str?lar, ?r h?rt och eldfast. Kvartsglasfat kan v?rmas gl?dhett och omedelbart neds?nkas i isvatten. Den ?r resistent mot n?stan alla syror och ?r en d?lig ledare av elektricitet. Men dess mest anm?rkningsv?rda egenskap ?r piezoelektricitet. Om en platta, skuren p? ett visst s?tt fr?n en kvartskristall, ?r komprimerad och ouppsp?nd, kommer elektriska laddningar av motsatta tecken att dyka upp p? dess ansikten. Ju starkare kompression, desto st?rre laddning. Utseendet av elektriska laddningar p? ytorna av en kvartsplatta under dess deformation kallas den direkta piezoelektriska effekten.
Om en elektrisk laddning appliceras p? en s?dan kvartsplatta kommer den att ?ndra storlek. Ju st?rre laddning, desto mer deformeras plattan. N?r ett v?xlande elektriskt f?lt verkar p? plattan, drar det ihop sig eller expanderar i takt med f?r?ndringen i tecknen p? den p?lagda sp?nningen. Om den senare ?ndras med en ultraljudsfrekvens, vibrerar plattan ocks? med en ultraljudsfrekvens, vilket ?r grunden f?r anv?ndningen av kvarts f?r att producera ultraljudsv?gor. F?r?ndringen i storleken p? en kvartsplatta under p?verkan av elektriska laddningar kallas den omv?nda piezoelektriska effekten.
Den direkta piezoelektriska effekten anv?nds i mottagare av ultraljudsvibrationer, d?r de senare omvandlas till v?xelstr?m. Men om en v?xelsp?nning appliceras p? en s?dan mottagare avsl?jas den omv?nda piezoelektriska effekten helt. I detta fall omvandlas v?xelstr?m till ultraljudsvibrationer och mottagaren fungerar som en ultraljudss?ndare. F?ljaktligen kan den piezoelektriska mottagaren och s?ndaren representeras som en enhet, som omv?xlande kan avge och ta emot ultraljudsvibrationer. En s?dan anordning kallas en akustisk ultraljudsgivare.
Akustiska givare anv?nds framg?ngsrikt i olika typer av elektroakustiska system, s?rskilt i system avsedda f?r akustiska och hydroakustiska m?tningar och forskning. Piezoelektriska enheter anv?nds ofta i rymdutforskning. Numera representeras de av n?gra sensorer som s?nder data om astronautens tillst?nd, om f?rh?llandena inuti rymdfarkosten, varnar f?r meteoritfara, etc.
Piezoelektriska enheter hj?lper till att "k?nna" flygplansdelar, identifiera fel i sina ber?kningar och f?rhindra de farliga konsekvenserna av dessa fel; "titta" in i pipan p? en skjutpistol f?r att m?ta tryck eller f? andra data. Piezoelektricitet anv?nds inom radioteknik och TV. Piezoelektriska enheter hj?lper till att hitta fiskstim, utforska jordens djup, s?ka efter mineraler, diagnostisera och behandla m?nniskor, analysera och p?skynda kemiska processer, etc.
Kvarts har l?nge ansetts vara ett av de viktigaste materialen som anv?nds f?r tillverkning av ultraljudsgivare. Men emittern, gjord av en liten kvartsplatta, har liten kraft. F?r att ?ka den ?kas arean p? den str?lande ytan genom att arrangera kvartsplattor i form av en slags mosaik.
I naturen finns kvartskristaller mestadels i relativt sm? storlekar, ?ven om det finns undantag. I ?stra Alperna hittade geologer sex bergkristaller i ett bo med en total massa p? ?ver ett och ett halvt ton. Ett ?nnu mer unikt fynd uppt?cktes av Ural-geologer, som uppt?ckte en kristallavlagring med en hel familj av j?ttekristaller. F?rst utvanns kristaller som v?gde 800 kilo ur berget. Den efterf?ljande ih?llande s?kningen gav helt fantastiska resultat - en konstellation av tjugo transparenta rena kristaller hittades. Deras totala vikt ?versteg 9 ton. S?dana fynd kan dock inte tillfredsst?lla vetenskapens och teknikens st?ndigt ?kande behov av kvartskristaller. D?rf?r f?rs?ker de odla dem p? konstgjord v?g i laboratorier, men tyv?rr v?xer de l?ngsamt och deras produktion ?r dyr.
I sitt s?kande efter andra piezoelektriska material v?nde forskare sin uppm?rksamhet mot Rochelle-salt. Det erh?lls f?rst fr?n vinsyrasalter av den franska apotekaren Segnet. Rochelle salt ?r l?tt att bearbeta en kristall av Rochelle salt kan sk?ras med en vanlig tr?d fuktad med vatten. J?mf?rt med andra piezoelektriska kristaller, inklusive kvarts, har Rochelles saltkristall en betydligt st?rre piezoelektrisk effekt den minsta mekaniska effekten p? plattan leder till uppkomsten av elektriska laddningar. Rochelle-salt har dock ocks? allvarliga nackdelar som begr?nsar dess praktiska anv?ndning. Detta ?r i f?rsta hand en l?g sm?ltpunkt - cirka 60 grader, vid vilken Rochelle-saltkristallen f?rlorar sina piezoelektriska egenskaper och de ?terst?lls inte l?ngre. Rochelle salt L?ser sig i vatten och ?r d?rf?r mottagligt f?r fukt. Dessutom ?r den ?mt?lig och t?l inte tunga mekaniska belastningar.
Forskning om nya piezoelektriska material utf?rdes s?rskilt ih?rdigt under andra v?rldskriget. De orsakades av en "kvartssv?lt" som uppstod som ett resultat av den utbredda anv?ndningen av piezoelektrisk kvarts i hydroakustiska enheter och i milit?r radioelektronik. S?ledes anv?ndes ammoniumdiv?tefosfatkristaller vid den tiden f?r att producera piezoelektriska omvandlare. Detta material ?r frekvensstabilt och till?ter arbete med h?ga effekter och ?ver ett brett frekvensomr?de. Andra piezoelektriska material har l?nge anv?nts, s?som ammoniumfosfat, litiumsulfat och kaliumdiv?tefosfat. I hydroakustiska givare anv?ndes de i form av mosaikpaket. Men alla dessa piezokristaller har en gemensam nackdel - l?g mekanisk h?llfasthet. D?rf?r s?kte forskare ih?rdigt efter ett substitut som skulle vara n?ra dem i piezoelektriska egenskaper och som inte skulle ha den ovan n?mnda nackdelen. Och en s?dan ers?ttning hittades av sovjetiska forskare som arbetade under ledning av motsvarande medlem av USSR Academy of Sciences B. M. Vul. Det var bariumtitanat, som inte ?r en kristall som kvarts och Rochelle-salt, och som i sig inte har piezoelektriska egenskaper.
Bariumtitanat erh?lls p? konstgjord v?g, eftersom det ?r mycket s?llsynt i jordens tarmar. F?r att g?ra detta eldas en blandning av tv? mineral?mnen - bariumkarbonat och titanatdioxid - vid en mycket h?g temperatur. Resultatet ?r en gulvit massa, som i sitt utseende och sina mekaniska egenskaper liknar vanlig lera. Denna massa, som lera, kan ges vilken form som helst, men den kommer att vara mekaniskt stark och ol?slig i vatten. Och f?r att ge bariumtitanat piezoelektriska egenskaper placeras den br?nda massan i ett starkt elektriskt f?lt och kyls sedan. Som ett resultat uppst?r polarisering av bariumtitanatkristaller, deras dipoler (en kombination av tv? motsatta, men lika absoluta, elektriska laddningar bel?gna p? ett visst avst?nd fr?n varandra) upptar samma position, och efter kylning ?r de fixerade, som om de "fryst" i detta tillst?nd. Det resulterande materialet har en piezoelektrisk effekt som ?r 50 g?nger st?rre ?n kvarts, och dess kostnad ?r l?g, eftersom en mycket stor m?ngd r?material ?r tillg?nglig f?r dess produktion. Nackdelarna med bariumtitanat inkluderar stora mekaniska och dielektriska f?rluster, vilket leder till dess ?verhettning, och vid temperaturer ?ver 90 grader reduceras den piezoelektriska effekten avsev?rt.
Bariumtitanat-keramik kan sk?ras, slipas, poleras, vilket ger givaren den ?nskade formen och storleken (plat platta, cylinder, halvklot, del av en sf?r, etc.). Bariumtitanatomvandlare ?r mer effektiva n?r det g?ller att omvandla elektrisk energi till mekanisk energi, har st?rre motst?nd mot elektriskt genombrott och kan arbeta vid l?ga sp?nningar. Dessutom kan ultraljudsgivare av bariumtitanat arbeta i pulsat l?ge.
F?r tillverkning av piezoelektriska givare anv?nds ocks? en annan piezokeramik: en blandning av zirkonium med blytitanat (PZT), denna piezokeram har en piezoelektrisk effekt dubbelt s? stark som bariumtitanat. Piezoceramics PZT ?r ol?sligt i vatten och kan ?ven bearbetas mekaniskt.
Samtidigt fortsatte s?kandet efter kristaller som har piezoelektriska egenskaper och uppfyller de n?dv?ndiga tekniska kraven. Det var s? kadmiumsulfid kom till forskarnas uppm?rksamhet. F?rutom att den har en exceptionell f?rm?ga att f?rst?rka ultraljudsvibrationer kan den anv?ndas f?r att g?ra en ultraljudsgivare f?r mycket h?ga frekvenser, helt o?tkomlig f?r kvarts och bariumtitanat. Forskare f?resl?r att kadmiumsulfidkristallen kommer att h?lla rekordet f?r antalet m?jliga till?mpningar. Den kan inte bara fungera som en ultraljudsf?rst?rkare och givare, utan den kan ocks? anv?ndas tillsammans med germanium och kisel som en vanlig halvledare. Dessutom ?r kadmiumsulfid en utm?rkt fotoresistor.
Lite f?renklat kan vi s?ga att en piezoelektrisk givare ?r ett eller flera individuella piezoelektriska element med en plan eller sf?risk yta ansluten p? ett visst s?tt, limmade till en gemensam metallplatta. F?r att erh?lla h?g str?lningsintensitet anv?nds fokuserande piezoelektriska givare, eller koncentratorer, som kan ha en m?ngd olika former (halvklot, delar av ih?liga sf?rer, ih?liga cylindrar, delar av ih?liga cylindrar). S?dana givare anv?nds f?r att producera kraftfulla ultraljudsvibrationer vid h?ga frekvenser. I detta fall ?r str?lningsintensiteten i mitten av fokalpunkten f?r sf?riska givare 100-150 g?nger h?gre ?n den genomsnittliga intensiteten p? givarens emitterande yta.

"Ljud, ultraljud, infraljud"