XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Пьезоэлектрический эффект

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Данчин И.С. 1

---

1Гимназия им.С.В.Байменова

Архирейская Т.Г. 1

---

1Гимназия им.С.В.Байменова

Работа в формате PDF

739.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Мы живем в ХХI веке, веке новых технологий. Жизнь не стоит на месте. Происходит развитие науки, техники, промышленности, технологии и везде используются новейшие подходы к тем или иным процессам. Уже известные, открытые давно и кем-то явления, находят свое новое применение, второе рождение или находят использование в смежных с наукой и техникой областях - архитектуре, строительстве, связи и прочее.

Пьезоэлектрический эффект находит широчайшее применение. Возможно, существует множество скрытых резервов, ненайденных областей и сфер его применения.

Объект исследования: пьезоэлектрический эффект

Предмет исследования: применение пьезоэлектрического эффекта

Проблема

В ходе изучения физики, у меня возникло много вопросов: какие технологии нас окружают? как они работают? так меня заинтересовал пьезоэлектрический эффект.

Гипотеза

Можно ли использовать явление пьезоэлектрического эффекта, как альтернативный источник энергии?

Цель проекта: исследование пьезоэлектрического эффекта и его применения.

Задачи:

1. Провести анализ информации о пьезоэлектрическом эффекте, его механизме, физических характеристиках, условиях протекания.

2. Изучить способы применения пьезоэлектрического эффекта.

3. Изготовить схему с применением пьезоэлектрического эффекта.

4. Создать презентацию о пьезоэлектрическом эффекте и его применении.

5. Провести презентацию в Роснефть классах гимназии и на форуме.

Методы:

Анализ и синтез

Аналогия

Моделирование

Сравнение

Классификация

Систематизация

Обобщение

Актуальность

В условияхвысоко технологического общества, когда совершается множество открытий и появляется все больше новых технологии, некоторые давние открытия продолжают развиваться и находить новое применение в современном мире. Одно из них это пьезоэлектрический эффект.

История открытия и исследования пьезоэлектрического эффекта

Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 году братьями Пьером и Жаком Кюри. Они обнаружили, что если кристаллы некоторых диэлектриков (сегнетовой соли, кварца и др.) подвергнуть механическому воздействию, сжатию, то на их поверхности появляются электрические заряды противоположных знаков, или, как теперь принято говорить, в кристалле возникает наведенная поляризация, которая создает внешнее и внутреннее по отношению к кристаллу электрические поля. Это явление - возникновение электрического поля в результате давления - было названо прямым пьезоэффектом.

Было ли это открытие случайным или ему предшествовала научная гипотеза? При исследовании электрических свойств твердых диэлектриков кристаллической структуры Пьер Кюри сформулировал весьма общий принцип, который теперь называется принципом Кюри. Смысл его состоит в следующем: явление обладает всеми признаками симметрии, которыми обладает причина, их породившая; асимметрия явления предопределена асимметрией причины. Поскольку в вершинах кристаллической решетки расположены ионы противоположных знаков, то суммарный заряд кристаллов любой формы равен нулю. Однако если центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают, то дипольный момент кристалла отличен от нуля и обладает поляризацией. Поэтому если дипольный момент кристалла в недеформированном состоянии равен нулю, то в результате деформации кристалла под механическим воздействием центры положительных и отрицательных ионов могут сместиться один относительно другого и на поверхностях кристалла появляются заряды противоположных знаков. Возможность такого смещения зависит от симметрии (формы) кристалла.

Сформулированный принцип и теория групп позволили выделить классы кристаллов, которые обладают пьезоэффектом. Обратный пьезоэффект состоит в том, что свободные кристаллы, обладающие прямым пьезоэффектом, под воздействием электрического поля деформируются. Вскоре братья Кюри экспериментально подтвердили обратный пьезоэффект.

Механизм пьезоэлектрического эффекта

Если любой пьезоэлектрический кристалл сжать или растянуть в определенном направлении, на отдельных гранях появятся электрические заряды с положительным и отрицательным значением. Разность потенциалов таких зарядов будет незначительной. Для того чтобы понять природу пьезоэффекта, необходимо соединить электроды между собой и разместить их на гранях кристалла. При кратковременном сжатии или растяжении в цепи, образованной электродами, можно заметить образование короткого электрического импульса. Именно он является электрическим и физическим проявлением пьезоэффекта. Если же кристалл испытывает постоянное давление, в этом случае импульс не появится. Данное свойство кристаллических материалов широко используется при изготовлении точных чувствительных приборов.

Если же прикладывается новое усилие или изменяется приложенное ранее, в этом случае мгновенно образуется еще один токовый импульс. Данное свойство, известное как прямой и обратный пьезоэффект, успешно используется в устройствах, регистрирующих совсем слабые механические колебания. В самом начале открытия пьезоэффекта решение такой задачи было невозможно из-за слишком незначительной силы тока в колеблющейся кристаллической цепи. В современных условиях ток может быть усилен многократно, а некоторые виды кристаллов имеют довольно высокий пьезоэффект. Ток, полученный от них, не требует дополнительного усиления и свободно передается по проводам на значительные расстояния.

Главные особенности пьезоэлектрических кристаллов

Одним из качеств пьезоэлектрических кристаллов является их высокая упругость. По окончании действия деформирующего усилия, эти материалы без всякой инерции принимают свою изначальную форму и объем

В различных кристаллах пьезоэлектрический эффект может возникать не только под действием нормальных сил давления или натяжения, но и под действием касательных сил

Как оказалось данным эффектом наделены кристаллы как естественного происхождения (турмалин, кварц и т.п.), так и искусственно выращенные. Причем список таких кристаллов пополняется с завидной постоянностью.

Так же у таких кристаллов есть своя собственная механическая частота и если на кристалл подать заряд с частотой, совпадающей с собственной, то он войдет в резонанс, начнет колебаться особенно сильно. Этот принцип используется в пьезоэлектрических стабилизаторах, которые поддерживают постоянную частоту в генераторах незатухающих колебаний.

Этот же эффект справедлив и для прилагаемых механических колебаний. Благодаря этому были созданы акустические приборы, которые выделяют из всего разнообразия приходящих звуков только те, которые необходимы для каких-либо целей.

Ниже приводится неполный список пьезоэлектрических кристаллов с некоторыми краткими описаниями их использования. Позже мы обсудим некоторые конкретные применения наиболее часто используемых пьезоэлектрических материалов.

Встречающиеся в природе кристаллы:

кварц — стабильный кристалл, используемый в кристаллах часов и кристаллах эталона частоты для радиопередатчиков

Кристалл кварца с указанием его осей симметрии

Сахароза (столовый сахар)

Рошельская соль — бесцветное кристаллическое химическое соединение

Топаз

Турмалин

Берлинит (AlPO₄.) — редкий фосфатный минерал, структурно идентичный кварцу.

+

Техногенные кристаллы — ортофосфат галлия (GaPO₄), аналог кварца и лангасит, аналог кварца.

Некоторые минералы горных пород обладают пьезоэлектрическим свойством за счёт того, что электрические оси этих минералов расположены не хаотично, а ориентированы преимущественно в одном направлении, поэтому одноимённые концы электрических осей («плюсы» или «минусы») группируются вместе. Это научное открытие было сделано в Институте физики Земли советскими учёными М. П. Воларовичем и Э. И. Пархоменко и занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 57 с приоритетом от 1954 г. На основе этого открытия разработан пьезоэлектрический метод геологической разведки кварцевых, пегматитовых и хрусталеносных жил, которым сопутствуют золото, вольфрам, олово, флюорит и другие полезные ископаемые.

Прямой и обратный пьезоэффект

Все кристаллы, рассмотренные выше, обладают качествами прямого и обратного пьезоэффекта. Данное свойство одновременно присутствует во всех подобных материалах – с моно- и поликристаллической структурой. Обязательным условием является их предварительная поляризация в процессе кристаллизации воздействием сильного электрического поля.

Прямой пьезоэлектрический эффект - явление возникновения электрической поляризации в кристалле под действием механического напряжения.

Для прямого пьезоэффекта характерна электрическая поляризация диэлектрика, наступающая вследствие действия на него внешнего механического напряжения, при этом индуцируемый на поверхности диэлектрика заряд оказывается пропорционален приложенному механическому напряжению: q = d_пр σ

Величина полной энергии, полученной от внешней механической силы, составит сумму энергий упругой деформации и заряда емкости элемента.

Обратный пьезоэлектрический эффект — это явление возникновение механических напряжений в кристалле под действием электрического поля был предсказан в 1881 году французским физиком Габриэлем Липпманом.

Величина механической деформации (относительная деформация) будет пропорциональна напряженности приложенного к образцу электрического поля: ε = d_обрЕ

Различия:

При обратном пьезоэффекте явление проявляет себя наоборот − диэлектрик изменяет свои размеры под действием приложенного к нему внешнего электрического поля.

Продольный и поперечный пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект, в зависимости от вида образца, может быть продольным или поперечным.

В случае с продольным пьезоэлектрическим эффектом, заряды в ответ на деформацию или деформация в ответ на действие внешним электрическим полем, возникают в том же направлении, что и инициирующее воздействие.

При поперечном пьезоэлектрическом эффекте возникновение зарядов или направление деформации окажутся перпендикулярны направлению вызывающего их воздействия.

История пьезоэлектрических материалов

Кристаллы были первым материалом, использованным в ранних экспериментах с пьезоэлектричеством. Братья Кюри, Пьер и Жак впервые доказали прямой пьезоэлектрический эффект в 1880 году. Ученые расширили свои практические знания о кристаллических структурах и пироэлектрических материалах (материалах, которые генерируют электрический заряд в ответ на изменение температуры). Они измерили поверхностные заряды следующих конкретных кристаллов, а именно:

тростникового сахара,

турмалина,

кварца,

топаза,

соли Рошеля (натрий-калиевая соль винной кислоты).

В итоге именно кварц и соль Рошеля продемонстрировали самые высокие пьезоэлектрические эффекты.

Именно в 1880 году было обнаружено пьезоэлектричество. Но только во время Первой мировой войны в 1917 году пьезоэлектрические материалы получили практическое применение. Они использовались для создания гидролокаторов, которые определяли положение подводных лодок. Из-за успешного использования пьезоэлектрических материалов, этим материалам было уделено больше внимания. Кроме того, возрос интерес к разработке большего количества устройств с использованием пьезоэлектрических материалов. Синтетические пьезоэлектрические материалы были созданы и широко использовались во время Второй мировой войны. Некоторые из их применений в то время использовались в качестве воспламенителей в небольших двигателях и в качестве фильтров для телевидения и радиосигналов.

Виды пьезоэлектрических материалов

К пьезоэлектрическим материалам относятся вещества, обладающие достаточно сильным пьезоэффектом, в виде монокристаллов, керамик, пленок, композитов. Если ранее в основном использовались естественные минералы (кварц, турмалин, цинковая обманка и др.), то в последующем они были заменены на разнообразные синтезированные материалы (например, ниобат лития, триборат лития, пьезокерамики, пьезополимеры и т.д.). Пьезоэлектрические материалы получают различными способами. Монокристаллы и монокристаллические пленки выращиваются из газовой фазы, из растворов и расплавов. Выбор метода выращивания определяется областью устойчивости вещества, температурой и типом фазового перехода, химическими свойствами. Большие совершенные по структуре кристаллы получают, применяя «затравки» в виде мелких кристалликов и создавая оптимальное перенасыщение раствора или расплава. Для перекристаллизации мелких кристалликов в крупные монокристаллы применяется способ перекристаллизации путем выдерживания поликристалла длительное время при высокой температуре. Монодоменизация сегнетоэлектрических материалов достигается путем их охлаждения от точки фазового перехода до комнатной температуры в сильном электрическом поле, достаточном для переполяризации доменов. Керамики получают высокотемпературным синтезом из смеси оксидных соединений типа титаната-цирконата свинца. После синтеза сегнетоэлектрическая керамика не обладает пьезоэффектом и ее поляризуют, нагревая в сильном электрическом поле. К пьезополимерам относятся поливинилиденфторид (ПВДФ) и сополимеры на его основе. Полимерные преобразователи изготавливаются в основном в виде текстурированных пленок, ориентированных вытяжением или улетучиванием растворителя. Материалы на основе ПВДФ выпускаются в виде пленок толщиной от 10 мкм до 1 мм и более, металлизированных и поляризованных по толщине. Пьезоэлектрические композитные материалы (пьезокомпозиты) созданы путем пропитки пористого каркаса из пьезокерамики полимером. Другим видом пьезокомпозитов являются частицы пьезокерамики в виде порошинок или тонких стерженьков, распределенные в полимерной матрице (эпоксидной или поликсилосановой). В качестве излучателей и приемников акустических сигналов в воздухе и жидкой среде в диапазоне частот 1-200 кГц чаще всего используются монокристаллы тетрабората лития, сульфата лития, сегнетопьезополупроводники сульфоиодида сурьмы и особенно различные виды пьезокерамик и полимерных материалов. Для излучения и приема ультразвуковых колебаний в диапазоне 1-200 МГц наиболее широко применяются диэлектрические монокристаллы ниобата и танталата лития, кварца, германата свинца, полупроводниковые монокристаллы сульфида кадмия, оксида цинка, арсенида галия. Их основные характеристики приведены в таблице 2.1. На частотах выше 100-200 МГц обычно применяют тонкие пленки пьезополупроводников (нитрит алюминия или оксид цинка.

Производство пьезоэлементов

Для того, чтобы использовать пьезоэффект нет необходимости применять целый кристалл. Достаточно распилить его на пластинки, при этом распил должен быть строго ориентирован относительно кристаллографических осей. А затем из заготовок сформировать прямоугольные или круглые пластины.

При этом так же строго соблюдается толщина пластин, ведь от нее зависит резонансная частота колебаний. Далее эти пластинки (одна или сразу несколько) соединяются с металлическими пластинами и, таким образом получается пьезоэлемент. Производство обычно включает в себя этап подготовки порошка, в ходе которого оксидное сырье перемешивается до получения определенного химического состава продукта. Дальнейшие этапы включают уплотнение удовлетворяющего соответствующим требованиям порошка и формование, например, с помощью технологии сухого прессования. Керамическая заготовка спекается при температуре от 1000 до 1300 °C в туннельной электрической печи непрерывного действия. В ходе этого этапа формируется поликристаллическая керамическая структура продукта.

Затем спеченные пьезокерамические компоненты подвергаются механической обработке – шлифованию, лаппингованию, полировке и распиливанию – которая обеспечивает соответствие их геометрических размеров и качества их поверхности заданному узкому диапазону допусков. Геометрические размеры продукта и свойства материалов, из которых он изготовлен, определяют его функциональные характеристики, например, емкость или резонансную частоту. Электрические соединения обычно выполняются с применением серебряных электродов в процессе трафаретной печати с последующим спеканием при температуре прибл. 600 °C. Затем следует этап поляризации, в ходе которого продукт подвергается воздействию электрического поля постоянного тока (от 2 до 3 кВ/мм) при температуре от 80 до 140 °C для достижения соответствующей ориентации диполей.

В ходе конечного выходного контроля продукции проводится проверка широкого ряда параметров соответствующих компонентов (например, геометрических размеров, прочности сцепления со слоем серебряной металлизации). Пьезоэлектрические свойства продукции фиксируются перед отгрузкой. Подлежащие контролю параметры и строгость условий испытаний определяются в сотрудничестве с заказчиком в индивидуальном порядке. Текущий контроль технологического процесса и соответствующая требованиям стандарта TS 16949 технология изготовления компонентов обеспечивает высочайший уровень качества даже при максимальных объемах производства.

Пьезоэлектрический эффект как альтернативный источник энергии

Пьезоэлектрические материалы должны производить электрическую энергию из-за механических воздействий, таких как сжатие. Также эти материалы должны деформироваться при приложении к ним напряжения. Данные материалы условно разделяют на две группы – кристаллы и керамические изделия. ЦТС (известный как цирконат-титанат свинца), титанат бария, ниобат лития – примеры искусственных пьезоэлектрических материалов, обладающих более ярко выраженным эффектом, чем кварц и другие природные материалы.

Пьезоэлектрические генераторы - генераторы, работающие на основе пьезоэлектрического эффекта. В литературе описании пьезоэлектрический генератор - основой которого является слоистая структура, состоящая из скрепленных между собой магнитострикционного и пьезоэлектрического слоев. Эта структура обеспечена тонкопленочных выпрямителем, выполненного из г. и п полупроводниковых слоев, и конденсатора, состоящий из двух металлических и одного диэлектрического слоев, выполненных непосредственно на структуре в одном технологическом цикле. За счет использования асимметричной структуры, состоящей из слоя пьезоэлектрического и магнитострикционного материала, возможна эффективная работа устройства на частоте электромеханического резонанса в области инфразвука. Это устройство позволяет получать на выходе постоянное стабильное напряжение. Пьезокерамический генератор постоянного тока. Этот генератор имеет цилиндрический, биморфный дисковый тонкостенный пьезоэлемент, два деформирующие ролики два токосъемники. Устройство пьезокерамического генератора постоянного тока:

3) Преимущества и недостатки:

Среди преимуществ пьезогенераторов можно выделить:

- Длительный срок службы;

- Небольшие габариты;

- Мобильность;

- Отсутствие отходов, а также загрязнения окружающей среды;

- Независимость от погодных и природных условий;

- Не требует выделения дополнительных площадей;

- Широкая применяемость пьезогенераторов в самых разных устройствах;

Среди недостатков пьезогенераторов можно выделить:

- Небольшой ток. Пьезогенератор является преобразователем, но не источником электроэнергии;

- Выработка электрического заряда только в момент механического воздействия. Ток идет краткосрочный, что требует внедрение в ряд устройств дополнительных элементов. В результате конструкция усложняется, а значит, утрачивает свою надежность;

- На текущий момент времени пьезоэлектрические генераторы не могут использоваться для питания мощных устройств.

Интересно также то, что с помощью пьезоэлементов станет возможно получать электричество в результате движения автомобилей по специально оборудованным трассам. Даже десять километров такой пьезодороги выдадут около 5 МВт/час. Тротуары для пешеходов также внесут свой вклад в добычу электроэнергии.

Кстати, работы в данном направлении уже дали некоторые результаты: было проведено множество экспериментов, основным инициатором которых была израильская компания Innowattech. Она же заключила контракт с правительством Италии на размещение пьезоэлементов под дорожным полотном на шоссе Венеция-Триест.

Применение пьезоэлектрического эффекта

Известны сотни веществ, которые в принципе могли бы быть использованы для практического применения пьезоэлектричества. Однако дополнительные требования (большая величина пьезоэффекта, механическая и электрическая прочность, устойчивость к влаге и пр.) резко ограничивают список практически пригодных кристаллов. Из них на первом месте стоит кварц. Он превосходный изолятор, поэтому в нем можно возбуждать сильные поля, порядка 30000 В/см. Основное применение пьезоэффекта: - взаимопреобразование механических и электрических колебаний - датчики частот, датчики и источники ультразвуковых колебаний, звукосниматели, манометры и т.д., так как пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход.

Научно-технические применения пьезоэлектрического эффекта (прямого и обратного) весьма многочисленны и разнообразны. Не имея возможности останавливаться на этой стороне вопроса, укажем на пьезоэлектрический манометр, широко применяющийся для измерения быстропеременных давлений. В этом приборе кварцевая пластинка, вырезанная определенным образом, помещается внутри исследуемого газа. О давлении газа судят по величине пьезоэлектрических зарядов, появляющихся на пластинке. Укажем далее на разнообразнейшие пьезоэлектрические преобразователи: пьезоэлектрические стабилизаторы и фильтры в радиотехнике, пьезоэлектрические датчики в автоматике и телемеханике, виброметры, звукосниматели в технике звукозаписи, микрофоны, телефоны, гидрофоны в акустике и т.д. Важное значение имеют кварцевые излучатели ультразвука, предложенные во время первой мировой войны французским физиком Ланжсвеном (1872-1946). Смещения, возникающие в кварцевой пластинке при наложении на нее статического электрического поля, ничтожны. Однако их можно увеличить в тысячи, а энергию колебаний в миллионы раз, если воспользоваться переменным электрическим полем. Для этого следует использовать явление резонанса, т. е. подобрать частоту наложенного электрического поля равной одной из собственных частот механических колебаний кварца. Собственные частоты кварца определяются соотношением: , где λ - длина ультразвуковой волны в кварце, а n- целое число. При n = 1 получается основное колебание пластинки, при n = 2, 3, 4, ... - соответствующие ему обертоны. При резонансной частоте электрического поля кварцевая пластинка, как показал Ланжевен, является мощным источником ультразвука.

Применение пьезоэлектрического эффекта, представлено в таблице:

Гидролокатор

Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов. Однако интерес к нему очень сильно возрос в период Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок. В наше время гидролокатор является распространенным прибором с большим количеством различного рода применений.

На рисунке ниже показан принцип работы гидролокатора:

А принцип работы довольно прост – передатчик, который использует обратный пьезоэлектрический эффект, посылает звуковые волны в определенном направлении. При попадании волны на объект она отражается и возвращается обратно, где ее обнаруживает приемник.

Приемник, в отличии от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Он преобразует возвращаемую отраженную звуковую волну в электрический сигнал и передает его в электронную систему, которая и будет производит дальнейшую обработку сигнала. Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.

Пьезоэлектрические исполнительные устройства

Ниже показана работа силового привода на  основе пьезоэлектрического эффекта:

Работа привода довольно проста – под воздействием приложенного к материалу напряжения происходит его расширение или сужение, которое и приводит привод в движение.

Например, некоторые вязальные машины используют этот эффект для своей работы благодаря его простоте и минимальному количеству вращающихся частей. Такие приводы применяются даже в некоторых видеокамерах и мобильных телефонах в качестве приводов фокусировки.

Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры

Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры – используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания и воспроизведения звука. При подаче напряжения к динамикам и зуммерам он начинает вибрировать и таким образом генерирует звуковые волны.

Пьезоэлектрические динамики обычно используют в будильниках или других несложных акустических системах для создания простой аудиосистемы. Эти ограничение вызваны частотой среза данных систем.

Пьезо драйверы

Пьезо драйверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое для питания силовых пьезоэлектрических устройств. Пьезо драйверы помогают инженерам создавать большие значения синусоидального напряжения.

Ниже представлена блок схема, показывающая принцип работы пьезо драйвера:

Пьезо драйвер будет получать низкое напряжение от батареи и повышать его с помощью усилителя. Осциллятор будет подавать на вход драйвера синусоидальное напряжение малой амплитуды, которое в последующем будет повышено пьезо драйвером и отправлено на пьезо устройство.

Прямой пьезоэффект используется:

в пьезогенераторах электроэнергии разнообразного назначения:

в пьезозажигалках, для получения высокого напряжения на разряднике от движения пальца;

в контактном пьезоэлектрическом взрывателе (например, к выстрелам РПГ-7);

в датчиках:

в качестве чувствительного к силе элемента (чем больше сила, тем выше напряжение на контактах), например, в силоизмерительных датчиках, датчиках давления жидкостей и газов;

в качестве чувствительного элемента в микрофонах, гидрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, приёмных элементов сонаров;

Обратный пьезоэлектрический эффект используется:

в акустических излучателях:

в пьезокерамических излучателях звука (эффективны на высоких частотах и имеют небольшие габариты; такие например встраиваются в музыкальные открытки, различные оповещатели, применяемые во всевозможных бытовых устройствах от наручных часов до );

в ультразвуковых излучателях для увлажнителей воздуха, ультразвуковой гидроочистки (в частности, ультразвуковых стиральных машин и промышленных ультразвуковых ванн);

в излучателях гидролокаторов (сонарах);

в системах механических перемещений (активаторах):

в системах сверхточного позиционирования, например, в системе позиционирования иглы в сканирующем туннельном микроскопе или в позиционере перемещения головки жёсткого диска;

в адаптивной оптике, для изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала.

в пьезоэлектрических двигателях;

для подачи чернил в струйных принтерах.

Прямой и обратный эффект одновременно используются:

в кварцевых резонаторах, используемых как эталон частоты;

в пьезотрансформаторах для изменения напряжения высокой частоты.

в приборах на эффекте поверхностных акустических волн:

в ультразвуковых линиях задержки электронной аппаратуры;

в датчиках на поверхностных акустических волнах.

Приведем только некоторые примеры пьезоэлектрической техники массового применения.

Ручная пьезозажигалка поступила в массовую продажу еще в 70-е гг. прошлого столетия. Электричество, появляющееся на кристалле при нажатии на клавишу, поступает на электроды, между которыми при разряде проскакивает искра и поджигает газ. В настоящее время встроенными элементами, рисунок 2 комплектуются газовые плиты средних и старших моделей.

Применение в быту

Зажигалка бытовая пьезоэлектрическая ЗП-1 «Толнэ».

Зажигалка предназначена для зажигания газа в горелках бытовых газовых приборов. Источником получения искры является пьезоэлемент.
Нажатием на клавишу усилие сжатия передается на пьезоэлементы, в результате чего происходит искрообразование между контактами, расположенными внутри металлической насадки, надетой на удлиненный конец пьезозажигалки. Искра, которая поджигает газ, образуется как при нажатии на клавишу, так и при отпускании ее. Современный дизайн может сделать зажигалку “изюминкой” кухонного интерьера.

Пьезоэлемент в любой зажигалке представляет собой очень маленький кристалл кварца, который наделенный пьезоэлектрическими свойствами. Когда к кристаллу прилагается напряжение(нажатие), кристаллическая решетка деформируется и меняются размеры кристалла. Слабый удар по кристаллу кварца, расположенному в зажигалке, порождает напряжение даже в несколько сотен вольт. Так и происходит электрический пробой, и между электродами проскакивает искра. Газ загорается.

В медицине

Ультразвуковая диагностика в кардиологии производится в двух режимах: эхокардиография и доплерокардиография. Эхокардиограф представляет собой аппарат, позволяющий получать изображение сердечных структур с разверткой их движения во времени. Он состоит из пьезоэлектрического датчика, работающего в импульсном режиме, который генерирует и воспринимает УЗ колебания. Принятые эхосигналы поступают на электронный усилитель, а оттуда на экран монитора и регистрирующее устройство. Методом эхокардиографии исследуются структуры и функции сердца, при этом регистрируются отраженные импульсные сигналы ультразвука, генерируемые источником с частотой около 2,5-4,5 МГц. Ультразвуковая диагностика в кардиологии производится в разных режимах получения информации. Получение одномерных эхокардиограмм производится в М-режиме, двумерных эхокардиограмм - в В-режиме, а эхограммы движущихся объектов - в режиме доплеровского исследования. При получении эхокардиограммы в М-режиме на экране дисплея выписывается кривая сигналов, амплитуда которых соответствует толщине и расположению внутренних полостей сердца.

Сложные узконаправленные пьезоустройства

“НИИ ЭЛПА” является ведущим предприятием по производству специфической наукоемкой продукции - изделий пьезотехники и акустоэлектроники. В настоящее время производит такие пьезоустройства как:

Актюаторы

Исполнительное устройство Функциональный элемент системы автоматического управления, который воздействует на объект управления, изменяя поток энергии или материалов, которые поступают на объект

Гидроакустические антенны

Устройство, предназначенное для приема и излучения звука в водной среде и обеспечивающее совместно с электрическими цепями, управляющими его характеристиками.

Сейсмодатчики

Фиксируют сейсмические колебания, служат средством мониторинга природной стихии

Система пороговых датчиков

Датчик предназначен для систем отключения котельной от газовой магистрали при землетрясениях более 6,5 баллов Рихтера (величина может уточняться по требованиям Заказчика)

Фильтры пьезокерамические

Предназначены для использования в усилителях ПЧ транзисторных радиоприемников.

Микрореле

Силовое микроустройство, осуществляющее разрыв или соединение линии передач при помощи исполнительного механизма, управляемого специальным сигналом.

Практическая часть

В моем городе отсутствует специализированный магазин электроники, поэтому мне пришла идея сделать прибор из пьезоэлектрической зажигалки, подсоединив провода из алюминия от пьезоэлемента к лампочке.

Данное устройство обошлось мне в 150 рублей вместе с лампочкой и проводами.

Вывод

Область практического применения приборов и устройств, использующих в своих конструкциях пьезоэффект, постоянно расширяется, а некоторые изделия, как, например, пьезозажигалки, стали предметами повседневного быта. Пьезоэлементы используются в телевизорах и телефонах, которые также можно отнести к предметам повседневного быта. Функциональные назначения пьезоэлементов в пьезозажигалке, телевизоре и телефоне различны, однако в основе их устройств лежит одно и то же физическое явление.

Заключение

Пьезоэффект как физическое явление в школьном курсе физики не рассматривается и поэтому мне было очень интересно, но в то же время трудно самостоятельно разбираться в этом вопросе.

Оказалось, что пьезоэффекту уделяют внимание не только как к физическому явлению, но в большей мере он интересует людей разных специальностей и профессий и именно с практической точки зрения, экономический эффект его использования очень велик.

На мой взгляд, все поставленные мной цели, связанные с этим проектом, были достигнуты. Анализ информации в области пьезоэлектрического эффекта выполнен, на данный момент я знаю об этом намного больше, чем на момент начала работы с данной темой. Немаловажно также то, что это – по-настоящему интересная область, в которой, возможно, было бы перспективно и увлекательно работать в дальнейшем.

Список использованной литературы:

Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики: Электродинамика: Учеб. пособие для студентов физ.-мат. фак. пед.ин-тов. 2-е изд., перераб. М.: Просвещение, 2000.

Кабардина С.И. Измерения физичеких величин .Элективный курс: Методическое пособие/С.И. Кабардина, Н.И.Шефер. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005.

Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Электродинамика. 10-11 кл.: учеб. для углубленного изучения физики.-3 изд. М.:Дрофа, 1998.

Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. Ред. В.В. Клюева. Т.: В 3 кн. Кн. 2: Ультразвуковой контроль. М.В. Филинов. М.: Машиностроение, 2004.

Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. Пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1990.