Пьезоэлектрический эффект: Полное руководство — Принцип работы, Применение и Виды

Добро пожаловать на статью от компании He-Shuai Ltd, ведущего производителя пьезоэлектрических материалов и компонентов. Мы подробно разберем, что такое пьезоэлектрический эффект, как он работает и где применяется в современном мире.

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектрический эффект — это уникальное физическое явление, наблюдаемое в некоторых диэлектрических материалах (пьезоэлектриках). Когда к такому материалу прикладывается механическое давление или деформация в определенном направлении, внутри него возникает поляризация, а на противоположных поверхностях появляются противоположные по знаку электрические заряды (положительный и отрицательный). Когда внешнее усилие убирают, материал возвращается в незаряженное состояние. Это так называемый прямой пьезоэлектрический эффект.

Справедливо и обратное: когда к такому диэлектрику прикладывают электрическое поле в направлении его поляризации, материал деформируется. После снятия поля деформация исчезает. Это явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Датчики, созданные на основе этого эффекта, называются пьезоэлектрическими датчиками.

Поляризация и прямой пьезоэлектрический эффект — схема

Рисунок 1: Схематическое изображение поляризации и прямого пьезоэффекта.

Определение и суть явления

Кристалл или керамика поляризуются под действием внешней механической силы, что вызывает появление связанных зарядов противоположного знака на их поверхности. Плотность заряда пропорциональна приложенной силе — это прямой пьезоэффект. И наоборот, приложение внешнего электрического поля вызывает деформацию тела, пропорциональную напряженности поля — это обратный пьезоэффект.

Важно: твердое тело, обладающее прямым эффектом, обязательно обладает и обратным, и наоборот. Эти два явления вместе называются пьезоэлектрическим эффектом. Наличие эффекта определяется симметрией кристаллической структуры материала.

Принцип пьезоэлектрического эффекта — прямой и обратный

Рисунок 2: Наглядная иллюстрация прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта.

Принцип работы пьезоэффекта

Суть эффекта заключается в способности материала преобразовывать механическую энергию в электрическую (прямой эффект) и электрическую в механическую (обратный эффект). Если приложить давление к пьезоматериалу, он генерирует разность потенциалов. Если же приложить высокочастотный электрический сигнал (например, к пьезокерамике), материал начнет вибрировать, генерируя ультразвуковую волну.

Эта фундаментальная механо-электрическая связь делает пьезоэлектрики незаменимыми в современной технике: от точных сенсоров и исполнительных механизмов (актуаторов) в «умных» структурах до систем самодиагностики и заживления в аэрокосмической отрасли.

Классификация: Прямой и обратный пьезоэффект

• Прямой пьезоэлектрический эффект
  Это генерация электрического заряда в ответ на механическое напряжение. Именно этот принцип лежит в основе большинства пьезоэлектрических датчиков (давления, вибрации, удара, звука).
• Обратный пьезоэлектрический эффект
  Это создание механической деформации под действием приложенного электрического поля. Этот эффект используется в пьезоэлектрических исполнительных устройствах (актуаторах), излучателях звука и ультразвука, точных позиционирующих системах.

Также существует электрострикционный эффект, который часто путают с пьезоэффектом. Ключевое отличие: электрострикция не зависит от направления поля и пропорциональна его квадрату, а также существует у всех диэлектриков, а не только у кристаллов без центра симметрии.

История открытия

Эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году на кристалле турмалина. Год спустя они же экспериментально подтвердили существование обратного эффекта. В 1894 году немецкий физик Фойгт теоретически доказал, что эффект возможен только в кристаллах, принадлежащих к одной из 20 точечных групп симметрии, не имеющих центра инверсии.

Применение пьезоэлектриков: от зажигалок до ультразвука

Пьезоэлектрические материалы нашли широчайшее применение в самых разных областях. Их использование можно разделить на две большие категории: преобразователи вибрационной/ультразвуковой энергии в электрическую (и наоборот) и сенсорные/исполнительные применения.

• Акустические преобразователи: микрофоны, наушники, гидролокаторы (сонары), ультразвуковые датчики и излучатели.
• Датчики:
  • Пьезоэлектрические датчики давления: используются для измерения быстрых изменений давления в двигателях, при взрывах, в медицинских приборах.
  • Пьезоэлектрические акселерометры: измеряют ускорение и вибрацию в машинах, автомобилях, самолетах.
• Исполнительные механизмы (Актуаторы): точные позиционеры в микроскопах, адаптивная оптика, инжекторные форсунки, робототехника.
• Генерация высокого напряжения: самое известное бытовое применение — пьезоэлектрические зажигалки и системы розжига газовых плит.
• Ультразвуковые датчики в робототехнике: для определения расстояния до препятствий, навигации.
• Фильтры и резонаторы в радиоэлектронике и телекоммуникационном оборудовании.

Пьезоэлектрическая керамика — основа современных пьезоэлектрических технологий

Наиболее распространенным классом пьезоэлектрических материалов является пьезокерамика, в частности цирконат-титанат свинца (PZT). Это поликристаллический материал, который получают методом спекания с последующей поляризацией в сильном электрическом поле.

Пьезокерамика сочетает в себе невысокую стоимость, превосходные характеристики и технологическую гибкость, что делает её основным материалом для массового применения.

Современные тенденции и новые материалы

• Мелкозернистая пьезокерамика: уменьшение размера зерна до субмикронного уровня улучшает обрабатываемость и механическую прочность, позволяя создавать высокочастотные преобразователи.
• Материалы на основе PbTiO₃: обладают высокой температурной стабильностью, идеальны для высокочастотных устройств.
• Пьезокомпозиты: сочетание пьезокерамики и полимерной матрицы позволяет создавать материалы с уникальными акустическими свойствами, идеальные для медицинских ультразвуковых датчиков.
• Монокристаллы релаксорного типа: новые материалы этого класса (например, PMN-PT) демонстрируют беспрецедентно высокую пьезоэлектрическую активность, открывая возможности для создания мощных актуаторов и высокочувствительных сенсоров.

Заключение

Пьезоэлектрический эффект — это фундаментальное физическое явление, которое лежит в основе работы тысяч устройств, окружающих нас в повседневной жизни: от простой зажигалки до сложнейших медицинских аппаратов УЗИ и систем наведения космических аппаратов. Понимание его принципов и возможностей открывает дорогу для создания новых, еще более совершенных технологий будущего.