تم اكتشاف التأثير الكهروضغطي من قبل العلماء الفرنسيين الأخوين كوري في نهاية القرن التاسع عشر. في ذلك الوقت ، كان من السابق لأوانه الحديث عن التطبيق العملي للظاهرة المكتشفة ، ولكن في الوقت الحاضر ، تُستخدم العناصر الكهرضغطية على نطاق واسع في كل من التكنولوجيا والحياة اليومية.
محتوى
جوهر تأثير كهرضغطية
أثبت علماء الفيزياء المشهورون أنه عندما تتشوه بعض البلورات (البلورات الصخرية ، التورمالين ، إلخ) ، تنشأ شحنات كهربائية على وجوههم. في الوقت نفسه ، كان فرق الجهد صغيرًا ، ولكن تم إصلاحه بثقة بواسطة الأجهزة الموجودة في ذلك الوقت ، ومن خلال توصيل الأقسام بشحنات قطبية معاكسة باستخدام الموصلات ، كان من الممكن الحصول على كهرباء. تم إصلاح الظاهرة فقط في الديناميات ، في لحظة الضغط أو التمدد. لم يتسبب التشوه في الوضع الثابت في حدوث تأثير كهرضغطية.
سرعان ما تم تبرير التأثير المعاكس من الناحية النظرية واكتشف في الممارسة العملية - عندما تم تطبيق الجهد ، تم تشويه البلورة.اتضح أن كلتا الظاهرتين مترابطتان - إذا أظهرت المادة تأثيرًا كهربائيًا انضغاطيًا مباشرًا ، فعندئذ يكون العكس أيضًا متأصلاً فيها ، والعكس صحيح.
لوحظت هذه الظاهرة في المواد ذات الشبكة البلورية متباينة الخواص (التي تختلف خصائصها الفيزيائية حسب الاتجاه) مع عدم تناسق كافٍ ، بالإضافة إلى بعض الهياكل متعددة البلورات.
في أي جسم صلب ، تتسبب القوى الخارجية المطبقة في حدوث تشوه وضغوط ميكانيكية ، وفي المواد ذات التأثير الكهروضغطي ، فإنها تسبب أيضًا استقطاب الشحنات ، ويعتمد الاستقطاب على اتجاه القوة المطبقة. عند تغيير اتجاه التعرض ، يتغير كل من اتجاه الاستقطاب وقطبية الشحنات. إن اعتماد الاستقطاب على الإجهاد الميكانيكي خطي ويتم وصفه بالتعبير P = dt ، حيث t هو إجهاد ميكانيكي ، و d هو معامل يسمى الوحدة الكهروضغطية (وحدة كهرضغطية).
تحدث ظاهرة مماثلة مع التأثير الكهروإجهادي العكسي. عندما يتغير اتجاه المجال الكهربائي المطبق ، يتغير اتجاه التشوه. هنا يكون الاعتماد أيضًا خطيًا: r = dE ، حيث E هي شدة المجال الكهربائي و r هي الإجهاد. المعامل d هو نفسه بالنسبة للتأثيرات الكهرضغطية المباشرة والعكسية لجميع المواد.
في الواقع ، المعادلات المذكورة أعلاه مجرد تقديرات. الاعتمادات الفعلية أكثر تعقيدًا ويتم تحديدها أيضًا من خلال اتجاه القوى بالنسبة إلى المحاور البلورية.
مواد ذات تأثير كهرضغطية
لأول مرة ، تم العثور على التأثير الكهرضغطية في بلورات الصخور (الكوارتز). حتى يومنا هذا ، تعتبر هذه المادة شائعة جدًا في إنتاج العناصر الكهرضغطية ، ولكن لا يتم استخدام المواد الطبيعية فقط في الإنتاج.
العديد من الأجهزة الكهروضغطية مصنوعة من مواد لها صيغة ABO.3، على سبيل المثال BaTiO3، РbТiO3. تحتوي هذه المواد على هيكل متعدد البلورات (يتكون من العديد من البلورات) ، ومن أجل منحها القدرة على إظهار تأثير كهرضغطية ، يجب أن تخضع للاستقطاب باستخدام مجال كهربائي خارجي.
هناك تقنيات تجعل من الممكن الحصول على كهربيضغطات الفيلم (فلوريد البولي فينيلدين ، إلخ). لمنحهم الخصائص الضرورية ، يحتاجون أيضًا إلى الاستقطاب لفترة طويلة في مجال كهربائي. ميزة هذه المواد هي سماكة صغيرة جدًا.
خصائص وخصائص المواد ذات التأثير الكهروضغطي
نظرًا لأن الاستقطاب يحدث فقط أثناء التشوه المرن ، فإن السمة المهمة للمادة البيزومية هي قدرتها على تغيير الشكل تحت تأثير القوى الخارجية. يتم تحديد قيمة هذه القدرة من خلال التوافق المرن (أو الصلابة المرنة).
البلورات ذات التأثير الكهرضغطية مرنة للغاية - عند إزالة القوة (أو الضغط الخارجي) ، فإنها تعود إلى شكلها الأصلي.
البلورات البيزوكورية لها أيضًا تردد الرنين الميكانيكي الخاص بها. إذا جعلت البلورة تهتز عند هذا التردد ، فسيكون السعة كبيرًا بشكل خاص.
نظرًا لأن التأثير الكهروضغطي لا يتجلى فقط في البلورات الكاملة ، ولكن أيضًا من خلال قطع الألواح في ظل ظروف معينة ، فمن الممكن الحصول على قطع من المواد الكهرضغطية ذات الرنين بترددات مختلفة ، اعتمادًا على الأبعاد الهندسية واتجاه القطع.
أيضًا ، تتميز الخواص الاهتزازية للمواد الكهرضغطية بعامل جودة ميكانيكي. يُظهر عدد المرات التي يزداد فيها اتساع التذبذبات عند تردد الرنين بقوة مطبقة متساوية.
هناك اعتماد واضح لخصائص كهرضغطية على درجة الحرارة ، والتي يجب أن تؤخذ في الاعتبار عند استخدام البلورات. يتميز هذا الاعتماد بالمعاملات:
- يُظهر معامل درجة الحرارة لتردد الطنين مدى اختفاء الرنين عند تسخين / تبريد البلورة ؛
- يحدد معامل التمدد في درجة الحرارة مدى تغير الأبعاد الخطية للوحة الكهرضغطية مع درجة الحرارة.
عند درجة حرارة معينة ، تفقد البلورة البيزوكريستال خصائصها. هذا الحد يسمى درجة حرارة كوري. هذا الحد فردي لكل مادة. على سبيل المثال ، بالنسبة للكوارتز ، تبلغ درجة الحرارة +573 درجة مئوية.
الاستخدام العملي للتأثير الكهرضغطية
التطبيق الأكثر شهرة لعناصر كهرضغطية هو كعنصر اشتعال. يستخدم التأثير الكهرضغطية في ولاعات الجيب أو أجهزة إشعال المطبخ في مواقد الغاز. عندما يتم الضغط على البلورة ، ينشأ اختلاف في الجهد وتظهر شرارة في فجوة الهواء.
لم يتم استنفاد هذا المجال من تطبيق العناصر الكهرضغطية. يمكن استخدام البلورات ذات التأثير المماثل كمقاييس للضغط ، لكن منطقة الاستخدام هذه محدودة بخاصية التأثير الكهروإجهادي لتظهر فقط في الديناميكيات - إذا توقفت التغييرات ، تتوقف الإشارة عن التوليد.
يمكن استخدام البلورات البيزو كميكروفون - عند تعرضها للموجات الصوتية ، تتشكل الإشارات الكهربائية. يسمح أيضًا التأثير الكهروضغطي العكسي (في بعض الأحيان في وقت واحد) باستخدام عناصر مثل بواعث الصوت. عندما يتم تطبيق إشارة كهربائية على البلورة ، سيبدأ العنصر الكهرضغطية في توليد موجات صوتية.
تستخدم هذه البواعث على نطاق واسع لإنشاء موجات فوق صوتية ، على وجه الخصوص ، في التكنولوجيا الطبية. في هذه يمكن أيضًا استخدام خصائص الرنين للوحة.يمكن استخدامه كمرشح صوتي يختار موجات التردد الطبيعية فقط. خيار آخر هو استخدام عنصر كهرضغطية في مولد صوت (صفارة إنذار ، كاشف ، إلخ) في وقت واحد كإعداد للتردد وعنصر انبعاث للصوت. في هذه الحالة ، سيتولد الصوت دائمًا بتردد الرنين ، ويمكن الحصول على الحجم الأقصى باستهلاك قليل من الطاقة.
تُستخدم خصائص الرنين لتثبيت ترددات المولدات العاملة في نطاق التردد اللاسلكي. تلعب ألواح الكوارتز دور الدوائر التذبذبية عالية الاستقرار وعالية الجودة في دوائر ضبط التردد.
لا تزال هناك مشاريع رائعة لتحويل طاقة التشوه المرن إلى طاقة كهربائية على نطاق صناعي. يمكنك استخدام تشوه الرصيف تحت تأثير جاذبية المشاة أو السيارات ، على سبيل المثال ، لإلقاء الضوء على أقسام من المسارات. يمكنك استخدام طاقة تشوه أجنحة الطائرة لتوفير شبكة الطائرات. هذا الاستخدام مقيد بسبب عدم كفاية كفاءة العناصر الكهرضغطية ، ولكن تم بالفعل إنشاء مصانع تجريبية ، وقد أظهرت وعدًا بمزيد من التحسين.
مقالات مماثلة:
