Что такое пьезоэлектрический эффект

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что при давлении на кварц или отдельные кристаллы образуется электрический заряд. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта.

Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после приложения к материалу или кристаллу электрического поля, которое привело к механической деформации объекта.

Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова «пьезо», что обозначает сжатие. Стоит отметить, что от греческого слова «янтарь» происходит слово «электричество». Янтарь тоже может быть источником электрической энергии.

Многие современные электронные устройства используют пьезоэлектрический эффект для своей работы. Например, при использовании некоторых устройств распознавания звука микрофоны, которые они используют, работают на основе упомянутого выше эффекта. Пьезоэлектрический кристалл превращает энергию вашего голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства.

Создание некоторых продвинутых технологий тоже стало возможно благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Например, мощные гидролокаторы используют маленькие чувствительные микрофоны и керамический звуковой датчик, созданные на основе пьезоэлектрического эффекта.

Пьезоэлемент это

Со времени открытия сегнетоэлектричества можно выделить три этапа развития исследований в этой области. На первом этапе проводились исследования физики пьезоэлектрического и сегнетоэлектрического эффектов. В результате были сформулированы основные направления использования сегнетоэлектриков. На втором этапе произошло бурное развитие исследований, как новых представителей этого класса материалов, так и возможностей их промышленного освоения. В конце второго этапа были отобраны наиболее эффективные пьезоматериалы из числа сегнетокерамик, каждый из которых обладает преимуществами перед остальными в конкретной области применения. На третьем этапе произошло насыщение, то есть результативность поиска новых пьезокерамических составов снизилась, хотя ряд частных проблем остался не решенным. На этом этапе дальнейшее развитие пьезотехники связывают с применением новых технологий, что позволяет не столько повысить эффективность материалов, сколько увеличить воспроизводимость свойств в партиях изделий, надежность работы преобразователей и т.д.

В 2015 году НКТБ «Пьезоприбор» ЮФУ отметил своё 40-летие. За эти годы организация прошла все этапы развития отрасли пьезоэлектрического приборостроения в стране. Сегодня в нашем арсенале огромный спектр разработанных и внедренных в производство различных видов высококачественной, высокотехнологичной продукции, в том числе, не имеющей аналогов в России.В настоящее время НКТБ «Пьезоприбор» обладает большими возможностями в области создания, исследования и производства пьезокерамических материалов. Широкий спектр аналитического, лабораторного, промышленного оборудования, позволяет изготавливать как стандартизированную пьезокерамику, так и материалы с заданными характеристиками.

Нами была разработана линейка пьезокерамических материалов с уникальными характеристиками. Серия получила название ПКП, что является рекурсивным акронимом словосочетания «ПКП: Керамика Пьезоприбора».

Общие понятия сегнето-пьезокерамики

Сегнетоэлектричество – физическое явление, наблюдающееся в полярных диэлектриках в определенных интервалах температуры и давления. Это явление характеризуется обратимостью (переключением вектора спонтанной поляризации под действием внешнего электрического поля, а в ряде случаев – и под действием внешнего механического поля.

Физический эффект, связывающий механическое воздействие (механическое напряжение или деформация) и электрический отклик диэлектрического кристалла (электрическое поле, электрическое смещение или поляризация), получил название пьезоэлектрический эффект, впоследствии – прямой пьезоэлектрический эффект. В дальнейшем экспериментальными методами был обнаружен и исследован обратный пьезоэлектрический эффект, сопровождающийся механическими деформациями (напряжениями) при приложении к образцу внешнего электрического поля

Сегнетопьезокерамические материалы (СПК) условно делят на сегнетомягкие и сегнетожесткие. Промежуточную стадию занимают материалы средней жёсткости. Сегнетомягкие СПК характеризуются относительно низкой коэрцитивной силой Ес, высокими значениями диэлектрической проницаемости, пьезомодулей и коэффициентов электромеханической связи. Кроме того, сегнетомягким СПК свойственны повышенные диэлектрические потери и пониженная механическая добротность. Сегнетожесткие СПК характеризуются противоположными сочетаниями свойств по отношению к сегнетомягким составам. Как правило, температура Кюри сегнетожестких СПК ТС > 300 °C. Как показывает практика, сегнетожесткие СПК труднее наполяризовать или деполяризовать. Хотя сегнетожесткие СПК более стабильны по отношению к внешним воздействиям, в этих СПК не наблюдаются значительные пьезоэлектрические деформации под действием внешнего электрического поля.

Качество пьезокерамики характеризуется следующими основными параметрами:

K T 33 (ε T 33) — относительная диэлектрическая проницаемость;

tg δ— тангенс угла диэлектрических потерь;

Tc (Tk) — температура точки Кюри;

Kp K33 K31 K15 — коэффициенты электромеханической связи;

d33 -d31 d15 — пьезоэлектрические модули;

g33 g31 g15 — электрические коэффициенты по напряжению;

Y E 11 Y E 33 — модули Юнга;

S E 11 S E 33 — параметр эластичности;

Qm — механическая добротность.

Поляризованное состояние керамики является неравновесным и метастабильным. Время релаксации t у современных сегнетокерамических материалов составляет несколько десятков лет. Эффект изменения параметров пьезокерамического материала со временем известен как старение. В общем случае в керамике со временем могут происходить как необратимые, так и обратимые изменения. Необратимые процессы, которые можно либо полностью исключить, либо свести к минимуму, включают в себя химические и структурные изменения диэлектрика со временем. Обратимое или электрическое старение является специфическим свойством сегнетоэлектриков, оно-то в основном и определяет временные изменения параметров пьезокерамики.

Линейка пьезокерамических материалов НКТБ «Пьезоприбор»

(в том числе и материалы из ОСТ 1-0444-87 «Материалы пьезокерамические»

Материал

ε/ε

tgδ, не более

Кр не менее

|d31|, пКл/Н

d33, пКл/Н

Тк, °С

g33·10 -6 В·м/Н

Требования к плите с электроподжигом

Основное требование к прибору с электроподжигом – подключение устройства к электрической сети напряжением 220 вольт.

Для этого в комплекте плиты есть шнур – трехжильный кабель сечением не меньше 1,5 мм, заканчивающийся вилкой с заземлением. Поблизости от места установки прибора монтируют розетку с заземляющим контуром.

Для обеспечения дополнительной безопасности на общем входящем щитке устанавливают специальное устройство защитного отключения, которое блокирует сеть в случае утечки тока.

Важно. Для проведения работ лучше пригласить специалиста-электрика.

Пьезоэлектрические свойства горных пород

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 [5] .

Преимущества и недостатки пьезопечати

С помощью пьезоэлектрической технологии удается взять под контроль весь процесс струйной печати — от выбора объема капли и толщины струи, до скорости выброса чернил на бумагу. Эта возможность позволяет более точно выбирать настройки под определенные задачи, материалы и форматы полиграфии.

К другим преимуществам пьезопечати относят:

  • высокое качество, естественную цветопередачу — походит для изготовления фотографий;
  • надежность системы — головка устанавливается непосредственно на принтер, а не на сменный картридж, благодаря чему служит долго;
  • возможность работы с разными изображениями — достигаются нужные характеристики картинки;
  • энергоэффективность — в отличие от матричных принтеров, для перемещения печатающей головки не требуется прилагать особых усилий, так как у нее небольшая масса.
Читайте также  Жидкие обои с рисунком видео

При этом технология не лишена недостатков. Порой для получения качественного результата необходимо, чтобы печатающая головка прошла по рабочей поверхности несколько раз. Это повышает стоимость и увеличивает срок печати.

При смене картриджей существует риск попадания воздуха в сопла. Они закупориваются, и качество печати заметно снижается. Для исправления ситуация требуется очистка механизма.

Картриджи для принтера Epson Stylus

К печатным материалам предъявляют особые требования. Так как чернила достаточно жидкие, на рыхлой бумаге они могут расплываться и контуры изображения будут нечеткими. Поэтому лучше использовать носители высокого качества, например, мелованную бумагу.

Несколько лет назад компания Epson разработала новые чернила, которыми можно печатать практически на любой бумаге. Они устойчивы к УФ-излучению и влаге.

Смотрите видеообзор пьезоэлектрического струйного принтера Epson L800:

Пьезоэлектрический излучатель от австрийской компании по производству микропроцессоров USound, которая только что получила дополнительный транш акций, увеличивая последний раунд финансирования до 30 миллионов долларов.

Согласно заявлению компании, эти дополнительные средства ускорят эволюцию следующего поколения микроспикеров MEMS, которые способны увеличить время автономной работы беспроводных наушников и других носимых устройств до 12 часов. USound надеется обеспечить рыночный переход от электродинамических драйверов к твердотельной технологии с помощью следующего поколения своих пьезоэлектрических MEMS Ganymede.

Микро звуковая технология

Микроэлектронные динамики USound последнего поколения уже гарантируют увеличенный срок службы аккумулятора для беспроводных наушников более, чем на 50% по сравнению с электродинамическими системами. Инновационные устройства, которые скоро появятся в продаже, будут включать в себя интеллектуальный аудио усилитель с рекуперацией электрической энергии, который, по заявлениям США, создаст самую совершенную и компактную микро аудио систему на рынке.

«Это значительно снизит энергопотребление устройства, обеспечивая до 12 часов автономной работы для беспроводных наушников в частности и других носимых приборов в общем»

, — заявляют представители компании.

Пьезоэлектрический излучатель MEMS от USound не только значительно снижают энергопотребление аудиосистемы, но также обеспечивают уменьшение размера и веса корпуса любой переносимой аудио системы, потенциально повышая комфорт и эргономику для конечного потребителя. В результате новейших разработок, его изготовление может быть полностью автоматизировано, что позволяет снижать затраты на производство.

Принцип работы пьезоэлектрического излучателя

В основе технологии кремниевых пьезоэлектрических излучателей USound MEMS лежит мембрана, установленная на нескольких кантилеверах из PZT (титаната цирконата свинца). Когда на этот материал подается напряжение, кристаллы в PZT расширяются или сжимаются, заставляя мембрану вибрировать. Несколько консолей создают перемещение растяжения и сжатия, толкая звуковой элемент вверх и вниз. Это заменяет традиционную катушку, движущуюся в магнитном поле, как в обычных динамиках. Наконец, установка мембраны и пластины закрывает акустический ярлык и увеличивает эффективную площадь, тем самым позволяя генерировать звук с расширенной полосой пропускания.

При таком подходе вырабатывается меньше тепла, а также меньше искажений звука из-за меньшего количества движущихся частей, что создает общую более надежную систему — в отличие от обычных акустических систем. Благодаря мощным и эффективным пьезоприводам колонки MEMS могут иметь толщину всего 1 мм и уменьшаться до размера 3х3 мм. Кроме того, преобразователи USound представляют собой полностью интегрированные решения, поддерживающие дополнительные функции, такие как голосовые отпечатки, встроенные в схему микрофона и АЦП.

Универсальные свойства кремния в пьезоэлектрическом излучателе

«Благодаря своим универсальным механическим и электрическим свойствам, кремний захватил господство в мире микроэлектроники и микромеханики. Благодаря технологиям CMOS (дополнительный металлооксидный полупроводник) и MEMS (микроэлектромеханические системы), которые дает этот материал, электронные устройства могут взаимодействовать с окружающей средой. Эта комбинация позволила создать такие категории электроники, как смартфоны и переносимые устройства, которые принадлежали бы научной фантастике тридцать лет назад »

USound надеется обеспечить переход рынка от электродинамических драйверов к твердотельной технологии, и такие продукты, как пьезоэлектрические излучатели MEMS Ganymede, будут несомненно иметь рыночный эффект, аналогичный светодиодной технологии. Микро-динамики MEMS от USound устойчивы к ударам, их можно индивидуально адаптировать к рабочей среде, а также контролировать пиковые и повышенные уровни передачи сигнала. Несколько драйверов также могут быть интегрированы в очень маленькие объемы.

Микро-аудиосистемы USound, включая усилитель звука с рекуперацией энергии, появятся в продаже в третьем квартале 2019 года.

Заключение

В этой статье мы рассмотрели вопросы использования пищалки в проектах Arduino: разобрались с пассивным и активным зуммерами, осветили некоторые теоретические вопросы по строению пьезоэлемента. Узнали, как подключить пьезопищалку к ардуино и как запрограммировать скетч для работы с активными, пассивными модулями. Как видно, ничего особенно сложного в работе с зуммерами нет и вы сможете легко включить аудио возможности в свой проект. Причем помимо обычных гудков вы можете создавать целые музыкальные произведения.

Надеемся, что статья будет вам полезной. Если же вы хотите узнать, как работать с более качественным звуком, то приглашаем прочитать статью про MP3 и WAV аудио и музыку в ардуино.

Устройство пьезоизлучателя (пьезодинамика)

Благодаря низкой стоимости и малого потребления энергии, по сравнению с динамиками, пьезокерамические излучатели звука (пьезодинамики) — акустические устройства для воспроизведения звука, использующие пьезоэлектрический эффект. Пьезоизлучатели получили широкое распространение: их используют в различных устройствах — будильниках, телефонах, игрушках и в другой технике.

Фото. Устройство пьезоизлучателя (пьезопищалки) и динамика

По сравнению с традиционными электромагнитными преобразователями звука, пьезоизлучатели имеют простую конструкцию. Пьезокерамический излучатель состоит из металлической пластины, на которую нанесена пьезоэлектрическая керамика, имеющая токопроводящее напыление. Пластина и напыление являются контактами пьезоизлучателя (буззера), при этом устройство имеет полярность — плюс и минус.

Принцип действия излучателей основан на эффекте, открытом братьями Кюри в 1880 г. В пьезокристаллах под действием механических сил на сдвиг, изгиб или кручение образуются электрические заряды. Кроме «прямого» эффекта существует и обратный эффект — если подать электричество на кристалл, то он начнет деформироваться. При частых колебаниях кристалла создается звуковая волна с заданной частотой.

Звукосниматели для гитары. FAQ#1. Что такое? Как работают?

Не хочешь смотреть рекламу? Зарегистрируйся!

Всем привет! Сегодня начнем говорить о звукоснимателях. Поехали!

Для начала немного справочной информации:

01 Производители звукоснимателей

02 Производители звукоснимателей для акустических гитар
(пьезо-звукосниматели и т.п.)

03 Схемы распайки звукоснимателей

04 Общая информация и основы

Звукосниматель – это устройство преобразующее энергию колебания струн в электрический сигнал. По типу преобразовываемой энергии звукосниматели делятся на пьезоэлектрические и электромагнитные.

Пьезо-звукосниматели

Пьезоэлектрические звукосниматели при более сложной физике преобразования механической энергии непосредственно в электрическую, являетюся простыми и прогнозируемым устройствоми.
Пьезозвукосниматель — это пьезокристал с обкладками из проводника, поэтому его свойства полностью заранее определены физическими свойствами этого кристалла. Пьезодатчики используют для озвучивания акустических гитар, поскольку они, как и микрофон, преобразуют в той или иной степени в электрический сигнал все колебания системы «корпус-струны». Кроме того, пьезодатчики работают со струнами абсолютно любого типа.

Пьезозвукосниматели бывают в основном двух типов:

• в виде стержня, который кладется под порожек и снимает в первую очередь колебания струн;

Читайте также  Оформление стены бабочками

• в виде кружочков разного размера (площади), которые прикрепляются к корпусу гитары и снимают в первую очередь колебания деки.

Разумное сочетание правильно установленных пьезодатчиков даст очень правдоподобный акустический звук с минимумом шумов.

Электромагнитные звукосниматели

Электромагнитный звукосниматель, по существу, представляет собой магнит с катушкой индуктивности.
Струны, обычно, изготавливают из ферримагнитных материалов, обычно из металлического сердечника со стальной или никелевой обмоткой.

Звукосниматель приобретает свои магнитные свойства благодаря магниту, закрепленному у основания датчика, либо благодаря нескольким магнитным сердечникам. Сердечники – это такие металлические цилиндры, которые выступают из звукоснимателя под каждой струной. Сердечники обмотаны проволокой (обычно медной). Такая конструкция представляет собой катушку индуктивности.
Такой набор из нескольких сердечников, обмотанных медной проволокой называют катушкой звукоснимателя.

При колебании струн в постоянном магнитном поле, в катушке индуктивности, как известно из школьного курса физики, возникает электродвижущая сила (ЭДС). Сие явления, если мне не изменяет память, открыл г-н Фарадей, а само явление стали называть электромагнитной индукцией.

В общем, именно так в звукоснимателе возникает электрический сигнал, который потом, проходя цепь примочек и усилитель, попадает нам в уши и слышится, как звук гитары.

Существует три основных типа магнитов, используемых для пассивных звукоснимателей: Алнико 2 (Alnico II), Алнико 5 (Alnico V) и Керамика (Ceramic).

Алнико 2 дает самый низких выход (т.е. самый слабый сигнал) и мягкое, теплое и более басовое звучание из всех 3 типов магнитов. Алнико 5 дает более высокий выход и более высоко и среднечастотное звучание по сравнению с Алнико 2. Керамика дает самый большой выход и самое высокочастотное звучание.
На самом деле, и Алнико 2 и Алнико 5 могут звучать хорошо, как на чистом звуке, так и с дисторшеном, в то время как, керамические звукосниматели, в основном, на чистом звуке звучат не очень хорошо, но отлично при сильном дисторшене.

В зависимости от типа проволоки, используемой для обмотки (ее толщины, такого как она была сделана и т.п), очень сильно может разниться звук датчика. Производители обычно не приводят информацию о том, какую проволоку они применяют в своих звукоснимателях, чтобы защитить свою формулу звука. Однако известно, что чем больше витков в катушке, тем выше выход и басистей тон.

Как вы могли заметить, если играть ближе к бриджу гитары (даже не подключенной), то звук будет тише и выше, нежели при игре около грифа. При изготовлении первых звукоснимателей этот факт не был учтен, и бриджевый датчик звучал высоко и тихо, а нековый звукосниматель – громко и басисто. Со временем, люди стали осознавать этот факт, что если добавить витков к бриждевому датчику, то он будет звучат более громко и басовито, и если сделать меньше витков у некового датчика, то он станет звучать тише и выше. Таким вот образом можно добиться отличного баланса между звукоснимателями.
Обычно бриджевый звукосниматель звучит более высоко, чем нековый, но не всегда.

С использованием материалов: ГП Wiki и ultimate-guitar.com

В следующий раз поговорим о синглах и хамбекерах, активных и пассивных датчиках, ну и, вообще, рассмотрим калссификацию звукоснимателей более подробно.

Дополнения, исправления, комментарии приветствуются. Друзья, пишите в каммменты.

Не хочешь смотреть рекламу? Зарегистрируйся!