Уводзіны ў п'езаэлектрычныя матэрыялы і тэхнічныя параметры

П'езаэлектрычны матэрыял п'езакераміка - гэта крышталічныя матэрыялы, якія ствараюць напружанне паміж двума канцамі пры ўжыванні ціску. У 1880 г. французскія фізікі П. Кюры і браты Ж. Кюры выявілі, што калі цяжкі прадмет размяшчаецца на крышталі кварца, некаторыя паверхні крышталя будуць ствараць зарады, і колькасць зарада прапарцыйная ціску. Гэта з'ява называецца п'езаэлектрычным эфектам. Адразу пасля гэтага браты Кюры адкрылі зваротны п'езаэлектрычны эфект, гэта значыць п'езаэлектрычнае цела дэфармуецца пад дзеяннем вонкавага электрычнага поля. Механізм п'езаэлектрычнага эфекту такі: крышталь з п'езаэлектрычнасцю мае нізкую сіметрыю. Калі ён дэфармуецца знешняй сілай, адноснае зрушэнне станоўчых і адмоўных іёнаў у элементарнай ячэйцы прымушае станоўчы і адмоўны зарадавыя цэнтры больш не перакрывацца, што прыводзіць да макраскапічнай палярызацыі крышталя, у той час як павярхоўная шчыльнасць зарада крышталя роўная праекцыі інтэнсіўнасці палярызацыі на нармальны кірунак паверхні, таму, калі п'езаэлектрычны матэрыял дэфармуецца ціскам, на двух з'явяцца зарады супрацьлеглых знакаў. канцы п'езаэлектрычнага матэрыялу. І наадварот, калі п'езаэлектрычны матэрыял палярызаваны ў электрычным полі, матэрыял дэфармуецца з-за зрушэння цэнтра зарада.

 

Датчык п'езаэлектрычнай пласціны можа генераваць электрычныя палі з-за механічнай дэфармацыі, а таксама можа генераваць механічную дэфармацыю з-за дзеяння электрычных палёў. Гэты ўласцівы электрамеханічны эфект сувязі робіць п'езаэлектрычныя матэрыялы шырока выкарыстоўванымі ў тэхніцы. Напрыклад, п'езаэлектрычныя матэрыялы выкарыстоўваліся для стварэння разумных структур. У дадатак да здольнасці да самападтрымкі такія структуры таксама выконваюць такія функцыі, як самадыягностыка, самаадаптацыя і самааднаўленне, і будуць гуляць важную ролю ў будучай канструкцыі самалётаў.

 

Тэхнічныя параметры п'езаэлектрычных матэрыялаў:

 

Каэфіцыент п'езаэлектрычнасці d33

 

П'езаэлектрычны каэфіцыент - гэта каэфіцыент пераўтварэння п'езаэлектрычная кераміка Крышталь , які пераўтварае механічную энергію ў электрычную або электрычную энергію ў механічную, адлюстроўваючы ўзаемасувязь паміж пругкімі і дыэлектрычнымі ўласцівасцямі п'езаэлектрычных матэрыялаў

 

Свабодная дыэлектрычная пранікальнасць ε T33 (свабодная дыэлектрычная пранікальнасць)

 

Дыэлектрычная пранікальнасць пры нулявой (або пастаяннай) дэфармацыі, выражаная ў фарадах/метр.

 

Адносная дыэлектрычная пранікальнасць ε Tr3 (адносная дыэлектрычная пранікальнасць)

 

Стаўленне дыэлектрычнай пранікальнасці ε T33 да дыэлектрычнай пранікальнасці вакууму ε 0, ε Tr3= ε T33/ ε 0, з'яўляецца беспамернай фізічнай велічынёй.

 

Дыэлектрычныя страты (дыэлектрычныя страты)

 

Дыэлектрык - гэта энергія, страчаная ў дыэлектрыку з-за працэсу рэлаксацыі электрычнай палярызацыі і праводнасці ўцечкі пад дзеяннем электрычнага поля.

 

Тангенс кута страт tg δ (тангенс кута страт)

 

Пад дзеяннем сінусоіднага пераменнага электрычнага поля ток, які цячэ ў ідэальным дыэлектрыку, на 90 0 апярэджвае фазу напружання, але ва ўзоры п'езаэлектрычнай керамікі з-за страт энергіі фазавы вугал ψ токаводу менш 900, а яго дадатковы вугал δ ( δ + ψ =900) называецца вуглом страт, які з'яўляецца беспамерным фізічным колькасць. Людзі звычайна выкарыстоўваюць тангенс страт tg δ для адлюстравання памеру дыэлектрычных страт, які ўяўляе сабой стаўленне актыўнай магутнасці (магутнасці страт) P дыэлектрыка да рэактыўнай магутнасці Q . Гэта значыць: электрычны каэфіцыент якасці Qe (электрычны каэфіцыент якасці)

 

Значэнне электрычнага каэфіцыента якасці роўна зваротнаму значэнню тангенса страт узору, выражанаму Qe, які з'яўляецца беспамернай фізічнай велічынёй. Калі для прадстаўлення п'езаэлектрычнага ўзору керамікі ў пераменным электрычным полі выкарыстоўваецца паралельная эквівалентная схема, то Qe=1/ tg δ = ω CR

 

Механічны каэфіцыент якасці Qm (механічны каэфіцыент якасці)

 

Стаўленне механічнай энергіі, назапашанай П'езаэлектрычны пласціністы вібратар у рэзананс з механічнай энергіяй, страчанай за адзін цыкл, называецца механічнай якасцю. Сувязь паміж ім і параметрамі асцылятара такая: Каэфіцыент Пуасона

 

Каэфіцыент Пуасона адносіцца да суадносін бакавога адноснага ўсаджвання і падоўжнага адноснага падаўжэння цвёрдага цела пад напругай і з'яўляецца беспамернай фізічнай велічынёй, якая выражаецца праз δ : δ = - S 12 /S11

 

Частата паслядоўнага рэзанансу fs (частата паслядоўнага рэзанансу)

 

Рэзанансная частата паслядоўнай галіны ў эквівалентнай схеме п'езаэлектрычнага вібратара называецца паслядоўнай рэзананснай частатой і выражаецца праз fs ,

Паралельная рэзанансная частата fp (паралельная рэзанансная частата)

 

Рэзанансная частата паралельнай галіны ў эквівалентнай схеме п'езаэлектрычнага вібратара называецца паралельнай рэзананснай частатой, прадстаўленай fp, гэта значыць fp = рэзанансная частата fr (рэзанансная частата)

 

Ніжняя частата з пары частот, якая робіць прымальнасць п'езаэлектрычнага вібратара роўнай нулю, называецца рэзананснай частатой, прадстаўленай fr .

 

Антырэзанансная частата fa (антырэзанансная частата)

 

Больш высокая частата з пары частот, якая робіць прымальнасць п'езаэлектрычнага вібратара роўнай нулю, называецца антырэзананснай частатой і выражаецца праз fa.

 

Максімальная частата допуску fm (максімальная частата допуску)

 

Частата, пры якой допуск п'езаэлектрычнага вібратара вялікі, называецца вялікай частатой допуску. У гэты час імпеданс вібратара малы, таму яго таксама называюць частатой малога імпедансу, выражанай f m.

 

Малая частата допуску fn (мінімальная частата допуску)

 

Частата, пры якой допуск п'езаэлектрычнага вібратара малы, называецца частатой малога допуску. У гэты час імпеданс вібратара вялікі, таму яго таксама называюць частатой вялікага імпедансу, якая выражаецца f n.

 

асноўная частата

 

Нізкая рэзанансная частата ў дадзеным рэжыме вібрацыі называецца частатой тангажу і звычайна становіцца асноўнай частатой.

 

Частата абертонаў (асноўная частата)

 

Рэзанансныя частоты, акрамя асноўнай частоты ў дадзеным рэжыме вібрацыі, называюцца частотамі абертонаў.

 

тэмпературная стабільнасць

 

Тэмпературная стабільнасць адносіцца да характарыстыкі, што прадукцыйнасць п'езаэлектрычнай керамікі змяняецца з тэмпературай.

 

Пры пэўнай тэмпературы, калі тэмпература змяняецца на 1 ° C, стаўленне лікавага змены пэўнай частаты да лікавага значэння частаты пры гэтай тэмпературы называецца тэмпературным каэфіцыентам частаты TKf.

 

Акрамя таго, вялікі адносны дрэйф звычайна выкарыстоўваецца для характарыстыкі тэмпературнай стабільнасці пэўнага параметру.

 

Адносны зрух частоты пры станоўчай тэмпературы = △ fs (вялікая плюсавая тэмпература)/fs (25 ℃ )

 

Вялікі адносны зрух частоты пры адмоўнай тэмпературы = △ fs (вялікая адмоўная тэмпература)/fs (25 ℃ )

 

Электрамеханічны каэфіцыент сувязі (ELECTRO MECHANICAL COUPPLING COEFFICIENT)

 

Каэфіцыент электрамеханічнага ўзаемадзеяння K з'яўляецца квадратным коранем з адносіны квадрата шчыльнасці энергіі пругка-дыэлектрычнага ўзаемадзеяння V122 да твору назапашанай шчыльнасці пругкай энергіі V1 і шчыльнасці дыэлектрычнай энергіі V2.

 

У п'езаэлектрычнай кераміцы звычайна выкарыстоўваюцца наступныя пяць асноўных каэфіцыентаў сувязі

 

A. Плоскі каэфіцыент электрамеханічнага ўзаемадзеяння KP (адлюстроўвае палярызацыю і электрычнае ўзбуджэнне тонкага дыска ўздоўж напрамку таўшчыні і з'яўляецца параметрам электрамеханічнага эфекту сувязі падчас радыяльнай расцягвальнай вібрацыі.)

 

B. Папярочны электрамеханічны каэфіцыент сувязі K31 (параметры, якія адлюстроўваюць электрамеханічны эфект сувязі тонкай паласы ўздоўж таўшчыні, палярызацыю і электрычнае ўзбуджэнне вібрацыі пры расцяжэнні па даўжыні.)

 

C. Падоўжны электрамеханічны каэфіцыент сувязі K33 (параметр, які адлюстроўвае электрамеханічны эфект сувязі тонкага стрыжня ўздоўж напрамку даўжыні палярызацыі і электрычнага ўзбуджэння для вібрацыі расцяжэння па даўжыні.)

 

Д. Электрамеханічны каэфіцыент сувязі КТ расцяжэння па таўшчыні

 

E. Каэфіцыент электрамеханічнага зруху па таўшчыні K15 (адлюстроўвае палярызацыю прамавугольнай пласціны ўздоўж напрамку даўжыні, кірунак электрычнага поля ўзбуджэння перпендыкулярны кірунку палярызацыі і выкарыстоўваецца ў якасці параметра для эфекту электрамеханічнага зруху падчас вібрацыі зруху па таўшчыні.)

 

Канстанта п'езаэлектрычнай дэфармацыі D (П'ЕЗАЭЛЕКТРЫЧНАЯ КАНСТАНАТА ДЭФАРМІІ)

 

Канстанта п'езаэлектрычнай дэфармацыі - гэта стаўленне змены кампанента дэфармацыі SI да змены EI, выкліканага змяненнем кампанента электрычнага поля E пры ўмове, што і напружанне T, і кампанент электрычнага поля EM (M ≠ I) пастаянныя.

 

Канстанта п'езаэлектрычнага напружання G (П'ЕЗАЭЛЕКТРЫЧНАЯ КАНСТАНАТА НАПРУЖАННЯ)

 

Канстанта - гэта стаўленне змены кампанента напружанасці электрычнага поля EI, выкліканага змяненнем кампанента напружання TI, да змены TI пры ўмове, што электрычнае зрушэнне D і кампанент напружання TN (N ≠ I) пастаянныя.

 

Тэмпература Кюры TC (CURIE TEMPERATURE)

 

П'езаэлектрычная кераміка мае п'езаэлектрычны эфект толькі ў пэўным дыяпазоне тэмператур. Ён мае крытычную тэмпературу TC. Калі тэмпература вышэй за TC, у п'езаэлектрычнай кераміцы адбываецца структурны фазавы пераход. Гэтая крытычная тэмпература TC называецца тэмпературай Кюры.

 

Тэмпературная стабільнасць (TEMPERATURE STABILITY)

 

Адносіцца да характарыстык прадукцыйнасці п'езаэлектрычныя керамічныя пераўтваральнікі , якія змяняюцца з тэмпературай. Як правіла, існуе два метады для апісання тэмпературнай стабільнасці: тэмпературны каэфіцыент або вялікі адносны дрэйф.

 

Хуткасць старэння ў дзесяць разоў (ХУТКАСЦЬ СТАРЭННЯ ЗА ДЗЕСЯЦІГОДЗЕ) Y уяўляе сабой пэўны параметр

 

Пастаянная частата (FREQUENCY CONSTANT)

 

Для радыяльных і папярочных рэжымаў вібрацыі з расцягам па даўжыні канстанта частоты з'яўляецца здабыткам паслядоўнай рэзананснай частаты і памеру элемента (дыяметра або даўжыні), які вызначае гэтую частату. Для рэжымаў вібрацыі падоўжнай даўжыні і таўшчыні і зруху пры расцяжэнні канстанта частоты з'яўляецца здабыткам частоты паралельнага рэзанансу і памеру вібратара (даўжыні або таўшчыні), які вызначае гэту частату, і яе адзінкі: Гц.М