압전 효과는 19세기 말 프랑스 과학자 퀴리 형제에 의해 발견되었습니다. 그 당시에는 발견된 현상의 실제 적용에 대해 이야기하기에는 너무 이르지만 현재 압전 소자는 기술과 일상 생활 모두에서 널리 사용됩니다.
압전 효과의 본질
유명한 물리학자들은 일부 결정체(바위 수정체, 전기석 등)가 변형될 때 표면에 전하가 발생한다는 사실을 확인했습니다. 동시에 전위차는 작았지만 당시 존재하던 소자로 확실하게 고정되었고, 극성이 반대인 부분을 도체를 이용하여 연결함으로써 다음을 얻을 수 있었다. 전기. 이 현상은 압축 또는 스트레칭의 순간에 역학에서만 고정되었습니다. 정적 모드에서의 변형은 압전 효과를 일으키지 않았습니다.
곧 반대 효과가 이론적으로 정당화되고 실제로 발견되었습니다. 전압이 가해지면 결정이 변형됩니다.두 현상이 서로 연결되어 있음이 밝혀졌습니다. 물질이 직접적인 압전 효과를 나타내면 그 반대도 내재되어 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
이러한 현상은 약간의 다결정구조 뿐만 아니라 비대칭성이 충분한 이방성 결정격자(방향에 따라 물성이 다른 물질)를 갖는 물질에서 관찰된다.
어떤 고체에서도 외력이 가해지면 변형과 기계적 응력이 발생하고, 압전효과가 있는 물질에서는 전하의 분극도 일으키며 분극은 가해지는 힘의 방향에 따라 달라집니다. 노광 방향을 바꾸면 편광 방향과 전하의 극성이 모두 바뀝니다. 기계적 응력에 대한 분극의 의존성은 선형이며 식 P=dt로 설명됩니다. 여기서 t는 기계적 응력이고 d는 압전 모듈(압전 모듈)이라고 하는 계수입니다.
역 압전 효과에서도 유사한 현상이 발생합니다. 인가된 전기장의 방향이 변경되면 변형 방향이 변경됩니다. 여기서 종속성은 선형입니다. r=dE, 여기서 E는 전기장 강도이고 r은 변형률입니다. 계수 d는 모든 물질에 대한 직접 및 역 압전 효과에 대해 동일합니다.
사실 위 방정식은 추정치일 뿐입니다. 실제 종속성은 훨씬 더 복잡하고 결정 축에 대한 힘의 방향에 의해 결정됩니다.
압전 효과가 있는 물질
처음으로 압전 효과는 암석 결정(석영)에서 발견되었습니다. 오늘날까지 이 소재는 압전소자의 생산에 매우 일반적이지만 천연 소재만이 생산에 사용되는 것은 아닙니다.
많은 압전 소자는 ABO 공식을 갖는 물질로 만들어집니다.3, 예: BaTiO3, 로비3. 이러한 물질은 다결정(많은 결정으로 구성) 구조를 가지고 있으며 압전효과를 나타내기 위해서는 외부 전기장을 이용하여 분극되어야 한다.
필름 압전 소자(폴리비닐리덴 플루오라이드 등)를 얻을 수 있는 기술이 있습니다. 필요한 특성을 부여하려면 전기장에서 오랫동안 분극되어야 합니다. 이러한 재료의 장점은 두께가 매우 얇다는 것입니다.
압전 효과가 있는 물질의 특성 및 특성
분극은 탄성 변형 동안에만 발생하기 때문에 압전 재료의 중요한 특성은 외력의 작용에 따라 모양을 변경하는 능력입니다. 이 능력의 값은 탄성 컴플라이언스(또는 탄성 강성)에 의해 결정됩니다.
압전 효과가 있는 결정은 탄성이 매우 높아 힘(또는 외부 응력)이 제거되면 원래 모양으로 돌아갑니다.
압전 결정은 또한 자체 기계적 공진 주파수를 가지고 있습니다. 이 주파수에서 수정을 진동시키면 진폭이 특히 커집니다.
압전 효과는 전체 결정뿐만 아니라 특정 조건에서 절단 된 판에 의해서도 나타나기 때문에 기하학적 치수와 절단 방향에 따라 다른 주파수에서 공진하는 압전 물질 조각을 얻을 수 있습니다.
또한, 압전 재료의 진동 특성은 기계적 품질 요소를 특징으로 합니다. 공진 주파수에서 진동의 진폭이 동일하게 적용된 힘으로 몇 배 증가하는지 보여줍니다.
결정을 사용할 때 반드시 고려해야 하는 온도에 대한 압전 특성의 분명한 의존성이 있습니다. 이 의존성은 계수로 특징 지어집니다.
- 공진 주파수의 온도 계수는 수정이 가열/냉각될 때 공명이 사라지는 정도를 보여줍니다.
- 온도 팽창 계수는 압전판의 선형 치수가 온도에 따라 얼마나 변하는지를 결정합니다.
특정 온도에서 압결정은 특성을 잃습니다. 이 한계를 퀴리 온도라고 합니다. 이 제한은 각 재료에 대해 개별적입니다. 예를 들어 석영의 경우 +573 °C입니다.
압전 효과의 실용화
압전 소자의 가장 유명한 응용은 점화 소자입니다. 압전 효과는 가스 스토브용 포켓 라이터 또는 주방 점화기에 사용됩니다. 수정을 누르면 전위차가 발생하고 에어 갭에 스파크가 발생합니다.
압전 소자의 이 적용 영역은 소진되지 않습니다. 유사한 효과를 가진 크리스탈을 스트레인 게이지로 사용할 수 있지만 이 사용 영역은 압전 효과의 특성으로 인해 역학에서만 나타나도록 제한됩니다. 변경 사항이 중지되면 신호 생성이 중지됩니다.
압전 결정은 마이크로 사용할 수 있습니다. 음파에 노출되면 전기 신호가 형성됩니다. 역 압전 효과는 또한 음향 방출기와 같은 요소의 사용을 (때로는 동시에) 허용합니다. 전기 신호가 수정에 적용되면 압전 소자가 음파를 생성하기 시작합니다.
이러한 이미 터는 특히 의료 기술에서 초음파를 생성하는 데 널리 사용됩니다. ~에 이것 판의 공진 특성도 사용할 수 있습니다.고유 주파수파만을 선별하는 음향 필터로 사용할 수 있습니다. 또 다른 옵션은 음향 발생기(사이렌, 감지기 등)의 압전 소자를 주파수 설정 및 음향 방출 소자로 동시에 사용하는 것입니다. 이 경우 항상 공진 주파수에서 소리가 발생하며 적은 에너지 소비로 최대 볼륨을 얻을 수 있습니다.
공진 속성은 무선 주파수 범위에서 작동하는 발전기의 주파수를 안정화하는 데 사용됩니다. 석영판은 주파수 설정 회로에서 매우 안정적이고 고품질인 진동 회로의 역할을 합니다.
탄성 변형 에너지를 산업적 규모의 전기 에너지로 변환하는 환상적인 프로젝트가 여전히 있습니다. 예를 들어 보행자나 자동차의 중력의 영향으로 포장의 변형을 사용하여 트랙의 섹션을 밝힐 수 있습니다. 항공기 날개의 변형 에너지를 사용하여 항공기 네트워크를 제공할 수 있습니다. 이러한 사용은 압전 소자의 불충분한 효율로 인해 제약을 받고 있지만, 이미 파일럿 플랜트가 만들어졌으며 더 나은 개선 가능성을 보여주었습니다.
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