Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο (ελληνικά piezo - πίεση και ηλεκτρισμός) είναι ένα φαινόμενο που χαρακτηρίζει την εμφάνιση ηλεκτρικής πόλωσης (επαγωγή) υπό την επίδραση μηχανικής καταπόνησης ή την εμφάνιση παραμόρφωσης υπό την επίδραση ηλεκτρικό πεδίοσε ορισμένες ουσίες (πιεζοκρύσταλλοι). Εάν μια πιεζοηλεκτρική πλάκα, κομμένη με συγκεκριμένο τρόπο, υποβάλλεται σε μηχανική καταπόνηση (συμπίεση, τάση, διάτμηση), τότε στην επιφάνειά της εμφανίζονται ηλεκτρικά φορτία λόγω πόλωσης - αυτό είναι το λεγόμενο άμεσο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. όταν εισάγετε ένα τέτοιο πιάτο σε ηλεκτρικό πεδίοεμφανίζεται η παραμόρφωσή του, γραμμικά ανάλογα με την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου - το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.
Ο μηχανισμός του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου εξηγείται από την εμφάνιση ή την αλλαγή της διπολικής ροπής της μονάδας κυψέλης του κρυσταλλικού πλέγματος ως αποτέλεσμα της μετατόπισης φορτίου υπό την επίδραση μηχανικής καταπόνησης. Όταν ένα ηλεκτρικό πεδίο δρα σε στοιχειώδη φορτία σε ένα στοιχείο, αυτά μετατοπίζονται και, κατά συνέπεια, αλλάζουν τις μέσες αποστάσεις μεταξύ τους, δηλ. παραμόρφωση (αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο).
Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1880 από τους αδελφούς P. και J. Curie, οι οποίοι το παρατήρησαν στον χαλαζία και σε μερικούς άλλους κρυστάλλους.
Απαραίτητη προϋπόθεση για την ύπαρξη του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου είναι η απουσία κέντρου συμμετρίας στον κρύσταλλο. Μόνο σε αυτή την περίπτωση η εφαρμογή τάσεων μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση μη αντισταθμισμένου ηλεκτρικού φορτίου, δηλ. στην εμφάνιση πόλωσης. Τα πιεζοηλεκτρικά είναι ο χαλαζίας, η τουρμαλίνη, το άλας σεγκέτ, το τιτανικό βάριο, το διόξινο φωσφορικό κάλιο, το σουλφοϊωδιούχο αντιμόνιο, το θειούχο κάλιο κ.λπ. Είναι επίσης εγγενές στα ανθρώπινα οστά.
Η αρχή του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου χρησιμοποιείται στην κατασκευή δεκτών κραδασμών υπερήχων. Το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο χρησιμοποιείται για την παραγωγή υπερήχων και όλες οι θεραπευτικές συσκευές υπερήχων βασίζονται σε αυτό το φαινόμενο. Η ουσία της λήψης υπερήχων είναι η εξής. Εάν εφαρμόζεται εναλλασσόμενο ρεύμα στις ακραίες επιφάνειες μιας πιεζοκρυσταλλικής πλάκας κόβεται με συγκεκριμένο τρόπο χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια ηλεκτρική τάση, τότε το πάχος του θα μειώνεται εναλλάξ ανάλογα με τη συχνότητα του εναλλασσόμενου ρεύματος. Με μείωση του πάχους της πλάκας στις παρακείμενες στρώσεις περιβάλλονσχηματίζεται ένα κενό και καθώς αυξάνεται, τα σωματίδια του μέσου συμπυκνώνονται. Ως αποτέλεσμα περιοδικών αλλαγών στο πάχος της πλάκας, που ονομάζεται πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας, εμφανίζεται ένα υπερηχητικό κύμα στο μέσο, που διαδίδεται σε κατεύθυνση κάθετη στην επιφάνεια της πλάκας. Η αλλαγή στο πάχος των πλακών από πιεζοκρυστάλλους είναι πολύ μικρή, είναι ανάλογη της παρεχόμενης ηλεκτρικής τάσης: AS = L U, όπου AS είναι η αλλαγή στις διαστάσεις της πλάκας: L πιεζοηλεκτρική μονάδα: U είναι η παρεχόμενη τάση.
Για να αυξηθεί η ένταση των υπερηχητικών δονήσεων, χρησιμοποιείται το φαινόμενο του συντονισμού, το οποίο απαιτεί να λαμβάνεται υπόψη η συχνότητα των φυσικών δονήσεων της ουσίας. Εάν η συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης που παρέχεται στον πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο συμπίπτει με τη δική του (συντονιζόμενη) συχνότητα, τότε το πλάτος των κραδασμών της πλάκας θα είναι το μεγαλύτερο. Αντίστοιχα, η ένταση των κυμάτων υπερήχων που διαδίδονται στο περιβάλλον θα είναι επίσης μέγιστη. Με τη σειρά της, η συχνότητα συντονισμού της πλάκας εξαρτάται από το μέγεθός της: όσο πιο λεπτή είναι η πλάκα, τόσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα συντονισμού της. Για παράδειγμα, για μια πλάκα χαλαζία πάχους 1 mm, η συχνότητα συντονισμού αντιστοιχεί σε 2,88 MHz και για μια πλάκα πάχους 0,5 mm, αντιστοιχεί σε 5,76 MHz.
Προηγουμένως, οι πλάκες χαλαζία χρησιμοποιούνταν ως πιεζοηλεκτρικό στοιχείο σε θεραπευτικές συσκευές υπερήχων. Σήμερα αντικαθίσταται από κεραμικά τιτανικού βαρίου, των οποίων η πιεζοηλεκτρική επίδραση είναι πολλαπλάσια.
Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο (πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο) παρατηρείται σε κρυστάλλους ορισμένων ουσιών που έχουν μια ορισμένη συμμετρία. Τα πιο κοινά πιεζοηλεκτρικά ορυκτά στη φύση περιλαμβάνουν τον χαλαζία, την τουρμαλίνη, τον φαλερίτη και τη νεφελίνη. Ορισμένα πολυκρυσταλλικά διηλεκτρικά με διατεταγμένη δομή (κεραμικά υλικά και πολυμερή) έχουν το πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα. Τα διηλεκτρικά που έχουν πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα ονομάζονταιπιεζοηλεκτρικά.
Ρύζι. 1
Οι εξωτερικές μηχανικές δυνάμεις, που δρουν σε ορισμένες κατευθύνσεις σε έναν πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο, προκαλούν όχι μόνο μηχανική παραμόρφωση σε αυτόν (όπως σε κάθε στερεό σώμα), αλλά και ηλεκτρική πόλωση, δηλαδή εμφάνιση ηλεκτρικών φορτίων διαφορετικών σημάτων στις επιφάνειές του (Εικ. 1α, φά- δρώντες δυνάμεις, P - διάνυσμα ηλεκτρικής πόλωσης). Όταν οι μηχανικές δυνάμεις βρίσκονται στην αντίθετη κατεύθυνση, τα σημάδια των φορτίων αλλάζουν(Εικ. 1β). Αυτό το φαινόμενο ονομάζεταιάμεσο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο(Εικ. 2α).
Ρύζι. 2
Αλλά το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι αναστρέψιμο. Όταν ένα πιεζοηλεκτρικό εκτίθεται σε ηλεκτρικό πεδίο προς την κατάλληλη κατεύθυνση, συμβαίνουν μηχανικές παραμορφώσεις σε αυτό (Εικ. 1γ).Όταν αλλάζει η κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου, οι παραμορφώσεις αλλάζουν ανάλογα(Εικ. 1 δ). Αυτό το φαινόμενο ονομάζεταιαντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο(Εικ. 2β) .
Πιεζοηλεκτρικό φαινόμενοεξηγείται ως εξής. Στο κρυσταλλικό πλέγμα, λόγω της αναντιστοιχίας των κέντρων θετικών και αρνητικών ιόντων, υπάρχει ογκομετρικό ηλεκτρικό φορτίο. Ελλείψει εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, αυτή η πόλωση δεν εμφανίζεται, αφού αντισταθμίζεται από φορτία στην επιφάνεια. Όταν ο κρύσταλλος παραμορφώνεται, τα θετικά και αρνητικά ιόντα του πλέγματος μετατοπίζονται μεταξύ τους και η ηλεκτρική ροπή του κρυστάλλου αλλάζει ανάλογα, γεγονός που προκαλεί την εμφάνιση δυναμικών στην επιφάνεια. Αυτή η αλλαγή στην ηλεκτρική ροπή είναι που εκδηλώνεται στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο εξαρτάται όχι μόνο από το μέγεθος της μηχανικής ή ηλεκτρικής κρούσης, αλλά και από τη φύση και την κατεύθυνση των δυνάμεων σε σχέση με τους κρυσταλλογραφικούς άξονες του κρυστάλλου.
Οι παραμορφώσεις του πιεζοηλεκτρικού που προκύπτουν από το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι ασήμαντες σε απόλυτη τιμή. Για παράδειγμα, μια πλάκα χαλαζία πάχους 1 mm υπό την επίδραση τάσης 100 V αλλάζει το πάχος της μόνο κατά 0,23 μικρά. Η ασήμαντη παραμόρφωση των πιεζοηλεκτρικών εξηγείται από την πολύ υψηλή ακαμψία τους.
Τα άμεσα και αντίστροφα πιεζοηλεκτρικά φαινόμενα είναι γραμμικά και περιγράφονται από γραμμικές εξαρτήσεις που συνδέουν την ηλεκτρική πόλωση P με τη μηχανική τάση g:
Р=αg (1).
Αυτή η εξάρτηση ονομάζεται εξίσωση του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Ο συντελεστής αναλογικότητας α ονομάζεται πιεζοηλεκτρική μονάδα (piezoelectric module). Χρησιμεύει ως μέτρο του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο περιγράφεται από την εξάρτηση
r=αE (2),
όπου r είναι παραμόρφωση.
Ε είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου.
Ρύζι. 3
Το πιεζοηλεκτρικό μέτρο α για άμεσες και αντίστροφες επιδράσεις έχει την ίδια τιμή. Πιεζοηλεκτρικοί εκπομποίδεν έχουν μηχανικές επαφές και αποτελούνται από ένα κεραμικό στοιχείο τοποθετημένο σε μεταλλικό δίσκο (Εικ. 3).Η δόνηση του δίσκου προκαλείται από την τάση που εφαρμόζεται σε αυτόν. Μια εναλλασσόμενη τάση ορισμένης συχνότητας δημιουργεί ένα ηχητικό σήμα. Οι πιεζοηλεκτρικοί εκπομποί δεν υπόκεινται σε μηχανική φθορά των δομικών στοιχείων, έχουν χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και δεν έχουν ηλεκτρικό θόρυβο. Με τη βοήθεια πιεζοκεραμικών, είναι δυνατό να ληφθεί σημαντική ένταση ήχου. Ορισμένα δείγματα πιεζοκεραμικών μετατροπέων μπορούν να αναπτύξουν ηχητική πίεση σε απόσταση 1 m έως 130 dB (επίπεδο κατωφλίου πόνου)
Ρύζι. 4
Οι πιεζοηλεκτρικοί εκπομποί διατίθενται σε δύο τροποποιήσεις:
- "καθαροί" μετατροπείς (χωρίς κύκλωμα ελέγχου) - πιεζοκαμπάνες.
- εκπομποί με κύκλωμα ελέγχου (με ενσωματωμένη γεννήτρια) - σειρήνες.
Προκειμένου οι μετατροπείς του πρώτου τύπου να παράγουν ήχους, απαιτούνται παραγόμενα σήματα ελέγχου (ημιτονοειδές κύμα ή τετραγωνικό κύμα συγκεκριμένης συχνότητας που καθορίζεται για ένα συγκεκριμένο μοντέλο μετατροπέα). Οι εκπομποί με ενσωματωμένη γεννήτρια απαιτούν μόνο ένα συγκεκριμένο επίπεδο τάσης. Τέτοιες συσκευές είναι διαθέσιμες για ονομαστικές τάσεις από 1 έως 250 V (DC και AC).
Για παράδειγμα, πιεζοκεραμικό κουδούνι (piezo buzzer) ZP-1 (Εικ. 4)αποτελείται από δύο πιεζοηλεκτρικά μπλοκ, η μεμβράνη καθενός από τα οποία είναι κατασκευασμένη με τη μορφή ρηχής πλάκας με εξωτερική διάμετρο 32 mm. Οι πλάκες στοιβάζονται αντίθετα και συγκολλούνται κατά μήκος του εξωτερικού περιγράμματος. Τα πιεζοστοιχεία στο κουδούνι συνδέονται με τέτοιο τρόπο ώστε όταν εφαρμόζεται εναλλασσόμενη τάση οι επιφάνειες των πλακών είτε να συγκλίνουν είτε να αποκλίνουν, δηλ. Ζώνες συμπίεσης και αραίωσης σχηματίζονται και στις δύο πλευρές του κουδουνιού. Η συχνότητα συντονισμού του κουδουνιού είναι 2 kHz.
Ρύζι. 5
Παράγει ηχητική πίεση 75 dB σε απόσταση 1 m σε τάση στη συχνότητα συντονισμού 10 V. Αυτό το κουδούνι εκπέμπει ηχητικά κύματα εξίσου και στα δύο ημιδιαστήματα. Στον Πίνακα 1δίνονται οι παράμετροι άλλων πιεζοπομπών, εμφάνισηπου φαίνεται στο Σχ. 5. Στο Σχ.6 παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά πλάτους-συχνότητας πιεζοστοιχείων: PVA-1- Σχ.6α και ΖΡ-5 - Εικ.6β.
Πίνακας 1 χαρακτηριστικά πιεζοπομπών
|
Τύπος |
Ήχος πίεση, DB |
Εργαζόμενος Τάση, |
Ηχηρός συχνότητα, kHz |
Διαστάσεις, mm |
|
|
Διάμετρος |
Υψος |
||||
|
ΖΠ-1 |
1...3 |
||||
|
ΖΠ-3 |
4,1 ±0,05 |
42,7 |
|||
|
ΖΠ-4 |
4,1±0,05 |
||||
|
ΖΠ-5 |
1...3 |
||||
|
ΖΠ-6 |
4,1±0,05 |
||||
|
ΖΠ-18 |
4,1 ±0,05 |
||||
|
ΖΠ-19 |
|||||
|
ZP-22* |
1 ...3,5 |
||||
|
ZP-25 |
4,1 ±0,05 |
||||
|
ZP-31 |
|||||
|
PVA-1 |
|||||
|
ΟΛΠ-1 |
|||||
Σημείωση: * - σχεδιασμένο να λειτουργεί σε λειτουργία αυτοταλάντωσης.
Ρύζι. 6, χαρακτηριστικά πλάτους-συχνότητας πιεζοστοιχείων
A. Kashkarov
Χρησιμοποιείται υπερηχογράφημα για τη λήψη
Αντίστροφη πιεζοηλεκτρική επίδραση;
Μαγνητοσυστολή;
Ηλεκτροσυστολή;
Πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο - η επίδραση της πόλωσης ενός διηλεκτρικού υπό την επίδραση μηχανικής καταπόνησης (άμεσο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο). Υπάρχει επίσης ένα αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο - η εμφάνιση μηχανικών παραμορφώσεων υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου.
Αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενοσυνίσταται στο γεγονός ότι μια πλάκα κομμένη με ορισμένο τρόπο από κρύσταλλο χαλαζία (ή άλλο ανισότροπο κρύσταλλο) υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου συμπιέζεται ή επιμηκύνεται ανάλογα με την κατεύθυνση του πεδίου. Εάν τοποθετήσετε μια τέτοια πλάκα ανάμεσα στις πλάκες ενός επίπεδου πυκνωτή, στον οποίο AC τάση, τότε η πλάκα θα περάσει σε εξαναγκασμένους κραδασμούς. Οι κραδασμοί της πλάκας μεταδίδονται σε σωματίδια του περιβάλλοντος (αέρα ή υγρό), το οποίο δημιουργεί ένα υπερηχητικό κύμα.
Το φαινόμενο της μαγνητοσυστολής συνίσταταιείναι ότι οι σιδηρομαγνητικές ράβδοι (χάλυβας, σίδηρος, νικέλιο και τα κράματά τους) αλλάζουν γραμμικές διαστάσεις υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου που κατευθύνεται κατά μήκος του άξονα της ράβδου. Τοποθετώντας μια τέτοια ράβδο σε ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο (για παράδειγμα, μέσα σε ένα πηνίο μέσα από το οποίο ρέει εναλλασσόμενο ρεύμα), θα προκαλέσουμε εξαναγκασμένες ταλαντώσεις στη ράβδο, το πλάτος των οποίων θα είναι ιδιαίτερα μεγάλο στον συντονισμό. Το ταλαντευόμενο άκρο της ράβδου δημιουργεί υπερηχητικά κύματα στο περιβάλλον, η ένταση των οποίων εξαρτάται άμεσα από το πλάτος των ταλαντώσεων του άκρου.
Ορισμένα υλικά (για παράδειγμα, κεραμικά) μπορούν να αλλάξουν τις διαστάσεις τους σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται ηλεκτροδιάσπαση,εξωτερικά διαφέρει από το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο στο ότι η αλλαγή στο μέγεθος εξαρτάται μόνο από την ισχύ του εφαρμοζόμενου πεδίου, αλλά δεν εξαρτάται από το πρόσημο του. Τέτοια υλικά περιλαμβάνουν τιτανικό βάριο και τιτανικό ζιρκονικό μόλυβδο.
Οι μετατροπείς που χρησιμοποιούν τα φαινόμενα που περιγράφηκαν παραπάνω ονομάζονται πιεζοηλεκτρικοί, μαγνητοσυστολείς και ηλεκτροσυστολείς, αντίστοιχα.
Εκπομποί υπερήχων.
Στη φύση, οι υπέρηχοι απαντώνται τόσο ως συστατικό πολλών φυσικών θορύβων (στο θόρυβο του ανέμου, του καταρράκτη, της βροχής, στο θόρυβο των βότσαλων που κυλίονται από το θαλάσσιο σερφ, στους ήχους που συνοδεύουν τις εκκενώσεις καταιγίδας κ.λπ.), όσο και μεταξύ των ήχους του ζωικού κόσμου. Μερικά ζώα χρησιμοποιούν υπερηχητικά κύματα για να ανιχνεύσουν εμπόδια και να πλοηγηθούν στο διάστημα.
Οι εκπομποί υπερήχων μπορούν να χωριστούν σε δύο μεγάλες ομάδες. Το πρώτο περιλαμβάνει εκπομπούς-γεννήτριες. οι ταλαντώσεις σε αυτά διεγείρονται λόγω της παρουσίας εμποδίων στην πορεία μιας σταθερής ροής - ένα ρεύμα αερίου ή υγρού. Η δεύτερη ομάδα εκπομπών είναι ηλεκτροακουστικοί μετατροπείς. μετατρέπουν ήδη δεδομένες διακυμάνσεις της ηλεκτρικής τάσης ή ρεύματος σε μηχανικές δονήσεις ενός στερεού σώματος, το οποίο εκπέμπει ακουστικά κύματα στο περιβάλλον.
Ο ηλεκτρομηχανικός εκπομπός υπερήχων χρησιμοποιεί το φαινόμενο του αντίστροφου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου και αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία (Εικ. 1)
Πλάκες κατασκευασμένες από ουσία με πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες.
Ηλεκτρόδια που εναποτίθενται στην επιφάνειά του με τη μορφή αγώγιμων στρωμάτων.
Μια γεννήτρια που παρέχει εναλλασσόμενη τάση της απαιτούμενης συχνότητας στα ηλεκτρόδια.
Όταν εφαρμόζεται εναλλασσόμενη τάση στα ηλεκτρόδια (2) από τη γεννήτρια (3), η πλάκα (1) υφίσταται περιοδική τάνυση και συμπίεση. Εμφανίζονται εξαναγκασμένες ταλαντώσεις, η συχνότητα των οποίων είναι ίση με τη συχνότητα των μεταβολών της τάσης. Οι κραδασμοί αυτοί μεταδίδονται σε σωματίδια του περιβάλλοντος, δημιουργώντας ένα μηχανικό κύμα με την αντίστοιχη συχνότητα. Το πλάτος των ταλαντώσεων των σωματιδίων του μέσου κοντά στον πομπό είναι ίσο με το πλάτος των ταλαντώσεων της πλάκας.
Τα χαρακτηριστικά του υπερήχου περιλαμβάνουν τη δυνατότητα λήψης κυμάτων υψηλής έντασης ακόμη και με σχετικά μικρά πλάτη δόνησης, καθώς σε ένα δεδομένο πλάτος η πυκνότητα ροής ενέργειας είναι ανάλογη με τετραγωνισμένη συχνότητα.
I = ρ ω 2 ʋ A 2 / 2 (1)
Η μέγιστη ένταση της ακτινοβολίας υπερήχων καθορίζεται από τις ιδιότητες του υλικού των εκπομπών, καθώς και από τα χαρακτηριστικά των συνθηκών χρήσης τους.
Το εύρος έντασης για την παραγωγή ΗΠΑ στην περιοχή USF είναι εξαιρετικά ευρύ: από 10 -14 W/cm 2 έως 0,1 W/cm 2 .
Για πολλούς σκοπούς, απαιτούνται σημαντικά υψηλότερες εντάσεις από αυτές που μπορούν να ληφθούν από την επιφάνεια του πομπού. Σε αυτές τις περιπτώσεις, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την εστίαση.
Δέκτες υπερήχων. Οι ηλεκτρομηχανικοί δέκτες υπερήχων χρησιμοποιούν το φαινόμενο του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου.
Σε αυτή την περίπτωση, υπό την επίδραση ενός υπερηχητικού κύματος, συμβαίνουν δονήσεις της κρυσταλλικής πλάκας (1), με αποτέλεσμα να εμφανίζεται μια εναλλασσόμενη τάση στα ηλεκτρόδια (2), η οποία καταγράφεται από το σύστημα καταγραφής (3).
Στις περισσότερες ιατρικές συσκευές, μια γεννήτρια υπερήχων χρησιμοποιείται επίσης ως δέκτης.
Ιδιότητες του υπερήχου που καθορίζουν τη χρήση του για διαγνωστικούς και θεραπευτικούς σκοπούς (μικρό μήκος κύματος, κατευθυντικότητα, διάθλαση και ανάκλαση, απορρόφηση, βάθος μισής απορρόφησης)
Η θεραπευτική επίδραση του υπερήχου καθορίζεται από μηχανικούς, θερμικούς και χημικούς παράγοντες. Η συνδυασμένη δράση τους βελτιώνει τη διαπερατότητα της μεμβράνης, διαστέλλει τα αιμοφόρα αγγεία, βελτιώνει το μεταβολισμό, γεγονός που βοηθά στην αποκατάσταση της κατάστασης ισορροπίας του σώματος. Μια δοσολογική δέσμη υπερήχων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εκτελέσει ένα απαλό μασάζ στην καρδιά, τους πνεύμονες και άλλα όργανα και ιστούς.
α) Μικρό μήκος κύματος. Συγκεντρώνω. Το μήκος κύματος υπερήχων είναι σημαντικά μικρότερο από το μήκος κύματος του ήχου. Λαμβάνοντας υπόψη ότι το μήκος κύματος λ=υ/ν, βρίσκουμε: για ήχο με συχνότητα 1 kHz, το μήκος κύματος λ ήχος = 1500/1000 = 1,5 m; για υπερήχους με συχνότητα 1 MHz, μήκος κύματος λ κόμβος = 1500/1.000.000 = 1,5 mm.
Λόγω του μικρού μήκους κύματος, η ανάκλαση και η περίθλαση του υπερήχου εμφανίζεται σε αντικείμενα μικρότερα σε μέγεθος από ό,τι για τον ηχητικό ήχο. Για παράδειγμα, ένα σώμα διαστάσεων 10 cm δεν θα αποτελεί εμπόδιο σε ηχητικό κύμα με λ=1,5 m, αλλά θα γίνει εμπόδιο σε υπερηχητικό κύμα με λ=1,5 mm. Σε αυτή την περίπτωση, εμφανίζεται μια υπερηχητική σκιά, επομένως, σε ορισμένες περιπτώσεις, η διάδοση των υπερηχητικών κυμάτων μπορεί να απεικονιστεί χρησιμοποιώντας ακτίνες και οι νόμοι της ανάκλασης και της διάθλασης μπορούν να εφαρμοστούν σε αυτές. Πότε δηλαδή συγκεκριμένες συνθήκεςΈνα υπερηχητικό κύμα διαδίδεται σε μια κατευθυνόμενη ροή, στην οποία ισχύουν οι νόμοι της γεωμετρικής οπτικής.
β) Διάθλαση και ανάκλαση.Όπως όλα τα είδη κυμάτων, έτσι και ο υπέρηχος χαρακτηρίζεται από τα φαινόμενα ανάκλασης και διάθλασης. Οι νόμοι που υπακούουν αυτά τα φαινόμενα είναι εντελώς παρόμοιοι με τους νόμους της ανάκλασης και της διάθλασης του φωτός. Ως εκ τούτου, σε πολλές περιπτώσεις, η διάδοση των υπερηχητικών κυμάτων απεικονίζεται χρησιμοποιώντας ακτίνες.
Για να χαρακτηριστεί ποσοτικά η διαδικασία, εισάγεται η έννοια του συντελεστή ανάκλασης R=I neg /I o, όπου I neg είναι η ένταση του ανακλώμενου υπερηχητικού κύματος. Ι ο - ένταση του συμβάντος. Αυτή είναι μια αδιάστατη ποσότητα που ποικίλλει από μηδέν (χωρίς ανάκλαση) έως ένα (ολική ανάκλαση).
Όσο περισσότερο διαφέρουν οι κυματικές αντιστάσεις (ρυ) των μέσων, τόσο μεγαλύτερη είναι η αναλογία της ανακλώμενης ενέργειας και τόσο μικρότερη είναι η αναλογία ενέργειας που διέρχεται από τη διεπαφή.
Η κυματική αντίσταση των βιολογικών μέσων είναι περίπου 3000 φορές μεγαλύτερη από την κυματική αντίσταση του αέρα (R = 1/3000), επομένως η ανάκλαση στο όριο αέρα-δέρμαείναι 99,99%. Εάν ο πομπός εφαρμοστεί απευθείας στο δέρμα ενός ατόμου, τότε ο υπέρηχος δεν θα διεισδύσει στο εσωτερικό, αλλά θα αντανακλάται από ένα λεπτό στρώμα αέρα μεταξύ του εκπομπού και του δέρματος. Για την εξάλειψη της στιβάδας του αέρα, η επιφάνεια του δέρματος καλύπτεται με ένα στρώμα κατάλληλου λιπαντικού (water jelly), το οποίο λειτουργεί ως μεταβατικό μέσο που μειώνει την ανάκλαση.
Το λιπαντικό πρέπει να πληροί τις σχετικές απαιτήσεις: να έχει ακουστική αντίσταση κοντά στην ακουστική αντίσταση του δέρματος, να έχει χαμηλό συντελεστή απορρόφησης υπερήχων, να έχει σημαντικό ιξώδες, να βρέχει καλά το δέρμα, να είναι μη τοξικό (έλαιο βαζελίνης, γλυκερίνη κ.λπ.) .
γ) Απορρόφηση, μισό βάθος απορρόφησης.Η επόμενη σημαντική ιδιότητα του υπερήχου είναι η απορρόφησή του στα μέσα: η ενέργεια των μηχανικών δονήσεων των σωματιδίων του μέσου μετατρέπεται στην ενέργεια της θερμικής τους κίνησης. Η μηχανική κυματική ενέργεια που απορροφάται από το μέσο προκαλεί θέρμανση του μέσου. Αυτό το αποτέλεσμα περιγράφεται από τον τύπο:
I = I o. e-kl (3)
όπου I είναι η ένταση του υπερηχητικού κύματος που διανύει μια απόσταση l στο μέσο. I o - αρχική ένταση. k είναι ο συντελεστής απορρόφησης του υπερήχου στο μέσο. e – βάση φυσικών λογαρίθμων (e = 2,71).
Μαζί με τον συντελεστή απορρόφησης, το βάθος μισής απορρόφησης χρησιμοποιείται επίσης ως χαρακτηριστικό της απορρόφησης υπερήχων.
Το βάθος μισής απορρόφησης είναι το βάθος στο οποίο μειώνεται στο μισό η ένταση του υπερηχητικού κύματος.
Το βάθος μισής απορρόφησης έχει διαφορετικές σημασίες για διαφορετικούς ιστούς. Επομένως, για ιατρικούς σκοπούς, χρησιμοποιούνται υπερηχητικά κύματα διαφόρων εντάσεων: χαμηλή - 1,5 W/m2, μεσαία - (1,5-3) W/m2 και υψηλή - (3-10) W/m2.
Η απορρόφηση σε ένα υγρό μέσο είναι σημαντικά μικρότερη από ό,τι στους μαλακούς ιστούς και ακόμη περισσότερο στον οστικό ιστό.
8. Αλληλεπίδραση υπερήχων με την ύλη: ακουστικές ροές και σπηλαίωση, απελευθέρωση θερμότητας και χημικές αντιδράσεις, ανάκλαση ήχου, ηχητική όραση).
α) Ακουστικές ροές και σπηλαίωση.Τα υπερηχητικά κύματα υψηλής έντασης συνοδεύονται από μια σειρά από συγκεκριμένα αποτελέσματα. Έτσι, η διάδοση των υπερηχητικών κυμάτων σε αέρια και υγρά συνοδεύεται από την κίνηση του μέσου και προκύπτουν ακουστικές ροές (ηχητικός άνεμος), η ταχύτητα των οποίων φτάνει τα 10 m/s. Σε συχνότητες στην περιοχή συχνοτήτων υπερήχων (0,1-10) MHz σε υπερηχητικό πεδίο με ένταση αρκετών W/cm 2, μπορεί να προκύψει αναβλύσεις και ψεκασμός υγρών με το σχηματισμό μιας πολύ λεπτής ομίχλης. Αυτό το χαρακτηριστικό της διάδοσης υπερήχων χρησιμοποιείται σε συσκευές εισπνοής υπερήχων.
Σημαντικά φαινόμενα που συμβαίνουν κατά τη διάδοση των έντονων υπερήχων σε υγρά περιλαμβάνουν ακουστική σπηλαίωση-ανάπτυξη σε ένα υπερηχητικό πεδίο φυσαλίδων από υπάρχοντες υπομικροσκοπικούς πυρήνες αερίου ή ατμού σε υγρά σε μεγέθη κλασμάτων mm, τα οποία αρχίζουν να πάλλονται με υπερηχητική συχνότητα και καταρρέουν στη φάση θετικής πίεσης. Όταν οι φυσαλίδες αερίου καταρρέουν, μεγάλες τοπικές πιέσεις της τάξης του χιλιάδες ατμόσφαιρες, σχηματίζονται σφαιρικά κρουστικά κύματα. Μια τέτοια έντονη μηχανική επίδραση στα σωματίδια μπορεί να οδηγήσει σε μια ποικιλία επιδράσεων, συμπεριλαμβανομένων των καταστροφικών, ακόμη και χωρίς την επίδραση της θερμικής επίδρασης των υπερήχων. Οι μηχανικές επιδράσεις είναι ιδιαίτερα σημαντικές όταν εκτίθενται σε εστιασμένο υπέρηχο.
Μια άλλη συνέπεια της κατάρρευσης των φυσαλίδων σπηλαίωσης είναι η ισχυρή θέρμανση του περιεχομένου τους (έως θερμοκρασία περίπου 10.000 0 C), που συνοδεύεται από ιονισμό και διάσταση μορίων.
Το φαινόμενο της σπηλαίωσης συνοδεύεται από διάβρωση των επιφανειών εργασίας των εκπομπών, φθορά των κυττάρων κ.λπ. Ωστόσο, αυτό το φαινόμενο οδηγεί επίσης σε μια σειρά από ευεργετικά αποτελέσματα. Για παράδειγμα, στην περιοχή της σπηλαίωσης, εμφανίζεται αυξημένη ανάμειξη της ουσίας, η οποία χρησιμοποιείται για την παρασκευή γαλακτωμάτων.
β) Απελευθέρωση θερμότητας και χημικές αντιδράσεις.Η απορρόφηση του υπερήχου από μια ουσία συνοδεύεται από τη μετάβαση της μηχανικής ενέργειας στην εσωτερική ενέργεια της ουσίας, η οποία οδηγεί στη θέρμανση της. Η πιο έντονη θέρμανση εμφανίζεται σε περιοχές που γειτνιάζουν με τη διεπαφή, όταν ο συντελεστής ανάκλασης είναι κοντά στη μονάδα (100%). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ως αποτέλεσμα της ανάκλασης, η ένταση του κύματος κοντά στο όριο αυξάνεται και, κατά συνέπεια, αυξάνεται η ποσότητα της απορροφούμενης ενέργειας. Αυτό μπορεί να επαληθευτεί πειραματικά. Πρέπει να συνδέσετε τον πομπό υπερήχων στο βρεγμένο χέρι σας. Σύντομα, μια αίσθηση (παρόμοια με τον πόνο από έγκαυμα) εμφανίζεται στην αντίθετη πλευρά της παλάμης, που προκαλείται από τον υπέρηχο που ανακλάται από τη διεπαφή δέρματος-αέρα.
Οι ιστοί με πολύπλοκη δομή (πνεύμονες) είναι πιο ευαίσθητοι στη θέρμανση με υπερήχους από τους ομογενείς ιστούς (ήπαρ). Σχετικά πολλή θερμότητα παράγεται στη διεπιφάνεια μεταξύ μαλακών ιστών και οστών.
Η τοπική θέρμανση των ιστών κατά ένα κλάσμα του βαθμού προάγει τη ζωτική δραστηριότητα των βιολογικών αντικειμένων και αυξάνει την ένταση των μεταβολικών διεργασιών. Ωστόσο, η παρατεταμένη έκθεση μπορεί να προκαλέσει υπερθέρμανση.
Σε ορισμένες περιπτώσεις, ο εστιασμένος υπέρηχος χρησιμοποιείται για να επηρεάσει τοπικά μεμονωμένες δομές του σώματος. Αυτό το αποτέλεσμα καθιστά δυνατή την επίτευξη ελεγχόμενης υπερθερμίας, δηλ. θέρμανση στους 41-44 0 C χωρίς υπερθέρμανση των γειτονικών ιστών.
Η αύξηση της θερμοκρασίας και των μεταβολών της πίεσης που συνοδεύουν τη διέλευση του υπερήχου μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό ιόντων και ριζών που μπορούν να αλληλεπιδράσουν με μόρια. Σε αυτή την περίπτωση, μπορεί να συμβούν χημικές αντιδράσεις που δεν είναι εφικτές υπό κανονικές συνθήκες. Η χημική επίδραση του υπερήχου εκδηλώνεται, ειδικότερα, με τη διάσπαση ενός μορίου νερού σε ρίζες H + και OH -, ακολουθούμενη από το σχηματισμό υπεροξειδίου του υδρογόνου H 2 O 2.
γ) Αντανάκλαση ήχου. Ηχητική όραση.Με βάση την ανάκλαση υπερηχητικών κυμάτων από ανομοιογένειες ηχητική όραση,χρησιμοποιείται σε ιατρικές εξετάσεις υπερήχων. Σε αυτήν την περίπτωση, ο υπέρηχος που ανακλάται από ανομοιογένειες μετατρέπεται σε ηλεκτρικούς κραδασμούς και ο τελευταίος σε φως, το οποίο σας επιτρέπει να βλέπετε ορισμένα αντικείμενα στην οθόνη σε ένα μέσο αδιαφανές προς το φως.
Έχει δημιουργηθεί ένα μικροσκόπιο υπερήχων σε συχνότητες στην περιοχή υπερήχων - μια συσκευή παρόμοια με ένα συνηθισμένο μικροσκόπιο, το πλεονέκτημα του οποίου έναντι ενός οπτικού μικροσκοπίου είναι ότι για τη βιολογική έρευνα, δεν απαιτείται προ-χρώση του αντικειμένου. Καθώς αυξάνεται η συχνότητα του υπερηχητικού κύματος, η ανάλυση αυξάνεται (μπορούν να ανιχνευθούν μικρότερες ανομοιογένειες), αλλά μειώνεται η διεισδυτική τους ικανότητα, δηλ. το βάθος στο οποίο μπορούν να εξεταστούν οι δομές ενδιαφέροντος μειώνεται. Επομένως, η συχνότητα υπερήχων επιλέγεται έτσι ώστε να συνδυάζει επαρκή ανάλυση με το απαιτούμενο βάθος διερεύνησης. Έτσι, για την υπερηχογραφική εξέταση του θυρεοειδούς αδένα, που βρίσκεται ακριβώς κάτω από το δέρμα, χρησιμοποιούνται κύματα συχνότητας 7,5 MHz και για εξέταση των κοιλιακών οργάνων χρησιμοποιείται συχνότητα 3,5 - 5,5 MHz. Επιπλέον, λαμβάνεται επίσης υπόψη το πάχος του στρώματος λίπους: για αδύνατα παιδιά χρησιμοποιείται συχνότητα 5,5 MHz και για υπέρβαρα παιδιά και ενήλικες χρησιμοποιείται συχνότητα 3,5 MHz.
9. Βιοφυσική επίδραση των υπερήχων: μηχανική, θερμική, φυσικοχημική.
Όταν ο υπέρηχος δρα σε βιολογικά αντικείμενα σε ακτινοβολημένα όργανα και ιστούς σε αποστάσεις ίσες με το μισό μήκος κύματος, μπορεί να προκύψουν διαφορές πίεσης από μονάδες σε δεκάδες ατμόσφαιρες. Τέτοιες έντονες επιπτώσεις οδηγούν σε μια ποικιλία βιολογικών επιδράσεων, η φυσική φύση των οποίων καθορίζεται από την κοινή δράση μηχανικά, θερμικά και φυσικοχημικά φαινόμεναπου συνοδεύει τη διάδοση των υπερήχων στο περιβάλλον.
Μηχανική δράσηκαθορίζεται από μεταβλητή ακουστική πίεση και αποτελείται από μικρομασάζ δόνησης των ιστών σε κυτταρικό και υποκυτταρικό επίπεδο, αυξάνοντας τη διαπερατότητα των κυτταρικών, ενδοκυτταρικών και ιστικών μεμβρανών λόγω της αποπολυμεριστικής δράσης του υπερήχου στο υαλουρονικό οξύ και τη θειική χονδροϊτίνη, που συνεπάγεται αυξημένη ενυδάτωση του δερματικό στρώμα.
Θερμική επίδρασησχετίζεται με τη μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε θερμική ενέργεια, ενώ η θερμότητα παράγεται άνισα στους ιστούς του σώματος. Ιδιαίτερα πολλή θερμότητα συσσωρεύεται στα όρια των μέσων λόγω της διαφοράς στην ακουστική αντίσταση των ιστών, καθώς και σε ιστούς που απορροφούν ενέργεια υπερήχων σε μεγαλύτερες ποσότητες (νευρικός, οστικός ιστός) και σε μέρη που δεν τροφοδοτούνται με αίμα.
Φυσικοχημική δράσηλόγω του γεγονότος ότι η χημική ενέργεια προκαλεί μηχανικό συντονισμό στους ιστούς του σώματος. Υπό την επίδραση του τελευταίου, η κίνηση των μορίων επιταχύνεται και η διάσπασή τους σε ιόντα αυξάνεται και η ισοηλεκτρική κατάσταση αλλάζει. Δημιουργούνται νέα ηλεκτρικά πεδία, συμβαίνουν ηλεκτρικές αλλαγές στα κύτταρα. Η δομή του νερού και η κατάσταση της ενυδάτωσης του κελύφους αλλάζουν, εμφανίζονται ρίζες και διάφορα προϊόντα ηχολύσεως βιολογικών διαλυτών. Ως αποτέλεσμα, λαμβάνει χώρα διέγερση φυσικοχημικών και βιοχημικών διεργασιών στους ιστούς και ενεργοποίηση του μεταβολισμού.
ΥΠΕΡΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ
Υπάρχουν πολλοί κρύσταλλοι στην επιφάνεια των οποίων, όταν παραμορφωθούν, προκύπτουν ηλεκτρικά φορτία. Τέτοιοι κρύσταλλοι ονομάζονται πιεζοηλεκτρικοί. Τα επιφανειακά φορτία που προκύπτουν κατά την παραμόρφωση έχουν διαφορετικά σημάδια σε διαφορετικά μέρη της επιφάνειας. Τα πιεζοηλεκτρικά περιλαμβάνουν χαλαζία, τουρμαλίνη, αλάτι Rochelle και πολλά άλλα.
Μόνο οι ιοντικοί κρύσταλλοι έχουν πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες. Υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων, το κρυσταλλικό υποπλέγμα των θετικών ιόντων παραμορφώνεται διαφορετικά από το κρυσταλλικό υποπλέγμα των αρνητικών ιόντων. Ως αποτέλεσμα, συμβαίνει μια σχετική μετατόπιση θετικών και αρνητικών ιόντων, που οδηγεί σε πόλωση των κρυστάλλων και των επιφανειακών φορτίων. Η πόλωση, σε μια πρώτη προσέγγιση, είναι ευθέως ανάλογη με την παραμόρφωση και η παραμόρφωση του κρυστάλλου, με τη σειρά της, είναι ευθέως ανάλογη με τη δύναμη. Επομένως, η πόλωση είναι ευθέως ανάλογη με την εφαρμοζόμενη δύναμη.
Στο Σχ. Το 6.1 εξηγεί ποιοτικά την εμφάνιση άμεσων και αντίστροφων πιεζοηλεκτρικών φαινομένων στον χαλαζία.
Μεταξύ των αντίθετα φορτισμένων όψεων ενός παραμορφωμένου διηλεκτρικού προκύπτει μια διαφορά δυναμικού, η οποία μπορεί να μετρηθεί και από την τιμή της μπορεί να εξαχθεί ένα συμπέρασμα για το μέγεθος των παραμορφώσεων και τις ασκούμενες δυνάμεις, που έχει πολλές πρακτικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, διατίθενται πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες για τη μέτρηση ταχέως μεταβαλλόμενων πιέσεων. Είναι γνωστά πιεζοηλεκτρικά μικρόφωνα, πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες στον αυτοματισμό και την τηλεμηχανική κ.λπ.
Άμεσο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο
Εκτός από το άμεσο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, υπάρχει και ένα αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο στα πιεζοηλεκτρικά. Συνίσταται στο γεγονός ότι σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο το πιεζοηλεκτρικό παραμορφώνεται. Η ύπαρξή του προκύπτει από την παρουσία ενός άμεσου αποτελέσματος και του νόμου της διατήρησης της ενέργειας. Όταν ένα πιεζοηλεκτρικό παραμορφώνεται, δαπανάται εργασία για την παραγωγή ελαστικής ενέργειας παραμόρφωσης και της ενέργειας του ηλεκτρικού πεδίου που προκύπτει ως αποτέλεσμα του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Κατά συνέπεια, κατά την παραμόρφωση ενός πιεζοηλεκτρικού, είναι απαραίτητο να υπερνικηθεί μια πρόσθετη δύναμη, εκτός από την ελαστική δύναμη του κρυστάλλου, η οποία εμποδίζει την παραμόρφωση και είναι ένας παράγοντας που προκαλεί το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Για να αντισταθμιστεί η πρόσθετη δύναμη, είναι απαραίτητο να εφαρμοστεί ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο αντίθετο από αυτό που προκύπτει στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Έτσι, για να ληφθεί κάποια παραμόρφωση ενός πιεζοηλεκτρικού υπό την επίδραση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, είναι απαραίτητο να είναι ίσο, αλλά αντίθετο με το πεδίο που προκύπτει ως αποτέλεσμα του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου για μια δεδομένη παραμόρφωση. Ο μηχανισμός του αντίστροφου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου είναι παρόμοιος με τον μηχανισμό του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Υπό την επίδραση ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου, τα κρυσταλλικά υποπλέγματα θετικών και αρνητικών ιόντων παραμορφώνονται με διάφορους τρόπους, που οδηγεί σε παραμόρφωση κρυστάλλου.
Το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο έχει επίσης πολλές πρακτικές εφαρμογές, ιδίως οι εκπομποί υπερήχων χαλαζία χρησιμοποιούνται ευρέως.
Αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο:
Έτσι, για μια πλάκα χαλαζία (X-cut) που ταλαντώνεται κατά μήκος του πάχους της, η συχνότητα συντονισμού (θεμελιώδης αρμονική) μπορεί να ληφθεί χρησιμοποιώντας τον τύπο
όπου είναι το πάχος της πλάκας, εκφρασμένο σε cm.
Μαζί με το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, υπάρχει και το αντίθετό του φαινόμενο: στους πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους, η εμφάνιση πόλωσης συνοδεύεται από μηχανικές παραμορφώσεις. Επομένως, εάν εφαρμοστεί ηλεκτρική τάση στις μεταλλικές πλάκες που είναι τοποθετημένες στον κρύσταλλο, ο κρύσταλλος πολώνεται και παραμορφώνεται υπό την επίδραση του πεδίου.
Γίνεται εύκολα αντιληπτό ότι η ανάγκη ύπαρξης του αντίστροφου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου προκύπτει από το νόμο της διατήρησης της ενέργειας και το γεγονός της ύπαρξης του άμεσου αποτελέσματος. Ας θεωρήσουμε μια πιεζοηλεκτρική πλάκα (Εικ. 5) και ας υποθέσουμε ότι τη συμπιέζουμε με εξωτερικές δυνάμεις F. Αν δεν υπήρχε πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, τότε το έργο των εξωτερικών δυνάμεων θα ήταν ίσο με τη δυναμική ενέργεια της ελαστικά παραμορφωμένης πλάκας. Παρουσία του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου, εμφανίζονται φορτία στην πλάκα και δημιουργείται ένα ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο περιέχει πρόσθετη ενέργεια. Σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, προκύπτει ότι όταν μια πιεζοηλεκτρική πλάκα συμπιέζεται, γίνεται πολλή δουλειά, πράγμα που σημαίνει ότι προκύπτουν πρόσθετες δυνάμεις F1, εξουδετερώνοντας τη συμπίεση. Αυτές είναι οι δυνάμεις του αντίστροφου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Από τον παραπάνω συλλογισμό προκύπτει μια σύνδεση μεταξύ των σημείων και των δύο επιπτώσεων. Αν και στις δύο περιπτώσεις τα σημάδια των φορτίων στα πρόσωπα είναι ίδια, τότε τα σημάδια των παραμορφώσεων είναι διαφορετικά. Εάν, όταν η πλάκα συμπιέζεται, εμφανίζονται φορτίσεις στις επιφάνειες όπως φαίνεται στο Σχ. 5, τότε όταν δημιουργηθεί η ίδια πόλωση από ένα εξωτερικό πεδίο, η πλάκα θα τεντωθεί.
Εικ.5. Σχέση άμεσων και αντίστροφων πιεζοηλεκτρικών φαινομένων.
Το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι επιφανειακά παρόμοιο με την ηλεκτροδιάσπαση. Ωστόσο, και τα δύο αυτά φαινόμενα είναι διαφορετικά. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο εξαρτάται από την κατεύθυνση του πεδίου και όταν η φορά του τελευταίου αλλάζει προς το αντίθετο, αλλάζει πρόσημο. Η ηλεκτροδιάταξη δεν εξαρτάται από την κατεύθυνση του πεδίου. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο παρατηρείται μόνο σε ορισμένους κρυστάλλους που δεν έχουν κέντρο συμμετρίας. Ηλεκτροσυστολή συμβαίνει σε όλα τα διηλεκτρικά, τόσο στερεά όσο και υγρά.
Εάν η πλάκα είναι σταθερή και δεν μπορεί να παραμορφωθεί, τότε όταν δημιουργηθεί ηλεκτρικό πεδίο, θα εμφανιστεί πρόσθετη μηχανική καταπόνηση σε αυτήν. Η τιμή της s είναι ανάλογη με την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μέσα στον κρύσταλλο:
όπου είναι το ίδιο πιεζοηλεκτρικό στοιχείο όπως στην περίπτωση του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Το μείον σε αυτόν τον τύπο αντικατοπτρίζει την παραπάνω αναλογία των σημείων των άμεσων και αντίστροφων πιεζοηλεκτρικών φαινομένων.
Η συνολική μηχανική τάση μέσα στον κρύσταλλο είναι το άθροισμα της τάσης που προκαλείται από την παραμόρφωση και της τάσης που δημιουργείται υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου. Είναι ίσο
Εδώ το C είναι το μέτρο ελαστικότητας υπό μονόπλευρη παραμόρφωση εφελκυσμού (μέτρο του Young) σε σταθερό ηλεκτρικό πεδίο. Οι τύποι (51.2) και (52.2) είναι οι κύριες σχέσεις στη θεωρία του πιεζοηλεκτρισμού.
Όταν γράφαμε τύπους, επιλέξαμε το u και το E ως ανεξάρτητες μεταβλητές και θεωρήσαμε ότι οι D και s είναι οι συναρτήσεις τους. Αυτό φυσικά δεν είναι απαραίτητο και θα μπορούσαμε να θεωρήσουμε ως ανεξάρτητες μεταβλητές ένα άλλο ζεύγος μεγεθών, εκ των οποίων το ένα είναι μηχανικό και το άλλο ηλεκτρικό. Τότε θα λαμβάναμε επίσης δύο γραμμικές σχέσεις μεταξύ u, s, E και D, αλλά με διαφορετικούς συντελεστές. Ανάλογα με το είδος των προβλημάτων που εξετάζονται, είναι βολικές διάφορες μορφές γραφής των βασικών πιεζοηλεκτρικών σχέσεων.
Δεδομένου ότι όλοι οι πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι είναι ανισότροποι, οι σταθερές , C και εξαρτώνται από τον προσανατολισμό των επιφανειών της πλάκας σε σχέση με τους άξονες των κρυστάλλων. Επιπλέον, εξαρτώνται από το αν οι πλευρικές όψεις της πλάκας είναι σταθερές ή ελεύθερες (εξαρτώνται από τις οριακές συνθήκες κατά την παραμόρφωση). Για να δώσουμε μια ιδέα της τάξης μεγέθους αυτών των σταθερών, παρουσιάζουμε τις τιμές τους για τον χαλαζία στην περίπτωση που η πλάκα κόβεται κάθετα στον άξονα Χ και οι πλευρικές της όψεις είναι ελεύθερες:
=4,5; C=7,8 10 10 N/m2; =0,18 C/m2.
Ας εξετάσουμε τώρα ένα παράδειγμα εφαρμογής των βασικών σχέσεων (4) και (5) Ας υποθέσουμε ότι μια πλάκα χαλαζία, κομμένη όπως υποδεικνύεται παραπάνω, τεντώνεται κατά μήκος του άξονα Χ και οι πλάκες που αγγίζουν τις όψεις είναι ανοιχτές. Δεδομένου ότι το φορτίο των πλακών πριν από την παραμόρφωση ήταν μηδενικό και ο χαλαζίας είναι διηλεκτρικό, τότε μετά την παραμόρφωση οι πλάκες θα είναι αφόρτιστες. Σύμφωνα με τον ορισμό της ηλεκτρικής μετατόπισης, αυτό σημαίνει ότι D=0. Στη συνέχεια από τη σχέση (4) προκύπτει ότι κατά την παραμόρφωση, ένα ηλεκτρικό πεδίο με ισχύ του
E=-(/0)u (6)
Αντικαθιστώντας αυτήν την έκφραση με τον τύπο (5), βρίσκουμε για
μηχανική καταπόνηση στην πλάκα
s=Cu-(-(/0)u)=C(1+( 2 /0C))u (7)
Η τάση, όπως και στην απουσία του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου, είναι ανάλογη με την καταπόνηση. Ωστόσο, οι ελαστικές ιδιότητες της πλάκας χαρακτηρίζονται πλέον από το αποτελεσματικό μέτρο ελαστικότητας
С" == С (1 + 2 /0С). (8)
που είναι μεγαλύτερο από το C. Η αύξηση της ελαστικής ακαμψίας προκαλείται από την εμφάνιση πρόσθετης τάσης κατά το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο αποτρέπει την παραμόρφωση. Η επίδραση των πιεζοηλεκτρικών ιδιοτήτων ενός κρυστάλλου στις μηχανικές του ιδιότητες χαρακτηρίζεται από την ποσότητα
K 2= 2 /0C (9)
Η τετραγωνική ρίζα αυτής της τιμής (K) ονομάζεται σταθερά ηλεκτρομηχανικής σύζευξης. Χρησιμοποιώντας τις παραπάνω τιμές των , C και , βρίσκουμε ότι για τον χαλαζία K 2 ~ 0,01 Για όλους τους άλλους γνωστούς πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους, το K 2 είναι επίσης μικρό σε σύγκριση με τη μονάδα και δεν υπερβαίνει το 0 ,1.
Ας υπολογίσουμε τώρα το μέγεθος του πιεζοηλεκτρικού πεδίου. Ας υποθέσουμε ότι στις κάθετες στον άξονα Χ επιφάνειες της πλάκας χαλαζία ασκείται μηχανική τάση 1 105 5 N/m 2. Τότε, σύμφωνα με το (7), η παραμόρφωση θα είναι ίση με u=1,3 10 - 6. Αντικαθιστώντας αυτήν την τιμή στον τύπο (6), λαμβάνουμε |E|==5900 V/m=59 V/cm. Με πάχος πλάκας, ας πούμε, d==0,5 cm, η τάση μεταξύ των πλακών θα είναι ίση με U=Ed~30 V. Βλέπουμε ότι τα πιεζοηλεκτρικά πεδία και οι τάσεις μπορεί να είναι πολύ σημαντικά. Χρησιμοποιώντας ισχυρότερα πιεζοηλεκτρικά αντί για χαλαζία και χρησιμοποιώντας κατάλληλα επιλεγμένους τύπους παραμόρφωσης, είναι δυνατό να ληφθούν πιεζοηλεκτρικές τάσεις μετρημένες σε πολλές χιλιάδες βολτ.
Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο (άμεσο και αντίστροφο) χρησιμοποιείται ευρέως για το σχεδιασμό διαφόρων ηλεκτρομηχανικών μετατροπέων. Για το σκοπό αυτό, μερικές φορές χρησιμοποιούνται σύνθετα πιεζοστοιχεία, σχεδιασμένα να πραγματοποιούν διάφορους τύπους παραμορφώσεων.
Το σχήμα 6 δείχνει ένα διπλό πιεζοηλεκτρικό στοιχείο (αποτελούμενο από δύο πλάκες) που λειτουργεί σε συμπίεση. Οι πλάκες κόβονται από τον κρύσταλλο με τέτοιο τρόπο ώστε είτε να συμπιέζονται είτε να τεντώνονται ταυτόχρονα. Εάν, αντίθετα, ένα τέτοιο πιεζοηλεκτρικό στοιχείο συμπιέζεται ή τεντώνεται από εξωτερικές δυνάμεις, τότε εμφανίζεται τάση μεταξύ των πλακών του. Η σύνδεση των πλακών σε αυτό το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο αντιστοιχεί στην παράλληλη σύνδεση των πυκνωτών.
Ρύζι. 6. Διπλό πιεζοηλεκτρικό στοιχείο που λειτουργεί σε συμπίεση.
- Σε επαφή με 0
- Google+ 0
- Εντάξει 0
- Facebook 0
