Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход. Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Известно множество пьезоэлектрических устройств, основанных на использовании как прямого, так и обратного эффектов. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др. Обратный эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п.

Известны и нашли практическое применение пьезоэлектрические преобразователи - пьезоэлектрические трансформаторы (сокращенно пьезотрансформаторы). Схематически устройство пьезотрансформатора изображено на рисунке, поясняющем, что он представляет собой пьезоэлектрический преобразователь в виде четырехполюсника, имеющего только электрические вход и выход.

Действие пьезотрансформатора основано на использовании как прямого, так и обратного пьезоэффектов. Электрическое напряжение, приложенное к входным электродам пьезотрансформатора, в результате обратного пьезоэффекта вызывает деформацию всего объёма пьезоэлектрика и на выходных электродах возникает электрическое (вторичное) напряжение как следствие прямого пьезоэффекта. В пьезотрансформаторе происходит как бы двойное преобразование энергии - электрической в механическую, а затем механической в электрическую. Как и электромагнитный трансформатор, пьезотрансформатор используют для преобразования электрического напряжения. Подбором размеров электродов и их расположения можно получать различные значения коэффициента трансформации. Пьезотрансформаторы обычно используют в резонансном режиме, при котором достигаются большие значения коэффициента трансформации (порядка нескольких сотен). Пьезотрансформаторы используют в высоковольтных источниках вторичного электропитания.

Пироэлектрики

Пироэлектрики - кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, т. е. поляризацией в отсутствии внешних воздействий. Обычно спонтанная поляризация пироэлектриков не заметна, так как электрическое поле, создаваемое ею, компенсируется полем свободных электрических зарядов, которые «натекают» на поверхность пироэлектрика из его объёма и из окружающего воздуха. При изменении температуры величина спонтанной поляризации изменяется, что вызывает появление электрического поля, которое можно наблюдать, пока свободные заряды не успеют его скомпенсировать. Это явление называется пироэлектрическим эффектом

Типичный пироэлектрик - турмалин. В нём при изменении температуры на 1°С возникает поле Е ~ 400 в/см. Изменение спонтанной поляризации и появление электрического поля в пироэлектрике может происходить не только при изменении температуры, но и при деформировании П. Т.о., все П. - пьезоэлектрики, но не наоборот.

Существование спонтанной поляризации, т. е. несовпадение центров тяжести положительных и отрицательных зарядов, обусловлено достаточно низкой симметрией кристаллов.

Особой группой пироэлектриков являются сегнетоэлектрики. Если нагревать сегнетоэлектрик, то при определённой температуре спонтанная поляризация в нём исчезнет и кристалл переходит в непироэлектрическое состояние (фазовый переход). В области температур, близких к температуре фазового перехода, величина спонтанной поляризации резко меняется с изменением температуры, так что пироэлектрический эффект в этой области особенно велик.

Существует эффект, обратный пироэлектрическому: если П. поместить в электрическое поле, то его поляризация изменяется, что сопровождается нагреванием или охлаждением кристалла. Изменение температуры при этом прямо пропорционально напряжённости электрического поля: dT ~ Е. Это явление называется линейным электрокалорическим эффектом. Существует и квадратичный электрокалорический эффект, когда изменение температуры ~ E².

П. используются в технике в качестве индикаторов и приёмников излучений. Их действие основано на регистрации электрических сигналов, возникающих в П. при изменении их температуры под действием излучения.