Проекты

Пьезоэлектрический эффект и его использование

Работа призёров конкурса проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Приборостроение, микроэлектроника и схемотехника» среди работ учеников 10–11 классов

Направление работы: Инженеры
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1173
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 11 класс
Мероприятия: Конкурс проектов и исследований «Инженеры будущего» открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» 2021 года

Актуальность

Пьезоэлектрический эффект возникает только в пьезоэлектриках – кристаллах.

Пьезоэлектрики – диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект, то есть те, которые могут либо под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности, что, как уже говорилось выше, называется прямым пьезоэффектом, либо под влиянием внешнего электрического поля деформироваться, это уже является проявлением обратного пьезоэффекта.

Сегнетова соль – одна из тех немногих кристаллов, которая имеет длинную и необычную историю. Сегнетова соль кристаллизуется в виде ромба.

Главное достоинство сегнетовой соли – это высокий пьезоэффект. Самое ничтожное механическое воздействие приводит к появлению на электродах электрических зарядов.

К примеру, чувствительность акустического приёмника из сегнетовой соли в 100 раз выше чем кварцевого. Поэтому кристаллы сегнетовой соли широко применяются для изготовления измерительной аппаратуры.

Пьезоэффект применяется в пьезогенераторах электроэнергии, быту (довольно часто – в пьезозажигалках, ключевое отличие которых от обычных зажигалок – в получении искры не от кремния, а от пьезоэлемента); оружии (например, в контактном пьезоэлектрическом взрывателе).

Другая сфера применения – датчики. В качестве элемента, который чувствителен к силе (чем больше прилагаемая к элементу сила, тем выше напряжение на контактах), например, в датчиках для измерения силы, датчиках давления жидкостей и газов и в качестве чувствительного элемента в микрофонах, гидрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, приёмных элементов сонаров.

Цель

Вырастить пьезокристалл и проверить его свойства.

Задачи

  1. Познакомиться с пьезоэлектрическим эффектом.
  2. Показать способы выращивания кристалла.
  3. Спроектировать и создать испытательную установку для изучения и проверки пьезоэлектрических свойств пьезоэлемента.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Плата Arduino NANO
  • Компьютер с установленным ПО: Autodesk Fusion 360, MS Office

Описание

На начальном этапе выращиваем кристалл Сегнетовой соли. Кристаллы, в том числе пьезокристаллы, выращивают тремя способами: из растворов, из расплавов и из паров (газовой фазы).

Одна из интересных методик выращивания кристаллов из растворов разработана известным российским кристаллографом советского периода А.В. Белюстиным.

Далее собираем схему, для того чтобы каким-либо образом переводить сигнал, получаемый с пьезоэлемента на понятный язык. Для этого будем использоваться среда разработки и программирования Arduino IDE. В ней был написан код, который измеряет напряжение на заданном пользователем контакте, а также рисует график зависимости напряжения от времени.

Результаты работы/выводы

Автор познакомился с пьезоэлектриками и их применением, узнал, что такое Сегнетова соль, вырастил кристалл и проверил его свойства при помощи Arduino. Все измерения соответствуют ожиданиям.