Материалы с пьезоэлектрическими и пьезорезистивными свойствами реагируют на механические воздействия, однако делают это по-разному. Пьезорезистивный эффект проявляется в изменении электрического сопротивления, тогда как пьезоэлектрический связан с возникновением электрического заряда.
Благодаря этим особенностям пьезорезистивные материалы широко применяются в системах высокоточного измерения деформаций и усилий. В свою очередь, пьезоэлектрики способны генерировать электрическое напряжение при воздействии механической нагрузки, что делает их востребованными в сенсорных устройствах и системах преобразования энергии, включая решения в области альтернативной энергетики.
Принцип действия пьезоэлектрических материалов
Пьезоэлектрические материалы представляют собой особый класс веществ, способных генерировать электрический заряд под воздействием механического давления. При деформации на поверхности такого материала возникает разность потенциалов.
Существует и обратный эффект: при подаче электрического поля материал изменяет свои геометрические размеры. Данное явление было открыто в 1880 году братьями Кюри и стало основой для развития целого направления в электронике.
Физическая природа эффекта связана с изменением кристаллической структуры вещества при механическом воздействии. При растяжении, сжатии или изгибе происходит перераспределение зарядов внутри материала, что приводит к возникновению электрического поля. Благодаря этим свойствам пьезоэлектрики нашли применение в самых разных отраслях — от приборостроения до медицинской диагностики.
Распространённые виды пьезоэлектрических материалов
Среди наиболее известных материалов с пьезоэлектрическим эффектом можно выделить несколько ключевых типов.
Кварц (SiO₂) — один из первых и наиболее широко применяемых природных пьезоэлектриков. Из-за ограниченности природных ресурсов часто используется синтетический кварц, получаемый гидротермальным методом.
Области применения кварца включают:
- генерацию стабильных частот в кварцевых резонаторах (часы, радиоустройства);
- использование в ультразвуковых системах для медицины и промышленной очистки.
Турмалин — природный материал с высокой механической прочностью и устойчивостью к температурным колебаниям. Несмотря на сложность обработки, он востребован в специализированных устройствах.
Основные области применения:
- ультразвуковые генераторы, работающие в сложных условиях.
Соль Сеньетта (соль Рошеля) — исторически важный материал, сыгравший значительную роль в развитии пьезоэлектрики. Сегодня используется ограниченно из-за чувствительности к влаге и температуре, преимущественно в маломощных устройствах.