![](https://habrastorage.org/webt/ux/q3/gi/uxq3gilkyy07ol8uggfizxmzxkk.jpeg)
В нашей жизни достаточно широко используются элементы на базе пьезоэлектрического эффекта. Без них невозможно представить себе современные мобильные телефоны (микрофоны и динамики), разнообразные тензодатчики (датчики давления) и даже генераторы электричества (например, в зажигалках). Мы же, в свою очередь, зададимся таким странным вопросом: а реально ли создать подобный пьезоэлемент самостоятельно?
▍ Сегнетоэлектрический эффект
Эффект, когда кристаллические системы вырабатывают электричество из-за возникновения спонтанной поляризации при наличии внешнего деформирующего воздействия, называется сегнетоэлектричеством.
В корне этого названия лежит открытие французского аптекаря Сегнета, которое он совершил ещё в 1672 году, получив особую соль, которая помогала ему лечить пациентов от заболеваний желудка (использовал в качестве слабительного).
В дальнейшем открытие братьев Кюри, сделанное в 1880 году, показало, что деформация некоторых кристаллов приводит к возникновению электрических зарядов на их гранях. Подобное явление стали называть термином «пьезоэлектричество», положив в его основу греческое слово «давление». Также в дальнейшем было выявлено, что получаемое с помощью кристаллов сегнетовой соли выходное напряжение в тысячи раз превосходит выходные напряжения у других пьезоэлектриков. Благодаря высоким характеристикам соли на базе неё хорошо получаются высокочувствительные звукосниматели и микрофоны.
В наше же время эта соль применяется, в частности, для пекарного дела (это всё помимо известного нам пьезоэлектрического эффекта) и известна под названием двойной соли винной кислоты или тартрата натрия-калия
Процесс приготовления подобной соли самостоятельно является достаточно простым: для этих целей к раствору винной кислоты
В лабораторных же условиях эту соль получают с помощью осаждения раствора тартрата калия, добавляя к нему необходимое для реакции количество пищевой соды, в результате чего происходит осаждение этой соли в мелкокристаллическом виде.
Процесс осаждения происходит в термостатах, где в течение продолжительного периода времени поддерживается неизменная повышенная температура. Повышенная температура используется для создания перенасыщенного раствора, так как с повышением температуры соли увеличивают свою растворимость и при прочих равных условиях повышение температуры позволяет растворить больше соли.
▍ Устройство для роста кристаллов
Хороший оригинальный аппарат для выращивания качественных монокристаллов предложил в своё время А. Белюстин, схема была приведена в шестом номере ЮТ за 1976 год:
![](https://habrastorage.org/webt/zf/z9/ib/zfz9ibanhagao5hxbiuk-n-gg9y.jpeg)
Процесс роста кристалла с использованием этого устройства эксплуатирует принцип перенасыщенного раствора, который в то же время не должен быть излишне насыщенным (конкретное соотношение не приводится, — прим. автора), так как следствием этого станет быстрый рост кристалла с включением в его структуру каверн, содержащих раствор. Также раствор должен быть хорошо перемешан, так как перенасыщенность должна быть равномерной по всему его объёму.
Установка достаточно остроумна и работает следующим образом. Она выполнена в виде конусообразного сосуда, в котором размещается небольшая пластиковая тарелочка, где растут первоначальные кристаллики для затравки. После того как кристаллики достаточно подросли, из них выбирают наиболее подходящий по форме и закрепляют его на конце пластиковой или стеклянной палочки, используя для этого парафин или воск (проще говоря, просто приклеивают этот кристаллик к кончику палочки). Причём автор отмечает крайнюю важность этой процедуры, — как в части выбора правильного кристалла, так и в части правильного, строго вертикального размещения кристалла на конце палочки. Для этого он даже рекомендует сделать первоначальный перенасыщенный раствор и медленно его охладить, что приведёт к осаждению мелких кристаллов. После чего извлечь их из раствора, высушить и выбрать из них наиболее подходящий, который и будет в дальнейшем закреплён на кончике палочки.
После этого можно приступить и к выращиванию основного кристалла. В ходе этого процесса палочка с закреплённым кристаллом на её конце размещается в средней части сосуда с конусовидным дном, в котором поддерживается постоянная температура (конкретная температура в источнике не оговаривается, к сожалению, так что тут, видимо, дело эксперимента или же нужно более глубоко «копать» теорию, если кто-то захочет поэкспериментировать).
Причём автором был предложен интересный способ поддержания пониженной температуры в срединной части сосуда, именно там, где и подвешен растущий кристалл: сосуд снаружи просто-напросто обматывается марлевым бинтом, конец которого опущен в ёмкость с водой. Бинт постоянно смачивается водой и вода, испаряясь, уносит излишки температуры, что приводит к понижению температуры в срединной части сосуда относительно его остальных частей.
Это усиливает конвекцию, начинается ротация перенасыщенного раствора, который, переносясь в зону с более низкой температурой, вызывает выпадение осадка на поверхности кристалла. Таким образом, мы имеем как постоянное омывание кристалла свежим раствором, так и устойчивую зону осаждения.
Однако тут, наверное, нужно сделать ещё скидку на то, в какие годы это было написано (1976). В наше время наверняка этот процесс может быть каким-либо образом усовершенствован, например, с использованием микроконтроллеров, алгоритмов PID-регуляции, а также применения элементов Пельтье, к которым подаётся напряжение, чтобы подогревать весь раствор одновременно с охлаждением зоны вокруг кристалла (наверняка подобное техническое усовершенствование приведёт к существенному ускорению роста кристалла, а также улучшению возможностей по контролю его выходных параметров).
Конусовидная форма днища сосуда служит для аккумуляции в нём образующихся «мусорных» кристаллов, чтобы они не плавали в растворе и не портили создающийся основной кристалл. По прикидкам (если базироваться на этой старой технологии, без современных усовершенствований), хороший монокристалл, размер которого составит порядка 1-1,5 см, создающийся в подобном устройстве, потребует для своего роста около нескольких суток.
Однако, даже несмотря на отсутствие подобных сложных аппаратов, многие растят кристаллы просто врассыпную, что ещё раз доказывает лёгкость воспроизведения процесса:
Получившийся в итоге голубоватый или прозрачный кристалл будет иметь ромбовидную вытянутую форму с плоским верхом и низом, сегнетоэлектрический эффект граней которого проявляется неодинаково на всех гранях. Кристалл, как правило, будет содержать 12 граней, 2 из которых, показанные на рисунке ниже (расположенные на более «плоских» сторонах кристалла), будут обладать наиболее ярким сегнетоэлектрическим эффектом.
Если к одной из этих граней присоединить один электрический провод, а к противоположной — другой электрический провод и слегка стукнуть по кристаллу сверху, это должно привести к появлению электрического импульса.
![](https://habrastorage.org/webt/mw/4q/mt/mw4qmtgxkphex0sbm54likgqmtw.jpeg)
Однако у сегнетовой соли есть и свой минус: она очень гигроскопична и хорошо растворяется в воде (хотя и выпадает потом в осадок). Следствием этого становится необходимость защищать её от атмосферных воздействий, так как без подобной защиты кристалл со временем расплывается (например, можно поместить его внутрь герметично запаянного плоского жестяного или пластикового контейнера и нажимать на кристалл проминающимися стенками).
Тем не менее, это же её свойство используется для распиловки кристалла после его выращивания. Распиловка может производиться (в домашних условиях) даже с использованием обычной смоченной водой нитки, которая в процессе постоянно проходит через ёмкость с водой. Для этого в своё время была предложена следующая схема распиловки:
![](https://habrastorage.org/webt/ln/q7/u_/lnq7u_k5n8ioebhu6leaqxbqmsi.jpeg)
Распиливание должно производиться параллельно найденной ранее грани кристалла с наиболее ярким сегнетоэлектрическим эффектом:
![](https://habrastorage.org/webt/r-/ji/qe/r-jiqecbciz_3gvhzoinaf8scrc.jpeg)
Полученная в результате распиловки пластина будет обладать всеми свойствами той самой, наиболее эффективной грани.
▍ Пьезокерамика
В настоящее время сегнетова соль постепенно уступает своё применение пьезокерамическим составам, под которыми поднимаются искусственные составы (как химические соединения, так и просто твёрдый раствор в виде порошка), представляющие собой в основном материалы из окислов металлов.
Благодаря своей дешевизне и возможности формования из них любых изделий (в том числе такой формы, которая недоступна для монокристаллов), а также влагостойкости и износоустойчивости они уверенно вытесняют сегнетову соль из разных областей.
Ещё одна интересная причина этого заключается в том, что у сегнетовой соли точка Кюри (если простыми словами, то это температура, при которой она теряет свои электрогенерирующие свойства) находится приблизительно на отметке в 54°C. В то же время у конкурентов, например, у того же самого пьезокварца (хоть он и не пьезокерамика, но просто к слову) она находится на отметке в 576°C. Существенная разница… Тем не менее, и он не идеален — обладает низкой эффективностью в режиме излучения, что требует подключения к нему высоких напряжений, а также низкой чувствительностью в режиме приёма давления из-за его низкой диэлектрической проницаемости. В настоящее время известны более 80 пьезоэлектриков с разными свойствами. Например, ниобат лития благодаря своей высокой точке Кюри (1210°C) используют в реакторах.
▍ Перспективы
Говоря же о пьезоэлектриках в целом, можно сказать, что делаются попытки расширить сферу их применения также и на электрогенерирующие устройства. Например, известно устройство, которое представляет собой диски из пьезоэлектрика, расположенные в виде стопки с некоторым интервалом друг над другом. Вокруг них вращается специальный вал с насаженными на него роликами и промежуточной мягкой прокладкой. Быстровращающийся вал с большой частотой немного гнёт диски из пьезоэлектрика, что приводит к выработке электроэнергии, а использование массива дисков даёт увеличение суммарной выходной мощности установки.
Кроме того, автору этой статьи известен и бензиновый двигатель, в котором в качестве устройства для генерации высоковольтной искры применяется обычный пьезоэлемент из зажигалок. К сожалению, подобный элемент не отличается долговечностью и, по словам создателей устройства, его наработка на отказ составляет всего лишь около 1 млн срабатываний. Тем не менее, использование подобного подхода позволяет существенно упростить и удешевить высоковольтную систему двигателя и может быть полезно в ряде случаев.
Ну и, конечно, нельзя не упомянуть широкое использование пьезоэлектриков в системах распыления — делаются попытки изготавливать на их базе автомобильные форсунки, действующие по тому же принципу, что и форсунки в струйных принтерах: с приложением электрического тока пьезоэлектрик меняет свою форму и выталкивает капельку жидкости из специальной камеры.
Завершая этот рассказ, хочется сказать, что создание собственного пьезоэлектрического кристалла может быть интересным как в целях досуга, так и для проведения ряда своих экспериментов и даже практического применения. Тем более, что никто не ограничивает в размере будущего кристалла (что является существенным плюсом, в отличие от покупных готовых изделий) и, теоретически, позволяет создать самостоятельно кристалл достаточно неплохой выходной мощности.
Простота устройства и интересные перспективы, которые даёт использование пьезоэлектриков — привлекают к ним заслуженное внимание.
![](https://habrastorage.org/webt/ym/oc/6_/ymoc6_v0doy8yrm1y4xsrjlxotc.jpeg)
Комментарии (8)
carbonarium
15.12.2022 14:02+3...что приводит к понижению температуры в срединной части сосуда относительно его остальных частей. Это усиливает конвекцию, начинается ротация перенасыщенного раствора, который, переносясь в зону с более низкой температурой...
Позвольте поправить, напротив, охлаждение пояса в зоне роста кристалла не активирует конвекцию, а предотвращает ее, и механизмом транспортировки материала к зоне роста кристалла становится диффузия. Так мы растим кристалл из раствора медленно и качественно.
Если бы нам была нужна конвекция, надо было бы просто греть нижнюю часть сосуда. Правда, в этом случае затравка попросту растворится или обрастет поликристаллической бородой в зависимости от концентрации маточного раствора.
Radisto
15.12.2022 17:01Керамика ЦТС - ходовая как пьезоэлектрик, возможно, с нею будет проще работать
sinc
15.12.2022 23:41+2Можно попробовать поэкспериментировать с керамическими SMD конденсаторами. Их можно найти в большом количестве на материнских платах. Материал в них титанат бария - хороший сегнето и пьезоэлектрик. Подать гармонический сигнал звуковой частоты на конденсатор и прислонить его к небольшому листу металла. Можно прям припаять одним выводом к листу.
potan
16.12.2022 14:25Интересно, какую энергию при ударе пьезоэлектрик успеет преобразовать в электрическую прежде чем разрушится? Можно так энергию столкновений гасить?
AirLight
16.12.2022 15:51Под гашением столкновения подразумевается мягкое столкновение, где амплитуда деформации увеличена максимально. Удар по пьезоэлектрику же подразумевает, что обратимая деформация кристалла минимальна по амплитуде. Это подойдет для гашения вибраций, но не демпфирования.
tref1977
16.12.2022 15:54+1Или гасить вибрации, например как в горных лыжах. "Физически система EMC состоит из керамических пьезо-элементов, резисторов и графеновых проводников, которые расположены в двух местах: на мыске лыже перед креплением и на хвосте лыжи сразу за зоной креплений".
vilgeforce
И все же, в чем разница между пьезоэлектрическим и сегнетоэлектрическим эффектом?
IvanLokh
Сегнетоэлектричество — свойство низкосимметричных кристаллов. Появление в них спонтанной поляризации. А проявляться это свойство может разным образом. Например, в виде пьезоэлектрического эффекта.