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COMPORTAMIENTO DEL ELEMENTO PIEZO



Influencia de la frecuencia de entrada
A bajas frecuencias de entrada, las relaciones entre una fuerza aplicada a un elemento cerámico piezoeléctrico y el campo eléctrico o carga producida por el elemento piezoeléctrico son:



E = - (g33T)
Q = - (d33F)
donde E: campo eléctrico
g33: constante de tensión piezoeléctrica
T: tensión en el elemento cerámico
Q: carga generada
d33: constante de carga piezoeléctrica
F: fuerza aplicada

Las relaciones entre un voltaje o campo eléctrico aplicado y el aumento o disminución correspondiente en el espesor, la longitud o el ancho de un elemento cerámico piezoeléctrico son:
Δh = d33V
S = d33E
Δl / l = d31E
Δw / w = d31E
donde l: longitud inicial del elemento cerámico
w: ancho inicial del elemento cerámico
Δh: cambio de altura (espesor) del elemento cerámico
Δl: cambio de longitud del elemento cerámico
Δw: cambio de ancho del elemento cerámico
d: constante de carga piezoeléctrica
V: voltaje aplicado
S: deformación (cambio de altura / altura original del elemento)
E: campo eléctrico

Un elemento cerámico piezoeléctrico expuesto a un campo eléctrico alterno cambia de dimensión cíclicamente, a la frecuencia del campo. La frecuencia a la que el elemento vibra más fácilmente en respuesta a la entrada eléctrica y convierte de manera más eficiente la entrada de energía eléctrica en energía mecánica, la frecuencia de resonancia, está determinada por la composición del material cerámico y por la forma y el volumen de el elemento.

A medida que aumenta la frecuencia de los ciclos, las oscilaciones del elemento se acercan primero a una frecuencia en la que la impedancia es mínima (admitancia máxima). Esta frecuencia también es la frecuencia de resonancia. A medida que la frecuencia aumenta aún más, la impedancia aumenta hasta un máximo (admitancia mínima), que también es la frecuencia antirresonancia. Estas frecuencias se determinan mediante experimentos; para ver cómo, consulte Determinación de la frecuencia de resonancia.

Los valores de la frecuencia de impedancia mínima y la frecuencia de impedancia máxima se pueden utilizar para calcular el factor de acoplamiento electromecánico, k, un indicador de la eficacia con la que un material piezoeléctrico convierte la energía eléctrica en energía mecánica o la energía mecánica en energía eléctrica. k depende del modo de vibración y de la forma del elemento cerámico. Las pérdidas dieléctricas y mecánicas también afectan la eficiencia de la conversión de energía. Las pérdidas dieléctricas suelen ser más importantes que las pérdidas mecánicas.

Estabilidad: la mayoría de las propiedades de un elemento cerámico piezoeléctrico se erosionan gradualmente, en una relación logarítmica con el tiempo después de la polarización. Las tasas exactas de envejecimiento dependen de la composición del elemento cerámico y del proceso de fabricación utilizado para prepararlo. El mal manejo del elemento superando sus limitaciones eléctricas, mecánicas o térmicas puede acelerar este proceso inherente.

Limitaciones eléctricas: la exposición a un campo eléctrico fuerte, de polaridad opuesta a la del campo de polarización, despolarizará un material piezoeléctrico. El grado de despolarización depende del grado del material, el tiempo de exposición, la temperatura y otros factores, pero los campos de 200-500 V / mm o más generalmente tienen un efecto despolarizante significativo. Una corriente alterna tendrá un efecto despolarizante durante cada semiciclo en el que la polaridad sea opuesta a la del campo polarizador.
Limitaciones mecánicas La tensión mecánica suficiente para alterar la orientación de los dominios en un material piezoeléctrico puede destruir la alineación de los dipolos. Al igual que la susceptibilidad a la despolarización eléctrica, la capacidad de soportar tensiones mecánicas difiere entre los distintos grados y marcas de materiales piezoeléctricos.

Limitaciones térmicas: si un material cerámico piezoeléctrico se calienta hasta su punto Curie, los dominios se desordenarán y el material se despolarizará. La temperatura de funcionamiento superior recomendada para una cerámica suele estar aproximadamente a la mitad entre ° C y el punto de Curie. Dentro del rango de temperatura de funcionamiento recomendado, los cambios asociados con la temperatura en la orientación de los dominios son reversibles. Por otro lado, estos cambios pueden crear desplazamientos de carga y campos eléctricos. Además, las fluctuaciones repentinas de temperatura pueden generar voltajes relativamente altos, capaces de despolarizar el elemento cerámico. Se puede incorporar un condensador al sistema para aceptar la energía eléctrica superflua.

Para un material cerámico en particular, la constante de carga piroeléctrica - el cambio de polaridad para un cambio dado de temperatura - y la constante de intensidad del campo piroeléctrico - el cambio en el campo eléctrico para un cambio dado de temperatura - son indicadores de la vulnerabilidad del material a efectos piroeléctricos. Una constante de carga piezoeléctrica alta: relación constante de carga piroeléctrica o constante de tensión piezoeléctrica: relación constante de intensidad de campo piroeléctrico indica una buena resistencia a los efectos piroeléctricos.

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Sun Zhaohai

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