Пьезоэлектрики — виды, свойства и применение


Реферат: Пьезоэлектрики

Пьезоэлектрики

В1756 г. русский академик Ф. Эпинус обнаружил, что при нагревании кристалла турмалина на его гранях появляются электрические заряды. В дальнейшем этому явлению было присвоено наименование пироэлектрического эффекта. Ф. Эпинус предполагал, что причиной электрических явлений, наблюдаемых при изменении температуры, является неравномерный нагрев двух поверхностей, приводящий к появлению в кристалле механических напряжений. Одновременно он указал, что постоянство в распределении полюсов на определённых концах кристалла зависит от его структуры и состава, таким образом, Ф. Эпинус подошел вплотную к открытию пьезоэлектрического эффекта.

Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных при определённой ориентировки из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии.

Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновение электрической поляризации внутри него в результате воздействия механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Наряду с прямым существует обратный пьезоэлектрический эффект, заключающиеся в том, что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла, возникает механическая деформация под действием приложенного к ней электрического поля; причём величина механической деформации пропорциональна напряжённости электрического поля.

Обратный пьезоэлектрический эффект не следует смешивать с явлением электрострикции, т. е. с деформацией диэлектрика под действием электрического поля. При электрострикции между деформацией и полем существует квадратичная зависимость, а при пьезоэффекте — линейная. Кроме того, электрострикция возникает у диэлектрика любой структуры и происходит даже в жидкостях и газах, в то время, как пьезоэлектрический эффект наблюдается только в твёрдых диэлектриках, главным образом, кристаллических.

Пьезоэлектричество появляется только в тех случаях, когда упругая деформация кристалла сопровождается смещением центров тяжести положительных и отрицательных зарядов элементарной ячейки кристалла, т. е. когда она вызывает индивидуальный дипольный момент, который необходим для возникновения электрической поляризации диэлектрика под действием механического напряжения. В структурах имеющих центр симметрии, никакая однородная деформация не сможет нарушить внутреннее равновесие кристаллической решётки и, следовательно, пьезоэлектрическими являются кристаллы только 20 классов, у которых отсутствует центр симметрии. Отсутствие центра симметрии является необходимым, но не достаточным условием существования пьезоэлектрического эффекта, и поэтому не все ацентричные кристаллы обладают им.

Пьезоэлектрический эффект не может наблюдаться в твёрдых аморфных и скрытокристаллических диэлектриках (почти изотропных), так как это противоречит их сферической симметрии. Исключение составляют случаи, когда они становятся анизотропными под влиянием внешних сил и тем самым частично приобретают свойства одиночных кристаллов. Пьезоэффект возможен также в некоторых видах кристаллических текстур.

До сих пор пьезоэлектрический эффект не находит удовлетворительного количественного описания в рамках современной атомной теории кристаллической решетки. Даже для структур простейшего типа нельзя хотя бы приближённо вычислить порядок пьезоэлектрических постоянных.

В настоящие время разработана феноменологическая теория пьезоэффекта, связывающая деформации и механические напряжения с электрическим полем и поляризацией в кристаллах. Установлена система параметров, определяющих эффективность кристалла как пьезоэлектрика. Пьезоэлектрический модуль (пьезомодуль) d определяет поляризацию кристалла (или плотность заряда) при заданном приложенном механическом напряжении; пьезоэлектрическая константа определяет механическое, возникающие в зажатом кристалле под действием электрического поля; пьезоэлектрическая постоянная g характеризует электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданном механическом напряжении; и, наконец, пьезоэлектрическая постоянная h определяет электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданной механической деформации. Эти постоянные являются родственными величинами и связанны друг с другом соотношениями, включающими в себя упругие константы и диэлектрическую проницаемость кристаллов, поэтому можно пользоваться любой из них. Наиболее употребителен пьезомодуль d. Пьезоэлектрические постоянные являются тензорами, и поэтому каждый кристалл может иметь несколько независимых пьезомодулей.

В общем виде уравнение прямого пьезоэффекта при воздействии однородного механического напряжения Tr записывается так:

Где Pi — компонент вектора поляризации; dir — пьезомодуль; Tr — компонент механического напряжения.

Уравнение обратного пьезоэффека записывается так:

Где Xi — компонент упругой деформации; Er — компонент напряжённости электрического поля.

Каждый пьезоэлектрик есть электромеханический преобразователь, поэтому важной его характеристикой является коэффициент электромеханической связи r. Квадрат этого коэффициента представляет собой отношение энергии, проявляющийся в механической форме для данного типа деформации, к полной электрической энергии, полученной на входе от источника питания.

Во многих случаях пьезоэлектриков существенными являются их упругие свойства, которые описываются модулями упругости C (модулями Юнга Ею) или обратными величинами — упругими постоянными S.

При использовании пьезоэлектрических элементов в качестве резонаторов в некоторых случаях вводят частотный коэффициент, представляющий собой произведение резонансной частоты пьезоэлемента и геометрического размера, определяющего тип колебания. Эта величина пропорциональна скорости звука в направлении распространения упругих волн в пьезоэлементе.

В настоящие время известно много веществ (более 500), обнаруживших пьезоэлектрическую активность. Однако только немногие из них находят практическое применение.

Кварц. Кварц — широко распростронённый в природе минерал, ниже температуры 573 по Цельсию кристаллизуется в тригонально-трапецоэдрическом классе гексагональной сингонии. Он принадлежит к энантиоморфному классу и встречается в природе в двух модификациях: правой и левой.

По химическому составу кварц представляет собой безводный диоксид кремния (SiO2) молекулярная масса 60,06.

Кварц относится к числу наиболее твёрдых минералов, обладает высокой химической стойкостью.

Внешние формы природных кристаллов кварца отличаются большим разнообразием. Наиболее обычной формой является комбинация гексагональной призмы и ромбоэдров (пирамидальные грани). Грани призмы расширяются к основанию кристалла и имеют на поверхности горизонтальную штриховку.

Годный для использования в пьезоэлектрической аппаратуре кварц встречается в природе в виде кристаллов, их обломков и окатанных галек. Цвет от бесцветно-прозрачного (горный хрусталь) до чёрного (морион).

Обычно природные кристаллы кварца содержат в себе различные дефекты, снижающие их ценность. К числу дефектов относятся включение инородных минералов (рутил хлорит), трещины, пузыри, фантомы, голубые иглы, свили и двойники.

В настоящее время наряду с природными используются синтетические кристаллы кварца, выращиваемые в автоклавах при повышенных температуре и давлении из насыщенных диоксидом кремния щелочных растворов.

Пьезоэлектрические свойства кварца широко используются в технике для стабилизации и фильтрации радиочастот, генерирования ультразвуковых колебаний и для измерения механических величин (пьезометрия).

Турмалин. Турмалин кристаллизуется в тригонально-пирамидальном классе тригональной сингонии. Кристаллы призматические с продольной штриховкой, удлиненные, часто игольчатой формы.

По химическому составу турмалин представляет собой сложный алюмоборосиликат с примесями магния, железа или щелочных металлов (Na, Li, K).

Цвет от чёрного до зелёного, также красный до разового, реже бесцветный. При трении электризуется, обладает сильным пироэлектрическим эффектом.

Турмалин широко распространён в природе, однако в большинстве случаев кристаллы изобилуют трещинами. Бездефектные кристаллы, годные для пьезоэлектрических резонаторов, встречаются редко.

Основным преимуществом турмалина является большее значение частного коэффициента по сравнению с кварцем. Благодаря этому, а также из-за большей механической прочности турмалина возможно изготовление резонаторов на более высокие частоты.

В настоящее время турмалин почти не используется для изготовления пьезоэлектрических резонаторов и имеет ограниченное применение для измерения гидростатического давления.

Сегнетова соль. Сегнетова соль кристаллизуется в ромботетраэдрическом классе ромбической сингонии. Принадлежность к энантиоморфному классу определяет теоретическую возможность существования правых и левых кристаллов сегнетовой соли. Однако получаемые из отходов виноделия кристаллы сегнетовой соли бывают только правыми.

Для предохранения от воздействия влаги пьезоэлементы из сегнетовой соли покрывают тонкими пленками лака.

Пьезоэлементы из сегнетовой соли широко использовались в аппаратуре, работающей в сравнительно узком температурном интервале, в частности, в звукоснимателях. Однако в настоящее время они почти полностью вытеснены керамическими пьезоэлементами.

Дигидрофосфат аммония. Дигидрофосфат аммония кристаллизуется в тетрагональной сингонии. Кристаллы представляют собой комбинацию тетрагональной пирамиды и призмы.

Кристаллы дигидрофосфата не содержат кристаллизованной воды и не обезвоживаются. При 93% относительной влажности воздуха кристаллы начинают поглощать влагу и растворятся.

Дигидрофосфат аммония плавится при температуре 190 градусов Цельсии, однако выше 100 градусов с поверхности кристалла начинает улетучиваться аммиак. Это ограничивает верхний предел рабочих температур.

В настоящее время вследствие широкого развития пьезоэлектрической керамики применение дигидрофосфата аммония ограничено.

Винокислый калий. Виннокислый калий (условное обозначение ВК) кристаллизуется в монокристаллической сингонии.

Содержащаяся в ВК кристаллизационная вода прочно связанна. Опытным путём установлено, что до температуры 80 градусов обезвоживание не наступает. Заметное растворение ВК начинается при 80% влажности.

Резонаторы из ВК имеют высокие добротности и коэффициента электромеханической связи. Они могут заменять кварц в фильтрах дальней связи.

Ниобат лития. Ниобат лития — синтетический кристалл, кристаллизуется в дитригонально-пирамидальном классе ромбоэдрической сингонии.

Ниобат лития не растворяется в воде, не разлагается при высоких температурах, отличается высокой механической прочностью. По электрическим свойствам он представляет собой сегнетоэлектрик с температурой Кюри около 1200 градусов Цельсия.

Благодаря своим высоким пьезоэлектрическим и механическим свойствам, в том числе и высокой добротности, ниобат лития является перспективным материалом для изготовления преобразователей различного назначения. Тонкие (толщиной около одного микрометра) пленки ниобата лития, получаемые катодным распылением в вакууме, представляют собой ориентированные поликристаллические текстуры, которые могут быть использованы в качестве излучателей и приемников ультразвуковых колебаний СВЧ — диапазона.

Пьезоэлектрические текстуры. Текстуры, представляют собой ориентированную определенным образом в пространстве совокупность пьезоэлектрических кристаллов, не имеющую центра симметрии, могут обладать пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэффект в текстурах сегнетовой соли был открыт А. В. Шубниковым; им же были установлены основные закономерности пьезоэффекта в аналогичных средах. Пьезотекстуры сегнетовой соли, получаемые нанесением расплава сегнетовой соли на подложку с помощью кисти, имеют один пьезомодуль d14 сегнетовой соли.

В настоящее время такие текстуры не представляют практического интереса. Наибольшее значение имебт текстуры на основе поляризованной пьезоэлектрической керамики.

Пьезоэлектрическая керамика. Сегнетоэлектрические свойства таких материалов обуславливают возможность пьезоэлектрического эффекта. Под влиянием постоянного электрического поля некоторая часть доменов ориентируется в направлении приложенного поля. После снятия внешнего поля большая часть доменов удерживается в своем новом положении из-за внутреннего поля, которое возникает в результате параллельной ориентации направлений поляризации доменов. Благодаря этому керамика становится полярной текстурой, которая обладает пьезоэффектом.

Керамическая технология изготовления пьезоэлементов не накладывает принципиальных ограничений на их форму и размеры. Эти обстоятельства, а также высокие значения пьезоэлектрических характеристик обусловили широкое применение керамических пьезоэлементов в технике, в особенности в устройствах для излучения и приема ультразвуковых колебаний.

Особенности технологии изготовления керамических пьезоэлементов. Отличительной чертой процесса изготовления пьезокерамических изделий является их поляризация сильным постоянным электрическим полем, которое прикладывается обычно после нанесения электродов на спеченную заготовку, полученную одним из методов керамической технологии.

Промышленные пьезокерамические материалы и пьезокерамические — полимеры.

Материалы с различными свойствами подразделяются на марки (по составу и характеристикам) и на функциональные группы (по назначению).

Материалы функциональной группы 1 применяются для изготовления высокочувствительных пьезоэлементов, работающих в режиме приема или излучения механических колебаний. Материалы функциональной группы 2 предназначены для пьезоэлементов, эксплуатирующихся в условиях сильных электрических полей или высоких механических напряжений. Материалы функциональной группы 3 применяются для изготовления пьезоэлементов, обладающих повышенной стабильностью резонансных частот в зависимости от температуры и времени, а функциональной группы 4 — для высокотемпературных пьезоэлементов.

Рассмотрим теперь свойства пьезокерамики различных типов.

Материалы на основе титаната бария. Титанат бария является сегнетоэлектриком. Пьезокерамика титаната бария (ТБ-1) широко применяется для изготовления преобразователей, к которым не предъявляют жесткие требования по температурной и временной стабильности характеристик. Отсутствие в рецептуре титаната бария летучих при обжиге компонентов и простота технолигии изготовления пьезоэлементов делают этот материал по прежнему распространенным в технике.

Материалы на основе тверды растворов титаната — цирконата свинца. Твердые растворы титаната свинцаобладабт очень высокими значениями пьезоэлектрических характеристик. На основе этих твердых растворов были разработаны серии технологических пьезокерамических материалов, условное наименование ЦТС (за рубежом PZT).

Технология изготовления изделий из материалов типа ЦТС усложнена тем, что они содержат в своем составе оксид свинца, который частично улетучивается при высокотемпературном обжиге, что приводит к плохой воспроизводимости свойств. Поэтому обжиг заготовок пьезоэлементов проводят в атмосфере паров оксида свинца, для чего заготовки помещают в плотно закрытые капсели, содержащие засыпку из оксидных соединений свинца. Тем не менее, высокие характеристики этого типа материалов делают их весьма распространенными для изготовления пьезоэлектрических преобразователей различного назначения: для электроакустических приборов, ультразвуковой техники, пьезометрии, а также и некоторых видов радиотехнических фильтров.

Материалы на основе метаниобата свинца. Твердые растворы метаниобатов свинца и бария имеют высокую температуру точки Кюри. Материалы на их основе имебт стабильные в широком температурном интервале значения пьезмодулей и резнансных частот. Технология изготовления изделей из них проще, чем из материалов марки ЦТС, так как входящие в состав ниобатной керамики оксид свинца практически не летуч при обжиге.

Пьезоэлектрики — полимеры. Некоторые полимерные материалы в виде механически ориентированных и поляризованных в электрическом поле пленок являются полярными текстурами, в которых наблюдается пьезоэлектрический эффект. Среди них практический интерес представляет поливинилиденфторид (ПВДФ). При вытяжке пленок из этого полимера на 300. 400% они ориентируются с образованием особой конформации, которая после поляризации в сильном электрическом поле приобретает пьезоэлектрический эффект.

Список литературы

Справочник по электротехническим материалам том 3

Пьезоэлектрики и их свойства

Дата 26.07.2014
Размер 154.46 Kb.
Тип Курсовая
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Тема: Пьезоэлектрики и их свойства

1. Пьезоэлектрический эффект.

В некоторых кристаллах поляризация может возникнуть и без внешнего поля, если кристалл подвергается механическим деформациям. Это явление, открытое в 1880 г. Пьером и Жаком Кюри, получило название пьезоэлектри­ческого эффекта.

Чтобы обнаружить пьезоэлектрические заряды, на грани крис­таллической пластинки накладывают металлические обкладки. При разомкнутых обкладках между ними при деформации появ­ляется разность потенциалов. При замкнутых обкладках на них образуются индуцированные заряды, равные по величине поляризационным зарядам, но противоположные им по знаку, и в цепи, соединяющей обкладки, в процессе деформации возникает ток. Рассмотрим основные особенности пьезоэлектрического эффекта на примере кварца. Кристаллы кварца SiO2 существуют в различ­ных кристаллографических модификациях. Интересующие нас кристаллы (a-кварц) принадлежат к так называемой тригональной кристаллографической системе и обычно имеют форму, показанную на рис. 1. Они напоминают ше­стигранную призму, ограниченную двумя пирамидами, однако имеют еще ряд дополнительных граней. Такие кристаллы характеризу­ются четырьмя кристаллическими осями, определяющими важные направления внутри кристалла.

Одна из этих осей — Z соединяет вершины пирамид. Три другие X1, Х2, Х3 перпендикулярны к оси Z и соединяют противолежащие ребра шестигранной призмы. Направление, определяемое осью Z, пьезоэлектрически неактивно: при сжатии или растяжении по этому направлению никакой поляризации не происходит. Напро­тив, при сжатии или растяжении в любом направлении, перпен­дикулярном к оси Z, возникает электрическая поляризация. Ось Z называется оптической осью кристалла, а оси X1, Х2, Х3 — электри­ческими или пьезоэлектрическими осями.

Рассмотрим пластинку кварца, вырезанную перпендикулярно к одной из пьезоэлектрических осей X. Ось, перпендикулярную к Z и X, обозначим через Y (рис. 2). Тогда оказывается, что при растяжении пластинки вдоль оси Х на перпендикулярных к ней гранях АВСD и ЕFGН появляются разноименные поляризацион­ные заряды. Такой пьезоэлектрический эффект называется продольным. Если изменить знак деформации, т. е. перейти от растяжения к сжатию, то и знаки поляризационных зарядов изменятся на об­ратные

.
Рис. 1. Кристалл кварца.

Возникновение поляризационных зарядов определенных знаков при данном типе деформации (растяжение или соответственно сжатие) показывает, что концы осей Х неравноправны, и осям Х можно приписать определенные направления (что отмечено на рис. 1 стрелками). Это значит, что при данной деформации знак заря­да зависит от того, направлена ли ось Х по внешней нормали к грани или по вну­тренней.

Рис. 2. Кварцевая пластинка, вырезанная перпендикулярно к пьезоэлектрической оси.

Неравноправность концов полярной оси проявляется, конечно, не только в пьезоэлектрическом эффекте, но и в других явлениях. Так, например, скорость химического травления граней, расположенных у разных концов полярной оси, оказывается различной и получающиеся при этом фигуры травления отличаются друг от друга.

Наряду с продольным пьезоэлектрическим эффектом существует также поперечный пьезоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при сжатии или растяжении вдоль оси Y возникает поля­ризация вдоль оси Х и на тех же гранях АВСD и ЕFGН появляются поляризационные заряды. При этом оказывается, что знаки зарядов на каждой грани при сжатии вдоль Y (в поперечном эффекте) та­кие же, как при растяжении вдоль Х (в продольном эффекте).

Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом В ионных кристаллах вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется электрический момент и в отсутствие внешнего электри­ческого поля. Однако эта поляризация обычно не проявляется, так как она компенсируется зарядами на поверхности. При де­формации кристалла положительные и отрицательные ионы ре­шетки смещаются друг относительно друга, и поэтому, вообще говоря, изменяется электрический момент кристалла. Это измене­ние электрического момента и проявляется в пьезоэлектрическом эффекте.

Рис. 3 качественно поясняет возникновение пьезоэлектрического эффекта в кварце. Здесь схематически показаны проекции положи­тельных ионов Si (заштрихованные кружки) и отрицательных ионов О (светлые кружки) в плоскости, перпендикулярной к оптической оси Z. Этот рисунок не соответствует фактической конфигурации ионов в элементарной ячейке кварца, в которой ионы не лежат в одной плоскости, а их число больше показанного. Он, однако, правильно передает симметрию взаимного расположения ионов, что уже достаточно для качественного объяснения.

Рис. 3, а) соответствует недеформированному кристаллу. На грани A, пер­пендикулярной к оси X1, имеются выступающие положительные заряды, а на параллельной ей грани В — выступающие отрицатель­ные заряды. При сжатии вдоль оси X1 (рис. 3, б) элементарная ячейка деформируется. При этом положительный ион 1 и отрица­тельный ион 2 “вдавливаются” внутрь ячейки, отчего выступающие заряды (положительный на плоскости А и отрицательный на плос­кости В) уменьшаются, что эквивалентно появлению отрицатель­ного заряда на плоскости А и положительного заряда на плос­кости В. При растяжении вдоль оси X1 имеет место обратное (рис. 3, в): ионы 1 и 2 “выталкиваются” из ячейки. Поэтому на грани А возникает дополнительный положительный заряд, а на грани В — отрицательный заряд.

в)
Рис. 3. К объяснению пьезоэлектрического эффекта.
Расчеты в теории твердого тела в согласии с опытом показывают, что пьезоэлектрический эффект может существовать только в таких кристаллах, в которых элементарная ячейка не имеет центра сим­метрии. Так, например, элементарная ячейка кристаллов CsCl (рис. 4) имеет центр симметрии и эти кристаллы не обнаруживают пьезоэлектрических свойств. Расположение же ионов в ячейке кварца таково, что в нем центр симметрии отсутствует, и поэтому в нем возможен пьезоэлектрический эффект.

Рис. 4. Элементарная ячейка кристалла хлористого цезия CsCl.

Величина вектора поляризации Р (и пропорциональная ей поверхностная плотность пьезоэлектрических зарядов о’) в определенном интервале изменений пропорциональна величине механических деформаций. Обозначим через и дефор­мацию одностороннего растяжения вдоль оси X:

где d — толщина пластинки, а d — ее изменение при деформации. Тогда, напри­мер, для продольного эффекта имеем

Величина называется пьезоэлектрическим модулем. Знак может быть как поло­жительным, так и отрицательным. Так как и безразмерная величина, то изме­ряется в тех же единицах, что и Р, т.е. в Кл/м 2 . Величина поверхностной плотно­сти пьезоэлектрических зарядов на гранях, перпендикулярных к оси X, равна ‘=Рх

Вследствие возникновения пьезоэлектрической поляризации при деформации изменяется и электрическое смещение D внутри кристалла. В этом случае в общем определении смещения под Р нужно понимать сумму Рe+Pu, где Pe oбусловлено электрическим полем, а Рu — деформацией. В общем случае направле­ния Е, Pe и Рu не совпадают и выражение для D получается сложным. Однако для некоторых направлений, совпадающих с осями высокой симметрии, направления указанных векторов оказываются одинаковыми. Тогда для величины смещения можно написать

где Е — напряженность электрического поля внутри кристалла, а — диэлектри­ческая проницаемость при постоянной деформации. Соотношение справед­ливо, например, при деформации одностороннего растяжения (сжатия) вдоль одной из электрических осей X. Оно является одним из двух основных соотноше­ний в теории пьезоэлектричества (второе соотношение приведено).

Пьезоэлектрический эффект возникает не только при деформации одностороннего растяжения, но и при деформациях сдвига.

Пьезоэлектрические свойства наблюдаются, кроме кварца, у большого числа других кристаллов. Гораздо сильнее, чем у квар­ца, они выражены у сегнетовой соли. Сильными пьезоэлектриками являются кристаллы соединений элементов 2-й и 6-й групп периоди­ческой системы (СdS, ZnS), а также многих других химических соединений.

2. Обратный пьезоэлектрический эффект
Наряду с пьезоэлектрическим эффектом существует и обратное ему явление: в пьезоэлектрических кристаллах возникновение по­ляризации сопровождается механическими деформациями. Поэтому, если на металли­ческие обкладки, укрепленные на кри­сталле, подать электрическое напряжение, то кристалл под действием поля поляри­зуется и деформируется.

Легко видеть, что необходимость су­ществования обратного пьезоэффекта сле­дует из закона сохранения энергии и факта существования прямого эффекта. Рассмотрим пьезоэлектрическую пластин­ку (рис. 5) и предположим, что мы сжима­ем ее внешними силами F. Если бы пьезо­эффекта не было, то работа внешних сил равнялась бы потенциальной энергии упруго деформированной пластинки. При наличии пьезоэффекта на пластинке появляются заряды и возникает электрическое поле, которое заключает в себе дополнительную энергию. По закону сохранения энергии отсюда следует, что при сжатии пьезоэлектрической пластинки совершается большая работа, а значит, в ней возникают дополнительные силы F1, противодействующие сжатию. Это и есть силы обратного пьезоэффекта. Из приведенных рассуждений вытекает связь между знаками обоих эффектов. Если в обоих случаях знаки зарядов на гранях одинаковы, то знаки деформаций различны. Если при сжатии пла­стинки на гранях появляются заряды, указанные на рис. 5, то при создании такой же поляризации внешним полем пластинка будет растягиваться.

Рис .5. Связь прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов.

Обратный пьезоэлектрический эффект имеет внешнее сходство с электрострикцией. Однако оба эти явления различны. Пьезоэффект зависит от направления поля и при изменении направ­ления последнего на противоположное изменяет знак. Электрострикция же не зависит от направления поля. Пьезоэффект наблю­дается только в некоторых кристаллах, не обладающих центром симметрии. Электрострикция имеет место во всех диэлектриках как твердых, так и жидких.

Если пластинка закреплена и деформироваться не может, то при создании электрического поля в ней появится дополнительное механическое напряжение Его величина s пропорциональна напряженности электрического поля внутри кристалла:

где — тот же пьезоэлектрический модуль, что и в случае прямого пьезоэффекта. Минус в этой формуле отражает указанное выше соотношение знаков прямого и обратного пьезоэффектов.

Полное механическое напряжение внутри кристалла складывается из напря­жения, вызванного деформацией, и напряжения, возникшего под влиянием элек­трического поля. Оно равно

Здесь С есть модуль упругости при деформации одностороннего растяжения (мо­дуль Юнга) при постоянном электрическом поле. Формулы (51.2) и (52.2) являют­ся основными соотношениями в теории пьезоэлектричества.


При написании формул мы выбирали u и Е в качестве незави­симых переменных и считали D и s их функциями. Это, конечно, необязательно, и мы могли бы считать независимыми переменными другую пару величин, одна из которых — механическая, а другая — электрическая. Тогда мы получили бы тоже два линейных соотношения между u, s, Е и D, но с другими коэффициентами. В за­висимости от типа рассматриваемых задач удобны различные формы записи основ­ных пьезоэлектрических соотношений.

Так как все пьезоэлектрические кристаллы анизотропны, то постоянные , С и зависят от ориентации граней пластинки относительно осей кристалла. Кроме того, они зависят от того, закреплены боковые грани пластинки или свободны (за­висят от граничных условий при деформации). Чтобы дать представление о поряд­ке величины этих постоянных мы приведем их значения для кварца в случае, ког­да пластинка вырезана перпендикулярно оси Х и ее боковые грани свободны:

=4,5; С=7,8 10 10 Н/м 2 ; =0,18 Кл/м 2 .

Рассмотрим теперь пример применения основных соотношений (4) и (5) Положим, что кварцевая пластинка, вырезанная, как указано выше, растягивает­ся вдоль оси X, причем обкладки, касающиеся граней, разомкнуты. Так как заряд обкладок до деформации был равен нулю, а кварц является диэлектриком, то и после деформации обкладки будут незаряженными. Согласно определению элек­трического смещения это значит, что D=0. Тогда из соотношения (4) следует, что при деформации внутри пластинки появится электрическое поле c напряженностью

Подставляя это выражение в формулу (5), находим для

механического на­пряжения в пластинке

Напряжение, как и в отсутствие пьезоэлектрического эффекта, пропорционально деформации. Однако упругие свойства пластинки теперь характеризуются эффек­тивным модулем упругости

который больше С. Увеличение упругой жесткости вызвано появлением добавоч­ного напряжения при обратном пьезоэффекте, препятствующего деформации. Влияние пьезоэлектрических свойств кристалла на его механические свойства характеризуется величиной

Квадратный корень из этой величины (К) называется константой электромехани­ческой связи Пользуясь приведенными выше значениями , С и , находим, что для кварца К 2

0.01 Для всех других известных пьезоэлектрических кристаллов К 2 оказывает также малым по сравнению с единицей и не превышает 0,1.

Оценим теперь величину пьезоэлектрического поля. Положим, что к граням кварцевой пластинки, перпендикулярным к оси X, приложено механическое на­пряжение 1 105 5 Н/м 2 . Тогда, согласно (7), деформация будет равна u=1,3 10 — 6 . Подставляя это значение в формулу (6), получаем |E|==5900 В/м=59 В/см. При толщине пластинки, скажем, d==0,5 см напряжение между обкладками будет равно U=Еd

30 В. Мы видим, что пьезоэлектрические поля и напряжения могут быть весьма значительными. Применяя вместо кварца более сильные пьезоэлектрики и используя должным образом выбранные типы деформации, можно полу­чать пьезоэлектрические напряжения, измеряемые многими тысячами вольт.

Пьезоэлектрический эффект (прямой и обратный) широко при­меняется для устройства различных электромеханических преоб­разователей. Для этого иногда используют составные пьезоэлементы, предназначенные для осуществления деформаций разного типа.

На рис.6 показан двойной пьезоэлемент (составленный из двух пластинок), работающий на сжатие. Пластинки вырезаны из крис­талла таким образом, что они одновременно либо сжимаются, либо растягиваются. Если, наоборот, сжимать или растягивать такой пьезоэлемент внешними силами, то между его обкладками появ­ляется напряжение. Соединение пластинок в этом пьезоэлементе соответствует параллельному соединению конденсаторов.

Рис. 6. Двойной пьезоэлемент, работающий на сжатие.
3. Диэлектрики
На рис. 7 показан пьезоэлемент работающий на изгиб. При появ­лении напряжения на обкладках одна из пластинок сжимается в попе­речном направлении и удлиняется в продольном, а другая — растяги­вается и укорачивается, отчего и возникает деформация изги­ба. Если изгибать такой пьезо­элемент внешними силами, то между его обкладками возни­кает электрическое напряже­ние. Соединение пластинок в этом случае соответствует по­следовательному соединению конденсаторов. Очевидно, что такой пьезоэлемент не отвеча­ет на сжатия и растяжения: в этом случае в каждой из пла­стинок возникает электрическое поле, но поля направлены противо­положно, и поэтому напряжение между обкладками равно нулю. Электромеханические преобразователи находят многочисленные применения в разнообразной электроакустической и измерительной аппаратуре. Укажем на пьезоэлектрические микрофон и телефон, пьезоэлектрический адаптер (в электрических проигрывателях пате­фонных пластинок), манометры, измерители, вибраций и др. Осо­бенно важные применения имеют пьезоэлектрические колебания кварца. Если поместить кварцевую пластинку между пластинами конденсатора и создать между пластинами переменное напряжение, то при частоте электрических колебаний, совпадающей с одной из собственных механических частот пластинки, наступает механи­ческий резонанс и в пластинке возникают очень сильные механиче­ские колебания. Такая кварцевая пластинка является мощным излучателем волн сверхзвуковой частоты (кварцевые излучатели), используемых в технике, биологии и медицине, а также в многочис­ленных физических и физико-химических исследованиях. Пьезо­электрические колебания применяются также для стабилизации частоты генераторов электрических колебаний в радиотехнике и в других технических устройствах.

Рис .7. Двойной пьезоэлемент, тающий на изгиб.

Пьезоэлектричество

(от греч. piézo — давлю и Электричество)

явления возникновения поляризации диэлектрика (См. Диэлектрики) под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект) и возникновения механических деформаций под действием электрического поля (обратный пьезоэлектрический эффект). Прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты наблюдаются в одних и тех же кристаллах — пьезоэлектриках. Первое подробное исследование пьезоэлектрических эффектов сделано в 1880 братьями Ж. и П. Кюри на кристалле Кварца. В дальнейшем пьезоэлектрические свойства были обнаружены более чем у 1500 веществ, из которых широко используются Сегнетова соль, титанат бария и др. (см. Пьезоэлектрические материалы).

Пьезоэлектрические свойства кристаллов связаны с их структурой. Ими обладают все Пироэлектрики (спонтанно поляризованные диэлектрики). При механической деформации пироэлектрика меняется величина его спонтанной поляризации, что и наблюдается как прямой пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрические эффекты наблюдаются также в некоторых непироэлектриках (например, у кварца). Справедливо общее утверждение: кристаллы, обладающие центром симметрии, не могут быть пьезоэлектриками. Это объясняется тем, что при деформации кристалла центр симметрии сохраняется, а при наличии центра симметрии не может быть поляризации (рис. 1, 2). Наличие других элементов симметрии (оси, плоскости симметрии) может «запрещать» появление поляризации в определённых направлениях или при некоторых определённых деформациях (см. Симметрия кристаллов).

Количественными характеристиками П. в данном кристалле является совокупность пьезоконстант и пьезомодулей — коэффициент пропорциональности между электрическими величинами (напряжённость электрического поля Е, поляризация P) и механическими величинами (механические напряжения σ, относительные деформации u). Например, P = dσ. Коэффициент d и есть одна из пьезоконстант. Т. к. произвольное механическое напряжение может быть представлено как совокупность 6 независимых напряжений, а вектор поляризации P имеет 3 независимых компоненты, то в общем случае может быть 18 разных пьезоконстант d. Однако симметрия кристалла ограничивает число независимых и отличных от нуля пьезоконстант. Величина d зависит от условий опыта, а именно: она имеет одно значение d, если заряд на обкладках конденсатора (рис. 3) поддерживать равным нулю, и другое значение d’, если обкладки конденсатора закорочены, т. е. Е = 0. Поэтому соотношение P = dσ целесообразно записывать, например, в виде: P = d’σ + χЕ. Величины d и d’ связаны соотношением d’= dε, где ε — Диэлектрическая проницаемость кристалла.

Пьезоконстантами называются также коэффициенты r, g, h в соотношениях P = ru + χ’Е, u = S’σ + hP, u = S’σ + hE и т.п. Все пьезоконстанты d, r, g, h связаны друг с другом, так что при описании пьезоэлектрических свойств кристалла можно ограничиться только одной, например d. Характерная величина пьезоконстанты d в системе СГСЭ составляет для кварца 3․10 —8 . Существенно больших величин могут достигать пьезоконстанты сегнетоэлектриков, что связано с их высокой диэлектрической проницаемостью и доменной структурой, которая может перестраиваться при деформации.

Пьезоэлектрики широко применяют в технике, акустике, радиофизике и т.д. Их применение основано на преобразовании электрических сигналов в механические и наоборот. Пьезоэлектрики используются в резонаторах, входящих в состав генераторов (см. Кварцевый генератор), фильтров, различного рода преобразователей и датчиков.

Лит.: Кэдп У., Пьезоэлектричество и его практическое применение, пер. с англ., М. , 1949; Мэзон У., Пьезоэлектрические кристаллы и их применение в ультраакустике, пер. с англ. , М., 1952; Берлинкур [и др.], Пьезоэлектрические и пьезомагнитные материалы и их применение в преобразователях, в кн.: Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. А, М., 1966.

А. П. Леванюк. Д. Г. Санников.

Рис. 1. а — плоская модель кристалла, не имеющего центра симметрии; центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают, стрелки изображают отдельные электрические дипольные моменты одной группы зарядов; б — тот же крисстал, подвергнутый сжатию, при котором изменяются длины связей между зарядами каждой группы, но не углы между ними; горизонтальная стрелка слева — суммарный электрический дипольный момент одной группы зарядов.

Рис. 2. а — плоская модель кристалла, обладающего центром симметрии; б — тот же кристалл, подвергнутый сжатию.

Рис. 3. а — прямой пьезоэлектрический эффект; сжатие или растяжение пьезоэлектрической пластины приводит к возникновению разности потенциалов; б — обратный пьезоэлектрический эффект; в зависимости от знака разности потенциалов, приложенной к пьезоэлектрической пластинке, она сжимается или растягивается.

Пьезоэлектрики

Пьезоэле́ктрики — диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект, то есть те, которые могут либо под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), либо под влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный пьезоэффект). Оба эффекта открыты братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг. [1]

Пьезоэлектрики широко используются в современной технике в качестве элемента датчика давления. Существуют пьезоэлектрические детонаторы, источники звука огромной мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и др. Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика, изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, из цирконата-титаната свинца.

В быту можно наблюдать пьезоэффект, например, в зажигалке, где искра образуется от нажима на пьезопластинку, а также при медицинской диагностике с помощью УЗИ, в которой используются пьезоэлектрические источник и датчик ультразвука. Передовой областью использования пьезоэлектриков является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Из пьезоэлектриков изготавливаются сканирующие элементы зондовых микроскопов, осуществляющие перемещение зонда в плоскости образца с точностью до 0,01 Å. Наибольшее распространение в ней имеют трубчатые пьезоэлементы. Они позволяют получать достаточно большие перемещения объектов при сравнительно небольших управляющих напряжениях. Они представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезоэлектрических материалов. Соединение трех таких трубок в единый узел позволяет организовать перемещение зонда в трех ортогональных направлениях, такой сканирующий элемент называется триподом.

В 1964 г. Ю. В. Гуляев и В. И. Пустовойт предложили слоистую структуру «пьезоэлектрик-полупроводник» в качестве базовой конструкции акустоэлектронных приборов, использующих поверхностно-акустические волны.

Континуальные среды

Твердотельные материалы: пьезоэлектрики, пьезополупроводники и сложные слоистые среды называются континуальными средами функциональной электроники. Выбор континуальных сред определяется природой используемых динамических неоднородностей [2] .

Общие свойства пьезоэлектриков

Общие свойства пьезоэлектриков — раздел Физика, По дисциплине физика твердого тела Пьезоэлектрики – Класс Диэлектриков И Полупроводников, В Которых Электрическа.

Пьезоэлектрики – класс диэлектриков и полупроводников, в которых электрическая поляризация возникает при наложении внешних упругих напряжений. В пьезоэлектриках при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация даже в отсутствие электрического поля от внешних источников питания (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэффект – появление механических деформаций под действием электрического поля. Пьезоэффект наблюдается только в кристаллах, не имеющих центра симметрии, а таких кристаллографических классов – 20 из всех 32 классов. К пьезоэлектрикам относятся также пироэлектрики (10 классов из 20 пьезоэлектрических) и сегнетоэлектрики (4 класса из 10 пироэлектрических). Уравнение пьезоэлектрического эффекта для одномерного напряженного состояния с механическими напряжениями (сжатия-растяжения), при наложении внешнего электрического поля вдоль оси деформирования и совпадении оси деформирования с одной из пьезоэлектрических осей кристалла имеет вид:

В этом выражении – пьезоэлектрический модуль, — диэлектрическая восприимчивость пьезоэлектрика (диэлектрическая восприимчивость при постоянной деформации), – модуль вектора поляризации вдоль выбранной оси кристалла. Эта величина представляет собой плотность связанного с поверхностью электрического заряда. Вектор поляризации представляет собой суммарный электрический дипольный момент единицы объема твердого тела и определяется по формуле:

Для обратного пьезоэлектрического эффекта справедливо соотношение, которое в одномерном случае выглядит как:

В соотношении (2) величина – упругая деформация, – постоянная упругой податливости, — пьезоконстанта, выражающая связь упругих деформаций с модулем вектора электрической поляризации кристалла. В отличие от электрострикции — деформации, пропорциональной квадрату напряженности приложенного электрического поля, упругая деформация пьезоэлектрика, возникающая в электрическом поле пропорциональна первой степени напряженности электрического поля. Компонента вектора поляризации вдоль одной из главных осей , при наличии тензора упругих напряжений , и отсутствии электрического поля от внешних источников питания определяется как:

где — тензор пьезомодуля. Основные технические характеристики пьезоэлектрика, используемые в преобразователях электрической энергии в механическую энергию, могут быть охарактеризованы следующими параметрами, в системе СИ:

· коэффициент электромеханической связи

здесь параметр – модуль упругости материала, определяемый соотношением:

· отношение механической мощности пьезоэлемента на резонансной частоте к квадрату амплитуды напряженности электрического поля в нем, определяется величиной :

Пьезоэлектрическими свойствами обладают не только монокристаллы, но и пьезокерамика, представляющая собой спеченные (на связке) поликристаллы материалов, входящих в отмеченные выше 20 кристаллографических классов, обладающих пьезоэффектом. Для получения пьезоэлектрических свойств такие образцы необходимо подвергать технологическому процессу поляризации. Свойствами пьезоэлектриков обладают и некоторые полимеры и пьезокомпозиты – полимеры, с внедренными поликристаллами пьезоэлектриков. Пьезоэлектрики применяют в качестве электромеханических (пьезоэлектрических) преобразователей для получения приемников и мощных излучателей звука. КПД пьезоэлектрических преобразователей может достигать %. Кроме того, пьезоэлектрики находят применение в качестве пьезоэлектрических высокодобротных резонаторов и фильтров сигналов. Пьезоэлектрические фильтры представляют собой устройства, эффективно пропускающие электрические сигналы на нужных частотах и подавляющие сигналы на остальных частотах. Это, как правило, полосовые фильтры. Они изготавливаются на основе керамики, являются многозвенными и настраиваются на частоты . На частотах до 3.5 кГц используют пьезоэлементы в виде прямоугольных параллелепипедов, которые при приложении к ним пременного напряжения испытывают изгибные колебания. В диапазоне кГц у таких фильтров имеют место колебания по длине (т.е. – деформации растяжения – сжатия). В диапазоне кГц используют фильтры в виде дисков, которые совершают радиальные колебания, а на частотах свыше 1МГц в фильтрах используются колебания пьезоэлектрических колец с изменением толщины.

Параметры пьезоматериалов представлены в таблице 2.

База знаний студента. Реферат, курсовая, контрольная, диплом на заказ

Пьезоэлектрики и их свойства — Радиоэлектроника

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Курсовая работа

Тема: Пьезоэлектрики и их свойства

TOC o «1-3» 1. пьезоэлектрический эффект. 2

2. обратный пьезоэлектрический эффект. 12

3. диэлектрики. 19

4. список литературы. 22

1. Пьезоэлектрический эффект.

В некоторых кристаллах поляризация может возникнуть и без внешнего поля, если кристалл подвергается механическим деформациям. Это явление, открытое в 1880 г. Пьером и Жаком Кюри, получило название пьезоэлектри­ческого эффекта.

Чтобы обнаружить пьезоэлектрические заряды, на грани крис­таллической пластинки накладывают металлические обкладки. При разомкнутых обкладках между ними при деформации появ­ляется разность потенциалов. При замкнутых обкладках на них образуются индуцированные заряды, равные по величине поляризационным зарядам, но противоположные им по знаку, и в цепи, соединяющей обкладки, в процессе деформации возникает ток. Рассмотрим основные особенности пьезоэлектрического эффекта на примере кварца. Кристаллы кварца SiO2 существуют в различ­ных кристаллографических модификациях. Интересующие нас кристаллы (a-кварц) принадлежат к так называемой тригональной кристаллографической системе и обычно имеют форму, показанную на рис. 1. Они напоминают ше­стигранную призму, ограниченную двумя пирамидами, однако имеют еще ряд дополнительных граней. Такие кристаллы характеризу­ются четырьмя кристаллическими осями, определяющими важные направления внутри кристалла.

Одна из этих осей — Z соединяет вершины пирамид. Три другие X1, Х2, Х3 перпендикулярны к оси Z и соединяют противолежащие ребра шестигранной призмы. Направление, определяемое осью Z, пьезоэлектрически неактивно: при сжатии или растяжении по этому направлению никакой поляризации не происходит. Напро­тив, при сжатии или растяжении в любом направлении, перпен­дикулярном к оси Z, возникает электрическая поляризация. Ось Z называется оптической осью кристалла, а оси X1, Х2, Х3 — электри­ческими или пьезоэлектрическими осями.

Рассмотрим пластинку кварца, вырезанную перпендикулярно к одной из пьезоэлектрических осей X. Ось, перпендикулярную к Z и X, обозначим через Y (рис. 2). Тогда оказывается, что при растяжении пластинки вдоль оси Х на перпендикулярных к ней гранях АВСD и ЕFGН появляются разноименные поляризацион­ные заряды. Такой пьезоэлектрический эффект называется продольным. Если изменить знак деформации, т. е. перейти от растяжения к сжатию, то и знаки поляризационных зарядов изменятся на об­ратные

Рис. 1. Кристалл кварца.

Возникновение поляризационных зарядов определенных знаков при данном типе деформации (растяжение или соответственно сжатие) показывает, что концы осей Х неравноправны, и осям Х можно приписать определенные направления (что отмечено на рис. 1 стрелками). Это значит, что при данной деформации знак заря­да зависит от того, направлена ли ось Х по внешней нормали к грани или по вну­тренней. Такие оси с неравноправными концами получили название полярных осей. В отличие от полярных осей Х1, Х2, Х3, концы оси Z совершенно равноправны и она является неполярной осью.

Рис. 2. Кварцевая пластинка, вырезанная перпендикулярно к пьезоэлектрической оси.

Неравноправность концов полярной оси проявляется, конечно, не только в пьезоэлектрическом эффекте, но и в других явлениях. Так, например, скорость химического травления граней, расположенных у разных концов полярной оси, оказывается различной и получающиеся при этом фигуры травления отличаются друг от друга.

Наряду с продольным пьезоэлектрическим эффектом существует также поперечный пьезоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при сжатии или растяжении вдоль оси Y возникает поля­ризация вдоль оси Х и на тех же гранях АВСD и ЕFGН появляются поляризационные заряды. При этом оказывается, что знаки зарядов на каждой грани при сжатии вдоль Y (в поперечном эффекте) та­кие же, как при растяжении вдоль Х (в продольном эффекте).

Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом В ионных кристаллах вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется электрический момент и в отсутствие внешнего электри­ческого поля. Однако эта поляризация обычно не проявляется, так как она компенсируется зарядами на поверхности. При де­формации кристалла положительные и отрицательные ионы ре­шетки смещаются друг относительно друга, и поэтому, вообще говоря, изменяется электрический момент кристалла. Это измене­ние электрического момента и проявляется в пьезоэлектрическом эффекте.

Рис. 3 качественно поясняет возникновение пьезоэлектрического эффекта в кварце. Здесь схематически показаны проекции положи­тельных ионов Si (заштрихованные кружки) и отрицательных ионов О (светлые кружки) в плоскости, перпендикулярной к оптической оси Z. Этот рисунок не соответствует фактической конфигурации ионов в элементарной ячейке кварца, в которой ионы не лежат в одной плоскости, а их число больше показанного. Он, однако, правильно передает симметрию взаимного расположения ионов, что уже достаточно для качественного объяснения.

Рис. 3, а) соответствует недеформированному кристаллу. На грани A, пер­пендикулярной к оси X1, имеются выступающие положительные заряды, а на параллельной ей грани В — выступающие отрицатель­ные заряды. При сжатии вдоль оси X1 (рис. 3, б) элементарная ячейка деформируется. При этом положительный ион 1 и отрица­тельный ион 2 «вдавливаются» внутрь ячейки, отчего выступающие заряды (положительный на плоскости А и отрицательный на плос­кости В) уменьшаются, что эквивалентно появлению отрицатель­ного заряда на плоскости А и положительного заряда на плос­кости В. При растяжении вдоль оси X1 имеет место обратное (рис. 3, в): ионы 1 и 2 «выталкиваются» из ячейки. Поэтому на грани А возникает дополнительный положительный заряд, а на грани В — отрицательный заряд.

Рис. 3. К объяснению пьезоэлектрического эффекта.

Расчеты в теории твердого тела в согласии с опытом показывают, что пьезоэлектрический эффект может существовать только в таких кристаллах, в которых элементарная ячейка не имеет центра сим­метрии. Так, например, элементарная ячейка кристаллов CsCl (рис. 4) имеет центр симметрии и эти кристаллы не обнаруживают пьезоэлектрических свойств. Расположение же ионов в ячейке кварца таково, что в нем центр симметрии отсутствует, и поэтому в нем возможен пьезоэлектрический эффект.

Рис. 4. Элементарная ячейка кристалла хлористого цезия CsCl.

Величина вектора поляризации Р (и пропорциональная ей поверхностная плотность пьезоэлектрических зарядов о’) в определенном интервале изменений пропорциональна величине механических деформаций. Обозначим через и дефор­мацию одностороннего растяжения вдоль оси X:

где d — толщина пластинки, а Dd — ее изменение при деформации. Тогда, напри­мер, для продольного эффекта имеем

Величина b называется пьезоэлектрическим модулем. Знак b может быть как поло­жительным, так и отрицательным. Так как и безразмерная величина, то b изме­ряется в тех же единицах, что и Р, т.е. в Кл/м 2 . Величина поверхностной плотно­сти пьезоэлектрических зарядов на гранях, перпендикулярных к оси X, равна s’=Рх

Вследствие возникновения пьезоэлектрической поляризации при деформации изменяется и электрическое смещение D внутри кристалла. В этом случае в общем определении смещения под Р нужно понимать сумму Рe+Pu, где Pe oбусловлено электрическим полем, а Рu — деформацией. В общем случае направле­ния Е, Pe и Рu не совпадают и выражение для D получается сложным. Однако для некоторых направлений, совпадающих с осями высокой симметрии, направления указанных векторов оказываются одинаковыми. Тогда для величины смещения можно написать

где Е — напряженность электрического поля внутри кристалла, а e — диэлектри­ческая проницаемость при постоянной деформации. Соотношение справед­ливо, например, при деформации одностороннего растяжения (сжатия) вдоль одной из электрических осей X. Оно является одним из двух основных соотноше­ний в теории пьезоэлектричества (второе соотношение приведено).

Пьезоэлектрический эффект возникает не только при деформации одностороннего растяжения, но и при деформациях сдвига.

Пьезоэлектрические свойства наблюдаются, кроме кварца, у большого числа других кристаллов. Гораздо сильнее, чем у квар­ца, они выражены у сегнетовой соли. Сильными пьезоэлектриками являются кристаллы соединений элементов 2-й и 6-й групп периоди­ческой системы (СdS, ZnS), а также многих других химических соединений.

2. Обратный пьезоэлектрический эффект

Наряду с пьезоэлектрическим эффектом существует и обратное ему явление: в пьезоэлектрических кристаллах возникновение по­ляризации сопровождается механическими деформациями. Поэтому, если на металли­ческие обкладки, укрепленные на кри­сталле, подать электрическое напряжение, то кристалл под действием поля поляри­зуется и деформируется.

Легко видеть, что необходимость су­ществования обратного пьезоэффекта сле­дует из закона сохранения энергии и факта существования прямого эффекта. Рассмотрим пьезоэлектрическую пластин­ку (рис. 5) и предположим, что мы сжима­ем ее внешними силами F. Если бы пьезо­эффекта не было, то работа внешних сил равнялась бы потенциальной энергии упруго деформированной пластинки. При наличии пьезоэффекта на пластинке появляются заряды и возникает электрическое поле, которое заключает в себе дополнительную энергию. По закону сохранения энергии отсюда следует, что при сжатии пьезоэлектрической пластинки совершается большая работа, а значит, в ней возникают дополнительные силы F1, противодействующие сжатию. Это и есть силы обратного пьезоэффекта. Из приведенных рассуждений вытекает связь между знаками обоих эффектов. Если в обоих случаях знаки зарядов на гранях одинаковы, то знаки деформаций различны. Если при сжатии пла­стинки на гранях появляются заряды, указанные на рис. 5, то при создании такой же поляризации внешним полем пластинка будет растягиваться.

Рис .5. Связь прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов.

Обратный пьезоэлектрический эффект имеет внешнее сходство с электрострикцией. Однако оба эти явления различны. Пьезоэффект зависит от направления поля и при изменении направ­ления последнего на противоположное изменяет знак. Электрострикция же не зависит от направления поля. Пьезоэффект наблю­дается только в некоторых кристаллах, не обладающих центром симметрии. Электрострикция имеет место во всех диэлектриках как твердых, так и жидких.

Если пластинка закреплена и деформироваться не может, то при создании электрического поля в ней появится дополнительное механическое напряжение Его величина s пропорциональна напряженности электрического поля внутри кристалла:

где b — тот же пьезоэлектрический модуль, что и в случае прямого пьезоэффекта. Минус в этой формуле отражает указанное выше соотношение знаков прямого и обратного пьезоэффектов.

Полное механическое напряжение внутри кристалла складывается из напря­жения, вызванного деформацией, и напряжения, возникшего под влиянием элек­трического поля. Оно равно

Здесь С есть модуль упругости при деформации одностороннего растяжения (мо­дуль Юнга) при постоянном электрическом поле. Формулы (51.2) и (52.2) являют­ся основными соотношениями в теории пьезоэлектричества.

При написании формул мы выбирали u и Е в качестве незави­симых переменных и считали D и s их функциями. Это, конечно, необязательно, и мы могли бы считать независимыми переменными другую пару величин, одна из которых — механическая, а другая — электрическая. Тогда мы получили бы тоже два линейных соотношения между u, s, Е и D, но с другими коэффициентами. В за­висимости от типа рассматриваемых задач удобны различные формы записи основ­ных пьезоэлектрических соотношений.

Так как все пьезоэлектрические кристаллы анизотропны, то постоянные e, С и b зависят от ориентации граней пластинки относительно осей кристалла. Кроме того, они зависят от того, закреплены боковые грани пластинки или свободны (за­висят от граничных условий при деформации). Чтобы дать представление о поряд­ке величины этих постоянных мы приведем их значения для кварца в случае, ког­да пластинка вырезана перпендикулярно оси Х и ее боковые грани свободны:

e=4,5; С=7,8 10 10 Н/м 2 ; b=0,18 Кл/м 2 .

Рассмотрим теперь пример применения основных соотношений (4) и (5) Положим, что кварцевая пластинка, вырезанная, как указано выше, растягивает­ся вдоль оси X, причем обкладки, касающиеся граней, разомкнуты. Так как заряд обкладок до деформации был равен нулю, а кварц является диэлектриком, то и после деформации обкладки будут незаряженными. Согласно определению элек­трического смещения это значит, что D=0. Тогда из соотношения (4) следует, что при деформации внутри пластинки появится электрическое поле c напряженностью

Подставляя это выражение в формулу (5), находим для

механического на­пряжения в пластинке

s=Cu-b(-(b/e0e)u)=C(1+(b 2 /e0eC))u (7)


Напряжение, как и в отсутствие пьезоэлектрического эффекта, пропорционально деформации. Однако упругие свойства пластинки теперь характеризуются эффек­тивным модулем упругости

С’ == С (1 + b 2 /e0eС). (8)

который больше С. Увеличение упругой жесткости вызвано появлением добавоч­ного напряжения при обратном пьезоэффекте, препятствующего деформации. Влияние пьезоэлектрических свойств кристалла на его механические свойства характеризуется величиной

Квадратный корень из этой величины (К) называется константой электромехани­ческой связи Пользуясь приведенными выше значениями e, С и b, находим, что для кварца К 2

0.01 Для всех других известных пьезоэлектрических кристаллов К 2 оказывает также малым по сравнению с единицей и не превышает 0,1.

Оценим теперь величину пьезоэлектрического поля. Положим, что к граням кварцевой пластинки, перпендикулярным к оси X, приложено механическое на­пряжение 1 105 5 Н/м 2 . Тогда, согласно (7), деформация будет равна u=1,3 10 — 6 . Подставляя это значение в формулу (6), получаем |E|==5900 В/м=59 В/см. При толщине пластинки, скажем, d==0,5 см напряжение между обкладками будет равно U=Еd

30 В. Мы видим, что пьезоэлектрические поля и напряжения могут быть весьма значительными. Применяя вместо кварца более сильные пьезоэлектрики и используя должным образом выбранные типы деформации, можно полу­чать пьезоэлектрические напряжения, измеряемые многими тысячами вольт.

Пьезоэлектрический эффект (прямой и обратный) широко при­меняется для устройства различных электромеханических преоб­разователей. Для этого иногда используют составные пьезоэлементы, предназначенные для осуществления деформаций разного типа.

На рис.6 показан двойной пьезоэлемент (составленный из двух пластинок), работающий на сжатие. Пластинки вырезаны из крис­талла таким образом, что они одновременно либо сжимаются, либо растягиваются. Если, наоборот, сжимать или растягивать такой пьезоэлемент внешними силами, то между его обкладками появ­ляется напряжение. Соединение пластинок в этом пьезоэлементе соответствует параллельному соединению конденсаторов.

Рис. 6. Двойной пьезоэлемент, работающий на сжатие.

На рис. 7 показан пьезоэлемент работающий на изгиб. При появ­лении напряжения на обкладках одна из пластинок сжимается в попе­речном направлении и удлиняется в продольном, а другая — растяги­вается и укорачивается, отчего и возникает деформация изги­ба. Если изгибать такой пьезо­элемент внешними силами, то между его обкладками возни­кает электрическое напряже­ние. Соединение пластинок в этом случае соответствует по­следовательному соединению конденсаторов. Очевидно, что такой пьезоэлемент не отвеча­ет на сжатия и растяжения: в этом случае в каждой из пла­стинок возникает электрическое поле, но поля направлены противо­положно, и поэтому напряжение между обкладками равно нулю. Электромеханические преобразователи находят многочисленные применения в разнообразной электроакустической и измерительной аппаратуре. Укажем на пьезоэлектрические микрофон и телефон, пьезоэлектрический адаптер (в электрических проигрывателях пате­фонных пластинок), манометры, измерители, вибраций и др. Осо­бенно важные применения имеют пьезоэлектрические колебания кварца. Если поместить кварцевую пластинку между пластинами конденсатора и создать между пластинами переменное напряжение, то при частоте электрических колебаний, совпадающей с одной из собственных механических частот пластинки, наступает механи­ческий резонанс и в пластинке возникают очень сильные механиче­ские колебания. Такая кварцевая пластинка является мощным излучателем волн сверхзвуковой частоты (кварцевые излучатели), используемых в технике, биологии и медицине, а также в многочис­ленных физических и физико-химических исследованиях. Пьезо­электрические колебания применяются также для стабилизации частоты генераторов электрических колебаний в радиотехнике и в других технических устройствах.

Рис .7. Двойной пьезоэлемент, тающий на изгиб.

НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА — РЕФЕРАТЫ — Пьезоэлектрики и их свойства

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Тема: Пьезоэлектрики и их свойства

1. пьезоэлектрический эффект. 2

2. обратный пьезоэлектрический эффект. 12

3. диэлектрики. 19

4. список литературы. 22

1. Пьезоэлектрический эффект.

В некоторых кристаллах поляризация может возникнуть и без внешнего

поля, если кристалл подвергается механическим деформациям. Это явление,

открытое в 1880 г. Пьером и Жаком Кюри, получило название

Чтобы обнаружить пьезоэлектрические заряды, на грани кристаллической

пластинки накладывают металлические обкладки. При разомкнутых обкладках

между ними при деформации появляется разность потенциалов. При замкнутых

обкладках на них образуются индуцированные заряды, равные по величине

поляризационным зарядам, но противоположные им по знаку, и в цепи,

соединяющей обкладки, в процессе деформации возникает ток. Рассмотрим

основные особенности пьезоэлектрического эффекта на примере кварца.

Кристаллы кварца SiO2 существуют в различных кристаллографических

модификациях. Интересующие нас кристаллы (a-кварц) принадлежат к так

называемой тригональной кристаллографической системе и обычно имеют форму,

показанную на рис. 1. Они напоминают шестигранную призму, ограниченную

двумя пирамидами, однако имеют еще ряд дополнительных граней. Такие

кристаллы характеризуются четырьмя кристаллическими осями, определяющими

важные направления внутри кристалла.

Одна из этих осей — Z соединяет вершины пирамид. Три другие X1, Х2, Х3

перпендикулярны к оси Z и соединяют противолежащие ребра шестигранной

призмы. Направление, определяемое осью Z, пьезоэлектрически неактивно: при

сжатии или растяжении по этому направлению никакой поляризации не

происходит. Напротив, при сжатии или растяжении в любом направлении,

перпендикулярном к оси Z, возникает электрическая поляризация. Ось Z

называется оптической осью кристалла, а оси X1, Х2, Х3 — электрическими или

Рассмотрим пластинку кварца, вырезанную перпендикулярно к одной из

пьезоэлектрических осей X. Ось, перпендикулярную к Z и X, обозначим через Y

(рис. 2). Тогда оказывается, что при растяжении пластинки вдоль оси Х на

перпендикулярных к ней гранях АВСD и ЕFGН появляются разноименные

поляризационные заряды. Такой пьезоэлектрический эффект называется

продольным. Если изменить знак деформации, т. е. перейти от растяжения к

сжатию, то и знаки поляризационных зарядов изменятся на обратные

Рис. 1. Кристалл кварца.

Возникновение поляризационных зарядов определенных знаков при данном

типе деформации (растяжение или соответственно сжатие) показывает, что

концы осей Х неравноправны, и осям Х можно приписать определенные

направления (что отмечено на рис. 1 стрелками). Это значит, что при данной

деформации знак заряда зависит от того, направлена ли ось Х по внешней

нормали к грани или по внутренней. Такие оси с неравноправными концами

получили название полярных осей. В отличие от полярных осей Х1, Х2, Х3,

концы оси Z совершенно равноправны и она является неполярной осью.

Рис. 2. Кварцевая пластинка, вырезанная перпендикулярно к

Неравноправность концов полярной оси проявляется, конечно, не только в

пьезоэлектрическом эффекте, но и в других явлениях. Так, например, скорость

химического травления граней, расположенных у разных концов полярной оси,

оказывается различной и получающиеся при этом фигуры травления отличаются

Наряду с продольным пьезоэлектрическим эффектом существует также

поперечный пьезоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при сжатии

или растяжении вдоль оси Y возникает поляризация вдоль оси Х и на тех же

гранях АВСD и ЕFGН появляются поляризационные заряды. При этом оказывается,

что знаки зарядов на каждой грани при сжатии вдоль Y (в поперечном эффекте)

такие же, как при растяжении вдоль Х (в продольном эффекте).

Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом В ионных

кристаллах вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных

ионов имеется электрический момент и в отсутствие внешнего электрического

поля. Однако эта поляризация обычно не проявляется, так как она

компенсируется зарядами на поверхности. При деформации кристалла

положительные и отрицательные ионы решетки смещаются друг относительно

друга, и поэтому, вообще говоря, изменяется электрический момент кристалла.

Это изменение электрического момента и проявляется в пьезоэлектрическом

Рис. 3 качественно поясняет возникновение пьезоэлектрического эффекта в

кварце. Здесь схематически показаны проекции положительных ионов Si

(заштрихованные кружки) и отрицательных ионов О (светлые кружки) в

плоскости, перпендикулярной к оптической оси Z. Этот рисунок не

соответствует фактической конфигурации ионов в элементарной ячейке кварца,

в которой ионы не лежат в одной плоскости, а их число больше показанного.

Он, однако, правильно передает симметрию взаимного расположения ионов, что

уже достаточно для качественного объяснения.

Рис. 3, а) соответствует недеформированному кристаллу. На грани A,

перпендикулярной к оси X1, имеются выступающие положительные заряды, а на

параллельной ей грани В — выступающие отрицательные заряды. При сжатии

вдоль оси X1 (рис. 3, б) элементарная ячейка деформируется. При этом

положительный ион 1 и отрицательный ион 2 «вдавливаются» внутрь ячейки,

отчего выступающие заряды (положительный на плоскости А и отрицательный на

плоскости В) уменьшаются, что эквивалентно появлению отрицательного заряда


на плоскости А и положительного заряда на плоскости В. При растяжении вдоль

оси X1 имеет место обратное (рис. 3, в): ионы 1 и 2 «выталкиваются» из

ячейки. Поэтому на грани А возникает дополнительный положительный заряд, а

на грани В — отрицательный заряд.

Рис. 3. К объяснению пьезоэлектрического эффекта.

Расчеты в теории твердого тела в согласии с опытом показывают, что

пьезоэлектрический эффект может существовать только в таких кристаллах, в

которых элементарная ячейка не имеет центра симметрии. Так, например,

элементарная ячейка кристаллов CsCl (рис. 4) имеет центр симметрии и эти

кристаллы не обнаруживают пьезоэлектрических свойств. Расположение же ионов

в ячейке кварца таково, что в нем центр симметрии отсутствует, и поэтому в

нем возможен пьезоэлектрический эффект.

Рис. 4. Элементарная ячейка кристалла хлористого цезия CsCl.

Величина вектора поляризации Р (и пропорциональная ей поверхностная

плотность пьезоэлектрических зарядов о’) в определенном интервале изменений

пропорциональна величине механических деформаций. Обозначим через и

деформацию одностороннего растяжения вдоль оси X:

где d — толщина пластинки, а (d — ее изменение при деформации. Тогда,

например, для продольного эффекта имеем

Величина ( называется пьезоэлектрическим модулем. Знак ( может быть как

положительным, так и отрицательным. Так как и безразмерная величина, то (

измеряется в тех же единицах, что и Р, т.е. в Кл/м2. Величина поверхностной

плотности пьезоэлектрических зарядов на гранях, перпендикулярных к оси X,

Вследствие возникновения пьезоэлектрической поляризации при деформации

изменяется и электрическое смещение D внутри кристалла. В этом случае в

общем определении смещения под Р нужно понимать сумму Рe+Pu, где Pe

oбусловлено электрическим полем, а Рu — деформацией. В общем случае

направления Е, Pe и Рu не совпадают и выражение для D получается сложным.

Однако для некоторых направлений, совпадающих с осями высокой симметрии,

направления указанных векторов оказываются одинаковыми. Тогда для величины

смещения можно написать

где Е — напряженность электрического поля внутри кристалла, а ( —

диэлектрическая проницаемость при постоянной деформации. Соотношение

справедливо, например, при деформации одностороннего растяжения (сжатия)

вдоль одной из электрических осей X. Оно является одним из двух основных

соотношений в теории пьезоэлектричества (второе соотношение приведено).

Пьезоэлектрический эффект возникает не только при деформации

одностороннего растяжения, но и при деформациях сдвига.

Пьезоэлектрические свойства наблюдаются, кроме кварца, у большого числа

других кристаллов. Гораздо сильнее, чем у кварца, они выражены у сегнетовой

соли. Сильными пьезоэлектриками являются кристаллы соединений элементов 2-й

и 6-й групп периодической системы (СdS, ZnS), а также многих других

2. Обратный пьезоэлектрический эффект

Наряду с пьезоэлектрическим эффектом существует и обратное ему явление:

в пьезоэлектрических кристаллах возникновение поляризации сопровождается

механическими деформациями. Поэтому, если на металлические обкладки,

укрепленные на кристалле, подать электрическое напряжение, то кристалл под

действием поля поляризуется и деформируется.

Легко видеть, что необходимость существования обратного пьезоэффекта

следует из закона сохранения энергии и факта существования прямого эффекта.

Рассмотрим пьезоэлектрическую пластинку (рис. 5) и предположим, что мы

сжимаем ее внешними силами F. Если бы пьезоэффекта не было, то работа

внешних сил равнялась бы потенциальной энергии упруго деформированной

пластинки. При наличии пьезоэффекта на пластинке появляются заряды и

возникает электрическое поле, которое заключает в себе дополнительную

энергию. По закону сохранения энергии отсюда следует, что при сжатии

пьезоэлектрической пластинки совершается большая работа, а значит, в ней

возникают дополнительные силы F1, противодействующие сжатию. Это и есть

силы обратного пьезоэффекта. Из приведенных рассуждений вытекает связь

между знаками обоих эффектов. Если в обоих случаях знаки зарядов на гранях

одинаковы, то знаки деформаций различны. Если при сжатии пластинки на

гранях появляются заряды, указанные на рис. 5, то при создании такой же

поляризации внешним полем пластинка будет растягиваться.

Рис .5. Связь прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов.

Обратный пьезоэлектрический эффект имеет внешнее сходство с

электрострикцией. Однако оба эти явления различны. Пьезоэффект зависит от

направления поля и при изменении направления последнего на противоположное

изменяет знак. Электрострикция же не зависит от направления поля.

Пьезоэффект наблюдается только в некоторых кристаллах, не обладающих

центром симметрии. Электрострикция имеет место во всех диэлектриках как

твердых, так и жидких.

Если пластинка закреплена и деформироваться не может, то при создании

электрического поля в ней появится дополнительное механическое напряжение

Его величина s пропорциональна напряженности электрического поля внутри

где ( — тот же пьезоэлектрический модуль, что и в случае прямого

пьезоэффекта. Минус в этой формуле отражает указанное выше соотношение

знаков прямого и обратного пьезоэффектов.

Полное механическое напряжение внутри кристалла складывается из

напряжения, вызванного деформацией, и напряжения, возникшего под влиянием

электрического поля. Оно равно

Здесь С есть модуль упругости при деформации одностороннего растяжения

(модуль Юнга) при постоянном электрическом поле. Формулы (51.2) и (52.2)

являются основными соотношениями в теории пьезоэлектричества.

При написании формул мы выбирали u и Е в качестве независимых

переменных и считали D и s их функциями. Это, конечно, необязательно, и мы

могли бы считать независимыми переменными другую пару величин, одна из

которых — механическая, а другая — электрическая. Тогда мы получили бы тоже

два линейных соотношения между u, s, Е и D, но с другими коэффициентами. В

зависимости от типа рассматриваемых задач удобны различные формы записи

основных пьезоэлектрических соотношений.

Так как все пьезоэлектрические кристаллы анизотропны, то постоянные (,

С и ( зависят от ориентации граней пластинки относительно осей кристалла.

Кроме того, они зависят от того, закреплены боковые грани пластинки или

свободны (зависят от граничных условий при деформации). Чтобы дать

представление о порядке величины этих постоянных мы приведем их значения


для кварца в случае, когда пластинка вырезана перпендикулярно оси Х и ее

боковые грани свободны:

(=4,5; С=7,8 1010 Н/м2; (=0,18 Кл/м2.

Рассмотрим теперь пример применения основных соотношений (4) и (5)

Положим, что кварцевая пластинка, вырезанная, как указано выше,

растягивается вдоль оси X, причем обкладки, касающиеся граней, разомкнуты.

Так как заряд обкладок до деформации был равен нулю, а кварц является

диэлектриком, то и после деформации обкладки будут незаряженными. Согласно

определению электрического смещения это значит, что D=0. Тогда из

соотношения (4) следует, что при деформации внутри пластинки появится

электрическое поле c напряженностью

Подставляя это выражение в формулу (5), находим для

механического напряжения в пластинке

Напряжение, как и в отсутствие пьезоэлектрического эффекта,

пропорционально деформации. Однако упругие свойства пластинки теперь

характеризуются эффективным модулем упругости

который больше С. Увеличение упругой жесткости вызвано появлением

добавочного напряжения при обратном пьезоэффекте, препятствующего

деформации. Влияние пьезоэлектрических свойств кристалла на его

механические свойства характеризуется величиной

Квадратный корень из этой величины (К) называется константой

электромеханической связи Пользуясь приведенными выше значениями (, С и (,

находим, что для кварца К2

0.01 Для всех других известных

пьезоэлектрических кристаллов К2 оказывает также малым по сравнению с

единицей и не превышает 0,1.

Оценим теперь величину пьезоэлектрического поля. Положим, что к граням

кварцевой пластинки, перпендикулярным к оси X, приложено механическое

напряжение 1 1055 Н/м2. Тогда, согласно (7), деформация будет равна u=1,3

10-6. Подставляя это значение в формулу (6), получаем |E|==5900 В/м=59

В/см. При толщине пластинки, скажем, d==0,5 см напряжение между обкладками

будет равно U=Еd

30 В. Мы видим, что пьезоэлектрические поля и напряжения

могут быть весьма значительными. Применяя вместо кварца более сильные

пьезоэлектрики и используя должным образом выбранные типы деформации, можно

получать пьезоэлектрические напряжения, измеряемые многими тысячами вольт.

Пьезоэлектрический эффект (прямой и обратный) широко применяется для

устройства различных электромеханических преобразователей. Для этого иногда

используют составные пьезоэлементы, предназначенные для осуществления

деформаций разного типа.

На рис.6 показан двойной пьезоэлемент (составленный из двух пластинок),

работающий на сжатие. Пластинки вырезаны из кристалла таким образом, что

они одновременно либо сжимаются, либо растягиваются. Если, наоборот,

сжимать или растягивать такой пьезоэлемент внешними силами, то между его

обкладками появляется напряжение. Соединение пластинок в этом пьезоэлементе

соответствует параллельному соединению конденсаторов.

Рис. 6. Двойной пьезоэлемент, работающий на сжатие.

На рис. 7 показан пьезоэлемент работающий на изгиб. При появлении

напряжения на обкладках одна из пластинок сжимается в поперечном

направлении и удлиняется в продольном, а другая — растягивается и

укорачивается, отчего и возникает деформация изгиба. Если изгибать такой

пьезоэлемент внешними силами, то между его обкладками возникает

электрическое напряжение. Соединение пластинок в этом случае соответствует

последовательному соединению конденсаторов. Очевидно, что такой

пьезоэлемент не отвечает на сжатия и растяжения: в этом случае в каждой из

пластинок возникает электрическое поле, но поля направлены противоположно,

и поэтому напряжение между обкладками равно нулю. Электромеханические

преобразователи находят многочисленные применения в разнообразной

электроакустической и измерительной аппаратуре. Укажем на

пьезоэлектрические микрофон и телефон, пьезоэлектрический адаптер (в

электрических проигрывателях патефонных пластинок), манометры, измерители,

вибраций и др. Особенно важные применения имеют пьезоэлектрические

колебания кварца. Если поместить кварцевую пластинку между пластинами

конденсатора и создать между пластинами переменное напряжение, то при

частоте электрических колебаний, совпадающей с одной из собственных

механических частот пластинки, наступает механический резонанс и в

пластинке возникают очень сильные механические колебания. Такая кварцевая

пластинка является мощным излучателем волн сверхзвуковой частоты (кварцевые

излучатели), используемых в технике, биологии и медицине, а также в

многочисленных физических и физико-химических исследованиях.

Пьезоэлектрические колебания применяются также для стабилизации частоты

генераторов электрических колебаний в радиотехнике и в других технических

Рис .7. Двойной пьезоэлемент, тающий на изгиб.

“Электричество” С.Г. Калашников, Москва, 1977г.

“Электротехнические материалы” Ю.В. Корицкий, Москва, 1968г.

“Радиопередающие устройства” Г.А. Зейтленка, Москва, 1969г.

Пьезоэлектрики

Пьезоэле́ктрики — диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект, то есть те, которые могут либо под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), либо под влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный пьезоэффект). Оба эффекта открыты братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг. [1]

Пьезоэлектрики широко используются в современной технике в качестве элемента датчика давления. Существуют пьезоэлектрические детонаторы, источники звука огромной мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и др. Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика, изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, из цирконата-титаната свинца.

В быту можно наблюдать пьезоэффект, например, в зажигалке, где искра образуется от нажима на пьезопластинку, а также при медицинской диагностике с помощью УЗИ, в которой используются пьезоэлектрические источник и датчик ультразвука. Передовой областью использования пьезоэлектриков является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Из пьезоэлектриков изготавливаются сканирующие элементы зондовых микроскопов, осуществляющие перемещение зонда в плоскости образца с точностью до 0,01 Å. Наибольшее распространение в ней имеют трубчатые пьезоэлементы. Они позволяют получать достаточно большие перемещения объектов при сравнительно небольших управляющих напряжениях. Они представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезоэлектрических материалов. Соединение трех таких трубок в единый узел позволяет организовать перемещение зонда в трех ортогональных направлениях, такой сканирующий элемент называется триподом.

В 1964 г. Ю. В. Гуляев и В. И. Пустовойт предложили слоистую структуру «пьезоэлектрик-полупроводник» в качестве базовой конструкции акустоэлектронных приборов, использующих поверхностно-акустические волны.

Континуальные среды

Твердотельные материалы: пьезоэлектрики, пьезополупроводники и сложные слоистые среды называются континуальными средами функциональной электроники. Выбор континуальных сред определяется природой используемых динамических неоднородностей [2] .

Пьезоэлектрики

Пьезоэлектрики – это материалы, которые в процессе деформации способны индуцировать на своей поверхности электрический заряд – прямой пьезоэлектрический эффект. Также в пьезоэлектриках может наблюдаться и обратный пьезоэлектрический эффект – деформация материала при воздействии на него внешнего электрического поля.

Пьезоэлектрики впервые были открыты в 1880 году французскими учеными Жаком и Пьером Кюри.

Материалы, обладающие пьезоэлеткрическими свойствами, широко используются в технике и электронике. На их основе разрабатывают датчики давления, пьезоэлектрические звуковые излучатели (динамики) и микрофоны, кварцевые резонаторы, электронные фильтры для звуковоспроизводящей аппаратуры и даже детонаторы, используемые для детонации взрывчатых веществ в производстве и горнодобывающей промышленности.

Пьезоэлектрические излучатели и приемники широко используются в медицине: ультразвуковое исследование (УЗИ) и сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). В быту пьезоэлектрики также широко применяются. К примеру, их можно встретить в зажигалках, цифровых телефонных аппаратах, увлажнителях воздуха, стиральных машинках (ультразвуковых), жестких дисках компьютера, струйных принтерах, пультах дистанционного управления и многих других бытовых электронных приборах.

Пьезоэлектрики

Пьезоэле́ктрики — диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект, то есть те, которые могут либо под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), либо под влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный пьезоэффект). Оба эффекта открыты братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг. [1]

Пьезоэлектрики широко используются в современной технике в качестве элемента датчика давления. Существуют пьезоэлектрические детонаторы, источники звука огромной мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и др. Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика, изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, из цирконата-титаната свинца.

В быту можно наблюдать пьезоэффект, например, в зажигалке, где искра образуется от нажима на пьезопластинку, а также при медицинской диагностике с помощью УЗИ, в которой используются пьезоэлектрические источник и датчик ультразвука. Передовой областью использования пьезоэлектриков является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Из пьезоэлектриков изготавливаются сканирующие элементы зондовых микроскопов, осуществляющие перемещение зонда в плоскости образца с точностью до 0,01 Å. Наибольшее распространение в ней имеют трубчатые пьезоэлементы. Они позволяют получать достаточно большие перемещения объектов при сравнительно небольших управляющих напряжениях. Они представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезоэлектрических материалов. Соединение трех таких трубок в единый узел позволяет организовать перемещение зонда в трех ортогональных направлениях, такой сканирующий элемент называется триподом.

В 1964 г. Ю. В. Гуляев и В. И. Пустовойт предложили слоистую структуру «пьезоэлектрик-полупроводник» в качестве базовой конструкции акустоэлектронных приборов, использующих поверхностно-акустические волны.

Континуальные среды

Твердотельные материалы: пьезоэлектрики, пьезополупроводники и сложные слоистые среды называются континуальными средами функциональной электроники. Выбор континуальных сред определяется природой используемых динамических неоднородностей [2] .

Каждый электрик должен знать:  Влияние изменения частоты на работу электрических систем
Добавить комментарий