Пьезоэлектрики

�������������� — ����, �������� � ����������

Пьезоэлектрики

�������������� � ��� �����������, ���������� ���� ���������� ������������������ ��������.

������� ������������������ ���� ���������� � ������� � 1880 — 1881 ��. ���������� ������������ �������� ������ � ����-����� ����.

����� 40 ��� ������������������ �� �������� ������������� ����������, ��������� ���������� ���������� �����������. ���� �� ����� ������ ������� ����� ����������� ������ ���� �������� �������� ��� ������� ��� ������������� ��������� ���������� �������������� ��������� � ���� ��� ����� ��������� ������� (�������).

����� ����� ��������� ������������������ ������� ������ � ��������� ������ ���������� � �� ������������� ������������ ��������������� ��� �������. ����� ������ �� ����� ���� ���������, ������ ������ ����������.

���, ��������, � 1915 �. �. ���������� �������, ��� ��������� ��������� ��� ���������� ������������ �������, ���������� ����������� ���������� �������������� ����� ������������� ����� � �������������� ��������, ����� ���� ������������ ��� ������������� ������������� ����� �� ��������������� ���������� �������, ������������� � ���������.

���������� ��������� ��������� ��� ������������� ������, ���������� ������� ��������� ������������� ����� ���������� ����������, ������� ����� � ������ ���� ���������� ������������� ����� �� ��������� �����������.

������������������ ������ ������ ������ � ��������. ��� ������� ������������ ���������� ������������� ����������� �����������, ����������� ���������� �������� �� ���� �������� ������������� ����������, ��� ���� ������������ �� ����������� ����������� ����� ����������� �������������� ������������ ������������� ����������:

��� �������� ������������ ������� ��������� ���� �������� — ���������� �������� ���� ������� ��� ��������� ������������ � ���� �������� �������������� ����, ��� ���� �������� ������������ ���������� (������������� ����������) ����� ��������������� ������������� ������������ � ������� �������������� ����:

������������� ������������������ � � ��� � � ������ ������ ��������� ����������� d. ��� ������ � ���� �� �������������� ����������� ��� ������� (d��) � ��������� (d���) ������������ ����� ����� �����. ����� �������, �������������� � ��� ������������ ��������� ������������������� ���������������.

���������� � ���������� ������������������ ������

������������������ ������, � ����������� �� ���� �������, ����� ���� ���������� ��� ����������.

� ������ � ���������� ������������������ ��������, ������ � ����� �� ���������� ��� ���������� � ����� �� �������� ������� ������������� �����, ��������� � ��� �� �����������, ��� � ������������ �����������.

��� ���������� ������������������ ������� ������������� ������� ��� ����������� ���������� �������� ��������������� ����������� ����������� �� �����������.

���� �� ������������� ������ ����������� ���������� ������������� �����, �� � ��� ��������� ��� �� ������� ���������� ����������. ���� ����������� ����������, �� ���������� ����� ������ �������� ������ � ���������� �� ����������� ������������ �������������� ����, � ���� ����������, �� ������ ����������� ���������� �����.

���� ������� ������������ ����������� �������������� ���� ������� ������ ����������� ������� ��������������, �� ��������� ������������ ���������� ����� ������������. ����������� ������� ������� ����� ���������� �� ������� (V — �������� ��������������� ������������ ����, h — ������� �������):

��������� ��������������� ������������������� ��������� ������ ����������� ������������������� �����, ������������, ����������� ����� ��������� ������������ ��������� P� � ������������� ��������� P�, ������������� �� �� ����������� ����������� �������� �� �������. ������ ����������� ������ ��������� �������� �� ��������� �� 0,01 �� 0,3.

��� ��������������� ���������� ��������������� ��������� ��������� � ����������� ��� ������ ������ ��� ������ ���������.

��������� � ������ �������� �������������, � ������� ��������� ��������� ������ ������������ ����, ���������� �������� ������������������� ������������.

� ��������������� ��������� ��� ����������������, � ����� ������ ��������� ����������, � ��� ����� ��������������� ����������� ������.�

������������������� ��������������

������ ����� ��������������� �������� � ���� ������ ���������������� � ��������������� ����������� ������ (����-����� SiO2).

������������ ����-������ ����� ����� ������������ ������ � ����� ���������� �� �����. ������� ����� ��������� �������������������� �����������. ��� Z �������� ����� ������� �������, � �������� ���������� ���� ���������. ���� �������� �������� �� ������ ��������� � ����������� ���������������� ������ ��� (Z), �� ������������������ ������ �������� �� �������.

��� X �������� ����� ������� �������������, ����� ��� ����� ��� X. ���� �������� �������� ��������������� ���� X, �� ������� ������� � ��������� �������������. ��� X ���������� ������� � ������ �������������� �����. � ��� ��� Y, ����������� ��������������� ������� ������ ��������� ������ � ������������ ���.

������ ��� ������ ��������� � ������ ���������������, ��� ����������� ������������������� ����� ��������� � �������� �� 0,05 �� 0,1.

��������������� ����� ������� ���������� ������������ � ���� ����������� ��������� ������������������ �������� ��� ������������ �� 573�C. ������������������ ���������� �� ���� ������ � ��� ���� �� ��� ����, ��� ������������������ �������� � �������������� � ��� �����������. ����� �������� ���������� ���� ���������� ����������� ����������� ��������.

������ ����� (LiNbO3) � ������ ����������� ������������������ ��������, ����������� � ������ ����������������� (������� � ���������� ����� LiTaO3 � ���������� ������� Bi12GeO20).

������ ���������������� �������������� �������� � ������� ������������� ���� ��� ����������� ���� ����� ����, ����� �������� �� � ������������ ���������.

����� ��������� �������� ����� �������� �������������� ������������������� ����� (�� 0,3).

������� ������ CdS, ����� ����� ZnO, ������� ����� ZnS, ������� ������ CdSe, ������� ������ GaAs � �. �. � ������� ���������� ������������������ ���� � �����-����������� ������. ��� ��� ���������� �������������������.

������������������� C6H14N8O8, ��������, ������������� ���������� ����, ������� ����� Li2SO4H2O � �� ������ ���� ��������� ����������������� ����� �������� ��������������.

������������������� ��������������

� ������������������� ��������������� ��������� �������������������� ��������.

��� �������� ��������������� ������������������ �������, ����� �������� ���������� � ������� ���� ������������ � ������� ������������� ���� (�������������� �� 2 �� 4 ��/�) ��� ����������� �� 100 �� 150�C, ����� �� ���������� ����� ����������� � ��� �������� �����������, ����������� � ���������� �������� ������������������ ������. ��� �������� ������� ������������������ �������� � �������������� ������������������ ����� �� 0,2 �� 0,4.

�� ������������� ������������� ������������� ��������� �����, ����� ����� �������� ������������ ��������� ������������ ��������� (����������, ����������, ��������). ������� ������������� ������������ ������������� ��������������� �� ������ �������� �����, �������, ������, ���������-�������� ������, ������� �����-������.

���������� ��������������

������ ��������� (�������� �������������������) ���������� �� 100-400%, ����� ���������� � ������������� ����, � ����� — ������� ��������� ����� ������������. ��� �������� ��������� ������������� � ������������� ������������������� ����� ������� 0,16.

���������� ���������������

��������� � ����������� ���� � ������ ������������� ����� ��������� � ���� ������� ���������������� ��������� � ������������������ ���������������� � ����������� �� ��� �����������.

����� ����������, ������������� �� ������, ������������� ��� ������ ���������������, ������ ��� ���������, ������������� � ���������� ������������� ��������. ������-������������ ��������� �������� �� ��������� ������, ����������� ��������� � �������� ���������.

������� � ����������� ���������� ������� �� ���� � �������������������� ����, ��� ������� �������� ���������. ������ � ��������� ����������� �� 50 ��� ����������� ����� ����������� ��������� 100000. ����� ���� ������������������ ��������������� ������� ������� ���������� � �������� �������������������� � ������� ������� ��������������, ��� ���������� �������� ��������� ������.

�� ����������� � ������� ����� ����������� ������ ��������������, ��������� ����������� �� �������� �� 1 ���. ��������� ��������� ��������� ����� ����������� ��� ���������� � ��������� �������������� ��������� �������� �� 0,02 �� 1 ���, � �����������, ��������, ������ �������� �� ������������� ������������ ������.

������ ������ ��������������������, ���������� �� ��������������� ��������, ����������� � ��������-�������� ���������������� (������������ ��������� ������ ����� ��� ����������� ������������� ������������ ����).

�������������� ������������������ ��������������� ������������� �� ���� ��������� �����������������: ����������� ���������, ��������, ��������������, ������� ��������, ����������, ��������, ���������, �������������� ����������.

Источник: http://ElectricalSchool.info/spravochnik/material/2076-pezoelektriki-vidy-svoystva-i-primenenie.html

Пьезоэлектрики

Пьезоэлектрики

К пьезоэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом.

Прямым пьезоэлектрическим эффектомназывают явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений.

Это явление было открыто братьями Кюри в 1880 г. Возникающий на каждой из поверхностей диэлектрика электрический заряд изменяется по линейному закону в зависимости от механических усилий:

Q = dF; Q/S = dF/S = qs = P = dσ (3.1)

где: Q – заряд; d – пьезомодуль; F – сила; S – площадь, qs– заряд, который приходится на единицу площади; Р– поляризованность; σ – механическое напряжение в сечении диэлектрика.

Таким образом, пьезомодульd численно равен заряду, возникающему на единице поверхности пьезоэлектрика при приложении к нему единицы давления.

Значение пьезомодуля используемых в практике пьезоэлектриков составляет около 10–10 Кл/Н.

Пьезоэлектрический эффект обратим. При обратном пьезоэлектрическом эффекте происходит изменение размеров диэлектрика Dl/l в зависимости от напряженности электрического поля Епо линейному закону:

где δ – относительная деформация.

В термодинамике доказывается, что пьезомодули d прямого и обратного пьезоэффектов для одного и того же материала равны между собой.

Деформация пьезоэлектрика зависит от направления электрического поля и меняет знак при изменении направления последнего. Различают также продольный и поперечный пьезоэлектрические эффекты.

Под первым понимают такой эффект, когда возникновение зарядов на противоположных гранях пластинки определяют в том же направлении, в котором были приложены механические усилия, а при обратном пьезоэлектрическом эффекте деформацию измеряют в направлении приложенного электрического поля.

При поперечном пьезоэлектрическом эффекте возникающие заряды или деформации измеряют в направлении, перпендикулярном направлению механических усилий или электрического поля соответственно.

Следует иметь в виду, что уравнения (3.1) и (3.2) носят лишь качественный характер. Реальное описание пьезоэлектрического эффекта оказывается намного сложнее.

Это обусловлено тем, что механическое напряжение является тензорной величиной, которая содержит в общем случае шесть независимых компонентов.

Принципиальное отличие тензора напряжений от векторных характеристик состоит в том, что на противоположных гранях любого элементарного объема компоненты тензора имеют противоположное направление, тогда как составляющие (проекции) любого вектора во всех точках элементарного объема направлены одинаково. Пьезомодуль, устанавливающий связь между вектором поляризации и механическим напряжением, по сравнению с последним является тензором более высокого (третьего) ранга. Он имеет 18 независимых компонентов.

Уравнение прямого и обратного пьезоэффектов в тензорной форме принимают следующий вид:

Pi = dijsj, dj = dijEi

где: i = 1, 2, 3 – компоненты вектора поляризованности; j = 1, 2…6 – компоненты тензора механического напряжения или деформации.

Симметрия кристалла накладывает серьезные ограничения на количество компонентов тензора пьезомодуля dij, которые отличны от нуля.

Пьезоэффект наблюдается лишь в веществах с гетерополярной химической связью, т.е. пьезоэлектриками могут быть либо ионные, либо сильнополярные диэлектрики. Вторым необходимым условием существования пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в структуре диэлектрика.

В противном случае деформация вызывает симметричное смещение положительных и отрицательных зарядов, и электрический момент не возникает. Пьезоэлектриками, могут быть лишь вещества с высоким удельным сопротивлением. В достаточно проводящих средах пьезоэлектрическая поляризация быстро компенсируется свободными носителями заряда.

Поскольку любой диэлектрик обладает некоторым током утечки, все применения пьезоэффекта связаны с переменными (быстропротекающими) процессами.

Известно более тысячи веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в том числе – все сегнетоэлектрики. Однако практическое применение в пьезотехнике находит ограниченный круг материалов.

Среди них одно из важных мест занимает монокристаллический кварц. Это одна из модификаций двуокиси кремния. Пьезосвойства существуют лишь у β-кварца, устойчивого до температуры 573°С.

Выше этой температуры изменяется тип структуры, и пьезосвойства исчезают.

Крупные природные прозрачные кристаллы кварца получили название горного хрусталя. Обычно природные кристаллы имеют форму шестигранной призмы (рис. 16, а), что отражает симметрию внутреннего строения.

В структуре кварца атомы кремния располагаются по винтовой линии, параллельной оси симметрии третьего порядка (ось Z). Винтовое строение приводит к существованию левых и правых форм, которые отличаются и по внешней огранке кристаллов (рис. 16, а).

В кристаллах кварца принято различать три главные оси, образующие прямоугольную систему координат (рис.

16, б):X – электрическую ось, проходящую через вершины шестиугольника поперечного сечения (таких осей имеется три); Y – механическую ось, перпендикулярную сторонам шестиугольника поперечного сечения кристалла (таких осей тоже три); Z – оптическую ось, проходящую через вершины кристалла.

Рис. 16. Идеальная форма кристалла кварца и его главные оси: а – левый кварц; б – правый кварц

Пластинки, вырезанные перпендикулярно оптической оси Z, не обладают пьезоэффектом. Наибольший заряд создается в том случае, когда пластинка вырезана перпендикулярно электрической оси X.

Если заряды на больших гранях пластинки образуются при действии силы по оси X, то пьезоэффект называют продольным; при этом пьезомодуль кварца d11 = 2,3 · 10–12 Кл/Н.

Если заряды на тех же гранях возникают в результате приложения усилий к боковым граням пластинки, то пьезоэффект называют поперечным. При изменении действующих сил (сжимающих или растягивающих) знаки электрических зарядов на гранях меняются.

Плоскопараллельная полированная кварцевая пластинка с электродами и держателем представляет собой пьезоэлектрический резонатор, т.е. является колебательным контуром с определенной резонансной частотой колебаний.

Последняя зависит от толщины пластины и направления кристаллографического среза. Преимуществами кварцевых резонаторов являются малый tgδ и высокая механическая добротность (т.е. очень слабые механические потери).

В лучших кристаллах кварца механическая добротность может составлять 106–107. Это обеспечивает высокую частотную избирательность кварцевых резонаторов. Если в таком резонаторе возбудить колебания на резонансной частоте, то их затухание будет происходить в течение длительного времени.

Кварцевый пьезоэлемент, поставленный во входную цепь электрического генератора, навязывает ему собственную резонансную частоту.

Благодаря высокой добротности кварцевые резонаторы используются в качестве фильтров с высокой избирательной способностью, а также для стабилизации и эталонирования частоты генераторов (например, в радиолокационных станциях, в электронных часах и т.п.). Одно из главных требований к таким пьезоэлементам заключается в минимальном уходе резонансной частоты при изменении температуры. Этому требованию лучше всего удовлетворяют пластинки специальных косых срезов по отношению к главным осям.

Ввиду ограниченных запасов природного кварца основные потребности пьезотехники удовлетворяются искусственно выращиваемыми кристаллами. Их получают гидротермиальным методом.

Кристаллизация происходит из водно-щелочных растворов в стальных автоклавах боль-шой емкости при температуре 350–400°С и давлениях порядка 108 Па.

Из-за малой растворимости кремнезема в водных растворах длительность одного цикла выращивания составляет несколько месяцев.

Помимо кварца в различных пьезопреобразователях применяют кристаллы сульфата лития Li2SO4 · Н2О, сегнетовон соли, дигидрофосфата аммония, а также ниобат и танталат лития.

Последние составляют значительную конкуренцию кварцу, превосходя его по добротности в диапазоне высоких и сверхвысоких частот.

Для придания пьезоэлектрических свойств сегнетоэлектрические кристаллы LiNbO3 и LiTaO3 переводят в монодоменное состояние путем отжига в сильном электрическом поле при температуре несколько ниже точки Кюри.

Наиболее широкое применение в качестве пьезоэлектрического материала находит сегнетоэлектрическая керамика. В обычном состоянии сегнетокерамика не проявляет пьезоактивности, поскольку является изотропной средой вследствие хаотического расположения отдельных кристаллических зерен и деления их на домены с различным направлением спонтанной поляризованности.

Однако, если подвергнуть сегнетокерамику воздействию сильного электрического поля, то поляризованность доменов получит преимущественную ориентацию в одном направлении. После снятия поля сохраняется устойчивая остаточная поляризованность, материал становится текстуропанным. По своим свойствам поляризованный сегнетокерамический образец близок к однодоменному кристаллу, т. е.

обладает высокой пьезоактивностью.

Поляризованную сегнетокерамику, предназначенную для использования в пьезоэлектрических преобразователях, называют пьезокерамикой.

Пьезокерамика перед монокристаллами имеет то преимущество, что из нее можно изготовить активный элемент практически любого размера и любой формы (например, полый цилиндр, являющийся частью гидролокатора).

Основным материалом для изготовления пьезокерамических элементов являются твердые растворы PbZrO3 – PbTiO3 (цирконат-титанат свинца, или сокращенно ЦТС).

Эта керамика широко используется для создания мощных ультразвуковых излучателей в широком диапазоне частот для целей гидроакустики, дефектоскопии, механической обработки материалов.

Такие ультразвуковые генераторы применяются также в химической промышленности для ускорения различных процессов (эмульсификаюры, полимеризаторы, стерилизаторы и т.п.) и в полупроводниковой технологии для эффективной отмывки и обезжиривания полупроводниковых пластин с помощью ультразвуковой ванны.

Из пьезокерамики делают малогабаритные микрофоны, телефоны, громкоговорители (высокочастотные), слуховые аппараты, детонаторы (для оружия), различные устройства поджига в газовых системах. Пьезокерамические элементы можно использовать в качестве датчиков давлений, деформаций, ускорений и вибраций. Двойное преобразование энергии (электрической в механическую, и наоборот) положено в основу работы пьезорезонансных фильтров, линий задержки и пьезотрансформаторов.

Пьезотрансформаторы предназначены для получения высокого напряжения. Их обычно выполняют в виде пластины или бруска, одна половина которого (возбудитель колебаний) поляризуется по толщине, а другая половина (генератор) – по длине бруска.

Пьезокерамические трансформаторы предназначены для использования в схемах питания электронно-лучевых трубок, газоразрядных приборов, счетчиков Гейгера и для генерирования высоковольтных импульсов. Преимуществами таких источников питания являются отсутствие магнитного поля, простота и надежность конструкции, малые масса и габаритные размеры.

Кроме керамики ЦТС для изготовления различных пьезоэлектрических преобразователей применяют керамические материалы на основе твердых растворов BaNb2O6 – PbNb2O6 и NaNbO3 – KNbO3. Последние разработаны специально для высокочастотных преобразователей (10–40 МГц).

Источник: https://3ys.ru/provodniki-poluprovodniki-i-dielektriki/pezoelektriki.html

Что такое пьезоэлектрический эффект и как его используют

Пьезоэлектрики

Какие ассоциации у вас возникают при слове пьезоэлемент? Зажигалка или электроподжиг. На самом деле пьезоэффект используется в гораздо больших областях. В этой статье я расскажу вам, что вообще такое пьезоэффект и где его активно применяют. Итак, начнем.

yandex.ru

История открытия

Данный эффект был открыт еще в 1880 году братьями Кюри. В результате проведенных экспериментов ими было установлено, что при сжатии либо растяжении отдельных кристаллов естественного происхождения на их гранях формируется электрические заряды.

Открытый эффект ученые назвали «пьезоэлектричество» (от греческого «piezo» в буквальном переводе –«давить»), а кристаллы, которые обладают такими свойствами, стали называть пьезоэлектрическими.

Как и в каких кристаллах работает этот эффект

Как оказалось данным эффектом наделены кристаллы как естественного происхождения (турмалин, кварц и т.п.), так и искусственно выращенные. Причем список таких кристаллов пополняется с завидной постоянностью.

Если такой кристалл начать растягивать или сжимать в определенной плоскости, то на гранях образуется электрический заряд с небольшой разностью потенциалов.

yandex.ru

Если же на эти грани подключить проводники, то в момент сжатия или растяжения по ним пройдет небольшой электрический импульс. Это и есть проявление Пьезоэффекта. Если же оказывать постоянное давление, то никакого образования электроимпульса не наблюдается.

yandex.ru

При этом такие кристаллы обладают просто отличной упругостью. Если снять деформирующее воздействия, то кристалл возвращается в свое первоначальное положение без всяких инерционных колебаний.

Если на кристалл уже находящийся под давлением приложить еще большее усилие или же его полностью снять, то он сразу же отреагирует электрическим импульсом.

Правда на момент открытия эффекта сила тока от колеблющегося кристалла была ничтожна и это было основным препятствием в активном использовании открытия на практике. Но с приходом современных технологий когда ток можно усилить в сотни раз, проблема была устранена и пьезоэлементы стали активно применяться.

Примечание. На данный момент уже открыты элементы, пьезоэффект у которых проявляется достаточно сильно.

Где и как используются пьезоэлементы

Данные кристаллы стали активно использоваться в ультразвуковой дефектоскопии (обнаружение дефектов в разнообразных металлических изделиях).

В электромеханических преобразователях для стабилизации частот, в фильтрах многоканальной связи, во всевозможных датчиках фиксации давления и усиления, в адаптерах и т. п. На самом деле список где используются пьезоэлементы в той или иной степени можно продолжать очень долго.

yandex.ru

Главные особенности пьезокристаллов

Обратный эффект пьезокристаллов

Но гораздо более важным явилось открытие так называемого обратного эффекта, который заключен в следующем:

Если на соответствующие грани кристалла приложить определенный заряд, то сам кристалл подвергнется деформации.

То есть если на кристалл подать электрические колебания соответствующие звуковой частоте, то кристалл, колеблясь, будет транслировать звуковые волны в окружающую среду. Иначе говоря, один кристалл может быть и динамиком, и микрофоном одновременно.

yandex.ru

Собственная частота механических колебаний

Так же у таких кристаллов есть своя собственная механическая частота и если на кристалл подать заряд с частотой, совпадающей с собственной, то он войдет в резонанс, начнет колебаться особенно сильно. Этот принцип используется в пьезоэлектрических стабилизаторах, которые поддерживают постоянную частоту в генераторах незатухающих колебаний.

Этот же эффект справедлив и для прилагаемых механических колебаний. Благодаря этому были созданы акустические приборы, которые выделяют из всего разнообразия приходящих звуков только те, которые необходимы для каких-либо целей.

yandex.ru

Производство пьезоэлементов

Для того, чтобы использовать пьезоэффект нет необходимости применять целый кристалл. Достаточно распилить его на пластинки, при этом распил должен быть строго ориентирован относительно кристаллографических осей. А затем из заготовок сформировать прямоугольные или круглые пластины.

При этом так же строго соблюдается толщина пластин, ведь от нее зависит резонансная частота колебаний. Далее эти пластинки (одна или сразу несколько) соединяются с металлическими пластинами и таким образом получается пьезоэлемент.

Заключение

Как видите пьезоэлемент используется в гораздо больших областях, чем казалось на первый взгляд. Если вам понравилась статья, то оцените ее лайком и спасибо за ваше внимание!

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5aef12c13dceb76be76f1bb1/5cab7a7a084e0800aff6323b

Пьезоэлектрики — это… что такое пьезоэлектрики?

Пьезоэлектрики

— вещества, в к-рых при определённых упругих деформациях (напряжениях) возникает электрич. поляризация даже в отсутствие элек-трич. поля (прямой пьезоэффект). Следствием прямого пьезоэффекта является обратный пьезоэффект — появление механич. деформаций под действием электрич. поля.

Проявления прямого и обратного пьезоэффектов могут быть различными, первый может выражаться, напр., в появлении при деформации электрич. поля в отсутствие поляризации, второй — в возникновении при наложении электрич. поля упругих напряжений в отсутствие деформаций. В общем виде речь идёт о линейной связи между механич. и электрич.

переменными (первые -деформация и, напряжение s; вторые — поляризация Р, электрич. поле Е, электрич. индукция D; см. Диэлектрики), Первое подробное исследование пьезоэффектов проведено Ж. и П. Кюри (J. et P. Curie) (1880) на кристалле кварца. В дальнейшем пьезоэлектрич.

свойства были обнаружены более чем у 1500 веществ.

Пьезоэффекты наблюдаются только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. (В кристаллах, обладающих центром симметрии, пьезоэффект невозможен.) Наличие др. элементов симметрии (оси, плоскости симметрии; см.

Симметрия кристаллов )может запрещать появление поляризации в нек-рых направлениях или при деформациях, т. е. также ограничивает число кристаллов — П. В результате П.

могут принадлежать лишь к 20 точечным группам симметрии (из 32) : 1,2,3, 4, 6, m, mm2, 3m, 4mm, 6 тт,422,

6m2, 32, 23, т3. Кристаллы первых 10 классов — пироэлектрики, т. е. обладают поляризацией в отсутствие внеш. воздействий. В этих кристаллах пьезоэффект проявляется, в частности, в изменении величины спонтанной поляризации при механич.

деформации. Пьезоэлектрич. свойства можно создавать в нек-рых некристаллич. диэлектриках за счёт образования в них т. н. пьезоэлектрич. текстуры, напр. поляризацией в электрич. поле (пьезокерамика), механич. обработкой (древесина) и др. (см. Пьезоэлектрические материалы).

Количеств. характеристикой пьезоэффектов в кристалле является совокупность пьезоконстант (пьезомодулей) — коэф. пропорциональности между электрич. и механич. величинами. При этом одна электрич. величина (напр., Р )зависит как от др. электрич.

величины (напр., Е), так и от механич. величины ( и или s). Напр.: поляризация, возникающая в П. под действием деформации (s) где е— пьезомодуль. Полная поляризация с учётом электрич.

поля Е выражается соотношением

Величина имеет смысл диэлектрической восприимчивости при постоянной деформации. Т. к. механич.

деформации могут быть представлены как совокупность 6 независимых величин (сжатия и растяжения вдоль 3 осей.

а также сдвигов в плоскостях, перпендикулярных осям), а вектор поляризации P имеет 3 компоненты, то в наим. симметричных кристаллах может быть 18 разных пьезоконстант.

Симметрия кристалла ограничивает число независимых пьезомодулей, напр. кристалл точечной группы симметрии 422 имеет только одну независимую пьезо-константу. Пьезоконстантами являются также величины d, а, b,l, s в соотношениях

и т. п. Все пьезоконстанты связаны друг с другом, так что при описании пьезоэлектрич. свойств можно ограничиться только одной совокупностью констант, напр. е.

Величины пьезоконстант различаются для кристаллов разных типов. Для ионных кристаллов порядок величины пьезоконстант можно оценить след.

образом: пусть при деформации закороченного кристалла ( Е = 0) изменение постоянной решётки (l )равно DZ, так что деформация Разноимённые ионы сдвигаются друг относительно друга на величину ~Dl, а поляризация где q— заряд иона

(можно считать равным заряду электрона). Т. о., порядок пьезоэлектрич. константы такой же, как и у атомного электрич. поля единиц СГСЭ. Существенно больших величин могут достигать пьезоконстанты у сегнетоэлектриков, т. к. их поляризация может быть связана с перестройкой доменной структуры при механич. деформации.

Наличие пьезоэффектов сказывается на характере разл. акустич. явлений. Так, одна из объёмных упру гих волн становится поверхностной (Гуляева — Блюштейна волна). Отражение и пропускание упругой волны на границе П. и др.

среды могут определяться не только соотношением модулей упругости сред, но и тем, является ли др. среда диэлектриком или проводником. Коэф. усиления звука за счёт дрейфа носителей заряда в полупроводнике имеет разную зависимость от частоты звука в П.

и в центросимметричных кристаллах.

П. используются в технике в качестве преобразователей механич. колебаний в электрические и электрических — в механические. Они являются осн. материалами акустоэлектропики.

Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц E. М., Электродинамика сплошных сред, 2 изд., М., 1982; H аи Дж., Физические свойства кристаллов и их описание при помощи тензоров и матриц, пер. с англ., 2 изд., М.

, 1967; Сиротин Ю. И., Шаскольская М. П., Основы кристаллофизики, 2 изд., М., 1979; Таганцев А. К., Пиро-, пьезо-, флексоэлектрический и термополяризационный эффекты в ионных кристаллах, «УФН», 1987, т. 152, в. 3, с.

423.

А. П. Леванюк, Д. Г. Санников.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Источник: https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/2190/%D0%9F%D0%AC%D0%95%D0%97%D0%9E%D0%AD%D0%9B%D0%95%D0%9A%D0%A2%D0%A0%D0%98%D0%9A%D0%98

Заряды на поверхности пьезоэлектрика

Из опыта известно, что заряды на поверхности пьезоэлектрика возникают в результате однородных деформаций сжатия и растяжения в направлениях, которые называют полярными осями пьезоэлектрика.

На противоположных гранях, которые перпендикулярны полярной оси при однородных деформациях, возникают заряды противоположного знака. Надо отметить, что заряды меняют знак при смене знака деформации (то есть растяжение изменяется на сжатие).

Так как на разных гранях, перпендикулярных полярной оси, возникают заряды разного знака, то различные направления вдоль полярной оси неэквивалентны.

Это значит, что если кристалл повернуть на $180o$ вокруг оси, которая перпендикулярна полярной, то полярная ось совместится сама с собой, но при этом кристалл сам с собой не совместится. Из выше сказанного следует, что кристаллы, которые имеют центр симметрии, не могут быть пьезоэлектриками. Кристалл имеет несколько полярных осей.

Пьезоэлектрические свойства

Пьезоэлектрические свойства зависят от температуры. Существуют кристаллы, у которых при некоторых температурных значениях кристаллическая решетка перестраивается так, что образуется центр симметрии, следовательно, при такой температуре исчезают пьезоэлектрические свойства вещества.

Так, например, у кварца до температуры в $2000oC$ пьезоэлектрические свойства изменяются не существенно, а до температуры $5760oC$ медленно ослабевают. При $5760oC$ происходит перестройка кристаллической структуры кварца и пьезоэлектрические свойства вещества исчезают.

Если температуру понижать от $5760oC$ процесс происходит в обратном направлении.

Продольный и поперечный пьезоэффекты

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Различают продольный и поперечный пьезоэффекты. В продольном пьезоэффекте, заряды возникают на гранях перпендикулярных полярной оси, при однородной деформации вдоль оси кристалла.

Можно вызвать появление зарядов на тех же гранях, сжимая или растягивая кристалл перпендикулярно полярной оси, если только при этом происходит деформация вдоль полярной оси.

Такое явление называют поперечным пьезоэффектом.

Пьезоэлектрическими свойствами могут обладать только ионные кристаллы. Такой эффект может возникать только в том случае, если под действием внешних сил кристаллическая подрешетка из положительных ионов деформируется иначе, чем подрешетка из отрицательных ионов.

То есть в результате деформации происходит относительный сдвиг положительных и отрицательных ионов, который ведет к возникновению поляризации кристалла и поверхностных зарядов. Поляризованность пропорциональна деформации, а она в свою очередь, пропорциональна деформирующей силе.

Разность потенциалов, которая возникает между гранями пьезоэлектрика можно измерить. Следовательно, можно сделать заключение о силе деформации кристалла. Эту связь используют в пьезоэлектрических датчиках (пьезоэлектрический манометр) для измерения быстропеременных давлений.

Существуют пьезоэлектрические микрофоны, звукосниматели, пьезоэлектрические датчики в автоматике и телемеханике. Пьезоэлектрическая кварцевая пластинка, которая вырезается определенным образом, может помещаться внутрь исследуемого газа.

О давлении газа судят по величине пьезоэлектрических зарядов, которые возникают на пластинке. Существует целый ряд пьезоэлектрических преобразователей: пьезоэлектрические стабилизаторы, фильтры, виброметры. Гидрофоны в акустике.

Обратный пьезоэффект заключается в том, что во внешнем электрическом поле пьезоэлектрик деформируется. При деформации пьезоэлектрика работа затрачивается на образование энергии упругой деформации и энергии возникающего при этом результате пьезоэффекта электрического поля.

Если при деформации пьезоэлектрика вдоль полярной оси между гранями кристалла, перпендикулярными оси, возникает разность потенциалов, то для осуществления такой деформации без приложения механических сил необходимо к этим граням приложить такую же разность потенциалов, но с противоположным знаком.

Механизм обратного пьезоэффекта аналогичен прямому пьезоэффекту. Обратный пьезоэффект применятся, например, в кварцевых излучателях ультразвука. Он был предложен во время первой мировой войны Ланжевеном.

Смещения, которые возникают в кварцевой пластинке при наложении на нее электростатического поля, очень малы. Но их можно увеличить в тысячи раз, а энергию колебаний в миллионы раз, если использовать при этом переменное поле. При этом используется явление резонанса.

При этом собственные частоты для кварца находят из соотношения:

\[h=\frac{\lambda }{2}n\ \left(1\right),\]

где $\lambda -$длина ультразвуковой волны в кварце, $n$ — целое число. При $n=1$ получают основное колебание пластинки, при $n > 1$ — соответствующие обертоны. При резонансной частоте электрического поля кварцевая пластинка является мощным источником ультразвука. Подобные источники ультразвука были предложены Ланжевеном для измерения морских глубин и подводной сигнализации.

Пьезоэффект наблюдается в кварце, турмалине, сегнетовой соли, титанате бария и других веществах.

Пример 1

Задание: Используя законы термодинамики, покажите, что из существования прямого пьезоэффекта следует и существование обратного эффекта. Рассмотреть изотермический процесс.

Доказательство можно провести на примере пластины кварца в виде параллелепипеда длиной l, шириной b, высотой h. Эффект считать продольным.

Заряды возникают на одних и тех же гранях при деформации пластины вдоль осей X и Y. Считать, что эффекта по оси Z нет.

Решение:

Пусть внешнее электрическое поле направлено по оси X. Тогда вдоль осей X и Y действуют механические напряжения ${\tau }_x$ и ${\tau }_y$. Если объем (V) пластинки равен:

\[V=lbh\ \left(1.1\right),\]

то элемент работы ($\delta A$), которую необходимо затратить на ее поляризацию в ходе квазистатического процесса равен:

\[\delta A_1=V\overrightarrow{E}d\overrightarrow{P}=VE_xdP_x\left(1.2\right).\]

Элементарная работа сил натяжения равна:

\[\delta A_2=bl{\tau }_xdh+hb{\tau }_ydl\ (1.3)\]

Из первого начала термодинамики запишем:

\[dU=TdS+\delta A\ \ \left(1.4\right),\]

где $\delta A$ равна:

\[\delta A=\delta A_1+\delta A_{2\ }\left(1.5\right).\]

Для единицы объема можно записать, что:

\[du=Tds+E_xdP_x+{\tau }_x\frac{dh}{h}+{\tau }_y\frac{dl}{l}\left(1.6\right),\ \]

где $u,s$ — удельные величины внутренней энергии и энтропии. Выражение (1.6) можно переписать в виде:

\[du=Tds+E_xdP_x+{\tau }_xdln\left(h\right)+{\tau }_ydln\left(l\right)\left(1.7\right).\]

Обозначим следующее выражение как функцию $f$, запишем:

\[f=u-Ts-E_xP_x-{\tau }_xln\left(h\right)-{\tau }_yln\left(l\right)\left(1.8\right).\]

В таком случае имеем, что

\[df=-sdT-P_xd-d{\tau }_x-ln\left(l\right)d{\tau }_y\left(1.9\right).\]

Так как $df$ — полный дифференциал, то имеют место выражения:

\[{\left(\frac{\partial P_x}{\partial {\tau }_x}\right)}_T={\left(\frac{\partial ln\left(h\right)}{\partial E_x}\right)}_T=\frac{1}{h}{\left(\frac{\partial h}{\partial E_x}\right)}_T\left(1.10\right).\] \[{\left(\frac{\partial P_y}{\partial {\tau }_y}\right)}_T={\left(\frac{\partial ln\left(l\right)}{\partial E_x}\right)}_T=\frac{1}{l}{\left(\frac{\partial l}{\partial E_x}\right)}_T\left(1.11\right).\]

В том случае если есть прямой эффект, по производные слева не равны нулю. Следовательно, получаем, что:

\[{\left(\frac{\partial h}{\partial E_x}\right)}_Te 0(1.12).\] \[\frac{1}{l}{\left(\frac{\partial l}{\partial E_x}\right)}_Te 0(1.13).\]

Ответ: Наличие выражений (1.12) и (1.13) доказывает существование обратного эффекта при наличие прямого.

Пример 2

Задание: Сравните два явления: обратный пьезоэлектрический эффект и электрострикцию. Выделите различия.

Решение:

Электрострикцией называют явление изменения гидростатического давления и плотности диэлектриков. Дополнительные силы, возникающие в результате зависимости диэлектрической проницаемости от плотности диэлектрика, называют электрострикционными силами.

Обратный пьезоэффект заключается в том, что во внешнем электрическом поле пьезоэлектрик деформируется.

Электрострикция наблюдается во всех диэлектриках при помещении их в неоднородное электрическое поле. Обратный пьезоэффект имеет место только в кристаллах и не во всех. Обратный пьезоэффект может наблюдаться с однородных полях.

Силы электрострикции возникают в результате действия электрического поля на поляризованный диэлектрик, поляризация которого вызвана тем же полем. Следовательно, силы электрострикции зависят от квадрата напряженности поля.

Они не изменяются при изменении направления поля на противоположное. Обратный пьезоэффект возникает в результате действия внешнего электрического поля на имеющиеся разноименно заряженные кристаллические решетки. Возникающие в эффекте силы линейны полю.

Они изменяют знак на противоположный при изменении знака поля.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektrostatika/pezoelektriki/

Booksm
Добавить комментарий