Прямой пьезоэлектрический эффект это

В 19 веке в 1880 году братья Кюри проводили эксперимент, во время которого происходило образование электрического разряда, когда на кварц или другие виды кристаллов оказывалось давление. В дальнейшем это явление стало известно, как пьезоэлектрический эффект. Греческое слово «пьезо» в переводе на русский язык означает сжатие. Некоторое время спустя, те же ученые открыли явление обратного пьезоэлектрического эффекта, представляющего собой механическую деформацию кристалла под действием электрического поля. Данное явление используется в электронных устройствах, где необходимо распознавание и преобразование звуковых сигналов.

В ходе исследований было установлено, что пьезоэлектрический эффект присущ кварцу, турмалину и другим кристаллам естественного и искусственного происхождения. Перечень таких материалов постоянно растет. Если любой из этих кристаллов сжать или растянуть в определенном направлении, на отдельных гранях появятся электрические заряды с положительным и отрицательным значением. Разность потенциалов таких зарядов будет незначительной.

Что такое пьезоэлектрический эффект

Для того чтобы понять природу пьезоэффекта, необходимо соединить электроды между собой и разместить их на гранях кристалла. При кратковременном сжатии или растяжении в цепи, образованной электродами, можно заметить образование короткого электрического импульса. Именно он является электрическим и физическим проявлением пьезоэффекта. Если же кристалл испытывает постоянное давление, в этом случае импульс не появится. Данное свойство кристаллических материалов широко используется при изготовлении точных чувствительных приборов.

Одним из качеств пьезоэлектрических кристаллов является их высокая упругость. По окончании действия деформирующего усилия, эти материалы без всякой инерции принимают свою изначальную форму и объем. Если же прикладывается новое усилие или изменяется приложенное ранее, в этом случае мгновенно образуется еще один токовый импульс. Данное свойство, известное как прямой и обратный пьезоэффект, успешно используется в устройствах, регистрирующих совсем слабые механические колебания.

Формула для закона Ома

В самом начале открытия пьезоэффекта решение такой задачи было невозможно из-за слишком незначительной силы тока в колеблющейся кристаллической цепи. В современных условиях ток может быть усилен многократно, а некоторые виды кристаллов имеют довольно высокий пьезоэффект. Ток, полученный от них, не требует дополнительного усиления и свободно передается по проводам на значительные расстояния.

Прямой и обратный пьезоэффект

Все кристаллы, рассмотренные выше, обладают качествами прямого и обратного пьезоэффекта. Данное свойство одновременно присутствует во всех подобных материалах – с моно- и поликристаллической структурой. Обязательным условием является их предварительная поляризация в процессе кристаллизации воздействием сильного электрического поля.

Пьезоэлектрический эффект

Для того чтобы понять, как действует прямой пьезоэффект, необходимо кристалл или керамический материал расположить между металлическими пластинами. Генерация электрического заряда происходит в результате приложенного механического усилия – сжатия или растяжения.

Величина полной энергии, полученной от внешней механической силы, составит сумму энергий упругой деформации и заряда емкости элемента. Поскольку пьезоэлектрический эффект носит обратимый характер, возникает специфическая реакция. Прямой пьезоэффект приводит к возникновению электрического напряжения, которое в свою очередь, под влиянием обратного эффекта вызывает деформацию и механические напряжения, оказывающие противодействие внешним силам. За счет этого жесткость элемента будет увеличиваться. В случае отсутствия электрического напряжения, обратный пьезоэффект тоже будет отсутствовать, а жесткость пьезоэлемента уменьшится.

Таким образом, обратный пьезоэлектрический эффект заключается в механической деформации материала – расширении или сжатии под действием приложенного к нему напряжения. Данные элементы выполняют функцию своеобразного мини-аккумулятора и применяются в гидролокаторах, микрофонах, датчиках давления, других чувствительных приборах и устройствах. Свойства обратного эффекта широко используются в миниатюрных акустических устройствах мобильных телефонов, в гидроакустических и медицинских ультразвуковых датчиках.

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект (сокращенно пьезоэффект) наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Пьезоэффектом могут обладать кристаллы, не имеющие центра симметрии, а имеющие так называемые полярные направления (оси). Пьезоэффектом могут обладать также некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (текстурой), например керамические материалы и полимеры. Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называют пьезоэлектриками .

Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию и, следовательно, появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков. При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Это явление называют прямым пьезоэффектом . Пьезоэффект обратим. При воздействии на пьезоэлектрик, например кристалл, электрического поля соответствующего направления в нем возникают механические напряжения и деформации. При изменении направления электрического поля на противоположное соответственно изменяются на противоположное направления напряжений и деформаций. Это явление получило название обратного пьезоэффекта .

Прямой и обратный пьезоэффект

Схематичные изображения прямого (а, б) и обратного (в, г) пьезоэффектов. Стрелками Р и Е изображены внешние воздействия — механическая сила и напряженность электрического поля. Штриховыми линиями показаны контуры пьезоэлектрика до внешнего воздействия, сплошными линиями — контуры деформации пьезоэлектрика (для наглядности во много раз увеличены); Р — вектор поляризации.

В некоторых источниках для обратного пьезоэффекта неуместно используют термин электрострикция , относящийся к сходному, но другому физическому явлению, характерному для всех диэлектриков, деформации их под действием электрического поля. Электрострикция — четный эффект, означающий, что деформация не зависит от направления электрического поля, а ее величина пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Порядок деформаций при электрострикции намного меньше, чем при пьезоэффекте (примерно на два порядка). Электрострикция всегда возникает и при пьезоэффекте, но вследствие малости в расчет не принимается. Электрострикция — эффект необратимый.

Прямой и обратный пьезоэффект линейны и описываются линейными зависимостями, связывающими электрическую поляризацию Р с механическим напряжением t: P = dt

Данную зависимость называют уравнением прямого пьезоэффекта. Коэффициент пропорциональности d называется пьезоэлектрическим модулем (пьезомодулем), и он служит мерой пьезоэффекта. Обратный пьезоэффект описывается зависимостью: r = dE
где r — деформация; Е — напряженность электрического поля. Пьезомодуль d для прямого и обратного эффектов имеет одно и то же значение.

Приведенные выражения даны в элементарной форме только для уяснения качественной стороны пьезоэлектрических явлений. В действительности пьезоэлектрические явления в кристаллах более сложны, что обусловлено анизотропией их упругих и электрических свойств. Пьезоэффект зависит не только от величины механического или электрического воздействия, но и их характера и направления сил относительно кристаллофических осей кристалла. Пьезоэффект может возникать в результате действия как нормальных, так и касательных напряжений. Существуют направления, для которых пьезоэффект равен нулю. Пьезоэффект описывается несколькими пьезомодулями, число которых зависит от симметрии кристалла. Направления поляризации может совпадать с направлением механического напряжения или составлять с ним некоторый угол. При совпадении направлений поляризации и механического напряжения пьезоэффект называют продольным , а при их взаимно перпендикулярном расположении — поперечным . За направление касательных напряжений принимают нормаль к плоскости, в которой действуют напряжения.

Продольный и поперечный пьезоэффект

Схематичные изображения, поясняющие продольный (а) и поперечный (б) пьезоэффекты

Деформации пьезоэлектрика, возникающие вследствие пьезоэффекта, весьма незначительны по абсолютной величине. Например, кварцевая пластина толщиной 1 мм под действием напряжения 100 В изменяет свою толщину всего на 2,3 х 10 -7 мм. Незначительность величин деформаций пьезоэлектриков объясняется их очень высокой жесткостью.

Пьезоэлектрический эффект

Природные объекты, эпохи, процессы, события

Пьезоэлектри́ческий эффе́кт (от греч. πιέζω – давить, сжимать), явление возникновения связанных электрических зарядов ( разности потенциалов ) на поверхности анизотропных диэлектрических сред под действием механической деформации (прямой пьезоэффект, ПП) или появления механических деформаций при воздействии на пьезоэлектрик разности потенциалов (в случае подачи электрического напряжения – обратный пьезоэффект, ОП). Прямой пьезоэлектрический эффект обнаружен братьями Пьером и Жаком Кюри в 1880 г., обратный пьезоэлектрический эффект был вначале предсказан теоретически Г. И. Липманом в 1881 г., а затем, в этом же году, экспериментально подтверждён Пьером и Жаком Кюри.

Пьезоэлектрический эффект объясняется изменением состояния электрического и механического равновесия анизотропной диэлектрической среды, вызывающим смещение электронной или ионной подсистемы из исходного состояния, что приводит к поляризации и появлению внутреннего электрического поля , пропорционального вызвавшему его механическому воздействию. В этом смысле пьезоэлектрический эффект можно рассматривать как преобразование механической энергии в электрическую (ПП) и электрической в механическую (ОП). Поскольку среды, в которых наблюдается пьезоэлектрический эффект, анизотропны, для качественного и количественного описания прямого и обратного эффектов используется математический аппарат однородных тензорных полей . Уравнение прямого пьезоэлектрического эффекта имеет вид:

P i = d i j k σ j k , text_=text__, P i ​ = d ijk ​ σ jk ​ , где i , j , k = 1 , 2 , 3 = 1, 2, 3 i , j , k = 1 , 2 , 3 , P i text_ P i ​ – компоненты вектора поляризации , σ i j sigma_ σ ij ​ – тензор механических напряжений , d i j k _ d ijk ​ – тензор пьезоэлектрических модулей, представимых в виде:

d i j = ( d 11 d 12 d 13 d 14 d 15 d 16 d 21 d 22 d 23 d 24 d 25 d 26 d 31 d 32 d 33 d 34 d 35 d 36 ) . _= left(begin_ _ _ _ _ _ \ _ _ _ _ _ _ \ _ _ _ _ _ _ endright) . d ij ​ =

​ d 11 ​ d 12 ​ d 13 ​ d 14 ​ d 15 ​ d 16 ​ d 21 ​ d 22 ​ d 23 ​ d 24 ​ d 25 ​ d 26 ​ d 31 ​ d 32 ​ d 33 ​ d 34 ​ d 35 ​ d 36 ​ ​

​ . Здесь d i j _ d ij ​ – пьезоэлектрические модули, из которых d 11 _ d 11 ​ , d 22 _ d 22 ​ , d 33 _ d 33 ​ определяют продольный пьезоэлектрический эффект, когда вектор поляризации направлен вдоль направления внешнего механического напряжения; d 12 _ d 12 ​ , d 13 _ d 13 ​ , d 21 _ d 21 ​ , d 23 _ d 23 ​ , d 31 _ d 31 ​ , d 32 _ d 32 ​ – поперечный пьезоэлектрический эффект, когда вектор поляризации направлен перпендикулярно приложенному механическому напряжению; d 14 _ d 14 ​ , d 25 _ d 25 ​ , d 36 _ d 36 ​ – продольный пьезоэлектрический эффект сдвига, если вектор поляризации направлен вдоль оси сдвига; а пьезомодули d 15 _ d 15 ​ , d 16 _ d 16 ​ , d 24 _ d 24 ​ , d 26 _ d 26 ​ , d 34 _ d 34 ​ , d 35 _ d 35 ​ – поперечный пьезоэлектрический эффект сдвига, если вектор поляризации перпендикулярен оси сдвига.

Пьезоэлектрический эффект применяется в электронных приборах, пьезотрансформаторах, радиофильтрах, датчиках давления , эхолотах , генераторах инфракрасных и ультразвуковых волн, акселерометрах .

Опубликовано 25 октября 2023 г. в 14:03 (GMT+3). Последнее обновление 25 октября 2023 г. в 14:03 (GMT+3). Связаться с редакцией

Введение

Пьезоэлектрический эффект является одним из электромеханических эффектов в твердых телах, заключающихся в преобразовании электрической энергии в механическую или механической энергии в электрическую. Кроме пьезоэлектрического эффекта известны также флексоэлектрический эффект и электрострикция.

Пьезоэлектричество было открыто в 1880 г. французскими учеными братьями Пьером и Жаком Кюри, обнаружившими появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов под действием механической нагрузки. Через год они же экспериментально наблюдали обратный эффект — деформацию кристалла, помещенного в электрическое поле. Таким образом, в настоящее время различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффект.

Прямой пьезоэффект заключается в том, что при воздействии механического напряжения  (или вызванной механическим напряжением упругой деформации х) в кристалле возникает электрическая поляризация Р. Поскольку электрическая проводимость пьезоэлектрика (диэлектрика) пренебрежимо мала, то поляризация проявляется в виде механически индуцированных электрических зарядов на поверхности деформированного пьезоэлектрика. Поверхностная плотность этих зарядов определяет модуль вектора поляризации (поляризованности) Р, а направление этого вектора выбирается от “-” к “+”.

Обратный пьезоэффект состоит в том, что под действием приложенного электрического поля Е кристалл деформируется (в нем возникает механическое напряжение ), причем знак деформации изменяется при изменении знака электрического воздействия, а величина деформации линейно изменяется с изменением поля.

Как прямой, так и обратный пьезоэффекты — эффекты линейные, т.е. электрическая поляризация, возникающая при прямом пьезоэффекте, пропорциональна величине приложенного механического напряжения, а деформация, возникающая при обратном пьезоэффекте, пропорциональна приложенному электрическому напряжению (электрическому полю). Линейность пьезоэлектрического эффекта является важным признаком, поскольку этим свойством обратный пьезоэффект отличается от электрострикции.

Электрострикция — это явление возникновения деформации диэлектрика под действием электрического поля, причем величина деформации находится в квадратичной (точнее четной степенной) зависимости от поля. Электрострикционная деформация не изменяется с изменением знака поля Е, а в переменном электрическом поле частоты  изменения деформации кристалла происходят с удвоенной частотой 2. Электрострикция отличается от пьезоэффекта еще и тем, что не имеет обратного эффекта. Кроме того, если для проявления пьезоэффекта диэлектрик непременно должен быть нецентросимметричным, то электрострикция не имеет симметрийных ограничений и проявляется во всех диэлектриках: кристаллических, аморфных и даже жидких. В большинстве случаев эффект этот настолько мал, что его можно не учитывать (относительная деформация менее 10 -7 ). Однако в последнее время обнаружены материалы с “гигантской” электрострикцией, деформация которых во внешнем поле достигает 10 -3 , то есть примерно такая же, как и в лучших пьезоэлектриках. Такие электрострикционные материалы уже нашли техническое применение.

Практическое применение пьезоэлектриков началось со времени первой мировой войны, когда французский физик П. Ланжевен разработал прибор (эхолот) для обнаружения немецких подводных лодок, используя пьезоэлектрические свойства кварца (минерал “горный хрусталь”) для излучения и приема ультразвуковых колебаний. Синтетические кристаллы кварца и в настоящее время широко используются в радиотехнике для стабилизации частоты радиочастотных генераторов, в пьезофильтрах, в ультразвуковых медицинских приборах.

Давно применяются пьезоэлектрики и в различных акустических приборах: микрофонах, телефонах, звукоснимателях и проч. Вначале в таких устройствах использовались кристаллы сегнетовой соли, позже были синтезированы более эффективные кристаллы дигидрофосфата калия и другие кристаллы.

В 20-40 годы развивалась главным образом пьезотехника монокристаллов, а в 50-70 годы после открытия российскими учеными (Б.М. Вул и др.) титаната бария — пьезотехника сегнетоэлектрической керамики.

В последние годы интенсивно развивается пьезотехника композиционных материалов, которые представляют собой гетероструктуры пьезоэлектриков с другими материалами: полимерами, диэлектриками, полупроводниками, ферромагнетиками, сверхпроводниками. При этом в одних случаях свойства композитов превышают свойства исходных керамических материалов, а в других — в композитах возникают качественно новые свойства, которые отсутствовали у исходных компонентов.

Пьезоэлектрические материалы (монокристаллы, керамика, композиты, пленки) непрерывно совершенствуются. Разрабатываются новые конструкции пьезопреобразователей — от многотонных акустических антенн гидролокаторов до

сверхминиатюрных пьезоэлектрических пленок (толщиной менее микрометра) в устройствах на поверхностных акустических волнах. Активно развивается функциональная электроника, использующая пьезоактивные слои и микроэлементы для обработки сигналов.

Из сказанного выше следует. что изучение физических основ пьезоэлектрических явлений имеет большое как научное, так и практическое значение, а подготовку специалиста в области физического материаловедения нельзя считать законченной без более или менее основательного ознакомления с физикой пьезоэлектрических кристаллов.

Введение

Пьезоэлектрический эффект является одним из электромеханических эффектов в твердых телах, заключающихся в преобразовании электрической энергии в механическую или механической энергии в электрическую. Кроме пьезоэлектрического эффекта известны также флексоэлектрический эффект и электрострикция.

Пьезоэлектричество было открыто в 1880 г. французскими учеными братьями Пьером и Жаком Кюри, обнаружившими появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов под действием механической нагрузки. Через год они же экспериментально наблюдали обратный эффект — деформацию кристалла, помещенного в электрическое поле. Таким образом, в настоящее время различают прямой и обратный пьезоэлектрический эффект.

Прямой пьезоэффект заключается в том, что при воздействии механического напряжения  (или вызванной механическим напряжением упругой деформации х) в кристалле возникает электрическая поляризация Р. Поскольку электрическая проводимость пьезоэлектрика (диэлектрика) пренебрежимо мала, то поляризация проявляется в виде механически индуцированных электрических зарядов на поверхности деформированного пьезоэлектрика. Поверхностная плотность этих зарядов определяет модуль вектора поляризации (поляризованности) Р, а направление этого вектора выбирается от “-” к “+”.

Обратный пьезоэффект состоит в том, что под действием приложенного электрического поля Е кристалл деформируется (в нем возникает механическое напряжение ), причем знак деформации изменяется при изменении знака электрического воздействия, а величина деформации линейно изменяется с изменением поля.

Как прямой, так и обратный пьезоэффекты — эффекты линейные, т.е. электрическая поляризация, возникающая при прямом пьезоэффекте, пропорциональна величине приложенного механического напряжения, а деформация, возникающая при обратном пьезоэффекте, пропорциональна приложенному электрическому напряжению (электрическому полю). Линейность пьезоэлектрического эффекта является важным признаком, поскольку этим свойством обратный пьезоэффект отличается от электрострикции.

Электрострикция — это явление возникновения деформации диэлектрика под действием электрического поля, причем величина деформации находится в квадратичной (точнее четной степенной) зависимости от поля. Электрострикционная деформация не изменяется с изменением знака поля Е, а в переменном электрическом поле частоты  изменения деформации кристалла происходят с удвоенной частотой 2. Электрострикция отличается от пьезоэффекта еще и тем, что не имеет обратного эффекта. Кроме того, если для проявления пьезоэффекта диэлектрик непременно должен быть нецентросимметричным, то электрострикция не имеет симметрийных ограничений и проявляется во всех диэлектриках: кристаллических, аморфных и даже жидких. В большинстве случаев эффект этот настолько мал, что его можно не учитывать (относительная деформация менее 10 -7 ). Однако в последнее время обнаружены материалы с “гигантской” электрострикцией, деформация которых во внешнем поле достигает 10 -3 , то есть примерно такая же, как и в лучших пьезоэлектриках. Такие электрострикционные материалы уже нашли техническое применение.

Практическое применение пьезоэлектриков началось со времени первой мировой войны, когда французский физик П. Ланжевен разработал прибор (эхолот) для обнаружения немецких подводных лодок, используя пьезоэлектрические свойства кварца (минерал “горный хрусталь”) для излучения и приема ультразвуковых колебаний. Синтетические кристаллы кварца и в настоящее время широко используются в радиотехнике для стабилизации частоты радиочастотных генераторов, в пьезофильтрах, в ультразвуковых медицинских приборах.

Давно применяются пьезоэлектрики и в различных акустических приборах: микрофонах, телефонах, звукоснимателях и проч. Вначале в таких устройствах использовались кристаллы сегнетовой соли, позже были синтезированы более эффективные кристаллы дигидрофосфата калия и другие кристаллы.

В 20-40 годы развивалась главным образом пьезотехника монокристаллов, а в 50-70 годы после открытия российскими учеными (Б.М. Вул и др.) титаната бария — пьезотехника сегнетоэлектрической керамики.

В последние годы интенсивно развивается пьезотехника композиционных материалов, которые представляют собой гетероструктуры пьезоэлектриков с другими материалами: полимерами, диэлектриками, полупроводниками, ферромагнетиками, сверхпроводниками. При этом в одних случаях свойства композитов превышают свойства исходных керамических материалов, а в других — в композитах возникают качественно новые свойства, которые отсутствовали у исходных компонентов.

Пьезоэлектрические материалы (монокристаллы, керамика, композиты, пленки) непрерывно совершенствуются. Разрабатываются новые конструкции пьезопреобразователей — от многотонных акустических антенн гидролокаторов до

сверхминиатюрных пьезоэлектрических пленок (толщиной менее микрометра) в устройствах на поверхностных акустических волнах. Активно развивается функциональная электроника, использующая пьезоактивные слои и микроэлементы для обработки сигналов.

Из сказанного выше следует. что изучение физических основ пьезоэлектрических явлений имеет большое как научное, так и практическое значение, а подготовку специалиста в области физического материаловедения нельзя считать законченной без более или менее основательного ознакомления с физикой пьезоэлектрических кристаллов.

ОПИСАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

Во многих кристаллах при растяжении и сжатии в определенных направлениях возникает электрическая поляризация. В результате этого на их поверхностях появляются электрические заряды обоих знаков. Это явление, получившее название прямого пьезоэлектрического эффекта. Оно наблюдалось затем на кристаллах турмалина, цинковой обманки, хлората натрия, винной кислоты, тростникового сахара, сегнетовой соли, титаната бария и многих других веществ. Пьезоэлектрическими свойствами могут обладать только ионные кристаллы. Если кристаллические решетки положительных и отрицательных ионов, из которых построены такие кристаллы, под действием внешних сил деформируются по-разному, то в противоположных местах на поверхности кристалла выступают электрические заряды разных знаков. Это и есть пьезоэлектрический эффект. При однородной деформации пьезоэлектрический эффект наблюдается при наличии в кристалле одной или нескольких полярных осей (направлений). Под полярной осью (направлением) кристалла понимают всякую прямую, проведенную через кристалл, оба конца которой неравноценны, т. е. невзаимозаменяемые. Иными словами, при повороте кристалла на 180° вокруг любой оси, перпендикулярной к полярной, он не совмещается сам с собою. Вообще, для существования пьезоэлектрического эффекта при однородной деформации необходимо отсутствие, у кристалла центра симметрии. Действительно, если бы недеформированный кристалл имел центр симметрии, то последний сохранился бы и при однородной деформации кристалла. С другой стороны, в электрически поляризованном кристалле есть особое направление, а именно направление вектора поляризации. При наличии такового кристалл не может иметь центр симметрии. Получившееся противоречие и доказывает наше утверждение. Из 32 кристаллических классов не имеет центра симметрии 21 класс. У одного из них, однако, сочетание других элементов симметрии делает пьезоэлектрический эффект также невозможным. Таким образом, пьезоэлектрические свойства наблюдаются у 20 кристаллических классов. Более подробно рассмотрим прямой и образный пьезоэффекты.

Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в образовании в кристаллическом материале электрических зарядов при приложении к нему механических напряжений (Рис. 2.1.1.).

Также прямым пьезоэлектрическим эффектом называют поляризацию диэлектрика при механическом воздействии на него. Этот эффект имеется у кристаллов кварца и у всех сегнетоэлектриков. Чтобы его наблюдать, из кристалла вырезают прямоугольный параллелепипед, грани которого должны быть ориентированы строго определенным образом относительно кристалла. При сдавливании параллелепипеда одна его грань заряжается положительно, а другая — отрицательно. Оказывается, что в этом случае плотность поляризованного заряда грани прямо пропорциональна давлению и не зависит от размеров параллелепипеда. Если сжатие заменить растяжением параллелепипеда, то заряды на его гранях изменяют знаки на обратные.

пьезоэлектрический эффект решетка кристаллический

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект

Современное производство электронной компонентной базы тесно связано с термином «пьезоэлектричество». Прямой пьезоэлектрический эффект — явление возникновения электрической поляризации в кристалле под действием механического напряжения. Данное явление впервые наблюдали братья Кюри — Жак и Пьер в 1880 году. Тогда в качестве испытуемых выступили кристаллы хрусталя, турмалина и сегнетовой соли. Обратный пьезоэлектрический эффект — вознинкновение механических напряжений в кристалле под действием электрического поля был предсказан в 1881 году французским физиком Габриэлем Липпманом. Предсказание сложилось исходя из термодинамических соображений и позднее было экспериментально подтверждено братьями Кюри. Однако, практическое применение пьезоэффект обрел лишь 37 лет спустя, а началось все с работы создателя теории диамагнетизма и парамагнетизма Поля Ланжевена. Суть его предложения заключалась в использовании мощного ультразвука, получаемого от возбужденной электрическим полем кварцевой пластинки, для подводной беспроволочной связи и гидроакустики. Еще через 5 лет пьезоэлектрические пластины стали обязательными компонентами устройств фильтрации и стабилизации частот в аппаратуре связи.

Отечественные кварцевые резонаторы впервые были спроектированы в институте кристаллографии АН СССР. 1928 год запомнился важным для массового применения пьезоэлектричества этапом, связанным с Сергеем Яковлевичем Соколовым, открывшим возможность применения ультразвуковых волн для обнаружения внутренних дефектов в металлах, положив, таким образом, начало ультразвуковой дефектоскопии.

Возвращаясь к нашему времени, хочется отметить, что на основе пьезоэлектрических материалов таких как: лангасит, лангатат, катангасит, ниобат и танталат лития, а также кварца изготавливают элементы на прямом пьезоэлектрическом эффекте, применяющиеся в микрофонах, гидрофонах, датчиках давлений, датчиках механических перемещений и ускорения. Обратный пьезоэлектрический эффект используется в акустических и ультразвуковых излучателях для увлажнителей воздуха и ультразвуковой гидроочистки, в излучателях гидролокаторов (сонарах), в системах сверхточного позиционирования, например, в системе позиционирования иглы в сканирующем туннельном микроскопе или как позиционер перемещения головки жёсткого диска. Высокочастотные пьезоэлектрические резонаторы, на объемных акустических волнах (ОАВ) являются базовыми комплектующими элементами для создания новых видов радиоэлектронных систем и аппаратуры.

Пьезоэлектрические чувствительные элементы

Если грани кристалла, например кварца, турмалина, сегнето-вой соли, подвергаются сжатию (сдавливанию), скручиванию или сгибанию, на противоположных гранях возникает разность потенциалов. Ее величина в кристалле пропорциональна степени деформации. Данный эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Он проявляется и в обратном направлении: если на одну пару граней кристалла подается переменное напряжение, в нем возникают переменные сжимающе-растягивающие механические напряжения и он начинает совершать колебания. Когда частота подаваемого переменного напряжения совпадает с частотой собственных колебаний кристалла, последний начинает резонировать и, следовательно, генерировать механические колебания.

Пьезоэлементы применяют для измерения быстро изменяющихся усилий, давлений, вибраций, ускорений, скоростей и других физических величин. Кроме того, они используются в качестве излучателей ультразвуковых колебаний и стабилизаторов частоты электронных генераторов.

Прямой пьезоэффект проявляется в некоторых диэлектриках под влиянием механических напряжений и выражается в разделении (смещении) электрических зарядов, в результате чего одна поверхность заряжается положительно, а другая — отрицательно. При снятии механических напряжений заряд исчезает.

В качестве основного чувствительного элемента пьезодатчик содержит пластину (или несколько пластин), вырезанную определенным образом из соответствующего кристалла (рис. 8.1). Для определения свойств кристалла выбраны следующие оси:

  • • И — оптическая, проходящая через вершины кристалла;
  • • X — электрическая, проходящая через ребра призмы;
  • • У — механическая, перпендикулярная граням.

Из пьезокристалла пластины вырезают так, чтобы наибольшая грань пластины была перпендикулярна одной из электрических осей. Под действием усилий вдоль электрической ОСИ X ИЛИ механической оси У заряды возникают только на плоскостях Зх, перпендикулярных электрической оси. При воздействии усилий вдоль оптической оси X пьезоэффект не наблюдается.

Пьезоэлектрический элемент и его оси

Рис. 8.1. Пьезоэлектрический элемент и его оси

В зависимости от направлений силы прямой пьезоэффект делится на два вида: продольный и поперечный.

Продольный прямой пьезоэффект возникает при воздействии на элемент силы 0.

Характеристика пьезоэлектрических материалов

Вид деформации

Относительная диэлектрическая проницаемость е

Плотность р, кг/м 3 • 10 3

Е, Н/м 2 ? 10 9

Допускаемая температура т °с

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий