Физические основы. Область применения.

Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений, так называемый прямой пьезоэффект и деформирующийся в электрическом поле, так называемый обратный пьезоэффект.

Пьезоэффект обладает знакочувствительностью, то есть происходит изменение знаков заряда при замене сжатия растяжением. И изменение знака деформации при изменении направления поля.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают многие кристаллические вещества (кварц, турмалин, ниобат лития, сегнетова соль и другие), а также искусственно создаваемые и специально поляризуемые в электрическом поле пьезокерамики (титонат бария, титонат свинца, цирконат свинца и т.д.).

Рассмотрим физическую природу на основе кварца:

Ячейка в целом электрически нейтральна. Однако в ней можно выделить три направления, проходящие через центр и соединяющие два разнополярных иона, эти полярные направления называются электрическими осями (оси x) и по ним направлены векторы поляризации (p₁,p₂,p₃). Предположим, что к кварцу вдоль его оси приложена сила, равномерно распределённая по граням. В результате действия деформации элементарная ячейка перестаёт быть электрически нейтральной при этом, если сумма проекции векторов p₂ и p₃ на ось x становится меньше (при сжатии) и больше (при растяжении) вектора поляризации p₁ в результате появляется равнодействующая вектора поляризации, и этой поляризации соответствуют поляризационные заряды, возникающие на гранях кристалла. При этом деформация не влияет на электрическое состояние вдоль оси y, здесь сумма проекции на ось y равна . Образование поляризационных зарядов на гранях перпендикулярно оси x, называется продольным пьезоэффектом.

При технических напряжениях приложенных вдоль одной из осей y геометрическая сумма векторов поляризации на ось y равна , и на гранях возникают заряды. При этом нижняя грань приобретает положительный заряд, а верхняя отрицательный заряд, такой пьезоэффект называется поперечным.

При нагружении вдоль оптической оси z кристалл также остаётся электрически нейтральным.

q = d*F F – сила

q – заряд, который накапливается

d – пьезоэлектрический модуль

ε = d*E ε – перемещение, вызываемое электрическим полем

E – электрическое поле

d – пьезоэлектрический модуль

Наличие полярных направлений в пьезоэлектриках объясняет важность определённой ориентации граней пьезоэлемента относительно кристаллографических осей кристалла x, y, z, то есть рёбра пьезоэлемента должны быть ориентированы по этим осям.

Малов:Для этих срезов механического напряжения, действующие на грани, совпадаю с кристаллографическими осями, но возможны и другие срезы. Направление срезов подчёркивает особые свойства пьезоэлектрика: термочувствительность, тензочувствительность и пьезорезонансную чувствительность.

Область применения пьезоэлектриков:

1. Преобразователи, в которых используется прямой пьезоэффект, применяют для изменения силы, давления и ускорения.

2. Преобразователи, в которых используется обратный пьезоэффект, используют в ультразвуковых излучателях и преобразователях “напряжение - перемещение”.

3. Преобразователи, у которых используется одновременно прямой и обратный пьезоэффект, так называемые пьезорезонаторы, имеют максимальный коэффициент преобразования одного вида энергии в другой на резонансной частоте. Такие пьезорезисторы в виде фильтров, как правило, включают в цепь ПОС генераторов.

В зависимости от кристалла, среза и типа возбуждения могут использоваться в преобразователях температуры, давления, ускорения и так далее. Кроме кварца используют различные виды пьезокерамики, которые имеют более высокий пьезомодуль (d), но худшие упругие свойства. Все пьезоэлектрики работают при определённом температурном диапазоне, определяемом точкой Кюри (для кварца 530 ⁰С, а для пьезокерамики значительно ниже ≈ 150 ⁰С).

Дата добавления: 2015-10-02