Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Физико-технические эффекты:
Пьезоэлектрический эффект.
Выполнил студент группы АТ-11
Талыпов М.В.
Проверил : Панов В.А.
Пермь 2012
Пьезоэлектрический эффект Прямой пьезоэффект
Прямой эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 г.
1) Сущность эффекта
Внешние механические силы, воздействуя в определённых направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нём не только механические напряжения и деформации (как во всяком твёрдом теле), но и электрическую поляризацию и, следовательно, появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков (рис 1). При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Это явление называют прямым пьезоэффектом. Плотность пьезоэлектрических зарядов пропорциональна величине вектора поляризации Р.
Рис. 1
Рис. 2
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 (если усилие приложено по оси Z (в кристалле кварца это оптическая ось)). 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 (Рис. 2). За направление касательных напряжений принимают нормаль к плоскости, в которой действуют напряжения. Так же пьезоэффект может быть сдвиговым.
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. Также пьезоэффекты наблюдаются только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. (В кристаллах, обладающих центром симметрии, пьезоэффект невозможен.
1.1) Продольный пьезоэффект
При продольном эффекте заряд образуется и может быть измерен на поверхности приложения силы. В случае продольного пьезоэлектрического эффекта, величина электрического заряда (Q) определяется только воздействующей силой (Fx) и не зависит от размеров кристаллических дисков. Единственным способом увеличения этого заряда является механическое соединение дисков "стопкой" и их параллельное электрическое подключение. Тогда размер выходного заряда (для кристаллов кварца и PiezoStar):
Рис. 3 Прямой продольный пьезоэффект.
Пьезоэлектрический коэффициент (d11) определяет степень чувствительности кристалла к действующей в соответствующем направлении силе. Поэтому способ резки кристалла определяет измерительные характеристики и дальнейший способ применения чувствительного элемента. Пьезоэлементы, вырезанные для производства заряда на основе продольного эффекта, чувствительны к силам сжатия и поэтому применяются в простых и надёжных датчиках силы.