64. Властивості п’єзоелектриків. Технологія обробки п’єзоелектриків.

П'єзоелектричні матеріали (п'єзоелектрики) - це речовини що змінюють свої розміри при подачі до них електричного поля, і навпаки при стисненні яких на певних точках їхніх поверхонь виникає електричне поле. Широко використовуються в сучасній техніці: давачі тиску, п'єзоелектричні детонатори, джерела звуку величезної потужності, мініатюрні генератори високої напруги, конденсатори і ін. Найчастіше сучасна людина зустрічається з ними наприклад в запальничках.

Типи речовин, в яких виникає п'єзоелектричний ефект

Найпоширенішим п'єзолектриком є кварц. П'єзолектриками можуть бути лише кристалічні речовини, причому лише певних кристалічних класів, які характеризуються відсутністю центра інверсії. Ця обставина викликана тим, що в п'єзоелектриках обов'язково повинні бути виділені напрямки, вздовж яких направлений вектор поляризації при деформації. Загалом такій вимозі задовільняють 20 із 32 можливих кристалічних класів.

П'єзолелектриками можуть бути лише йонні кристали, атоми яких мають визначені додатні й від'ємні заряди. Електричний дипольний момент виникає в таких кристалах при зміщенні (при деформації) атомів із своїх рівноважних положень.

Приклади п'єзолектриків

Крім кварцу до п'єзолектриків належать також турмалін, цинкова обманка, хлорид натрію, сегнетова сіль, титанат барію і багато інших речовин.

Слід зазначити, що п'єзоелектричний ефект, спочатку виявлений у природних матеріалах, таких як кварц, турмалін, Сегнетова сіль і т.д., досить слабкий. Із цієї причини були синтезовані полікристалічні сегнетоелектричні керамічні матеріали із покращеними властивостями, такі як титанат барію BaTi₃ та цирконат-титанат свинцю PZT (абревіатура формули Pb[Zr_xTi_1-x]O₃, 0 < x < 1).

Кристалічні ґратки PZT: (1) до та (2) після встановлення полярності. Мал. з сайту www.physikinstrumente.com

В PZT-Кристалі негативні й позитивні електричні заряди розділені, але при цьому вони розподілені в об'ємі кристала симетрично, що робить його електрично нейтральним. Щоб подібна кераміка стала п’єзоелектриком, необхідно «відрегулювати» полярність зарядів у кристалічних ґратках. Для цього крізь кераміку, що нагрівається, пропускають сильне електричне поле (> 2000 В/мм), що призводить до порушення симетрії в кристалі.

У п’єзокристалах заряди різних знаків формують електричний диполь. Кілька прилеглих диполів формують так звані домени Вейса (Weiss domains). До встановлення полярності домени орієнтовані довільним чином. Під дією електричного поля й високої температури кристал розширюється в напрямку поля й стискується по перпендикулярній осі. Це приводить до вишиковування диполів вздовж прикладеного електричного поля. Після вимикання поля та охолодження п’єзокераміка має залишкову поляризацію. Якщо до кристалу з відрегульованою полярністю прикласти електричне поле, домени Вейса починають вирівнюватися уздовж поля, причому ступінь вирівнювання залежить від прикладеної електричної напруги. В результаті відбувається зміна розмірів п'єзоелектричного матеріалу. При механічному тиску симетрія розподілу зарядів порушується, приводячи до різниці потенціалів на поверхнях кристалу. Наприклад, кварц об'ємом 1 см3 при прикладенні сили 2 кН може виробити напругу до 12500 В