Пьезоэлектрические преобразователи (пп) Виды пьезоэффектов.

Прямой пьезоэффект. В кристаллических диэлектриках различно заряжены ионы, расположенные в углах кристаллической решетки в определенном порядке. При этом их заряды взаимно компенсируются, и кристалл остается электрически нейтральным. Особенностью кристаллов является их симметрия. Кристаллы могут быть симметричны относительно некоторой оси, плоскости или центра. Электрическая структура кристалла, симметричная относительно оси представлена на рисунке (здесь кристалл кварца SiO₂).

При действии на кристалл силы F_x в направлении оси X кристаллическая решетка деформируется и кристалл электризуется. На его гранях, перпендикулярно оси X, появляется заряд q=d₁₁F_x, где d₁₁ – пьезоэлектрический модуль вещества. Индексы при d определяются ориентацией силы и грани, на которой появляется заряд, относительно кристаллических осей. При изменении ориентаций d меняется. Электризация кристалла под действием внешних сил называется прямым пьезоэффектом. Для изготовления ИП наибольшее применение нашли естественные кристаллы кварца и искусственные пьезоэлектрические материалы – пьезокерамики.

Кварц (SiO₂) перпендикулярно оси X появляются заряды: q=d₁₁F_x или , где F_x и F_y – соответствующие силы,

Q_x и Q_y – площади граней перпендикулярных осям X и Y,

– пьезоэлектрические модули.

Возникновение заряда q под действием силы F_x – продольный пьезоэффект, под действием F_y – поперечный пьезоэффект.

Кварцевая пластинка имеет высокую прочность. Допустимые напряжения могут быть до , что позволяет прикладывать к ней большие измеряемые силы. Она имеет большой модуль упругости, что обуславливает ее высокую жесткость и очень малое собственное внутреннее трение. Поэтому пластинки кварца имеют высокую добротность. Кварцевые пластинки используют для ИП, измеряющих давление и силу.

SiO₂ – материал с высокой твердостью, он трудно обрабатывается и может применяться для изготовления пластинок простой формы. Его модуль d практически const до T=200⁰C, а затем с немного . Предельная .

Относительная диэлектрическая проницаемость и немного . .

Электрические и механические свойства кварца имеют высокую стабильность. За 10 лет изменение характеристик не превышает 0,05%.

Пьезоэлектрическая керамика.

Пьезокерамики имеет доменное строение, причем домены поляризованы. При отсутствии внешнего электрического поля домены имеют хаотическое направление и на поверхности тела из пьезокерамики заряд отсутствует. В электрическом поле домены ориентируются в направлении поля и на поверхности тела появляются заряды. При снятии поля домены сохраняют свою ориентацию, вещество остается поляризованным, но поверхностный заряд со временем стекает. Если к телу, изготовленному из пьезокерамики, после обработки его электрическим полем, приложить механическую нагрузку, то домены изменяют свою ориентацию и изменяется поляризация вещества, что вызывает появление заряда на поверхности тела.

Типичной пьезоэлектрической керамикой является титанат бария BaTiO₃.

Его пьезоэлектрический модуль , диэлектрическая проницаемость тангенс угла диэлектрических потерь .

С течением времени параметры пьезокерамики самопроизвольно изменяются. Старение обусловлено изменением ориентации доменов.