Міністерство освіти і науки України

ІФНТУНГ

Кафедра фізики новітніх технологій

Розрахункова графічна робота

По темі: Пєзоелектрики

Виконав:

Ст.гр.ПБ-11-1

Смірнов І.Л

Перевірив:

Лучицький Р.М.

м.Івано-Франківськ

2013

П'єзоефект

В1756 р. російський академік Ф. Епінус виявив, що при нагріванні кристала турмаліну на його гранях з'являються електричні заряди. Надалі цьому явищу було присвоєно найменування піроелектричного ефекту. Ф. Епінус припускав, що причиною електричних явищ, які спостерігаються при зміні температури, є нерівномірний нагрів двох поверхонь, що приводить до появи в кристалі механічних напружень. Одночасно він вказав, що сталість у розподілі полюсів на певних кінцях кристала залежить від його структури і складу, таким чином, Ф. Епінус підійшов впритул до відкриття п'єзоелектричного ефекту.

П'єзоелектричний ефект в кристалах був виявлений в 1880 р. братами П. і Ж. Кюрі, спостерігали виникнення на поверхні пластинок, вирізаних при певній орієнтування з кристалу кварцу, електростатичних зарядів під дією механічних напружень. Ці заряди пропорційні механічної напруги, міняють знак разом з ним і зникають при його знятті.

Освіта електростатичних зарядів на поверхні діелектрика і виникнення електричної поляризації всередині нього в результаті впливу механічного напруги називають прямим п'єзоелектричним ефектом.

Поряд з прямим існує зворотний п'єзоелектричний ефект, що полягають в тому, що в пластині, вирізаної з п'єзоелектричного кристала, виникає механічна деформація під дією прикладеної до неї електричного поля; причому величина механічної деформації пропорційна напруженості електричного поля.

Зворотний п'єзоелектричний ефект не слід змішувати з явищем електрострикції, т. е. з деформацією діелектрика під дією електричного поля. При електрострикції між деформацією і полем існує квадратична залежність, а при п'єзоефекті - лінійна. Крім того, електрострикції виникає у діелектрика будь структури і відбувається навіть в рідинах і газах, в той час, як п'єзоелектричний ефект спостерігається тільки в твердих діелектриках, головним чином, кристалічних.

П'єзоелектрика з'являється тільки в тих випадках, коли пружна деформація кристала супроводжується зміщенням центрів ваги позитивних і негативних зарядів елементарної комірки кристала, тобто коли вона викликає індивідуальний дипольний момент, який необхідний для виникнення електричної поляризації діелектрика під дією механічного напруження. У структурах мають центр симетрії, ніяка однорідна деформація не зможе порушити внутрішню рівновагу кристалічної решітки і, отже, п'єзоелектричними є кристали тільки 20 класів, у яких відсутній центр симетрії. Відсутність центру симетрії є необхідною, але не достатньою умовою існування п'єзоелектричного ефекту, і тому не всі ацентрічние кристали володіють ним.

П'єзоелектричний ефект не може спостерігатися у твердих аморфних і скритокрісталліческіе діелектриках (майже ізотропних), так як це суперечить їх сферичної симетрії. Виняток становлять випадки, коли вони стають анізотропними під впливом зовнішніх сил і тим самим частково набувають властивості одиночних кристалів. П'єзоефект можливий також в деяких видах кристалічних текстур.

До Досі п'єзоелектричний ефект не знаходить задовільного кількісного опису в рамках сучасної атомної теорії кристалічної решітки. Навіть для структур найпростішого типу не можна хоча б наближено обчислити порядок п'єзоелектричних постійних.

В справжні час розроблена феноменологічна теорія п'єзоефекту, що зв'язує деформації і механічні напруги з електричним полем і поляризацією в кристалах. Встановлена ​​система параметрів, що визначають ефективність кристала як п'єзоелектрика. П'єзоелектричний модуль (пьезомодуль) d визначає поляризацію кристала (або щільність заряду) при заданому доданому механічному напрузі; п'єзоелектрична константа визначає механічне, що виникають в затиснутому кристалі під дією електричного поля; п'єзоелектрична постійна g характеризує електрична напруга в розімкнутого ланцюга при заданому механічному напруженні, і, нарешті, п'єзоелектрична постійна h визначає електрична напруга в розімкнутого ланцюга при заданої механічної деформації. Ці постійні є спорідненими величинами і зв'язані друг з одним співвідношеннями, що включають в себе пружні константи і діелектричну проникність кристалів, тому можна користуватися будь-який з них. Найбільш уживаний пьезомодуль d. П'єзоелектричні постійні є тензорами, і тому кожен кристал може мати кілька незалежних пьезомодулей.

В загальному вигляді рівняння прямої п'єзоефекту при дії однорідного механічної напруги Tr записується так:

Pi = dirTr,

Де Pi - компонент вектора поляризації; dir - пьезомодуль; Tr - компонент механічної напруги.

Рівняння зворотного пьезоеффека записується так:

Хi = dir * Er,

Де Xi - компонент пружної деформації; Er - компонент напруженості електричного поля.

Кожен п'єзоелектрик є електромеханічний перетворювач, тому важливою його характеристикою є коефіцієнт електромеханічного зв'язку r. Квадрат цього коефіцієнта являє собою відношення енергії, що виявляється в механічній формі для даного типу деформації, до повної електричної енергії, отриманої на вході від джерела живлення.

Під багатьох випадках пьезоелектріков істотними є їх пружні властивості, які описуються модулями пружності C (модулями Юнга Нею) або зворотними величинами - Пружними постійними S.

При використанні п'єзоелектричних елементів як резонаторів в деяких випадках вводять частотний коефіцієнт, що представляє собою твір резонансної частоти п'єзоелемента і геометричного розміру, що визначає тип коливання. Ця величина пропорційна швидкості звуку в напрямку поширення пружних хвиль у п'єзоелемент.

В справжні час відомо багато речовин (більше 500), які виявили п'єзоелектричних активність. Однак тільки деякі з них знаходять практичне застосування.