3.3.3 Пьезоэлектрические материалы

Пьезоэлектрическим материалам свойственны прямой и обратный пьезоэффекты. Прямой пьезоэффект заключается в том, что при механическом воздействии на пластинку материала на ее противоположных поверхностях наводятся электрические заряды противоположного знака. Это происходит в результате поляризации пьезоэлектрика. Обратный пьезоэффект заключается в деформации образца материала при приложении к нему электрического напряжения.

Прямой пьезоэффект используется для создания различных датчиков давления, а обратный - для генерирования и стабилизации высокочастотных колебаний. Количественной характеристикой пьезоэффекта является пьезомодуль d, выражающий отношение наведенного на пьезодатчике электрического заряда к механическому усилию, вызвавшему этот заряд. Пьезомодуль измеряют в кулонах на ньютон (Кл/Н).

Пьезоэлектрики могут быть как естественного происхождения (кварц, турмалин), так и полученные синтетическим путем (сегнетовая соль, титанат бария, цирко-нат свинца, ниобат лития и др.)

В табл. 3.3 приведены основные характеристики некоторых пьезоэлектрических материалов:

Характеристики некоторых пьезоэлектрических материалов

Таблица 3.3.

Материал	Пьезомодуль,	Темпер	Параметры при 200
	Кл/Н	Кюри, С	v. Омсм		tg	Епр, МВ/м
Кварц	2.310-12	-	10-16	4,4	0,0002	-
Титанат бария ТБ-1	4510-12	120	10-12	1400	0.02	3
Цирконат-титанат свинца ЦТС-19	11910-12	290	10-14	1500	0.03	3
Цирконат-титанат свинца ЦТС-23	10010-12	280	10-15	1050	0.007	4

Природный кварц (горный хрусталь SiО₂) представляет собой большие прозрачные кристаллы в виде шестигранных призм, заканчивающихся шестигранными пирамидами. Электрические характеристики кварца зависят от направления, по которому вырезается образец из кристалла. Наибольшим пьезомодулем обладают кварцевые пластины, вырезанные перпендикулярно главной продольной оси кристалла. Из кристаллов природного кварца вырезают алмазным инструментом заготовки пьезоэлементов, которые потом шлифуют и доводят до нужного размера. На противоположные стороны пластин наносят (обычно напылением) металлические электроды. Для стабилизации свойств полученные пьезоэлементы подвергают искусственному старению при повышенных температурах.

Сегнетовая соль. Впервые получена французским физиком П.Сегнетом. Представляет собой монокристаллический диэлектрик, растворяющийся в воде и плавящийся при 55 °С. Пьезоэффект проявляется при кручении образца. Относится к группе сегнетоэлектриков, обладающих спонтанной поляризацией. Для сегнетоэлектриков характерны:

• очень большие, достигающие нескольких тысяч, значения относительной диэлектрической проницаемости,

• наличие специфической температурной точки Кюри, при достижении которой сегнетоэлектрические свойства исчезают,

• наличие прямого и обратного пьезоэффекта,

• зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля,

• наличие электрического гистерезиса.

Рис. 3.1. Зависимость диэлектрической проницаемости титаната бария от температуры

К ерамические сегнетоэлектрики. Отличаются высокими нагревостойкостью и механической прочностью, негигроскопичностью и простой технологией изготовления. Типичным представителем сегнетокерамики является титанат бария. Это поликристаллическое вещество получается по керамической технологии из исходной массы, состоящей из окиси бария и двуокиси титана. На рис 3.1 показана зависимость  титаната бария от температуры. Температура Кюри для этого материала равна 120°С. Выше этой температуры титанат бария перестает быть сегнетоэлектриком, у него исчезают пьезоэлектрические свойства и зависимость  от напряженности поля по рис. 3.2. Зависимость  от напряженности поля наблюдается только у сегнетоэлектриков. Это свойство используется в диэлек-трических усилителях. Электричес-кий гестерезис сегнетоэлектриков обусловлен запаздыванием электрического заряда от напряжения, приложенного к сегнетоэлектрику - рис. 3.3.

С войство электрического гистерезиса позволяет создать сегнетоэлектрические ячейки памяти.

Кроме титаната бария в настоящее время создано множество сегнетокерамических материалов: ниобат лития, титанат свинца, цирконат свинца, титанат-цирконат свинца, титанат кадмия.

П ьезоэлементы из керамических сегнетоэлектриков представляют собой шлифованные пластинки с нанесенными на них металлическими (обычно из серебра) электродами. Для того, чтобы эти пластинки приобрели пьезосвойства, их поляризуют постоянным напряжением при температуре, близкой к температуре Кюри. При этих условиях процесс спонтанной поляризации будет развиваться наиболее интенсивно.

Рис. 3.2 Зависимость диэлектрической проницаемости титаната бария от напряженности электрического поля.

Рис. 3.3. Электрический гистерезис сегнетоэлектрика.

4. Проводниковые материалы

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы твердые тела, жидкости, а при соответствующих условиях (плазма) и газы. Твердыми проводниками являются металлы. Механизм протекания тока в металлах, как в твердом, так и в жидком их состояниях обусловлен наличием свободных электронов, вследствие чего их называют проводниками с электронной проводимостью или проводниками первого рода. В проводниках первого рода прохождение тока не связано с переносом вещества.

Проводниками второго рода являются электролиты, являющиеся растворами кислот, щелочей и солей. Электролиты обладают ионной проводимостью и у них прохождение тока сопровождается переносом вещества.

Основным параметром, характеризующим электропроводность проводников, является удельное электрическое сопротивление. Большинство металлических проводников обладает высокой электропроводностью и имеют  в пределах от 0,0150 (серебро) до 10 Оммм²/м (железо-хромо-алюминиевые сплавы). С ростом температуры электрическое сопротивление металлических проводников возрастает. Это объясняется тем, что с ростом температуры тепловые колебания атомов материала становятся более интенсивными, препятствуя свободному движению электронов. Температурный коэффициент удельного сопротивления всех металлов находится в достаточно узком диапазоне значений от 0,0033 до 0,0060 1/°С, причем, для наиболее распространенных металлов (Сu, Al, Ag, W, Рb, Zn) он находится вблизи значения 0,004 1/°С. Исключение составляют магнетики - железо, никель, кобальт и хром.

При плавлении большинства металлов их удельное электрическое сопротивление скачком увеличивается в 1.5-3 раза – рис. 4.1. При низких температурах удельное сопротивление металлов становится маленьким, приближаясь к нулевому значению при температуре абсолютного нуля. Некоторые металлы и сплавы обладают свойством сверхпроводимости при температуре Т_св выше абсолютного нуля – рис. 4.2. Так, для ниобия Т_св = 9,5° К, для свинца Т_св= 7,2°К, а для ванадия - Т_св= 5,3°К. Получены сплавы, переходящие в сверхпроводящее состояние при температурах выше 18°К.