Пьезоэлектрики, их свойства и применение.

Пьезоэле́ктрики — диэлектрики, в которых наблюдается пьезоэффект, то есть те, которые могут либо под действием деформаци ииндуцировать электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), либо под влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный пьезоэффект). Оба эффекта открыты братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг.[1]

Пьезоэлемент характеризуется следующими свойствами:

а) Относительной диэлектрической постоянной

б) Резонансной частотой

в) Коэффициентами электромеханической связи

г) Упругими постоянными

д) Пьезоэлектрическими постоянными

е) Коэффициентом Пуассона

ж) Температурными коэффициентами

з) Скоростью старения

и) Механической добротностью

к) Температурой Кюри

л) Плотностью

Пьезоэлектрики широко используются в современной технике как элемент датчиков (давления). Существуют пьезоэлектрическиедетонаторы, источники звука огромной мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и др. Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика, изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, из цирконата-титаната свинца.

В быту можно наблюдать пьезоэффект, например, в зажигалке, где искра образуется от нажима на пьезопластинку, а также при медицинской диагностике с помощью УЗИ, в которой используются пьезоэлектрические источник и датчик ультразвука. Передовой областью использования пьезоэлектриков является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). Из них изготавливаются сканирующие элементы зондовых микроскопов, осуществляющие перемещение зонда в плоскости образца с точностью до 0.01 Å. Наибольшее распространение в ней имеют трубчатые пьезоэлементы. Они позволяют получать достаточно большие перемещения объектов при сравнительно небольших управляющих напряжениях. Они представляют собой полые тонкостенные цилиндры, изготовленные из пьезоэлектрических материалов. Соединение трех таких трубок в единый узел позволяет организовать перемещение зонда в трех ортогональных направлениях, такой сканирующий элемент называется триподом.

7.

Электреты, их свойства и применение.

Электреты - диэлектрики, способные накапливать и длительно сохранять электрический заряд или поляризацию.

Они могут создавать в окружающем пространстве электростатическое поле. Существует электрическое поле и внутри заряженного или поляризованного электрета. Отметим, что наличие в диэлектрике поля или поляризации в отсутствие внешнего электрического поля еще не является признаком электретного состояния. Действительно, они могут существовать всегнетоэлектриках - веществах, обладающих спонтанной(самопроизвольной) поляризацией.

Электреты могут классифицироваться по типу электрически неравновесного состояния диэлектрика(электреты с «истинной», ориентационной дипольной поляризацией; электреты с объемно-зарядовой поляризацией; с избыточным внедренным зарядом; комбинированные), материалу диэлектрика (неорганические кристаллические электреты, полимерные электреты, биоэлектреты и т.п.), методу получения (термо-электреты, электроэлектреты, короноэлектреты, радиоэлектреты, фотоэлектреты, механоэлектреты, трибоэлектреты и т.п.).

Рис. 2. Классификация электретов по природе электрически неравновесного состояния

Основными специфическим свойствами электретов являются: поверхностная плотность зарядов (σэ), потенциал поверхности электрета (Vэ) и время жизни электрета (τэ). Две из них связаны выражением:

    Vэ=(L/(εε0)) σэ

   Где: L – толщина образца, ε – диэлектрическая проницаемость полимера, ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, равна 8,85*10-12 фар/метр.

   Наибольшая величина гетерозаряда, вызванного дипольной ориентацией Р0связана с диэлектрической проницаемостью полимера выражением:

    Р0= ε0(εст-ε∞)SEп

    Где: S – площадь электрета, Eп – напряженность поляризующего поля, εст и ε∞ – диэлектрическая проницаемость полимера при частоте ω и ∞ соответственно. Максимальный срок работоспособности электрета σэ определяется диэлектрической проницаемостью окружающей среды и самого полимера, а так же, геометрией образца. При комнатных условиях (н.у.) срок хранения образца отвечает выражению:

    σэ = 100 ε0 [200+(3ε/L)1/2]2

    Поверхностные заряды со временем уменьшаются, что связано как с тепловой миграцией зарядов при сегментной подвижности ММ, так и диэлектрической проницаемостью полимера и окружающей среды. Свой вклад вносят итермодеструктивный, термоокислительный распады и другие виды химических превращений в поверхностном слое полимера. Кроме того, ионизирующие излучения и поток заряженных частиц снижают эффективность электретов за счет хаотичного внесения и компенсации зарядов на поверхности изделия.

    Время работоспособности электретов характеризуется снижением плотности зарядов на поверхности электрета в некоторое количество раз, зависящее от природы и назначения электрета. При нормальных условиях хранения электретов, их время жизни составляет от 0,5 до нескольких лет, в ряде случаев даже более 8 лет.

    Очень важное свойства электретов заключается в способности изменять величину и ориентацию зарядов при приложении механических нагрузок (обычно сжатие или растяжение). Например, пленочные термоэлектреты из поливинилиденфторида имеют пьезоэлектрический коэффициент в пределах (10-20)*10-12 Кл/Н, а термоэлектрет из поливинилхлорида всего 3*10-12 Кл/Н. Что позволяет применять их в датчиках давления и некоторых измерительных приборах.

   Кроме вышеописанных свойств, электреты способны к электрострикции (изменении размеров под действием электрического поля) и пироэлектрике (выработка электрического тока при нагревании). Эти свойства связаны с тепловой подвижностью носителей зарядов при перемещении сегментов ММ.

 Электреты используют при изготовлении датчиков давления, датчиков электрического поля, измерительных приборах с участием электромагнитных эффектов и других измерительных приборах и элементах КИП. Несмотря на небольшую долговечность, по сравнению, например, с ферромагнетиками и ферритами, детали из электретов можно производить значительно дешевле и более компактных размеров. Что делает их использование предпочтительным для массовых, компактных и недорогих устройств.

   Впервые пленочные термоэлектреты были применены в звукоснимателях, микрофонах и других элементах бытовой электроники еще в конце 1960-х годов. Сегодня электреты широко используются, например, в сенсорах органов управления ноутбуков, калькуляторов, мобильных телефонов, смартфонов и других устройств.

   В исследовательских целях электреты используются при изучении релаксационных процессов в полимерах, воздействия ионизирующих и других излучений и многих других эффектов. Проедены значительные исследования зависимости свойств электретов, на основе многих полимеров, от температуры, частоты внешнего магнитного поля, интенсивности и частоты ионизирующих излучений и других факторов. Не смотря на почти полувековую историю, применение электретов в промышленности имеет весьма значительные перспективы качественного и количественного развития.

8.