Пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрический эффект является одним из ключевых физических принципов, на котором основывается работа кварцевых резонаторов. Этот эффект заключается в изменении электрической поляризации материала при механическом деформировании. И наоборот, приложение электрического поля к материалу вызывает его механическое напряжение. Таким образом, материал становится способен превращать механическую энергию в электрическую и обратно.

Рисунок 3 Схематичные изображения прямого (а, б) и обратного (в, г) пьезоэффектов.

Примечание. Стрелками F и Е изображены внешние воздействия - механическая сила и напряженность электрического поля. Штриховыми линиями показаны контуры образца из пьезоэлектрика до внешнего воздействия, сплошными линиями - контуры образца при наличии внешнего воздействия. Р – вектор поляризации.

Кристаллы кварца представляют собой один из наиболее известных и широко используемых материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Кварцевый кристалл состоит из множества молекул, упорядоченно сложенных в кристаллическую решетку. При механическом воздействии на кристалл происходит смещение заряда в пределах молекул. Этот сдвиг приводит к появлению электрического поля, которое может быть измерено с помощью электрических контактов на поверхности кристалла.

Рисунок 4 Образование электрических зарядов при деформации кристалла кварца.

В кварцевых резонаторах пьезоэлектрический эффект используется для генерации точных колебаний определенной частоты. Кварцевый кристалл, помещенный между двумя электрическими контактами, является пьезоэлектрическим элементом. Подача на электроды переменного электрического поля приводит к механическому смещению кристалла, которое в свою очередь приводит к генерации колебаний во всем кристалле. Резонансная частота этих колебаний зависит от формы и размеров кристалла, а также от его ориентации.

Принцип работы кварцевого резонатора основывается на феномене резонанса - наиболее эффективного взаимодействия системы с внешним воздействием при определенной частоте. Каждый кристалл кварца имеет свою собственную резонансную частоту, которая зависит от его геометрических параметров. Именно поэтому кварцевые резонаторы представляют собой высокоточные генераторы частоты. Они могут использоваться во многих приложениях, таких как радиопередача, измерения времени, калибровка точных приборов и многое другое.

Пьезоэлектрический эффект является основой работы кварцевых резонаторов. Он обеспечивает превращение энергии между механическими и электрическими формами и является фундаментальным принципом многих современных технологий. Кварцевые резонаторы, работающие на основе этого принципа, находят широкое применение в различных областях и продолжают развиваться с появлением новых технологий и материалов.

Механические колебания.

Механические колебания - это волны, которые проходят через материал, вызывая его деформацию в зависимости от частоты и направления волны. Кристаллы кварца являются одним из наиболее известных и широко используемых материалов для создания резонаторов и генераторов частоты благодаря своей уникальной способности генерировать высокочастотные механические колебания.

Резонансные явления, наблюдаемы в электрических цепях, содержащих пьезорезонаторы, являются следствием резонансных свойств упругих колебаний, возбуждающихся в пьезоэлементе под действием приложенного к его обкладкам переменного электрического напряжения. Благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту переменное напряжение, приложенное к обкладкам пьезоэлемента, вызывает в нём упругие колебания. Когда частота приложенного напряжения приближается к резонансной частоте упругих колебаний, их амплитуда увеличивается. Это сопровождается соответствующим увеличением упругих деформаций и вследствие прямого пьезоэффекта приводит к увеличению амплитуд колебаний электрических зарядов на обкладках пьезоэлемента и колебаний тока во внешней цепи. Тонкие пластины или бруски, вырезанные из кристалла кварца, имеют ярко выраженные резонансные свойства. Ключевой характеристикой кварцевого резонатора является ориентация используемой в нём пластины кварца относительно кристаллографических осей (так называемый тип среза пьезоэлемента). Пьезоэлементы, изготовленные из кристаллов кварца, могут иметь форму прямоугольной или квадратной пластин, прямоугольного бруска, круглой плоской или линзообразной пластин. В определенных случаях могут использоваться тела более сложной формы. Форма пьезоэлемента взаимосвязана с видом используемых механических колебаний. Они также могут носить различный характер: сдвиг по контуру, сдвиг по толщине, косой сдвиг, изгиб, кручение, сжатие-растяжение, объемный сдвиг. Колебания могут происходить как на основной частоте – в этом случае в направлении распространения колебаний укладывается одна полуволна, так и на частоте обертонов (частотах высших нечетных гармоник) – в этом случае в направлении распространения укладывается нечетное число полуволн. Наиболее широко распространенным типом среза является так называемый АТ-срез. Около 90% всех кварцевых элементов, производимых в мире, выполнено из пластин этого типа среза. Вид механических колебаний для этого среза – сдвиг по толщине (Рис. 5), колебания происходят как на основной частоте, так и на нечетных обертонах. В часовых резонаторах, работающих на частоте 32.768 кГц, используются пластины XY-среза.

Кроме того, колебания могут происходить в разных гармонических формах, таких как фундаментальные моды и гармоники. Фундаментальная мода представляет собой самое низкочастотное механическое колебание, которое возможно в кристалле, в то время как гармоники представляют собой более высокие частоты, которые увеличиваются в гармоническом порядке.

Рисунок 5 Виды колебаний в кварцевых резонаторах.

Характеристики механических колебаний в кристаллах кварца включают частоту, амплитуду и качество. Частота колебаний определяется формой и размерами кристалла, а также его ориентацией. Амплитуда колебаний зависит от мощности, подходящей на резонатор, а потому может быть настроена. Качество колебаний характеризуется шириной добротности - это количество циклов, которые кристалл может отражать при настроенной на частоту подаче энергии.

В заключение, механические колебания в кристаллах кварца предоставляют возможность для создания точных генераторов и резонаторов частоты. Они могут происходить в различных формах и гармониках, и характеризуются своей частотой, амплитудой и качеством. Эти характеристики имеют ключевое значение для определения эффективности кварцевых резонаторов и их применения в различных отраслях, таких как телекоммуникации, измерения времени, GPS-навигация и т.д.