26. Основные сведения о сегнетоэлектриках, пьезоэлектриках, пироэлектриках.

Существуют многочисленные вещества (кристаллы), на поверхности которых при механических деформациях возникают электрические заряды, диэлектрик при этом поляризуется. Такие вещества называются – пьезоэлектрики (Рис. 44).

У некоторых пьезоэлектриков подрешетка положительных ионов оказывается смещенной относительно подрешетки отрицательных ионов в состоянии термодинамического равновесия, в результате кристаллы поляризованы в отсутствие внешнего поля (обладают спонтанной поляризацией). При нагревании, происходит смещение подрешеток, изменяется спонтанная поляризованность и на поверхности кристалла возникают электрические заряды. Возникновение этих зарядов – прямой пироэлектрический эффект, а эти кристаллы – пироэлектрики.

Рис. 44.

Среди пироэлектриков выделяют подкласс – сегнетоэлектрики – вещества, у которых в отсутствие внешнего электрического поля в определенном интервале Т и Р существует спонтанная поляризация, направление которой можно изменить внешним электрическим полем.

Пьезоэлектрики

Для существования пьезоэффекта необходимо отсутствие у кристалла центра симметрии (SiO₂ – кварц, титанат бария, сегнетова соль и т.д.).

Рис. 45

Как показывает опыт, заряды на поверхности пьезоэлектрика возникают в результате однородных деформаций сжатия или растяжения, происходящих в определенных направлениях – называемых пьезоэлектрическими осями (которые обычно перпендикулярны оптической оси кристалла) (Рис. 45)

- При растяжении вдоль оси Х – на перпендикулярных ей гранях появится разноименные поляризационные заряды - продольный пьезоэффект (Рис. 46)

рис.46

- Поперечный пьезоэффект (Рис. 47 )..

Рис. 47

При этом в первом приближении:

Поляризованность пьезоэлектрика вызовет появление поля , а следовательно между разноименными гранями деформированного пьезоэлектрика возникнет разность потенциаловU, которую можно измерить и по ее величине, оценить – деформацию и силуF. ( U ~ десятки ÷ тысячи В).

Примечание: пьезоэлектрические датчики быстропеременных давлений, пьезоэлектрические микрофоны.

Объяснение механизма пьезоэффекта (SiO₂ – кварц) (Рис. 48 ).

При сжатии элементарная ячейка деформируется, ионы вдавливаются внутри ячейки, на плоскостях противоположных появляются заряды.

Пьезоэлектрические свойства – зависят от T. При некоторой Т кристаллическая решетка перестраивается так, что центр симметрии исчезают пьезоэлектрические свойства кристалла (SiO₂ от 200^о – 576 ^оС свойства медленно ослабевают, становится просто диэлектриком).

Рис. 49

Наряду с прямым пьезоэффектом (возникновение поляризованного заряда при деформации) существует обратный пьезоэффект – деформирование пьезоэлектрика во внешнем электрическом поле (рис.49) (вытекает из ЗСЭ и существования прямого пьезоэффекта)

Если бы пьезоэффекта не было А_внешн = (при сжатии). Т.к. есть пьезоэффект(сила, обратного пьезоэффекта).

Рис. 50

Одинаковые знаки зарядов на пластине соответствуют различнвм деформациям при прямом и обратном пьезоэффекте (Рис. 50 ).

Прямой и обратный пьезоэффект применяется в качестве электромеханических преобразователей электрической энергии в механическую и колебательную – составные пьезоэлементы для осуществления деформаций различного типа:

• Пьезоэлектрический микрофон, телефон, громкоговоритель.

• Манометры

• Измерений вибраций

• Для стабилизации частоты генераторов

• Источники ультразвуковых волн.