3.8. Контрольные вопросы

1. Приведите определение активных диэлектриков? Области их примене­ния

2. Какая электрическая упорядоченность свойственна сегнетоэлектрикам?

3. Приведите определение сегнетоэлектрической точки Кюри?

4. Назовите главное отличие сегнетоэлектриков от других активных ди­электриков

5. Приведите определение пироэлектрического эффекта? Какие применения пироэлектриков вам известны?

Лабораторная работа № 4

ИЗУЧЕНИЕ ПРЯМОГО И ОБРАТНОГО ПЬЕЗОЭФФЕКТА

4.1. Цель работы

Определить заряд, выделяемый при прямом пьезоэффекте. Изучить явления обратного пьезоэффекта

4.2. Задачи работы

1. Вычислить пьезомодуль пьезоэлектрика при прямом пьезоэффекте.

2. Построить АЧХ выходного напряжения пьезоэлектрика при обратном пьезоэффекте и определить резонансную частоту.

4.3. Краткие теоретические сведения

К пьезоэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно выра­женным пьезоэлектрическим эффектом.

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений.

Это явление было открыто братьями Кюри в 1880 г. Возникающий на каж­дой из поверхностей диэлектрика электрический заряд изменяется по линейному закону в зависимости от механических усилий (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Закономерности при пьезоэлектрическом эффекте в ди­электриках

(4.1)

,

где Q – заряд; – пьезомодуль;F– сила, S – площадь; q_s – заряд, кото­рый приходится на единицу площади; Р – поляризованность;  – механическое напряжение в сечении диэлектрика.

Таким образом, пьезомодуль численно равен заряду, возникающему на единице поверхности пьезоэлектрика при приложении к нему единицы давления (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Осциллограмма напряжения, возникающего на обкладках пьезоэлемента при кратковременном приложении силы F.

Значение пьезомодуля используемых в практике пьезоэлектриков составля­ет около 10 Кл/Н.

Пьезоэлектрический эффект обратим. При обратном пьезоэлектрическом эффекте происходит изменение размеров диэлектрика l/l в зависимости от на­пряженности электрического поля Е по линейному закону (рис. 4.1, б)

, (4.2)

где  – относительная деформация.

В термодинамике доказывается, что пьезомодули ∂ прямого и обратного пьезоэффектов для одного и того же материала равны между собой.

Деформация пьезоэлектрика зависит от направления электрического поля и меняет знак при изменении направления последнего. На рис. 4.1 показано, что при приложении к пьезоэлектрику синусоидального электрического поля у него возникают синусоидальные деформации той же частоты. Различают также продольный и поперечный пьезоэлектрические эффекты. Под первым понимают такой эффект, когда возникновение зарядов на противоположных гранях пла­стинки определяют в том же направлении, в котором были приложены меха­нические усилия, а при обратном пьезоэлектрическом эффекте деформацию из­меряют в направлении приложенного электрического поля. При поперечном пье­зоэлектрическом эффекте возникающие заряды или деформации измеряют в на­правлении, перпендикулярном направлению механических усилий или электри­ческого поля соответственно.

Следует иметь в виду, что уравнения (4.1) и (4.2) носят лишь ка­чественный характер. Реальное описание пьезоэлектрического эффекта оказыва­ется намного сложнее. Это обусловлено тем, что механическое напряжение явля­ется тензорной величиной, которая содержит в общем случае шесть независимых компонентов. Принципиальное отличие тензора напряжений от векторных харак­теристик состоит в том, что на противоположных гранях любого элементарного объема компоненты тензора имеют противоположное направление, тогда как сос­тавляющие (проекции) любого вектора во всех точках элементарного объема на­правлены одинаково. Пьезомодуль, устанавливающий связь между вектором по­ляризации и механическим напряжением, по сравнению с последним является тензором более высокого (третьего) ранга. Он имеет 18 независимых компонен­тов.