Пьезоэлектрические преобразователи. Разновидности пьезоэффекта. Анализ механизма воникновения пьезоэффекта на базе элементарной кристаллической ячейки кварца.
Под пьезоэлектриками понимают кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект).
Текстура (от лат. textura – ткань, строение) – преимущественная ориентация кристаллов в поликристаллах или молекул в аморфных телах, приводящая к анизотропии свойств материалов. Анизотропия – зависимость свойств среды от направления.
Особенностью пьезоэффекта является знакочувствительность, т.е. изменение знака заряда при замене сжатия растяжением и изменение знака деформации при изменении направления вектора напряженности электрического поля.
Рассмотрим свойства
пьезокристаллов на примере одного из
самых известных – кварца (
).
На рисунке 53 показана форма элементарной
ячейки кристаллической структуры
кварца.
|
Рисунок 53 – Элементарная ячейка кристаллической структуры кварца |
Ячейка в целом
электрически нейтральна, однако в ней
можно выделить три направления, проходящие
через центр и соединяющие два разнополярных
иона. Эти полярные направления называются
электрическими осями или осями х,
и по ним направлены векторы поляризации
,
и
.
Если к кристаллу кварца вдоль оси
приложена сила
,
равномерно распределенная по грани,
перпендикулярной оси х, то
в результате деформации элементарной
ячейки ее электрическая нейтральность
нарушается. При этом, как показано на
рисунке 53, в деформированном состоянии
сумма проекций векторов
и
на ось х становится меньше
(при сжатии) или больше (при растяжении)
вектора
.
В результате появляется равнодействующая
вектора поляризации, ей соответствуют
поляризационные заряды на гранях, знаки
которых для сжатия показаны на рисунке
54. Нетрудно видеть, что деформация ячейки
не влияет на электрическое состояние
вдоль оси у. Здесь сумма проекций
векторов равна нулю, т.к.
.
Образование поляризационных зарядов
на гранях, перпендикулярных оси x,
при действии силы по оси x
называется продольным пьезоэффектом.
|
Рисунок 54 – Деформированное состояние ячейки |
При механических напряжениях, приложенных вдоль одной из осей у (их называют механическими осями), геометрическая сумма проекций векторов и на ось у равна нулю, и на гранях пьезоэлемента, перпендикулярных оси у, поляризационные заряды не образуются. Однако сумма проекций векторов и на ось x оказывается не равной вектору . Так, при сжатии пьезоэлемента, как показано на рисунке 54, указанная сумма превышает в результате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней – отрицательные. Рассмотренный эффект образования зарядов на гранях, перпендикулярных нагружаемым граням, называется поперечным.
При равномерном нагружении со всех сторон (например, гидростатическое сжатие или тепловые напряжения и деформации) кристалл кварца остается электрически нейтральным, так же как и при нагружении по оси z, перпендикулярной осям x и y и называемой оптической осью кристалла.
Наличие полярных направлений объясняет важность определенной ориентации граней пьезоэлемента относительно кристаллофизических осей кристалла x, y и z. Для преобразователей, использующих продольный пьезоэффект, максимальную чувствительность имеет пьезоэлемент, ориентированный относительно кристаллофизических осей так, как показано на рисунке 53 (положение 1 и 3) и называемый Х-срезом.
При изменении ориентации всего на 30° (положение 2 на рисунке 53) чувствительность уменьшается до нуля, а срез такого вида называется У-срезом.
|
Рисунок 55 |
Представим, что имеем некоторый произвольно ориентированный срез. Зарисуем проекции вектора, соединяющего середину и среза и начало координат, на плоскости XOY и XOZ (рисунок 56).
|
Рисунок 56 |
В этом случае
величины продольного пьезоэффекта
будут являться функциями улов
и
