Реферати українською » Наука и техника » Прямий і зворотний п'єзоефект, його використання в науці і техніці


Реферат Прямий і зворотний п'єзоефект, його використання в науці і техніці

Страница 1 из 2 | Следующая страница

1.Пьезоелектрический ефект.

У деяких кристалах поляризація може б виникнути й без зовнішнього поля, якщо кристал піддається механічним деформаціям. Це, відкрите в 1880 р. П'єром і Жаком Кюрі, одержало назву п'єзоелектричного ефекту.

Щоб виявити п'єзоелектричні заряди, за межею кристалічною платівки накладають металеві обкладки. При розімкнутихобкладках з-поміж них при деформації з'являється різницю потенціалів. При замкнутихобкладках ними утворюються індуковані заряди, рівні за величиноюполяризационнимзарядам, але протилежні ним знаку, й у ланцюга, що з'єднує обкладки, у процесі деформації виникає струм. Розглянемо основні особливості п'єзоелектричного ефекту з прикладу кварцу. Кристали кварцу SiO2 перебувають у різних кристалографічних модифікаціях. Композитори, які нас кристали (>a-кварц) належать до так званоїтригональнойкристаллографической системи та зазвичай мають форму, показану на мал.1. Вони нагадуютьшестигранную призму, обмежену двома пірамідами, проте мають і інших додаткових граней. Такі кристали характеризуються чотирма кристалічними осями, визначальними важливі напрями всередині кристала.

Один із цих осей - Z з'єднує вершини пірамід. Три іншіX1, Х2, Х3 перпендикулярні до осі Z і з'єднуютьпротиволежащие ребра шестигранної призми. Напрям, обумовлений віссю Z,пьезоелектрически неактивно: при стискуванні чи розтягненні у напрямі ніякої поляризації немає. Навпаки, при стисканні чи розтягненні у напрямку, перпендикулярному до осі Z, виникає електрична поляризація. Вісь Z називається оптичної віссю кристала, а осіX1, Х2, Х3 - електричними чипьезоелектрическими осями.

Розглянемо платівку кварцу, вирізану перпендикулярно до одної з п'єзоелектричних осей X. Вісь, перпендикулярну до Z і X, позначимо через Y (рис. 2). Тоді виявляється, що з розтягненні платівки вздовж осі Х на перпендикулярних до неї граняхАВСD іЕFGН з'являються різнойменні поляризаційні заряди. Такий п'єзоелектричний ефект називається подовжнім. Якщо змінити знак деформації, т. е. вийти з розтяги до стиску, те й знакиполяризационних зарядів зміняться на зворотні.

>Рис. 1. Кристал кварцу.

Виникненняполяризационних зарядів певних знаків при даному типі деформації (розтягнення чи відповідно стиснення) показує, що кінці осей Хнеравноправни, і осях Х можна приписати певні напрями (що зазначено на рис. 1 стрілками). Це означає, що з даної деформації знак заряду залежить від цього, спрямована чи вісь Х по зовнішньої нормальний до межі або по внутрішньої. Такі осі з нерівноправними кінцями дістали назву полярних осей. На відміну від полярних осейХ1, Х2, Х3, кінці осі Z повністю рівноправні і єнеполярной віссю.

>Рис. 2.Кварцевая платівка, вирізана перпендикулярно допьезоелектрической осі.

>Неравноправность кінців полярною осі проявляється, звісно, упьезоелектрическом ефект, а й у інших явищах. Приміром, швидкість хімічного травлення граней, розташованих біля різних кінців полярною осі, виявляється різної і отримувані у своїй постаті травлення відрізняються одна від друга.

Поруч із подовжнімпьезоелектрическим ефектом є також поперечний п'єзоелектричний ефект. Він у тому, що з стискуванні чи розтягненні вздовж осі Y виникає поляризація вздовж осі Х і тієї ж граняхАВСD іЕFGН з'являються поляризаційні заряди. Виявляється, що знаки зарядів з кожної межі при стискуванні вздовж Y (в поперечному ефект) таку ж, як із розтягненні вздовж Х (в подовжньому ефект).

>Пьезоелектрический ефект пояснюється ось чим чином У іонних кристалах внаслідок розбіжності центрів позитивних і негативних іонів є електричний початок і за відсутності зовнішнього електричного поля. Однак це поляризація звичайно проявляється, оскільки він компенсується зарядами лежить на поверхні. При деформації кристала позитивні й негативні іони грати зміщуються друг щодо одного й тому, власне кажучи, змінюється електричний момент кристала. Це зміна електричного моменту і виявляється впьезоелектрическом ефект.

>Рис. 3 якісно пояснює виникнення п'єзоелектричного ефекту в кварці. Тут схематично показані проекції позитивних іонів Si (заштриховані гуртки) і негативних іонів Про (світлі гуртки) у площині, перпендикулярній до оптичної осі Z. Цей малюнок відповідає фактичної конфігурації іонів в елементарної осередку кварцу, у якій іони не лежать у площині, які число більше показаного. Він, проте, правильно передає симетрію взаємного розташування іонів, що досить для якісного пояснення.

>Рис. 3, а) відповідаєнедеформированному кристалу. На межі A, перпендикулярної до осіX1, є виступаючі позитивні заряди, але в паралельної їй межі У - виступаючі негативні заряди. При стискуванні вздовж осіX1 (рис. 3, б) елементарна осередок деформується. У цьому позитивний іон 1 і негативний іон 2 «удавлюються» всередину осередки, чому виступаючі заряди (позитивний на площині Проте й негативний на площині У) зменшуються, що еквівалентно появі негативного заряду на площині Проте й позитивного заряду на площині У. При розтягненні вздовж осіX1 має місце зворотне (рис. 3, в): іони 1 і 2 «виштовхуються» з осередки. Тому на згадуваній межі А виникає додатковий позитивного заряду, але в межі У - негативний заряд.

а) б)

 в)

>Рис. 3. До поясненню п'єзоелектричного ефекту.

Розрахунки теоретично твердого тіла у порозумінні із досвідом показують, що п'єзоелектричний то може існувати лише у таких кристалах, у яких елементарна осередок немає центру симетрії. Приміром, елементарна осередок кристалівCsCl (рис. 4) має центр симетрії й інші кристали не виявляють п'єзоелектричних властивостей. Розташування ж іонів в осередку кварцу таке, що він центр симетрії відсутня, і у ньому може бути п'єзоелектричний ефект.

 

>Рис. 4. Елементарна осередок кристала хлористого цезіюCsCl.

Розмір вектора поляризації Р (і пропорційна їй поверхнева щільність п'єзоелектричних зарядів про') у певному інтервалі змін пропорційна величині механічних деформацій. Означимо через і деформацію одностороннього розтяги вздовж осі X:

>u=Dd/d, (1)

деd - товщина платівки, аDd — зміну при деформації. Тоді, наприклад, для подовжнього ефекту маємо:

>P=Px=bu (2)

Розмір b називаєтьсяпьезоелектрическим модулем. Знак b може бути як позитивним, і негативним. Оскільки безрозмірна величина, то b вимірюється у тих-таки одиницях, як і Р, тобто. вКл/м2. Розмір поверхневою щільності п'єзоелектричних зарядів межах, перпендикулярних до осі X, дорівнюєs'=Рх

У результаті виникненняпьезоелектрической поляризації при деформації змінюється і електричне усунення D всередині кристала. І тут загалом визначенні усунення під Р треба розуміти сумуРe+Pu, деPeoбусловлено електричним полем, аРu — деформацією. У випадку напрями Є,Pe іРu не збігаються і вираз для D виходить складним. Проте задля деяких напрямів, збігаються з осями високої симетрії, напрями зазначених векторів виявляються однаковими. Тоді для величини усунення написати:

>D=e0eE+bu, (3)

де Є - напруженість електричного поля всередині кристала, а e -диелектрическая проникність при постійної деформації. Співвідношення справедливо, наприклад, при деформації одностороннього розтяги (стискування) вздовж одній з електричних осей X. Воно одна із двох основних співвідношень теоретичнопьезоелектричества (друге співвідношення наведено).

>Пьезоелектрический ефект виникає як при деформації одностороннього розтяги, а й за деформації зсуву.

>Пьезоелектрические властивості спостерігаються, крім кварцу, із значної числа інших кристалів. Набагато більше, ніж в кварцу, вони виражені усегнетовой солі.Сильнимипьезоелектриками є кристали сполук елементів 2-ї і 6-ї груп періодичної системи (>СdS,ZnS), і навіть багатьох інших хімічних сполук.

2. Зворотний п'єзоелектричний ефект.

Поруч ізпьезоелектрическим ефектом є і зворотне йому явище: в п'єзоелектричних кристалах виникнення поляризації супроводжується механічними деформаціями. Тому, якби металеві обкладки, укріплені на кристалі, подати електричну напругу, то кристал під впливом поля поляризується і деформується.

Легко бачити, потреби існування зворотногопьезоеффекта випливає з закону збереження енергії і факту існування прямого ефекту. Розглянемопьезоелектрическую платівку (рис. 5) і припустимо, що ми стискаємо її зовнішніми силами F. Якбипьезоеффекта був, то робота зовнішніх сил дорівнювала б потенційної енергії пружно деформованої платівки. За наявностіпьезоеффекта на платівці з'являються заряди і виникає електричне полі, яке укладає у собі додаткову енергію. За законом збереження енергії це означає, що з стисканніпьезоелектрической платівки відбувається велику роботу, отже, у ній виникають додаткові силиF1, які протидіють стиску. Це і сили зворотногопьезоеффекта. З міркувань випливає зв'язок між знаками обох ефектів. Якщо обох випадках знаки зарядів межах однакові, то знаки деформацій різні. Якщо за стисканні платівки межах з'являються заряди, зазначені на рис. 5, то, при створення такої самої поляризації зовнішнім полем платівка буде розтягуватися.

 

>Рис .5. Зв'язок прямого й протилежного п'єзоелектричних ефектів.

Зворотний п'єзоелектричний ефект має зовнішню подібність ізелектрострикцией. Проте обидві ці явища різні.Пьезоеффект залежить від напрямку поля і за зміні напрямку останнього на протилежне змінює знак.Электрострикция ж ми залежить від напрямку поля.Пьезоеффект спостерігається лише у деяких кристалах, котрі мають центром симетрії.Электрострикция має місце переважають у всіх діелектриках як твердих, і рідких.

Якщо платівка закріплена і деформуватися неспроможна, то, при створенні електричного поля була в ній з'явиться додатковий механічний напруга Його розмірs пропорційна напруженості електричного поля всередині кристала:

>s=-bЕ (4)

де b - хоча б п'єзоелектричний модуль, що у разі прямогопьезоеффекта. Мінус у цій формулі відбиває зазначена вище співвідношення знаків прямого й протилежногопьезоеффектов.

Повне механічне напруга всередині кристала складається з напруги, викликаного деформацією, і напруження, виниклого під впливом електричного поля. Воно одно:

>s=Cu-bE (5)

Тут З є модуль пружності при деформації одностороннього розтяги (модуль Юнга) при постійному електричному полі. Формули (51.2) і (52.2) основні співвідношеннями теоретичнопьезоелектричества.

Під час написання формул ми вибирали u та О як незалежних змінних і вважали D іs їх функціями. Це, звісно, необов'язково, і ми могли вважати незалежними перемінними інше подружжя величин, одній із яких — механічна, іншу — електрична. Тоді ми б теж два лінійних співвідношень між u,s, Є. і D, але коїться з іншими коефіцієнтами. Залежно від типу аналізованих завдань зручні різноманітні форми записи основних п'єзоелектричних співвідношень.

Оскільки п'єзоелектричні кристалианизотропни, то постійні e, З повагою та b залежить від орієнтації граней платівки щодо осей кристала. З іншого боку, вони залежить від того, закріплені бічні межі платівки чи вільні (залежить від граничних умов при деформації). Аби їх дати уявлення про порядок величини цих постійних ми наведемо їх значення для кварцу у разі, коли платівка вирізана перпендикулярно осі Х і його бічні межі вільні:

>e=4, 5;С=7, 8 1010Н/м2;b=0, 18Кл/м2.

Розглянемо тепер приклад застосування основних співвідношень (4) і (5) Поклавши, що кварцова платівка, вирізана, як вище, розтягується вздовж осі X, причому обкладки, що стосуються граней, розімкнуті. Оскільки зарядобкладок до деформації дорівнював нулю, а кварц є діелектриком, те й після деформації обкладки будутьнезаряженними. Відповідно до визначення електричного усунення це що означає, щоD=0. Тоді з співвідношення (4) слід, що з деформації всередині платівки з'явиться електричне полі з напруженістю:

>E=-(b/e0e)u (6)

Підставляючи цей вислів в формулу (5), знаходимо для механічного напруги в платівці:

>s=Cu-b(-(b/e0e)u)=C(1+(b2/e0eC))u (7)

Напруга, як й за відсутності п'єзоелектричного ефекту, пропорційно деформації. Проте пружні властивості платівки тепер характеризуються ефективним модулем пружності

З' == З (1 +b2/e0eС). (8)

який більше З. Збільшення пружною жорсткості викликано появою додаткового напруги при зворотномупьезоеффекте, який перешкоджає деформації. Вплив п'єзоелектричних властивостей кристала з його механічні властивості характеризується величиною:К2=b2/e0eC (9)

Один квадратний корінь з цього величини (До) називається константоюелектромеханической зв'язку Користуючись наведеними вище значеннями e, З повагою та b, знаходимо, що з кварцуК2~0.01 Всім інших п'єзоелектричних кристалівК2 надає також малим проти одиницею і перевищує 0, 1.

Оцінимо тепер величину п'єзоелектричного поля. Поклавши, що граням кварцової платівки,перпендикулярним до осі X, докладено механічне напруга 1 1055Н/м2. Тоді, відповідно до (7), деформація дорівнюватимеu=1, 3 10-6. Підставляючи це значення в формулу (6), отримуємо |>E|==5900В/м=59В/см. При товщині платівки, скажімо,d==0, 5 див напруга міжобкладками дорівнюватимеU=Еd~30 У. Ми, що п'єзоелектричні поля і напруження можуть бути значними. Застосовуючи замість кварцу сильнішіпьезоелектрики і використовуючи належним чином обрані типи деформації, можна одержувати п'єзоелектричні напруги, обчислювані багатьма тисячами вольт.

>Пьезоелектрический ефект (прямий і зворотний) широко застосовується для устрою різних електромеханічних перетворювачів. І тому іноді використовують складовіпьезоелементи, призначені реалізації деформацій різного типу.

На див. мал.6 показаний подвійнийпьезоелемент (складений із двох платівок), працюючий на стиснення. Платівки вирізані з кристалу в такий спосіб, що вони відразу або стискуються, або розтягуються. Якщо, навпаки, стискати чи розтягувати такийпьезоелемент зовнішніми силами, то між йогообкладками з'являється напруга. Поєднання платівок у томупьезоелементе відповідає рівнобіжному з'єднанню конденсаторів.

>Рис.6. Подвійнийпьезоелемент, працюючий на стиснення.

3. Використанняпьезоеффекта у науці й техніці.

Головною деталлю будь-якого устаткування озвучування акустичного музичного інструмента єпьезодатчик (>Transducer). Ця деталь перетворює механічні коливання струн і деки в електричний сигнал.

 Аналогічну функцію в електрогітарі виконує магнітний датчик: сингл чихамбакер. Але фізика роботиелектрогитарного датчика інша - він перетворює зміни магнітного поля, внесене сталевими струнами.Пьезодатчик для акустики працює із будь-якими струнами, зокрема синтетичними.Пьезодатчик поміщають під кісточку гітари (платівку, яку спираються струни). ЦеUST-датчик

Є й інший шлях розміщенняпьезодатчика - його наліплюють на деку гітару (зсередини, ближчі один до підставці). Сигнал з такої датчика буде слабше, бо його не притискають струни, то здобуває лише коливання деки. Але він має більше інформації про властивості корпусу гітари. Цей датчик називається AST (1470).

Поєднання сигналів відUST і AST дає дуже складну і цікаву і дозволяє реалістично озвучити інструменти найвищого класу. Проте чи завжди використання двох датчиків необхідно.

>Пьезоелектрические перетворювачі:

>Пьезоелектрики є оборотнимиелектромеханическими перетворювачами, т. е. здатні перетворювати механічну енергію у електричну і, навпаки, електричну енергію в механічну. Перетворювачі, засновані на використанні прямогопьезоеффекта, називаютьпреобразователями-генераторами; вони теж мають механічний вхід і електричний вихід. Перетворювачі, засновані на використанні зворотногопьезоеффекта, називаютьпреобразователями-двигателями; вони теж мають електричний вхід і механічні виходи. Відомо безліч п'єзоелектричних пристроїв, заснованих на виключно використанні як прямого,

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

  • Реферат на тему: Атоми і молекули
    Про те, що це суще складається з частинок, знали ще стародавні греки. Близько 420 р. до зв. е.
  • Реферат на тему: Стану речовини
    >Замерзание (затвердіння) - це перехід рідкого чи розплавленого речовини в тверде стан. Кипіння це
  • Реферат на тему: Біологія в школі, наука та ідеологія
    >Вертьянов З. Ю. Проблеми змісту сучасного шкільної освіти викликають дедалі більше особливу
  • Реферат на тему: Ймовірне - очевидне?
    >Колчуринский М. Ю. >Особливо потрібне знання математично-природничої грамотності, оскільки у час
  • Реферат на тему: Концепція антропологічної домірності
    >Курашов У. І. Осмислення дерев'яної архітектури, особливо дерев'яного житла, привела

Навігація