Прямой и обратный пьезоэффекты. Электрострикция

В 1880 году французские ученые братья Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект. Сущность его заключается в том, что если деформировать пластинку кварца, то на ее гранях появляются противоположные по знаку электрические заряды. Следовательно, пьезоэлектричество - это электричество, возникающее в результате механического воздействия на вещество ("пьезо" по-гречески означает "давить").
Впервые пьезоэлектрические свойства были обнаружены у горного хрусталя - одной из разновидностей кварца. Горный хрусталь представляет собой прозрачные, бесцветные, похожие на лед кристаллы. Советский минералог А. Е. Ферсман в книге "Занимательная минералогия" писал: "Возьмите в руку обломок горного хрусталя и такой же кусочек стекла - оба похожи и по своему цвету, и по прозрачности. Если их сломать, у них будут одинаково острые, режущие края и форма излома. Но будет и различие: горный хрусталь долгое время останется холодным в вашей руке, стекло очень скоро сделается теплым... Знали ли это свойство древние греки или нет - неизвестно, но во всяком случае это они дали нашему камню название "хрусталь" от греческого наименования "лед", так как действительно горный хрусталь очень похож на лед..."
В природе встречается почти двести разновидностей кварца. Это и золотисто-желтый цитрин, кроваво-красный сердолик, красновато-коричневый с золотым отливом авантюрин, фиолетовый аметист и многие другие. Почти десятую часть земной коры составляют различие виды кварца. Даже обыкновенный песок состоит г лавным образом из зерен кварца.
Кварц широко применяется в науке и технике. Он роспускает ультрафиолетовые лучи, тверд и тугоплавок. посуду из кварцевого стекла можно раскалить докрасна сразу погрузить в ледяную воду. Он устойчив почти ко сем кислотам и плохо проводит электрический ток. Но самым замечательным его свойством считается пьезоэлектричество. Если пластину, определенным образом урезанную из кристалла кварца, сжимать и разжимать, о на ее гранях будут возникать электрические заряды противоположными знаками. Чем сильнее сжатие, тем больше заряд. Возникновение электрических зарядов на гранях кварцевой пластинки при ее деформации получило название прямого пьезоэлектрического эффекта.
Если же к такой кварцевой пластинке подвести электрический заряд, она изменит свои размеры. Чем больше заряд, тем сильнее деформируется пластинка. При действии на пластинку переменного электрического поля она сжимается или разжимается в такт изменению знаков приложенного напряжения. Если последнее изменяется с ультразвуковой частотой, то и пластинка колеблется также с ультразвуковой частотой, на чем и основав но применение кварца для получения ультразвуковых волн. Изменение размеров кварцевой пластинки под действием электрических зарядов называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.
Прямой пьезоэлектрический эффект используют в приемниках ультразвуковых колебаний, где последние преобразуются в переменный ток. Но если к такому приемнику приложить переменное напряжение, в полной мере обнаруживается и обратный пьезоэффект. В этом случае переменный ток преобразуется в ультразвуковые колебания и приемник работает как ультразвуковой излучатель. Следовательно, пьезоэлектрический приемник и излучатель могут быть представлены в виде одного при-] бора, которым можно поочередно излучать и принимать ультразвуковые колебания. Такой прибор называют ультразвуковым акустическим преобразователем.
Акустические преобразователи с успехом используются в различного рода электроакустических системах, в частности в системах, предназначенных для акустических и гидроакустических измерений и исследований. Пьезоэлектрические приборы широко применяются и при исследовании космического пространства. Ныне их представляют некоторые датчики, передающие данные о состоянии космонавта, об условиях внутри космического корабля, предупреждающие о метеоритной опасности и т. п.
Пьезоэлектрические приборы помогают "ощупать" детали самолетов, выявить ошибки в их расчетах и предотвратить опасные последствия этих ошибок; "заглянуть" в ствол стреляющего орудия, чтобы измерить давление или получить другие данные. Пьезоэлектричество используется в радиотехнике и телевидении. Пьезоэлектрические приборы помогают находить косяки рыб, исследовать земные недра, искать полезные ископаемые ставить диагнозы и лечить людей, анализировать и ускорять химические процессы и т. д.
Одним из основных материалов, применяемых для изготовления ультразвуковых преобразователей, долгое время считался кварц. Но излучатель, сделанный из маленькой кварцевой пластинки, имеет небольшую мощность. Чтобы повысить ее, увеличивают площадь излучающей поверхности путем составления пластинок кварца в виде своеобразной мозаики.
В природе кристаллы кварца встречаются в основном сравнительно небольших размеров, хотя и бывают исключения. В Восточных Альпах геологи в одном гнезде нашли шесть кристаллов горного хрусталя общей массой свыше полутора тонн. Еще более уникальную находку обнаружили уральские геологи, которые открыли месторождение хрусталя с целым семейством кристаллов-великанов. Сначала из породы извлекли кристаллы массой 800 килограммов. Последующий упорный поиск дал совершенно ошеломляющие результаты - было найдено созвездие из двадцати прозрачных чистых кристаллов. Их общая масса превысила 9 тонн. Однако такие находки не могут удовлетворить все возрастающие потребности науки и техники в кристаллах кварца. Поэтому их пытаются выращивать искусственно в лабораториях, но, к сожалению, они растут медленно и производство их дорогостоящее.
В поисках других пьезоэлектрических материалов ученые обратили внимание на сегнетову соль. Впервые ее получил из солей винной кислоты французский аптекарь Сегнет. Сегнетова соль легко обрабатывается, кристалл сегнетовой соли можно разрезать обыкновенной ниткой, смоченной водой. По сравнению с другими пьезокристаллами, в том числе и по сравнению с кварцем, кристалл сегнетовой соли обладает значительно большим пьезоэлектрическим эффектом, самое ничтожное механическое воздействие на пластинку приводит к появлению электрических зарядов. Однако у сегнетовой соли есть и серьезные недостатки, которые ограничивают ее практическое применение. Это в первую очередь низкая температура плавления - около 60 градусов, при которой кристалл сегнетовой соли теряет пьезоэлектрические свойства, и они уже больше не восстанавливаются. Сегнетова соль Растворяется в воде и, следовательно, боится влаги. Кроме того, она непрочна и не выдерживает больших механических нагрузок.
Изыскания новых пьезоэлектрических материалов особенно настойчиво проводились во время второй мировой войны. Они были вызваны "кварцевым голодом", возникшим вследствие широкого использования пьезокварца в гидроакустических приборах и в военной радио электронике. Так, для изготовления пьезоэлектрических преобразователей в то время применялись кристаллы дигидрофосфата аммония. Этот материал стабилен по частоте, позволяет работать с большими мощностями и в широком диапазоне частот. Долгое время применялись и другие пьезоэлектрические материалы, такие, как фосфат аммония, сульфат лития и дигидрофосфат калия. В гидроакустических преобразователях их использовали в виде мозаичных пакетов. Однако всем этим пьезокристаллам присущ общий недостаток - малая механическая прочность. Поэтому ученые настойчиво искали заменитель, который был бы близок к ним по пьезоэлектрическим свойствам и не имел бы вышеуказанног недостатка. И такой заменитель был найден советскими учеными, работавшими под руководством члена-корреспондента Академии наук СССР Б. М. Вула. Это был титанат бария, который не является кристаллом, как кварц и сегнетова соль, и сам по себе не обладает пьезоэлектрическими свойствами.
Титанат бария получают искусственным путем, так как в недрах земли он встречается очень редко. Для этого смесь двух минеральных веществ - углекислого бария и двуокиси титаната - обжигают при очень высокой температуре. Получается желтовато-белая масса, которая по своему виду и механическим свойствам напоминает обыкновенную глину. Этой массе, как и глине, можно придать любую форму, но она будет механически прочной и не растворимой в воде. А для того чтобы титанату бария придать пьезоэлектрические свойства, обожженную массу помещают в сильное электрическое поле, затем охлаждают. В результате происходит поляриза ция кристалликов титаната бария, их диполи (совокупность двух разноименных, но равных по абсолютной величине электрических зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга) занимают одинаково положение, а после охлаждения фиксируются, как бы "замораживаются" в этом состоянии. У полученного материала пьезоэлектрический эффект в 50 раз больше, чем у кварца, а стоимость его невысокая, так как для его изготовления имеется очень большое количество сырья. К недостаткам титаната бария относятся большие механические и диэлектрические потери, что приводит к его перегреву, а при температуре более 90 градусов значительно снижается пьезоэлектрический эффект.
Керамику из титаната бария можно резать, шлифовать, полировать, придавая преобразователю необходимые форму и размеры (плоская пластина, цилиндр, полусфера, часть сферы и т. д.). У преобразователей из титаната бария более эффективно превращение электрической энергии в механическую, большая стойкость к электрическому пробою, они могут работать при малых напряжениях. Кроме того, ультразвуковые преобразователи из титаната бария способны работать в импульсном режиме.
Для изготовления пьезоэлектрических преобразователей используют и другую пьезокерамику: смесь циркония с титанатом свинца (ЦТС), у этой пьезокерамики пьезоэффект вдвое больше, чем у титаната бария. Пьезокерамика ЦТС не растворима в воде, и ее также можно обрабатывать механическим способом.
Одновременно продолжались поиски кристаллов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами и удовлетворяющих необходимым техническим требованиям. Так в поле зрения ученых попал сернистый кадмий. Помимо того что он обладает исключительной способностью усиливать ультразвуковые колебания, на его основе можно изготовить ультразвуковой преобразователь для очень высоких частот, совершенно не доступных кварцу и ти-танату бария. Исследователи предполагают, что кристалл сернистого кадмия окажется рекордсменом по количеству возможных применений. Он не только может служить усилителем и преобразователем ультразвука, но и может быть использован наряду с германием и кремнием как обычный полупроводник. Кроме того, сернистый кадмий - отличное фотосопротивление.
Несколько упрощая, можно сказать, что пьезоэлектрический преобразователь представляет собой один или несколько соединенных определенным образом отдельных пьезоэлементов с плоской или сферической поверхностью, приклеенных на общую металлическую пластину. Для получения большой интенсивности излучения применяют фокусирующие пьезоэлектрические преобразователи, или концентраторы, которые могут иметь самые различные формы (полусферы, части полых сфер, полые цилиндры, части полых цилиндров). Такие преобразователи используют для получения мощных ультразвуковых колебаний на высоких частотах. При этом интенсивность излучения в центре фокального пятна у сферических преобразователей в 100-150 раз превышает среднюю интенсивность на излучающей поверхности преобразователя.

"Звук, ультразвук, инфразвук"

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле на заряды его молекул действуют силы, которые деформируют диэлектрик, создают внутренние механические напряжения. Деформация диэлектрика оказывается пропорциональной квадрату напряженности электрического поля. Это явление получило название "электрострикция". Электрострикция обусловлена поляризацией диэлектриков в электрическом поле и наблюдается у твердых, жидких и газообразных диэлектриков. Электрострикцию следует отличать от так называемого обратного пьезоэффекта. При обратном пьезоэффекте деформация диэлектрика пропорциональна напряженности электрического поля.

В изотропных средах, в том числе в газах и жидкостях, электрострикция наблюдается как изменение плотности под действием электрического поля.

В анизотропных кристаллах электрострикцию можно описать зависимостью между двумя тензорами 2-го ранга - тензором квадрата напряженности электрического поля и тензором деформации. Рассмотрение электрострикции в таких кристаллах выходит за рамки данного курса.

Деформация диэлектрика в однородном внешнем электрическом поле может быть вызвана переориентацией диполей (молекул) и изменением электрического дипольного момента молекул, изменением взаимодействия между ними. В неоднородном внешнем электрическом поле диполи (молекулы) диэлектрика втягиваются (или выталкиваются) в область более сильного поля. Следовательно, на закрепленный диэлектрик будут действовать силы, вызывающие деформацию диэлектрика, зависящую от степени неоднородности электрического поля.

В большинстве диэлектриков поляризация появляется и исчезает с появлением и исчезновением внешнего электрического поля.

Однако некоторые кристаллические диэлектрики, названные (по наиболее яркому представителю сегнетовой соли) сегнетоэлектриками, обладают рядом специфических свойств, которые позволяют их выделить в особую группу.

К сегнетоэлектрикам относятся диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью даже в отсутствие внешнего электрического поля.

электрического поля. Возникшее электрическое поле доменов поддерживает ориентацию дипольных моментов доменов даже после прекращения внешнего электрического поля (рис. 3.11).

Основными свойствами сегнетоэлектриков являются:

а) диэлектрическая проницаемость их гораздо больше единицы (e>>1);

б) диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков зависит от напряженности внешнего электрического поля (рис. 3.12);

в) во внешнем электрическом поле сегнетоэлектрики поляризуются до насыщения, т. е. до такого состояния, при котором дальнейшее изменение напряженности электрического поля не изменяет вектор поляризации (рис.3.13);

г) во внешнем циклически изменяющемся электрическом поле им присуще явление гистерезиса, сложная зависимость вектора поляризации от напряженности электрического поля. Изменение вектора поляризации запаздывает по отношению к изменению напряженности электрического поля (рис. 3.14);

д) по своему строению сегнетоэлектрики представляют скопление областей спонтанной поляризации (доменов), электрические дипольные моменты которых имеют хаотические ориентации вектора P (рис.3.10, 3.11);

е) при нагревании сегнетоэлектриков до определенной температуры Т к, характерной для каждого сегнетоэлектрика, они теряют все свои специфические свойства и превращаются в обычные полярные диэлектрики. Точка фазового перехода из состояния сегнетоэлектрика в состояние полярного диэлектрика называется точкой Кюри, а соответствующая ей температура Т к - температурой Кюри. В некоторых случаях имеются две точки Кюри - сегнетоэлектрические свойства исчезают также и при понижении температуры. Сегнетоэлектриков с двумя точками Кюри сравнительно немного. Большинство имеет лишь верхнюю точку, называемую просто точкой Кюри.

При переходе диэлектрика из сегнетоэлектрического состояния в состояние полярного диэлектрика диэлектрическая проницаемость изменяется непрерывно от значения, соответствующего сегнетоэлектрическому состоянию, до значения, соответствующего состоянию полярного диэлектрика.

Закон изменения диэлектрической восприимчивости c вблизи температуры Кюри имеет вид

, (3.28)

где A – некоторая константа;

T o – температура Кюри – Вейса, близкая к температуре Т к (в большинстве случаев вместо Т o используют Т к, что не вносит сколько-нибудь существенных погрешностей в c для температур, отличных от Т к). Закон, выражаемый формулой (3.28), называется законом Кюри-Вейса.

У кристаллов диэлектрические свойства неодинаковы по различным направлениям, и поэтому их диэлектрическая восприимчивость характеризуется не скалярной диэлектрической восприимчивостью c, а тензором диэлектрической восприимчивости c ij . Однако зависимость компонент тензора от температуры имеет тот же характер.

Помимо сегнетоэлектриков имеются многочисленные кристаллы, на поверхности которых при деформациях возникают электрические заряды. Такие кристаллы называются пьезоэлектриками. Возникающие при деформации поверхностные заряды имеют различные знаки на различных частях поверхности. К числу пьезоэлектриков относят кварц, турмалин, сегнетовую соль и многие другие.

Пьезоэлектрическими свойствами обладают только ионные кристаллы. Под действием внешних сил кристаллическая подрешетка из положительных ионов деформируется иначе, чем кристаллическая подрешетка из отрицательных ионов. В результате происходит относительное смещение положительных и отрицательных ионов, приводящее к возникновению поляризации кристалла и поверхностных зарядов. Поляризованность в первом приближении прямо пропорциональна деформации, а деформация кристалла, в свою очередь, прямо пропорциональна силе. Следовательно, поляризованность прямо пропорциональна приложенной силе. Между разноименно заряженными гранями деформированного диэлектрика возникает разность потенциалов, которую можно измерить, а по ее значению сделать заключение о величине деформаций и приложенных силах, что находит многочисленные практические применения. Например, имеются пьезоэлектрические датчики для измерения быстропеременных давлений. Известны пьезоэлектрические микрофоны, пьезоэлектрические датчики в автоматике и телемеханике и т.д.

Помимо прямого пьезоэффекта в пьезоэлектриках существует обратный пьезоэффект. Он состоит в том, что во внешнем электрическом поле пьезоэлектрик деформируется. Его существование следует из наличия прямого эффекта и закона сохранения энергии. При деформировании пьезоэлектрика работа затрачивается на образование энергии упругой деформации и энергии возникающего при этом в результате пьезоэффекта электрического поля. Следовательно, при деформировании пьезоэлектрика необходимо преодолевать дополнительную силу, кроме силы упругости кристалла, которая препятствует деформации и является фактором, обусловливающим обратный пьезоэффект. Чтобы компенсировать дополнительную силу, надо приложить внешнее электрическое поле, противоположное тому, которое возникает в пьезоэффекте. Таким образом, для получения некоторой деформации пьезоэлектрика под влиянием внешнего электрического поля необходимо, чтобы оно было равно, но противоположно направлено тому полю, которое при данной деформации возникает в результате прямого пьезоэлектрического эффекта. Механизм обратного пьезоэлектрического эффекта аналогичен механизму прямого пьезоэффекта. Под действием внешнего электрического поля кристаллические подрешетки положительных и отрицательных ионов деформируются различным образом, что и приводит к деформации кристалла.

Обратный пьезоэлектрический эффект также имеет многочисленные практические применения, в частности широкое применение получили кварцевые излучатели ультразвука.

У некоторых пьезоэлектриков подрешетка положительных ионов оказывается смещенной относительно подрешетки отрицательных ионов в состоянии термодинамического равновесия, в результате чего такие кристаллы оказываются поляризованными при отсутствии внешнего электрического поля. Их называют пироэлектриками.

Обычно наличие спонтанной поляризации маскируется свободными поверхностными зарядами, появляющимися на поверхности кристалла из окружающей среды под действием электрического поля, связанного со спонтанной поляризацией. Данный процесс происходит до тех пор, пока электрическое поле не будет полностью нейтрализовано. Однако при изменении температуры образца, например при нагревании, происходит смещение ионных подрешеток друг относительно друга, в результате чего изменяется спонтанная поляризованность и на поверхности кристалла появляются электрические заряды. Возникновение этих зарядов называется прямым пироэлектрическим эффектом.

Всякий пироэлектрик является пьезоэлектриком, но не всякий пьезоэлектрик является пироэлектриком. Это связано с тем, что у пироэлектрика имеется выделенное направление, вдоль которого существует спонтанная поляризация, а у пьезоэлектрика такого выделенного направления нет.

Наблюдается также и обратный пироэлектрический эффект: изменение электрического поля в адиабатно изолированном пироэлектрике сопровождается изменением его температуры. Необходимость его существования может быть доказана на основе термодинамического анализа процесса и продемонстрирована экспериментами. Обратный пироэлектрический эффект иногда называют электрокалорическим эффектом.

При электрокалорическом эффекте в пироэлектриках изменение температуры пропорционально изменению напряженности электрического поля, в других веществах наблюдается лишь меньший по величине квадратичный электрокалорический эффект.

Существуют диэлектрики, которые длительно время сохраняют поляризованное состояние после снятия внешнего воздействия, вызвавшего поляризацию, и создающие электрическое поле в окружающем пространстве (электрические аналоги постоянных магнитов). Такие диэлектрики получили название "электреты".

Если вещество, молекулы которого обладают дипольным моментом, расплавить и поместить в сильное электрическое поле, то его молекулы частично выстроятся по направлению поля. При охлаждении расплава в электрическом поле и последующем выключении поля в затвердевшем веществе поворот молекул затруднен, и они длительное время будут сохранять преимущественную ориентацию.

Первый электрет был таким методом изготовлен в 1922 г. японским физиком Ёгучи.

При изготовлении электретов в диэлектрик могут переходить носители заряда из электродов или межэлектродного пространства. Носители могут быть созданы и искусственно, например облучением электронным пучком.

Стабильные электреты получают различными методами:

· нагревания, а затем охлаждения в сильном электрическом поле (термоэлектреты);

· освещения в сильном электрическом поле (фотоэлектреты);

· облучения, радиоактивного излучения (радиоэлектреты);

· поляризации в сильном электрическом поле без нагревания (электроэлектреты) или в магнитном поле (магнетоэлектреты);

· при застывании органических растворов в электрическом поле (криоэлектреты);

· механической деформации полимеров (механоэлектреты);

· трения (трибоэлектреты);

· действием поля коронного разряда (короноэлектреты).

Все электреты имеют стабильный поверхностный заряд.

Электреты применяют как источники постоянного электрического поля (электретные микрофоны и телефоны, вибродатчики, генераторы слабых переменных сигналов, электрометры, электростатические вольтметры и др.), а также как чувствительные датчики в устройствах дозиметрии, электрической памяти; для изготовления барометров, гигрометров и газовых фильтров, пьезодатчиков и др. Фотоэлектреты применяются в электрофотографии.

Сегнетоэлектрики

Активные диэлектрики

Это органические и неорганические материалы, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электроники.

К ним относятся сегнето-, пьезо-, пиро- электрики, электреты, материалы квантовой электроники, жидкокристаллические, электро – магнито – и акустооптические материалы и др.

Резкой границы между пассивными и активными диэлектриками не существует. Один и тот же материал может выполнять пассивные (изолятор, подложка, конденсатор) и активные функции преобразующего элемента. Требования к активным диэлектрикам противоположны: нестабильность свойств, а наиболее сильное изменение какого-либо свойства при внешнем воздействии.

Активные диэлектрики часто классифицируют по роду физических эффектов, которые можно использовать для управления свойствами. Однако, один и тот же материал может проявлять чувствительность к различным видам энергетических воздействий. Наиболее универсальны – сегнетоэлектрики (они же пьезо-, пироэлектрики, нелинейнооптические материалы и т.д.)

Сгруппируем активные диэлектрики по важнейшим для них свойствам или их специфике.

Это вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

В отсутствии электрического поля сегнетоэлектрики имеют доменную структуру с различным направлением электрических моментов доменов. Суммарная поляризация может быть равна 0. Внешнее электрическое поле изменяет направление электрических моментов, что создает эффект сильной поляризации. Отсюда e может вырасти до сотен тысяч. Следствием доменного строения сегнетоэлектриков является нелинейная зависимость их электрической индукции от напряжения электрического поля и наличием диэлектрического гистерезиса (из-за необратимого смещения доменных границ).

Точка В - все домены ориентированы по полю. До точки А обратимое изменение доменных границ, далее АВ – необратимое

При снятии напряженности поля индукция не понизится до «0», а примет некоторое значение. При изменении полярности поля быстро снизится и изменит свое направление. При повышении температуры доменная структура распадается. Температура фазового перехода называется сегнетоэлектрической точкой Кюри. В точке Кюри e максимальна. Для BaTiO 3 Т к =120 о С.

Существует несколько сотен соединений со свойствами сегнетоэлектриков – это могут быть ионные и дипольные кристаллы. Температура точки Кюри изменяется от 15К (Pb 2 Nb 2 O 4) до 1483К (LiNbO 3).

Ионные: BaTiO 3 , PbTiO 3 , KNbO 3 , LiTaO 3 .

Дипольные: сегнетоваясоль (NaKC 4 H 4 O 6 4H 2 O), KH 2 PO 4 , NaNo 2 .

Применение сегнетоэлектриков:

1. изготовление малогабаритных конденсаторов с большой удельной емкостью;

2. изготовление диэлектрических усилителей, модуляторов;

3. в качестве ячеек памяти в вычислительной технике;

4. изготовление пьезоэлектрических и пироэлектрических преобразователей.

Для изготовления конденсаторов используются сегнетокерамические материалы (твердые растворы, смеси кристаллических фаз), которые не имеют сильных температурных зависимостей:

Материал Т-900 – твердый раствор SrTiO 3 и Bi 4 Ti 3 O 12 . Т к =-140 о С; e 20 о =900

Материал СМ-1 - BaTiO 3 +ZrO 2 +Bi 2 O 3 . e 20 о =3000 – используют для малогабаритных конденсаторов.

Материал Т-9000 – твердый раствор BaTiO 3 – BaZrO 3 e 20 о =8000 – используют для высоковольтных конденсаторов.

У материалов для варикондов (нелинейных конденсаторов), применяемых для управления параметрами электрических цепей, e изменяется от 4 до 50 раз (твердые растворы Ba(Ti, Sn)O 3 , Pb(Ti, Zr,Sn)O 3).

Материалы для ячеек памяти – сегнетоэлектрики с прямоугольной петлей гистерезиса. В первую очередь это триглицинсульфат.

При Е = 0, есть два устойчивых состояния. Одно используется для хранения «1», а другое «0». Считывание информации может проводиться без ее разрушения: оптическим методом или измерением сопротивления полупроводниковой пленки, нанесенной на сегнетоэлектрик. Время переключения ячейки несколько мкс (меньше, чем в монокристаллах).

Электрооптические кристаллы – изменяют показатель преломления среды под влиянием внешнего электрического поля. Если n ~ Е, то электрооптический эффект линейный или эффект Поккельса, если n 2 ~Е – квадратичный или эффект Керра.

Электрооптический эффект используется для модуляции лазерного излучения. Электрооптические модуляторы света создаются на базе LiNbO 3 , KH 2 PO 4 , ТР Pb(Ti,Zr)O 3 .

Материалы нелинейной оптики – используют эффект нелинейной поляризации среды под действием мощных световых пучков, создаваемых лазерами (n зависит от световой волны). Это позволяет преобразовывать частоты оптических сигналов (ИК – излучение переводить в видимое излучение). Эффективны KH 2 PO 4 , LiNbO 3 , LiIO 3 и др.

Пьезоэлектрический эффект был открыт братьями Кюри в 1880г. Пьезоэффект бывает прямой и обратный.

Прямой пьезоэффект – это процесс образования равных, но противоположных по знаку электрических зарядов на противоположных гранях некоторых кристаллических тел, называемых пьезоэлектриками, при давлении на эти тела.

Если изменить направление деформации, т.е. не сжимать, а растягивать пьезоэлектрик, то заряды на гранях изменят знак на обратный. К пьезоэлектрикам относятся кварц, сегнетова соль, титанат бария и т.д.

Обратный пьезоэффект – это процесс сжатия или расширения пьезоэлектрика под действием электрического поля в зависимости от направления вектора напряженности поля.

Для практических целей применяют пьезоэлектрики различной формы: прямоугольные или круглые пластинки, цилиндры, кольца. Пьезоэлемент помещают между металлическими обкладками или наносят металлические пленки на противоположные грани пьезоэлемента. Таким образом получается конденсатор с диэлектриком из пьезоэлектрика.

Если к такому пьезоэлементу подвести переменное напряжение, то пьезоэлемент за счет обратного пьезоэффекта будет сжиматься и расширяться, т.е. совершать механические колебания. В этом случае энергия электрических колебаний превращается в энергию механических колебаний с частотой, равной частоте приложенного переменного напряжения. Так как пьезоэлемент обладает собственной частотой механических колебаний, то возможно явление резонанса, когда частота приложенного напряжения совпадает с собственной частотой колебаний пластинки. При этом получается максимальная амплитуда колебаний пластинки пьезоэлемента.

Если на пьезоэлемент воздействовать механически с некоторой частотой, то возникает переменное напряжение той же частоты. В этом случае механическая энергия преобразуется в электрическую, и пьезоэлемент становится генератором переменной ЭДС. Таким образом, можно сказать, что пьезоэлемент является колебательной системой с электромеханическими колебаниями.

На основе пьезоэффекта работает кварцевый резонатор, содержащий кварцевый элемент, электроды и кварцедержатели, помещенные в герметичный металлический или стеклянный баллон.

Эквивалентная схема кварцевого резонатора:

Кварцевые резонаторы успешно работают в полосе частот от 70 Гц до десятков МГц. На их основе работают кварцевые генераторы, обеспечивающие высокую точность и стабильность частоты.

Дмитрий Левкин

Электромеханический преобразователь, изготавливаемый из пьезоэлектрических материалов, определенной формы и ориентации относительно кристаллографических осей, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую (прямой пьезоэффект), а электрическая в механическую (обратный пьезоэффект).

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.

Сменить цвет

Диаметр: 10 мм
Толщина: 1 мм
Материал: ЦТС-26
Напряжение: 5В
Частота возбуждения: 1МГц
Масштаб колебаний: 30000:1

Посмотреть колебания

Остановить колебания

Рисунок - Колебание свободного пьезоэлемента под действием напряжения (обратный пьезоэффект)

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики ), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

Справка: Первая статья Жака и Пьера Кюри о пьезоэлектричестве была представлена Минералогическому обществу Франции (Societe mineralogique de France) на сессии 8 Апреля 1880 года и позже Академии наук (Academie des Sciences) на сессии 24 августа 1880 года. Пьер и Жак Кюри впервые открыли прямой пьезоэлектрический эффект у кристалла турмалина . Они заметили, что если оказывать механическое давление на кристалл в определенном направлении, на противоположных сторонах кристалла возникают электрические заряды пропорциональные давлению и противоположной полярности. Позже они открыли подобный эффект у кварца и других кристаллов. В 1880 году Пьеру Кюри был только 21 год .

Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект , а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.

Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.

Свойства пьезокерамики

Связь между приложенной силой и результирующим ответом пьезоэлемента зависит от: пьезоэлектрических свойств пьезокерамики, размера и форм образца, направления электрического и механического возбуждения.

По своей природе пьезоэлектрические материалы являются анизотропными кристаллами. показывает различные направления и оси ориентации пьезоэлектрического материала. Оси 1, 2 и 3 являются соответственными аналогами осей X, Y, Z классической ортогональной системы координат, в то время как оси 4, 5, и 6 определяют оси вращения. Направление оси 3 является направлением поляризации . Это направление устанавливается во время производства посредством высокого постоянного напряжения, которое создается между электродами.

Характеризуется следующими свойствами:

где ε 0 = 8,85· 10 -12 , Ф/м

Верхний индекс показывает граничные условия действующие на материал в процессе определения значения относительной диэлектрической постоянной. В частности индекс T (в этом случае) говорит о том, что диэлектрическая постоянная измеряется на свободном (не зажатом) образце . А индекс S показывает, что измерения происходят при постоянной деформации пьезокерамики (в зажатом состоянии). Первый нижний индекс показывает направление диэлектрического смещения, а второй – электрического поля . Формула расчета относительной диэлектрической постоянной следующая:

где с – скорость звука в материале, м/с

Нажимайте сюда для просмотра колебаний пьезоэлемента!

Частота возбуждения f=25кГц
Масштаб колебаний 200000:1

Частота возбуждения f=73,6кГц
Масштаб колебаний 10000:1

Частота возбуждения f=280кГц
Масштаб колебаний 10000:1

Рисунок 4 - Амлитудно-частотная характеристика пьезоэлемента. Виды колебаний на разных частотах

Этот коэффициент может быть вычислен через резонансную и антирезонансную частоту по формуле.

, (4)

Чтобы измерить эти частоты обычно используется , с помощью которого можно получить зависимость сопротивления от частоты пьезокерамики ().

По своей природе, резонансная частота возникает, когда система имеет очень маленькое сопротивление, в то время как антирезонанс происходит, когда система имеет очень большое сопротивление. На частота которая имеет минимальное сопротивление считается резонансной (f r ), а частота с максимальным сопротивлением – антирезонансной (f a ).

Рисунок 5 – Виды колебаний образцов пьезокерамики разной формы

• где Δx s – изменение толщины пластины, м,
• U s – приложенное напряжение, В

Полезно помнить, что большие значения d ij приводят к большим механическим смещениям, что обычно добивается при проектировании ультразвуковых преобразователей . d 33 применяют, когда сила направлена в направлении оси поляризации (). d 31 используют, когда сила прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом заряд возникает на электродах, так же как и в предыдущем случае (). d 15 показывает, что заряд накапливается на электродах, которые находятся под прямым углом к изначальным поляризующим электродам и что получаемые механические колебания являются сдвиговыми ().

Пьезоэлектрическая константа давления g ij – отношение полученного напряжения к приложенному давлению.

, (6)

• где U e – полученное напряжение, В,
• d - толщина, м,
• p x – приложенное давление, Па.

Индекс “33” показывает, что электрическое поле и механическое напряжение направлены по оси поляризации. Индекс “31” означает, что давление прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом напряжение снимается с тех же самых электродов, что и в случае “33”. Индекс “15” подразумевает, что приложенное напряжение является сдвиговым и результирующее электрическое поле перпендикулярно к оси поляризации. Высокое значение g ij ведет к большим выходным напряжениям, что является желательным для сенсоров.

, (7)

• где µ – коэффициент Пуассона,
• Δa – абсолютное приращение толщины, м,
• a – толщина после деформации, м,
• Δl – абсолютное приращение длины, м,
• l – длина после деформации, м

, (8)

• где ТКЧ – температурный коэффициент резонансной частоты, ppm/˚С,
• f(t 1) t 1 , Гц,
• f(t 2) – резонансная частота при температуре t 2 , Гц,
• f 20 – резонансная частота при температуре 20˚С, Гц,
• Δt – разница температур Δt = t 2 - t 1 , ˚С

, (9)

• где ТКЕ – температурный коэффициент емкости, ppm/˚С,
• C(t 1) – емкость при температуре t 1 , Ф,
• C(t 2) – емкость при температуре t 2 , Ф,
• C 20 - емкость при температуре 20˚С, Ф

, (10)

• где ТКЛР – температурный коэффициент линейного расширения, ppm/˚С,
• l(t 1) – длина при температуре t 1 , м,
• l(t 2) – длина при температуре t 2 , м,
• l 20 – длина при температуре 20˚С, м

Скорость старения это показатель изменения резонансной частоты и емкости со временем. Чтобы вычислить эту скорость, после поляризации электроды преобразователя соединяются вместе, и образец нагревается определенный период времени. Производятся замеры резонансной частоты и емкости каждые 2 n (1,2,4 и 8) дня. Скорость старения вычисляется по следующей формуле :

, (11)

• где ρ – плотность, кг/м 3 ,
• m – масса, кг,
• V – объем, м 3 .

Производство пьезоэлементов

Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой АВО 3 (напр., BaTiO 3 , РbТiO 3) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO 3 - CaTiO 3 , BaTiO 3 - CaTiO 3 - CoCO 3 , NaNbO 3 - KNbO 3). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO 3 - PbZrO 3 (т. н. система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой АВ 2 О 6 , напр. PbNb 2 O 6 , имеющих весьма высокую Кюри точку (~570 °С), что позволяет создавать пьезоэлементы для работы при высоких температурах.

Рисунок 7 – Порошок для изготовления пьезоэлемента

Процесс изготовления пьезокерамики разделяется на несколько этапов. При осуществлении синтеза заданного сегнетоэлектрического соединения исходное сырье (окислы или соли, например, двуокись титана и окись бария) измельчается и смешивается в количествах, соответствующих стехиометрическому составу соединения, а затем подвергается термической обработке при температурах 900 – 1300 °С, в процессе которой происходит химический синтез. Используется также так называемый метод осаждения из водных растворов, при котором температура синтеза благодаря идеальному перемешиванию компонентов снижается до 750 – 1000 °С. Из порошкообразного синтезированного материала прессованием (а также литьём под давлением) получаются заготовки необходимой конфигурации и размеров для будущих пьезоэлементов, которые затем подвергаются обжигу по строго определенному температурному режиму, в большой степени определяющему свойства пьезокерамики. Механическая обработка детали после обжига обеспечивает ей точно заданную форму и размеры. На деталь наносятся электроды из серебра, никеля, платины и др., причем наибольшее распространение получил метод вжигания серебра. Для поляризации керамики к электродам подводится электрическое напряжение (напряжённость поля Е составляет от 0,5 до 3 кВ/мм в зависимости от химического состава и метода поляризации). С целью уменьшения напряженности поля Е при поляризации образец нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. Пьезокерамике свойственно т. н. старение, т. е. изменение её параметров (диэлектрической проницаемости, пьезомодулей) со временем, особенно заметное в первые несколько суток после изготовления и поляризации образцов, которое обусловлено изменением как механических напряжений на границах между зёрнами, так и величины остаточной поляризации .

Применение пьезокерамики

Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.

В генераторах , пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.

В сенсорах , пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.

В силовых приводах , пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.

В преобразователях , пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики .

План

Введение

1. Описание пьезоэлектрического эффекта

а) Кристаллическая структура эффекта

б) Модельное рассмотрение

2. Деформации кристаллов

3. Обратный пьезоэлектрический эффект

4. Физический механизм обратного пьезоэлектрического эффекта

5. Свойства пьезоэлектрических кристаллов

6. Применение эффекта

Заключение

Литература

Введение

Тема моей курсовой работы «Пьезоэлектричество». Я выбрал эту тему, потому что пьезоэлектричество представляет собой интересное явление. До сих пор мы рассматривали поляризацию диэлектриков, вызванную внешним электрическим полем. В некоторых кристаллах поляризация может возникнуть и без внешнего поля, если кристалл подвергается механическим деформациям. Это явление, открыто в 1880 г. Пьером и Жаком Кюри, получило название «пьезоэлектрического эффекта». В наше время пьезоэлектричество нашло свое применение в различных видах деятельности человека. Я попытался побольше узнать о природе этого явления и его применении. Еще одной причиной послужившей выбору именно этой темы, стало то, что данный эффект применяется во многих приборах таких как микрофоны, телефоны, гидрофоны.

Для изучения данной темы я использовал следующую литературу: С.Г. Калашников «Электричество», Д.В. Сивухин «Общий курс физики: Электричество Том 3»,

1. Описание пьезоэлектрического эффекта

Во многих кристаллах при растяжении и сжатии в определенных направлениях возникает электрическая поляризация. В результате этого на их поверхностях появляются электрические заряды обоих знаков. Это явление, получившее название прямого пьезоэлектрического эффекта. Оно наблюдалось затем на кристаллах турмалина, цинковой обманки, хлората натрия, винной кислоты, тростникового сахара, сегнетовой соли, титаната бария и многих других веществ. Пьезоэлектрическими свойствами могут обладать только ионные кристаллы. Если кристаллические решетки положительных и отрицательных ионов, из которых построены такие кристаллы, под действием внешних сил деформируются по-разному, то в противоположных местах на поверхности кристалла выступают электрические заряды разных знаков. Это и есть пьезоэлектрический эффект. При однородной деформации пьезоэлектрический эффект наблюдается при наличии в кристалле одной или нескольких полярных осей (направлений). Под полярной осью (направлением) кристалла понимают всякую прямую, проведенную через кристалл, оба конца которой неравноценны, т. е. невзаимозаменяемые. Иными словами, при повороте кристалла на 180° вокруг любой оси, перпендикулярной к полярной, он не совмещается сам с собою. Вообще, для существования пьезоэлектрического эффекта при однородной деформации необходимо отсутствие, у кристалла центра симметрии. Действительно, если бы недеформированный кристалл имел центр симметрии, то последний сохранился бы и при однородной деформации кристалла. С другой стороны, в электрически поляризованном кристалле есть особое направление, а именно направление вектора поляризации. При наличии такового кристалл не может иметь центр симметрии. Получившееся противоречие и доказывает наше утверждение. Из 32 кристаллических классов не имеет центра симметрии 21 класс. У одного из них, однако, сочетание других элементов симметрии делает пьезоэлектрический эффект также невозможным. Таким образом, пьезоэлектрические свойства наблюдаются у 20 кристаллических классов.

а) Кристаллическая структура эффекта

Рассмотрим пьезоэлектрический эффект на примере кристалла кварца - важнейшего пьезоэлектрического кристалла, нашедшего широкие научно-технические применения благодаря своим превосходным механическим и электрическим свойствам. При обычных температурах и давлениях кварц встречается в так называемой

Они и являются полярными осями кристалла. Каждая из них соединяет противоположные, но неравнозначные ребра шестигранной призмы. Неравнозначность этих ребер видна из того, что к краям одного из них примыкают маленькие грани, обозначенные на рисунке буквами aи b, тогда как у краев другого ребра таких граней нет. Четвертая ось

При механических воздействиях на кристалл кварца на концах полярной оси (точнее, на перпендикулярных к ней гранях) появляются противоположные электрические заряды. Не обязательно, чтобы приложенные внешние силы действовали в направлении рассматриваемой полярной оси. Необходимо лишь, чтобы в результате действия внешних сил возникало растяжение или сжатие вдоль этой оси.

При температуре до 200 °С пьезоэлектрические свойства кварца практически не зависят от температуры. С дальнейшим повышением температуры пьезоэлектрический эффект медленно убывает. При 576 °С

б) Модельное рассмотрение

Возникновение пьезоэлектрического эффекта легко понять с помощью модельного рассмотрения, предложенного Мейсснером . Химическая формула кварца имеет вид

Для упрощения рассуждений заменим каждую пару соседних ионов кислорода одним отрицательным ионом с удвоенным зарядом. Мы придем к упрощенной модели ячейки, изображенной на рис. 3а). Если подвергнуть такую ячейку сжатию вдоль полярной оси

При этом сохраняется симметрия ячейки относительно плоскости, проходящей посередине между плоскостями С и D, и на этих плоскостях не возникает никаких зарядов. Однако ион кремния 3 и ион кислорода 4 смещаются наружу. Благодаря этому возникает дипольный момент, направленный в положительную сторону полярной оси