П’єзоелектрики

В 1880 році братами П. і Ж. Кюрі був відкритий прямий п’єзоефект - виникнення електростатичних зарядів на пластинці, вирізаної із кристала кварцу, під дією механічних напруг. Ці заряди пропорційні механічній напрузі, міняють знак разом з ним і зникають після зняття напруг.

Поряд із прямим п’єзоефект ом, спостерігається й зворотний п’єзоефект, коли під дією електричного поля виникає механічна деформація кристала, причому величина механічної деформації прямо пропорційна напруженості електричного поля.

Зворотний п’єзоефект не слід змішувати з електрострикцією - деформацією діелектриків під дією електричного поля. Електрострикція спостерігається як у твердих діелектриках, так і рідких, тоді як п’єзоефект спостерігається тільки у твердих діелектриках з певною кристалічною структурою. Крім того, при електрострикції спостерігається квадратична залежність між напруженістю поля й деформацією, а при п’єзоефекті - залежність лінійна.

П'єзоелектричний ефект спостерігається тільки тоді, коли кристалічні ґратки несиметричні. Відсутність центра симетрії кристалічних ґраток є необхідним, але недостатньою умовою появи п'єзоелектричного ефекту.

Як відзначалося вище, при прямому п’єзоефекті заряди на поверхні діелектрика пропорційні прикладеній силі.

П’єзоелектричні матеріали

У цей час відома велика кількість речовин, що володіють п'єзоелектричними властивостями, у тому числі - всі сегнетоелектрики. Однак не всі п'єзоелектричні матеріалу знайшли технічне застосування.

Одним з найбільш відомих п’єзоелектриків є монокристалічний кварц - безводний діоксид кремнію, що кристалізується в тригонально-трапецоедричному класі гексагональної сингонії. Великі природні прозорі кристали кварцу одержали назву гірського кришталю. У кристалах кварцу прийнято розрізняти три головні осі: Х - вісь, що проходить через вершини шестикутника поперечного переріза (таких осей 3); Y - вісь, перпендикулярну осям шестикутника поперечного переріза (таких осей також три); Z - осі, що проходить через вершини кристала.

Пластинки кварцу, вирізані перпендикулярно осі Z, не мають п'єзоелектричний ефект. Найбільший ефект спостерігається в пластинках, вирізаних перпендикулярно осі Х.

Рис2. Кристал кварцу і схема появи п’єзоелектричного ефекту

Плоскопаралельна полірована пластинка кварцу з електродами й тримачем являє собою п'єзоелектричний резонатор, тобто є коливальним контуром з

певною резонансною частотою коливань. Резонансна частота залежить від товщини пластинки й напрямку зрізу. Перевагами кварцових резонаторів є малий tgd і висока механічна добротність. Завдяки високій механічній добротності кварцові резонатори використають як фільтри з високою вибірною здатністю, а також для стабілізації й еталанована частоти в генераторах. Одним з найважливіших вимог до таких резонаторів є температурна стабільність резонансної частоти. Цій вимозі задовольняють пластинки спеціальних косих зрізів стосовно головних осей.

Природні кристали кварцу, як правило, містять дефекти, що знижують їхня цінність. Тому основні потреби пєзотехніки задовольняються штучними кристалами, вирощуваними з насичених кремнієм лужних розчинів.

Крім кварцу, як матеріали для п'єзоелектричних елементів широко використають ніобат і танталат літію. По своїй природі дані матеріали є сегнетоелектриками. Для додання їм п'єзоелектричних властивостей роблять відпалювання у сильному електричному полі, що проводить до створення монодоменного стану.

Аналогічним образом можна перевести в п'єзоелектричне стани сегнетокераміку. Поляризовану сегнетокераміку називають пєзокерамікою. Пєзокераміка має перед монокристалами та перевага, що з її можна виготовити активний елемент будь-якої форми й розміру. Як матеріал для пєзокераміки використають тверді розчини на основі титанату барію, титаната-цирконата свинцю, метаніобата свинцю.

Пєзокерамічний матеріали прийнятий розділяти на чотири функціональні групи. Матеріали групи 1 використають для виготовлення високочутливих елементів, що працюють у режимі прийому або випромінювання механічних коливань. Для таких матеріалів необхідний великий пєзомодуль. Матеріали

групи 2 використають для виготовлення генераторів сильних сигналів, що працюють в умовах сильних електричних полів або високих механічних напруг. Для таких матеріалів необхідно високий питомий електричний опір. Матеріали групи 3 використають для виготовлення пєзоелементів, що володіють підвищеною стабільністю резонансних частот залежно від температури й часу. Матеріали групи 4 використаються для виготовлення високотемпературних пєзоелементів.

Дата добавления: 2015-08-31