Пьезоэффект

План лекции

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ И ПИРОЭЛЕКТРИКИ

ЛЕКЦИЯ 2.11

Вопросы для самопроверки

1. Что такое сегнетоэлектрики?

2. Природа сегнетоэлектриков.

3. Свойства сегнетоэлектриков.

4. Чем обусловлен диэлектрический гистерезис сегнетоэлектриков?

5. Что такое температура Кюри?

6. Механизм поляризации сегнетоэлектриков.

7. Активные свойства титаната бария

8. Свойства титаната свинца

9. Особенности PZT, PMN, PMD сегнетоэлектриков

10. Применение сегнетоэлектриков.

ТЕМА 2.5. Активные диэлектрики и элементы функциональной электроники

1. Пьезоэффект

2. Материалы пьезоэлектриков

3. Применение пьезоэлектриков

4. Пироэлектрический эффект

5. Материалы пироэлектриков

6. Применение пироэлектриков

Литература [1- 3, 5, 22 - 25, 29]

Пьезоэлектричеством называется способность некоторых кри­сталлов электрически поляризоваться под действием внешних механических напряжений и обратный эффект — способность из­менять свои форму или размеры под действием внешнего электрического поля Е. Отме­тим, что у сегнетоэлектриков обсуждаемые эффекты велики даже при температурах, далеких от температуры аномалии. 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:

Q = dF; Q/S = dF/S = q_s = P = dσ,

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

Таким образом, пьезомодуль d численно равен заряду, возникающе­му на единице поверхности пьезоэлектрика при приложении к нему единицы давления. Значение пьезомодуля, используемых в практике пьезоэлектриков, составляет около 10^-10 Кл/Н. В термодинамике доказывается, что пьезомодули d прямого и об­ратного пьезоэффектов для одного и того же материала равны между собой.

Пьезоэлектрический эффект обратим. При обратном пьезоэлектри­ческом эффекте происходит изменение размеров диэлектрика ∆l/l в зависимости от напряженности электрического поля Е по линейному закону:

∆l/l = δ = dE,

где δ — относительная деформация.

Деформация пьезоэлектрика зависит от направления электричес­кого поля и меняет знак при изменении направления последнего. 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.

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.

Пьезоэффект наблюдается лишь в веществах с гетерополярной хими­ческой связью, т. е. пьезоэлектриками могут быть либо ионные, либо сильнополярные диэлектрики. Вто­рым необходимым условием суще­ствования пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в структуре диэлектрика. В против­ном случае деформация вызывает симметричное смещение положи­тельных и отрицательных зарядов, и электрический момент не возни­кает.

Дата добавления: 2014-01-20