Основные сведения о сегнетоэлектриках, пьезоэлектриках, пироэлектриках

Существуют многочисленные вещества (кристаллы), на поверхности которых при механических деформациях возникают электрические заряды, диэлектрик при этом поляризуется. Такие вещества называются – пьезоэлектрики (Рис. 44).

У некоторых пьезоэлектриков подрешетка положительных ионов оказывается смещенной относительно подрешетки отрицательных ионов в состоянии термодинамического равновесия, в результате кристаллы поляризованы в отсутствие внешнего поля (обладают спонтанной поляризацией). При нагревании, происходит смещение подрешеток, изменяется спонтанная поляризованность и на поверхности кристалла возникают электрические заряды. Возникновение этих зарядов – прямой пироэлектрический эффект, а эти кристаллы – пироэлектрики.

    Рис. 44.

Среди пироэлектриков выделяют подкласс – сегнетоэлектрики – вещества, у которых в отсутствие внешнего электрического поля в определенном интервале Т и Р существует спонтанная поляризация, направление которой можно изменить внешним электрическим полем.

Пьезоэлектрики

Для существования пьезоэффекта необходимо отсутствие у кристалла центра симметрии (SiO₂ – кварц, титанат бария, сегнетова соль и т.д.).

  Рис. 45

Как показывает опыт, заряды на поверхности пьезоэлектрика возникают в результате однородных деформаций сжатия или растяжения, происходящих в определенных направлениях – называемых пьезоэлектрическими осями (которые обычно перпендикулярны оптической оси кристалла) (Рис. 45)

- При растяжении вдоль оси Х – на перпендикулярных ей гранях появится разноименные поляризационные заряды - продольный пьезоэффект (Рис. 46)

рис.46

- Поперечный пьезоэффект (Рис. 47)..

  Рис. 47

При этом в первом приближении:

Поляризованность пьезоэлектрика вызовет появление поля , а следовательно между разноименными гранями деформированного пьезоэлектрика возникнет разность потенциалов U, которую можно измерить и по ее величине, оценить – деформацию и силу F. (U ~ десятки ÷ тысячи В).

Примечание: пьезоэлектрические датчики быстропеременных давлений, пьезоэлектрические микрофоны.

Объяснение механизма пьезоэффекта (SiO₂ – кварц) (Рис. 48).

При сжатии элементарная ячейка деформируется, ионы вдавливаются внутри ячейки, на плоскостях противоположных появляются заряды.

Пьезоэлектрические свойства – зависят от T. При некоторой Т кристаллическая решетка перестраивается так, что центр симметрии исчезают пьезоэлектрические свойства кристалла (SiO₂ от 200^о – 576 ^оС свойства медленно ослабевают, становится просто диэлектриком).

  Рис. 49

Наряду с прямым пьезоэффектом (возникновение поляризованного заряда при деформации) существует обратный пьезоэффект – деформирование пьезоэлектрика во внешнем электрическом поле (рис.49) (вытекает из ЗСЭ и существования прямого пьезоэффекта)

Если бы пьезоэффекта не было А_внешн = (при сжатии). Т.к. есть пьезоэффект (сила, обратного пьезоэффекта).

    Рис. 50

Одинаковые знаки зарядов на пластине соответствуют различнвм деформациям при прямом и обратном пьезоэффекте (Рис. 50).

Прямой и обратный пьезоэффект применяется в качестве электромеханических преобразователей электрической энергии в механическую и колебательную – составные пьезоэлементы для осуществления деформаций различного типа:

• Пьезоэлектрический микрофон, телефон, громкоговоритель.
• Манометры
• Измерений вибраций
• Для стабилизации частоты генераторов
• Источники ультразвуковых волн.

Сегнетоэлектрики (сегнетова соль, титанат бария)

Кристаллы сегнетоэлектриков имеют различную анизотропию свойств и обладают особенностями:

1. Относительная диэлектрическая проницаемость весьма велика (~ 10⁴) в некотором температурном диапазоне. На границе температурного диапазона сегнетоэлектрик в результате фазового перехода превращается в поляризованный диэлектрик.

    Рис. 51

2. – электрическое смещение нелинейно зависит от напряженности зависит от .

3. Значение электрического смещение определяется не только значением напряженности , но зависит еще от предшествовавших состояний поляризации – диэлектрический гистерезис.

4. Сегнетоэлектрические свойства зависят от температуры. Существует – температура Кюри – когда сегнетоэлектрик превращается в результате фазовых переходов в обычный поляризованный диэлектрик. У некоторых сегнетоэлектриков (сегнетова соль) существует две температуры Кюри (+24 и -18 ^оС) и сегнетоэлектрические свойства наблюдаются в температурном интервале.

Дата добавления: 2014-01-04