Пьезоэлектрические преобразователи. Общие сведения.В этих пре­образователях используется пьезо­электрический эффект — возникнове­ние в некоторых веществах электри­ческой поляризации при

Общие сведения. В этих пре­образователях используется пьезо­электрический эффект — возникнове­ние в некоторых веществах электри­ческой поляризации при воздействии на них внешних сил. Объясняется это явление нарушением симметрии эле­ментарной ячейки структуры вещества при ее деформации. Если в недефор­мированной ячейке присутствующие в ней заряды расположены так, что их поля уравновешивают друг друга, то в деформированной ячейке равновесие нарушено и она приобретает электри­ческий момент (рис. 2.34). Ясно, что это может происходить лишь в диэлек­трическом веществе, которое называ­ют пьезоэлектриком. Более точно опи­сываемое явление именуют прямым пьезоэффектом, так как существует и обратный пьезоэффект — возникнове­ние деформации пьезоэлектрика в при­ложенном к нему электрическом поле. Он используется в измерительной тех­нике значительно реже, чем прямой пьезоэффект, поэтому основное внима­ние будет уделено именно последнему.

Рис.2.34. Нарушение взаимокомпенсации электрических моментов при деформации ячейки кристалла: а—Р₁+Р₂+Р₃≈0; б—Р₁+Р₂+Р₃<0.

В макрообъеме явление происхо­дит следующим образом (рис. 2.35,а). Элементарные ячейки, приобретая одинаково направленный электриче­ский момент, становятся диполями, од­нако, в любой внутренней плоскости, параллельной показанной пунктиром, поля диполей компенсируют друг дру­га. Только на наружных поверхностях поля окажутся нескомпенсированны­ми, что и позволяет обнаружить эф­фект. Но так как возникшие заряды являются связанными, никакого то­ка они создать не могут. Чтобы вы­звать его, на поверхность образца на­носят металлические электроды, пре­вращая тем самым образец в пьезо-элемент. Имеющиеся в них свобод­ные заряды разделяются полем пьезозарядов (рис. 2.35,6). Если соеди­нить электроды, в этой цепи возник­нет кратковременный ток, нейтрали­зующий заряды на внешней поверхно­сти электродов (рис. 2.35,в). Таким образом, часть энергии, потраченной на деформацию пьезоэлемента, пре­вратилась в энергию электрического тока. Интересно, что после прекраще­ния тока оставшиеся свободные заря­ды полностью нейтрализуют поле по­верхностных связанных зарядов, так что пьезосвойства никак не обнаружи­ваются. Но как только механическое напряжение снимается, свободные за­ряды, удерживавшиеся полем связан­ных зарядов на внутренних поверхно­стях электродов, становятся действи­тельно свободными, и во внешней цепи опять потечет ток, но уже противопо­ложного направления (рис. 2.35,г).

Рис.2.35. Образование зарядов в образце из пъезоэлектрика:

а - без электродов; б - с разомкнутыми электродами; в - после замыкания электродов; г - после снятия силовой нагрузки. Стрелка - направление тока.

Дата добавления: 2014-01-07