Активные диэлектрики: пьезоэлектрики

Пьезоэлектрики — это твердые, анизотропные кристалли­ческие вещества, поляризующиеся под действием механических напряжений.

Образование электростатических зарядов на поверхности ди­электрика и электрическую поляризацию внутри его, происходя­щие в результате воздействия механического напряжения, назы­вают прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Возникающая поляризованность Р прямо пропорциональна приложенному механическому напряжению σ:

                                                       (14.2)

где d — коэффициент пропорциональности, называемый пьезо электрическим модулем или пьезомодулем.

Пьезомодуль определяет поляризацию кристалла (или плот­ность заряда на его обкладках) при заданном приложенном меха­ническом напряжении. Поляризованность измеряют в Кл/м², а ме­ханическое напряжение —в Н/м, поэтому пьезомодуль измеряют в Кл/Н. Изменение знака σ (замена растяжения сжатием) приводит к переполяризации, т. е. изменению знака Р.

Наряду с прямым существует обратный пьезоэлектрический эф­фект, заключающийся в изменении по линейному закону размеров диэлектрика в зависимости от величины напряженности электри­ческого поля. Пьезоэффект широко используют в технике для преобразова­ния механических смещений или напряжений в электрические сигналы (звукосниматели, приемники ультразвука, датчики деформа­ций и др.). Обратный пьезоэффект используют для преобразования электрических сигналов в механические (акустические излучатели, генераторы ультразвука и др.).

Пьезоэлектрический эффект в сегнетокерамике появляется после того, как она будет поляризована силь­ным постоянным полем.

В зависимости от назначения пьезокерамические материалы подразделяют на четыре класса.

Материалы класса I применяют для изготовления высокочувст­вительных пьезоэлементов, работающих в режиме приема или из­лучения слабых механических колебаний.

Материалы класса II предназначены для пьезоэлементов, экс­плуатирующихся в условиях сильных электрических полей или вы­соких механических напряжений, например в мощных источниках ультразвука.

Материалы класса III применяют для изготовления пьезоэлементов с повышенной температурной и временной стабильностью частотных характеристик. Такие элементы используют, например, в фильтрах частотнозадающих генераторах.

Материалы класса IV используют для изготовления высокотем­пературных пьезоэлементов. В качестве высокотемпературных ма­териалов используют сегнетоэлектрики с повышенной точкой Кюри (выше 300°С), так как случайный перегрев пьезоэлемента выше температуры Кюри ведет к потере им пьезоэлектрических свойств.

Кварц – широко распространенный в природе минерал. Кристаллы кварца обладают сильной анизотропией. Наряду с природными кристаллами кварца все шире исполь­зуются синтетические, имеющие ряд преимуществ. Так, добротность пьезоэлементов из природного кварца резко падает при нагревании до 250°С, а пьезоэлементы из синтетического кварца сохраняют высокую механическую добротность (Q_M=5·10⁵) при температу­рах до 500°С.

Пьезоэлектрические свойства кварца широко используют в тех­нике для генерации ультра- и гиперзвуковых волн, для стабилиза­ции и фильтрации радиочастот и для измерения механических ве­личин (пьезометрия).

Пьезоэлектрические резонаторы вырезают из кристалла квар­ца параллельно или перпендикулярно кристаллографическим осям, а также под некоторыми определенными углами к ним (рис. 14.5).

 

⇐ Предыдущая19202122232425262728Следующая ⇒

Поделиться: