Главная страница
Навигация по странице:

  • «ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЯМОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА» ВЫПОЛНИЛ: Серебряков.Ю ГРУППА

  • Задание по подготовке к работе

  • Пьезоэлектрический эффект.

  • Указания по проведению наблюдений

  • Протокол наблюдений

  • Лаба 12 (э33) вариант 1. Отчет по лабораторной работе э33 исследование прямого пьезоэлектрического эффекта


    Скачать 0.61 Mb.
    НазваниеОтчет по лабораторной работе э33 исследование прямого пьезоэлектрического эффекта
    Дата18.12.2021
    Размер0.61 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаЛаба 12 (э33) вариант 1.doc
    ТипОтчет
    #308379

    САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

    ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
    КАФЕДРА ФИЗИКИ


    ОТЧЕТ


    ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № Э-33
    «ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЯМОГО ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА»

    ВЫПОЛНИЛ: Серебряков.Ю

    ГРУППА: 1132

    ФАКУЛЬТЕТ: РТ

    Санкт-Петербург

    2002
    Приборы и принадлежности: установка для исследования пьезоэлектрического эффекта.

    Цель работы: исследование поляризации диэлектрика под действием механических на­пряжений (прямой пьезоэффект) и определение пьезомодуля продольных колебаний в пьезокерамике.


    Установка для исследования пьезо­электрического эффекта (см. рису­нок), используемая в работе, состо­ит из операционного усилителя (ОУ), включенного по схеме интег­ратора, измерительных электродов (Э1 и Э2), подключенных к входу операционного усилителя, вольт­метра V, измеряющего напряжение на выходе операционного усилителя и рычажного устройства (РУ), по­зволяющего регулировать силу на­грузки F на исследуемый пьезоэлектрик (ПЭ), который помещается между измерительными электрода­ми. Пьезоэлектрик цилиндрической формы нагружается силой F, кото­рая меняется за счет перемещения груза вдоль рычага. Отсчет силы производится по шкале.

    Силу можно сделать равной нулю, слегка приподнимая кверху рычаг с грузом. Так как потенциалы электродов Э1 и Э2 равны то, обусловленный действием силы Р, связанный заряд на поверхности ПЭ ра­вен индуцированному на электродах Э1 и Э2 заряду. Если силу сделать равной нулю, то заряды, индуцированные на электродах нейтрализуются. Измерение протекшего при нейтрализации заряда Q осуществляется операционным усилителем ОУ с конденсато­ром С в цепи обратной связи. При снятии нагрузки F весь заряд Q перейдет на конден­сатор С и напряжение V на конденсаторе (т. е. на выходе ОУ)



    где  - поверхностная плотность связанных (поляризационных) зарядов, S - площадь торцевой поверхности ПЭ.

    Задание по подготовке к работе: при подготовке к работе учащийся должен
    1) изучить описание работы и продумать ответы на контрольные вопросы;

    2) подготовите общую часть отчета по лабораторной работе, содержащую титульный лист, краткое описание исследуемых закономерностей, задачи эксперимента, описание (схема или эскиз) лабораторной установки и методики проведения эксперимента;

    3) подготовить протокол наблюдений с соответствующими таблицами.

    Исследуемые закономерности



    Пьезоэлектрический эффект. В некоторых кристаллах поляризация возникает не только под действием внешнего электрического поля, но и при механической деформации. Это явление получило название пьезоэлектрического эффекта. Пьезоэлектрическими свойствами могут обладать только ионные кристаллы. Если кристаллические решетки положительных и отрицательных ионов, из которых построены такие кристаллы, под действием внешних сил деформируются по-разному, то в противоположных местах на поверхности кристалла выступают элек­трические заряды разных знаков. Это и есть прямой пьезоэлектрический эффект.

    Пьезоэлектриками являются монокристаллы, природные или выращенные искусствен­но, такие как кварц, сегнетова соль, а также поликристаллические твердые растворы, подвергнутые предварительной поляризации в электрическом поле, так называемые пьезокерамики.

    Чтобы обнаружить, использовать или измерить пьезоэлектрические заряды на опреде­ленные грани пьезоэлектрика накладывают электроды. При деформации на разомкну­тых электродах появляется разность потенциалов, если электроды замкнуты, на них об­разуются индуцированные заряды, равные по величине и противоположные по знаку поляризационным зарядам. Если деформацию убрать, то пьезоэлектрические заряды исчезнут, а между электродами пройдет суммарный заряд, который можно измерить. Этот заряд равен пьезоэлектрическому заряду.

    Количественной характеристикой пьезоэффекта является совокупность модулей, т.е. коэффициентов пропорциональности в соотношениях между механическими и элек­трическими величинами. Например, поляризация Р, возникающая в пьезоэлектрике под действием однородного механического напряжения Т, выражается соотношением

    P = dT (2)

    где d - один из пьезомодулей. Для продольных колебаний в пьезокерамике значение ко­эффициента d порядка 10-10 Кл/Н.

    Учитывая, что модуль вектора поляризации P равен поверхностной плотности поляризационных зарядов , получим, что при механическом напряжении на пьезоэлектрике в 1 Н/м2, на его поверхности образуется заряд с плотностью  = 10-10 Кл/м2. Так как Р =  и T= F/S, получаем,

    Q = UC = S = dTS = dF

    то есть, выражение, аналогичное формуле (2), а именно:

    Q = dF (3)

    Прямой пьезоэффект используется в устройствах для восприятия акустических сигна­лов и преобразования их в электрические с целью измерения, передачи, воспроизведе­ния, записи или анализа.

    Указания по проведению наблюдений:


    1. Включить измерительную установку.

    2. Перемещением груза установить по шкале значение силы Fi, начав с наименьшего. За­писать установленное значение в протокол наблюдений.

    3. Нажатием кнопки К разрядить конденсатор С.

    4. Снять нагрузку с ПЭ, для чего поднять кверху рычаг с грузом и записать максималь­ное значение изменения выходного напряжения Ui.

    5. Наблюдения по п. 2, 3 и 4 выполнить для разных значений Fi, (не менее 10 значений, более или менее равномерно распределенных по шкале).



    Задание по обработке результатов





    1. Рассчитать значения величины связанных поляризованных зарядов на исследуемом образце, воспользовавшись измеренными значениями Ui . Значение емкости конденсатора С указано на панели установки.

    2. Определение значения пьезомодуля d. Пьезомодуль d определяется из наклона прямых, которые могут быть построены по выражениям (2) и (3).

    Обработка экспериментальных результатов, соответствующих линейным зависимостям, обычно проводится по методу наименьших квадратов. В нашем случае обработка результатов сводится к поиску параметров прямой вида y = kx, для которой значение k находится из минимума суммы квадратов отклонений экспериментальных значений от проводимой прямой. Для этого минимизируется соотношение вида

    , (4)

    из которого прямым дифференцированием по k находится условие искомого минимума суммы квадратов отклонений.

    В работе рекомендуется построить график зависимости связанных поляризованных зарядов от приложенной силы (3), проведя через полученные экспериментальные значения прямую с угловым коэффициентом d = , который и будет искомым значением пьезомодуля.

    Погрешность определения пьезомодуля d оценивается из выражения

    ,

    где N – число наблюдений.

    Протокол наблюдений

    i

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    10

    Fi, Н

    12

    14

    16

    18

    20

    22

    24

    26

    28

    30

    Vi, В

    3,8

    4,4

    5

    5,6

    6,4

    7

    7,8

    8,2

    9

    9,8

    Q­­i, нКл

    4,56

    5,28

    6

    6,72

    7,68

    8,4

    9,36

    9,84

    10,8

    11,8


    Емкость конденсатора: 1200 пФ


    Выполнил: Серебряков Ю.

    Проверил: _________


    i

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    10

    di,

    0,38

    0,37

    0,38

    0,37

    0,38

    0,38

    0,39

    0,38

    0,39

    0,39









    Вывод: в ходе этой лабораторной работы мы исследовали поляризацию диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и определили пьезомодуль продольных колебаний в пьезокерамике. Полученное значение пьезомодуля d = . Так же была рассчитана погрешность полученного результата: d .


    написать администратору сайта