доклад. Доклад на тему. Пьезоэлектрики
 Скачать 32.4 Kb.
|
|
Доклад на тему: «Пьезоэлектрики» Пьезоэлектрики — это диэлектрики, обладающие ярко выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Пьезоэлектрический эффект бывает прямым и обратным. Для прямого пьезоэффекта характерна электрическая поляризация диэлектрика, наступающая вследствие действия на него внешнего механического напряжения, при этом индуцируемый на поверхности диэлектрика заряд оказывается пропорционален приложенному механическому напряжению:  При обратном пьезоэффекте явление проявляет себя наоборот - диэлектрик изменяет свои размеры под действием приложенного к нему внешнего электрического поля, при этом величина механической деформации (относительная деформация) будет пропорциональна напряженности приложенного к образцу электрического поля:  Коэффициентом пропорциональности и в том и в другом случае выступает пьезомодуль d. Для одного и того же пьезоэлектрика пьезомодули для прямого (dпр) и обратного (dобр) пьезоэффекта равны между собой. Таким образом, пьезоэлектрики — это своеобразные обратимые электромеханические преобразователи. К пьезоэлектрическим материалам относятся вещества, обладающие достаточно сильным пьезоэффектом, в виде монокристаллов, керамик, пленок, композитов. Если ранее в основном использовались естественные минералы (кварц, турмалин, цинковая обманка и др.), то в последующем они были заменены на разнообразные синтезированные материалы (например, ниобат лития, триборат лития, пьезокерамики, пьезополимеры и т.д.). Пьезоэлектрические материалы получают различными способами. Монокристаллы и монокристаллические пленки выращиваются из газовой фазы, из растворов и расплавов. Выбор метода выращивания определяется областью устойчивости вещества, температурой и типом фазового перехода, химическими свойствами. Различают прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты. Прямой пьезоэффект состоит в том, что под действием механических напряжений (или деформаций) в пьезоэлементе возникает электрическая поляризация, величина и направление которой зависит от приложенного напряжения. Обратный пьезоэффект состоит в том, что под действием приложенного электрического поля в пьезоэлектрике возникает механическая деформация (или напряжение), величина и тип которой зависит от приложенного поля. Как прямой, так и обратный пьезоэффект - эффекты линейные. Пьезоэффект существует только в анизотропных твердых диэлектриках. Если на пьезоэлектрик начать действовать переменным электрическим полем, то в нем возникнет той же частоты переменная деформация. Если пьезоэффект продольный, то деформации будут носить характер сжатия и растяжения по направлению приложенного электрического поля, а если поперечный, то станут наблюдаться поперечные волны. Если частоту приложенного переменного электрического поля сделать равной резонансной частоте пьезоэлектрика, то амплитуда механической деформации будет максимальной. Резонансную частоту образца можно определить по формуле (V - скорость распространения механических волн, h - толщина образца):  Важнейшей характеристикой пьезоэлектрического материала служит коэффициент электромеханической связи, показывающий, соотношение между мощностью механических колебаний Pа и электрической мощностью Pэ, затрачиваемой на их возбуждение посредством действия на образец. Данный коэффициент обычно принимает значение из диапазона от 0,01 до 0,3.  Монокристаллические пьезоэлектрики Данный класс пьезоэлектриков включает в себя ионные сегнетоэлектрики и кристаллическую модификацию кварца (бета-кварц SiO2). Монокристалл бета-кварца имеет форму шестигранной призмы с двумя пирамидами по бокам. Выделим здесь несколько кристаллографических направлений. Ось Z проходит через вершины пирамид, и является оптической осью кристалла. Если вырезать пластину из такого кристалла в направлении перпендикулярном данной оси (Z), то пьезоэлектрический эффект получить не удастся. Оси X проведем через вершины шестигранника, здесь три таких оси X. Если вырезать пластины перпендикулярно осям X, то получим образец с наилучшим пьезоэффектом. Оси X называются поэтому у кварца электрическими осями. А три оси Y, проведенные перпендикулярно боковым граням кристалла кварца — механические оси. К поликристаллическим пьезоэлектрикам относится сегнетоэлектрическая керамика. Для придания сегнетокерамике пьезоэлектричексих свойств, такую керамику необходимо в течение часа поляризовать в сильном электрическом поле (напряженностью от 2 до 4 МВ/м) при температуре от 100 до 150°C, чтобы по завершении этого воздействия в ней осталась поляризация, позволяющая в дальнейшем получать пьезоэлектрический эффект. Так получают сильную пьезоэлектрическую керамику с коэффициентами пьезоэлектрической связи от 0,2 до 0,4. Из пьезокерамики изготавливают пьезоэлементы требуемой формы, чтобы потом получать механические колебания необходимого характера (продольные, поперечные, изгибыне). Главные представители промышленной пьезокерамики изготавливаются на основе титаната бария, кальция, свинца, цирконата-титаната свинца, ниобата бария-свинца. Применение пьезоэлектриков Отдельные и соединенные друг с другом пьезоэлементы можно встретить в виде готовых радиотехнических устройств — пьезоэлектрических преобразователей с нанесенными на них электродами. Такие устройства, изготовленные из кварца, пьезокерамики или ионных пьезоэлектриков, служат для генерации, трансформации и фильтрации электрических сигналов. Плоско-параллельную пластинку вырезают из кристалла кварца, прикрепляют электроды — получают резонатор. Частота и добротность резонатора зависит от угла к кристаллографическим осям, под которым вырезали пластинку. Обычно в диапазоне радиочастот до 50 МГц добротность таких резонаторов достигает 100000. Кроме того пьезоэлектрические преобразователи находят широкое применение в качестве пьезотрансформаторов с высоким входным сопротивлением, для характерно большого диапазона частот. По добротности и частоте кварц превосходят ионные пьезоэлектрики, способные действовать на частотах до 1 ГГц. Тончайшие пластинки танталата лития применяются как излучатели и приемники ультразвуковых колебаний частотой от 0,02 до 1 ГГц, в резонаторах, фильтрах, линиях задержки на поверхностных акустических волнах. Пьезоэлектрики широко используются в современной технике как датчики давления, пьезоэлектрические детонаторы, источники звука огромной мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и др. Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика, изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, например, из цирконата-титаната свинца. Сравнительно новой областью применения пьезоэлектриков являются пьезоэлектрические двигатели. В таких двигателях отсутствуют какие-либо обмотки и магнитные поля, поэтому они находят применение в радиотехнических устройствах, лентопротяжных и других приводах магнитофонов, в робототехнике. В пьезодвигателях основным элементом являются поляризованные керамические пластинки, колебания которых преобразуются во вращательное движение ротора. Заключение Таким образом, в современной электронике, радиотехнике, акустике и автоматике широко применяются пьезоэлектрики-монокристаллы, пьезокерамика, композиционные материалы, полимеры. В зависимости от области применения пьезоэлектрика и от физических эффектов, используемых в устройствах, можно выделить следующие классы электромеханических преобразователей: -преобразователи электрических сигналов в упругие волны или механические перемещения; -преобразователи механических колебаний среды в электрические сигналы; -устройства, использующие механический резонанс, возбуждаемый в пьезоэлектрике электрическим полем. |