|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Пьезоэлектрический эффект |
 | |
Анимация
0
Описание
Обозначения:
1, 2, 3 - ионы кремния;
4, 5, 6 - удвоенные ионы кислорода;
Х1, Х2, Х3 - оси симметрии.
Если подвергнуть такую ячейку сжатию вдоль полярной оси х1 (рис. 1, b), то ион кремния 3 и ион кислорода 4 вклинятся между окружающими их боковыми ионами. В результате на плоскости А пластинки кварца появятся отрицательный, а на плоскости В - положительный заряды (продольный пьезоэлектрический эффект).
При сжатии в боковом направлении (рис. 1, c) ионы кремния 1 и 2 получают одинаковые противоположно направленные смещения внутрь ячейки. Так же ведут себя ионы кислорода 5 и 6. При этом сохраняется симметрия ячейки относительно плоскости проходящей посредине между плоскостями С и D, и на этих плоскостях не возникает никаких зарядов. Однако ион кремния 3 и ион кислорода 4 смещаются наружу, благодаря чему на плоскости А появляются положительный, а на плоскости В - отрицательный заряды (поперечный пьезоэлектрический эффект). Таким образом знаки зарядов в продольном и поперечном эффектах противоположны.
Из рассмотренной модели следует, что замена сжатия растяжением приводит к изменению знаков электрических зарядов, и что поляризация (величина наведенного дипольного момента) пропорциональна деформации кристалла (когда деформации малы). При справедливости действия закона Гука это означает, что поляризация кристалла при пьезоэлектрическом эффекте должна быть пропорциональна также приложенной силе (напряжению).
Кварцевые пластинки или стержни, применяемые в пьезоэлектрических опытах и приборах, вырезаются обычно так, что деформации вдоль осей Х и Y (рис. 2) делят соответственно поперечный и продольный пьезоэлектрический эффекты, а суммарная поляризация вдоль оси Х будет разностью этих эффектов и определяется выражением:
Px = d11(Tx - Ty),
где Тх и Тy - механические напряжения, действующие параллельно осям Х и Y;
d11 - постоянная, называемая изотермическим пьезоэлектрическим модулем (для кварца d11 = 2,33·10 -12 Кл/Н).
При напряжении Тх = 105 Н/м2 и Тy = 0 плотность наведенного поверхностного заряда пластинки равна:
s = Pх = 2,33·10 -7 Кл/м2,
что соответствует электрическому полю внутри пластинки:
Ex = s/E0 » 2,6·104 В/м.
При толщине пластинки h = 0,5 см она заряжается до разности потенциалов U = 130 В.
Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что при внесении пьезоэлектрического кристалла в электрическое поле в кристалле возникают электрические напряжения, под действием которых кристалл деформируется. Существует продольный обратный пьезоэлектрический эффект (изменяется толщина пластинки) и поперечный эффект (изменятся длина пластинки). В обозначениях рис. 2 величина продольного обратного пьезоэффекта:
Dh = d11h·Ex = d11Ux,
а величина поперечного обратного пьезоэффекта:
Dl = - d11lЧEx = - (l /h)·d11Ux,
где d11 - изотермический пьезоэлектрический модуль;
Dh и Dl - абсолютные приращения размеров пластинки при напряженности электрического поля Ех;
Ux = h·Ex - разность потенциалов между гранью b1 и гранью ей противоположной.
Для кварца d11 = 2,33·10 -12 Кл/Н при толщине пластины 0,5 см и разности потенциалов U = 1000 В, в случае продольного эффекта возникают напряжения:
Тх = EЧDh/h = 0,37·105 Н/м2,
где E - модуль Юнга, для кварца принят равным 7,87·1010 Н/м2.
Физическое рассмотрение обратного пьезоэлектрического эффекта можно провести на той же модели, что и прямого эффекта (рис. 1). Если, например, на плоскости А и В (рис. 1, b) нанести электрические заряды указанных знаков, то ион кремния 3 притягиваются к поверхности А, а ион кислорода 4 - и поверхности В, в результате чего ячейка вытянется в направлении оси Х1 (продольный эффект).
Ионы кремния 1 и 2 будут отталкиваются от поверхности В, а ионы кислорода 5 и 6 - от поверхности А, смещаются при этом внутрь увеличивающегося зазора между ионами 3 и 4. Это приведет к сжатию ячейки вдоль оси Y (поперечный эффект).
Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты были открыты братьями П. и Ж. Кюри (P.Curie 1859-1906; J.Curie 1856-1913).
Ключевые слова
Разделы наук
Используется в научно-технических эффектах
 | Устройства для задержки электрических сигналов, основанные на использовании объемных упругих волн (Ультразвуковые линии задержки на объемных волнах) |
 | Устройство для обнаружения источника звука или шума и определения направления (пеленга) на него (Шумопеленгатор) |
 | Электромеханическое устройство для выделения или подавления электрического сигнала в заданной полосе частот (Акустический фильтр пьезоэлектрический) |
 | Прибор для неразрушающего контроля и определения толщины изделий на основе явления акустического резонанса (Дефектоскоп-толщиномер резонансный) |
| Прибор для сигнализации и выдачи информации о наличии жидкости или сыпучего материала на заданном уровне (Сигнализатор уровня ультразвуковой (импедансный)) |
Используется в областях техники и экономики
Используются в научно-технических эффектах совместно с данным эффектом естественнонаучные эффекты
| 1 | | Участок среды, ограниченный в одном или двух направлениях и служащий для передачи акустических волн (Волновод акустический) |
| 5 | | Возникновение электрической поляризации в анизотропных средах, обладающих определенной кристаллической структурой и симметрией при растяжении и сжатии в определенных направлениях (Пьезоэлектрический эффект) |
| 1 |  | Резонанса механического эффект (Резонанса механического эффект) |
Применение эффекта
Научно-техническое применение пьезоэлектрического эффекта многочисленны и разнообразны. Особенно важное значение имеют пьезоэлектрические датчики для измерения быстропеременных давлений, особенно при регистрации взрывных явлений (в частности, ударных волн в воздухе и в воде). Пьезоэлектрические преобразователи удобны для дистанционной передачи информации в микрофонах и телефонах, для звукозаписи. Пьезоэлектрические стабилизаторы частоты применяются в радиотехнических схемах (в частности в точных измерителях времени).
Особо важное значение имеют пьезоэлектрические (кварцевые) излучатели ультразвука, в которых осуществляются вынужденные механические колебания кристалла под действием приложенного переменного напряжения. При надлежащем подборе параметров возникают резонансные явления, позволяющие создать мощные источники ультразвука для гидроакустики. Ультразвуковая дефектоскопия, применяемая ранее для контроля внутренних частей металлических изделий, в последнее время нашла широкое применение в медицине
Реализации эффекта
Известны сотни веществ, которые в принципе могли бы быть использованы для практического применения пьезоэлектричества.
Однако дополнительные требования (достаточная величина пьезоэффекта, механическая и электрическая прочность, устойчивость к влаге и др.) резко ограничивают число практически пригодных кристаллов. Из них на первом месте стоит кварц. Он превосходный изолятор, поэтому в нем можно возбуждать электрические поля напряженностью до 3Ч106 В/м.
Для использования поляризованных зарядов, появляющихся на противоположных плоскостях кристаллической пластинки (прямой эффект) или для создания электрического поля, поляризующего связанные заряды диэлектрика (обратный эффект) грани кристалла снабжают металлическими обкладками, соединенными с внешней цепью, в которой находятся измерительные электрические приборы (прямой эффект), либо источники постоянного или переменного напряжения (обратный эффект).
Литература
1. Физический энциклопедический словарь.- М.: Энциклопедия, 1966.- С.256-258.
2. Мэзон У. Пьезоэлектрические кристаллы и их применение в ультраакустике.- М., 1952.
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
