Магнитострикционный эффект
Ультразвуковые генераторы
Ультразвуковое резание
Снижение механических усилий при обработке режущим инструментом
Ультразвуковая очистка
Ультразвуковая сварка
Ультразвуковая пайка лужение
Ультразвуковой контроль
Ультразвуковой экспресс анализ
Ускорение производственных процессов
Ультразвуковая пропитка
Ультразвук в металлургии
Ультразвук в горном деле
Ультразвук в электронике
Ультразвук в сельском хозяйстве
Ультразвук в пищевой промышленности
Ультразвук в биологии
Ультразвуковая диагностика заболеваний
Ультразвуковое лечение заболеваний
На суше и на море

В 1880 году французские ученые братья Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект. Сущность его заключается в том, что если деформировать пластинку кварца, то на ее гранях появляются противоположные по знаку электрические заряды. Следовательно, пьезоэлектричество - это электричество, возникающее в результате механического воздействия на вещество ("пьезо" по-гречески означает "давить").
Впервые пьезоэлектрические свойства были обнаружены у горного хрусталя - одной из разновидностей кварца. Горный хрусталь представляет собой прозрачные, бесцветные, похожие на лед кристаллы. Советский минералог А. Е. Ферсман в книге "Занимательная минералогия" писал: "Возьмите в руку обломок горного хрусталя и такой же кусочек стекла - оба похожи и по своему цвету, и по прозрачности. Если их сломать, у них будут одинаково острые, режущие края и форма излома. Но будет и различие: горный хрусталь долгое время останется холодным в вашей руке, стекло очень скоро сделается теплым... Знали ли это свойство древние греки или нет - неизвестно, но во всяком случае это они дали нашему камню название "хрусталь" от греческого наименования "лед", так как действительно горный хрусталь очень похож на лед..."
В природе встречается почти двести разновидностей кварца. Это и золотисто-желтый цитрин, кроваво-красный сердолик, красновато-коричневый с золотым отливом авантюрин, фиолетовый аметист и многие другие. Почти десятую часть земной коры составляют различие виды кварца. Даже обыкновенный песок состоит г лавным образом из зерен кварца.
Кварц широко применяется в науке и технике. Он роспускает ультрафиолетовые лучи, тверд и тугоплавок. посуду из кварцевого стекла можно раскалить докрасна сразу погрузить в ледяную воду. Он устойчив почти ко сем кислотам и плохо проводит электрический ток. Но самым замечательным его свойством считается пьезоэлектричество. Если пластину, определенным образом урезанную из кристалла кварца, сжимать и разжимать, о на ее гранях будут возникать электрические заряды противоположными знаками. Чем сильнее сжатие, тем больше заряд. Возникновение электрических зарядов на гранях кварцевой пластинки при ее деформации получило название прямого пьезоэлектрического эффекта.
Если же к такой кварцевой пластинке подвести электрический заряд, она изменит свои размеры. Чем больше заряд, тем сильнее деформируется пластинка. При действии на пластинку переменного электрического поля она сжимается или разжимается в такт изменению знаков приложенного напряжения. Если последнее изменяется с ультразвуковой частотой, то и пластинка колеблется также с ультразвуковой частотой, на чем и основав но применение кварца для получения ультразвуковых волн. Изменение размеров кварцевой пластинки под действием электрических зарядов называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.
Прямой пьезоэлектрический эффект используют в приемниках ультразвуковых колебаний, где последние преобразуются в переменный ток. Но если к такому приемнику приложить переменное напряжение, в полной мере обнаруживается и обратный пьезоэффект. В этом случае переменный ток преобразуется в ультразвуковые колебания и приемник работает как ультразвуковой излучатель. Следовательно, пьезоэлектрический приемник и излучатель могут быть представлены в виде одного при-] бора, которым можно поочередно излучать и принимать ультразвуковые колебания. Такой прибор называют ультразвуковым акустическим преобразователем.
Акустические преобразователи с успехом используются в различного рода электроакустических системах, в частности в системах, предназначенных для акустических и гидроакустических измерений и исследований. Пьезоэлектрические приборы широко применяются и при исследовании космического пространства. Ныне их представляют некоторые датчики, передающие данные о состоянии космонавта, об условиях внутри космического корабля, предупреждающие о метеоритной опасности и т. п.
Пьезоэлектрические приборы помогают "ощупать" детали самолетов, выявить ошибки в их расчетах и предотвратить опасные последствия этих ошибок; "заглянуть" в ствол стреляющего орудия, чтобы измерить давление или получить другие данные. Пьезоэлектричество используется в радиотехнике и телевидении. Пьезоэлектрические приборы помогают находить косяки рыб, исследовать земные недра, искать полезные ископаемые ставить диагнозы и лечить людей, анализировать и ускорять химические процессы и т. д.
Одним из основных материалов, применяемых для изготовления ультразвуковых преобразователей, долгое время считался кварц. Но излучатель, сделанный из маленькой кварцевой пластинки, имеет небольшую мощность. Чтобы повысить ее, увеличивают площадь излучающей поверхности путем составления пластинок кварца в виде своеобразной мозаики.
В природе кристаллы кварца встречаются в основном сравнительно небольших размеров, хотя и бывают исключения. В Восточных Альпах геологи в одном гнезде нашли шесть кристаллов горного хрусталя общей массой свыше полутора тонн. Еще более уникальную находку обнаружили уральские геологи, которые открыли месторождение хрусталя с целым семейством кристаллов-великанов. Сначала из породы извлекли кристаллы массой 800 килограммов. Последующий упорный поиск дал совершенно ошеломляющие результаты - было найдено созвездие из двадцати прозрачных чистых кристаллов. Их общая масса превысила 9 тонн. Однако такие находки не могут удовлетворить все возрастающие потребности науки и техники в кристаллах кварца. Поэтому их пытаются выращивать искусственно в лабораториях, но, к сожалению, они растут медленно и производство их дорогостоящее.
В поисках других пьезоэлектрических материалов ученые обратили внимание на сегнетову соль. Впервые ее получил из солей винной кислоты французский аптекарь Сегнет. Сегнетова соль легко обрабатывается, кристалл сегнетовой соли можно разрезать обыкновенной ниткой, смоченной водой. По сравнению с другими пьезокристаллами, в том числе и по сравнению с кварцем, кристалл сегнетовой соли обладает значительно большим пьезоэлектрическим эффектом, самое ничтожное механическое воздействие на пластинку приводит к появлению электрических зарядов. Однако у сегнетовой соли есть и серьезные недостатки, которые ограничивают ее практическое применение. Это в первую очередь низкая температура плавления - около 60 градусов, при которой кристалл сегнетовой соли теряет пьезоэлектрические свойства, и они уже больше не восстанавливаются. Сегнетова соль Растворяется в воде и, следовательно, боится влаги. Кроме того, она непрочна и не выдерживает больших механических нагрузок.
Изыскания новых пьезоэлектрических материалов особенно настойчиво проводились во время второй мировой войны. Они были вызваны "кварцевым голодом", возникшим вследствие широкого использования пьезокварца в гидроакустических приборах и в военной радио электронике. Так, для изготовления пьезоэлектрических преобразователей в то время применялись кристаллы дигидрофосфата аммония. Этот материал стабилен по частоте, позволяет работать с большими мощностями и в широком диапазоне частот. Долгое время применялись и другие пьезоэлектрические материалы, такие, как фосфат аммония, сульфат лития и дигидрофосфат калия. В гидроакустических преобразователях их использовали в виде мозаичных пакетов. Однако всем этим пьезокристаллам присущ общий недостаток - малая механическая прочность. Поэтому ученые настойчиво искали заменитель, который был бы близок к ним по пьезоэлектрическим свойствам и не имел бы вышеуказанног недостатка. И такой заменитель был найден советскими учеными, работавшими под руководством члена-корреспондента Академии наук СССР Б. М. Вула. Это был титанат бария, который не является кристаллом, как кварц и сегнетова соль, и сам по себе не обладает пьезоэлектрическими свойствами.
Титанат бария получают искусственным путем, так как в недрах земли он встречается очень редко. Для этого смесь двух минеральных веществ - углекислого бария и двуокиси титаната - обжигают при очень высокой температуре. Получается желтовато-белая масса, которая по своему виду и механическим свойствам напоминает обыкновенную глину. Этой массе, как и глине, можно придать любую форму, но она будет механически прочной и не растворимой в воде. А для того чтобы титанату бария придать пьезоэлектрические свойства, обожженную массу помещают в сильное электрическое поле, затем охлаждают. В результате происходит поляриза ция кристалликов титаната бария, их диполи (совокупность двух разноименных, но равных по абсолютной величине электрических зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга) занимают одинаково положение, а после охлаждения фиксируются, как бы "замораживаются" в этом состоянии. У полученного материала пьезоэлектрический эффект в 50 раз больше, чем у кварца, а стоимость его невысокая, так как для его изготовления имеется очень большое количество сырья. К недостаткам титаната бария относятся большие механические и диэлектрические потери, что приводит к его перегреву, а при температуре более 90 градусов значительно снижается пьезоэлектрический эффект.
Керамику из титаната бария можно резать, шлифовать, полировать, придавая преобразователю необходимые форму и размеры (плоская пластина, цилиндр, полусфера, часть сферы и т. д.). У преобразователей из титаната бария более эффективно превращение электрической энергии в механическую, большая стойкость к электрическому пробою, они могут работать при малых напряжениях. Кроме того, ультразвуковые преобразователи из титаната бария способны работать в импульсном режиме.
Для изготовления пьезоэлектрических преобразователей используют и другую пьезокерамику: смесь циркония с титанатом свинца (ЦТС), у этой пьезокерамики пьезоэффект вдвое больше, чем у титаната бария. Пьезокерамика ЦТС не растворима в воде, и ее также можно обрабатывать механическим способом.
Одновременно продолжались поиски кристаллов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами и удовлетворяющих необходимым техническим требованиям. Так в поле зрения ученых попал сернистый кадмий. Помимо того что он обладает исключительной способностью усиливать ультразвуковые колебания, на его основе можно изготовить ультразвуковой преобразователь для очень высоких частот, совершенно не доступных кварцу и ти-танату бария. Исследователи предполагают, что кристалл сернистого кадмия окажется рекордсменом по количеству возможных применений. Он не только может служить усилителем и преобразователем ультразвука, но и может быть использован наряду с германием и кремнием как обычный полупроводник. Кроме того, сернистый кадмий - отличное фотосопротивление.
Несколько упрощая, можно сказать, что пьезоэлектрический преобразователь представляет собой один или несколько соединенных определенным образом отдельных пьезоэлементов с плоской или сферической поверхностью, приклеенных на общую металлическую пластину. Для получения большой интенсивности излучения применяют фокусирующие пьезоэлектрические преобразователи, или концентраторы, которые могут иметь самые различные формы (полусферы, части полых сфер, полые цилиндры, части полых цилиндров). Такие преобразователи используют для получения мощных ультразвуковых колебаний на высоких частотах. При этом интенсивность излучения в центре фокального пятна у сферических преобразователей в 100-150 раз превышает среднюю интенсивность на излучающей поверхности преобразователя.

"Звук, ультразвук, инфразвук"

ИЗЛУЧАТЕЛИ И ПРИЕМНИКИ УЛЬТРАЗВУКА

В настоящее время ультразвуковую (УЗ) контрольно-измерительную аппаратуру применяют в самых различных областях науки и техники: в дефектоскопии, при медицинской диагностике, исследовании физических свойств материалов, контроле геометрических размеров объектов и т. д. Обработка полезных сигналов значительно облегчается, если импульсы акустических волн имеют заданную пространственно-временную характеристику. Поэтому важнейшие функциональные и метрологические возможности ультразвуковой аппаратуры неразрушающего контроля определяются, как правило, параметрами электромеханических преобразователей – излучателей и приемников УЗ-колебаний. Ультразвуковые преобразователи – устройства, предназначенные для преобразования электрических колебаний в механические и обратно. В качестве первичных датчиков используют преобразователи различных типов. По принципу действия преобразователи делятся на группы:

– механические;

– электродинамические;

– электрострикционные;

– пьезоэлектрические;

– магнитодинамические;

– магнитострикционные и др.

Наибольшее распространение в современных приборах УЗ-дефектоскопии получили пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП).

Пьезоэлектрический эффект

Под воздействием механического напряжения или деформации в кристалле может возникнуть электрическая поляризация, величина и знак которой зависят от направления и значения приложенного напряжения. Это явление, называемое пьезоэлектрическим эффектом, положено в основу пьезоэлектрических преобразователей.

В качестве материалов для пьезоэлементов используют ионные кристаллы, в структуре которых расположены разноименные ионы (катионы и анионы). При определенных типах симметрии кристаллической решетки ионных кристаллов их деформация приводит к пространственному перераспределению электрических зарядов. Иначе говоря, природа пьезоэлектрического эффекта связана с изменением положения ионов в кристаллической решетке вещества. Под влиянием деформации ионы перемещаются таким образом, что образуются электрические диполи и кристалл оказывается поляризованным (рис. 1.1).

Если к поверхностям пьезоэлемента приложить переменное электрическое напряжение, то преобразователь вследствие пьезоэффекта будет генерировать механические колебания (сжиматься и растягиваться) с частотой приложенного электрического напряжения. Таким образом, пьезоэлектрический преобразователь позволяет трансформировать электрические колебания в ультразвуковые (режим излучения), и наоборот, ультразвуковые в электрические (режим приема).

В преобразователях УЗ-дефектоскопов пьезоэлементы обычно имеют форму плоскопараллельных пластин. На рис. 1.2 показаны различные типы деформаций, которые может испытывать пластина. Для генерации или приема продольных колебаний используют деформацию растяжения-сжатия, сдвиговую деформацию – для генерации или приема поперечных колебаний.

С математической точки зрения пьезоэффект можно определить как совокупность уравнений, линейно связывающих механические и электрические величины. Коэффициенты пропорциональности между этими величинами называют пьезоэлектрическими коэффициентами (пьезомодулями) , которые в общем случае представляют собой тензоры третьего ранга. Это обусловлено тем, что вследствие низкой симметрии кристаллической структуры любой пьезоматериал является анизотропным веществом.

Уравнения прямого пьезоэффекта:

Уравнения обратного пьезоэффекта:

где – вектор поляризации; – тензор механического напряжения; – тензор относительной деформации; – вектор напряженности электрического поля; , , , – пьезомодули.

Благодаря симметрии по индексам i, k пьезомодули имеют 18 независимых компонентов. Уравнения (1.1–1.8) показывают, в каком состоянии находится образец, обладающий пьезосвойствами:

1) механический зажатый образец – деформация постоянна и равна нулю.

2) механически свободный образец – напряжения равны нулю.

3) электрически свободное (закороченное) состояние – вся поверхность находится под одним и тем же потенциалом.

4) электрически зажатое (разомкнутое) состояние соответствует полной электрической изоляции образца, т. е. отсутствию на его поверхности свободных зарядов.

Рис. 1.1. Расположение ионов в кристалле:

а – деформация отсутствует, кристалл электрически нейтрален;

б – смещение зарядов в результате деформации

Рис. 1.2. Типы деформации пьезоэлектрических пластин:

а – растяжение-сжатие по толщине; б – растяжение-сжатие по ширине;

в – сдвиг по толщине; г – сдвиг по ширине

На практике чаще реализуются коэффициенты и . Коэффициент характеризует электрическую поляризацию. Материалы с большим значением используют в режиме приема и излучения, если необходима сильная деформация. Материалы с большим значением пьезокоэффициента используют в режимах приема и излучения для создания большого напряжения. Следует особо подчеркнуть, что пьезомодули прямого и обратного пьезоэффекта не равны между собой. Симметричность тензора пьезомодулей позволяет в практических расчетах использовать матричную форму записи уравнений. При этом вводят следующую систему обозначений:

И учитывают равенства:

Матрица пьезомодулей d для кристаллов a-кварца имеет вид

.

Строки матрицы характеризуют поляризацию вдоль кристаллографических осей X , Y и Z (строки 1, 2 и 3 соответственно). Из приведенной выше матрицы следует, что вдоль направления Z кварц пьезоэлектрически нейтрален. Модуль d 11 характеризует деформацию пьезопластин типа растяжение-сжатие, d 14 – сдвиговую деформацию.

Наибольший практический интерес представляет собой обратный пьезоэффект, возбуждаемый в пьезоэлектрике приложенным к нему переменным напряжением. В этом случае кварцевая пластина будет совершать вынужденные механические колебания в такт изменения внешнего поля. Амплитуда этих колебаний достигает максимума, когда частота электрического поля окажется равной частоте собственных колебаний пластины.

Благодаря обратному пьезоэффекту возможно возникновение колебаний по длине и по толщине пластины. Если пренебречь колебаниями по длине, то собственная частота основных продольных колебаний будет равна

, (1.9)

где ρ – плотность кристалла, С 11 – соответствующий данному типу и ориентации колебаний модуль упругости. Однако эта формула верна лишь в приближении отсутствия поперечного сжатия.

Пьезокристалл представляет собой электромеханический преобразователь. При подаче напряжения в нем запасается определенное количество электрической энергии, часть которой в силу пьезоэлектрических свойств кристалла переходит в механическую энергию упругих деформаций. Соотношение этих энергий есть мера эффективности электромеханического преобразователя и называется коэффициентом электромеханической связи k .

При колебаниях по толщине механическая энергия на единицу объема кристалла определяется как

, (1.10)

электрическая энергия на единицу объема:

Квадрат коэффициента электромеханической связи k 2 определяется как отношение генерируемой в кристалле механической энергии к запасаемой в нем электрической, следовательно

. (1.12)

Указанный коэффициент связывает пьезоэлектрический модуль с упругими и диэлектрическими параметрами кристалла, то есть наилучшим образом характеризует кристалл как электромеханический преобразователь.

Наряду с пьезопреобразователями для целей УЗ-контроля используются другие физические явления, например, электрострикцию. Главная отличительная особенность эффекта электрострикции состоит в нелинейной взаимосвязи между электрическими и механическими величинами. Упрощенно уравнение электрострикции можно записать в следующем виде:

где – коэффициент электрострикции (обычно это тензор четвертого ранга, имеет 81 независимую компоненту).

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего и профессионального образования Свердловской области

Управление образования Верхнесалдинского городского округа

Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа № 2 с углубленным изучением физики, математики, русского языка и литературы»

Исследовательский проект

(научно - техническое направление)

Пьезоэлектрический эффект: эффектен или эффективен?

Исполнитель: Ионкин Александр

учащийся 11 а класса ОУ №2

Руководитель: Шевчук Любовь Александровна

Учитель физики, высшая категория

Верхняя Салда 2008

Введение

«Ощущение тайны - наиболее прекрасное из

доступных нам переживаний. Именно это

чувство стоит у колыбели истинного искусства

и настоящей науки».

Альберт Эйнштейн

Необыкновенная, феноменальная физика? Что может быть в ней такого необыкновенного или удивительного? Конечно, физики считают физику захватывающей наукой, но это потому, что она составляет дело их жизни. Открытие новой субатомной частицы или нахождение нового способа объяснения знакомого явления может привести в сильный трепет. Однако небольшое, но приносящее удовлетворение волнение способно вызвать наблюдение и понимание повседневных явлений природы в окружающем нас мире. Ведь куда занятнее иметь дело с звукозаписью, дистанционными датчиками и зажигалками, если понимать их суть. Поистине удивительны, феноменальны успехи физики в объяснении повседневных явлений.

Мы живем в ХХI веке, веке новых технологий. Жизнь не стоит на месте. Происходит развитие науки, техники, промышленности, технологии и везде используются новейшие подходы к тем или иным процессам. Уже известные, открытые давно и кем-то явления, находят свое новое применение, второе рождение или находят использование в смежных с наукой и техникой областях - архитектуре, строительстве, связи и прочее.

Так и пьезоэлектрический эффект находит широчайшее применение. Мне кажется даже, что есть еще очень много скрытых резервов, ненайденных областей и сфер его применения.

В этом учебном году я начал работать над своим исследовательским проектом по научно-техническому направлению «Пьезоэлектрический эффект: эффектен или эффективен?».

При работе над проектом я ставил перед собой цель: выяснить возможности применения пьезоэлектрического эффекта в различных областях жизнедеятельности человека.

Для себя я выделил следующие задачи:

Познакомиться с историей открытия и изучения явления пьезоэлектрического эффекта;

Рассмотреть теорию пьезоэлектрического эффекта;

Познакомиться со сферами применения пьезоэлектрического эффекта;

Выполнить опыты по демонстрации прямого и обратного пьезоэффектов и предложить способ определения значения напряжения, возникающего при прямом пьезоэффекте.

пьезоэлектрический напряжение эффект

История открытия и исследования пьезоэлектрического эффекта

Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 году братьями Пьером и Жаком Кюри. Они обнаружили, что если кристаллы некоторых диэлектриков (сегнетовой соли, кварца и др.) подвергнуть механическому воздействию, сжатию, то на их поверхности появляются электрические заряды противоположных знаков, или, как теперь принято говорить, в кристалле возникает наведенная поляризация, которая создает внешнее и внутреннее по отношению к кристаллу электрические поля. Это явление - возникновение электрического поля в результате давления - было названо прямым пьезоэффектом.

Было ли это открытие случайным или ему предшествовала научная гипотеза? При исследовании электрических свойств твердых диэлектриков кристаллической структуры Пьер Кюри сформулировал весьма общий принцип, который теперь называется принципом Кюри. Смысл его состоит в следующем: явление обладает всеми признаками симметрии, которыми обладает причина, их породившая; асимметрия явления предопределена асимметрией причины. Поскольку в вершинах кристаллической решетки расположены ионы противоположных знаков, то суммарный заряд кристаллов любой формы равен нулю. Однако если центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают, то дипольный момент кристалла отличен от нуля и обладает поляризацией. Поэтому если дипольный момент кристалла в недеформированном состоянии равен нулю, то в результате деформации кристалла под механическим воздействием центры положительных и отрицательных ионов могут сместиться один относительно другого и на поверхностях кристалла появляются заряды противоположных знаков. Возможность такого смещения зависит от симметрии (формы) кристалла.

Сформулированный принцип и теория групп позволили выделить классы кристаллов, которые обладают пьезоэффектом. Обратный пьезоэффект состоит в том, что свободные кристаллы, обладающие прямым пьезоэффектом, под воздействием электрического поля деформируются. Вскоре братья Кюри экспериментально подтвердили обратный пьезоэффект.

Первые количественные измерения, устанавливающие связь величины заряда с давлением на кристаллах сегнетовой соли, были проведены Поккельсом в 1894 году.

В математическую форму эти количественные соотношения были облечены немецким ученым Фойгтом (Voigt) в 1910 году. В 1928 году он привел достаточно полную систему этих соотношений, которая обобщала накопленные знания в области пьезоэлектричества за предшествующий период. Соотношения, полученные Фойгтом, являются основополагающими для построения математической модели в электроупругости.

Сразу же широкое применение пьезоэффект находит в грамзаписи, а на производстве -- в многочисленных пьезодатчиках систем контроля и управления.

С середины 30?х годов XX века пьезоэлементы начинают применять в радиолокационных системах: специальные резонаторы и фильтры, изготовленные из природного кварца, выделяли из широкого спектра радиоволну, отраженную от цели, и усиливали ее. В этих устройствах работал уже принцип обратного пьезоэффекта: при подаче на пьезоэлектрик электрического тока кристалл деформировался и в нем возникали колебания, резонирующие с волной, пропускаемой фильтром частоты. Во время второй мировой войны системы ПВО, разработанные англичанами на основе кварцевой пьезоэлектрики, обнаруживали немецкие самолеты на дальних подступах, лишая противника преимущества внезапности. Во многом именно благодаря этому провалился план Геринга разгромить Великобританию силами Люфтваффе.

Развитие авиа-- и ракетостроения в 50?60?е годы потребовало массового производства более точных приборов как для бортовых, так и для наземных систем навигации и радиолокации. Подходящего же (без структурных дефектов) природного кварца добывалось совсем немного. Настоящий пьезотехнический бум начался с середины пятидесятых годов, когда научились выращивать искусственный кристалл кварца -- впервые это удалось сотруднику Института кристаллографии имени Шубникова АН СССР (ИКАН)Александру Штенбергу.

Лангасит - перспективный пьезоэлектрический материал

В 1983 году группа советских ученых физфака МГУ и Института кристаллографии выращивают первый кристалл лангасита (лантан галлиевый силикат -- La 3 Ga 5 SiO 14). Первоначально его планировали использовать в качестве активного элемента твердотельных лазеров с изменяемой частотой излучения, некоторые параметры материала не устроили специалистов по нелинейной оптике. Зато его пьезоэлектрические качества оказались настолько перспективными, что в немыслимые по тем временам сроки, уже через два года после открытия, началось производство кристаллов лангасита на нескольких растовых установках Подольского опытно-химического завода (кураторами выступали специалисты кафедр кристаллографии МИСиСа и ИКАНа). Тогда же «Фонон» -- головной институт по разработке пьезотехники, незадолго до того отпочковавшийся от столичного предприятия «Пьезо», получил задание разработать приборы на лангасите для головок наведения ракет.

Интерес к лангаситу был вызван тем, что он имел более широкую полосу пропускания по сравнению с кварцем и в то же время в отличие от танталата и ниобата лития обладал температурной стабильностью. Ширина пропускания характеризуется спектром сопутствующих основной волне частот, и чем шире полоса пропускания полезного сигнала в усилителях промежуточных частот, тем больший объем цифровой информации может обработать приемопередающая радиоаппаратура и, соответственно, выдать более точные координаты быстролетящей цели. Важность миниатюрных широкополосных фильтров трудно переоценить, когда речь заходит, например, о сотовой связи. Так, для работы телефонов распространенного сейчас стандарта GSM (передача речи и стационарных картинок) требуется полоса пропускания всего в 200 кГц, а для W-CDMA, которому прочат роль всемирного стандарта следующего поколения, поскольку он позволяет передавать видеоизображение в режиме реального времени, необходима полоса шириной уже более 5 МГц. То есть при частоте базовой волны в 2 ГГц показатель ширины пропускания фильтра должен быть выше 0,3%. У кварца показатель ширины пропускания в зависимости от частоты основной волны составляет 0,1?0,3%, у лангасита -- от 0,3 до 1%.

На сегодняшний день Россия заключила контракт с французской Temex Microsonics. В их совместный проект в рамках европейской инновационной программы Eureka в течение трех лет будет инвестировано около 3 млн евро. Более 2 млн предоставит французская сторона, в первую очередь правительство Франции, более 200 тыс. выделит Фонд Бортника, еще около 700 тыс. собственных средств вложит «Фомос». В результате российская компания выйдет с новым пьезоэлектрическим (от греческого piezo -- давлю) материалом лангаситом на европейский рынок, а Temex Microsonics организует из него серийное производство фильтров для получающих все большее распространение мобильных систем нового поколения (стандарт W-CDMA).

Физическая теория пьезоэлектрического эффекта

Диэлектрики (по греч. dia - через, сквозь, по англ. elec - электрический) - это вещества, которые не проводят электрический ток. Причиной этого является отсутствие у диэлектриков свободных зарядов. Положительные и отрицательные заряды в молекулах и атомов диэлектриков связаны друг с другом кулоновскими силами, значительно превосходящими силы, с которыми внешнее электрическое поле может воздействовать на эти заряды. Оно не может оторвать их друг от друга, а может лишь сместить на расстояние порядка размеров самой молекулы (10 -10 м). Поэтому положительные и отрицательные заряды в молекулах диэлектриков являются связанными. Они не могут свободно передвигаться по диэлектрику, внесенному во внешнее электрическое поле.

В молекулах веществ можно указать точку, в которой суммарный заряд электронной оболочки молекулы будет оказывать на ее положительные заряды такое же воздействие, какое оказывали бы все отрицательные заряды этой молекулы, будучи распределены по всему ее объему.

Эта точка называется центром тяжести отрицательных зарядов молекулы. Точно так же можно указать центр тяжести положительных зарядов, т.е. точку, в которой суммарный положительный заряд молекулы будет оказывать на ее отрицательные заряды такое же воздействие, какое на них оказывают все положительные заряды молекулы.

Диэлектрики, в молекулах которых центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совмещены в отсутствии внешнего электрического поля называют неполярными диэлектриками. Примером таких диэлектриков могут быть газы: водород, азот, кислород. Диэлектрики, в молекулах которых центры тяжести положительных и отрицательных зарядов пространственно разделены и в отсутствии внешнего электрического поля называются полярными. Примером полярных молекул служат молекул служат молекулы льда.

Смещение зарядов в молекулах и атомах диэлектрика в противоположных направлениях под действием электрического поля, в результате чего на поверхностях диэлектрика возникают нескомпенсированные связанные заряды, называется поляризацией диэлектрика.

У однородных и изотопных твердых аморфных диэлектриков, а также диэлектриков жидких и газообразных, в отсутствие внешнего электрического поля поляризация всегда отсутствует из-за разориентации дипольных моментов отдельных молекул. Если такой поляризованный диэлектрик удалить из внешнего электрического поля, то тепловое хаотическое движение, всегда присущее молекулам, быстро ликвидирует связанные заряды на его поверхностях и при этом суммарный дипольный момент каждой единицы объема диэлектрика станет равен нулю, то есть поляризация исчезнет.

Однако в природе существуют кристаллические диэлектрики, молекулы которых образуют группы, обладающие самопроизвольной (спонтанной) поляризацией даже в отсутствие внешнего электрического поля. Понятно, что эти группы могут быть образованы только из полярных молекул. Такие группы молекул называются доменами. Поведение молекул, входящих в состав домена, объясняется законами квантовой механики.

Диэлектрики, обладающие доменной структурой, называют сегнетоэлектриками. Название это происходит от слов «сегнетова соль» - наиболее типичного сегнетоэлектрика, который в свою очередь, был назван в честь французского аптекаря Э. Сегнетта, впервые синтезировавшего это вещество.

Все сегнетоэлектрики - кристаллы.

При помещении кристалла неполяризованного сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле и увеличении напряженности этого поля домены начнут все более ориентироваться по полю, чему препятствует тепловое разориентирующее движение молекул.

Рисунок 1 Сегнетоэлектрик во внешнем поле

При достижении некоторой достаточно большой напряженности все домены кристалла окажутся ориентированы по полю. Такое состояние диэлектрика называется насыщением, а соответствующая напряженность - напряженностью насыщения.

Если удалить диэлектрик из электрического поля, то он сохранит поляризацию.

Способность сохранять поляризацию и в отсутствие внешнего электрического поля является самой главной особенностью, отличающей сегнетоэлектрики от остальных диэлектриков.

Чтобы располяризовать сегнетоэлектрик, надо его поместить в электрическое поле, антинаправленное первоначальному.

В настоящее время известно несколько сотен сегнетоэлектриков. Второй существенной особенностью, отличающей их от остальных диэлектриков, является чрезвычайно высокое значение относительной диэлектрической проницаемости, достигающей у отдельных сегнетоэлектриков нескольких тысяч, тогда как у остальных диэлектриков она колеблется в пределах десяти и только у воды достигает 81. Третьей особенностью сегнетоэлектриков является зависимость относительной диэлектрической проницаемости от напряженности внешнего электрического поля, тогда как у остальных диэлектриков она постоянна.

Все сегнетоэлектрики обладают такими замечательными свойствами лишь в определенном интервале температур. Например, сегнетова соль имеет доменную структуру лишь в интервале температур между -15 0 С и 22,5 0 С. При иных температурах она ведет себя как обычный диэлектрик. Например, у кварца до температуры 200 градусов Цельсия пьезоэлектрические свойства изменяются незначительно, а затем до температуры 576 градусов Цельсия начинают медленно ослабевать. При 576 градусах происходит перестройка кристаллической решетки кварца, в результате которой пьезоэлектрические свойства у него исчезают. При понижении температуры изменение свойств кварца происходит в обратном направлении.

Эти переходные температуры, при которых диэлектрик становится сегнетоэлектриком, называются точками Кюри, по имени братьев Пьера и Жолио Кюри, которые обнаружили это явление.

У большинства диэлектриков поляризация возникает под действием внешнего электрического поля, а у пьезоэлектриков в результате механического воздействия, например, при сжатии или растяжении.

Различают продольный и поперечный пьезоэффект.

Возникновение зарядов на гранях, перпендикулярных полярной оси, при однородной деформации кристалла вдоль этой оси называется продольным пьезоэффектом. Однако можно вызвать появление зарядов на тех же гранях, сжимая или растягивая кристалл перпендикулярно полярной оси, если только при этом происходит растяжение или сжатие кристалла вдоль полярной оси. Это явление называется поперечным пьезоэффектом. Его существование обуславливается связью между продольными и поперечными деформациями твердого тела.

Рисунок 2 Продольный (а) и поперечный (б) пьезоэффекты

Пьезоэлектриками являются все сегнетоэлектрики, а также некоторые другие диэлектрики, например, кварц, некоторые сорта керамики.

Пьезоэлектрическими свойствами могут обладать только ионные кристаллы. Пьезоэлектрический эффект возникает в том случае, когда под действием внешних сил кристаллическая подрешетка из положительных ионов деформируется иначе, чем кристаллическая подрешетка из отрицательных ионов. В результате происходит относительное смещение положительных и отрицательных ионов, приводящее к возникновению поляризации кристалла и поверхностных зарядов. Поляризованность в первом приближении прямо пропорциональна деформации, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна силе. Следовательно, поляризованность прямо пропорциональна приложенной силе. Между разноименно заряженными гранями деформированного диэлектрика возникает разность потенциалов, которую можно измерить, а по ее значению сделать заключение о величине деформаций и приложенных силах.

Физическая картина поляризации твердых диэлектриков раскрывается квантовой механикой. Я рассмотрю только формальную теорию поляризации.

Пьезоэлектрики - кристаллы, имеющие решетку из положительных и отрицательных ионов, у которых при деформации их в определенных направлениях на гранях, перпендикулярных направлению деформирующей силы, возникают поверхностные связанные заряды.

Рисунок 3 Решетка кварца

Если эти грани снабдить металлическими обкладками, то на их внешней поверхности появятся наведенные свободные заряды того же знака, что и связанные. Между обкладками получится разность потенциалов.

Классическим (и практически важным) пьезоэлектриком является кварц (SiO 2). Элементарная ячейка его кристаллической решетки содержит три молекулы, состоящие из ионов кремния (положительных) и кислорода (отрицательных). Они схематично показаны на рисунке 3,а (недеформированный кристалл): положительные ионы - заштрихованные кружки, отрицательные - белые.

При сжатии кристалла в направлении Х 1 симметрия ячейки нарушается (рисунок 3,б). На верхней грани кристалла появляется связанный отрицательный заряд, на нижней - такой же положительный. При растяжении (рисунок 3,в) знаки зарядов изменяются на противоположные.

Поверхностная плотность зарядов при малых относительных деформациях пропорциональны возникшему в кристалле механическому напряжению:

Данную зависимость называют уравнением прямого пьезоэффекта.

Коэффициент пропорциональности - пьезомодуль d - выражается в кулонах на ньютон (Кл Н -1). Для кварца

d =2 10 -12 Кл/Н.

Рассмотрим обратный пьезоэффект: при подаче на кристалл электрического напряжения он деформируется, причем знак деформации зависит от направления внешнего электростатического поля

Рисунок 4 Схематичные изображения прямого (а, б) и обратного (в, г) пьезоэффектов. Стрелками F и Е изображены внешние воздействия - механическая сила и напряженность электрического поля. Штриховыми линиями показаны контуры пьезоэлектрика до внешнего воздействия, сплошными линиями - контуры деформации пьезоэлектрика (для наглядности во много раз увеличены); Р - вектор поляризации

Пусть в кристалле создано механическое напряжение =10 4 Па. При этом плотность возникших зарядов составит

2 10 -8 Кл/м 2

и в кристалле (=4,5) образуется электростатическое поле с напряженностью

При толщине кристалла h =10 -2 м на обкладках его граней получится разность потенциалов 5 В.

При подаче на пьезоэлектрик переменного электрического напряжения он приходит в вынужденные механические колебания. При резонансе (а пластина обладает собственной частотой, которая обратно пропорциональна толщине кристалла) амплитуда колебаний резко возрастает. Если кристалл опущен в жидкость, акустическое сопротивление которой не слишком отличается от акустического сопротивления кристалла, то в жидкости возбудятся интенсивные механические волны. Обычно применяют ультразвуковые частоты, при которых длина волны в жидкости невелика, - это дает возможность получить волну, распространяющуюся без заметного поглощения, что представляет практический интерес.

Ультразвуковую волну можно создать в твердом теле (например, в металлической отливке), где волна распространяется без заметного поглощения. Но если в металле имеется полость, случайно возникшая при изготовлении отливки, то на ней волна рассеется. Поэтому, зондируя металл ультразвуковой волной, можно находить, не разрушая его, внутренние дефекты.

Так как ускорения при ультразвуковых волнах очень велики - при амплитуде х m =10 -6 м и частоте =10 5 Гц амплитуда ускорения составит

4 10 5 м/с 2 =4 10 4 g,

То ультразвуковые волны используются для очистки поверхности металлических тел (опущенных в жидкость), для создания эмульсий (взвесей капелек одной жидкости в другой, в ней не растворяющейся) и многих других практических применений.

Как измерить значение высокого напряжения, возникающего при пьезоэлектрическом эффекте?

Пьезоэлемент - основная часть пьезозажигалки. Поэтому все свои опыты я проводил используя пьезозажигалку. Для ее удобного использования я вынул два вывода из пластмассового корпуса.

Чтобы при демонстрации прямого пьезоэффекта определить напряжение на выходе, один вывод от зажигалки я соединил с корпусом демонстрационного электрометра, другой - со стержнем электрометра. При плавном нажатии на кнопку зажигалки стрелка электрометра начинает отклоняться. Но определить максимальное значение напряжения с помощью электрометра мне не удалось, так как стрелка прибора выходит за пределы шкалы (мы знаем, что цена деления шкалы электрометра примерно 300 В).

Попробую определить, в каких пределах будет лежать полученное напряжение. Для этого проведем опыт с люминесцентной лампой. Удалю, стартер из схемы лампы и попробую лампу, включенную в сеть зажечь. Лампа не зажигается. Для того чтобы в лампе наблюдался самостоятельный разряд необходимо иметь разность потенциалов порядка десяти киловольт. Попробую создать такие условия с помощью пьезоэлемента от зажигалки, включенного вместо стартера. Один из выводов пьезозажигалки соединяем с одним из электродов лампы, другой - с проводом, намотанным на стеклянную поверхность лампы. При нажатии на клавишу пьезозажигалки лампа загорается.

Для более точного определения напряжения на выходе зажигалки я использовал демонстрационные весы. К дну одной из чашек весов приклеил квадрат из металлической фольги и с помощью очень тонкой проволоки соединил его с одним контактом зажигалки. Затем металлизированную чашечку перевернул и установил на весы. Сверху этой чашечки расположил еще один квадрат из фольги (воспользовался конструкцией весов) и соединил его со вторым контактом зажигалки. Две металлические пластинки из фольги образуют плоский конденсатор. Уравновесил чашки весов с помощью грузов.

При плавном нажатии на клавишу зажигалки возникает сила электростатического притяжения между пластинами и весы выходят из равновесия. По отклонению стрелки весов определяю массу гирек, необходимых для восстановления равновесия. Тем самым я смогу измерить максимальное значение силы между пластинками и вычислить напряжение. Я провел 3 опыта в которых использовал пластинки площадью S=1,21 10 -2 м 2 , расстояние между ними устанавливал 2 10 -2 м, среднее значение в опытах массы m=7 10 - 4 кг.

Зная, что

Используя формулу 1, полученную для вычисления напряжения я получил следующие результаты

При проведении опытов по измерению напряжения на выходе пьезозажигалки я наблюдал и обратный пьезоэффект. Так, разряжая пластины конденсатора посредством короткого замыкания, я слышал щелчок пьезоэлемента вследствие его деформации при разряде конденсатора.

Применение пьезоэлектрического эффекта

Основное применение пьезоэффекта: - взаимопреобразование механических и электрических колебаний - датчики частот, датчики и источники ультразвуковых колебаний, звукосниматели, манометры и т.д., так как пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход.

Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Известно множество пьезоэлектрических устройств, основанных на использовании как прямого, так и обратного эффектов. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др. Обратный эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п.

Известны и нашли практическое применение пьезоэлектрические преобразователи - пьезоэлектрические трансформаторы (сокращенно пьезотрансформаторы). Схематически устройство пьезотрансформатора изображено на рисунке 5, поясняющем, что он представляет собой пьезоэлектрический преобразователь в виде четырехполюсника, имеющего только электрические вход и выход.

Рисунок 5 Пьезотрансформатор

Действие пьезотрансформатора основано на использовании как прямого, так и обратного пьезоэффектов. Электрическое напряжение, приложенное к входным электродам пьезотрансформатора, в результате обратного пьезоэффекта вызывает деформацию всего объёма пьезоэлектрика и на выходных электродах возникает электрическое (вторичное) напряжение как следствие прямого пьезоэффекта. В пьезотрансформаторе происходит как бы двойное преобразование энергии - электрической в механическую, а затем механической в электрическую. Как и электромагнитный трансформатор, пьезотрансформатор используют для преобразования электрического напряжения. Подбором размеров электродов и их расположения можно получать различные значения коэффициента трансформации. Пьезотрансформаторы обычно используют в резонансном режиме, при котором достигаются большие значения коэффициента трансформации (порядка нескольких сотен). Пьезотрансформаторы используют в высоковольтных источниках вторичного электропитания.

Пьезоэлемент - тело из пьезоэлектрика определенных размеров, геометрической формы и ориентации относительно основных кристаллографических осей (или направления поляризации в случае пьезокерамики, имеющее проводящие обкладки (электроды).

Рисунок 6 Пьезоэлемент: 1 - пластина из пьезоэлектрика;2 - электроды из проводящего материала, наложенные на грани пластины

Пьезоэлемент представляет собой электрический конденсатор с твёрдым (кристаллическим или керамическим) диэлектриком. Особенностью такого конденсатора является наличие пьезоэлектрических свойств у диэлектрика, заполняющего пространство между электродами. Если пьезоэлемент используется как электромеханический преобразователь, то его ориентацию выбирают исходя из требований достижения наибольшего эффекта. Внешние силы (как механические, так и электрические), воздействующие на пьезоэлемент, могут быть как распределенными, так и сосредоточенными. Распределенные силы позволяют достичь более эффективного преобразования. Поэтому для более эффективной поляризации объема пьезоэлектрика используют электроды, покрывающие всю площадь граней пьезоэлемента, а для создания равномерно распределенного механического напряжения - накладки из упругого материала, хорошо прилегающие к граням пьезоэлемента и преобразующие внешние сосредоточенные силы в распределенные.

Внешняя сила вызывает деформацию пьезоэлемента, его поляризацию и возникновение на электродах противоположных электрических зарядов. Величина электрического заряда или возникающего при этом напряжения может быть измерена соответствующим измерительным прибором, присоединенным к электродам пьезоэлемента. Внешняя сила сообщает пьезоэлементу энергию в виде упругой деформации, которая может быть рассчитана, если известны величины воздействующей силы и жёсткость пьезоэлемента. Одновременно с деформацией пьезоэлемента на его электродах возникает электрическое напряжение. Следовательно, часть энергии, сообщаемой пьезоэлементу внешней силой, оказывается электрической и её величина может быть рассчитана, если известны электрическое напряжение на электродах и ёмкость пьезоэлемента.

Сегодня говорят о перспективном применения пьезокерамических материалов. Пьезоэлектрические материалы условно можно разбить на две группы: пьезоэлектрические монокристаллы и пьезокерамика.

Природные пьезоэлектрические материалы имеют достаточно высокую стоимость. В связи с этим потребности бурно развивающейся электроники в настоящее время удовлетворяются синтетическими пьезоэлектрическими монокристаллами, которые выращиваются в специальных установках. Пьезоэлектрические свойства таких кристаллов с достаточно высокой повторяемостью можно задавать путем композиции входящих в него компонентов.

Выращенные кристаллы определенным образом режутся на пластины, некоторые (сегнетоэлектрики) поляризуются, и из них путем шлифования и нанесения электродов изготавливаются пьезоэлектрические элементы.

Пьезоэлектрическая керамика по физическим свойствам это поликристаллический сегнетоэлектрик, представляющий собой химическое соединение или твердый раствор (порошок) зерен (кристаллитов).

По химическому составу это сложный оксид, включающий ионы двухвалентного свинца или бария, а также ионы четырехвалентного титана или циркония. Путем изменения основного соотношения исходных материалов и введения добавок синтезируют разные составы пьезокерамики, обладающие определенными электрофизическими и пьезоэлектрическими характеристиками.

Наибольшее распространение получила группа пьезокерамических материалов типа ЦТС (цирконата-титаната свинца). Вместе с тем используется керамика на основе титаната бария (ТБ) и титаната свинца (ТС). В последние годы разрабатываются новые пьезокерамические материалы со свойствами, позволяющими в некоторых случаях использовать их вместо более дорогостоящих пьезоэлектрических кристаллов. В частности, разработана и производится группа материалов на основе ниобата свинца, которая уже нашла практическое применение благодаря возможности ее использования в диапазоне частот до 30 и более МГц. Значительные исследования проводятся по созданию пьезокерамических композитных материалов, а также многослойной керамики. Зарубежные производители в зависимости от пьезоэлектрических свойств делят ее на сегнетожесткую и сегнетомягкую. В отечественной практике существует дополнительное деление на керамику средней сегнетожесткости, а также выделяются высокостабильные, высокотемпературные и т. п. материалы.

В отличие от пьезоэлектрических кристаллов, пьезокерамические элементы изготавливаются методом полусухого прессования, шликерного литья, горячего литья под давлением, экструзии или изостатического прессования с последующим обжигом на воздухе при температуре 1000-1400 0 С. С целью уменьшения пористости обжиг может проводиться в среде кислорода, или элемент изготавливается с помощью метода горячего литья. По специальной технологии на поверхность заготовок наносятся электроды.

После этого керамику делают пьезоэлектрической с любым выбранным направлением поляризации путем помещения ее в сильное электрическое поле при температуре ниже так называемой точки Кюри. Поляризация обычно является окончательным процессом при изготовлении пьезокерамических элементов, хотя за ним следует термостабилизация и контроль параметров.

Пьезоэлектрическая керамика представляет собой твердый, химически инертный материал, совершенно нечувствительный к влажности и другим атмосферным воздействиям. По механическим качествам она подобна керамическим изоляторам.

Рисунок 7 Пьезоэлементы различной конфигурации

В зависимости от предназначения пьезоэлементы могут иметь самую разнообразную конфигурацию -- от плоской до объемной (сферы, полусферы и т. п.)

Пьезоэлектрические элементы идеальны при использовании в качестве электромеханических преобразователей. Они достаточно широко используются для изготовления пьезокерамических компонентов, узлов и устройств. Некоторые пьезокерамические элементы уже изначально могут выполнять функции компонента или узла и не нуждаются в дополнительной доработке. Все изделия, изготовленные на базе пьезокерамики, подразделяют на следующие основные группы: генераторы, датчики (сенсоры), актюаторы (пьезоприводы), преобразователи и комбинированные системы.

Пьезокерамические генераторы преобразуют механическое воздействие в электрический потенциал, используя прямой пьезоэффект. Примерами могут служить искровые воспламенители нажимного и ударного типов, применяемые в разного рода зажигалках и поджигающих системах, а также твердотельные батареи на основе многослойной пьезокерамики, применяемые в современных электронных схемах.

Рисунок 8 Пьезоэлектрические датчики

Пьезокерамические датчики преобразуют механическую силу или движение в пропорциональный электрический сигнал, то есть также основаны на прямом пьезоэффекте.

В условиях активного внедрения компьютерной техники датчики являются незаменимыми устройствами, позволяющими согласовывать механические системы с электронными системами контроля и управления.

Выделяются два основных типа пьезокерамических датчиков: осевые (механическая сила действует вдоль оси поляризации) и гибкие (сила действует перпендикулярно оси поляризации).

В осевых датчиках в качестве пьезоэлементов используют диски, кольца, цилиндры и пластины. В качестве примеров можно привести датчики ускорения (акселерометры), датчики давления, датчики детонации, датчики разрушения и т.п. Примером гибких датчиков могут быть датчики силы и ускорения.

Пьезокерамические актюаторы (пьезоприводы) строятся на принципе обратного пьезоэффекта и поэтому предназначены для преобразования электрических величин (напряжения или заряда) в механическое перемещение (сдвиг) рабочего тела. Актюаторы подразделяются на три основные группы: осевые, поперечные и гибкие. Осевые и поперечные актюаторы имеют еще общее название -- многослойные пакетные, так как набираются из нескольких пьезоэлементов (дисков, стержней, пластин или брусков) в пакет. Они могут развивать значительное усилие (блокирующую силу) до 10 кН при управляющем напряжении 1 кВ, но при очень малых отклонениях рабочей части (от единиц нанометров до сотен микрон). Такие актюаторы также называют мощными.

Гибкие актюаторы (биморфы) развивают незначительную блокирующую силу при малых (сотни микрон) отклонениях рабочей части. Однако американской компании APC International Inc. удалось создать и выйти на рынок с новым типом пластинчатого биморфа -- «ленточным актюатором» (зарегистрированная торговая марка). Ленточный актюатор может обеспечивать блокирующую силу 0,95 Н и величину отклонения 1,2 мм или отклонение до 3 мм и блокирующую силу 0,6 Н.

Гибкие актюаторы относятся к группе маломощных. К этой же группе будут относиться и перспективные осевые актюаторы, представляющие собой моноблок, изготовленный по технологии многослойной пьезокерамики.

Пакетные актюаторы могут производиться предприятиями, не связанными с производством пьезокерамики. Гибкие же и осевые актюаторы из многослойной керамики сами по себе являются пьезокерамическими элементами. Их могут производить только предприятия, владеющие технологиями и оборудованием для производства пьезокерамических элементов.

Пьезокерамические преобразователи предназначены для преобразования электрической энергии в механическую. Так же как и актюаторы, основываются на принципе обратного пьезоэффекта.

Преобразователи в зависимости от диапазона частот подразделяются на три вида:

звуковые (ниже 20 кГц) -- зуммеры, телефонные микрофоны, высокочастотные громкоговорители, сирены и т. п.;

ультразвуковые -- высокоинтенсивные излучатели для сварки и резки, мойки и очистки материалов, датчики уровня жидкостей, дисперсионные распылители, генераторы тумана, ингаляторы, увлажнители воздуха. Значительной группой выделяются так называемые ультразвуковые измерители расстояния в воздушной среде, являющиеся пьезокерамическими компонентами. Они используются в качестве измерителей расстояния для автотракторной техники, сенсоров наличия и движения в охранных системах, в уровнемерах, для дистанционного контроля и управления, в устройствах отпугивания птиц, зверей и сельскохозяйственных вредителей и т. д. Производятся устройства трех типов: передающие, приемные и приемо-передающие;

высокочастотные ультразвуковые -- оборудование для испытания материалов и неразрушающего контроля, диагностика в медицине и промышленности, линии задержки и т. д.

Комбинированные пьезокерамические системы преобразуют электрические величины в электрические, при последовательном использовании обратного и прямого пьезоэффектов. В качестве примеров таких систем можно привести эхолоты, измерители потоков, пьезотрансформаторы, «искатель ключа».

Несмотря на то, что пьезоэффект был открыт еще в XIX веке, а со второй половины XX активно развивалась теория и технология создания пьезокерамических материалов, считается, что пьезокерамика -- один из перспективных материалов века XXI. Причиной такого взгляда является то, что замечательные свойства, присущие пьезокерамике, до сих пор не в полной мере востребованы наукой, техникой и технологиями.

Активное использование пьезокерамики в различных областях началось в 60-70 годах XX века. Достаточно хорошо были изучены и использованы свойства пьезокерамических датчиков и пьезокерамических преобразователей. В настоящее время пьезокерамика широко используется для ультразвуковой диагностики в медицине, авиационном и железнодорожном транспорте, энергетике, нефтяном и газовом комплексе; силовая пьезокерамика -- в ультразвуковой сварке, чистке поверхностей, нанесении покрытий, сверлении и т. д.

В то же время пьезокерамика еще недостаточно используется для создания генераторов, актюаторов и в комбинированных системах. Однако современные требования по энергосбережению, миниатюризации, адаптивности к компьютерным системам управления и контроля все чаще заставляют производителей техники и оборудования обращаться к производителям пьезокерамики с целью совместного поиска тех или иных технологических решений с помощью пьезокерамики. В результате появляются новые типы пьезокерамики, создаются новые и совершенствуются известные пьезокерамические элементы и компоненты. Особое внимание в настоящее время уделяется пьезокерамическим трансформаторам и актюаторам.

Хотя настоящее потребление пьезотрансформаторов не так велико, потенциал их применения в будущем, тем не менее огромен.

Одним из перспективных направлений является их использование в бытовых и производственных газонаполненных осветительных приборах в качестве резонансных DC-AC конверторов. Сейчас для этих целей применяются самые разные компоненты. В основу перспективных осветительных приборов уже заложены принципы, позволяющие экономить до 80 % электроэнергии по сравнению с ныне используемыми приборами. Поэтому единственный параметр, которому должны отвечать перспективные конверторы, являются их минимальные геометрические размеры. Изучение рынка подтверждает, что разработчиков осветительной техники интересуют не столько сравнительные характеристики по напряжению или по потребляемой мощности конверторов, сколько размеры, позволяющие устанавливать их в цоколе лампы. Последние исследования показали целесообразность использования многослойных пьезокерамических трансформаторов в новой осветительной технике. Были разработаны прототипы таких конверторов, удовлетворяющие практически всем требованиям, кроме цены. Поэтому производители пьезокерамики активно работают над технологией, которая позволила бы добиться снижения их себестоимости.

Другим перспективным направлением использования пьезотрансформаторов является их применение в силовых устройствах. На рынке появились современные устройства, которые используют не традиционные однослойные (Rosen Type) пьезотрансформаторы, а многослойные трансформаторы. Примерами этого могут служить дисплеи обратного свечения на жидких кристаллах (The liquid crystal display back light) и системы управления холодным катодом флуоресцентного освещения (Driving cold cathode fluorescent lightning). В качестве достоинств многослойных пьезотрансформаторов по сравнению с традиционными можно отметить их малый размер (особенно толщина) и меньшее потребление энергии. Однако для современных многослойных трансформаторов, которые появились на рынке, определяющими факторами по-прежнему являются цена и размеры, над снижением которых активно работают производители.

Существует большая вероятность использования пьезотрансформаторов в перспективных телевизионных и компьютерных дисплеях. Уже отработаны прототипы таких дисплеев, которые получили название ПЭД -- Полевые Эмиссионные Дисплеи (FED -- Field Emission Display). Это плоские панельные дисплеи, имеющие более высокую разрешающую способность и четкость изображения по сравнению с современными. Однако уже сейчас разрабатывается новое поколение экранов с немерцающим изображением (Flicker Free Image Screen), для питания которых также предусматривается использование многослойных пьезокерамических трансформаторов. Рынок телевизионной и компьютерной техники изумляет своими новинками и заставляет производителей пьезокерамических элементов интенсифицировать исследования и разработки в данной области.

Пакетные актюаторы (Stack Acuators) уже сейчас применяются в космической, лазерной технике и оптических инструментах для настройки антенн и зеркал с манометрической точностью. Считается, что они найдут более широкое использование там, где важно развить движущее усилие при минимальном угле перемещения.

Одним из перспективных направлений является их применение в точной настройке станков. Благодаря своей жесткой структуре пьезоприводы являются идеальным инструментом для быстрой и точной их настройки. Прилагая фиксированное напряжение к шаблону в фазе с вращением шпинделя, можно обеспечить высокую точность обработки детали рабочим телом станка.

В станкостроении планируется их использование и для подавления (компенсации) вибрации. Нежелательную вибрацию станков можно компенсировать с помощью многослойных актюаторов, работающих в противофазе с вибрационными колебаниями. Это, в свою очередь, будет способствовать повышению качества конечного изделия, а также позволит избежать чрезмерного износа инструмента и существенно снизит уровень шума станка. Компенсаторы вибрации могут найти применение не только в станкостроении, но и в других сферах.

Еще одним перспективным направлением использования пакетных актюаторов является управление гидравлическими клапанами. Примером этого могут служить последние разработки пьезокерамических высокоскоростных клапанов как для топливной аппаратуры дизельных двигателей легковых и грузовых автомобилей, так и для газораспределительных систем дизелей и двигателей внутреннего сгорания.

Ярким примером комплексного использования пьезокерамических элементов, узлов и деталей на их основе могут послужить совместные разработки американской компании APC International, Ltd. c производителями комплектующих для автомобильной промышленности.

Современные, технически сложные автомобили постоянно требуют внедрения дополнительной электроники для повышения надежности, безопасности и комфорта.

Таким образом, пьезокерамика благодаря своим уникальным свойствам находит все большее применение в различных областях техники и технологии. Иностранные производители пьезокерамики, элементов и компонентов на ее базе, пытаясь более полно удовлетворить современные требования рынка, проводят исследования и конструкторские работы с целью улучшения параметров керамики, разрабатывают ее новые типы, на что выделяются значительные финансовые средства. С целью удешевления продукции разрабатываются новые технологии, более энергосберегающие и позволяющие автоматизировать процессы производства. Считается, что только крупные компании-производители пьезокерамики, оснащенные передовыми технологиями и современным оборудованием, смогут в полной мере удовлетворить требования мирового рынка.

Пьезоэффект на службе градообразующего предприятия ОАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА»

«Корпорация ВСМПО -Ависма» ведущее предприятие в мире по производству полуфабрикатов из титановых сплавов для авиационной промышленности, атомной энергетики, медицины и других сфер. Наше предприятие является одним из основных поставщиков таких известных фирм как Snecma, Rolls Royce, Boeing, Pratt & Whitney, Goodrich.

Это стало возможным благодаря высокому качеству производимой продукции, высокотехнологичным процессам производства, использованию современного оборудования и методов производства.

Доминирующим показателем рентабельности предприятия является себестоимость выпускаемой продукции. И снижение себестоимости с постоянно растущим качеством - основная и постоянная задача предприятия. Составляющей себестоимости продукции являются технологические операции контроля продукции, которые на нашем предприятии прежде всего надежны и чувствительны.

Известно, что пьзоэффект лежит в основе ультразвукового контроля.

На нашем предприятии ультразвуковой контроль широко применяют для стопроцентного контроля изделий механических, термических, литейных цехов, т.е. тех изделий, которые благодаря сложности своей конфигурации исключают другие виды дефектоскопии (рентгеновский, люминесцентный).

Ультразвуковой контроль основан на способности энергии ультразвуковых колебаний распространяться с малыми потерями в однородной упругой среде и отражаться от нарушений сплошности в этой среде. Существуют два основных метода ультразукового контроля -- метод сквозного прозвучивания и метод отражения. Ультразвуковой луч вводится в образец, и индикатор измеряет интенсивность колебаний, прошедших через образец или отраженных от неоднородностей, расположенных внутри образца. Дефект выявляется либо по уменьшению прошедшей через образец энергии, либо по энергии, отраженной от дефекта. Осуществляется ультразвуковая дефектоскопия при помощи дефектоскопов.

Дефектоскоп (от лат. «дефект» - недостаток и греч. «скопео» - «смотрю») - устройство, позволяющее обнаружить дефекты в изделиях из различных металлических и неметаллических материалов без их разрушения. Нет ли в изделии каких-нибудь трещин, раковин в глубине или других дефектов, которые могут привести к аварии, - все это выяснит дефектоскоп. А ведь даже незначительная трещина, не видимая невооруженным глазом, может привести к разрушению изделия.

Рассмотрим физический аспект работы ультразвукового дефектоскопа - УЗД.

Главный элемент такого прибора - кварцевая пластинка. Когда на нее падает отраженная дефектом звуковая волна, кварц сжимается и растягивается с частотой колебаний звуковой волны и на его гранях возникает переменное электрическое напряжение. Это - следствие прямого пьезоэлектрического эффекта; в результате под действием механического напряжения на поверхности кварца и некоторых других диэлектриков возникает электрический заряд в результате их поляризации.

Если же на обкладки кварцевой пластины подать импульс переменного напряжения, то кварцевая пластина начинает колебаться с частотой подаваемого напряжения и становится источником акустических колебаний той же частоты наблюдают обратный пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрический эффект присущ только кристаллам, элементарные ячейки которых не имеют центра симметрии. Это ионные кристаллы, состоящие как бы из двух или нескольких «вдвинутых» одна в другую простых решеток, каждая из которых построена из ионов одного знака - либо положительных, либо отрицательных. При деформации кристалла эти простые решетки сдвигаются относительно друг друга. При этом изменяется электрический момент кристалла: на его гранях появляется электрическое напряжение. Поляризация пьезоэлектрика в электрическом поле приводит к его деформации - обратному пьезоэлектрическому эффекту.

Рисунок 9 Схема УЗД

Рассмотрим схему УЗД. От генератора на кварцевую пластинку (1) поступает высокочастотный импульс (2). Кварцевая пластинка начинает колебаться и излучает ультразвуковые волны в объем испытываемой металлической детали.

Отражаясь от дефекта, например трещины, ультразвук возвращается на пластинку и превращается в электрические колебания (3), поступающие на осциллограф (5). По расстоянию между прямым и отраженным импульсами можно определить глубину залегания дефекта (4).

Лаборатория ультразвукового контроля была создана на ВСМПО в 1962 году. Инициатором создания лаборатории неразрушающих методов контроля был Владислав Валентинович Тетюхин. Он привез ультразвуковой дефектоскоп и обучил на нем работать. Лаборатория была признана одной из лучших в авиационной отрасли. Руководил коллективом Арпад Францевич Немет. Здесь работали настоящие специалисты. Например, после долгих мук с датчиками для ультразвукового контроля Кишиневского завода было решено изготавливать их самим. За дело взялся Н.И.Калинин - и сделал! Такой тщательности и аккуратности, скрупулезности в работе, как у Николая Ивановича, не было ни у кого. Вот уж кто был незаменимым специалистом!

Подобные документы

Характеристика пьезоэлектрического эффекта. Изучение кристаллической структуры эффекта: модельное рассмотрение, деформации кристаллов. Физический механизм обратного пьезоэлектрического эффекта. Свойства пьезоэлектрических кристаллов. Применение эффекта.

курсовая работа , добавлен 09.12.2010


Физические основы ультразвука - упругих колебаний, частота которых превышает 20 КГц, распространяющихся в форме продольных волн в различных средах. Явление обратного пьезоэлектрического эффекта. Медицинские области применения ультразвуковых исследований.

контрольная работа , добавлен 06.01.2015


Понятие кристаллической (пространственной) решетки. Кристаллическая структура эффекта. Области применения промышленных пьезопленок. Обратный пьезоэлектрический эффект. Использование пьезоэлектрических кристаллов для получения электрической энергии.

курсовая работа , добавлен 14.04.2014


Характеристика магнитоупругого эффекта как явления обратного магнитострикции, заключающееся в изменении намагниченности магнетика под действием механических деформаций. Использование данного эффекта для измерения силы, крутящего момента и давления.

курсовая работа , добавлен 13.12.2010


Понятие и общая характеристика фотоупругого эффекта и его применение для получения картины распределения напряжения. Основные методы измерения физических величин: параметров светового излучения, давления и ускорения с помощью фотоупругого эффекта.

курсовая работа , добавлен 13.12.2010


Понятие потенциометрического эффекта и его применение в технике. Эквивалентная схема потенциометрического устройства. Измерение физических величин на основе потенциометрического эффекта. Датчики, построенные на основании потенциометрического эффекта.

контрольная работа , добавлен 18.12.2010


Объяснение эффекта Холла с помощью электронной теории. Эффект Холла в ферромагнетиках и полупроводниках. Датчик ЭДС Холла. Угол Холла. Постоянная Холла. Измерение эффекта Холла. Эффект Холла при примесной и собственной проводимости.

курсовая работа , добавлен 06.02.2007


Особенности и принципы осуществления позисторного эффекта в сегнетоэлектриках. Модели Хейванга и Джонкера. Технология и основные этапы получения позисторов, сферы их практического применения, экспериментальные исследования соответствующего эффекта.

курсовая работа , добавлен 21.12.2015


Общая характеристика и сущность пьезорезонансного эффекта. Пьезорезонансные датчики и сенсоры. Способ регистрации ионизирующих излучений. Определение аммиака в воздухе. Погрешности, ограничивающие точность измерений на основе данного физического эффекта.

курсовая работа , добавлен 26.03.2012


Эффект дальнодействия при ионном и фотонном облучении. Метод микротвердости как способ регистрации эффекта дальнодействия. Биологическое действие электромагнитных волн миллиметрового диапазона (КВЧ). Эффект дальнодействия в системе кремниевый диод.

Лекция 3

Ультразвук.

План лекции

1. Определение ультразвука

3. Приём и излучение ультразвука

Свойства ультразвука

Поглощение ультразвука

Действие ультразвука на вещество

Применение ультразвука в медицине.

Определение ультразвука

Ультразвук (сокращённо УЗ) - это механические колебания, частота которых

превышает 20 кГц. Орган слуха человека такие частоты не воспринимает. Однако ультразвук воспринимается некоторыми животными и птицами. В частности установлено, что кошки и собаки слышат ультразвуки до 40 кГц. Данный участок диапазона им необходимо воспринимать для того, чтобы обнаружить добычу и поймать её. Некоторые животные используют ультразвук для ориентировки в пространстве Примером могут служить летучие мыши и дельфины. Они издают короткие ультразвуковые импульсы и улавливают их отражение. Таким образом, они могут обнаружить препятствие в полной темноте на значительном расстоянии. Птицы также воспринимают ультразвуковые волны, поскольку многие насекомые излучают ультразвук и птицы могут их таким образом обнаружить. В предыдущей лекции мы познакомились со свойствами механических колебаний слышимого диапазона. С повышением частоты в таких колебаниях проявляются особенности, которые и используются на практике.

Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект

Известно, что звук слышимого диапазона можно воспроизвести обычным электродинамическим громкоговорителем, который превращает электрические колебания в механические. Уловить звук слышимого диапазона можно с помощью электродинамического микрофона, который превращает механические колебания в электрические. Однако эти приборы не годятся для УЗ колебаний, так как подвижная часть этих приборов обладает очень большой инерцией и не сможет колебаться с частотой УЗ. Значит для улавливания и излучения УЗ нужно использовать другое техническое решение. Такое решение существует. В его основе лежит такое физическое явление, как пьезоэлектрический эффект . Он основан на свойстве некоторых монокристаллов создавать на своих гранях электрические заряды при их деформации внешней силой (прямой пьезоэлектрический эффект); а также деформироваться при приложении к их граням электрического напряжения (обратный пьезоэлектрический эффект).

Рассмотрим монокристалл кварца. Он представляет собой окись кремния

(Si O). Его кристаллическая решётка имеет следующий вид:

То направление, вдоль которого этот шестигранник вытянут (в данном случае это- вертикальная ось), называется главной осью кристалла. Видно, что в данной решётке в узлах стоят положительные и отрицательные ионы. Но здесь соблюдается баланс: количество положительных и отрицательных ионов одинаково, поэтому все положительные и отрицательные ионы взаимно друг друга компенсируют и кристалл в целом является нейтральным. Верхний (по схеме) положительный заряд компенсируется двумя отрицательными: положительный заряд – один, но он ближе, а отрицательных – два, но они дальше по отношению к внешней среде, так что баланс соблюдается. Аналогичная ситуация наблюдается и с противоположной стороны кристалла. Так что в кристалле полностью соблюдается баланс зарядов. Кроме того, как было сказано выше, каждый элемент кристаллической решётки диполем не является.

Если теперь этот элемент кристаллической решётки подвергнуть деформации растяжения вдоль его главной оси, то, как видно из чертежа, положительный ион вытянется в одну сторону, а отрицательный – в другую и баланс зарядов на концах элемента решётки нарушится и этот элемент превратится в диполь. Как видно из чертежа сверху появится плюс, а снизу – минус. Но весь кристалл состоит из множества элементарных ячеек, поэтому на гранях кристалла, перпендикулярных его главной оси, появится разность потенциалов.

Растяжение Сжатие

Аналогичная картина будет наблюдаться при деформации сжатия вдоль той же оси. Но здесь полярность напряжения на гранях будет противоположной. Это и есть прямой пьезоэлектрический эффект («пьезо» - давить) .

1. Пьезоэлектрический эффект.

В некоторых кристаллах поляризация может возникнуть и без внешнего поля, если кристалл подвергается механическим деформациям. Это явление, открытое в 1880 г. Пьером и Жаком Кюри, получило название пьезоэлектрического эффекта.

Чтобы обнаружить пьезоэлектрические заряды, на грани кристаллической пластинки накладывают металлические обкладки. При разомкнутых обкладках между ними при деформации появляется разность потенциалов. При замкнутых обкладках на них образуются индуцированные заряды, равные по величине поляризационным зарядам, но противоположные им по знаку, и в цепи, соединяющей обкладки, в процессе деформации возникает ток. Рассмотрим основные особенности пьезоэлектрического эффекта на примере кварца. Кристаллы кварца SiO2 существуют в различных кристаллографических модификациях. Интересующие нас кристаллы (a-кварц) принадлежат к так называемой тригональной кристаллографической системе и обычно имеют форму, показанную на рис.1. Они напоминают шестигранную призму, ограниченную двумя пирамидами, однако имеют еще ряд дополнительных граней. Такие кристаллы характеризуются четырьмя кристаллическими осями, определяющими важные направления внутри кристалла.

Одна из этих осей - Z соединяет вершины пирамид. Три другие X1, Х2, Х3 перпендикулярны к оси Z и соединяют противолежащие ребра шестигранной призмы. Направление, определяемое осью Z, пьезоэлектрически неактивно: при сжатии или растяжении по этому направлению никакой поляризации не происходит. Напротив, при сжатии или растяжении в любом направлении, перпендикулярном к оси Z, возникает электрическая поляризация. Ось Z называется оптической осью кристалла, а оси X1, Х2, Х3 - электрическими или пьезоэлектрическими осями.

Рассмотрим пластинку кварца, вырезанную перпендикулярно к одной из пьезоэлектрических осей X. Ось, перпендикулярную к Z и X, обозначим через Y (рис. 2). Тогда оказывается, что при растяжении пластинки вдоль оси Х на перпендикулярных к ней гранях АВСD и ЕFGН появляются разноименные поляризационные заряды. Такой пьезоэлектрический эффект называется продольным. Если изменить знак деформации, т. е. перейти от растяжения к сжатию, то и знаки поляризационных зарядов изменятся на обратные.

Рис. 1. Кристалл кварца.

Возникновение поляризационных зарядов определенных знаков при данном типе деформации (растяжение или соответственно сжатие) показывает, что концы осей Х неравноправны, и осям Х можно приписать определенные направления (что отмечено на рис. 1 стрелками). Это значит, что при данной деформации знак заряда зависит от того, направлена ли ось Х по внешней нормали к грани или по внутренней. Такие оси с неравноправными концами получили название полярных осей. В отличие от полярных осей Х1, Х2, Х3, концы оси Z совершенно равноправны и она является неполярной осью.

Рис. 2. Кварцевая пластинка, вырезанная перпендикулярно к пьезоэлектрической оси.

Неравноправность концов полярной оси проявляется, конечно, не только в пьезоэлектрическом эффекте, но и в других явлениях. Так, например, скорость химического травления граней, расположенных у разных концов полярной оси, оказывается различной и получающиеся при этом фигуры травления отличаются друг от друга.

Наряду с продольным пьезоэлектрическим эффектом существует также поперечный пьезоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при сжатии или растяжении вдоль оси Y возникает поляризация вдоль оси Х и на тех же гранях АВСD и ЕFGН появляются поляризационные заряды. При этом оказывается, что знаки зарядов на каждой грани при сжатии вдоль Y (в поперечном эффекте) такие же, как при растяжении вдоль Х (в продольном эффекте).

Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом В ионных кристаллах вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется электрический момент и в отсутствие внешнего электрического поля. Однако эта поляризация обычно не проявляется, так как она компенсируется зарядами на поверхности. При деформации кристалла положительные и отрицательные ионы решетки смещаются друг относительно друга, и поэтому, вообще говоря, изменяется электрический момент кристалла. Это изменение электрического момента и проявляется в пьезоэлектрическом эффекте.

Рис. 3 качественно поясняет возникновение пьезоэлектрического эффекта в кварце. Здесь схематически показаны проекции положительных ионов Si (заштрихованные кружки) и отрицательных ионов О (светлые кружки) в плоскости, перпендикулярной к оптической оси Z. Этот рисунок не соответствует фактической конфигурации ионов в элементарной ячейке кварца, в которой ионы не лежат в одной плоскости, а их число больше показанного. Он, однако, правильно передает симметрию взаимного расположения ионов, что уже достаточно для качественного объяснения.

Рис. 3, а) соответствует недеформированному кристаллу. На грани A, перпендикулярной к оси X1, имеются выступающие положительные заряды, а на параллельной ей грани В - выступающие отрицательные заряды. При сжатии вдоль оси X1 (рис. 3, б) элементарная ячейка деформируется. При этом положительный ион 1 и отрицательный ион 2 «вдавливаются» внутрь ячейки, отчего выступающие заряды (положительный на плоскости А и отрицательный на плоскости В) уменьшаются, что эквивалентно появлению отрицательного заряда на плоскости А и положительного заряда на плоскости В. При растяжении вдоль оси X1 имеет место обратное (рис. 3, в): ионы 1 и 2 «выталкиваются» из ячейки. Поэтому на грани А возникает дополнительный положительный заряд, а на грани В - отрицательный заряд.

в)

Рис. 3. К объяснению пьезоэлектрического эффекта.

Расчеты в теории твердого тела в согласии с опытом показывают, что пьезоэлектрический эффект может существовать только в таких кристаллах, в которых элементарная ячейка не имеет центра симметрии. Так, например, элементарная ячейка кристаллов CsCl (рис. 4) имеет центр симметрии и эти кристаллы не обнаруживают пьезоэлектрических свойств. Расположение же ионов в ячейке кварца таково, что в нем центр симметрии отсутствует, и поэтому в нем возможен пьезоэлектрический эффект.

Рис. 4. Элементарная ячейка кристалла хлористого цезия CsCl.

Величина вектора поляризации Р (и пропорциональная ей поверхностная плотность пьезоэлектрических зарядов о") в определенном интервале изменений пропорциональна величине механических деформаций. Обозначим через и деформацию одностороннего растяжения вдоль оси X:

где d - толщина пластинки, а Dd - ее изменение при деформации. Тогда, например, для продольного эффекта имеем:

Величина b называется пьезоэлектрическим модулем. Знак b может быть как положительным, так и отрицательным. Так как и безразмерная величина, то b измеряется в тех же единицах, что и Р, т.е. в Кл/м2. Величина поверхностной плотности пьезоэлектрических зарядов на гранях, перпендикулярных к оси X, равна s"=Рх

Вследствие возникновения пьезоэлектрической поляризации при деформации изменяется и электрическое смещение D внутри кристалла. В этом случае в общем определении смещения под Р нужно понимать сумму Рe+Pu, где Pe oбусловлено электрическим полем, а Рu - деформацией. В общем случае направления Е, Pe и Рu не совпадают и выражение для D получается сложным. Однако для некоторых направлений, совпадающих с осями высокой симметрии, направления указанных векторов оказываются одинаковыми. Тогда для величины смещения можно написать:

где Е - напряженность электрического поля внутри кристалла, а e - диэлектрическая проницаемость при постоянной деформации. Соотношение справедливо, например, при деформации одностороннего растяжения (сжатия) вдоль одной из электрических осей X. Оно является одним из двух основных соотношений в теории пьезоэлектричества (второе соотношение приведено).

Пьезоэлектрический эффект возникает не только при деформации одностороннего растяжения, но и при деформациях сдвига.

Пьезоэлектрические свойства наблюдаются, кроме кварца, у большого числа других кристаллов. Гораздо сильнее, чем у кварца, они выражены у сегнетовой соли. Сильными пьезоэлектриками являются кристаллы соединений элементов 2-й и 6-й групп периодической системы (СdS, ZnS), а также многих других химических соединений.

2. Обратный пьезоэлектрический эффект.

Наряду с пьезоэлектрическим эффектом существует и обратное ему явление: в пьезоэлектрических кристаллах возникновение поляризации сопровождается механическими деформациями. Поэтому, если на металлические обкладки, укрепленные на кристалле, подать электрическое напряжение, то кристалл под действием поля поляризуется и деформируется.

Легко видеть, что необходимость существования обратного пьезоэффекта следует из закона сохранения энергии и факта существования прямого эффекта. Рассмотрим пьезоэлектрическую пластинку (рис. 5) и предположим, что мы сжимаем ее внешними силами F. Если бы пьезоэффекта не было, то работа внешних сил равнялась бы потенциальной энергии упруго деформированной пластинки. При наличии пьезоэффекта на пластинке появляются заряды и возникает электрическое поле, которое заключает в себе дополнительную энергию. По закону сохранения энергии отсюда следует, что при сжатии пьезоэлектрической пластинки совершается большая работа, а значит, в ней возникают дополнительные силы F1, противодействующие сжатию. Это и есть силы обратного пьезоэффекта. Из приведенных рассуждений вытекает связь между знаками обоих эффектов. Если в обоих случаях знаки зарядов на гранях одинаковы, то знаки деформаций различны. Если при сжатии пластинки на гранях появляются заряды, указанные на рис. 5, то при создании такой же поляризации внешним полем пластинка будет растягиваться.

Рис.5. Связь прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов.

Обратный пьезоэлектрический эффект имеет внешнее сходство с электрострикцией. Однако оба эти явления различны. Пьезоэффект зависит от направления поля и при изменении направления последнего на противоположное изменяет знак. Электрострикция же не зависит от направления поля. Пьезоэффект наблюдается только в некоторых кристаллах, не обладающих центром симметрии. Электрострикция имеет место во всех диэлектриках как твердых, так и жидких.

Если пластинка закреплена и деформироваться не может, то при создании электрического поля в ней появится дополнительное механическое напряжение Его величина s пропорциональна напряженности электрического поля внутри кристалла:

где b - тот же пьезоэлектрический модуль, что и в случае прямого пьезоэффекта. Минус в этой формуле отражает указанное выше соотношение знаков прямого и обратного пьезоэффектов.

Полное механическое напряжение внутри кристалла складывается из напряжения, вызванного деформацией, и напряжения, возникшего под влиянием электрического поля. Оно равно:

Здесь С есть модуль упругости при деформации одностороннего растяжения (модуль Юнга) при постоянном электрическом поле. Формулы (51.2) и (52.2) являются основными соотношениями в теории пьезоэлектричества.

При написании формул мы выбирали u и Е в качестве независимых переменных и считали D и s их функциями. Это, конечно, необязательно, и мы могли бы считать независимыми переменными другую пару величин, одна из которых - механическая, а другая - электрическая. Тогда мы получили бы тоже два линейных соотношения между u, s, Е и D, но с другими коэффициентами. В зависимости от типа рассматриваемых задач удобны различные формы записи основных пьезоэлектрических соотношений.

Так как все пьезоэлектрические кристаллы анизотропны, то постоянные e, С и b зависят от ориентации граней пластинки относительно осей кристалла. Кроме того, они зависят от того, закреплены боковые грани пластинки или свободны (зависят от граничных условий при деформации). Чтобы дать представление о порядке величины этих постоянных мы приведем их значения для кварца в случае, когда пластинка вырезана перпендикулярно оси Х и ее боковые грани свободны:

e=4, 5; С=7, 8 1010 Н/м2; b=0, 18 Кл/м2.

Рассмотрим теперь пример применения основных соотношений (4) и (5) Положим, что кварцевая пластинка, вырезанная, как указано выше, растягивается вдоль оси X, причем обкладки, касающиеся граней, разомкнуты. Так как заряд обкладок до деформации был равен нулю, а кварц является диэлектриком, то и после деформации обкладки будут незаряженными. Согласно определению электрического смещения это значит, что D=0. Тогда из соотношения (4) следует, что при деформации внутри пластинки появится электрическое поле c напряженностью:

Подставляя это выражение в формулу (5), находим для механического напряжения в пластинке:

s=Cu-b(-(b/e0e)u)=C(1+(b2/e0eC))u (7)

Напряжение, как и в отсутствие пьезоэлектрического эффекта, пропорционально деформации. Однако упругие свойства пластинки теперь характеризуются эффективным модулем упругости

С" == С (1 + b2/e0eС). (8)

который больше С. Увеличение упругой жесткости вызвано появлением добавочного напряжения при обратном пьезоэффекте, препятствующего деформации. Влияние пьезоэлектрических свойств кристалла на его механические свойства характеризуется величиной: К2=b2/e0eC (9)

Квадратный корень из этой величины (К) называется константой электромеханической связи Пользуясь приведенными выше значениями e, С и b, находим, что для кварца К2~0.01 Для всех других известных пьезоэлектрических кристаллов К2 оказывает также малым по сравнению с единицей и не превышает 0, 1.

Оценим теперь величину пьезоэлектрического поля. Положим, что к граням кварцевой пластинки, перпендикулярным к оси X, приложено механическое напряжение 1 1055 Н/м2. Тогда, согласно (7), деформация будет равна u=1, 3 10-6. Подставляя это значение в формулу (6), получаем |E|==5900 В/м=59 В/см. При толщине пластинки, скажем, d==0, 5 см напряжение между обкладками будет равно U=Еd~30 В. Мы видим, что пьезоэлектрические поля и напряжения могут быть весьма значительными. Применяя вместо кварца более сильные пьезоэлектрики и используя должным образом выбранные типы деформации, можно получать пьезоэлектрические напряжения, измеряемые многими тысячами вольт.

Пьезоэлектрический эффект (прямой и обратный) широко применяется для устройства различных электромеханических преобразователей. Для этого иногда используют составные пьезоэлементы, предназначенные для осуществления деформаций разного типа.

На рис.6 показан двойной пьезоэлемент (составленный из двух пластинок), работающий на сжатие. Пластинки вырезаны из кристалла таким образом, что они одновременно либо сжимаются, либо растягиваются. Если, наоборот, сжимать или растягивать такой пьезоэлемент внешними силами, то между его обкладками появляется напряжение. Соединение пластинок в этом пьезоэлементе соответствует параллельному соединению конденсаторов.

Рис.6. Двойной пьезоэлемент, работающий на сжатие.

3. Использование пьезоэффекта в науке и технике.

Главной деталью любого оборудования для озвучивания акустического музыкального инструмента является пьезодатчик (Transducer). Эта деталь преобразует механические колебания струн и деки в электрический сигнал.

Аналогичную функцию в электрогитаре выполняет магнитный датчик: сингл или хамбакер. Но физика работы электрогитарного датчика иная - он преобразует изменения магнитного поля, вносимое стальными струнами. Пьезодатчик для акустики работает с любыми струнами, в том числе синтетическими. Пьезодатчик помещают под косточку гитары (пластинку, на которую опираются струны). Это UST-датчик

Есть и другой способ размещения пьезодатчика - его приклеивают на деку гитару (изнутри, ближе к подставке). Сигнал с такого датчика будет слабее, ведь его не прижимают струны, он получает только колебания деки. Однако он имеет больше информации о свойствах корпуса гитары. Этот датчик называется AST (1470).

Совмещение сигналов от UST и AST дает очень сложную и интересную картину и позволяет реалистично озвучить инструменты самого высокого класса. Однако не всегда использование двух датчиков необходимо.

Пьезоэлектрические преобразователи:

Пьезоэлектрики являются обратимыми электромеханическими преобразователями, т. е. способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и, наоборот, электрическую энергию в механическую. Преобразователи, основанные на использовании прямого пьезоэффекта, называют преобразователями-генераторами; они имеют механический вход и электрический выход. Преобразователи, основанные на использовании обратного пьезоэффекта, называют преобразователями-двигателями; они имеют электрический вход и механические выходы. Известно множество пьезоэлектрических устройств, основанных на использовании как прямого, так и обратного эффектов. Прямой эффект используется, например, в микрофонах, звукоснимателях, датчиках механических сил, перемещений и ускорений, бытовых зажигалках для газа и др. Обратный эффект послужил основой для создания телефонов, громкоговорителей, ультразвуковых излучателей, реле, двигателей и т. п.

Известны и нашли практическое применение пьезоэлектрические преобразователи - пьезоэлектрические трансформаторы (сокращенно пьезотрансформаторы). Схематически устройство пьезотрансформатора изображено на рисунке, поясняющем, что он представляет собой пьезоэлектрический преобразователь в виде четырехполюсника, имеющего только электрические вход и выход.

Рис. 7 Пьезоэлектрический трансформатор

Действие пьезотрансформатора основано на использовании как прямого, так и обратного пьезоэффектов. Электрическое напряжение, приложенное к входным электродам пьезотрансформатора, в результате обратного пьезоэффекта вызывает деформацию всего объёма пьезоэлектрика и на выходных электродах возникает электрическое (вторичное) напряжение как следствие прямого пьезоэффекта. В пьезотрансформаторе происходит как бы двойное преобразование энергии - электрической в механическую, а затем механической в электрическую. Как и электромагнитный трансформатор, пьезотрансформатор используют для преобразования электрического напряжения. Подбором размеров электродов и их расположения можно получать различные значения коэффициента трансформации. Пьезотрансформаторы обычно используют в резонансном режиме, при котором достигаются большие значения коэффициента трансформации (порядка нескольких сотен). Пьезотрансформаторы используют в высоковольтных источниках вторичного электропитания.

Рассмотрим в общих чертах явления, происходящие в пьезоэлектрике, для двух случаев пьезоэлектрического преобразования энергии.

Пьезоэлемент (ПЭ) - тело из пьезоэлектрика определенных размеров, геометрической формы и ориентации относительно основных кристаллографических осей (или направления поляризации в случае пьезокерамики, имеющее проводящие обкладки (электроды).

Рис. 8 Пьезоэлемент: 1 - пластина из пьезоэлектрика; 2 - электроды из проводящего матариала, наложенные на грани пластины

Таким образом, пьезоэлемент представляет собой электрический конденсатор с твёрдым (кристаллическим или керамическим) диэлектриком. Особенностью такого конденсатора является наличие пьезоэлектрических свойств у диэлектрика, заполняющего пространство между электродами. Ниже будет показано, какое значение имеет наличие пьезоэффекта и каким образом он оказывает влияние на электрические и механические характеристики пьезоэлемента. Если пьезоэлемент используется как электромеханический преобразователь, то его ориентацию выбирают исходя из требований достижения наибольшего эффекта. Внешние силы (как механические, так и электрические), воздействующий на пьезоэлемент, могут быть как распределенными, так и сосредоточенными. Распределенные силы позволяют достичь более эффективного преобразования. Поэтому для более эффективной поляризации объема пьэзоэлектрика используют электроды, . покрывающие всю площадь граней пьезоэлемента, а для создания равномерно распределенного механического напряжения - накладки из упругого материала, хорошо прилегающие к граням пьезоэлемента и преобразующие внешние сосредоточенные силы в распределенные.

Внешняя сила вызывает деформацию пьезоэлемента, его поляризацию и возникновение на электродах противоположных электрических зарядов. Величина электрического заряда или возникающего при этом напряжения может быть измерена соответствующим измерительным прибором, присоединенным к электродам пьезоэлемента. Внешняя сила сообщает пьезоэлементу энергию в виде упругой деформации, которая может быть рассчитана, если известны величины воздействующей силы и жёсткость пьезоэлемента. Одновременно с деформацией пьезоэлемента на его электродах возникает электрическое напряжение. Следовательно, часть энергии, сообщаемой пьезоэлементу внешней силой, оказывается электрической и её величина может быть рассчитана, если известны электрическое напряжение на электродах и ёмкость пьезоэлемента.

Внешняя механическая сила, воздействующая на пьезоэлемент, сообщает последнему энергию W0 в виде энергии упругой деформации и энергии заряда ёмкости пьезоэлемента. Если обозначить энергию упругой деформации пьезоэлемента через Wм, а электрическую энергию заряда его ёмкости через Wэ, то полная энергия W0, сообщенная пьезоэлементу, будет равна их сумме. Как во всяком обратимом преобразователе, при этом возникает обратное действие (пьезоэлектрическая реакция), заключающееся в том, что возникшее вследствие прямого пьезоэффекта электрическое напряжение создаёт (уже в результате обратного пьезоэффекта) механические напряжения и деформации, противодействующие внешним силам. Это проявляется в увеличении жесткости пьезоэлемента. Если электрическое напряжение, возникающее вследствие пьезоэффекта, исключить, например, закоротив электроды пьезоэлемента, то обратного пьезоэлектрического действия наблюдаться не будет, следовательно, должно произойти уменьшение жесткости пьезоэлемента.

Подобные же рассуждения можно сделать и для случая обратного пьезоэффекта, т. е. воздействия на пьезоэлемент внешней электрической силы. При этом внешний источник электрической энергии сообщает пьезоэлементу энергию в виде энергии заряда ёмкости пьезоэлемента и механической энергии его упругой деформации. Здесь также имеет место обратное действие. Если воспрепятствовать деформации жестким зажатием пьезоэлемента, то можно обнаружить изменение его ёмкости. Этот факт легко наблюдается у сильных пьезоэлектриков, для слабых же, таких как кварц, изменение ёмкости невелико (около 1%). К этому выводу легко прийти, приняв во внимание термодинамические соображения. Из теории пьезоэлектричества известно, что упругие коэффициенты пьезоэлектриков зависят от электрических условий, как и их коэффициенты диэлектрических проницаемостей зависят от механических условий. Это естественно, так как пьезоэлектричество по определению предполагает наличие связи между упругими и диэлектрическими свойствами. Поэтому описание пьезоэлектрических свойств материала невозможно без привлечения упругих и диэлектрических коэффициентов с указанием граничных механических и электрических условий.

Более полно пьезоэффект характеризует энергетический коэффициент и, называемый коэффициентом электромеханической связи (ЭМС) и определяемый отношением k = Wэ / W0 = Wм / W0, где W0 - вся приложенная к пьезоэлементу энергия, а Wэ и Wм - преобразованная (электрическая и механическая) энергия. Коэффициент ЭМС оказывается очень полезным для сравнения пьезоэлектриков, пьезоэлектрические, упругие и диэлектрические коэффициенты которых могут сущевенно различаться. Этот коэффициент различен для статического и динамического режимов преобразования, в последнем случае он зависит также от вида и моды колебания. Коэффициент ЭМС, как и пьезоэлектрические модули, зависит от направления воздействующих сил относительно кристаллографических осей кристалла. Он определяет такую существенную характеристику резонатора, как относительная ширина резонансной кривой. Чем больше коэффициент ЭМС, тем больше относительная ширина резонансной кривой. Преобразование энергии пьезоэлектрическим элементом не можт быть полным, поэтому коэффициент ЭМС не бывает больше 1. Для так называемых слабых пьезоэлектриков, к которым принадлежат кварц, коэффициент ЭМС не превышает нескольких процентов, для сильных пьезоэлектриков, таких как сегнетова соль или пьезокерамика, он может достигать 50 ...90%.

Различные сферы применения:

Патент США N3239283. Американские изобретатели Дж.Броз и В.Лаубердорфер разработали конструкцию подшипника, в котором трение уничтожается вибрацией, но для ее создания не требуется специальных механизмов. Втулки подшипника изготовляются из пьезоэлектрического материала. Ток заставляет пьезоэлектрик сжиматься и расширяться, создавая вибрацию, уничтожающую трение.

Установка на реактивных самолетах пьезопреобразователей позволяет экономить почти треть топлива, которое шло на выработку электроэнергии, следовательно, позволяет увеличить дальность полета. Здесь в электроэнергию непосредственно превращаются колебания и вибрация фюзеляжа и крыльев.

Фирма "Филипс" успешно разрабатывает идею пьезоэлектрического привода для механизмов малой мощности. В частности, ею создан светофор, батареи которого заряжаются от шума автомобилей на перекрестке.

Поговаривают о создании звукоизолирующих перегородок многоквартирных домок из пьезоэлектриков. Здесь двойной эффект и поглощение шума, и выработка электроэнергии, скажем, для обогрева квартир.

Пьезоэлектрическая струйная печать. Пьезоэлектрические струйные головки для принтеров были разработаны в семидесятых годах. В большинстве таких принтеров избыточное давление в камере с чернилами создается с помощью диска из пьезоэлектрика, который изменяет свою форму (выгибается) при подведении к нему электрического напряжения. Выгнувшись, диск, который служит одной из стенок камеры с чернилами, уменьшает ее объем. Под действием избыточного давления жидкие чернила вылетают из сопла в виде капли.

Пьезоэлектрический микрофон, сконструированный советскими учёными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 году, имеет в качестве датчика звукового давления пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Звуковые волны падают на пьезокристалл микрофона и сжимают его. При помощи пьезокристалла происходит преобразование энергии звуковых волн в слабый электрический ток. Этот небольшой ток затем поступает на усилитель, который делает его достаточно сильным, чтобы обеспечить нормальную работу громкоговорителя. Работа в качестве датчика давления позволила создать первые гидрофоны и записать сверхнизкочастотные звуки, характерные для морских обитателей.

Зажигалка бытовая пьезоэлектрическая ЗП-1 "Толнэ". Зажигалка предназначена для зажигания газа в горелках бытовых газовых приборов. Источником получения искры является пьезоэлемент. Нажатием на клавишу усилие сжатия передается на пьезоэлементы, в результате чего происходит искрообразование между контактами, расположенными внутри металлической насадки, надетой на удлиненный конец пьезозажигалки. Искра, которая поджигает газ, образуется как при нажатии на клавишу, так и при отпускании ее.

Пьезоэлектрические излучатели применяются для генерирования ультразвука с частотами до 50 Мгц. Основным элементом пьезоэлектрического излучателя является пластинка из пьезоэлектрика, совершающая вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта вынужденные механические колебания в переменном электрическом поле.

Список литературы

“Электричество” С.Г. Калашников, Москва, 1977г.

“Электротехнические материалы” Ю.В. Корицкий, Москва, 1968г.

“Радиопередающие устройства” Г.А. Зейтленка, Москва, 1969г.

http://www.terralab.ru/299680/?r1=rss&r2=remote;

http://www.b-band.ru/pieza.html;