Курсовая работа: Особенности пьезоэлектрического эффекта
2.
Деформации кристаллов
Согласно
изложенному для получения максимальных электрических зарядов кристалл кварца
надо растягивать или сжимать в направлении одной из полярных осей. В
соответствии с этим кварцевые пластинки и стержни, применяемые в
пьезоэлектрических опытах и приборах, вырезаются обычно так, чтобы пара
плоскостей, образовавшихся при срезе, была перпендикулярна к одной из полярных
осей. Такая ось называется также электрической осью или пьезоосью и
обозначается обычно через .
Оптическая ось принимается за ось соответствующей
правой системы координат. Ось такой системы
координат называют механической осью кристалла. На рис. 4 изображена пластинка,
вырезанная указанным образом. Длины ребер пластинки обозначены через l (длина), b (ширина), h
(толщина).
В соответствии
с приведенным выше наглядным объяснением при растяжении или сжатии пластинки в
направлении оптической оси пьезоэлектрический
эффект не возникает. При растяжении вдоль электрической оси нижняя поверхность
пластинки электризуется положительно, а верхняя — отрицательно. То же самое
наблюдается при сжатии пластинки в направлении механической оси . При замене сжатия
растяжением и наоборот знаки зарядов меняются на противоположные. Если нет
касательных напряжений, то поляризация кварцевой пластинки при растяжении или
ежа или определяется выражением
(1),
где и - механические натяжения,
действующие параллельно осям и , a - постоянная, называемая пьезоэлектрическим модулем.
Для кварца
Допустим,
например, что . Тогда на нижней
поверхности пластинки появится положительный заряд с плотностью СГСЭ-ед. Ему соответствует внутри
пластинки электрическое поле СГСЭ-ед.
. При толщине пластинки она заряжается до разности
потенциалов .
Для
того чтобы использовать поляризационные заряды, появляющиеся на противоположных
гранях кварцевой пластинки при ее деформации, эти грани снабжают металлическими
обкладками. На таких обкладках индуцируются заряды, равные и противоположные по
знаку поляризационным, а во внешних проводах, соединяющих обкладки, возникает
электрический ток.
Значительно
сильнее, чем у кварца, пьезоэлектрические свойства выражены у кристаллов
сегнетовой соли. Благодаря этому она применяется во многих пьезоэлектрических
приборах. Однако сегнетова соль очень хрупка и имеет низкую температуру
плавления (+63°С), что сильно ограничивает возможности ее практического использования.
Она
удобна для демонстрации прямого пьезоэлектрического эффекта. Пластинка
сегнетовой соли слегка зажимается между двумя обкладками из листовой латуни
(рис.5).
Обкладки
соединены проводами с неоновой лампочкой. Последняя представляет собою
стеклянный баллончик, наполненный разреженным неоном. Внутрь баллончика введены
два металлических электрода. Когда разность потенциалов между электродами
превосходит определенную величину (потенциал зажигания), в лампочке возникает
газовый разряд, сопровождающийся свечением неона. Если резко ударять резиновым
молотком по пластинке сегнетовой соли, то при каждом ударе появляется
кратковременная вспышка неоновой лампочки. Вместо сегнетовой соли в описанной
демонстрации можно пользоваться пластинкой из титаната бария.
4.
Обратный пьезоэлектрический эффект
В
1881 г. Липпман (1845-1921), исходя из термодинамических соображений,
предсказал обратный пьезоэлектрический эффект, который в том же году и был
обнаружен братьями Кюри на кристаллах кварца. Обратный пьезоэлектрический
эффект состоит в том, что при внесении пьезоэлектрического кристалла в
электрическое поле в кристалле возникают механические напряжения, под действием
которых кристалл деформируется.
Допустим,
что кварцевая пластинка (см. рис. 4) внесена в электрическое поле, направленное
параллельно оси . Пусть она в
направлениях и поддержана также действию
механических натяжений и соответственно. Если - объем пластинки, то элементарная
работа, которую надо затратить на ее поляризацию при квазистатическом процессе,
определяется выражением .
Элементарная же механическая работа, совершаемая квазистатическими силами
натяжения при удлинении ребер и , будет . Применим к рассматриваемому
процессу термодинамическое соотношение .
Разделив его на и обозначив
через и значения удельной энтропии
и внутренней энергии, получим
,
Или
.
Введя
функцию , преобразуем это
соотношение к виду
.
Так
как выражение справа есть полный дифференциал функции , то должно быть
,
.
или с
учетом соотношения (1)
, . (2).
Эти
формулы и описывают обратный пьезоэлектрический эффект в кварце. В линейном
приближении, в котором только и верна излагаемая теория, формулы (2)
записываются в виде
, (3).
. (4).
где и — абсолютные приращения
размеров пластинки при наложении электрического поля ,a - разность потенциалов между гранью и гранью, ей
противоположной (рис. 4).
Формула
(3) выражает продольный обратный пьезоэлектрический эффект, а формула (4)-
поперечный. При наложении электрического поля параллельно электрической оси
меняется толщина пластинки (продольный эффект) и се длина (поперечный эффект).
Если толщина увеличивается, то длина уменьшается, и наоборот,
причем относительные изменения этих размеров по абсолютной величине одинаковы,
так что объем пластинки остается неизменным. Абсолютное значение не зависит от толщины
пластинки, а только от приложенной разности потенциалов . При СГСЭ-ед. из формулы (3)
находим . Если , то поперечный эффект при
той же разности потенциалов будет в 10 раз больше. Модуль Юнга
(1773-1829) кварца в направлении электрической оси .
При толщине пластинки в ней в случае
продольного эффекта в приведенном выше примере возникают натяжения или давления
.
Термодинамические
рассуждения, изложенные выше, проведены в предположении, что температура
остается постоянной. Поэтому пьезоэлектрический модуль может быть охарактеризован как
изотермический модуль. Нетрудно видеть, как следует изменить эти рассуждения
применительно к адиабатическим процессам. Формулы (1), (3) и (4) остаются
верными и для таких процессов. Только изотермический пьезоэлектрический модуль надо заменить
адиабатическим.
Страницы: 1, 2, 3, 4 |