Какой природный минерал обладает пьезоэлектрическими свойствами
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 11 октября 2019; проверки требует 1 правка.
Создание электрического напряжения пьезоэлектриком. Амплитуда колебаний диска увеличена для наглядности.
Пьезоэлектри́ческий эффе́кт (от греч. πιέζω (piézō) — давлю, сжимаю) — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля.
При прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектрического образца приводит к возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твердого тела, при обратном пьезоэффекте приложение напряжения к телу вызывает его деформацию.
История[править | править код]
Прямой эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году[1]. Обратный эффект был предугадан в 1881 году Липпманом исходя из термодинамических соображений. В том же году экспериментально открыт братьями Кюри.
Физика явления[править | править код]
Пьезоэлектрические вещества всегда обладают одновременно и прямым, и обратным пьезоэффектом. Не обязательно, чтобы вещество было монокристаллом, эффект наблюдается и в поликристаллических веществах, предварительно поляризованных сильным электрическим полем во время кристаллизации, или при фазовом переходе в точке температуры Кюри при охлаждении для сегнетоэлектриков (например, керамические пьезоэлектрические материалы на основе цирконата-титаната свинца) при наложенном внешнем электрическом поле.
Полная энергия, сообщенная пьезоэлементу внешней механической силой, равна сумме энергии упругой деформации и энергии заряда ёмкости пьезоэлемента. Вследствие обратимости пьезоэффекта возникает пьезоэлектрическая реакция: возникшее вследствие прямого пьезоэффекта электрическое напряжение создаёт (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 и произойдёт уменьшение жесткости пьезоэлемента[2].
Исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. Так как элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, путём её многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейке[3].
Проводники не обладают пьезоэлектрическим коэффициентом, потому что при применении механических напряжений( для прямого) и электрических ( для обратного) заряд будет компенсироваться проводящей средой
Не следует путать с другими явлениями[править | править код]
- Пьезоэффект нельзя путать с электрострикцией. В отличие от электрострикции прямой пьезоэффект наблюдается только в кристаллах без центра симметрии. Хотя в классе 432 кубической сингонии нет центра симметрии, пьезоэлектричество в нём также невозможно. Следовательно, пьезоэффект может наблюдаться у диэлектрических кристаллов, принадлежащих только к одному из 20 классов точечных групп.
- Пьезоэлектрический эффект нельзя путать с пьезорезистивным эффектом (англ.)русск..
Использование пьезоэффекта в технике[править | править код]
Прямой пьезоэффект используется:
- в пьезогенераторах электроэнергии разнообразного назначения:
- в пьезозажигалках, для получения высокого напряжения на разряднике от движения пальца;
- в контактном пьезоэлектрическом взрывателе (например, к выстрелам РПГ-7);
- в датчиках:
- в качестве чувствительного к силе элемента (чем больше сила, тем выше напряжение на контактах), например, в силоизмерительных датчиках, датчиках давления жидкостей и газов;
- в качестве чувствительного элемента в микрофонах, гидрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, приёмных элементов сонаров;
Обратный пьезоэлектрический эффект используется:
- в акустических излучателях:
- в пьезокерамических излучателях звука (эффективны на высоких частотах и имеют небольшие габариты; такие например встраиваются в музыкальные открытки, различные оповещатели, применяемые во всевозможных бытовых устройствах от наручных часов до кухонной техники);
- в ультразвуковых излучателях для увлажнителей воздуха, ультразвуковой гидроочистки (в частности, ультразвуковых стиральных машин и промышленных ультразвуковых ванн);
- в излучателях гидролокаторов (сонарах);
- в системах механических перемещений (активаторах):
- в системах сверхточного позиционирования, например, в системе позиционирования иглы в сканирующем туннельном микроскопе или в позиционере перемещения головки жёсткого диска[4];
- в адаптивной оптике, для изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала.
- в пьезоэлектрических двигателях;
- для подачи чернил в струйных принтерах.
Прямой и обратный эффект одновременно используются:
- в кварцевых резонаторах, используемых как эталон частоты;
- в пьезотрансформаторах для изменения напряжения высокой частоты.
- в приборах на эффекте поверхностных акустических волн:
- в ультразвуковых линиях задержки электронной аппаратуры;
- в датчиках на поверхностных акустических волнах.
Пьезоэлектрические свойства горных пород[править | править код]
Некоторые минералы горных пород обладают пьезоэлектрическим свойством за счёт того, что электрические оси этих минералов расположены не хаотично, а ориентированы преимущественно в одном направлении, поэтому одноимённые концы электрических осей («плюсы» или «минусы») группируются вместе. Это научное открытие было сделано в Институте физики Земли советскими учёными М. П. Воларовичем и Э. И. Пархоменко и занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 57 с приоритетом от 1954 г. На основе этого открытия разработан пьезоэлектрический метод геологической разведки кварцевых, пегматитовых и хрусталеносных жил, которым сопутствуют золото, вольфрам, олово, флюорит и другие полезные ископаемые[5].
См. также[править | править код]
- Пьезоэлектрик
- Пьезоэлектричество
- Электреты
- Электрострикция
- Эффект Виллари
Ссылки[править | править код]
Источник
Какие ассоциации у вас возникают при слове пьезоэлемент? Зажигалка или электроподжиг. На самом деле пьезоэффект используется в гораздо больших областях. В этой статье я расскажу вам, что вообще такое пьезоэффект и где его активно применяют. Итак, начнем.
yandex.ru
История открытия
Данный эффект был открыт еще в 1880 году братьями Кюри. В результате проведенных экспериментов ими было установлено, что при сжатии либо растяжении отдельных кристаллов естественного происхождения на их гранях формируется электрические заряды.
Открытый эффект ученые назвали «пьезоэлектричество» (от греческого «piezo» в буквальном переводе –«давить»), а кристаллы, которые обладают такими свойствами, стали называть пьезоэлектрическими.
Как и в каких кристаллах работает этот эффект
Как оказалось данным эффектом наделены кристаллы как естественного происхождения (турмалин, кварц и т.п.), так и искусственно выращенные. Причем список таких кристаллов пополняется с завидной постоянностью.
Если такой кристалл начать растягивать или сжимать в определенной плоскости, то на гранях образуется электрический заряд с небольшой разностью потенциалов.
yandex.ru
Если же на эти грани подключить проводники, то в момент сжатия или растяжения по ним пройдет небольшой электрический импульс. Это и есть проявление Пьезоэффекта. Если же оказывать постоянное давление, то никакого образования электроимпульса не наблюдается.
yandex.ru
При этом такие кристаллы обладают просто отличной упругостью. Если снять деформирующее воздействия, то кристалл возвращается в свое первоначальное положение без всяких инерционных колебаний.
Если на кристалл уже находящийся под давлением приложить еще большее усилие или же его полностью снять, то он сразу же отреагирует электрическим импульсом.
Правда на момент открытия эффекта сила тока от колеблющегося кристалла была ничтожна и это было основным препятствием в активном использовании открытия на практике. Но с приходом современных технологий когда ток можно усилить в сотни раз, проблема была устранена и пьезоэлементы стали активно применяться.
Примечание. На данный момент уже открыты элементы, пьезоэффект у которых проявляется достаточно сильно.
Где и как используются пьезоэлементы
Данные кристаллы стали активно использоваться в ультразвуковой дефектоскопии (обнаружение дефектов в разнообразных металлических изделиях).
В электромеханических преобразователях для стабилизации частот, в фильтрах многоканальной связи, во всевозможных датчиках фиксации давления и усиления, в адаптерах и т. п. На самом деле список где используются пьезоэлементы в той или иной степени можно продолжать очень долго.
yandex.ru
Главные особенности пьезокристаллов
Обратный эффект пьезокристаллов
Но гораздо более важным явилось открытие так называемого обратного эффекта, который заключен в следующем:
Если на соответствующие грани кристалла приложить определенный заряд, то сам кристалл подвергнется деформации.
То есть если на кристалл подать электрические колебания соответствующие звуковой частоте, то кристалл, колеблясь, будет транслировать звуковые волны в окружающую среду. Иначе говоря, один кристалл может быть и динамиком, и микрофоном одновременно.
yandex.ru
Собственная частота механических колебаний
Так же у таких кристаллов есть своя собственная механическая частота и если на кристалл подать заряд с частотой, совпадающей с собственной, то он войдет в резонанс, начнет колебаться особенно сильно. Этот принцип используется в пьезоэлектрических стабилизаторах, которые поддерживают постоянную частоту в генераторах незатухающих колебаний.
Этот же эффект справедлив и для прилагаемых механических колебаний. Благодаря этому были созданы акустические приборы, которые выделяют из всего разнообразия приходящих звуков только те, которые необходимы для каких-либо целей.
yandex.ru
Производство пьезоэлементов
Для того, чтобы использовать пьезоэффект нет необходимости применять целый кристалл. Достаточно распилить его на пластинки, при этом распил должен быть строго ориентирован относительно кристаллографических осей. А затем из заготовок сформировать прямоугольные или круглые пластины.
При этом так же строго соблюдается толщина пластин, ведь от нее зависит резонансная частота колебаний. Далее эти пластинки (одна или сразу несколько) соединяются с металлическими пластинами и таким образом получается пьезоэлемент.
Заключение
Как видите пьезоэлемент используется в гораздо больших областях, чем казалось на первый взгляд. Если вам понравилась статья, то оцените ее лайком и спасибо за ваше внимание!
Источник
Êðèñòàëëû è èõ ñâîéñòâà
Ñòðàíèöà 11
Ñðåäè çàìå÷àòåëüíûõ ìèíåðàëîâ îñíîâíûìè ïüåçîýëåêòðèêàìè ÿâëÿþòñÿ ìîíîêðèñòàëëû êâàðöà è òóðìàëèíà. Èç ìíîãî÷èñëåííûõ êðèñòàëëîãðàôè÷åñêèõ ìîäèôèêàöèé êâàðöà â êà÷åñòâå ïüåçî-ýëåêòðèêà èñïîëüçóåòñÿ ÷àùå âñåãî íèçêîòåìïåðàòóðíûé à-êâàðö, óñòîé÷èâûé äî òåìïåðàòóðû 573°Ñ.
Ïüåçîýëåêòðè÷åñêèå è ïèðîýëåêòðè÷åñêèå ñâîéñòâà êðèñòàëëîâ èñïîëüçóþòñÿ â òåõíèêå óæå ìíîãî ëåò. Îäíî èç ïðèìåíåíèé ïüåçî-ýëåêòðèêîâ èçâåñòíî áóêâàëüíî êàæäîìó. Ýòî çâóêîñíèìàòåëè â íàøèõ ïðîèãðûâàòåëÿõ, êîòîðûå ïðåâðàùàþò ìåõàíè÷åñêèå êîëåáàíèÿ èãëû íà ãðàììîôîííîé ïëàñòèíêå â ýëåêòðè÷åñêèå òîêè, êîòîðûå çàòåì óñèëèâàþòñÿ è ïîäàþòñÿ íà äèíàìèê.
Íà àíàëîãè÷íîé îñíîâå ïüåçîýëåêòðè÷åñêèå ñâîéñòâà êðèñòàëëîâ èñïîëüçóþòñÿ â óëüòðàçâóêîâîé ãèäðîàêóñòèêå, äåôåêòîñêîïèè, ïðè èçó÷åíèè ñâîéñòâ ãàçîâ, æèäêîñòåé è òâåðäûõ òåë, äëÿ èçìåðåíèÿ äàâëåíèé è âèáðàöèé, ïðè èçãîòîâëåíèè ñòàáèëèçàòîðîâ è ôèëüòðîâ ðàäèî÷àñòîò. Ïðåäëîæåíî äàæå èñïîëüçîâàòü ïüåçîêðèñòàëë äëÿ ëàìïû-âñïûøêè ïðè ôîòîãðàôèðîâàíèè. Ïî çàìûñëó è ðàñ÷åòàì èçîáðåòàòåëÿ ïðè ìåõàíè÷åñêîì óäàðå ïî êðèñòàëëó âûäåëÿåòñÿ êîëè÷åñòâî ýíåðãèè, äîñòàòî÷íîå äëÿ âñïûøêè ýëåêòðè÷åñêîé ëàìïî÷êè.
Ñîâðåìåííûå òåõíè÷åñêèå òðåáîâàíèÿ ê ïüåçîêðèñòàëëàì î÷åíü âûñîêè: òðåáóåòñÿ, ÷òîáû â êðèñòàëëå áûë ó÷àñòîê ðàçìåðîì íå ìåíåå 12Õ12Õ1,5 ìì áåç âñÿêèõ äåôåêòîâ, òðåùèíîê, âêëþ÷åíèé è ò. ä. Ïîñêîëüêó â ïðèðîäíûõ êðèñòàëëàõ ðåäêî óäàåòñÿ íàéòè ïîäîáíûå ó÷àñòêè, â òåõíèêå âñå áîëåå è áîëåå èñïîëüçóþòñÿ èñêóññòâåííûå êðèñòàëëû êâàðöà è äðóãèõ ìèíåðàëîâ.
Îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà. Èç ðàçëè÷íûõ îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ çàìå÷àòåëüíûõ ìèíåðàëîâ â òåõíèêå öåíÿòñÿ ïî÷òè òå æå ñàìûå, êîòîðûå îïðåäåëÿþò èñïîëüçîâàíèå ýòèõ ìèíåðàëîâ â êà÷åñòâå óêðàøåíèé: ïðîçðà÷íîñòü, äâóïðåëîìëåíèå, ïîëÿðèçóþùèå ñâîéñòâà è ò. ä.
Êàæäûé èç íàñ õîðîøî çíàåò èñêóññòâåííîå «ãîðíîå ñîëíöå» àïïàðàò, øèðîêî ïðèìåíÿåìûé â ìåäèöèíå. Ïðè âêëþ÷åíèè ýòîò àïïàðàò èçëó÷àåò óäèâèòåëüíûé ñâåò óëüòðàôèîëåòîâûé. Ëàìïà â àïïàðàòå ñäåëàíà íå èç îáû÷íîãî ñòåêëà, à èç êâàðöåâîãî, êîòîðîå â îòëè÷èå îò îáû÷íîãî ïðîïóñêàåò èíôðàêðàñíóþ, à îñîáåííî óëüòðàôèîëåòîâóþ ÷àñòè ñïåêòðà ñâåòà. Ýòè ëó÷è ïîèñòèíå ÿâëÿþòñÿ öåëåáíûìè, à êðîìå òîãî, ïðèäàþò çàãàð ÷åëîâå÷åñêîé êîæå. Ïðèìåíåíèå êâàðöåâîé ëàìïû íå îãðàíè÷èâàåòñÿ òîëüêî ìåäèöèíîé. Îíà èñïîëüçóåòñÿ â îðãàíè÷åñêîé õèìèè, ìèíåðàëîãèè è äðóãèõ îòðàñëÿõ äëÿ èçó÷åíèÿ âåùåñòâ â óëüòðàôèîëåòîâûõ ëó÷àõ. Äàæå ôèëàòåëèñòû ïðè èçó÷åíèè ìàðîê ïðèáåãàþò ê ïîìîùè ýòîé ëàìïû: îíà ïîçâîëÿåò îòëè÷àòü ôàëüøèâûå ìàðêè îò íàñòîÿùèõ.
Êâàðö óïîòðåáëÿåòñÿ â òåõíèêå è äëÿ äðóãèõ öåëåé. ×èñòûå áåçäåôåêòíûå êðèñòàëëû ãîðíîãî õðóñòàëÿ èäóò íà èçãîòîâëåíèå ïðèçì, ñïåêòðîãðàôîâ, ïîëÿðèçóþùèõ ïëàñòèíîê.
Äðóãèì çàìå÷àòåëüíûì ìèíåðàëîì, ïðèìåíÿåìûì â îïòèêå, ÿâëÿåòñÿ ôëþîðèò. Ýòî ÷èñòûå ïðîçðà÷íûå áåñöâåòíûå èëè ñëàáî îêðàøåííûå êðèñòàëëû. Èõ öåííûìè ñâîéñòâàìè ÿâëÿþòñÿ èçîòðîïíîñòü, íåçíà÷èòåëüíàÿ äèñïåðñèÿ, íèçêèé êîýôôèöèåíò ïðåëîìëåíèÿ è, òàê æå êàê ó Ãîðíîãî õðóñòàëÿ, âûñîêàÿ ñïîñîáíîñòü ïðîïóñêàòü èíôðàêðàñíûå è óëüòðàôèîëåòîâûå ëó÷è. Ôëþîðèò èñïîëüçóåòñÿ äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ëèíç òåëåñêîïîâ è ìèêðîñêîïîâ, äëÿ èçãîòîâëåíèÿ ïðèçì ñïåêòðîãðàôîâ è â äðóãèõ îïòè÷åñêèõ ïðèáîðàõ.
Íî, ïîæàëóé, ñàìîå áîëüøîå çíà÷åíèå èìååò èñïîëüçîâàíèå îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ çàìå÷àòåëüíûõ ìèíåðàëîâ, ñâÿçàííîå ñ èçîáðåòåíèåì ëàçåðà îïòè÷åñêîãî êâàíòîâîãî ãåíåðàòîðà. Ñëîâî «ëàçåð» ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñîêðàùåíèå àíãëèéñêèõ ñëîâ Ughf amplification by stimulated emission of radiation óñèëèòåëü ñâåòà ïðè âûçâàííîì èçëó÷åíèè. Ïðèíöèï ðàáîòû ëàçåðà äîñòàòî÷íî ñëîæåí, äëÿ ãåíåðàöèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ â íåì èñïîëüçóåòñÿ ýíåðãèÿ, êîòîðàÿ âîçíèêàåò ïðè ïåðåõîäå àòîìîâ èëè ýëåêòðîíîâ èç îäíîãî ýíåðãåòè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ â äðóãîå.
Ïåðâûé ëàçåð áàë ñîçäàí â 1960 ã. íà ðóáèíå, â êîòîðîì íåçíà÷èòåëüíàÿ ÷àñòü èîíîâ Al3 áûëà çàìåùåíà èîíàìè õðîìà. Ýòîò ëàçåð èçëó÷àë ÿðêèé ñâåò ñ äëèíîé âîëíû 694,3 íì. Ñ ïîìîùüþ ðóáèíîâîãî ëàçåðà áûëî ïðîâåäåíî òî÷íîå îïðåäåëåíèå (ëîêàöèÿ) ðàññòîÿíèÿ îò Çåìëè äî Ëóíû. Çàòðàòû ýíåðãèè ïðè ýòîì íå ïðåâûøàëè ýíåðãèè ñãîðàíèÿ äåñÿòêà ñïè÷åê.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ïðèìåíåíèå ëàçåðîâ â òåõíèêå âñå áîëåå ðàñøèðÿåòñÿ. Îíè èñïîëüçóþòñÿ äëÿ èçó÷åíèÿ ôèçèêè ïëàçìû, ïðè õèðóðãè÷åñêèõ îïåðàöèÿõ, â òåëåâèäåíèè äëÿ ñúåìîê è ïåðåäà÷è èçîáðàæåíèÿ, äëÿ ñâåðëåíèÿ è ñâàðêè ìåòàëëîâ è ò. ä. È xoòÿ â ïîñëåäíåå âðåìÿ ïîÿâèëèñü ëàçåðû è íà äðóãèõ âåùåñòâàõ, íàïðèìåð ãàçîâûå èëè ïîëóïðîâîäíèêîâûå ëàçåðû, ìèíåðàë ðóáèí ïî-ïðåæíåìó îñòàåòñÿ îäíèì èç íàèáîëåå óïîòðåáèòåëüíûõ ìàòåðèàëîâ. Ïðåèìóùåñòâà ðóáèíà çàêëþ÷àþòñÿ â åãî âûäàþùèõñÿ ìåõàíè÷åñêèõ ñâîéñòâàõ, î êîòîðûõ ìû ãîâîðèëè ðàíüøå: â åãî òâåðäîñòè, òåïëîòîóïîðíîñòè è óñòîé÷èâîñòè â ñèëüíî àãðåññèâíûõ óñëîâèÿõ. Èç äðóãèõ êðèñòàëëè÷åñêèõ âåùåñòâ äëÿ ëàçåðîâ èñïîëüçóþòñÿ àëþìèíèåâî-èòòðèåâûå ãðàíàòû, ôëþîðèò è ðÿä äðóãèõ ïðåèìóùåñòâåííî èñêóññòâåííûõ, êðèñòàëëîâ.
Ýòèìè ïðèìåðàìè ìîæíî áûëî áû çàêîí÷èòü íàø êîðîòêèé ðàññêàç î ïðèìåíåíèè ìèíåðàëîâ â òåõíèêå. Íî îáëàñòè ïðèìåíåíèÿ ìèíåðàëîâ, âñå áîëåå ðàñøèðÿþòñÿ, äàëüíåéøåå ðàçâèòèå íàóêè ïðîäîëæàåò âûÿâëÿòü â íèõ âñå íîâûå è íîâûå ñâîéñòâà. Ðóáèíîâûå ñòåêëà â èëëþìèíàòîðàõ è ïðèáîðàõ êîñìè÷åñêèõ êîðàáëåé, ñâåòîâîäû èç ãîðíîãî õðóñòàëÿ, ïîçâîëÿþùèå ïðàêòè÷åñêè ìãíîâåííî ïåðåäàâàòü ñ ïîìîùüþ ëàçåðíîãî ëó÷à ãðîìàäíîå êîëè÷åñòâî èíôîðìàöèè, àëìàçû â êà÷åñòâå äåòåêòîðîâ ÿäåðíûõ èçëó÷åíèé äàæå ïðîñòîå ïåðå÷èñëåíèå ïîêàçûâàåò, ÷òî çàìå÷àòåëüíûå ìèíåðàëû íàõîäÿòñÿ íà ñàìîì ïåðåäíåì êðàå íàóêè è òåõíèêè.
Ðîñò ïîòðåáëåíèÿ ìèíåðàëîâ íå îáåñïå÷èâàåòñÿ ïðèðîäíûìè ìåñòîðîæäåíèÿìè, ïîýòîìó âñå áîëåå è áîëåå ðàñøèðÿåòñÿ ñèíòåç ìèíåðàëîâ, èõ èñêóññòâåííîå ïðîèçâîäñòâî íà çàâîäàõ.
Ëàáîðàòîðíàÿ ðàáîòà ¹1
Âûðàùèâàíèå êðèñòàëëîâ
Îáîðóäîâàíèå: ïîâàðåííàÿ ñîëü, äèñòèëëèðîâàííàÿ âîäà, âîðîíêà, ñòåêëÿííàÿ ïàëî÷êà, âàòà, ñòàêàíû.
Ñóùåñòâóþò äâà ïðîñòûõ ñïîñîáà âûðàùèâàíèÿ êðèñòàëëîâ èç ïåðåñûùåííîãî ðàñòâîðà: ïóòåì îõëàæäåíèÿ íàñûùåííîãî ðàñòâîðà èëè ïóòåì åãî âûïàðèâàíèÿ. Ïåðâûì ýòàïîì ïðè ëþáîì èç äâóõ ñïîñîáîâ ÿâëÿåòñÿ ïðèãîòîâëåíèå íàñûùåííîãî ðàñòâîðà.  óñëîâèÿõ øêîëüíîãî ôèçè÷åñêîãî êàáèíåòà ïðîùå âñåãî âûðàùèâàòü êðèñòàëëû àëþìîêàëèåâûõ êâàñöîâ.
Ïåðåéòè íà ñòðàíèöó: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Источник
Пьезоэлектрические материалы, кристаллические вещества с хорошо выраженными пьезоэлектрическими свойствами (см. Пьезоэлектричество), применяемые для изготовления электромеханических преобразователей: пьезоэлектрических резонаторов, пьезоэлектрических датчиков, излучателей и приёмников звука и др. Основными характеристиками П. м. являются: 1) коэффициент электромеханической связи , где d — пьезомодуль, Е —модуль упругости, e — диэлектрическая проницаемость (в анизотропных П. м. все эти и нижеследующие величины — тензорные); 2) величина k2Itgd, определяющая кпд преобразователя (d — угол диэлектрических потерь); 3) отношение механической мощности пьезоэлемента на резонансной частоте к квадрату напряжённости электрического поля в нём; определяется величиной (dE)2; 4) и определяют чувствительность приёмника звука соответственно в области резонанса и на низких частотах (сзв — скорость звука в П. м.). В табл. приведены характеристики некоторых наиболее распространённых П. м. К П. м. в зависимости от назначения предъявляются специальные требования: высокая механическая и электрическая прочности, слабая температурная зависимость характеристик, высокая добротность, влагостойкость и т.д.
Основные характеристики наиболее распространенных пьезоэлектрических материалов при температуре 16—20 °С
Плот- | Ско- | Диэлект- | Пьезо- | Тангенс угла диэлект- | Коэф- | k2/tgd | Примеча- | ||
Кварц | 2,6 | 5,47(11) | 4,5(11) | 2,31(11) | < 0,5 | 0,095 | >0,4 | срез x | |
Дегидрофосфат аммония (АДР) | 1,8 | 5,27(33) | 21,8 | 24(36)/2 | < 1 | 0,3 | >8 | срез 45° | |
Сульфат лития | 2,05 | 4,7(33) | 10,3(22) | 18,3(22) | < 1 | 0,37 | >10 | относите- | |
Сегнетова соль | 1,77 | 3,9(22) | 250(11) | 172(14)/2 | > 5 | 0,67 | <13 | срез у | |
Сульфонодид сурьмы | 5,2 | 1,5(33) | 1000(33) | 5—10 | 0,8(33) | 9 | срез 45° относите- | ||
Пьезокерамика | Титанат бария (ТБ—1) | 5,3 | 1500 | 2—3 | данные фирмы Кливайт (США) | ||||
Титанат бария кальция ТБК—3) | 5,4 | 1180 | 1,3; 4,0 | ||||||
Группа цирконата — титаната свинца ЦТС—23 | 7, 4 | 1100 | 0,75—2,0 | ||||||
ЦТБС—3 | 7,2 | 2300 | 1,2—2,0 | ||||||
ЦТСНВ—1 | 7,3 | 2200 | 1,9—9,5 | ||||||
PZT—5H | 7,5 | 3400 | 2,0—3,0 | ||||||
PZT—8 | 7,6 | 1000 | 0,4—0,7 | ||||||
Примечание. Цифры в скобках у монокристаллов определяют индексы соответствующих тензорных характеристик, например: (36)/2 означает d36. Для пьезокерамики верхние значения постоянных имеют индексы (11) или (31), а нижние (33), величины d31 < 0, d33 >0. Значения tgd для кристаллов даны для поля < 0,05 кв/см; для пьезокерамики tgd даётся в интервале 0,05 кв/см £ E < 2 кв/см. Данные для отечественной пьезокерамики даны на основании ГОСТ 18 927—68.
П. м. могут быть разбиты на: монокристаллы, встречающиеся в виде природных минералов или искусственно выращиваемые (кварц, дигидрофосфаты калия и аммония, сегнетова соль, ниобат лития, силикоселенит и германоселенит и др.), и поликристаллические сегнетоэлектрические твёрдые растворы, подвергнутые после синтеза поляризации в электрическом поле (пьезокерамика). Из П. м. первой группы применяются лишь некоторые кристаллы, например кварц, обладающий большой температурной стабильностью свойств, механической прочностью, малыми диэлектрическими потерями и влагостойкостью. Недостатки — сравнительно слабый пьезоэффект, малые размеры кристаллов, трудность обработки. Используется главным образом в пьезоэлектрических фильтрах и стабилизаторах частоты (см. Кварцевый генератор); в лабораторной технике применяются кварцевые излучатели и приёмники ультразвука. Дигидрофосфат аммония — искусственно выращиваемый сегнетоэлектрический кристалл, химически стоек, до точки плавления (Тпл = 130 °С) обладает сравнительно сильно выраженным пьезоэффектом и малой плотностью, однако недостаточно механически прочен. Кристаллы сегнетовой соли (выращиваемые до больших размеров) имеют высокие значения характеристик, определяющих чувствительность приёмника звука. Малая влагостойкость, низкая механическая прочность, а также сильная зависимость свойств от температуры (из-за низких значений температуры Кюри и Тпл = 55 °С) и напряжённости электрического поля ограничивают применение сегнетовой соли. Ниобат лития, силикоселенит и германоселенит наряду с сильно выраженным пьезоэффектом и высокой механической прочностью обладают высокой акустической добротностью и используются в области гиперзвуковых частот (см. Гиперзвук). Турмалин, гидрофосфат калия, сульфат лития и др. практически не используются. Наиболее распространённым промышленным П. м. является пьезоэлектрическая керамика.
Лит.: Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. А, М., 1966; Матаушек И., Ультразвуковая техника, пер. с нем., М., 1962; Ультразвуковые преобразователи, пер. с англ., под ред. Е. Кикучи, М., 1972.
Б. С. Аронов, Р. Е. Пасынков.
Оглавление
Источник