МУ-Э-67 (Изучение пьезоэлектрического эффекта)

Лабораторная работа Э-67Изучение пьезоэлектрического эффекта(кафедра «Физика», лаборатория НИРС)Разработали: Чуев А.С., Задорожный Н.А., Сорокина Л.АЦели работы – знакомство с пьезоэлектрическим эффектом и его применениями;– изучение пьезоэлектрических материалов;– закрепление навыка проведения эксперимента и обработки его результатов.Теоретическая частьПьезоэлектрический эффектВ1756 г. русский академик Ф.

Эпинус обнаружил, что при нагревании кристалла турмалина на его гранях появляются электрические заряды. В дальнейшем этому явлениюбыло присвоено наименование пироэлектрического эффекта. Ф. Эпинус предполагал, чтопричиной электрических явлений, наблюдаемых при изменении температуры, является неравномерный нагрев двух поверхностей, приводящий к появлению в кристалле механических напряжений. Одновременно он указал, что постоянство в распределении полюсов наопределённых концах кристалла зависит от его структуры и состава, таким образом, Ф.Эпинус подошел вплотную к открытию пьезоэлектрического эффекта.Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г.

братьями П. и Ж.Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных определенным образом из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механическихнапряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при снятии напряжения.Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновение электрической поляризации внутри него в результате воздействия механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.При отсутствии внешних механических напряжений дипольный момент элементарной ячейки равен нулю (рис.1) . Если под действием таких напряжений ячейка растянетсяили сожмется, то возникает электрический дипольный момент.

Он будет равен,где q – заряд ионов, Δа – растяжение или сжатие ячейки.Наличие электрических дипольных моментов внутри пьезоэлектрика обнаруживается по появлению электрических зарядов на противоположных гранях кристалла или электродах пьезоэлемента (рис.1).1Рис.1.

Схема образования пьезоэффекта.Величина заряда, возникающего при пьезоэлектрическом эффекте, определяется соотношениемq = dijFx ,где: Fx - величина силы, вызвавшей деформацию;dij – пьезомодуль (в общем виде тензор).Наряду с прямым пьезоэффектом, существует обратный пьезоэлектрический эффект.Он заключается в том, что в пластине, вырезанной определенным образом из пьезоэлектрического кристалла, под действием приложенного к ней электрического поля возникает механическая деформация. Причем величина механической деформации пропорциональна напряжённости электрического поля.Обратный пьезоэлектрический эффект не следует смешивать с явлением электрострикции, т.

е. с деформацией диэлектрика под действием электрического поля. При электрострикции между деформацией и полем существует квадратичная зависимость, а при пьезоэффекте - линейная. Кроме того, электрострикция возникает у диэлектрика любой структуры и происходит даже в жидкостях и газах, в то время, как пьезоэлектрический эффектнаблюдается только в твёрдых диэлектриках, главным образом, кристаллических.Пьезоэлектричество появляется только в тех случаях, когда упругая деформациякристалла сопровождается смещением центров расположения положительных и отрицательных зарядов элементарной ячейки кристалла, т.е. когда она вызывает индивидуальныйдипольный момент, который необходим для возникновения электрической поляризации диэлектрика под действием механического напряжения.

В структурах имеющих центр сим2метрии, никакая однородная деформация не сможет нарушить внутреннее равновесие кристаллической решётки и, следовательно, пьезоэлектрическими являются кристаллы толькотех классов, у которых отсутствует центр симметрии. Отсутствие центра симметрии является необходимым, но не достаточным условием существования пьезоэлектрического эффекта, поэтому не все ацентричные кристаллы обладают им.Пьезоэлектрический эффект не может наблюдаться в твёрдых аморфных и скрытокристаллических диэлектриках (почти изотропных), так как это противоречит их сферической симметрии. Исключение составляют случаи, когда они становятся анизотропными подвлиянием внешних сил и тем самым частично приобретают свойства одиночных кристаллов.Сегнетоэле́ктрики (названы по первому материалу, в котором был открыт сегнетоэлектрический эффект — сегнетова соль) — твёрдые диэлектрики (некоторые ионные кристаллы и пьезоэлектрики), обладающие в определённом интервале температур собственнымэлектрическим дипольным моментом, который может быть переориентирован за счёт приложения внешнего электрического поля.

Сегнетоэлектрические материалы обладаютгистерезисом электрического дипольного момента в отношении приложенного к ним электрического поля. Кроме того, сегнетоэлектрики обладают в определенном интервале температур спонтанной (самопроизвольной) поляризованностью, т. е.

поляризованностью и приотсутствии внешнего электрического поля.При отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрик представляет собойкак бы мозаику из доменов — областей с различными направлениями их поляризованности.В смежных доменах эти направления различны и в целом дипольный момент диэлектрикаравен нулю. При внесении сегнетоэлектрика во внешнее электрическое поле происходитпереориентация дипольных моментов доменов по полю, а возникшее при этом суммарноеэлектрическое поле доменов будет поддерживать их некоторую ориентацию и после прекращения действия внешнего поля.

Поэтому сегнетоэлектрики имеют очень большие значения диэлектрической проницаемости (например, для сегнетовой соли εmax ≈ 104).Сегнетоэлектрические свойства веществ сильно зависят от температуры. Для каждого сегнетоэлектрика есть определенная температура, выше которой его необычные свойстваисчезают и он превращается в обычный диэлектрик. Эта температура называется точкойКюри (в честь французского физика Пьера Кюри (1859—1906)). Обычно сегнетоэлектрикиобладают только одной точкой Кюри; исключение составляют лишь сегнетова соль (—18 и+24°С) и изоморфные с нею соединения.

В сегнетоэлектриках вблизи точки Кюри наблюдается также резкое изменение теплоемкости вещества.3До сих пор пьезоэлектрический эффект не находит удовлетворительного количественного описания в рамках современной атомной теории кристаллической решетки. Дажедля структур простейшего типа нельзя хотя бы приближённо вычислить порядок пьезоэлектрических постоянных.В настоящие время разработана феноменологическая теория пьезоэффекта, связывающая деформации и механические напряжения с электрическим полем и поляризацией вкристаллах.

Установлена система параметров, определяющих эффективность кристалла какпьезоэлектрика. Основные параметры пьезоэлектриков следующие:Пьезоэлектрический модуль (пьезомодуль) dij - определяет поляризацию кристалла(или плотность заряда) при заданном приложении механического нагружения;пьезоэлектрическая константа - определяет механическое напряжение, возникающиев кристалле под действием электрического поля;пьезоэлектрическая постоянная g - характеризует электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданном механическом напряжении;пьезоэлектрическая постоянная h - определяет электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданной механической деформации.Эти постоянные являются родственными величинами и связанны друг с другом соотношениями, включающими в себя упругие константы и диэлектрическую проницаемостькристаллов, поэтому можно использовать любой из них.

На практике наиболее часто используется пьезомодуль. Пьезоэлектрические постоянные являются тензорами, поэтому каждый кристалл может иметь несколько пьезомодулей, характеризующих направление приложенной деформации и величину возникающего при этом электрического заряда.Каждый пьезоэлектрик является электромеханическим преобразователем энергии,поэтому важной его характеристикой является коэффициент электромеханической связи r.Квадрат этого коэффициента представляет собой отношение энергии, проявляющейся в механической форме для данного типа деформации, к полной электрической энергии, полученной на входе от источника питания.Во многих случаях практического применения пьезоэлектриков существенными являются их упругие свойства, которые описываются модулями упругости - C (модулями Юнга - ЕЮ) или обратными величинами - упругими постоянными - S.При использовании пьезоэлектрических элементов в качестве резонаторов в некоторых случаях вводят частотный коэффициент, представляющий собой произведение резонансной частоты пьезоэлемента и геометрического размера, определяющего тип колебания.Эта величина пропорциональна скорости звука в направлении распространения упругихволн в пьезоэлементе.4В настоящее время известно много веществ (более 500), обнаруживающих пьезоэлектрическую активность.

Однако только немногие из них находят практическое применение.Пьезоэлектрики - монокристаллыКварц. Это широко распростронённый в природе минерал, который при температурениже 573 градусов по Цельсию кристаллизуется в тригонально-трапецоэдрическом классегексагональной сингонии. Он принадлежит к энантиоморфному классу и встречается в природе в двух модификациях: правой и левой.По химическому составу кварц представляет собой безводный диоксид кремния(SiO2) молекулярная масса 60,06 г/моль. Кварц относится к числу наиболее твёрдых минералов, он обладает также высокой химической стойкостью.Внешние формы природных кристаллов кварца отличаются большим разнообразием.Наиболее обычной формой является комбинация гексагональной призмы и ромбоэдров (пирамидальные грани). Грани призмы расширяются к основанию кристалла и имеют наповерхности горизонтальную штриховку.Годный для использования в пьезоэлектрической аппаратуре кварц встречается вприроде в виде кристаллов, их обломков и окатанных галек.