Справочник по электротехническим материалам. Под ред. Ю.В.Корицкого и др. Том 3 (3-е изд., 1988) (1152098), страница 161
Текст из файла (страница 161)
22.21,6) и в параэлектрической фазе (рис. 22.21, э) с близкой к гиперболической зависимостью С(Г), ТКС(0. Диэлектрические, емкостные преобразователи представляют интерес в связи с тем, чгц являясь реактивными элементами, характеризуютсн малым потреблением энергии, простотой регистрации изменения температуры, создают возможность передачи этих изменений на значительные расстояния, обеспечивая с помощью емкостной связи бесконтактные методы измерения температуры. Они применякпся 5 23.1) 579 Пьезоэлектрический эффект Таблица 22.7.
Основные параметры температурна-чувствительных конденсаторов, выпускаемых серийно массой около 0,1 г Наиинзэьная Марка как- еикасгь, пФ денсэтарэ (прн температуре, 'С) Интервал рабочих температур, С Чувствительность а, Уа'К Размеры, ии, не белес Приискание )2,2 120~5 % (34~0,1) 160~5 Ур (45~ 0,1) К!0-21 34...42 2Х2Х1.5 1,7Х 1,7Х 1,5 2Х1,5Х Х (0,6-.0.8) Рабатаег в параэлектрической фазе, линейная зависимость С(1) КН2-1 )1,8 45...70 сг,.= 1,3... 1,8 от 27 до 1 'С; изо =1...1,4 от27да40 С 47, 48, !00 (27~3) 1...40 Работает в области фазового перехода. Параболическая зависимость С(Г) РАЗДЕЛ 23 ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ' Б.
А. Ротенберг 23.1. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ в схемах радиозондов для контроля температуры атмосферы на большой высоте, в качестве глубинных электронных термометров, для исследования скважин в нефте- и газодобывающей промышленности, во вращающихся объектах, труднодоступных местах и т.
п. Микроминиатюрный генератор на термоконденсаторе, названный радиокапсулой, используется для определения физиологических параметров желудочно.кишечного тракта ит. п. Особую группу составляют термоконденсаторы для стабилизации кварцевых реэонато- В 1756 г. русский академик Ф. Эпинус обнаружил, что при нагревании кристалла турмалина на его гранях появляются электростатические заряды. В дальнейшем этому явлению было присвоено наименовакие пироэлектрического эффекта. Ф. Эпинус предполагал, что причиной электрических явлений, наблюдаемых при изменении температуры, является неравномерный нагрев двух поверхностей, приводящий к появлению в кристалле механических напряжений. Одновременно ан указал, что постоянство в распределении полюсов на определенных концах кристалла зависит от его структуры и состава, таким обра- ров электронных часон.
Они изготовляются из сегнетакерамического материала с размытым фаэовым перехолом, лля которого область рабочих температур соответствуег области фазового перехода и зависимость емкости от температуры представляет собой параболу. Использование сегнетоэлектриков для создания температурно-чувствительных конденсаторов является сравнительно новой абласгью их технического применения.
В табл. 22.7 приведены парамегры температурно-чувствительных конденсаторов, выпускаемых серийно. зом Ф. Эпинус подошел вплотную к открытию пьезоэлектрического эффекта. Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в!880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных в опрпзеленной ориентировке из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии. Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновение электрической поляризации внутри него в результате воздействия механического напряжения называют прямыи пьезоэлектрическим эффектом.
Пьезоэлекгрики [равд 23[ Наряду с прямым существуег обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в том, что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла, возникает механическая деформация под действием приложенного к ней электрического поля; причем величина механической деформации пропорциональна напряженности 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 сушествует квадратичная зависимость, а при пьезоэффекте — линейная (при электрострикции знак деформации не зависит от направления поляризуюшего поля, а при пьезоэффекте знак деформации следует за знаком поля). Кроме того, электрострикция возпикаег у диэлектрика любой структуры и происходит даже в жидкостях и газах, в то время, как пьезоэлектрический эффект наблюдается только в твердых диэлектриках, главным образом, кристаллических.
Пьезоэлектричество появляется только в тех случаях, когда упругая деформация кристалла сопровождается смешением центров тяжести положительных и отрицательных зарядов элементарной ячейки кристалла, т. е. когда она вызывает индуцированный дипольный момент, который необходим для возникновения элентрической полярнаации диэлектрика цод действием механического напряжения. В структурах, имеющих центр симметрии, никакая однородная деформация не сможет нарушить внутреннее равновесие кристаллической решетки и, следовательно, пьезоэлектрическими являются кристаллы только 20 классов, у которых отсутствует центр симметрии.
Отсутствие центра симметрии является необходимым, но не достаточным условием существования пьезоэлектрического эффекта, и поэтому не асе ацентричиые кристаллы обладают им. Пьезоэлектрический эффект не может наблюдаться в твердых аморфных и скрьггокристаллических диэлектриках (почти изогропных), так как это противоречит их сферической симметрии. Исключение составляют случаи, когда они становятся анизотропными под влиянием внешних сил и тем самым частично приобретают свойства одиночных кристаллов.
Пьезоэффект всиможен также в некоторых видах кристаллических текстур. До сих пор пьезоэлектрический эффект не находит удовлетворительного количественного описания в рамках современной атомной теории кристаллической решетки. Даже для структур простейшего типа нельзя хотя бы приближенно вычислить порядок пьезоэлектрических постоянных. В настоящее время разработана феноменологическая теория пьезоэффекта, связывающая деформации и механические напряжения с электрическим полем и поляризацией в кристаллах.
Установлена система параметров, определяющих эффективность кристалла как пьезоэлектрика. Пьезоэлектрический модуль (пьезомодуль)»( определяет поляризацию кристалла (или плотность заряда) при заданном приложенном механическом напряжении; пьезоэлектрическая константа определяет механическое напряжение, возникающее в зажатом кристалле под действием электрического поля; пьы»оэлектрическая постоянная й характеризует электрическое напряжение в разамкиутой цепи при заданном механическом напряжении; и, нахонец, пьезоэлектрическая постоянная Л определяет электрическое напряжение в разомкнутой цепи при заданной механической деформации. Эти постоянные являются родственными величинами и связаны друг с другом соотношениями, включающими в себя упругие константы и диэлектрическую проницаемость кристаллов, поэтому можно пользоваться любой из них.
Наиболее употребителен пьезомодуль»). Пьезоэлектрические постоянные являются тензорами, и поэтому каждый кристалл может иметь несколько независимых пьп»омодулей. В общем виде уравнение прямого пьезоэффекта при ноздействии однородного механического напряжения Т» записывается так: Р;=г),»Т», где Р, — компонент вектора поляризации; »Г»» — пьезомодуль; Т» — компонент механического напряжения.
Уравнение обратного пьезоэффекта записывается так: Х;=4»Е», где Х, — компонент упругой деформации; Ż— компонент напряженности электрического поля, Каждый пьезоэлектрик есть электромеханический преобразователь, поэтому важной его характеристикой является коэффициент электромеханической связи А. Квадрат этого коэффициента представляет собой отношение энергии, проявляющейся в механической форме для данного типа деформации, к полной электрической энергии, полученной на входе от источника питании. Во многих случаях пьезоэлектриков существенными являются их упругие свойства, которые описываются модулями упругости с (модулями Юнга Ею) или обратными величинами — упругими постоянными з. 581 (й 23.2) Льезоэлектрики-лонокрисгаллы Ьг/)( ф 7,5 При использовании пьезоэлектрических элементов в качестве резонаторов в некоторых случаях вводят частотный коэффициент, представляющий собой произведение резонансной частоты пьезоэлемента и геометрического размера, определяющего тип колебаний.
Эта величина пропориионзаьна скорости звука в на. правлении распространения упругих волн в пьезоэлементе. В настоящее время известно много веществ (более 500), обнаруживших пьеаоэлектрнческую активность. Однако только немногие из них находят практическое применение. Ниже приводится описание свойсгв некоторых пьезоэлектрических кристаллов и поли- кристаллических веп(есгв, нашедших применение в технике. 23.2. ПЬЕЗОЗЛЕКТРИКИ- МОНОКРИСТАЛЛ51 Кварц. Кварц — широко распространенный в природе минерал, ниже температуры 573 'С кристаллизуется в тригонально-трапецоэдрическом классе гексагональной сингонии. Он принадлежит к энантиоморфному классу и встречнется в природе в двух модификациях: правой и левой (рис.
23.1). По химическому составу кварц представляет собой безводный диокснд кремния (гИО ), молекулярная масса 60,06. Кварц относится к числу наиболее твердых минералов, обладает высокой хииической стойкостью. Внешние формы природных кристаллов кварца гпличаются большим разнообразием. Наиболее обычной формой является комбинация гексагональной призмы и ромбоэлров (пирамидальные грани). Грани призмы расширякпся к основанию кристалла и имеют па поверхности горизо1мальиую имриховку. Годный для использования а пьезоэлектрической вилара~ура кварц встречается в при- Рис.
23.1. Идеальные формы кристаллов кварца: а — правый; б — левый Рис. 232. Кристалл кварца родс в виде кристаллов. их обчомков и окатанных галек. Пист от бесцветно-прозрачного (горный хрусталь) до черного (марион). Обычно природные кристаллы кварца содержат в себе различные дефекты, снижающие нх ценность. К числу дефектов относятся включения инородных минералов (рутил, хпорит), трещины, пузыри, фантомы, голубые иглы, свили и двойники. В настоящее время наряду' с природными используются сиатетические крнстахлы кварца, выращиваемые в автпклавал при повышенных температуре и давлении из насыщенных диоксидом кремния щелочных растворов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
