Главная | Обратная связь

Проявление и область существования пьезоэлектрического эффекта

Тема № 4

«Физические эффекты, используемые для преобразования механических воздействий в немеханические величины»

Лекция №2

«Пьезоэлектрический эффект, физические основы и область применения пьезоэлектрических преобразователей»

Пьезоэлектрический эффект

Проявление и область существования пьезоэлектрического эффекта

Физическая природа пьезоэффекта

Конструкции пьезоэлектрических преобразователей

Пьезоэлектрический преобразователь — как преобразователь перемещения

Погрешности пьезоэлектрических преобразователей

 

Пьезоэлектрический эффект

 

Пьезоэлектрический эффект– это такой электромеханический эффект, наблюдаемый в нецентресимметричных кристаллах. При этом пьезоэффект обратим. Он может быть прямым и обратным.

Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Особенностью пьезоэффекта является знакочувствительность, т. е. изменение знака заряда при замене сжатия растяжением и изменение знака деформации при изменении направления поля. Можно считать что обратный пьезоэфект линеен.

 

Проявление и область существования пьезоэлектрического эффекта

Если к пластине, определенным образом вырезанной из некоторых кристаллов, приложить механическое усилие, то на ее гранях возникают электрические заряды. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом.

Вещества, у которых наблюдаются такие свойства, называются, пьезоэлектриками. Типичным представителем пьезоэлектриков является кварц (двуокись кремния) с ненарушенной кристаллической решеткой. В кристаллах кварца различают следующие главные кристаллографические оси (рис 1, а): продольную, или оптическую, ось Z; электрические оси Х, проходящие через ребра шестигранной призмы кристалла нормально к оптической оси (таких осей три); механические, или нейтральные, оси У, нормальные к граням кристалла (таких осей тоже три).

Если из кристалла кварца вырезать параллелепипед так, чтобы его грани были параллельны указанным выше главным осям (так называемый Х-срез), то под действием силы F_x в направлении оси Х на гранях, параллельных механической оси, появится электрический заряд q(рис. 1, б):

q=d₁₁ ^.F_x ,(1)

где d₁₁— пьезоэлектрическая постоянная (пьезоэлектрический модуль), зависящая от свойств материала.

Пьезоэффект, наблюдаемый при действии силы F_x, носит название продольного; значение заряда при этом не зависит от геометрических размеров пьезоэлемента, а определяется лишь значением силы. Знак заряда изменяется с изменением знака F_x.

Если сила F_y направлена вдоль оси Y, то в этом случае наблюдается так называемый поперечный пьезоэффект, а заряд, возникающий на тех же гранях; что и при продольном эффекте,

q =-d₁₁(y/x)F_y , (1,a)

где х и у — размеры пьезоэлемента в направлениях осей Х и У.

Знаки поляризации при поперечном и продольном пьезоэффектах противоположны, т. е. при сжимающей силе F_x возникает заряд того же знака, что и при растягивающей силе F_y , и наоборот. При действии силы по направлению оси Z пьезоэлектрический эффект не наблюдается.

 

 

 

 

 

Рисунок 1