Методические указания по выполнению второго задания. Для выполнения задания следует проработать материал /3, с.141-165/

Для выполнения задания следует проработать материал /3, с.141-165/.

Обратить внимание на то, что к пьезоэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом.

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. Возникающий на каждой из поверхностей диэлектрика электрический заряд прямо пропорционален приложенному механическому напряжению:

(18)

где заряд, который приходится на единицу площади: Р –поляризованность; d – пьезомодуль; σ – механическое напряжение в сечении диэлектрика.

Таким образом, пьезомодуль d численно равен заряду, возникающему на единице поверхности пьезоэлектрика при приложении к нему единицы давления. Значение пьезомодуля используемых в практике пьезоэлектриков составляет около
10^-10Кл/н.

Пьезоэлектрический эффект обратим. При обратном пьезоэлектрическом эффекте происходит изменение размеров диэлектрика в зависимости от напряженности электрического поля Е:

(19)

где ε – относительная деформация.

Пьезомодули d прямого и обратного пьезоэффектов для одного и того же материала равны между собой. Если к такому пьезоэлектрику приложить переменное электрическое напряжение, то в нем, благодаря обратному пьезоэффекту, будут возникать механические колебания с частотой приложенного напряжения. Эффективность преобразования электрической энергии пьезоэлектрика в механическую определяется коэффициентом электромеханической связи

, (20)

где Р_э – электрическая мощность; Р_а – мощность механических колебаний, развиваемая пьезоэлектриком.

Коэффициент электромеханической связи зависит от вида пьезоэлектрика и колеблется в пределах 0,01-0,3.

Пьезоэлектрический эффект анизотропен, т.е. по-разному проявляется в различных направлениях. Если поляризация возникает в том же направлении, что и деформирующие механические усилия, то пьезоэффект окажется продольным, а если поперёк, то – поперечным.

Таким образом, пьезоэлектрики являются электромеханическими преобразователями, преобразующими механическую энергию в электрическую и наоборот, В соответствии с методом электромеханических замещений электрическим аналогом массы m является индуктивность L_M, электрическим аналогом гибкости С (или упругости S = 1/С) является емкость С_м (или 1/ С_м). Коэффициенту механических потерь r соответствует электрическое активное сопротивление R. С учетом этого эквивалентная электрическая схема пьезоэлектрика вблизи резонанса имеет вид, представленный на рис.3.

Рис.3. Эквивалентная схема пьезоэлектрика: С_м – механическая емкость; L_М – механическая индуктивность; R_ЭФ – эффективное сопротивление; С – статическая междуэлектродная емкость

На рис.4 представлено схематическое изображение пьезоэлемента, изготовленного на основе пьезоэлектрика.

Рис.4. Внешний вид пьезоэлемента:
1 – пьезоэлектрик; 2, 3 – электроды

Известно более тысячи веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в том числе – все сегнетоэлектрики. Среди них одно из важных мест занимает монокристаллический кварц SiO₂. Плоскопараллельная полированная кварцевая пластинка с электродами и держателем представляет собой пьезоэлектрический резонатор, т.е. является колебательным контуром с определенной резонансной частотой колебаний. Преимуществами кварцевых резонаторов являются малый tgδ и высокая механическая добротность (до 10⁶ – 10⁷). Благодаря высокой добротности кварцевые резонаторы используются в качестве фильтров с высокой избирательной способностью, а также для стабилизации и эталонирования частоты генераторов.

Помимо кварца в различных пьезопреобразователях применяют кристаллы сульфата лития Li₂SO₄ Н₂О, сегнетовой соли, дигидрофосфата аммония NH₄PO₄,а также ниобат лития LiNbO₃ и танталат лития LiТаО₃. Последние составляют значительную конкуренцию кварцу, превосходя его по добротности в диапазоне высоких и сверхвысоких частот.Сегнетоэлектрики на основе ниобата и танталата лития находят применение в качестве электрических фильтров на поверхностных акустических волнах, а также в качестве ячеек для модуляции и отклонения луча лазера.

Наиболее широкое применение в качестве пьезоэлектрического материала находит сегнетоэлектрическая керамика, поляризованная в сильном электрическом поле при температуре близкой к точке Кюри. Пьезокерамика по сравнению с монокристаллами обладает тем преимуществом, что из нее можно изготовить активный элемент практически любого размера и любой формы. Основным материалом для изготовления пьезокерамических элементов являются твердые растворы PbZrO₃ РbТiO₃ (цирконат – титанат свинца или ЦТС). Пьезокерамику широко используют в качестве пьезопреобразователей для объемных ультразвуковых линий задержки, пьезотрансформаторов высокого напряжения, мощных ультразвуковых излучателей для целей гидроакустики, дефектоскопии, механической обработки материалов. Пьезокерамические датчики применяют в качестве датчиков давлений, деформаций, вибраций.

Все более широкое применение находят пленочные пьезоэлектрики, которые получают на основе монокристаллических соединений A1N, ZnS, CdS, CdSe и окиси цинка ZnO с определенной кристаллографической ориентацией. Пьезоэлектрическими свойствами обладают также некоторые полимерные материалы в виде механически ориентированных и поляризованных в электрическом поле пленок.

В зависимости от среза пластины пьезоэлектрика (ориентации монокристалла пьезоэлектрика при вырезании пластин) под действием электрического поля в них могут возбуждаться продольные или сдвиговые колебания. В соответствии с этим преобразователи делятся на сдвиговые и продольные. Толщина пластин пьезоэлектриков (h) выбирается из соображений эффективности и обычно определяется из выражения:

.

где скорость продольной или сдвиговой волны в кристалле; f – требуемая частота механических колебаний.

Для возбуждения и приема продольных и сдвиговых волн преобразователи припаивают к поверхности образца, на которую предварительно наносят слой меди или серебра.