Реферат на тему «Пьезоэлектрический эффект»

Содержание

Введение

Глава 1 Особенности пьезоэлектрического эффекта

1.1 Понятие пьезоэлектрического эффекта

1.2 Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект

Глава 2 Пьезоэлектрический эффект: свойство и применение

2.1 Физические свойства пьезоэффекта

2.2 Использование пьезоэффекта на практике

Заключение

Список информационных источников

Введение

В 19 веке в 1880 году братья Кюри проводили эксперимент, во время которого происходило образование электрического разряда, когда на кварц или другие виды кристаллов оказывалось давление. В дальнейшем это явление стало известно, как пьезоэлектрический эффект, поскольку греческое слово «пьезо» в переводе на русский язык означает сжатие. Некоторое время спустя, те же ученые открыли явление обратного пьезоэлектрического эффекта, представляющего собой механическую деформацию кристалла под действием электрического поля. Данное явление используется во многих современных электронных устройствах, особенно там, где необходимо распознавание и преобразование звуковых сигналов.

Пьезоэлектри́ческий эффе́кт (от греч. πιέζω (piézō) — давлю, сжимаю) — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект).

Цель работы – рассмотреть более подробно пьезоэлектрический эффект, его свойства и применение.

Глава 1 Особенности пьезоэлектрического эффекта

1.1 Понятие пьезоэлектрического эффекта

Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что при давлении на кварц или отдельные кристаллы образуется электрический заряд. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта. [4]

Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после приложения к материалу или кристаллу электрического поля, которое привело к механической деформации объекта.

Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова «пьезо», что обозначает сжатие. Стоит отметить, что от греческого слова «янтарь» происходит слово «электричество». Янтарь тоже может быть источником электрической энергии.

Многие современные электронные устройства используют пьезоэлектрический эффект для своей работы. Например, при использовании некоторых устройств распознавания звука микрофоны, которые они используют, работают на основе упомянутого выше эффекта. Пьезоэлектрический кристалл превращает энергию вашего голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства.

Создание некоторых продвинутых технологий тоже стало возможно благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Например, мощные гидролокаторы используют маленькие чувствительные микрофоны и керамический звуковой датчик, созданные на основе пьезоэлектрического эффекта. [1]

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

-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.

Рассмотрим более подробно прямой и обратный пьезоэлектрический эффект.

1.2 Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект

Для того чтобы понять, как действует прямой пьезоэффект, необходимо кристалл или керамический материал расположить между металлическими пластинами. Генерация электрического заряда происходит в результате приложенного механического усилия – сжатия или растяжения.  При приложении механического усилия на металлических пластинах начинает скапливаться электрический заряд:

Рисунок 1 – Прямой пьезоэлектрический эффект

Величина полной энергии, полученной от внешней механической силы, составит сумму энергий упругой деформации и заряда емкости элемента. Поскольку пьезоэлектрический эффект носит обратимый характер, возникает специфическая реакция. [3]

Прямой пьезоэффект приводит к возникновению электрического напряжения, которое в свою очередь, под влиянием обратного эффекта вызывает деформацию и механические напряжения, оказывающие противодействие внешним силам. За счет этого жесткость элемента будет увеличиваться. В случае отсутствия электрического напряжения, обратный пьезоэффект тоже будет отсутствовать, а жесткость пьезоэлемента уменьшится.

Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрный аккумулятор. Микрофоны, датчики давления, гидролокаторы и другие чувствительные устройства используют этот эффект для своей работы. [8]

Выше упоминалось, что существует и обратный пьезоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет механическая деформация тела, под которой оно будет расширяться или сжиматься:

Рисунок 2 — Обратный пьезоэлектрический эффект

Обратный пьезоэлектрический эффект значительно помогает при разработке акустических устройств. Примером могут послужить звуковые колонки, сирены, звонки. Преимущества таких динамиков в том, что они очень тонкие, а это делает их практически незаменимыми при использовании в мелких устройствах, например, в мобильных телефонах. Также этот эффект часто используют медицинские ультразвуковые и гидроакустические датчики.

Глава 2 Пьезоэлектрический эффект: свойство и применение

2.1 Физические свойства пьезоэффекта

  Пьезоэлектрический эффект существует в целом ряде полупроводников —  CdS, Zn0, GaAs, InSb, Те и  др.  Большинство  опытов,  в  особенности  на  первом этапе, было проведено на CdS — этот полупроводник является довольно  сильным пьезоэлектриком и в  то  же  время фотопроводником  (т.е.  изменяет  свою проводимость при освещении). Поэтому в нем легко  можно отделять электронные эффекты.

Если в пьезоэлектрике распространяется звук, т. е. волна  деформации,  то она сопровождается электрическими  полями,  обладающими  пространственной  и временной периодичностью  звуковой  волны.  Эти  поля  продольные,  т.   е. параллельные  направлению распространения  звука.  Можно  сказать,  что   в пьезоэлектриках всякая  звуковая  волна  сопровождается  волной  продольного электрического  поля  (его  будем  называть  пьезоэлектрическим  полем).   В качестве оценки напряженности этих полей  можно  привести  следующую  цифру: при распространении звука в  таком  сильном  пьезоэлектрике,  как  CdS,  при плотности  потока  звуковой   энергии   S   порядка   1   Вт/см2   амплитуда напряженности переменного поля может достигать  нескольких  сотен  вольт  на сантиметр.

Выясним теперь, как влияет пьезоэлектрический эффект на распространение звука в пьезодиэлектриках. Пусть продольный или поперечный звук распространяется в пьезодиэлектрике вдоль оси симметрии кристалла, которую назовем осью ОХ. Деформация в такой волне характеризуется  величиной du/dx, где и{х) — смещение точки кристалла в звуковой волне. В непьезоэлектрическом кристалле при такой деформации возникает упругое напряжение.

Электроны же в полупроводнике перераспределятся в пространстве, стремясь стечь с потенциальных «горбов» и заполнить потенциальные «ямы». При этом уменьшится первоначальный потенциал, или, как говорят, произойдет его экранирование электронами проводимости.

Итак, основным свойством пьезоэлектрических материалов является возможность получения электроэнергии за счет сжатия или растяжения, то есть, деформации.

Рисунок 3 – Свойства пьезоэлектрических материалов

Все материалы, используемые на практике, классифицируются следующим образом:

— Кристаллы. Включают в себя кварц и другие виды природных образований.

— Керамические изделия. Представляют собой группу искусственных материалов. Типичными представителями являются цирконат-титанат свинца – ЦТС, а также титанат бария и ниобат лития. Они обладают более ярким пьезоэлектрическим эффектом по сравнению с природными материалами. [6]

Если сравнивать ЦТС и кварц, становится заметно, что при одной и той же деформации, искусственный элемент вырабатывает более высокое напряжение. Когда на него влияет обратный пьезоэлектрический эффект он соответственно сильнее деформируется, когда к нему приложено такое же напряжение, как и к кварцу. Благодаря своим качествам, искусственные материалы получили широкое распространение в конструкциях керамических конденсаторов, ультразвуковых преобразователей и прочих электронных устройств.

В ходе исследований, проводимых братьями Кюри, было установлено, что пьезоэлектрический эффект присущ кварцу, турмалину и другим кристаллам естественного и искусственного происхождения. Перечень таких материалов постоянно растет. Если любой из этих кристаллов сжать или растянуть в определенном направлении, на отдельных гранях появятся электрические заряды с положительным и отрицательным значением. Разность потенциалов таких зарядов будет незначительной.

Для того чтобы понять природу пьезоэффекта, необходимо соединить электроды между собой и разместить их на гранях кристалла. При кратковременном сжатии или растяжении в цепи, образованной электродами, можно заметить образование короткого электрического импульса. Именно он является электрическим и физическим проявлением пьезоэффекта. Если же кристалл испытывает постоянное давление, в этом случае импульс не появится. Данное свойство кристаллических материалов широко используется при изготовлении точных чувствительных приборов.

Рисунок 4 – Свойства пьезоэффекта

Одним из качеств пьезоэлектрических кристаллов является их высокая упругость. По окончании действия деформирующего усилия, эти материалы без всякой инерции принимают свою изначальную форму и объем. Если же прикладывается новое усилие или изменяется приложенное ранее, в этом случае мгновенно образуется еще один токовый импульс. Данное свойство, известное как прямой и обратный пьезоэффект, успешно используется в устройствах, регистрирующих совсем слабые механические колебания. [2]

В самом начале открытия пьезоэффекта решение такой задачи было невозможно из-за слишком незначительной силы тока в колеблющейся кристаллической цепи. В современных условиях ток может быть усилен многократно, а некоторые виды кристаллов имеют довольно высокий пьезоэффект. Ток, полученный от них, не требует дополнительного усиления и свободно передается по проводам на значительные расстояния.

2.2 Использование пьезоэффекта на практике

Пьезоэлектрические свойства кристаллов и материалов искусственного происхождения успешно применяются в различных областях. В качестве примеров можно привести ультразвуковую дефектоскопию, позволяющую выявлять дефекты внутри металлических конструкций, электромеханические преобразователи, стабилизирующие радиочастоты, различные датчики и другие приборы. [1]

В электротехнике широко используется обратный пьезоэлектрический эффект, связанный с деформацией кристалла под действием приложенного напряжения. В случае наложения на кристалл электрических колебаний с частотой звука, в нем возникнут колебания такой же частоты с выделением в окружающее пространство звуковых волн. Таким образом, один и тот же кристалл может быть использован не только как микрофон, но и как динамик.

Рисунок 5 – Применение в электротехнике

Все пьезоэлектрики имеют собственную частоту механических колебаний. Они проявляются с наибольшей силой, когда совпадают с частотой подведенного напряжения. Подобное наложение колебаний известно, как электромеханический резонанс. Данное свойство позволило создать различные виды пьезоэлектрических стабилизаторов, поддерживающих постоянную частоту в генераторах незатухающих колебаний.

Точно такая же реакция наблюдается при действии механических колебаний с частотой, совпадающей с собственными колебаниями кристалла. Подобный эффект и его применение позволил создать акустические приборы, способные выделять из всей массы звуков лишь необходимые для конкретных целей. [5]

При изготовлении приборов и устройств цельные кристаллы не используются. Они распиливаются на пластинки, имеющие строгую ориентацию с их кристаллографическими осями. Пластинки изготавливаются определенной толщины, в зависимости от того, какую резонансную частоту колебаний нужно получить. Они соединяются с металлическими слоями, и в результате происходит рождение готового пьезоэлемента.

Различные сферы применения:

Патент США N3239283. Американские изобретатели Дж.Броз и В.Лаубердорфер разработали конструкцию подшипника, в котором трение уничтожается вибрацией, но для ее создания не требуется специальных механизмов. Втулки подшипника изготовляются из пьезоэлектрического материала. Ток заставляет пьезоэлектрик сжиматься и расширяться, создавая вибрацию, уничтожающую трение.

Установка на реактивных самолетах пьезопреобразователей позволяет экономить почти треть топлива, которое шло на выработку электроэнергии, следовательно, позволяет увеличить дальность полета. Здесь в электроэнергию непосредственно превращаются колебания и вибрация фюзеляжа и крыльев.

Поговаривают о создании звукоизолирующих перегородок многоквартирных домок из пьезоэлектриков. Здесь двойной эффект и поглощение шума, и выработка электроэнергии, скажем, для обогрева квартир.

Пьезоэлектрическая струйная печать. Пьезоэлектрические струйные головки для принтеров были разработаны в семидесятых годах. В большинстве таких принтеров избыточное давление в камере с чернилами создается с помощью диска из пьезоэлектрика, который изменяет свою форму (выгибается) при подведении к нему электрического напряжения. Выгнувшись, диск, который служит одной из стенок камеры с чернилами, уменьшает ее объем. Под действием избыточного давления жидкие чернила вылетают из сопла в виде капли.

Пьезоэлектрический микрофон, сконструированный советскими учёными С. Н. Ржевкиным и А. И. Яковлевым в 1925 году, имеет в качестве датчика звукового давления пластинку из вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. Звуковые волны падают на пьезокристалл микрофона и сжимают его. При помощи пьезокристалла происходит преобразование энергии звуковых волн в слабый электрический ток. Этот небольшой ток затем поступает на усилитель, который делает его достаточно сильным, чтобы обеспечить нормальную работу громкоговорителя. Работа в качестве датчика давления позволила создать первые гидрофоны и записать сверхнизкочастотные звуки, характерные для морских обитателей. [4]

Зажигалка бытовая пьезоэлектрическая ЗП-1 «Толнэ». Зажигалка предназначена для зажигания газа в горелках бытовых газовых приборов. Источником получения искры является пьезоэлемент. Нажатием на клавишу усилие сжатия передается на пьезоэлементы, в результате чего происходит искрообразование между контактами, расположенными внутри металлической насадки, надетой на удлиненный конец пьезозажигалки. Искра, которая поджигает газ, образуется как при нажатии на клавишу, так и при отпускании ее.

Пьезоэлектрические излучатели применяются для генерирования ультразвука с частотами до 50 Мгц. Основным элементом пьезоэлектрического излучателя является пластинка из пьезоэлектрика, совершающая вследствие обратного пьезоэлектрического эффекта вынужденные механические колебания в переменном электрическом поле.

Заключение

Итак, пьезоэлектрический эффект (пьезоэффект) состоит в том, что при механических деформации некоторых кристаллов в определённых направлениях на их гранях появляются электрические заряды противоположных знаков. [7]

Пьезоэффект наблюдается в кварце, турмалине, сегнетовой соли, титанате бария, цинковой обманке и других веществах. Пьезоэлектрический эффект в кварце происходит  вдоль электрических осей X1, X2, X3 кристалла, перпендикулярных к его оптической оси Z. Обращение направления деформации кристалла изменяет знаки зарядов на поверхностях на противоположные.

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в изменении линейных размеров некоторых кристаллов под действием электрического поля. Изменение направления электрического поля вызывает изменение характера деформаций на противоположный. Этот эффект имеет большое значение для получения ультразвука.

Пьезоэлектрики — это такие кристаллы, в которых под  влиянием  однородной деформации возникают дипольный  момент,  а  значит,  и  электрическое  поле, пропорциональные деформации.  Наличие  пьезоэлектрических   свойств   тесно связано с симметрией кристалла.

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.

Список информационных источников

1. Зейтленка Г.А.. Радиопередающие устройства”, Москва, 1969г.
2. Иоффе АФ.Пьер Кюри (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1956. — Т. 58, № 4. — С. 572—579.
3. Калашников С.Г. Электричество. Москва, 1977г.
4. Корицкий Ю.В. Электротехнические материалы. Москва, 1968г.“
5. Научное открытие «Пьезоэлектрические свойства горных пород». Дата обращения 12 февраля 2012.
6. Негров Д.А., Еремин Е.Н., Новиков А.А., Шестель Л.А..УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ СИНТЕЗА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Монография (рус.) // Омск Издательство ОмГТУ. — 2012.
7. Пьезоэлектрический эффект, пьезоэлектрические материалы и их свойства.. Инженерные решения. Дата обращения 15.11.2019.
8. Development of Piezoelectric Microactuator for HDD Head(англ.). Дата обращения 12 февраля 2012. Архивировано 2 июня 2012 года.