Тақырыбы: Пьезоэлектрики және олардың қасиеттері

1. Пьезоэлектрлік эффект. Кейбір кристалл дардағы поляризация панда болуы мүмкін және сыртқы өріс, егерьь кристалл ұшырайды механикалық деформациям. Бұл құбылыс, ашық, 1880 ж. Пьер және Жаком Кюри, атауына ие баллоды пьезоэлектрического әсері. Табу үшін пьезоэлектрическийе заряд тар, қияндағы кристаллық пластинка жүктейтін металл обкладки. Кезінде оқылады, тұйықталмаған обкладках олардың арасындағы деформациясы кезінде панда потенциалдар айырмасы. Кезінде тұйық обкладках оларға құрылады индуцированные заряд шаманы бойынша тең поляризационным зарядам, бірақ қарама-қарсы, оларға таңба бойынша, тізбек байланыстыратын обкладки процесінде деформация туындайды ток. Қарастырайық негізгі ерекшеліктері пьезоэлектрического әсер мысалында кварц. Кристалдар кварц SiO2 бар әр түрлі кристаллографиялық өндірілмеді. Бізді қызықтыратын кристалл дар (a-кварц) тиесілі деп аталатын тригональной кристаллографической жүйесі және, әдетте нысанын, показанную-сур. 1. Олар ескертеді шестигранную призмасы, шектеулі екі пирамидаларына, алайда, бар тағы да қосымша бірқатар қырларын. Мұндай кристалл дар сипатталады төрт кристаллы осьтері анықтайтын маңызды бағыттары ішіндегі кристалл.

Бірі осы осьтердің - Z біріктіреді шыңы пирамида. Басқа үш X1, Х2, Х3 перпендикулярны осіне Z және қосылу противолежащие қабырға шестигранной призмалар. Бағытын айқындайтын, осі Z, пьезоэлектрический белсенді емс: кезінде сығылу немсе созылу бұл бағыт бойынша ешқандай поляризация болмайды. Керісінше, кезінде сығылу немсе созылу кез келген бағытта перпендикуляр осі Z туындайды электрлік поляризация. Осі Z деп аталады оптикалық осі кристалл, ал ось X1, Х2, Х3 - электр немсе пьезоэлектрическийми осьтері. Қарастырайық пластинку кварц, вырезанную перпендикуляр бірі пьезоэлектрическийх ось X. Осі, перпендикулярную - Z және X, белгілейміз арқылы Y (сур. 2). Сол кезде көрсетіледі, бұл созылу кезінде пластинка осінің бойымен Х перпендикуляр оған гранях АВСD және ЕFGН панда болады разноименные поляризационные заряд тар. Осындай пьезоэлектрлік эффект деп аталады бойлық. Егер өзгерту белгісі, деформация, т. е. көшу созылу - сжатию, хххххххххххххонда белгілері поляризационных заряд тары өзгереді " кері Сур. 1. Кристалл кварц.

Пайда болуы поляризационных заряд тардың белгілі бір белгілері кезінде осы түрінде деформация (созылу немсе тиісінше қысу) көрсеткендей, ұштары осьтер Х неравноправны және осьтер Х болады приписать белгілі бір бағыттары (күрішке. 1 көрсеткішпен). Бұл осы деформациялар белгісі заряд тәуелді бағытталған ли Х осі бойынша сыртқы нормаль қырлары немсе ішкі. Мұндай осінің неравноправными ұштары аллоды атауы полярлық ось. Айырмашылығы полярлық ось Х1, Х2, Х3, ұштары осі Z мүлдем равноправны және ол болып табылады неполярной осі. Сур. 2. Кварц пластинка, вырезанная перпендикуляр пьезоэлектрической осі.

Неравноправность ұштарын полярлық осі көрінеді, әрине, ғана емс, пьезоэлектрическом әсері, бірақ және басқа да құбылыстар. Мысалы, жылдамдығы химиялық улан қырларын орналасқан әр түрлі ұштарын полярлық осі көрсетіледі әр түрлі және получающиеся бұл фигуралар улан бір-бірінен ерекшеленеді. Сонымен қатар, бойлық пьезоэлектрическийм әсері, схххххххххххххондай-ақ бар көлденең пьезоэлектрлік эффект. Ол монада: кезінде сығылу немсе созылу осі бойымен Y туындайды поляризация ось бойымен Х және сол гранях АВСD және ЕFGН панда болады поляризационные заряд тар. Бұл роте көрсетіледі, бұл белгілер заряд тарының әр қырынан сығу кезінде бойымен Y (көлденең әсері) сияқты кезінде созылу бойымен Х (бойлық әсері). Пьезоэлектрлік эффект түсіндіріледі келесі түрде иондық кристалл дардағы салдарынан сәйкес келмеген орталықтарының оң және теріс ихххххххххххххондар бар электрлік моменті және болмауы сыртқы электр өрісі. Алайда, бұл поляризация әдетте емс көрінеді, өйткені ол өтеледі заряд тармен бетінде. Кезінде деформация кристалл оң және теріс ихххххххххххххондар тор смещаются бір біріне қатысты досы, сондықтан, жалпы айтқанда, өзгереді электрлік момент кристалл. Бұл өзгеріс электр сәттен бастап көрінеді пьезоэлектрическом әсері.

Сур. 3 запалы деп түсіндіреді панда болуы пьезоэлектрического әсер кварце. Мұнда схемалық көрсетілді проекцияда оң ихххххххххххххондар Si (заштрихованные үйірмелер) және теріс ихххххххххххххондардың Туралы (ашық үйірмелер) жазықтығына перпендикуляры оптикалық ось Z. Бұл сурет сәйкес келмейді нақты конфигурациясы ихххххххххххххондардың элементарныйқ ұяшықта кварц, ихххххххххххххондары жатпайтын бір жазықтықта, ал олардың саны көп показанного. Ол, алайда, дұрыс деп симметрию өзара орналасу ихххххххххххххондар, бұл үшін жеткілікті запалы түсініктеме. Сур. 3, а) сәйкес келеді недеформированному кристаллу. Қияндағы A перпендикуляры ось X1, бар шығыңқы оң заряд тар, ал оған параллель қырлары Да сөз сөйлеушілер теріс заряд тар. Сығу кезінде ось бойымен X1 (сур. 3, б) элементарный ұяшық деформируется. Бұл роте оң ион 1 және теріс ион 2 "вдавливаются" ішке ұяшық, сондықтан сөз сөйлеушілер заряд тар (оң жазықтықта және теріс жазықтықта В) азаяды, бұл баламалы панда болуына теріс заряд жазықтықта және оң заряд жазықтықта. В. Созылу кезінде ось бойымен X1 орын кері (сур. 3): ихххххххххххххондар 1 және 2 "выталкиваются" ұяшық. Сондықтан, қырлары А туындайды қосымша оң заряд, ал қырлары - теріс заряд.

Сур Жеріміз пьезоэлектрического әсері. Есептеулер теориясы қатты дене келісімі тәжірибе көрсеткендей, пьезоэлектрлік эффект болуы мүмкін, тек мұндай кристалл дардағы, олардың элементарный ұяшық емс, орталық симметрия. Мысалы, элементар ұяшық кристалл CsCl (сур. 4) орталық симметрия және бұл кристалл дар жоқ табу пьезоэлектрическийх қасиеттері. Орналасуы бірдей ихххххххххххххондардың ұяшықта кварц ойымша, хххххххххххххонда симметрия орталығы жоқ, сондықтан ол мүмкін пьезоэлектрлік эффект.

Сур. 4. Элементар ұяшық кристалл хлореллы цезий CsCl. Шамасы поляризация векторының Р (және оған пропорционалененлоды беттік тығыздығы пьезоэлектрическийх заряд тар туралы') белгілі бір аралықтағы өзгерістер пропорционаленен шаманы механикалық деформациялар. Белгілейміз арқылы және деформацияға біржақты созылу осі бойымен X: u= d/d, (1) мұндағы d - қалыңдығы пластинка, ал d оны өзгерту кезінде деформация. Содан кейін, мысалы, бойлық әсер иеміз P=Px= u (2) Шамасы деп аталады пьезоэлектрическийм модулімен. Белгісі болуы мүмкін оң және теріс. Өйткені безразмерная шаманы, хххххххххххххонда өлшенеді бірліктерінде, Р, т. б. Кл/м 2. Шамасы беттік тығыздығының пьезоэлектрическийх заряд тарының гранях, перпендикуляр осі X, тең '=Рх Салдарынан туындаған пьезоэлектрической поляризация деформациясы кезінде өзгереді және электр ығысуы D ішіндегі кристалл. Бұл жағдайда жалпы анықтау ығысу астында Р түсіну керек саманы Ре+Pu, хххххххххххххонда Pe байланысты электр өрісі, ал Ри деформация лоу. Жалпы жағдайда бағыттары Е, Pe және Ри сәйкес келмейді және білдіру үшін D схххххххххххххонда күрделі. Алайда, кейбір бағыттарына сәйкес келетін жоғары білікті симметрия бағыттары көрсетілген векторлар бірдей көрсетіледі. Сол үшін шаманы ығысу жазуға болады

D= 0 E+ u, (3) мұндағы Е - электр өрісінің кернеулігі ішіндегі кристалл, ал - диэлектрическая өтімділік тұрақты деформациясы. Қатынасы әділ, мысалы, кезінде біржақты деформация созылу (сығылу) бойымен бірі-электр осі X. Ол бірі болып табылады екі негізгі арақатынас теориясы пьезоэлектричества (екінші арақатынасы келтірілген). Пьезоэлектрлік эффект панда емс, біржақты деформация созылу, деформация ығысу. Пьезоэлектрические қасиеттері байқалады, сонымен кварц, үлкен санының басқа да кристалл дар. Әлдеқайда күшті қарағанда, кварц, олар көрсетілген бокса сегнетовой тұздары. Күшті пьезоэлектриками болып табылады кристалл дар қосылыстардың элементтерін 2-ші және 6-ші топ периодтық жүйесінің (СdS, ZnS), схххххххххххххондай-ақ басқа да көптеген химиялық қосылыстар.

Яндекс Переводчик 2. Кері пьезоэлектрлік эффект Сонымен қатар, пьезоэлектрическийм әсері бар және оған кері құбылыс: пьезоэлектрическийх кристалл дардағы панда болуын поляризация жүреді механикалық деформацияларын. Сондықтан, егерьь металл обкладки, нығайтылған кристалла берегу электр кернеуі, хххххххххххххонда кристалл әсерінен өріс поляризуется және деформируется. Оңай көруге, бұл болуы қажеттілігін кері пьезоэффекта керек энергияның сақталу заңын және болу фактісін тікелей әсері. Қарастырайық пьезоэлектрическую пластинку (сур. 5) және болжаймыз, не біз сжимаем оның сыртқы күшімен F. Егер пьезоэффекта жоқ бокса, хххххххххххххонда жұмысы сыртқы күштердің теңелді еді әлеуетті энергиясын құралы " иілгіш майысқан пластинкалар. Болған жағдайда пьезоэффекта пластинка да заряд тар панда болады, хххххххххххххонда электр өрісі, ол жасасады өзіне қосымша қуат. Заң бойынша энергияның сақталу сайта сығу кезінде пьезоэлектрической пластинкалар жасалатын үлкен жұмыс, ал, хххххххххххххонда қандай қосымша күш F1, противодействующие сжатию. Бұл бар күшін кері пьезоэффекта. Келтірілген ойлау туындамаса арасындағы байланыс белгілері екі әсерлер. Егер екі жағдайда да белгілері заряд тарының гранях бірдей бокса, хххххххххххххонда белгілері деформациялар әр түрлі болып табылады. Егер сығу кезінде пластинкалар на гранях заряд тар панда болады, көрсетілген сур. 5, хххххххххххххонда құру кезінде осындай поляризация сыртқы алаңы бар пластинка болады растягиваться.

Сур.5. Байланыс тура және кері пьезоэлектрическийх әсерлер. Кері пьезоэлектрлік эффект бар сыртқы ұқсастықтары электрострикцией. Алайда, екеуі де осы құбылыстар әр түрлі. Пьезоэффект байланысты бағыттар өрісі өзгерген кезде, бағыттары соңғы қарама-қарсы өзгертеді белгісі. Электрострикция сол байланысты емс бағыттар өрісі. Пьезоэффект байқалады, тек кейбір кристалл дардағы ие емс орталығы бар симметрия. Электрострикция орын алған барлық диэлектрик тер ретінде қатты және сұйық. Егер пластинка бекітілген және деформироваться мүмкін емс, хххххххххххххонда құру кезінде электр өрісінің хххххххххххххонда панда қосымша механикалық кернеу, Оның шаманы s пропорционаленен электр өрісінің ішіндегі кристалл: s=- Е (4) хххххххххххххонда - сол пьезоэлектрлік модуль, бұл жағдайда, тікелей пьезоэффекта. Минус бұл формулада көрсетеді жоғарыда көрсетілген қатынасы белгілерін тікелей және кері пьезоэффектов. Толық механикалық кернеу ішіндегі кристалл қалыптасады кернеу туындаған деформация лоу және кернеу әсерімен панда болған электр өрісі. Ол сияқты