Методические указания
Пьезоэлектрический эффект – явление, при котором некоторые диэлектрики поляризуются не только под действием электростатического поля, но и под действием механической деформации.
Данное явление было открыто в 1880 году Пьером и Жаком Кюри, они исследовали кристаллический кварц – SiO2
Цель работы: исследовать поляризацию диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и определить пьезомодуль продольных колебаний в пьезокерамике.
Приборы и принадлежности: установка для исследования пьезоэлектрического эффекта.
Где наблюдается пьезоэлектрический эффект?
Пьезоэлектрический эффект наблюдается в анизотропных диэлектриках (материалах, отличающихся неодинаковыми свойствами), преимущественно в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Пьезоэффектом могут обладать кристаллы, не имеющие центра симметрии, а имеющие так называемые полярные направления (оси), а также некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (керамические материалы, полимеры). Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называют пьезоэлектриками.
Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию и, следовательно, появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков.
Количественной характеристикой пьезоэффекта является совокупность модулей, т.е. коэффициентов пропорциональности в соотношениях между механическими и электрическими величинами. Например, поляризация Р, возникающая в пьезоэлектрике под действием однородного механического напряжения Т, выражается соотношением
P = dT, (2)
где d – один из пьезомодулей. Для продольных колебаний в пьезокерамике значение коэффициента d порядка 10-10 Кл/Н.
Учитывая, что модуль вектора поляризации Р равен поверхностной плотности поляризационных зарядов ?, получим, что при механическом напряжении на пьезоэлектрике в 1 Н/м2
на его поверхности образуется заряд с плотностью ? = 10-10 Кл/м2
Так как P = ? и T = F/S , получаем
то есть, выражение, аналогичное формуле (2), а именно:
Q = dF (3)
Прямой и обратный пьезоэффект
Прямой пьезоэффект – эффект возникновения поляризации под действием механической нагрузки.
Обратный пьезоэффект – возникновение механической деформации под действием электрического поля.
Схематичные изображения прямого (а,б) и обратного (в,г) пьезоэффектов. Стрелками F и E изображены внешние воздействия – механическая сила и напряженность электрического поля. Штриховые линии – контуры пьезоэлектрика до внешнего воздействия; сплошные линии – контуры деформации пьезоэлектрика; Р – вектор поляризаци
Где используется прямой пьезоэффект?
Прямой пьезоэффект используется:
- В пьезозажигалках, для получения высокого напряжения на разряднике;
- В датчиках в качестве чувствительного к силе элемента (чем больше сила, тем выше напряжение на контактах);
- В качестве чувствительного элемента в микрофонах;
