|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
страницы:
1
2
3
4
Текущая страница: 1
|
|
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Курсовая работа
Тема: Пьезоэлектрики и их свойства
Выполнил: _____________
Проверил: _____________
Москва 1999г.
Содержание.
1. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ. 2
2. ОБРАТНЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ. 12
3. ДИЭЛЕКТРИКИ. 19
4. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 22
1. Пьезоэлектрический эффект.
В некоторых кристаллах поляризация может возникнуть и без внешнего поля, если кристалл подвергается механическим деформациям. Это явление, открытое в 1880 г. Пьером и Жаком Кюри, получило название пьезоэлектри ческого эффекта.
Чтобы обнаружить пьезоэлектрические заряды, на грани крис таллической пластинки накладывают металлические обкладки. При разомкнутых обкладках между ними при деформации появ ляется разность потенциалов. При замкнутых обкладках на них образуются индуцированные заряды, равные по величине поляризационным зарядам, но противоположные им по знаку, и в цепи, соединяющей обкладки, в процессе деформации возникает ток. Рассмотрим основные особенности пьезоэлектрического эффекта на примере кварца. Кристаллы кварца SiO2 существуют в различ ных кристаллографических модификациях. Интересующие нас кристаллы (a-кварц) принадлежат к так называемой тригональной кристаллографической системе и обычно имеют форму, показанную на рис. 1. Они напоминают ше стигранную призму, ограниченную двумя пирамидами, однако имеют еще ряд дополнительных граней. Такие кристаллы характеризу ются четырьмя кристаллическими осями, определяющими важные направления внутри кристалла.
Одна из этих осей - Z соединяет вершины пирамид. Три другие X1, Х2, Х3 перпендикулярны к оси Z и соединяют противолежащие ребра шестигранной призмы. Направление, определяемое осью Z, пьезоэлектрически неактивно: при сжатии или растяжении по этому направлению никакой поляризации не происходит. Напро тив, при сжатии или растяжении в любом направлении, перпен дикулярном к оси Z, возникает электрическая поляризация. Ось Z называется оптической осью кристалла, а оси X1, Х2, Х3 - электри ческими или пьезоэлектрическими осями.
Рассмотрим пластинку кварца, вырезанную перпендикулярно к одной из пьезоэлектрических осей X. Ось, перпендикулярную к Z и X, обозначим через Y (рис. 2). Тогда оказывается, что при растяжении пластинки вдоль оси Х на перпендикулярных к ней гранях АВСD и ЕFGН появляются разноименные поляризацион ные заряды. Такой пьезоэлектрический эффект называется продольным. Если изменить знак деформации, т. е. перейти от растяжения к сжатию, то и знаки поляризационных зарядов изменятся на об ратные
.
Рис. 1. Кристалл кварца.
Возникновение поляризационных зарядов определенных знаков при данном типе деформации (растяжение или соответственно сжатие) показывает, что концы осей Х неравноправны, и осям Х можно приписать определенные направления (что отмечено на рис. 1 стрелками). Это значит, что при данной деформации знак заря да зависит от того, направлена ли ось Х по внешней нормали к грани или по вну тренней. Такие оси с неравноправными концами получили название полярных осей. В отличие от полярных осей Х1, Х2, Х3, концы оси Z совершенно равноправны и она является неполярной осью.
Рис. 2. Кварцевая пластинка, вырезанная перпендикулярно к пьезоэлектрической оси.
Неравноправность концов полярной оси проявляется, конечно, не только в пьезоэлектрическом эффекте, но и в других явлениях. Так, например, скорость химического травления граней, расположенных у разных концов полярной оси, оказывается различной и получающиеся при этом фигуры травления отличаются друг от друга.
Наряду с продольным пьезоэлектрическим эффектом существует также поперечный пьезоэлектрический эффект. Он заключается в том, что при сжатии или растяжении вдоль оси Y возникает поля ризация вдоль оси Х и на тех же гранях АВСD и ЕFGН появляются поляризационные заряды. При этом оказывается, что знаки зарядов на каждой грани при сжатии вдоль Y (в поперечном эффекте) та кие же, как при растяжении вдоль Х (в продольном эффекте).
Пьезоэлектрический эффект объясняется следующим образом В ионных кристаллах вследствие несовпадения центров положительных и отрицательных ионов имеется электрический момент и в отсутствие внешнего электри ческого поля. Однако эта поляризация обычно не проявляется, так как она компенсируется зарядами на поверхности. При де формации кристалла положительные и отрицательные ионы ре шетки смещаются друг относительно друга, и поэтому, вообще говоря, изменяется электрический момент кристалла. Это измене ние электрического момента и проявляется в пьезоэлектрическом эффекте.
Рис. 3 качественно поясняет возникновение пьезоэлектрического эффекта в кварце. Здесь схематически показаны проекции положи тельных ионов Si (заштрихованные кружки) и отрицательных ионов О (светлые кружки) в плоскости, перпендикулярной к оптической оси Z. Этот рисунок не соответствует фактической конфигурации ионов в элементарной ячейке кварца, в которой ионы не лежат в одной плоскости, а их число больше показанного. Он, однако, правильно передает симметрию взаимного расположения ионов, что уже достаточно для качественного объяснения.
Текущая страница: 1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
