Преобразователи пьезоэлектрические

Общие сведения

Преобразователь пьезоэлектрический - это преобразователь электрической энергии в механическую (и наоборот), действие которого основано на пьезоэлектрическом эффекте.

Эффект пьезоэлектрический (прямой) - образование электрической поляризации при механической деформации материала.

Эффект пьезоэлектрический (обратный) - деформации материала при приложении электрического напряжения.

Пьезоэлектрический эффект присущ большой группе полупроводников и диэлектриков. Для реализации пьезоэффекта необходимо два условия:

1. Отсутствие центра симметрии кристалла;

2. Высокое электрическое сопротивление.

Кристаллическая решетка таких материалов состоит из ионов или молекул обладающих дипольным моментом

P_i = ql , (2.64)

где q– заряд;

l - расстояние между зарядами.

Общая поляризация диэлектрика оценивается поляризованностью Р, являющейся векторной суммой электрических моментов диполей в единичном объеме тела V.

(2.65)

Поляризованность связана с индукцией D и напряженностью электрического поля Е соотношением:

, (2.66)

где εε₀ – диэлектрическая проницаемость вещества,

ε₀ = 8,85∙10^-12 Ф/м

Наибольшей величиной поляризованности обладают сегнетоэлектрики. Для них характерна спонтанная поляризация, которая возрастает в десятки раз во внешнем электрическом поле.

Сегнетоэлектрики (от названия сегнетовой соли, у которой впервые было обнаружено сегнетоэлектричество) – кристаллические диэлектрики, обладающие в определенном интервале температур (соответствующем сегнетоэлектрической фазе) спонтанной поляризацией.

Направление спонтанной поляризации может быть изменено внешним воздействием электрическим полем или механическими напряжениями.

Поляризация диэлектриков - процесс возникновения в диэлектриках состояния, характеризуемого наличием дипольного момента у любого элемента их объема (поляризованного состояния), под действием внешних факторов – электрических полей, механических напряжений, изменения температуры и т.д.

Электрической поляризации противостоит тепловое движение структурных составляющих. При некоторой температуре поляризация исчезает полностью. Эта температура называется точкой Кюри для сегнетоэлектриков.

Различают два вида сегнетоэлектриков – монокристаллы и поляризованные поликристаллы (пьезокерамика).

Прямой и обратный пьезоэффект могут быть описаны соответственно линейными уравнениями:

D = dG и δ = dE_эл = Δl/l , (2.67)

где G – механическое напряжение;

δ = Δl/l – относительная деформация;

d – коэффициент пропорциональности, названный пьезомодулем диэлектрика.

Свойства пьезоэлектрика в общем случае различны для различных кристаллографических направлений. Для описания этих свойств в матричной форме в общем случае привлекается 9 пьезомодулей d_ij, каждый индекс принимает значения 1, 2, 3. Чем ниже симметрия кристалла, тем больше число компонент матрицы. Для характеристики материалов с радиальной поляризованностью достаточно знать три пьезомодуля:

1. Продольныйd₃₃ – определяет эффективность колебаний в направлении, параллельном электрическому полю;

2.Перпендикулярный d₃₁ – определяет эффективность колебаний в направлении, перпендикулярном электрическому полю;

3.Сдвиговый d₁₃ – определяет эффективность колебаний под 45⁰ к направлению поля.