Контрольная работа: Активные диэлектрики
где Wэ - электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектриком; W - вся энергия затрачиваемая на деформацию.
При обратном пьезоэффекте энергия внешнего источника затрачивается не только на зарядку емкости пьезоэлектрика, но и на его деформацию.
k2 = Wм /W,
где Wм - плотность энергии механической деформации, Wм = CX2/2, здесь С - модуль упругости; Х - смещение.
Численное значения k для прямого и обратного пьезоэффектов совпадают.
В качестве пьезоматериалов широко применяют сегнетоэлектрики. Обычная сегнетокерамика как изотропная среда не обладает пьезоэффектом. Для придания пьезоэлектрических свойств ее подвергают поляризации: выдерживают в сильном электрическом поле при температуре 100-150°С в течение длительного времени. Поляризованность доменов получает преимущественную ориентацию в направлении поля. После снятия внешнего поля в керамике сохраняется устойчивая остаточная поляризация; из изотропного тела керамика превращается в анизатропное - текстуру. По своим свойствам поляризованный сегнетокерамический образец близок к однодоменному кристаллу. Поляризованную сегнетокерамику, предназначенную для использования ее пьезоэффекта, называют пьезокерамикой. Из пьезокерамики можно изготовить активный элемент практически любого размера и любой формы. Пьезокерамика используется для создания ультразвуковых излучателей, элементов преобразования электрических сигналов в звуковые и обратно, датчиков давления, деформаций, ускорений и вибраций, пьезорезонансных фильтров электрических сигналов, линий задержки, пьезотрансформаторов и пьезодвигателей. Основным материалом для изготовления пьезокерамических элементов являются твердые растворы PbZrO3 - PbTiО3 (цирконат - титанат свинца или сокращенно ЦТС).
Ввиду высоких значений e, tgd и механических потерь пьезокерамику трудно использовать на частотах свыше 20Мгц. На более высоких частотах применяются монокристаллические пьезоэлектрики.
Из пьезоэлектрических кристаллов наиболее часто применяют кварц - двуокись кремния SiО2. В кристаллах кварца различают три главные оси, образующих прямоугольную систему координат (рис.37):X - электрическую ось, проходящую через вершины шестиугольника поперечного сечения (три оси); Y - механическую ось, перпендикулярную сторонам шестиугольника поперечного сечения (три оси); Z - оптическую ось, переходящую через вершины кристалла. Пластинки, вырезанные перпендикулярно оси Z не обладают пьезоэффектом.
Пластинки Х-среза обладают максимальным коэффициентом электромеханической связи (около 10%). Однако наибольшее применение находят пластины косых срезов кристалла, грани которых наклонены по отношению к его осям.
Плоскопараллельная полированная кварцевая пластинка с электродом и держателем представляет собой пьезоэлектрический резонатор, т.е. является колебательным контуром с определенной частотой колебаний. Частота определяется толщиной пластины и направлением кристаллографического среза. Преимуществом кварцевых резонаторов являются малый tgd, высокая механическая добротность (Qм=5×104 - 107) и температурная стабильность параметров. Благодаря высокой добротности кварцевые резонаторы используются в качестве фильтров с высокой избирательной способностью, а также для стабилизации и эталонирования частоты генераторов. Одно из главных требований к таким пьезоэлектрикам является нулевой или минимальный уход частоты механических колебаний в возможно более широком интервале температур. Этому требованию в значительной мере удовлетворяют АТ- и ВТ- срезы в диапозоне частот 0.6 - 100 и 5 - 20МГц соответственно, а также СТ-, DT- и GT- срезы - в диапозоне 100 - 550 кГц.
Ниобат и танталат лития, обладающие более высокими чем кварц пьезомодулями и коэффициентами электромеханической связи, во многих случаях вытесняют кварц. Фильтры на их основе обладают большей широкополосностью при меньших габаритах, более низким сопротивлением в полосе прозрачности, большей изоляцией от паразитных колебаний. Механическая добротность ниобата и танталата лития сохраняет высокое значение (105 - 106) до СВЧ-диапозона, тогда как у кварца она максимальна при частоте 1МГц, а выше 100МГц снижается до значений меньших 105. Эти материалы применяют в линиях задержки и фильтрах как объемных, так и поверхностных волн и других устройствах, использующих поверхностные акустические волны.
Пьезополупроводники СdS, ZnS, ZnO используют в основном для пленочных преобразователей электромагнитных колебаний в акустические на высоких и сверхвысоких частотах (до 40Ггц), акустических усилителях и других устройств.
Пироэлектрики
К пироэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пироэлектрическим эффектом.
Пироэлектрическим эффектом называют изменение спонтанной поляризованности диэлектрика при изменении его температуры.
Уравнение пироэлектрического эффекта имеет вид:
-dPсп= r×dT,
где Рсп - спонтанная поляризованность диэлектрика;
r - пироэлектрический коэффициент.
При неизменной температуре спонтанный электрический момент скомпенсирован. Иэменение спонтанной поляризованности сопровождается освобождением зарядов на поверхности диэлектрика, благодаря чему в замкнутой цепи возникает ток:
где S -площадь поверхности диэлектрика, dT/dt - скорость изменения температуры.
Пироэлектрический коэффициент учитывает нарушение упорядоченности в расположении элементарных дипольных моментов (истинный пироэффект) и пьезоэлектрическую поляризацию, обусловленную изменением линейных размеров (вторичный пироэффект) при изменении температуры диэлектрика.
Спонтанная поляризованность зависит от температуры Рсп = А(Тк -Т)1/2, где А - некоторая постоянная для данного материала.
Отсюда следует, по мере приближения к температуре фазового перехода Тк пироэлектрический коэффициент возрастает:
Пироэлектрическими свойствами обладают все сегнетоэлектрики в монодоменизированном состоянии.
Наиболее стабильными пироэлектрическими свойствами обладают кристаллы ниобата и танталата лития, которые ввиду очень малого tgd и высокого удельного сопротивления отличается малым уровнем шумов и поэтому имеет высокую чувствительность на высоких частотах.
Пироэлектрическими свойствами обладают некоторые линейные диэлектрики (турмалин) и полимеры (поливинилденфторид, поливинилденхлорид). Чувствительность пленочных полимерных диэлектриков невысока, однако они обладают простотой изготовления, малой инерционностью и небольшой стоимостью.