Реферат: Пьезоэлектрики и их свойства - текст реферата. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Реферат

Пьезоэлектрики и их свойства

Банк рефератов / Радиоэлектроника

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Реферат
Язык реферата: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Архив Zip, 209 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникального реферата

Узнайте стоимость написания уникальной работы

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. ди электрики. 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 пьезоэлектрич е ского эффекта на примере кварца . Кристаллы кварца SiO 2 существуют в различ ных кристаллографических модификациях . Интересующие нас кристаллы ( a -кварц ) принадлежат к так называемой тригональной кристаллографической системе и обычно имеют форму , показанную н а 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 осе й - Z соединяет вершины пирамид . Три другие X1, Х 2, Х 3 перпендикулярны к оси Z и соединяют противолежащие ребра шестигранной призмы . Направление , определяемое осью Z , пьезоэлектрически неактивно : при сжатии или растяжении по этому направлению никакой поляр изации 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, Х 2, Х 3 - электри ческими или пьезоэлектрическими осями. Ра ссмотрим 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 АВС D и Е FG Н 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 кон цы 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 Х 1, Х 2, Х 3, концы оси Z совершенно равноправны и она является неполярной осью. Рис . 2. Кварцевая пл астинка , 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 АВС D и Е FG Н 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 . Одна ко 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 момен т 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 кружк и ) 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 показанног о . Он , однако , правильно передает симметрию взаимного расположения ионов , что уже достаточно для качественного объяснения . Рис . 3, а ) соответствует недеформированному кристаллу . На грани A , пер пендикулярной к оси X 1 , имеются выступающие положительные зар яды , а на параллельной ей грани В - выступающие отрицатель ные заряды . При сжатии вдоль оси X 1 (рис . 3, б ) элементарная ячейка деформируется . При этом положительный ион 1 и отрица тельный ион 2 «вдавливаются» внутрь ячейки , отчего выступающие заряды (полож ительный на плоскости А и отрицательный на плос кости В ) уменьшаются , что эквивалентно появлению отрицатель ного заряда на плоскости А и положительного заряда на плос кости В . При растяжении вдоль оси X 1 имеет место обратное (рис . 3, в ): ионы 1 и 2 «выталк иваются» из ячейки . Поэтому на грани А возникает дополнительный положительный заряд , а на грани В - отрицательный заряд. а ) б ) в ) Рис . 3. К объяснению пьезоэлектрического эффекта . Расчеты в теории твердого тела в согласии с опытом показывают , что пьезоэлектрический эффект может существовать только в таких кристаллах , в которых элементарная ячейка не имеет центра сим метрии . Так , например , элементарная ячейка кристаллов CsCl (рис . 4) имеет центр симметрии и эти кристаллы не обнаруживают пьезоэлектрических свойств . Расположение же ионов в ячейке кварца таково , что в нем центр симметрии отсутствует , и поэтому в нем возможен пьезоэлектрический эффект. Рис . 4. Элементарная ячейка кристалла хлористого цезия CsCl . Величина вектора поляризации Р (и пропорциональная ей поверхностная плотность пьезоэлектрических зарядов о ') в определенном интервале изменений пропорциональна величине механических деформаций . Обозначим через и дефор мацию одностороннего растяжения вдоль оси X: u = d / d , (1) где d - толщина пластинки , а d — ее изменение при деформации . Тогда , напри мер , для продольного эффекта имеем P = P x = u (2) Величина называется пьезоэлектрическим модулем . Знак может быть как поло жительным , так и отрицательным . Так как и безразмерная величина , то изме ряется в тех же единицах , что и Р , т.е . в Кл /м 2 . Величина поверхностной плотно сти пьезоэлектрических зарядов на гранях , перпендикулярных к оси X, равна '=Р х Вследствие возникновения пьезоэлектрической поляризации при деформации изменяется и электрическое смещение D внутри кристалла . В этом случае в общем определении смещения под Р нужно понимать сумму Р e + P u , где P e o б условлено электрическим полем , а Р u — деформацией . В общем случае направле ния Е , P e и Р u не совпадают и выражение для D получается сложным . Однако для некоторых направлений , совпадающих с осями высокой симметрии , направления указанных векторов оказываютс я одинаковыми . Тогда для величины смещения можно написать D = 0 E + u , (3) где Е - напряженность электрического поля внутри кристалла , а - диэлектри ческая проницаемость при постоянной деформации . Соотношение справед ливо , например , при деформации одностороннего растяжения (сжатия ) вдоль одной из электрических осей X. Оно является одним из двух основных соотноше ний в теории пьезоэлек тричества (второе соотношение приведено ). Пьезоэлектрический эффект возникает не только при деформации одностороннего растяжения , но и при деформациях сдвига. Пьезоэлектрические свойства наблюдаются , кроме кварца , у большого числа других кристаллов . Горазд о сильнее , чем у квар ца , они выражены у сегнетовой соли . Сильными пьезоэлектриками являются кристаллы соединений элементов 2-й и 6-й групп периоди ческой системы (С dS , ZnS ), а также многих других химических соединений. 2. Обратный пьезоэлектрический эффе кт Наряду с пьезоэлектрическим эффектом существует и обратное ему явление : в пьезоэлектрических кристаллах возникновение по ляризации сопровождается механическими деформациями . Поэтому , если на металли ческие обкладки , укрепленные на кри сталле , подать эл ектрическое напряжение , то кристалл под действием поля поляри зуется и деформируется. Легко видеть , что необходимость су ществования обратного пьезоэффекта сле дует из закона сохранения энергии и факта существования прямого эффекта . Рассмотрим пьезоэлектри ческую пластин ку (рис . 5) и предположим , что мы сжима ем ее внешними силами F . Если бы пьезо эффекта не было , то работа внешних сил равнялась бы потенциальной энергии упруго деформированной пластинки . При наличии пьезоэффекта на пластинке появляются заряд ы и возникает электрическое поле , которое заключает в себе дополнительную энергию . По закону сохранения энергии отсюда следует , что при сжатии пьезоэлектрической пластинки совершается большая работа , а значит , в ней возникают дополнительные силы F 1 , против одействующие сжатию . Это и есть силы обратного пьезоэффекта . Из приведенных рассуждений вытекает связь между знаками обоих эффектов . Если в обоих случаях знаки зарядов на гранях одинаковы , то знаки деформаций различны . Если при сжатии пла стинки на гранях появляются заряды , указанные на рис . 5, то при создании такой же поляризации внешним полем пластинка будет растягиваться. Рис .5. Связь прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов. Обратный пьезоэлектрический э ффект имеет внешнее сходство с электрострикцией . Однако оба эти явления различны . Пьезоэффект зависит от направления поля и при изменении направ ления последнего на противоположное изменяет знак . Электрострикция же не зависит от направления поля . Пьезоэфф е кт наблю дается только в некоторых кристаллах , не обладающих центром симметрии . Электрострикция имеет место во всех диэлектриках как твердых , так и жидких. Если пластинка закреплена и деформироваться не может , то при создании электрического поля в ней появ ится дополнительное механическое напряжение Его величина s пропорциональна напряженности электрического поля внутри кристалла : s=- Е (4) где - тот же пьезоэлектрический модуль , что и в случае прямого пьезоэффекта . Минус в этой формуле отражает указанное выше соотношение знаков прямого и обратного пьезоэффектов. Полное механическое напряжение внутри кристалла складывается из напря жения , вызванного деформацией , и напряжения , возникшего под влия нием элек трического поля . Оно равно s = Cu - E (5) Здесь С есть модуль упругости при деформации одностороннего растяжения (мо дуль Юнга ) при постоянном электрическом поле . Формулы (51.2) и (52.2) являют ся основными соотношен иями в теории пьезоэлектричества. При написании формул мы выбирали u и Е в качестве незави симых переменных и считали D и s их функциями . Это , конечно , необязательно , и мы могли бы считать независимыми переменными другую пару величин , одна из которых — мех аническая , а другая — электрическая . Тогда мы получили бы тоже два линейных соотношения между u , s , Е и D , но с другими коэффициентами . В за висимости от типа рассматриваемых задач удобны различные формы записи основ ных пьезоэлектрических соотношений. Так как все пьезоэлектрические кристаллы анизотропны , то постоянные , С и зависят от ориентации граней пластинки относительно осей кристалла . Кроме того , они зависят от того , закреплены боковые гра ни пластинки или свободны (за висят от граничных условий при деформации ). Чтобы дать представление о поряд ке величины этих постоянных мы приведем их значения для кварца в случае , ког да пластинка вырезана перпендикулярно оси Х и ее боковые грани свободны : =4,5; С =7,8 10 10 Н /м 2 ; =0,18 Кл /м 2 . Рассмотрим теперь пример применения основных соотношений (4) и (5) Положим , что кварцевая пластинка , вырезанная , как указано выше , растягивает ся вдоль оси X , причем обкладки , касающиеся граней , разомкнуты . Так как заряд обкладок до деформации был равен нулю , а кварц является диэлектриком , то и после деформации обкладки будут незаряженными . Согласно определению элек трического смещения это значит , что D =0. Тог да из соотношения (4) следует , что при деформации внутри пластинки появится электрическое поле c напряженностью E =-( / 0 ) u (6) Подставляя это выражение в формулу ( 5 ), находим для механического на пряжения в пластинке s = Cu - (-( / 0 ) u )= C (1+( 2 / 0 C )) u (7) Напряжение , как и в отсутствие пьезоэлектрического эффекта , пропорционально деформации . Однако упругие свойства пластинки теперь характеризуются эффек тивным модулем упругости С ' == С (1 + 2 / 0 С ) . (8) который больше С . Увеличение упругой жесткости вызвано появлением добавоч ного напряжения при обратном пьезоэффекте , препятствующего деформации . Влия ние пьезоэлектрических свойств кристалла на его механические свойства характеризуется величиной К 2= 2 / 0 C (9) Квадратный корень из этой величины (К ) называется константой электромехани ческой связи Пользуясь приведенными выше значениями , С и , находим , что для кварца К 2 ~0.01 Для всех других известных пь езоэлектрических кристаллов К 2 оказывает также малым по сравнению с единицей и не превышает 0,1. Оценим теперь величину пьезоэлектрического поля . Положим , что к граням кварцевой пластинки , перпендикулярным к оси X, приложено механическое на пряжение 1 10 5 5 Н /м 2 . Тогда , согласно ( 7 ), деформация будет равна u =1,3 10 - 6 . Подставляя это значение в формулу ( 6 ), получаем |E|==5900 В /м =59 В /см . При толщине пластинки , скажем , d ==0,5 см напряжение между обкладками будет равно U =Е d ~ 30 В . Мы видим , что пьезоэлектрическ ие поля и напряжения могут быть весьма значительными . Применяя вместо кварца более сильные пьезоэлектрики и используя должным образом выбранные типы деформации , можно полу чать пьезоэлектрические напряжения , измеряемые многими тысячами вольт. Пьезоэлектрич еский эффект (прямой и обратный ) широко при меняется для устройства различных электромеханических преоб разователей . Для этого иногда используют составные пьезоэлементы , предназначенные для осуществления деформаций разного типа. На рис .6 показан двойной пь езоэлемент (составленный из двух пластинок ), работающий на сжатие . Пластинки вырезаны из крис талла таким образом , что они одновременно либо сжимаются , либо растягиваются . Если , наоборот , сжимать или растягивать такой пьезоэлемент внешними силами , то межд у его обкладками появ ляется напряжение . Соединение пластинок в этом пьезоэлементе соответствует параллельному соединению конденсаторов. 3. Диэлектрики На рис . 7 показан пьезоэлемент работающий на изгиб . При появ лении напряжения на обкладках одна из пластинок сжимается в попе речном направлении и удлиняется в продольном , а другая - растяги вается и укорачивается , отчего и возникает д еформация изги ба . Если изгибать такой пьезо элемент внешними силами , то между его обкладками возни кает электрическое напряже ние . Соединение пластинок в этом случае соответствует по следовательному соединению конденсаторов . Очевидно , что такой пьезоэлем е нт не отвеча ет на сжатия и растяжения : в этом случае в каждой из пла стинок возникает электрическое поле , но поля направлены противо положно , и поэтому напряжение между обкладками равно нулю . Электромеханические преобразователи находят многочисленные при м енения в разнообразной электроакустической и измерительной аппаратуре . Укажем на пьезоэлектрические микрофон и телефон , пьезоэлектрический адаптер (в электрических проигрывателях пате фонных пластинок ), манометры , измерители , вибраций и др . Осо бенно важн ы е применения имеют пьезоэлектрические колебания кварца . Если поместить кварцевую пластинку между пластинами конденсатора и создать между пластинами переменное напряжение , то при частоте электрических колебаний , совпадающей с одной из собственных механичес к их частот пластинки , наступает механи ческий резонанс и в пластинке возникают очень сильные механиче ские колебания . Такая кварцевая пластинка является мощным излучателем волн сверхзвуковой частоты (кварцевые излучатели ), используемых в технике , биологии и медицине , а также в многочис ленных физических и физико-химических исследованиях . Пьезо электрические колебания применяются также для стабилизации частоты генераторов электрических колебаний в радиотехнике и в других технических устройствах. 4. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. 1) “ Электричество ” С. Г . Калашников , Москва , 1977 г. 2) “ Электротехнические материалы ” Ю. В . Корицкий , Москва , 1968 г. 3) “ Радиопередающие устройства ” Г. А . Зейтленка , Мо сква , 1969 г.
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Будущий год - год лошади. Все дружно ржём и пашем!
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, реферат по радиоэлектронике "Пьезоэлектрики и их свойства", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru