Пьезоэлектрики и пироэлектрики

Пьезоэлектрики - кристаллы, в которых имеется не менее одной полярной оси и отсутствуют центры симметрии.

Полярная ось - линия в кристалле, оба конца которой неравнозначны. Пьезоэлектрическими свойствами обладают 20 из 32 кристаллографических классов.

Чем ниже класс симметрии кристалла, тем богаче его пьезоэлектрические свойства, больше полярных осей и независимых пьезоэлектрических коэффициентов.

Пьезоэлектрические свойства были обнаружены на кристаллах кварца Ж. Кюри и П. Кюри в 1880-1881 гг. Существуют прямой и обратный пьезоэффекты.

Если кристалл кварца сжать, то на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, возникали разноименные заряды: на одной грани - положительные, на другой - отрицательные.

При растяжении кристалла полярность зарядов на гранях изменялась на противоположную (прямой пьезоэффект).

Пьезоэффект обратим, т.е. если на гранях кварца создать разноименные заряды, то он либо сжимается, либо растягивался в зависимости от их полярности (обратный пьезоэффект).

С пьезоэлектрическими свойствами веществ тесно связаны их пироэлектрические свойства.

В кристалле при нагревании возникают внутренние напряжения, вызванные температурными градиентами. В результате на поверхности кристалла появляются электрические заряды.

Природа пироэлектричества была открыта в 1756 г. на кристаллах турмалина и объяснена русским академиком Эпинусом, который впервые объяснил и поляризацию.

Пироэлектричество, по преданию, открыл Фалес Милетский - древнегреческий философ. Он же обнаружил электризацию трением янтаря о птичий пух и соломинки.

Приложение электрического поля к кристаллу приводит к возникновению деформаций за счет обратного пьезоэффекта: сжатия и сдвига в различных кристаллографических направлениях.

Таким образом, упругие свойства кристаллов тесно связаны с их электрическими.

На молекулярном уровне структуру пьезокристалла, например кварца, можно представить с помощью упрощенной модели в виде шестиугольной ячейки, состоящей из трех отрицательно заряженных ионов кислорода и трех положительно заряженных ионов кремния.

Такая ячейка имеет три полярные оси (рис. 11, а). В обычном состоянии положительные и отрицательные заряды в ячейке взаимно компенсируются, и в целом она электронейтральна.

Если такую ячейку сжать (рис. 11, б), то верхний ион кремния вдавливается между ионами кислорода, в результате суммарный заряд верхней грани кварца заряжается отрицательно.

В нижней части ячейки, наоборот, ион кислорода вдавливается между ионами кремния, и суммарный заряд нижней грани кварца заряжается положительно.

Возникает электрическое поле с разностью потенциалов Dj и напряженностью , вектор которой направлен вдоль линии действия сжимающих сил, поэтому возникает продольный пьезоэффект.

Если же кварцевую пластинку сжать в направлении, перпедикулярном первоначальному, то возникает поперечный пьезоэффект, т. е. полярность зарядов на гранях пластинки изменится на обратную, соответственно изменяется и направление вектора напряженности электрического поля (рис. 11, в).

Рис. 11

Причем максимальный заряд возникает на концах полярной оси, что помогает вырезать из кристалла исследуемую пластинку, плоскость которой перпендикулярна полярной оси.

Эксперименты показали, что пьезоэффект обратим. Обратный пьезоэлектрический эффект имеет внешнее сходство с электрострикцией.

Встречается в твердых, жидких и газообразных веществах. Электрострикция возникает в кристаллах, у которых деформация диэлектрика пропорциональна квадрату напряженности Е внешнего электрического поля и возникает за счет поляризации образца.

Обратимый же пьезоэффект зависит линейно от напряженности Е внешнего электрического поля.

В изотропных средах, в том числе в газах и жидкостях, электрострикция наблюдается как изменение плотности под действием электрического поля и описывается функцией

(39)

где DV/V - относительная объемная деформация; b - сжимаемость; r - плотность; e - диэлектрическая проницаемость; d - пьезоэлектрический модуль.

Но между этими явлениями есть еще одно существенное различие.

Электрострикция наблюдается во всех диэлектриках при внесении их в неоднородное электрическое поле.

Напротив, обратный пьезоэффект наблюдается только в некоторых кристаллах в однородных электрических полях, а возникающие силы пропорциональны напряженности этого поля и меняют направление на противоположное при изменении знака электрического поля.

Силы электрострикции появляются в результате действия электрического поля на поляризованный диэлектрик, вызванной этим же полем.

Поэтому силы электрострикции прямо пропорциональны квадрату напряженности электрического поля и не изменяются при смене направления электрического поля на противоположное.

Следовательно, на примере кварца хорошо прослеживается взаимосвязь упругих, электрических и тепловых свойств кристаллов, а возможно существует взаимосвязь с магнитными и гравитационными явлениями.

Действительно электрическое поле напряженностью Е возбуждает в кристалле кварца механические напряжения s, которые связаны формулой пьезоэлектрического эффекта

s = -d× Е, (40)

где d - пьезоэлектрический модуль.

Относительная деформация кристалла u вызывает его поляризацию Р, которая описывается формулой прямого пьезоэффекта

Р = e u. (41)

Напряженность электрического поля и поляризация связаны через диэлектрическую восприимчивость æ.

Относительная деформация U связана с механическими напряжениями s через упруго-механическую константу s, т. е.

u = - s s. (42)

В 1883 г. Кундт исследовал пироэлектрические свойства кристалла турмалина. Нагретый кристалл турмалина он посыпал порошкообразной смесью серы и сурика, просеянной через шелковое сито. При трении о шелк частицы

Рис. 12

серы зарядились отрицательно, а сурика - положительно. В результате этого один конец турмалина окрасился в желтый цвет, а другой - в красный. При охлаждении кристалла полярность менялась местами, изменяя окраску концов турмалина. В кристалле турмалина при изменении температуры на 1^о возникает электрическое поле Е » 4×10⁴ В/м. Существует обратный пироэлектрический эффект. При изменении электрического поля без подвода и отвода тепла (адиабатический процесс) происходит изменение температуры пироэлектрического кристалла. Таким образом, упругие свойства кристалла турмалина связаны не только с электрическими, но и с тепловыми явлениями. На рис. 8.7 схематически представлена связь электрических, механических и тепловых явлений, где b - коэффициент термоупругости; а - температурный коэффициент расширения. Используя предложенную схему, проследим за изменениями в опыте Фалеса-Платона. Натирая кусочек янтаря, тем самым увеличиваем его внутреннюю энергию путем сообщения количества теплоты Q. При этом возрастает температура янтаря, характеризующегося теплоемкостью С. Температура Т через пироэлектрическую постоянную р приводит к поляризации Р янтаря и возникновению на его поверхности разности потенциалов, за счет возникшего электрического поля.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: