Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике 1. Во многих кристаллах при растяжении и сжатии в определенных направлениях возникает электрическая поляризация. В результате этого на их поверхностях появляются электрические заряды обоих знаков. Это явление, получившее название прямого пьезоэлектрического эффекта, было открыто в 1880 г. братьями Пьером и Жаком Кюри. Оно наблюдалось затем на кристаллах турмалина, цинковой обманки, хлората натрия, винной кислоты, тростникового сахара, сегнетовой соли, титаната бария и многих других веществ. Пьезоэлектрическими свойствами могут обладать только ионные кристаллы. Если кристаллические решетки положительных и отрицательных ионов, из которых построены такие кристаллы, под действием внешних сил деформируются по-разному, то в противоположных местах на поверхности кристалла выступают электрические заряды разных знаков. Это и есть пьезоэлектрический эффект. При однородной деформации пьезоэлектрический эффект наблюдается при наличии в кристалле одной или нескольких полярных осей (направлений). Под полярной осью (направлением) кристалла понимают всякую прямую, проведенную через кристалл, оба конца которой неравноценны, т.е. невзаимозаменяемы. Иными словами, при повороте кристалла на $180^{\circ}$ вокруг любой оси, перпендикулярной к полярной, он не совмещается сам с собою. Вообще, для существования пьезоэлектрическою эффекта при однородной деформации необходимо отсутствие у кристалла центра симметрии. Действительно, если бы недеформированный кристалл имел центр симметрии, то последний сохранился бы и при однородной деформации кристалла. С другой стороны, в электрически поляризованном кристалле есть особое направление, а именно направление вектора поляризации. При наличии такового кристалл не может иметь центр симметрии. Получившееся противоречие и доказывает наше утверждение. Из 32 кристаллических классов не имеет центра симметрии 21 класс. У одного из них, однако, сочетание других элементов симметрии делает пьезоэлектрический эффект также невозможным. Таким образом, пьезоэлектрические свойства наблюдаются у 20 кристаллических классов. При температуре до $200^{\circ} \mathrm{C}$ пьезоэлектрические свойства кварца практически не зависят от температуры. С дальнейшим повышением температуры пьезоэлектрический эффект медленно убывает. При $576{ }^{\circ} \mathrm{C} \alpha$-кварц претерпевает фазовое превращение и переходит в $\beta$-модификацию. Кристаллы $\beta$ кварца относятся к гексагональной системе, а потому пьезоэлектрические явления в них не наблюдаются в согласии с тем, что было сказано выше. При обратном понижении температуры первоначальная структура кварца восстанавливается, причем это восстановление происходит при температуре, несколько более низкой, чем исходная (гистерезис). Ниже всюду речь идет об $\alpha$-кварце. Для упрощения рассуждений заменим каждую пару соседних ионов кислорода одним отрицательным ионом с удвоенным зарядом. Мы придем к упрощенной модели ячейки, изобраРис. 96 женной на рис. 97 a. Если подвергнуть такую ячейку сжатию вдоль полярной оси $X_{1}$ (рис. 97 б), то ион кремния 3 и ион кислорода 4 вклинятся между окружающими их боковыми ионами. В результате на плоскости $A$ пластинки появится отрицательный, а на плоскости $B$ – положительный заряды ( продолъный пъезоэлектрический эффект). При сжатии в боковом направлении, т. е. перпендикулярно к полярной и оптической осям (рис. 97 в), ионы кремния 1 и 2 получают одинаковые, но противоположно направленные смещения внутрь ячейки. Так же ведут себя ионы кислорода 5 и 6 . При этом сохраняется симметрия ячейки относительно плоскости, проходящей посередине между плоскостями $C$ и $D$, и на этих плоскостях не возникает никаких зарядов. Однако ион кремния 3 и ион кислорода 4 смещаются наружу. Благодаря этому возникает дипольный момент, направленный в положительную сторону полярной оси $X_{1}$. На плоскости $A$ появляется положительный, а на плоскости $B$ – отрицательный заряды (поперечный пъезоэлектрический эффект). Знаки зарядов в продольном и поперечном эффектах, таким образом, противоположны. Из рассматриваемой модели видно также, что замена сжатия растяжением приводит к изменению знаков электрических зарядов при пьезоэлектрическом эффекте и что поляризация пропорциональна деформации кристалла (когда деформации малы). А так как между деформацией и силой согласно закону Гука (1635-1703) существует прямая пропорциональность, то поляризация кристалла при пьезоэлектрическом эффекте должна быть пропорциональна также приложенной силе. Наконец, из модели видно, что сжатие или растяжение кристалла в направлении оптической оси никакими пьезоэлектрическими эффектами не сопровождается. Все эти заключения подтверждаются опытом. где $\tau_{x}$ и $\tau_{y}$ – механические натяжения, действующие параллельно осям $X$ и $Y$, а $d_{11}$ – постоянная, называемая пъезоэлектрическим модулем (смысл двойного индекса при $d$ выяснится в п.9). Для кварца Допустим, например, что $\tau_{x}=10^{6}$ дин $/ \mathrm{cm}^{2}, \tau_{y}=0$. Тогда на нижней поверхности пластинки появится положительный заряд с плотностью $\sigma=$ $=P_{x}=6,99 \cdot 10^{-2}$ СГСЭ-ед. $=2,33 \cdot 10^{-7}$ Кл/м ${ }^{2}$. Ему соответствует внутри пластинки электрическое поле $E_{x}=4 \pi \sigma \approx 0,88$ СГСЭ-ед. $\approx 240$ В $/$ см. При толщине пластинки $h=0,5$ см она заряжается до разности потенциалов $\varphi \approx 120 \mathrm{~B}$. Для того чтобы использовать поляризационные заряды, появляющиеся на противоположных гранях кварцевой пластинки при ее деформации, эти грани снабжают металлическими обкладками. На таких обкладках индуцируются заряды, равные и противоположные по знаку поляризационным, а во внешних проводах, соединяющих обкладки, возникает электрический ток. Рис. 99 рять резиновым молотком по пластинке сегнетовой соли, то при каждом ударе появляется кратковременная вспышка неоновой лампочки. Вместо сегнетовой соли в описанной демонстрации можно пользоваться пластинкой из титаната бария. Допустим, что кварцевая пластинка (см. рис. 98) внесена в электрическое поле, направленное параллельно оси $X$. Пусть она в направлениях $X$ и $Y$ подвержена также действию механических натяжений $\tau_{x}$ и $\tau_{y}$ соответственно. Если $V=h b l$ – объем пластинки, то элементарная работа, которую надо затратить на ее поляризацию при квазистатическом процессе, определяется выражением $\delta A_{\text {пол }}=V E d P+V E_{x} d P_{x}$. Элементарная же механическая работа, совершаемая квазистатически силами натяжения при удлинении ребер $h$ и $l$, будет $\delta A_{\text {мех }}=b l \tau_{x} d h+h b \tau_{y} d l$. Применим к рассматриваемому процессу термодинамическое соотношение $d U=T d S+\delta A$. Разделив его на $V$ и обозначив через $s$ и $u$ значения удельной энтропии и внутренней энергии, получим или Введя функцию $g=u-T s-E_{x} P_{x}-\tau_{x} \ln h-\tau_{y} \ln l$, преобразуем это соотношение к виду Так как выражение справа есть полный дифференциал функции $g$, то должно быть или с учетом соотношения (37.1) Эти формулы и описывают обратный пьезоэлектрический эффект в кварце. В линейном приближении, в котором только и верна излагаемая теория, формулы (37.2) записываются в виде где $\delta h$ и $\delta l$ – абсолютные приращения размеров пластинки при наложении электрического поля $E_{x}$, а $\varphi=h E_{x}$ – разность потенциалов между гранью $b l$ и гранью, ей противоположной (рис. 98). Формула (37.3) выражает продольный обратный пъезоэлектрический эффект, а формула (37.4) – поперечный. При наложении электрического поля параллельно электрической оси меняется толщина пластинки (продольный эффект) и ее длина (поперечный эффект). Если толщина $h$ увеличивается, то длина $l$ уменьшается, и наоборот, причем относительные изменения этих размеров по абсолютной величине одинаковы, так что объем пластинки остается неизменным. Абсолютное значение $\delta h$ не зависит от толщины пластинки, а только от приложенной разности потенциалов $\varphi$. При $\varphi=3000 \mathrm{~B}=10$ СГСЭ-ед. из формулы (37.3) находим $\delta h=$ $=6,99 \cdot 10^{-7}$ см $=6,99 \cdot 10^{-3}$ мкм. Если $l=10 h$, то поперечный эффект при той же разности потенциалов будет в 10 раз больше. Модуль Юнга (17731829 ) кварца в направлении электрической оси $\mathscr{E}=7,87 \cdot 10^{11}$ дин $/ \mathrm{cm}^{2}$. При толщине пластинки $h=0,5$ см в ней в случае продольного эффекта в приведенном выше примере возникают натяжения или давления $\mathscr{P}=$ $=\mathscr{E} \delta h / h \approx 1,1 \cdot 10^{6}$ дин $/ \mathrm{cм}^{2} \approx 1,1$ атм. Термодинамические рассуждения, изложенные выше, проведены в предположении, что температура остается постоянной. Поэтому пьезоэлектрический модуль $d_{11}$ может быть охарактеризован как изотермический модулъ. Нетрудно видеть, как следует изменить эти рассуждения применительно к адиабатическим процессам. Формулы (37.1), (37.3) и (37.4) остаются верными и для таких процессов. Только изотермический пьезоэлектрический модуль $d_{11}$ надо заменить адиабатическим. 7. Что касается связи между направлениями происходящих изменений в прямом и обратном пьезоэлектрических эффектах, то здесь применим общий принцип Ле Шателье (см. т. II, § 51), как в этом нетрудно убедиться с помощью формул (37.1), (37.3) и (37.4). Например, при растяжении пластинки вдоль оси $X$ (см. рис. 98) или сжатии вдоль оси $Y$ на ее нижней поверхности, как мы видели, возбуждается положительный заряд, а на верхней отрицательный ( $P_{x}>0$ ). Иными словами, в пластинке появляется электрическое поле, направленное вверх ( $\left.E_{x}<0\right)$. Согласно принципу Ле Шателье появление такого поля можно рассматривать как противодействие системы приложенным растягивающим и сжимающим силам. Это противодействие проявляется в том, что возникают силы, стремящиеся сжать пластинку в направлении оси $X$ и растянуть в направлении оси $Y$. Если поле $E_{x}$ усилить, то увеличатся и противодействующие силы. Они появятся и в недеформированной пластинке при внесении ее в электрическое поле. Если электрическое поле направлено вверх ( $\left.E_{x}<0\right)$, то в направлении оси $X$ пластинка сожмется, а в направлении оси $Y$ – удлинится. Это находится в согласии с формулами (37.3) и (37.4). Так же можно рассуждать и в остальных случаях. Обратный пьезоэлектрический эффект имеет внешнее сходство с электрострикцией (§33). Однако между этими двумя явлениями имеется и существенное различие. Электрострикция имеет место во всех диэлектриках при помещении их в неоднородное электрическое поле. Обратный пьезоэлектрический эффект наблюдается только в кристаллах, да и то не во всех. Он существует $u$ в однородных электрических полях. Силы электрострикции возникают в результате действия электрического поля на поляризованный диэлектрик, поляризация которого обусловлена тем же полем. Поэтому электрострикционные силы квадратичны по полю. Они не меняются при изменении направления электрического поля на противоположное. Напротив, обратный пьезоэлектрический эффект возникает в результате действия внешнего электрического поля на уже имеющиеся противоположно заряженные ионные решетки кристалла. Возникающие здесь силы линейны по полю. Они меняют свои направления на противоположные при изменении знака электрического поля. \[ Опыт показывает, что в случае малых деформаций между компонентами вектора поляризации $\mathbf{P}$ и компонентами тензора натяжений существует лuнейная связъ. Такая зависимость аналогична известному закону Гука и имеет примерно ту же область применимости. Таким образом, в общем случае можно написать Отсюда видно, что в общем случае пьезоэлектрические свойства кристалла характеризуются восемнадцатъю постоянными. Эти постоянные называются пьезоэлектрическими модулями. Впрочем, число независимых пьезоэлектрических модулей уменьшается из-за симметрии кристалла. Чем выше симметрия кристалла, тем меньше число независимых пьезоэлектрических модулей, которыми он характеризуется. Так, в случае кварца $d_{12}=-d_{11}$, $d_{25}=-d_{14}, d_{26}=-2 d_{11}$, а все остальные пьезоэлектрические модули обращаются в нуль. Таким образом, пьезоэлектрические свойства кварца характеризуются только двумя модулями, за которые можно принять $d_{11}$ и $d_{14}$. Тогда При этом $d_{14}=-2,0 \cdot 10^{-8}$ дин $^{-1 / 2} \cdot$ см. Числовое значение модуля $d_{11}$ было приведено выше. где $\lambda$ – длина ультразвуковой волны в кварце, а $n$ – целое число. При $n=$ $=1$ получается основное колебание пластинки, при $n=2,3,4, \ldots$ – соответствующие ему обертоны. При резонансной частоте электрического поля кварцевая пластинка, как показал Ланжевен, является мощным источником ультразвука. Такие источники ультразвука и были предложены Ланжевеном для измерения морских глубин и подводной сигнализации. С этого времени началось бурное развитие практических применений пьезоэлектричества.
|
1 |
Оглавление
|