Пьезоэлектрическое возбуждение колебаний

Пьезоэлемент- тело из пьезоэлектрика определенных геометрической формы и ориентации относительно основных кристаллографических осей (или направления поляризации пьеэокерамики), имеющие проводящие обкладки (электроды). Таким образом, ПЭ представляет собой электрический конденсатор с твердым диэлектриком. Особенностью такого конденсатора является наличие пьезоэлектрических свойств у диэлектрика, заполняющего пространство между электродами.

Рассмотрим основные особенности эффекта на примере кварца. Кристаллы SiO₂ (а-модификация) принадлежат к тригональной кристаллографической системе. Имеют 4 кристаллические оси, которые определяют важные направления внутри кристалла. Рассмотрим пластинку кварца, вырезанную перпендикулярно к одной из пьезоэлектрических осей. При растяжении пластинки вдоль оси X на перпендикулярных к ней гранях появятся разноименные поляризационные заряды. Такой пьезоэлектрический эффект называется продольным. Если изменить знак деформации, то есть перейти от растяжения к сжатию, то и знаки поляризационных зарядов изменятся на противоположные. Наряду с продольным существует и поперечный пьезоэффект.

Причиной эффекта является смещение состояния электрического и механического равновесия диэлектрического кристалла под влиянием внешних воздействий. В отсутствие внешних сил кристаллическая структура пьезоэлектрика недеформирована и электродинамически нейтральна Деформации электронных оболочек и относительного смещения атомов и ионов в структуре кристалла при наложении поля приводят к макроскопической деформации образца

Сказанное можно пояснить на примере того же кварца со следующей принципиальной схемой. В структуре кристалла каждый атом Si окружен четырьмя атомами кислорода, и каждый атом связывает два атома Si. На рис. 1.3 представлена проекция одних лишь атомов Si на плоскость базиса (0 0 1); находящиеся в одном слое атомы одинаковы.

Рис. 1.3 Схема пьезоэлектрической поляризации кристаллов кварца

Рис. 1.4 Пьезоэлектрический трансформатор

Пьезоэлектрическое возбуждение колебаний осуществляется электрическим полем, возникающим в ПЭ при соединении его электродов с источником напряжения. Форма, расположение, ориентация электродов относительно осей кристалла определяет вид возбуждаемых колебаний и их интенсивность. Колебания сжатия-растяжения и сдвига могут быть возбуждены однородным электрическим полем, в общем случае могут возбуждаться 3 продольных колебания и 3 колебания сдвига, распространяющиеся в трех взаимно перпендикулярных направлениях. В 2-х случаях (продольных колебаний по толщине и ширине) используется продольный, а в остальных случаях - поперечный пьезоэффект. Пьезоэлектрические кристаллы широко применяются в пьезотехнике в качестве электромеханических преобразователей (стабилизаторов и фильтров радиотехнических частот, излучателей и приемников ультразвуковых колебаний, пьезометров и др. устройств).