Исследование прямого пьезоэлектрического эффекта

Санкт-Петербургский  государственный электротехнический университет

“ЛЭТИ”

 

 

 

 

ОТЧЕТ

по лабораторно-практической работе № 12.

 

Исследование  прямого пьезоэлектрического эффекта.

 

 

 

Выполнил    Романов С.П.

 

Факультет ОФ

 

Группа № 9011

 

 

 

“Выполнено”  “____” ___________

 

Подпись преподавателя __________

 

 

 

Санкт-Петербург

2011

 

Лабораторная работа № 12.

Исследование прямого  пьезоэлектрического эффекта.

 

 

Приборы и принадлежности: установка для исследования пьезоэлектрического эффекта.

 Цель работы: исследование поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и определение пьезомодуля продольных колебаний в пьезокерамике.

 

Установка для исследования пьезоэлектрического эффекта (см. рисунок), используемая в работе, состоит из операционного усилителя (ОУ), включенного по схеме интегратора, измерительных электродов (Э1 и Э2), подключенных к входу операционного усилителя, вольтметра V, измеряющего напряжение на выходе операционного усилителя и рычажного устройства (РУ), позволяющего регулировать силу нагрузки F на исследуемый пьезоэлектрик (ПЭ), который помещается между измерительными электродами. Пьезоэлектрик цилиндрической формы нагружается силой F, которая меняется за счет перемещения груза вдоль рычага. Отсчет силы производится по шкале.

Силу можно сделать  равной нулю, слегка приподнимая кверху рычаг с грузом. Так как потенциалы электродов Э1 и Э2 равны то, обусловленный действием силы Р, связанный заряд на поверхности ПЭ равен индуцированному на электродах Э1 и Э2 заряду. Если силу сделать равной нулю, то заряды, индуцированные на электродах нейтрализуются. Измерение протекшего при нейтрализации заряда Q осуществляется операционным усилителем ОУ с конденсатором С в цепи обратной связи. При снятии нагрузки F весь заряд Q перейдет на конденсатор С и напряжение V на конденсаторе (т. е. на выходе ОУ)

где s - поверхностная плотность связанных (поляризационных) зарядов, S - площадь торцевой поверхности ПЭ.

Исследуемые закономерности

 

Пьезоэлектрический  эффект. В некоторых кристаллах поляризация возникает не только под действием внешнего электрического поля, но и при механической деформации. Это явление получило название пьезоэлектрического эффекта. 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 прямой пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектриками являются монокристаллы, природные или выращенные искусственно, такие как кварц, сегнетова соль, а также поликристаллические твердые растворы, подвергнутые предварительной поляризации в электрическом поле, так называемые пьезокерамики.

Чтобы обнаружить, использовать или измерить пьезоэлектрические заряды на определенные грани пьезоэлектрика накладывают электроды. При деформации на разомкнутых электродах появляется разность потенциалов, если электроды замкнуты, на них образуются индуцированные заряды, равные по величине и противоположные по знаку поляризационным зарядам. Если деформацию убрать, то пьезоэлектрические заряды исчезнут, а между электродами пройдет суммарный заряд, который можно измерить. Этот заряд равен пьезоэлектрическому заряду.

Количественной характеристикой  пьезоэффекта является совокупность модулей, т.е. коэффициентов пропорциональности в соотношениях между механическими и электрическими величинами. Например, поляризация Р, возникающая в пьезоэлектрике под действием однородного механического напряжения Т, выражается соотношением

   P = dT                                                                                  (2)

где d -  один из пьезомодулей. Для продольных колебаний в пьезокерамике  значение коэффициента d порядка 10^-10 Кл/Н.

Учитывая, что модуль вектора поляризации P равен поверхностной плотности поляризационных зарядов  s, получим, что при механическом напряжении на пьезоэлектрике в 1 Н/м², на его поверхности образуется заряд с плотностью s = 10^-10 Кл/м². Так как Р = s и T= F/S, получаем,

Q = UC = sS = dTS = dF

 то есть, выражение,  аналогичное формуле (2), а именно:

Q = dF                                                                               (3)

Прямой пьезоэффект  используется в устройствах для  восприятия акустических сигналов и преобразования их в электрические с целью измерения, передачи, воспроизведения, записи или анализа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Показания прибора, а также полученные в ходе вычисления по формуле Q = UC значения величины связанных поляризационных зарядов, указаны ниже в таблице:

C=1200 нФ.

 

i	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Fi, Н	12	16	20	24	28	32	36	40	44	48
Ui, В	2.4	3	3.4	4.4	5	5.4	6.2	6.8	8	8.4
Qi, нКл	2.88	3.6	4.08	5.28	6	6.48	7.44	8.16	9.6	10.08

 

2. Определение значения пьезомодуля d.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

График зависимости  связанных поляризационных зарядов  от приложенной силы

 

 

 

Вывод: в ходе этой лабораторной работы мы исследовали поляризацию диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и определили пьезомодуль продольных колебаний в пьезокерамике.