Эффекты, наблюдаемые в сегнетоэлектриках и других диэлектриках. Применение сегнетоэлектриков в науке и технике
Пьезоэлектрический эффект (от греч. piezo –давлю).Опыты,прове-
денные в 1880 г. братьями Пьером и Жаком Кюри, показали, что при ме-ханических деформациях (сжатии или растяжении) некоторых кристал-лов (кварц, турмалин, сегнетовая соль, титанат бария, цинковая обманка и др.) в определенных направлениях на их гранях появляются электриче-ские заряды противоположных знаков. Они создают электрическое поле, напряженность Е которого зависит от давления (Е ~ p), т. е. механическо-го напряжения. Пьезоэлектрический эффект в кварце наблюдается вдоль электрических осей кристалла, перпендикулярных его оптической оси. Обращение направления деформации кристалла изменяет знаки зарядов на поверхностях на противоположные. Прямой пьезоэлектрический эф-фект используется для измерения механических напряжений,возни-кающих в деформированных материалах (пьезодатчики).
Реализуется и обратный пьезоэлектрический эффект, который заключается в изменении линейных размеров некоторых кристаллов под действием электрического поля. Изменение направления электри-ческого поля вызывает изменение характера деформаций на противо-положный. В случае переменного электрического поля грани пла-стинки вибрируют, следовательно, они являются источником звуко-вых волн. Обратный пьезоэлектрический эффект используется при создании пьезоэлектрических генераторов ультразвука.
Рассмотрим более подробно некоторые примеры практического применения пьезоэффекта.
Пьезоэлектрическая зажигалка – самый распространенный пример использования прямого пьезоэффекта. Если разобрать кухонную зажи-галку, то можно увидеть, что искра, поджигающая газ, появляется в ней
при деформации незамкнутой петли из упругого пьезоэлектрика. Рас-стояние между электродами такой зажигалки около 5 мм. Если учесть, что электрический пробой в воздухе возникает при напряженности поля около 2 МВ/м, то, значит, в вашей кухонной зажигалке при деформации пьезоэлектрика возникает напряжение как минимум 10 000 В.
Американские изобретатели Дж. Броз и В. Лаубердорфер разра-ботали конструкцию подшипника, в котором трение уничтожается вибрацией, но для ее создания не требуется специальных механизмов. Втулки подшипника изготавливаются из пьезоэлектрического мате-риала. Ток заставляет пьезоэлектрик сжиматься и расширяться, созда-вая вибрацию, уничтожающую трение.
Установка пьезопреобразователей на реактивных самолетах по-зволяет экономить почти треть топлива, которое шло на выработку электроэнергии, следовательно, позволяет увеличить дальность поле-та. Здесь в электроэнергию превращаются колебания и вибрация фю-зеляжа и крыльев.
Фирма «Филипс» успешно разрабатывает идею пьезоэлектриче-ского привода для механизмов малой мощности. В частности, ею соз-дан светофор, батареи которого заряжаются от шума автомобилей на перекрестке.
Электрострикционный эффект.При внесении диэлектриков вовнешнее неоднородное электрическое поле изменяются форма и объ-ем образца (деформация). Это явление называется электрострикцией (от электро- и лат. strictio – стягивание, сжимание). Следует отметить, что электрострикция имеет место во всех диэлектриках, помещенных
в неоднородное электрическое поле, тогда как обратный пьезоэлек-трический эффект наблюдается только в некоторых кристаллах, по-мещенных в однородное электрическое поле. Пьезоэффект пропор-ционален напряженности Е, а электрострикция пропорциональна квадрату напряженности Е2. Поэтому электрострикционные силы не меняют своего направления при изменении направления электриче-ского поля. Обратный пьезоэффект изменяет свое направление при изменении направления поля.
Сегнетоэлектрические материалы (монокристаллы, керамика, пленки) широко применяются в технике и в научном эксперименте. Благодаря большим значениям диэлектрической проницаемости их используют в качестве материала для конденсаторов высокой удельной емкости. Большие значения пьезоэлектрических констант обусловли-вают применение сегнетоэлектриков в качестве пьезоэлектрических материалов в приемниках и излучателях ультразвука,в преобразовате-
лях звуковых сигналов в электрические и наоборот, в датчиках давле-ния и др. Резкое изменение сопротивления вблизи температуры фазо-вого перехода в некоторых сегнетоэлектриках используется в позисто-рах для контроля и измерения температуры. Сильная температурная зависимость спонтанной поляризации (большая величина пироэлек-трической константы) позволяет применять сегнетоэлектрики в прием-никах электромагнитных излучений переменной интенсивности в ши-роком диапазоне длин волн (от видимого до субмиллиметрового). Бла-годаря сильной зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности Е электрического поля сегнетоэлектрики используют в нелинейных конденсаторах (варикондах), которые нашли применение в системах автоматики, контроля и управления. Зависимость показателя преломления от поля обусловливает использование сегнетоэлектриков в качестве электрооптических материалов. Во внешнем электрическом поле изменяются преломляющие свойства сегнетоэлектрических кри-сталлов (компоненты тензора показателя преломления). Это явление используется для управления световыми пучками, в оптических затво-рах, модуляторах и умножителях частоты лазерного излучения. Ниобат лития LiNbO3, обладающий большими электрооптическими коэффици-ентами, является одним из лучших материалов для интегральных опти-ческих модуляторов. Кристалл КН2РО4 широко применяется для удво-ения оптической частоты лазера. Из триглицинсульфата изготавлива-ются фотоприемники для инфракрасной области спектра.
Вариконды предназначены для управления параметрами электри-ческих цепей за счет изменения их емкости при воздействии как по-стоянного или переменного напряжений, так и нескольких напряже-ний, приложенных одновременно и различающихся по значению и час-тоте. Вариконды являются нелинейными конденсаторами и по своему функциональному действию аналогичны варикапам. Основными сегне-тоэлектрическими материалами, используемыми для изготовления ва-рикондов, являются твердые растворы, например, систем Ba(Ti, Sn)O3 или Pb(Ti, Zr, Sn)O3. Одна из основных характеристик варикондов – ко-эффициент нелинейности, равный отношению максимального значения диэлектрической проницаемости при некоторой максимальной для дан-ного материала напряженности электрического поля к начальному зна-чению диэлектрической проницаемости. Значения коэффициента нели-нейности могут изменяться от 4 до 50 (в переменном поле). С увеличе-нием приложенного напряжения диэлектрическая проницаемость, а следовательно, и электрическая емкость вариконда возрастают, дости-гают максимума и затем снижаются. Степень нелинейности и емкость
варикондов сильно зависят от температуры. В простейшем случае вари-конды работают под воздействием переменного синусоидального поля и постоянного электрического поля, причем напряженность постоянного поля значительно превышает напряженность переменного поля. Чем сильнее приложенное к сегнетоэлектрику постоянное поле, тем меньшее влияние на суммарную электрическую индукцию в сегнетоэлектрике оказывает переменное поле.
Вариконды имеют номинальные значения емкостей (при напря-жении 5 В и частоте 50 Гц) от 10 до 100 000 пФ. Вариконды характе-ризуются высокой механической прочностью, устойчивостью к виб-рациям, тряске, влаге; срок их службы практически неограничен. В серийном производстве вариконды изготавливают либо в виде оди-ночных дисков, либо в виде дисков, собранных в цилиндр, с номи-нальными значениями емкости от 10 пФ до 0,22 мкФ. Особенности варикондов – временная и температурная нестабильность емкости, ограниченный диапазон рабочих частот и температур, высокие значе-ния диэлектрических потерь.
Высокие нелинейные свойства позволяют использовать варикон-ды для стабилизации тока и напряжения, умножения частоты, для ав-томатического бесконтактного дистанционного управления, преобра-зования синусоидального напряжения в импульсное, усиления элек-трической мощности и т. д.
К линейным электрооптическим материалам относятся материа-лы, в которых наблюдается линейная зависимость диэлектрической проницаемости и коэффициента преломления от величины приложен-ного напряжения. Такими материалами являются кристаллы, не имеющие центра симметрии, – пьезоэлектрические и сегнетоэлектри-ческие материалы. Среди кубических линейных электрооптических кристаллов наиболее многочисленными являются кристаллы со структурой цинковой обманки (ZnS, ZnSe, ZnTe).
Квадратичным электрооптическим эффектом обладают кри-сталлы, имеющие центр симметрии, а также изотропные среды (не-которые жидкости, такие как нитробензол, сероуглерод ). Среди ма-териалов с квадратичным электрооптическим эффектом наибольшее применение имеют кристаллы группы дигидроортофосфата калия КН2РО4, кристаллы группы перовскитов (титанат бария BaTiO3 и твердые растворы на его основе). На базе кристаллов ниобата лития LiNbO3, дигидроортофосфата калия КН2РО4, его дейтерированного аналога созданы разнообразные конструкции электрооптических модуляторов.