Упругие, ди- и пьезоэлектрические свойства кристаллов

Анизотропия упругих и пьезоэлектрических свойств кристалла, характеризуемых тензорами сие, определяет сложный характер зависимостей у,(п) и U(n). Одпако в кристаллах существуют так называемые особые направления распространения акустоэлектрических волн, в которых влияние анизотропии уменьшается. Для таких направлений определитель (3.5) распадается на произведение двух (или трех) сомножителей. В особых направлениях могут распространяться чисто продольные и чисто поперечные волны. К числу особых направлений, связанных с симметрией кристалла, относятся оси симметрии, все направления, лежащие в плоскости симметрии, а также перпендикулярные оси или плоскости симметрии. Рассмотрим этот вопрос подробнее. [c.26]

Упругие, диэлектрические и пьезоэлектрические свойства кристаллов [c.14]

Колеблющийся кристалл представляет собой электромеханический преобразователь. При подаче на кристалл электрического напряжения в нем запасается известное количество электрической энергии, часть которой в силу пьезоэлектрических свойств кристалла расходуется на создание в нем упругих напряжений и переходит, следовательно, в механическую энергию упругих деформаций. Соотношение обеих этих энергий есть мера эффективности электромеханического преобразователя эта величина, которую мы уже рассматривали выше применительно к магнитострикционным вибраторам (см. 4, п. 4 настоящей главы), называется коэффициентом электромеханической связи. Квадрат коэффициента электромеханической связи определяется как отношение генерируемой в кристалле механической энергии к запасаемой в нем электрической энергии. При колебаниях по толщине механическая энергия на единицу [c.80]

Таким образом, совокупность исключительно высоких сегнетоэлектрических, пьезоэлектрических, оптических, электрооптических, нелинейных и упругих свойств кристаллов ниобата бария-натрия дает возможность применять их как в лазерных системах связи, так и в других областях науки и техники [8—16]. [c.176]

Влияние пьезоэлектрического эффекта на упругие свойства кристаллов [c.267]

Тела, физические свойства которых (плотность, модуль упругости и т. д.) одинаковы во всех направлениях, называются изотропными. Тела могут быть однородными, но не изотропными или, как говорят, анизотропными например, кристаллы. Так, кристаллы кварца и сегнетовой соли по осям X, У, 2 имеют различные пьезоэлектрические свойства и разные модули Юнга. [c.355]

Диэлектрические, упругие, пьезоэлектрические, а также другие свойства кристаллов, которым в данной книге уделяется внимание, выражаются, как правило, применительно к основной прямоугольной системе координат X, У, 2 (илн А ь Хг, Л з). Эта прямоугольная система координат связана с кристаллографическими осями а, Ь, с способом, очевидным из рнс. 10.3. [c.446]

Что касается упругих и пьезоэлектрических свойств синтетических кристаллов, то не было обнаружено их заметного отличия от свойств природ- [c.456]

Нас интересуют свойства кристаллов в применении их к пьезоэлектрическим преобразователям. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать уже не общие соотношения, а свойства трех конкретных пьезокристаллов, представляющих интерес с точки зрения технических применений, а именно кварц, турмалин, сегнетова соль. Мы приведем таблицы компонент тензоров диэлектрических, упругих и пьезоэлектрических констант для трех названных кристаллов, полагая, что координатные оси совпадают с главными осями кристалла. [c.112]

Упругие свойства пьезоэлектрических кристаллов таковы, что из них можно делать пластинки, обладающие очень высокими собственными частотами колебаний — вплоть до десятков мегагерц. Например, в кварцевой пластинке могут возникать продольные упругие волны Б направлении ее толщины. Так как поверхности пластинки свободны, на них должны получаться пучности скоростей и узлы деформаций и на толщине пластинки должно укладываться целое число полуволн. Поэтому частота основного тона этих колебаний / определится из условия, что на толщине пластинки уложится одна полуволна (рис. 474). Следовательно, длина упругой волны в пластинке X = 2d, а так как Я = с//, i-де с — скорость распространения упругих волн в кварце, то [c.744]

В табл. 15 приведены данные, характеризующие свойства некоторых пьезоэлектрических систем при слабых возбуждениях и комнатной температуре (25° С). Эти свойства статистически и систематически флуктуируют от партии к партии образцов или внутри данной партии вследствие небольших различий в химическом составе, вариаций плотности, химической неоднородности, отклонений по величине зерен, различий в условиях предварительной поляризации и т. д. В Стандартах на пьезоэлектрические кристаллы Института радиоинженеров указывается, что параметры керамики [8 ] определенного состава с плотностью пе менее 95% от номинала могут меняться следуюш,им образом упругие постоянные не более чем на 5%, пьезомодули на 10%, а диэлектрические постоянные не более чем на 20%. [c.245]

Как видно из фиг. 72, фосфат аммония и сульфат лития обладают наибольшей пьезоэлектрической константой g иными словами, при заданном давлении в этих кристаллах развивается наивысшее напряжение холостого хода поэтому эти кристаллы наиболее пригодны для пьезоэлектрических приемников давления. Правда, сегнетова соль обладает еще более высокой пьезоэлектрической константой, однако она менее пригодна из-за большой диэлектрической постоянной. Кроме того, благодаря очень хорошим упругим свойствам сульфат лития обладает и наи- [c.152]

В заключение следует еще упомянуть, что при отражении света от колеблющейся поверхности металлической пластинки, возбужденной пьезоэлектрическим кристаллом, также возникают аналогичные картины, что позволяет исследовать упругие свойства малых металлических образцов (сплавов и т. п.). [c.367]

В заключение этого параграфа остановимся на акспе-риментальных работах по исследованию упругих нелинейных свойств кристаллов сульфида кадмия. Эти кристаллы имеют гексагональную структуру, обладают фотополупро-водниковыми и помимо этого пьезоэлектрическими свойствами. С тех пор как было установлено, что этот набор свойств позволяет получить прямое усиление ультразвуковых и даже гиперзвуко-вых волн дрейфом носите-дей тока, сульфид кадмия привлек внимание многочисленных исследователей. В связи с возможностью усиления, вопрос о нелинейности сульфида кадмия представляет интерес еще ч потому, что нелинейные зффекты ограничивают усиление. В материале с таким сложным комплексом свойств возможны различного рода нелинейные эффекты. Мы остановимся на тех эффектах, которые непосредственно наблюдаются на акустической стороне . [c.346]

Наконец, в приведенном выше рассмотрении не учитывалось влияние пьезоэлектрических свойств кристаллов, которое выражается в том, что волна упругой деформации в них может сопровождаться волной электрическою поля, а последнее, в свою очередь, вызывает дополнительные механические напрял<ения, что может повлиять на эффективную жесткость для соответствующей пьезоактивной волны, т. е. на скорость ее распространения. Пьезоэлектрическим эффектом обладают кристаллы, не имеющие центра симметрии, т. е. подавляющее большинство кристаллов [105, 10G]. Поскольку же пьезоэффект влияет иа результаты измерений люду-лей упр гости кристаллов ультразвуковыми методами, то на этом вопросе стой г коротко остановиться в отдельном заключительном параграфе, который можно рассматривать как приложение к последней главе дайной книги. [c.267]

В диэлектрических кристаллах весь.ма общие механизмы индуцированной поляризации, перечисленные ранее в связи с рнс. 3.1, могут быть конкретизированы (рнс. 3.10). При этом упругое смещение структурных единиц кристалла обусловливает оптическую, инфракрасную и электромеханическую поляризации. Их объединяет упругая возвращающая сила, которая возникает как отклик на поляризующее внешнее воздействие и приводит (в соответствии с моделью дисперсионного осциллятора, см. 3.3) к резонансной дисперсии диэлектрического вклада (рис. 3.11). Наиболее высокочастотной при этом является дисперсия оптического вклада Дбопт, а самой низкочастотной — дисперсия электромеханического (пьезоэлектрического) вклада Аелм, частота и затухание которого зависят не только от электрических и упругих свойств кристалла, но и от его геометрических размеров, формы и контактов с окружающей средой. [c.82]

Рассмотренные в начале параграфа 3.11 соотношения относятся к такому случаю, при котором вид деформации пьезокристалла и вид механического напряжения заранее выбраны и считается, что они скалярно связаны между собой модулем упругости. Точно так же заранее выбран вид пьезоэффекта и вид электрической поляризации этого пьезокристалла. Между тем известно, что даже в изотропном упругом теле приложение усилий в одном на-правлении вызывает дефордтации не только в этом же направлении, но и в перпендикулярных ему. В анизотропном теле — в кристалле — упругие свойства еще более сложны связь между напряжениями и возникающими деформациями зависит еще от ориентации приложенных напряжений или деформаций относительна кристаллической решетки кристалла. Так как структура кристал-лической решетки внешне проявляется в виде определенного вида симметрии кристалла — наличия осей симметрии, — то формально можно считать, что величина и направление деформации кристалла зависят от направления приложения усилий по отношению к осям симметрии кристалла. Пьезоэлектрические и диэлектрические свойства кристаллов также оказываются зависящими от ориента> ции по отношению к осям симметрии. [c.87]

Пьезоэлектрические датчики (кристаллы кварца, сегнетовой соли и др.) при деформации создают на своей поверхности электрические заряды, пропорциональные действующей внешней силе. Наиболее пригодными для изготовления датчиков являются кристаллы кварца, так как они имеют высокий модуль упругости и предел прочности при сжатии до 60 кгс1мм (590 Мн1м ). На фиг. 100 изображена схема пьезоэлектрического динамометра, состоящего из двух кварцевых цилиндриков /, разделенных электродом 2 и сжимаемых силой IР через шарик между пластинками 5. Средняя тщательно изолированная пластинка является одним из электродов, другим электродом служит заземленный корпус 4 датчика, на свойстве угольных дисков. [c.170]

Как уже отмечалось выше, с возникновением спонтанной поляризации в сегнетоэлектриках связаны аномалии ряда их свойств в области Аазового перехода упругих, диэлектрических, оптических и пр. Этого нельзя сказать, однако, с такой же определенностью о пьезоэлектрических свойствах. Все здесь зависит от того, каким пьезокоэффициентом характеризуются его пьезосвойства в области фазового перехода й ж е или д ж к. Пьезокоэффициенты йж ев области перехода меняются очень сильно, в то время как коэффициенты д ж Ъ сохраняются относительно постоянными . Причину такого различия в поведении этих пар коэффициентов легко понять из условий их определения (см. рис. 56) при определении коэффициентов д ж к электрическая сторона обусловливается механической (и наоборот) без влияния побочных явлений. В то же самое время при определении коэффициентов с и е постоянство Е требует при изменении диэлектрической проницаемости кристалла (что наиболее характерно нри сегнетоэлектрическом фазовом переходе) изменения заряда на его обкладках, не связанного с пьезоэффектом как таковым. [c.138]

Интерес, который проявляют исследователи, занимающиеся акустикой, к пьезоэлектрическим материалам, пе ограничивается их использованием в нреобразонателях для излучения акустической энергии в другие среды. Возбуждение упругого резонанса в гомогенном теле путем приложения электрических полей создает уникальные во шо кности для изучения упругих свойств кристаллов и особенно затухания малых упругих колебаний. Упругие свойства поликристаллических сегнетоэлектриков являются сами по себе ва кной областью исследований, поскольку они непосредственно связаны с динамикой согнетоэлектрпческой доменной структуры. [c.204]

Число ненулевых независимых констант упругости и составляющих диэлектрической проницаемости у кристаллов LiNbOз и Ь1ТаОз то же, что у кварца и берлинита. Что касается пьезоэлектрических свойств, то ввиду [c.464]

Упругопьезодиэлектрическая матрица кристаллов класса (4шт) приведена на рис. 10.12. Упругие свойства описываются шестью независимыми константами упругости, тремя пьезоэлектрическими константами и двумя составляющими диэлектрической проницаемости. Температурные коэффи-Щ1енты постоянных упругости имеют как положительные, так и отрицательные знаки, и можно найти такую ориентацию бруска, при которой температурный коэффициент резонансной частоты при —25 °С имел бы нулевое значение. Некоторые из таких ориентаций описаны, например, в работе [313]. Пьезоэлектрические свойства выражены у кристалла Ь12В407 сильнее, чем у кристалла кварца. Так, например, коэффициент электромеха- [c.468]

Наряду с перечисленными природными кристаллами в технике ультразвука применяется также серия синтетических кристаллов. Это прежде всего кристаллы, которые в силу далеко идущей аналогии между их электрическими свойствами и магнитными свойствами ферромагнитных материалов объединяются под общим названием ферроэлектриков (сегнетоэлектри-ков). Отличительной особенностью всех таких кристаллов является исключительно сильная зависимость их диэлектрических постоянных от температуры и существование некоторой характерной температуры, так называемой точки Кюри, при которой диэлектрическая постоянная принимает чрезвычайно большие значения. При температурах, превышающих точку Кюри, кристалл обладает обычными физическими свойствами, однако в самой точке Кюри он ведет себя неустойчиво так, например, здесь нарушается линейная зависимость между напряженностью электрического поля и поляризацией. Одновременно возникает диэлектрический гистерезис и как следствие—большие диэлектрические потери. Наряду с аномалией диэлектрической постоянной в точке Кюри резко возрастают также и пьезоэлектрические и упругие константы сегнетоэлектрических кристаллов. [c.70]

Напомним, что пьезоэффект возможен только для сред, не обладающих центром -еимметрии, и, следовательно, пьезоэлектрические материалы являются существенно анизотропными. Комплекс постоянных, входящих в уравнения состояния (5.8) для среды с самой низкой симметрией (триклинная система, класс 1), состоит из 21 модуля упругости, 18 пьезоэлектрических и шести диэлектрических постоянных. Учет симметрии кристалла приводит к уменьщению количества постоянных в соотношениях (5.8). Подробный анализ зависимости свойств пьезоэлектрического кристалла от его симметрии представлен в [229]. [c.237]

В качестве излучателей и приемников ультразвуковых колеба-1ИЙ используются пластинки из пьезоэлектрических кристаллов. Лх упругие свойства таковы, что позволяют делать пластинки, )бладающие очень высокими собственными частотами колебаний — шлоть до десятков мегагерц. При совпадении частот внешнего 8 115 [c.115]

В настоящей монографии кратко и систематизированно описаны основные физические свойства и характеристики многочисленных типов звуковых (упругих) поверхностных волн, дана их классификация. Весьма подробно изложены вопросы возбуждения (приема) и распространения в твердых телах различной формы поверхностных рэлеевских волн, являющихся основным и наиболее широко используемым на практике типом звуковых поверхностных волн. Теоретически и экспериментально рассмотрены звуковые поверхности ные волны в пьезоэлектрических кристаллах, включая их возбуждение (прием), взаимодействие с электронами (усиление волн постоянным электрическим током) и распространение по цилиндрическим поверхностям. Отмечены многочисленные практические применения звуковых поверхностных волн. [c.2]

Помимо рэлеевских волн, рассмотренных в 4, известны и другие типы поверхностных волн в твердых телах [12, 31]. Коснемся наиболее важных из них ). Прежде всего следует назвать поверхностные волны в кристаллах [32, 33]. В настоящее время строго доказано существование поверхностных волн в большинстве направлений любых срезов кристаллов [34, 35]. Анизотропия упругих свойств последних в общем случае приводит к тому, что плоская поверхностная волна имеет три компоненты смещения, а ее волновой вектор не совпадает по направлению с вектором групповой скорости ). Лишь для симметричных направлений кристалла векторы групповых и фазовых скоростей коллинеарны, а траектории частиц лежат в сагиттальной плоскости. Такие поверхностные волны, весьма схожие с рэлеевскими волнами в изотропном твердом теле, обычно называют волнами рэлеевского типа 32]. Типичным примером является волна, распространяющаяся в направлении 2 К-среза пьезоэлектрического кристалла ниобата лития. Заметим, что в пьезоэлектрических кристаллах поверхностная волна обычно сопровождается квазистатическим электрическим полем, что находит применение в различных акустоэлектронных устройствах обработки сигналов. Влияние пьезоэффекта приводит в ряде кристаллов к существованию чисто сдвиговых поверхностных волн [36, 37], называемых волнами Гуляева — Блюштейна. Эти волны, в отличие от рэлеевских, слабо неоднородны. Распространяясь со скоростью с с , они спадают с глубиной на расстоянии 1 Кэм Т , где /Сэм — коэффициент электромеханической связи, характери- [c.203]

Необходимым условием существования пьезоэлектричества является отсутствие центра симметрии. Таким образом, пьезоэлектрические материалы существенно анизотропны. Пьезоэлектричество, по определению, предполагает наличие связи ме кду упругими и диэлектрическими свойствами, и поэтому описание пьезоэффекта невозможно без привлс чения диэлектрических и упругих постоянных. Комплекс этих постоянных в наиболее общем случае среды, лишенной симметрии, оказывается очень большим он никогда пе был определен для несимметричных кристаллов. Коэффициенты могут быть представлены матрицей 9 X 9, каждый столбец которой связан с одной из независимых переменных напрягкения (компоненты упругого напряжения или электрического поля), а каждая строка — с одной из зависимых переменных деформации (компоненты деформации или электрической индукции). Эта матрица симметрична и в общем случае содержит (и- + п)/2 = 45 коэффициентов, представляющих собой 21 упругую податливость х ( , у — 1, 2,. . ., 6), 6 диэлектрических проницаемостей е(т ( , тп = 1, 2, 3) и 18 пьезоэлектрических модулей (г = 1, 2, 3, к = I, 2,. . ., 6). Индекс Е обозначает, что упругие податливости определены при постоянном электрическом поле, а индекс Т указывает на постоянство упругих напряжений. Упругоэлектрические свойства можно описать [c.206]

Общее рассмотрение симметрии системы показывает, что линейные члены в уравнениях, связывающих электрическое поле и индукцию с упругой деформацией и напряжением, имеются лищь для среды, л1[шенной центра симметрии. Такая среда может быть образована монокристаллами, не имеющими центра симметрии, областями определенным образом ориентированных кристаллов пли она может быть более или менее регулярно поляризована в результате внешних воздействий. Пьезо.члектрпческие свойства сред, которые ие являются монокристаллами, изучались многими исследователями, однако наблюдаемые в них эффекты были слабо выражены и плохо воспроизводились [1 ]. Положение существенно измен[1лось после открытия пьезоэлектрического эффекта у поликристаллического титаната бария, подвергнутого предварительной поляризации в сильном электрическом поле [34, 35]. [c.238]

АЭВ приводит к ряду нелинейных акустич. эффектов, к-рые особенно заметны в пьезополупроводниках к генерации акустич. гармоник и встречному вз-ствию УЗ волн, к-рое позволяет осуществлять свёртку, корреляцию и обращение во времени УЗ импульсов, что находит применение в устройствах акустоэлектроники. АЭВ объясняет эффект акустоэлектрического (фононного) эха и акустич. памяти . Неоднородное электрич. поле с частотой =0, возникающее прп встречном вз-ствии УЗ волн, приводит к перераспределению зарядов на примесных центрах, что позволяет записать и запомнить УЗ сигнал. Электрич. или УЗ импульс, приложенный к кристаллу, через нек-рое время считывает записанную информацию. Подобные эффекты для ПАВ наблюдаются в слоистых структурах пьезоэлектрик — ПП и находят применение в акустоэлектронике. фПустовойт в. и.. Взаимодействие электронных потоков с упругими волнами решетки, УФН , 1969, т. 97, в. 2, с. 257 Тру ЭЛ л р., ЭльбаумЧ., Ч и к Б., Ультразвуковые методы в физике твердого тела, пер. с англ., М., 1972 Г у р е вичВ.Л., Теория акустических свойств пьезоэлектрических полупроводников, ФТП , 1968, т. 2, Ха 11, с. 1557 Гуляев Ю. В.,К нелинейной теории усиления ультразвука в полупроводниках, ФТТ , 1970, т. 12, Гв. 2, с. 415. В. Е. Лямов. [c.18]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...