Словарь (стр. 66 )

•, Магнетизм, М., 1971; Боровик-, Антиферромагнетизм, в кн.: Антиферромаг­нетизм и ферриты, М., 1962 (Итоги науки. Физ.-мат. науки, т. 4).

-Романов.

ПЬЕЗОМЕТР (от греч. piezo — давлю и metreo — измеряю), прибор для определения изменения объёма в-ва под гидростатич. давлением (при практически пост. темп-ре). Конст­рукция П. определяется диапазоном применяемых давлений р и темп-р Т, агрегатным состоянием в-ва, его сжи­маемостью. В разл. типах П. с из­менением р может меняться либо объём V в-ва, либо масса его т (при пост. V). Пьезометрич. измерения используют для получения данных о сжимаемости в-в, для исследования диаграмм состояния, фазовых перехо­дов и др. физико-хим. процессов.

Для определения сжимаемости жид­костей и тв. тел при р ~108—1010 Н/м2 применяются П. плунжерного или поршневого типа (см. рис. 1, a в ст. Давление высокое). В процессе сжатия определяются V (по смещению порш­ней) и р. Передающей давление сре­дой часто служит само исследуемое в-во. При р ~109—1010 Н/м2 сжимае­мость определяют также др. мето­дами, напр. рентгенографическими (см. Рентгенография материалов). Изме-

597

нение линейных размеров тел под гидростатич. давлением измеряют ли­нейными П. (дилатометрами).

П. наз. также толстостенные сосуды в установках высокого давления с цилиндрич. каналом, не предназна­ченные для измерения сжимаемости. В зарубежной лит-ре П., кроме того, наз. приборы для измерения давления в проточных системах, давления воды в морских глубинах, газов в канале ствола орудия.

• См. лит. при ст. Давление высокое.

.

ПЬЕЗООПТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ, см. Фотоупругость.

ПЬЕЗОПОЛУПРОВОДНИКИ, вещест­ва, обладающие одновременно ПП и пьезоэлектрич. св-вами. К П. отно­сятся Те, Se, полупроводники типа A IIBIV (CdS, CdSe, ZnO, ZnS), AIIIBV (GaAs, InSb) и др. Наибольшими значениями пьезоэлектрич. константы d (см. Пьезоэлектрики) обладают гек­сагональные кристаллы типа AIIBIV (см. табл.).

П. применяются в пьезоэлектрич. преобразователях. Благодаря сильному электрон-фононному взаимодействию П. удобны для изучения акустоэлектронных взаимодействий (акустоэлектрического эффекта и др.).

.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКИ, кристалличе­ские вещества, в к-рых при сжатии или растяжении в определённых на­правлениях возникает электрич. по­ляризация даже в отсутствии элект­рич. поля (п р я м о й п ь е з о э ф ф е к т). Следствием прямого пьезоэффекта явл. о б р а т н ы й п ь е з о э ф ф е к т — появление механич. деформации под действием электрич. поля. Связь между механич. и элект­рич. переменными (деформацией и электрич. полем) носит в обоих слу­чаях линейный характер. Обратный пьезоэффект следует отличать от электрострикции. Первое подробное исследование пьезоэффектов было про­ведено в 1880 франц. физиками братья­ми Ж. и П. Кюри на кристалле кварца. В дальнейшем пьезоэлектрич. св-ва были обнаружены более чем у 1500 в-в (см. Пьезоэлектрические ма­териалы).

Чтобы обнаружить пьезоэффект, на грани крист. пластинки накладывают металлич. обкладки. Если обкладки разомкнуты, то при деформациях пла­стинки между ними возникает разность потенциалов. В случае замк­нутых обкладок на них при деформа­ции появляются заряды, равные по величине (но противоположные по знаку) поляризац. зарядам, возни­кающим на поверхностях пластинки, и в цепи, соединяющей обкладки, течёт ток. При подключении к об­кладкам внешней эдс кристалл де­формируется.

Механизм пьезоэффекта можно по­яснить на примере кристалла кварца (рис. 1), элем. ячейка к-рого, содер­жащая три моле­кулы SiO2, схема­тически изображе­на на рис. 2. При сжатии вдоль оси Х1 положит. ион 1(Si+) и отрицат. ион 2(O-) переме­щаются в глубь ячейки, в резуль­тате чего на плос­костях А и В появ­ляются заряды. При растяжении на плоскостях А и В возникают заряды противо­положного знака. Пьезоэффекты на­блюдаются только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Спра­ведливо общее утверждение: в кри­сталлах, обладающих центром сим­метрии, пьезоэффект невозможен. На­личие др. элементов симметрии (оси,

Рис. 1. Кристалл кварца SiO2.

Рис. 2. Схема структуры кварца: проекции ионов Si+ и О- на плоскость, перпендику­лярную оси третьего порядка. Заштрихован­ные кружки Соответствуют ионам Si+, свет­лые — паре ионов О-; а, — недеформирован­ное состояние; б — сжатие вдоль оси X1; в — растяжение вдоль оси X1.

плоскости симметрии; см. Симметрия кристаллов) может запрещать появ­ление поляризации в некоторых на­правлениях или при деформациях, т. е. также ограничивает число кри­сталлов — П. В результате П. мо­гут принадлежать лишь к 20 то­чечным группам симметрии (из 32): 1, 2, 3, 4, 6, т, mm2, 3m, 4mm, 6mm, 222,4, 422, 42m, 6, 622, 6m 2, 32, 23m, 3. Кристаллы первых 10 классов — пироэлектрики, т. е. обладают поляризацией в отсут­ствие внешних воздействий. В этих кристаллах пьезоэффект проявляется, в частности, в изменении величины спонтанной поляризации при механич. деформации. Пьезоэлектрич. св-ва мо­жно создавать в некоторых некри­сталлических диэлектриках за счёт образования в них т. н. пьезоэлектрической текстуры, напр. поляриза­цией в электрическом поле (пьезокерамика), механич. обработкой (дре­весина) и др.

Количеств. хар-кой пьезоэффекта явл. совокупность пьезоконстант — коэфф. пропорциональности в соот­ношениях между электрич. величина­ми (напряжённость электрич. поля Е, поляризация P) и механич. вели­чинами (механич. напряжения σ, от­носит. деформации u). Напр., поляри­зация, возникающая в П. под дей­ствием механич. напряжения σ, вы­ражается соотношением P=dσ. Пол­ная поляризация (с учётом электрич. поля) складывается из поляризации, вызванной механич. напряжением, и поляризации, вызванной электрич. по­лем. Она равна: P=dσ+χE(χ диэлектрич. восприимчивость). Коэфф. d — одна из пьезоконстант. Т. к. механич. напряжения могут быть пред­ставлены как совокупность шести не­зависимых величин (сжатия и растя­жения вдоль трёх осей, а также сдвиги в плоскостях, перпендикулярных этим осям), а вектор поляризации имеет три независимые компоненты, то в общем случае может быть 18 разных пьезоконстант. Пьезоконстантами наз. также коэфф. в соотношениях: P=ru+χЕ, u=sσ+gP (коэфф. s — упругая податливость) и т. п. Все пьезоконстанты (d, r, g) связаны друг с другом, так что при описании пьезо­электрич. св-в кристалла можно огра­ничиться только константами одно­го типа, напр. d.

Величины пьезоконстант сильно раз­личаются для кристаллов разных ти­пов. Для ионных кристаллов порядок величины пьезоконстант можно оце­нить след. образом. Допустим, что разноимённые ионы сдвинулись под действием механич. напряжения σ на расстояние l. Возникший при этом дипольный момент на единицу объёма P~е1/а3, где е — заряд иона (можно считать равным заряду эл-на), а — постоянная решётки. Относит. дефор­мация u~l/а. Из выражений P=dσ и σ=cu (Гука закон) следует, что d~P/σ=P/lcu~e/a2c. Принимая е~ ~10-10 ед. СГСЭ, a~10-8—10-7 см, а с~1012 СГСЭ, получим d=10-6— 10-8 ед. СГСЭ. Для кварца, напр., величины пьезоконстант составляют неск. ед. на 10-8 ед. СГСЭ. Сущест­венно больших величин могут дости­гать пьезоконстанты у сегнетоэлектриков, т. к. их поляризация может быть связана с перестройкой доменной структуры при механич. деформации.

П. применяются в технике и лабо­раторной практике, медицине и др.

• Пьезоэлектричество и его практические применения, пер. с англ., М., 1949; , Электриче­ство, 4 изд., М., 1977; С и в у х и н Д. В., Общий курс физики, т. 3, М., 1977. См. так­же лит. при ст. Диэлектрики.

.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, вещества с хорошо выражен­ными пьезоэлектрич. св-вами (см. Пьезоэлектрики),

598

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НЕКОТОРЫХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

применяемые для изготовления пьезоэлектрич. преоб­разователей. Осн. хар-ки в системе ед. СИ(см. табл.): 1) коэфф. злектромеханич. связи K=d√(c/εε0)(d — пьезомодуль, с — модуль упругости, ε — диэлектрич. проницаемость, ε0 — электрическая постоянная); 2) вели­чина K2/tgδ, определяющая кпд пре­образователя (б — угол диэлектрич. потерь); 3) отношение механич. мощ­ности пъезоэлемента на резонансной частоте к квадрату напряжённости электрич. поля в нём, определяется величиной (dc)2; 4) величины dc√(εcзв), и d√(сзв/√ε), характеризующие отно­сит. чувствительность приёмника зву­ка в области резонанса и на низких частотах (cзв — скорость звука в П. м.).

П. м. явл. монокристаллы, природ­ные или искусственно выращиваемые (кварц, дигидрофосфаты калия и ам­мония, сегнетова соль и др.) и поликрист. тв. растворы, подвергнутые предварит. поляризации в электрич. поле (пьезокерамика). Наиболее рас­пространённый пром. П. м.— пьезокерамика.

.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРА­ЗОВАТЕЛЬ, электромеханич. или электроакустический преобразователь, действие к-рого основано на пьезо­электрич. эффекте (см. Пьезоэлектри­чество). Осн. часть П. п. состоит из отдельных или объединённых в груп­пы пьезоэлементов (стержней, пла­стинок, дисков, цилиндров и т. д.

из пьезоэлектрического материала) с нанесёнными на определённые по­верхности электродами. С электродов снимается электрич. заряд, образую­щийся при прямом пьезоэффекте, или к ним подводится электрич. напряже­ние для создания деформации в ре­зультате обратного пьезоэффекта. В за­висимости от назначения и диапазона рабочих частот для изготовления П. п. применяют разл. пьезоэлектрич. ма­териалы, наиболее часто — пьезокерамику.

П. п. используются в УЗ тех­нологии и дефектоскопии, гидроаку­стике, радиовещании, виброметрии, радиоэлектронике, а также в акустоэлектронике в качестве мощных ис­точников УЗ, излучателей и приём­ников звука, акустич. антенн, мик­рофонов и гидрофонов, резонаторов, фильтров и т. д. Соответственно диа­пазон рабочих частот П. п. весьма •широк от единиц Гц в сейсмич. исследованиях до ГГц в акустоэлектронике. П. п.— излучатели, вибра­торы, резонаторы обычно работают в узком диапазоне частот вблизи резо­нанса их механич. системы, а П. п.— приёмники — в широком диапазоне частот вне резонанса. В области ча­стот больше 100 кГц преим. исполь­зуют П. п. в виде оболочек и пла­стин, колеблющихся по толщине; на частотах, больших 10 МГц и в диа­пазоне ГГц, — в виде очень тонких пластин или плёнок из пьезополупроводниковых материалов. При ре­зонансных рабочих частотах 40—100 кГц применяются стержни на продольных колебаниях, при ещё бо­лее низких частотах — составные П. п. в виде стержней с пассивными на­кладками. В УЗ технологич. ус­тановках П. п. применяют в соче­тании со стержневыми концентрато­рами или излучающими диафрагмами. В качестве излучателей и приёмников звука в водной среде широко исполь­зуется П. п. в виде пьезокерамич. колец. Ниже 5—10 кГц часто приме­няют П. п. в виде биморфных пла­стин, совершающих поперечные коле­бания изгиба или кручения. П. п. в виде полых пьезокерамич. сфер, по­ляризованных по толщине, использу­ются как широкополосные ненаправ­ленные гидрофоны. В наиболее рас­пространённых условиях работы П. п. как излучателей их кпд ~40—70%. Макс. мощность П. п. ограничивает­ся допустимой напряжённостью элект­рич. поля и механич. прочностью, а также его разогревом.

• Г у т и н Л. Я., Пьезоэлектрические из­лучатели и приемники, «ЖТФ», 1946, т. 16, в. 1; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, т. 1, ч. А, М., 1966; Ультразвуковые преобразователи, пер. с англ., под ред. Е. Кикучи, М., 1972.

, .

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО (пьезоэлек­трический эффект), изменение поля­ризации нек-рых диэлектрич. кри­сталлов (пьезоэлектриков) при меха­нич. деформации.

599