STRUKTURA PEROWSKWITU. PRZYKŁADY MATERIAŁÓW O STRUKTURZE PEROWSKWITU. TYTANIAN BARU I PRZEMIANY FAZOWE W NIM ZACHODZACE.
W strukturze perowskwitu krystalizuje wiele ferroelektrykow i antyferroelektrykow, a w szczególności jeden z najważniejszych ferroelektrykow czyli tytanian baru.
Nazwa struktury pochodzi od mineralu zwanego perowskwitem, majacego wzór chemiczny CaTiO3 . Strukturę te można traktować jako trójwymiarowy szkielet utworzony z oktaedrow tlenowych BO6, wewnątrz których znajdują się kationy B. Oktaedry te są połączone ze sobą wierzchołkami. W przestrzeni pomiędzy oktaedrami znajdują się większe kationy typu A. Każdy kation A jest otoczony 12 jonami tlenu. Naroża sześcianu są zajęte przez jony typu A , w środku znajdują się jon typu b, a jony tlenu znajdują się w środkach ścian sześcianu.
Położenia jonów typu B w strukturze perowskwitu mogą zajmować niewielkie jony tytanu, hafnu, niobu, tantalu itp. Położenie jonów A – jony baru, ołowiu, potasu, strontu, sodu i inne. Z geometrii struktury perowskwitu wynika:
rA+rO=(rB+rO)√2
gdzie rA - oznacza promień jonu A
rO - promień jonu tlenu
rB – promień jonu B
Struktura perowskwitu powstaje gdy wartość czynnika strukturalnego jest bliska jedności i mieści się w określonym przedziale wartości. czynnik strukturalny t ma wartość
t=rA+rO/(rB+rO)√2
Poniżej temperatury Curie(która dla BaTio3 wynosi 120oC), w tytaniarze baru pojawia się tetragonalna faza ferroelektryczna. Przy dalszym obnizaniu temperatury, w 5oC, zachodzi przejście fazowe z tetragonalnej do rombowej fazy ferrolektrycznaej, a w temperaturze –90oC przejście z fazy rombowej do ferroelektrycznej fazy romboedrycznej. W fazie tetragonalnej możliwych jest sześć kierunkow polaryzacji spontanicznej. Ferrolektryki o strukturze perowskwitu są wiec ferroelektrykami wieloosiowymi. W kierunku polaryzacji spontanicznej obserwuje się wydłużenie rozmiarów “wyjściowej” komórki elementarnej, natomiast w kierunku prostopadłym – jej ściśniecie. Przejściu fazowemu z fazy regularnej do tetragonalnej odpowiada zwiększenie objętości komórki elementarnej. W fazie rombowej możliwych jest 12 kierunków polaryzacji spontanicznej. W fazie paraelektrycznej BaTiO3 nie ma “gotowych” momentów dipolowych. W temperaturze Curie występują w tytaniarze baru przemieszczenia jonów z położeń pierwotnych, w wyniku czego powstają momenty dipolowe zorientowane równolegle względem siebie. W ten sposób polaryzacja spontaniczna BaTiO3 – w znacznej części – powstaje dzięki polaryzacji przemieszczenia jonowego. Pojawia się przy tym również polaryzacja elektronowa, która daje również wkład do polaryzacji spontanicznej.
Przemieszczenia jonów, charakteryzujące polaryzacje jonowa, określa się względem pewnego, dowolnie wybranego początku układu współrzędnych. Z tego względu wartość absolutna ma tylko całkowita polaryzacja jonowa, a polaryzacja jonowa dowolnej podsieci jonów tytanu, równa iloczynowi ładunku jonu i początku układu współrzędnych.
Bardzo podobne do wlasnosci strukturalnych BaTiO3 sa wlasnosci niobanu potasu KnbO3. Podobnie jak w tytanianie baru, wystepuja fazy: tetragonalna, rombowa i romboedruczna. Temperatura odpowiednich przejsc fazowych wynosi: 435oC(temperatura Curie), 225oC(przejscie z fazy tetragonalnej do rombowej) i 10oC (przejscie z fazy rombowej do romboedrycznej). Wlasnosci strukturalne tytanianu olowiu PbTiO3 roznia się od własności BaTiO3 oraz KnbO3. WpbTiO3 nie wystepuja niskotemperaturowe przejscia fazowe do fazy rombowej i romboedrycznej. Poniżej temperatury Curie, która wynosi 490oC, PbTiO3 ma strukture tetragonalna. Podsumowując badania strukturalne ferroelektrykow typu perowskwitu można stwierdzić, ze przejście do fazy ferroelektrycznej jest związane z przesunięciem jonów z ich położeń pierwotnych, czyli ze polaryzacja przesunięcia jonowego wnosi decydujący wkład do polaryzacji spontanicznej.
PYTANIE 20
EFEKT PIEZOELEKTRYCZNY. MODUL PIEZOELEKTRYCZNY. WSPOLCZYNNIK SPRZEZENIA ELEKTROMECHANICZNEGO. PIEZOELEKTRYKI CERAMICZNE. DIAGRAM FAZOWY PZT. UKLAD ZASTEPZCY DRGAJACEJ PLYTKI PIEZOELEKTRYCZNEJ. METODA REZONANSU-ANTYREZONANSU. POLARYZACJA PIEZOCERAMIKI. ZASTOSOWANIA PIEZOELEKTRYKOW.
Zjawisko piezoelektryczne proste i odwrotne.
Klasyczne zjawisko piezoelektryczne polega na polaryzowaniu się kryształu w określonym kierunku, wywołanym odkształceniem mechanicznym lub odwrotnie, odkształceniem się pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Zjawisko to tłumaczymy przemieszczaniem się jonów w sieci krystalicznej, które powoduje powstawanie wewnętrznego pola elektrycznego w krysztale. Im wyższy jest stopień symetrii kryształu tym mniej jest kierunków polaryzacji. W kryształach ze środkiem symetrii to zjawisko nie występuje. W pewnym zakresie odkształceń mechanicznych zachodzi liniowość między natężeniem pola elektrycznego, a odkształceniem.
Najwcześniej znanym elementem piezoelektrycznym jest płytka kwarcu. Głównym zastosowaniem tego typu elementów są oscylatory, rezonatory i przetworniki ultradźwiękowe.
W przypadku ceramiki piezoelektrycznej mechanizm powstawania odkształceń i polaryzacji elektrycznej związany jest z polaryzacją ferroelektryczną.
Ceramika piezoelektryczna jest materiałem drobnokrystalicznym złożonym z kryształów ferroelektrycznych, które mają strukturę domenową o określonych kierunkach polaryzacji elektrycznej. Polaryzacja elektryczna domen ulega zmianie pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Wywołuje to ruch domen i w konsekwencji efekt elektrostrykcyjny polegający na kurczeniu się lub wydłużeniu kryształów w określonym kierunku.
Polaryzacja Pi wytworzona w krysztale pod wpływem naprężeń mechanicznych sjk stanowi liniową funkcję tych naprężeń :
(1)
sjk - jest tensorem drugiego rzędu
dEijk - oznacza moduł piezoelektryczny kryształu (mierzony przy ustalonej wartości natężenia pola elektrycznego E), określający w sposób ilościowy jego właściwości piezoelektryczne.
Moduły piezoelektryczne dijk tworzą tensor trzeciego rzędu. Można go zapisać także w postaci macierzowej ze wskaźnikiem m,n.
Równanie (1) opisuje prosty efekt piezoelektryczny. Ten sam kryształ umieszczony w zewnętrznym polu elektrycznym o natężeniu Ei ulega odkształceniu hjk. Odkształcenie to jest liniową funkcją składowych natężenia pola elektrycznego.
Odwrotny efekt piezoelektryczny określa równanie:
dsijk - moduł piezoelektryczny kryształu mierzony przy ustalonej wartości naprężenia mechanicznego sjk.
Zatem proste zjawisko piezoelektryczne polega na indukowaniu się ładunków elektrycznych na powierzchni kryształu i jego polaryzacji pod wpływem zewnętrznych naprężeń mechanicznych, natomiast odwrotne zjawisko piezoelektryczne polega na deformowaniu się kryształów w zewnętrznym polu elektrycznym Ei.
Gdy kierunek zmian składowej polaryzacji Pi w prostym zjawisku piezoelektrycznym, jest prostopadły do działania zewnętrznych naprężeń mechanicznych, wówczas obserwowane zjawisko nazywamy poprzecznym zjawiskiem piezoelektrycznym. Natomiast jeżeli kierunek zmian składowej polaryzacji Pi jest równoległy do kierunku działania naprężeń to zjawisko takie określamy mianem podłużnego zjawiska piezoelektrycznego.
sjk
Pi
B
Współczynnik elektromechaniczny kp charakteryzuje część energii elektrycznej przyłożonego pola elektrycznego przetworzonej w energię mechaniczną lub części energii mechanicznej przetworzonej energię elektryczną o sytuacji odwrotnej.
W celu wzbudzenia drgań rezonansowych przykłada się napięcie zmienne wymuszające drgania elementu.
Powstaje fala stojąca o długości:
n - rząd fali
a - wymiar wzdłuż którego rozklada się fala V - prędkość fali w materiale
Płytka piezoelektryczna w pobliżu rezonansu zachowuje się jak obwód elektryczny szeregowo - równoległy.
R L C1
C0
C0 - pojemność próbki wynikająca z jej geometrii
Układ ten ma dwa rezonanse, jeden odpowiada maksymalnej impedancji (mechaniczny), a drugi minimalnej (elektryczny gałęzi mechanicznej z pojemnością). Metoda rezonansu i antyrezonansu znalazła zastosowanie w badaniach piezoefektu.
Urządzenia piezoelektryczne.
Stanowią one najliczniejszą grupę spośród wszelkich możliwych zastosowań.
W urządzeniach tych wykorzystano wszelkie warianty zjawiska piezoelektrycznego.
Stąd piezoelementy można podzielić na :
1. Przetworniki energi mechanicznej w elektryczną (wykorzystujące prosty piezoefekt), do tej grupy należą min. akceleratory, detonatory, przyciski do fotolamp, zapalniczki piezoelektryczne, mikrofony, głowice w adapterach itp.
2. Przetworniki energi elektrycznej w mechaniczną (wykorzystujące odwrotny piezoefekt), do tej grupy należą min. ultradżwiękowe linie opóżniające, bramki elektromechaniczne, słuchawki i aparaty słuchowe, głośniki wysokiej częstotliwości, hydroakustyczne lokatory, sterylizatory, bimorfy, wibratory itp.
3. Przetworniki energii elektrycznej w mechaniczną i odwrotnie - są to min. ultradżwiękowe urządżenia kontroli przepływu cieczy i gazów, urządzenia z zastosowaniem fal powierzchniowych, rezonatory, filtry, transformatory i inne
W konstrukcji piezoelementu istotne znaczenie ma dobór odpowiedniego materiału ferroelektrycznego , tzn. takiego, który posiada optymalne parametry :
· wartości modułu piezoelektrycznego (dij)
· przenikalność elektryczną (e)
· wartości współczynnika sprzężenia elektromechanicznego (kp)
· straty dielektryczne (tg d)
· prędkość starzenia
· dobroć( Q )
· wartość prędkości propagacji odpowiedniej mocy fali sprężystej
Wybierając piezomateriały, należy zwrócić uwagę również na takie perametry,jak :
· histereza dielektryczna
· silna zależność temperaturowa piezomodułu dij w pobliżu temp. Curie; w celu wygładzenia tej zależności konieczny jest odpowiedni dobór składu ceramiki PZT
· podatność sprężysta tzn. stosunek deformacji do naprężenia machanicznego .
Piezoelement w zależności od przeznaczenia, może pracować w warunkach rezonansowych (np. filtr, transformator) lub nierezonansowych ( linia opóżniająca, hydroakustyczny lokator) .
Rezonator piezoelektryczny ceramiczny radialny
Jest on typowym piezoceramicznym elementem selektywnym stosowanym w technice odbioru radio-telewizyjnego oraz w elektroakustyce.
Składa się z cienkiego dysku z ferroelektrycznej ceramiki (np.PZT) z naniesionymi na przeciwległe powierzchnie elektrodami. Materiał dysku spolaryzowano prostopadle do powierzchni elektrod. Zasada działania rezonatora polega na tym, że na elektrody podaje się zmienne napięcie U , które wywołuje w dysku radialne drgania mechaniczne o charakterze rezonansowym.
Schemat zastępczy rezonatora radialnego.
Co
Elektryczny schemat zastępczy rezonatora jest poprawny jedynie w pobliżu częstotliwości rezonansowej. Zgodnie z tym schematem częstotliwość rezonansowa ( fr ) jest osiągalna , gdy impedancja gałęzi RLC wynosi Zmin , natomiast przy wartości Zmax występuje częstotliwość antyrezonansowa ( fa ). Obie częstotliwości , a ściślej ich różnica ( fa - fr ) , są podstawowym parametrem rezonatorów. Różnica ta wynosi 3 - 40 kHz.
Rezonator powinien być tak zamocowany w obudowie, aby tłumienie drgań było znikome. Uzyskuje się to przez zastosowanie sprężystych elementów stykowych w geometrycznym środku rezonatora.
Rezonatory wykorzystuje się do konstrukcji filtrów pasmowych lub jako elementy selektywne we wzmacniaczach selektywnych.
PRZEBIEG ĆWICZENIA
1.Zmierzyć suwmiarką średnicę, a mikrometrem grubość próbki
2.Zwarzyć próbkę.
3.Próbkę zamocować w uchwycie.
4.Zmierzyć pojemność próbki ( Co).
5.Zmontować układ do pomiaru charakterystyki częstotliwościowej.
6.Na generatorze ustawić najniższą częstotliwość (np. 100Hz), należy wcisnąć klawisz 300K, a na pokrętle ustawić wartość 1.
7.Zmierzyć częstotliwość w zakresie do 370Hz notując zależność spadku napięcia na rezystorze od częstotliwości.
8.Szczególnie dokładnie należy określić częstotliwość dla którego spadek napięcia na rezystorze miał wartość maksymalną (rezonans), minimalną (antyrezonans) i znów maksymalną (pierwszy owerton).
PYTANIE 27
CIEPLNE WŁAŚCIWOŚCI MATERIALOW. SPOSÓB WYZNACZANIAWSPOLCZYNNIKA PRZEWODNICTWA CIEPLNEGO.
Sposoby przenoszenia ciepła.
Ciepło jest to energia jaką, układ o wyższej temperaturze przekazuje znajdującemu się z nim w kontakcie cieplnym układowi o niższej temperaturze w procesie dochodzenia obu układów do równowagi cieplnej. W procesie tym energia wewnętrzna układu o wyższej temperaturze maleje, a energia
wewnętrzna układu o niższej temperaturze rośnie.
Wymiana ciepła może odby...
Polakonoid