Пьезоэлектрический эффект (сокращенно пьезоэффект) наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Пьезоэффектом могут обладать кристаллы, не имеющие центра симметрии, а имеющие так называемые полярные направления (оси). Пьезоэффектом могут обладать также некоторые поликристаллические диэлектрики с упорядоченной структурой (текстурой), например керамические материалы и полимеры. Диэлектрики, обладающие пьезоэффектом, называют пьезоэлектриками [3].
Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию и, следовательно, появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков. При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Это явление называют прямым пьезоэффектом.
Рисунок 3.1 - Схематичное изображение прямого (а) (б) пьезоэффектов. Стрелками Р и Е изображены внешние воздействия - механическая сила и напряженность электрического поля. Штриховыми линиями показаны контуры пьезоэлектрика до внешнего воздействия, сплошными линиями - контуры деформации пьезоэлектрика (для наглядности во много раз увеличены); Р - вектор поляризации.
Схема экспериментальной установки
Рисунок 3.2 - Экспериментальная схема установки исследование пьезоэлектрического эффекта. (1) исследуемый объект (кристалл ниобата лития); (2) вольтметр
3. 2 Результаты эксперимента
В ходе эксперимента было дано два кристалла ниобата лития. Оба были легированы железом и у них предположительно была известна оптическая ось. Собрав экспериментальную установку мы исследовали кристаллы, приложив к ним два электрода с небольшим напряжением. При деформации кристалла наблюдался прямой пьезоэлектрический эффект. Положительно заряженные частицы перемещались на одну грань кристалла, отрицательно заряженные частицы на противоположную. Вольтметр показывал изменение напряжения на одной грани кристалла с положительным знаком, на другой грани с отрицательным, что говорит о перемещении зарядов на эти грани и то что мы находимся на оптической оси кристалла, в обоих образцах было выявлено что оптическая ось направленна параллельно Z срезу, что показано на рисунках 3.3 и 3.4. При приложении электродов к другим граням кристалла (предположительно перпендикулярно оптической оси) и деформируя его, фиксировалось изменение напряжение, но не так как на оптической оси. Что говорит о создании более сложного электрического поля в кристалле.
Рисунок 3.3 - Образец Ниобат лития LiNbO3:Fe
Рисунок 3.4 - Образец Ниобат лития LiNbO3:Fe
Заключение
За время отчетного этапа участниками проектной группы выполнен запланированный объем исследований согласно техническому заданию.
Было изучено теоретическое и экспериментальное исследование формирования фоторефрактивных структур в электрооптических кристаллах излучением высокой интенсивности. Так же был изучен пьезоэффект и свойства кристалла ниобата лития.
Результаты исследований апробировались в научных работах:
1. Исследование изменения поля лазерного пучка на выходной грани кристалла ниобата лития Научно-исследовательская работа студентов Томского Государственного Университета Систем Управления и Радиоэлектроники (НИРС ТУСУР).[10]
2. Эволюция поля фокусированного светового пучка в фоторефрактивном образце ниобата лития (школа голографии).[11]
Список использованной литературы и источников
1. Шандаров В.М. Основы физической и квантовой оптики: Учебное пособие.: Томск. гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники, 2005. — 258 с.
2. Иона Ф., Ширане Д., Сегнетоэлектрические кристаллы, пер. с англ., М., 1965- С.180-251;
3. Лайнс М., Гласс А., Сегнетоэлектрики и родственные им материалы, пер. с англ., М., 1981- С.390-420;
4. Физическая энциклопедия.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1992.- Т.3.- С.590-591
5. Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике / М.П. Петров, С. И. Степанов, А. В. Хоменко. – С.Пб.: Наука. – 1992. – 320 с.
6. В.М. Шандаров. Основы физической и квантовой оптики. – Томск: Томск. гос. Ун-т систем упр. и радиоэлектроники, [Электронный ресурс]: учебное пособие - Томск: ТУСУР, 2012. – 197 с. Режим доступа: https://edu.tusur.ru/training/publications/750.html
7. М.П. Петров, С.И. Степанов, А.В. Хоменко. Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике. - СПб.: Наука. С. - Петерб. отд., 1992. – 320 с.
8. Н.И. Калитеевский. Волновая оптика. - СПб.: Лань, 2006. - 465 с.
9. Справочный материал по пьезотехнике: Пьезоэлектрический эффект [Электронный ресурс ] – Режим доступа: https://www.oaopiezo.com/theory_3.html (дата обращения: 24.05.2015)
10. И.Д. Гермогентов, студент, Е.А. Дмитриев, студент, С.Б. Козлов, студент, В.Ю. Рябченок аспирант:Исследование изменения поля лазерного пучка на выходной грани кристалла ниобата лития Научно-исследовательская работа студентов Томского Государственного Университета Систем Управления и Радиоэлектроники (НИРС ТУСУР).[Электронный ресурс ] – Режим доступа: https://www.tusur.ru/export/sites/ru.tusur.new/ru/science/events/session/programm2015.pdf (24.05.2015)
11. И.Д. Гермогентов, студент, Е.А. Дмитриев, студент, С.Б. Козлов, студент, В.Ю. Рябченок аспирант:Эволюция поля фокусированного светового пучка в фоторефрактивном образце ниобата лития (школа голографии). [Электронный ресурс ] – Режим доступа: https://holographyschool.ru/wp-content/uploads/2015/04/Программа-Школы-по-голографии_Томск_2015.doc(дата обращения: (24.05.2015)
Приложение А