8.3. Пьезоэлектрический эффект.

В некоторых кристаллических твёрдых телах возможна вынужденная поляризация, при которой дипольный момент возникает под действием механических напряжений. Это так называемый прямой пьезоэффект. Кроме прямого существует обратный пьезоэффект, который заключается в том, что при наложении внешнего электрического поля кристалл несколько сжимается или расширяется. Наблюдается во всех непьезоэлектричных кристаллах. Под действием механических напряжений происходит смещение заряженных частиц и возникает дипольный момент (если бы существовала центральная симметрия, то происходила бы компенсация моментов, образованных за счёт смещения зарядов относительно центра). Рассмотрим механим возникновения пьезополяризации на примере кварца.

На рисунке изображена гексагональная ячейка . В отсутствие внешних напряжений дипольный момент ячейки = 0 (рисунок «а»). Пусть под действием механических напряжений ячейка растягивается (рисунок «б»). Такая деформация приводит к появлению дипольного момента:

где q – заряд иона, Δa – длина растяжения ячейки.

При сжатии ячейки знак дипольного момента меняется (рисунок «в»), и .

Если одноосное напряжние (например напряжение растяжения) приложено вдоль одной из осей, то дипольный момент определяется соотношением:

где d – пьезоэлектрический модуль, σ – механическое напряжение.

8.4. Пироэлектрический эффект

Изменение поляризации в кристалле при его нагревании или охлаждении называется пироэлектрическим эффектом.

Наблюдается в кристаллах, обладающих особым элементом симметрии – полярной осью. При наличии полярной оси отсутствуют центр симметрии. Таким образом, пироэлектрик одновременно является и пьезоэлектриком, но не наоборот. Пример – турмалин.

В отсутствие внешнего поля изменение поляризации с температурой может быть только в тех диэлектриках, в которых эта поляризация существует спонтанно. Наличие спонтанной поляризации означает, что в кристалле все элементарные диполи направлены одинакого.

Одинаковая направленность диполей может быть только в некотором идеализированном случае при Т = 0°К (рисунок «а»). При Т > 0 диполи, за счёт теплового движения, частично разупорядочиваются (рисунок «б»). Это приводит к уменьшению поляризации с ростом температуры. Это первичный (истинный) пироэффект. Кроме этого наблюдается так же вторичный (ложный) пироэффект: с изменением температуры изменяются линейнывев размеры кристалла.

Как первичный, так и вторичный пироэффекты линейно зависят от температуры. В случае первичного эффекта, диполи, под действием теплового движения отклоняются от основного направления на некоторый угол Θ. При этом поляризация изменяется на величину

При малых θ угол отклонения пропорционален kT, отсюда можем записать изменение поляризации при пироэффекте:

- изменение поляризации при пироэффекте, где P₁ – пирокоэффициент.

Если в изменение поляризации вносят вклад оба пироэлектрических эффекта, то:

где P₂ – пирокоэффициент вторичного эффекта.

На основе пироэлектриков изготавливают высокочувствительные тепловые датчики.