§ 14. Пьезоэлектрики.

Некоторые кристаллы (кварц, турмалин, сегнетова соль, сахар, цинковая обманка, титанат бария и др.) поляризуются при механической деформации. При сжатии пластинки такого кристалла, вырезанной в определенном направлении, ее плоскости оказываются разноименно заряженными и внутри пластинки возникает электрическое поле. При растяжении пластинки ее полярность и направление поля изменяются на противоположные. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом, а соответствующие вещества — пьезоэлектриками. Пьезоэлектрический эффект обусловлен деформацией структурных группировок молекул пьезоэлектрика, нарушающей симметричность каждой из этих группировок в электрическом отношении. Пьезоэлектрический эффект был открытый в 1880 г. братьями Жаком и Полем Кюри.

Рассмотрим пьезоэлектрические свойства кристалла кварца (рис. 14.1). Главная ось кристалла называется оптической, a оси , и перпендикулярные ей,— электрическими осями.

Рис. 14.1

Для изучения пьезополяризационных зарядов кристалла проведем следующий опыт. Закрепив кристалл кварца так, как показано на рис. 14.2, будем сжимать его в направлении одной из электрических осей. При сжатии кристалла на его ребрах возникают заряды, знаки которых указаны на рис. 14.2. Для количественного исследования зарядов к граням кристалла прикрепляют узкие станиолевые полоски — электроды и , соединенные с чувствительным электрометром. Опыты показывают, что поверхностная плотность пьезополяризационных зарядов пропорциональна упругому напряжению в кристалле.

Рис. 14.2

При сжатии или растяжении кристалла заряды появляются всегда на концах какой-либо из электрических осей. Поэтому для пьезоэлектрических опытов из кристалла вырезают плоскопараллельные пластинки так, чтобы одна пара граней у каждой из них была перпендикулярна одной из электрических осей (рис. 14.3).

14.3

Пусть плоскопараллельная пластинка вырезана таким образом, что ее ребро (толщина) направлено параллельно электрической оси , ребро (высота) — параллельно оптической оси , а ребро (длина) — параллельно оси , перпендикулярной осям и . Если подвергнуть эту пластинку деформациям сжатия и растяжения в направлениях осей , и , то можно прийти к следующим выводам:

а) сжатие вдоль оси вызывает появление разноименных зарядов на обеих гранях, нормальных к оси (продольный прямой пьезоэлектрический эффект);

б) растяжение вдоль оси вызывает появление разноименных зарядов на обеих гранях, нормальных к оси (поперечный прямой пьезоэлектрический эффект);

в) при растяжении пластинки вдоль оси или сжатии ее вдоль оси знаки зарядов на указанных гранях изменяются на противоположные;

г) сжатие или растяжение вдоль оси не вызывает пьезоэлектрического эффекта.

Существует и обратный пьезоэлектрический эффект (являющийся частным случаем электрострикции): во внешнем электрическом поле пластинка пьезоэлектрика деформируется вдоль поля (сжимается или растягивается в зависимости от направления поля).В этом случае также различают продольный и поперечный эффекты, которые состоят в следующем: при внесении кварцевой пластинки в электрическое поле, направленное вдоль оси , пластинка деформируется не только в направлении оси (продольный обратный пьезоэлектрический эффект), но и в направлении оси (поперечный обратный пьезоэлектрический эффект), причем растяжение пластинки вдоль оси сопровождается ее сжатием вдоль оси . Изменение направления электрического поля вызывает изменение характера деформации вдоль осей и .

Пьезоэлектрический эффект используется в технике для измерения быстро изменяющихся давлений и для исследования ультразвуковых колебаний. Обратный пьезоэлектрический эффект используется для возбуждения ультразвуковых колебаний. Пьезокварц применяется для стабилизации высокочастотных электрических колебаний, поскольку частота собственных механических колебаний пьезокварца характеризуется очень устойчивым постоянством.