Прямой и обратный пъезоэлектрический эффект

Н екоторые кристаллы, не имеющие центра симметрии (в том числе все сегнетоэлектрики), при деформации поляризуются. Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом или просто пьезоэлектрическим эффектом. Величина поляризации пропорциональна деформации, а следовательно, в пределах упругости и механическому напряжению. При изменении знака деформации знак поляризации меняется также на обратный.

Важнейшими пьезоэлектриками (т. е. пьезоэлектрическими кристаллами) являются кварц, сегнетова соль, метатитанат бария и др.

Кристаллы кварца принадлежат к гексагональной системе. Если вырезать из кристалла кварца пластинку, перпендикулярную к кристаллографической оси а, и подвергнуть ее сжатию вдоль этой оси, то на гранях пластинки появляются, связанные заряды (на рис. пластинка расположена так, что кристаллографическая ось с направлена на нас). То же самое происходит, если пластинку подвергнуть растяжению вдоль оси 00, перпендикулярной к кристаллографическим направлениям а и с. В последнем случае эффект называют поперечным, в первом случае — продольным. При изменении знака деформации (т. е. при растяжении вдоль а или сжатии вдоль 00) на гранях пластинки появляются связанные заряды другого знака. Для практического использования пьезоэлектрического эффекта на грани пластинки накладывают металлические обкладки. Если эти обкладки включить в замкнутую цепь, то при изменениях деформации кристалла в цепи будут возникать импульсы тока. Такие процессы протекают, например, в пьезоэлектрическом микрофоне — знакопёременная деформация пластинки под действием звуковой волны преобразуется в переменный ток той же частоты.

Пьезоэлектрический эффект имеет следующее объяснение. Решетку всякого кристалла можно представить в виде нескольких образованных разными атомами или группами атомов более простых решеток, вставленных друг в друга. Если кристалл не имеет центра симметрии,

то при деформации происходит сдвиг простых решеток друг относительно друга, который может вызвать появление у кристалла электрического момента.

Наряду с описанным выше прямым эффектом, у пьезоэлектрических кристаллов наблюдается обратный эффект, заключающийся в том, что поляризация под действием электрического поля сопровождается механическими деформациями кристалла: Таким образом, если на металлические обкладки изображенной на рис. пластинки подать переменное электрическое напряжение, то пластинка будет попеременно, растягиваться и сжиматься вдоль оси а (одновременно происходят сжатие и растяжение вдоль оси 00), т. е. в ней возбудятся механические колебания. Эти колебания станут особенно интенсивными, если частота переменного напряжения совпадает с собственной (резонансной) частотой пластинки.

Такие настроенные в резонанс пьезоэлектрические пластинки используются для возбуждения ультразвуковых волн, для стабилизации частоты генераторов электрических колебаний в радиотехнике и т. п.

Обратный пьезоэлектрический эффект следует отличать от электрострикции. Последняя имеет место во всех диэлектриках — твердых, жидких и газообразных. Пьезоэлектрический эффект возникает только в некоторых кристаллах. Далее, деформация при электрострикции зависит от поля квадратично и при изменении направления поля знака не меняет. Пьезоэлектрический эффект зависит от поля линейно и при изменении направления поля меняет знак.