3.6 Пьезоэлектрический эффект

При деформации некоторых кристаллических, не имеющих центра симмет­рии, полярных диэлектриков (включая все сегнето­электрики) была обнаружена электриче­ская поляри­зация. Это явление было открыто и первоначально изучено братьями П. и Ж.Кюри в 1880 г., и получило название пьезоэлектрического эффекта. Наиболее подробно этот эффект изучен у кристаллов кварца, турмалина, сахара, сегнетовой соли, борацита и др.

Рассмотрим пьезоэлектрические свойства кри­сталла кварца. Главная ось кристалла Z (рис.3.9, а) на­зывается оптической осью. Из кристалла вырезается пластинка в виде прямо­угольного параллелепипеда, у которого ребро b (вы­сота) - параллельна Z, ребра l (длина) и d (толщина) - параллельны осям x и y.

Рисунок 3.9 - Пьезоэлектрический эффект на пластине кварца:

а) оси кристалла,

б) поляризация пластины при сжатии и растяжении.

Сжатие вдоль оси x вызывает появление раз­ноименных электрических зарядов на обеих гра­нях перпендикулярных y. Это продольный пря­мой пьезоэлектрический эффект. Растяжение вдоль оси x приводит к тому же результату, но называется этот эффект попереч­ным прямым пьезоэлектрическим эффектом.

На рисунке 3.9, б представлен срез нашей пла­стинки в направлении, перпендикулярном Z. Сплош­ными стрелками обозначено сжатие пласти­ны (опыт 1), пунктирными - растяжение (опыт 2). В обоих случаях на гранях, параллельных Z и x и перпенди­кулярных y, образуются заряды разных знаков. Если сжатие и растяжение поменять местами, то и знаки электри­ческих зарядов на ука­занных гранях изменятся на противоположные. Сжатие или растяжение вдоль оси Z не вызывает пьезоэлектрического эф­фек­та. Объяснение эффекта заключается в том, что под действием упругой деформа­ции молекулярные диполи могут определенным образом поворачиваться и на про­ти­воположных гранях пластинки появляются связанные заряды противоположных зна­ков. Следовательно, пластинка поляризуется. Величина вектора поляризации пропор­циональна механическому напряжению, а общая величина появляющихся при этом поверхностных зарядов пропорциональна приложенной силе.

В подобных кристаллах наблюдается и обратный пьезоэлектрический эф­фект. Если к пластине из пьезокристалла приложить внешнюю разность потенциа­лов, то, вследствие ориентации диполей, будет возникать деформация сжатия или растя­жения. Пусть электрическое поле направлено по оси x, тогда пластинка в этом на­правлении будет испытывать растяжение (продольный обратный пьезо­электричес­кий эффект), и одновременно - сжатие по оси y (поперечный обрат­ный пьезо­электрический эффект).

Пьезоэлектрические кристаллы используются в качестве простых устройств, преобразующих механические колебания в электрические. На пьезокристаллах работают микрофоны, громкогово­рители, некоторые вольтметры и осциллографы, различная военная ап­паратура. Без пьезокристаллов невозможно работа мощных ультразвуковых излуча­телей, которые служат для обнаружения препятствий в воде - подводных лодок, айсбергов и т.п. Для измерения давления часто используются датчики давления на основе пьезоэлектрического эффекта. Преимуществом его перед другими типами манометров является очень малая инер­ционность, весьма широкий диапазон измеряемых давлений, способность регистри­ровать быстрые изменения давления.

Изменение размеров тел под действием внешнего электрического поля в об­щем случае называется электрострикцией. Последняя имеет место во всех диэлек­триках (твердых, жидких, газообразных). Деформация при электрострикции про­порциональ­на квадрату напряженности поля Е² и при изменении направления поля не меняется.