3.6. Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект заключается в образовании в кристаллическом материале электрических зарядов при приложении к нему механических напряжений. Этот эффект наблюдается в природных кристаллах, таких как кварц (химическая формула Si0₂), поляризованных керамических материалах и некоторых полимерах, например, в поливинилиденфториде.

Рис. 3.21 Пьезоэлектрический эффект кварцевого кристалла

В 1927 году А. Мейснер [3] предложил упрощенную модель для объяснения пьезоэлектрического эффекта. Кристалл кварца в этой модели представлен в виде элементарных ячеек, состоящих из атомов Si и спаренных атомов 0₂ (рис. 3.21). Кварцевый кристалл имеет срезы вдоль осей х, у и z. На рис. 3.21 показано поперечное сечение вдоль оси z- В элементарную монокристаллическую ячейку входят три атома кремния и шесть атомов кислорода. Каждый атом кремния обладает четырьмя положительными зарядами, а каждая пара атомов кислорода — четырьмя отрицательными (по два на атом). Поэтому без приложения механических напряжений кварцевая ячейка является электрически нейтральной. Когда вдоль оси х прикладывается внешняя сила F_x, кристаллическая решетка деформируется. На рис. 3.21Б показано, как сдавливающая сила сдвигает атомы кристалла таким образом, что положительный атом кремния перемещается на одну сторону решетки, а отрицательно заряженная пара атомов кислорода — на другую. В результате чего вдоль оси у наблюдается перераспределение зарядов. Если кристалл растянуть вдоль оси х (рис. 3.21В), в результате деформации растяжения заряды перераспределятся вдоль оси у в противоположном направлении. Эта упрощенная модель показывает, как на поверхности кристаллического материала могут образовываться электрические заряды в ответ на приложенное механическое воздействие. Подобное объяснение может быть дано пироэлектрическому эффекту, описанному в этом же разделе.

Рис. 3.22 Пьезоэлектрический датчик, сформированный при помощи электродов, нанесенных на поляризованный кристалл

Пьезоэлектрический эффект является обратимым физическим явлением Это означаем что приложенное к кристаллу электрическое напряжение приводит к появлению механической деформации Если разместить на кристалле несколько электродов и на одну пару из них подать напряжение, на остальных парах электродов будет накапливаться заряд, сформированный из-за возникшей деформации Такой прием достаточно широко применяется в разных типах пьезоэлектрических преобразователей

Пьезоэлектрический эффект можно оценить через вектор поляризации [4]

Р=Р_xx + Р_vv +Р_u (3.64)

Пьезоэлектрические кристаллы являются прямыми преобразователями механической энергии в электрическую. Эффективность такого преобразования может быть выражена через, так называемый, коэффициент связи к_mn

(3.67)

Эти коэффициенты являются очень важными характеристиками для случаев, где необходимо обеспечивать высокую эффективность передачи энергии, например, в акустических и ультразвуковых датчиках.

Величина заряда, генерируемого на поверхности пьезоэлектрического кристалла, пропорциональна силе, приложенной, например, в направлении оси х.

(3.68)

Рис. 3.25 Параллельное (А) и последовательное (В) соединения слоев в пьезоэлектрическом датчике и их соответствующие эквивалентные схемы (Б и Г)