Материалы
Пьезоэлектрический эффект может возникнуть только в диэлектриках. Пьезоэлектрические материалы для чувствительных элементов датчиков должны в первую очередь иметь очень высокую механическую прочность и жёсткость. Другими требованиями являются: стабильность механических и электрических характеристик в широком диапазоне температур, долгий срок службы, высокая чувствительность, хорошая линейность, отсутствие гистерезиса (идентичность прямой и обратной калибровочных кривых) и высокое изоляционное сопротивление.
В качестве пьезоэлектрических материалов могут применяться, помимо кварца, турмалин, виннокислый калий и виннокислый этилендиамин, различные керамики (титанат бария, цирконат-титанат свинца и др.) и многие другие моно- и поликристаллы. Однако ни один из них до сих пор не стал достаточно сильным конкурентом кварцу благодаря тому, что в кварце сочетаются многочисленные достоинства. К числу этих достоинств следует отнести и то, что кристаллы кварца являются почти идеально упругими телами, обладают ничтожным внутренним трением, большой механической и термической прочностью и встречаются в природе в виде чрезвычайно крупных образований (известны монокристаллы кварца весом свыше тонны). Кроме того, в настоящее время во многих странах мира развито промышленное производство синтетических кристаллов кварца, практически не уступающих по своему качеству природным. Одно из ведущих мест в этой отрасли принадлежит нашей стране.
Применение
Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы изготовляются в настоящее время в широком ассортименте и охватывают диапазон частот от нескольких сотен герц до нескольких сотен мегагерц. С помощью радиотехнических средств, применяемых для умножения и преобразования частоты, кварцевые резонаторы удается использовать для стабилизации электрических колебаний в еще более широком диапазоне, вплоть до сантиметровых волн. Применение пьезоэлектрических кристаллов для упомянутых целей привело к образованию особой отрасли науки и техники, базирующейся на достижениях кристаллографии и кристаллофизики, теории колебаний, технологии хрупких материалов и электровакуумных производств.
Пироэлектрический эффект
Рис. 2. Рассмотрение пироэлектрического эффекта
Пироэлектрический эффект - появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (пироэлектриков) при их нагревании или охлаждении ("пир" - огонь). Один конец пироэлектрика при нагревании заряжается положительно, а при охлаждении - отрицательно, другой - наоборот. Интенсивность электризации максимальна, если скорость изменения температуры выше скорости релаксации заряда. Появление зарядов на поверхности пироэлектрика связано с изменением существующей в нем поляризации при изменении температуры кристалла.
Пироэлектрик - диэлектрик, обладающий спонтанной поляризацией, т.е. поляризацией в отсутствие электрического поля и др. Внешних воздействий. Спонтанная поляризация - результат несовпадения "центров тяжести" положительных и отрицательных зарядов. Обычно наблюдается не сама спонтанная поляризация Р, которая компенсируется полями свободных электрических зарядов, натекающих на поверхность пироэлектрика, изнутри и извне, а ее изменение DP при быстром изменении температуры DT (пироэлектрический эффект).
Плотность возникающего поверхностного заряда s = pDT называется пироэлектрической константой р.
Типичный пироэлектрик - турмалин; в нем при изменении температуры на 1 К возникает электрическое поле E » 4 В/м. Пироэлектриками могут быть лишь нецентросимметричные кристаллы. Изменение поляризации в кристалле может происходить под действием механических напряжений (пьезоэлектрический эффект). Все пироэлектрики явлдяются пьезоэлектриками, но не наоборот; некоторые пироэлектрики обладают сегнетоэлектрическими свойствами.
Помимо прямого существует обратный пироэлектрический эффект (электрокалорический эффект). Он состоит в том, что изменение электрического поля в отсутствии подвода или отвода тепла (адиабатический процесс) сопровождается изменением температуры пироэлектрического кристалла.