3.7. Пьезоэлектрики

Существуют кристаллические вещества, в которых при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация даже в отсутствии электрического поля. Это явление называют прямым пьезоэффектом. Следствием прямого являетсяобратный пьезоэффект- появление механической деформации под действием электрического поля.

Первое исследование пьезоэффектов было проведено в 1880 году французскими физиками Ж. и П. Кюри на кристалле кварца. В дальнейшем пьезоэлектрические свойства были обнаружены более чем у 1500 веществ. Среди них монокристаллы кварца, аммония, сегнетовой соли и др. Наиболее распространенный промышленный материал — пьезокерамика. Это - поликристаллические твердые растворы, подвергнутые предварительной поляризации в электрическом поле.

Механизм пьезоэффекта можно пояснить на примере кристалла кварца, элементарная ячейка которого содержит три молекулы SiO₂ (рис. 3.4 а). Ячейка в целом электрически нейтральна. Если ячейку подвергнуть сжатию в направлении, перпендикулярном некоторой оси Х₁, то положительный ион Si⁺ и отрицательный ион О^-перемещаются в глубь ячейки, в результате этого на перпендикулярных этой оси плоскостях (гранях кристалла) появляются связанные заряды (рис. 3.4 б). Если ячейку подвергнуть растяжению в направлении, перпендикулярном оси Х₁, то на поверхностях кристалла появятся заряды противоположного знака (рис. 3.4 в).

Схема структуры кварца:

а) –недеформированное состояние;

б) –сжатие вдоль оси Х₁;

в) – растяжение вдоль оси Х₁.

Необходимое условие существования пьезоэффекта – отсутствие у кристалла центра симметрии. Это означает, что у кристалла есть одно или несколько особых направлений (их называют электрическими осями). Свойства кристаллов вдоль этих осей отличны от свойств вдоль других направлений. Вырежим плоскую пластинку вдоль этого направления. Такой срез называют срез Кюри или Х-срез (рис. 3.5)

Подействуем силойвдоль оси Х, тогда на грани ВС возникнет положительный заряд+q, на противоположной грани одновременно возникнет равный ему отрицательный заряд (рис. 3.5). Величина заряда не зависит от размеров пластинки и однозначно определяется растягивающей силой:

q = d₁₁F_х ,

где d₁₁ – коэффициент, называемый пъезоэлектрической постоянной или пъезоэлектрическим модулем.

Чтобы обнаружить пьезоэффект, на грани кристаллической пластинки накладывают металлические обкладки. Если обкладки разомкнуты, то при деформациях пластинки между ними возникает разность потенциалов. В случае замкнутых на внешнюю цепь обкладок на них при деформации появляются заряды, равные по величине (но противоположные по знаку) поляризационным зарядам, возникающим на поверхностях пластинки, и в цепи, соединяющей обкладки, течет ток.

Если заменить растяжение сжатием, то знаки зарядов изменятся на обратные. На других гранях пластинки заряды возникать не будут. Сжатие или растяжение вдоль оси Zне приводит к возникновению зарядов ни на одной из граней.

Если же приложить к обкладкам пластинки, перпендикулярным к оси Х, переменное напряжение, то пластинка будет периодически сжиматься или растягиваться в направлении оси Х. Таким образом, в пьезоэлектрической пластинке можно возбудить упругие колебания. Колеблющиеся пластинка является излучателем и возбуждает в окружающей среде (воздух, вода) ультразвуковые колебания. Эта же пластинка может служить в качестве приемника ультразвуковых волн.

Количественной характеристикой пьезоэффекта являются коэффициенты пропорциональности между электрическими величинами (поляризация Р) и механическими напряжениями(). Полная поляризация складывается из поляризации, вызванной механическим напряжением, и поляризации, обусловленной электрическим полем:

, (3.2)

Величины пьезоконстант сильно различаются для кристаллов разных типов. У сегнетоэлектриков они существенно больше (в сотни раз), т.к. их поляризация связана с перестройкой доменной структуры при механической деформации.