Физическая энциклопедия - пьезоэлектрики

кристаллические вещества, в к-рых при сжатии или растяжении в определённых направлениях возникает электрич. поляризация даже в отсутствии электрич. поля (п р я м о й п ь е з о э ф ф е к т). Следствием прямого пьезоэффекта явл. о б р а т н ы й п ь е з о э ф ф е к т появление механич. деформации под действием электрич. поля. Связь между механич.

и электрич. переменными (деформацией и электрич. полем) носит в обоих случаях линейный характер. Обратный пьезоэффект следует отличать от электрострикции. Первое подробное исследование пьезоэффектов было проведено в 1880 франц. физиками братьями Ж. и П. Кюри на кристалле кварца. В дальнейшем пьезоэлектрич. св-ва были обнаружены более чем у 1500 в-в (см. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ). Чтобы обнаружить пьезоэффект, на грани крист. пластинки накладывают металлич. обкладки. Если обкладки разомкнуты, то при деформациях пластинки между ними возникает разность потенциалов. В случае замкнутых обкладок на них при деформации появляются заряды, равные по величине (но противоположные по знаку) поляризац. зарядам, возникающим на поверхностях пластинки, и в цепи, соединяющей обкладки, течёт ток. При подключении к обкладкам внешней эдс кристалл деформируется. Механизм пьезоэффекта можно пояснить на примере кристалла кварца (рис. 1), элем. ячейка к-рого, содержащая три молекулы SiO2, схематически изображена на рис. 2. При сжатии вдоль оси Х1 положит. ион 1(Si+) и отрицат. ион 2(O-) перемещаются в глубь ячейки, в результате чего на плоскостях А и В появляются заряды. При растяжении на плоскостях А и В возникают заряды противоположного знака. Пьезоэффекты наблюдаются только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. Справедливо общее утверждение: в кристаллах, обладающих центром симметрии, пьезоэффект невозможен. Наличие др. элементов симметрии (оси, плоскости симметрии; (см. СИММЕТРИЯ КРИСТАЛЛОВ) может запрещать появление поляризации в некоторых направлениях или при деформациях, т. е. также ограничивает число кристаллов П. В результате П. могут принадлежать лишь к 20 точечным группам симметрии (из 32): 1, 2, 3, 4, 6, т, mm2, 3m, 4mm, 6mm, 222,4, 422, 42m, 6, 622, 6m 2, 32, 23m, 3. Кристаллы первых 10 классов пироэлектрики, т. е. обладают поляризацией в отсутствие внешних воздействий. В этих кристаллах пьезоэффект проявляется, в частности, в изменении величины спонтанной поляризации при механич. деформации. Пьезоэлектрич. св-ва можно создавать в некоторых некристаллических диэлектриках за счёт образования в них т.

н. пьезоэлектрической текстуры, напр. поляризацией в электрическом поле (пьезокерамика), механич. обработкой (древесина) и др. Рис. 1. Кристалл кварца SiO2. Рис. 2. Схема структуры кварца: проекции ионов Si+ и Она плоскость, перпендикулярную оси третьего порядка. Заштрихованные кружки Соответствуют ионам Si+, светлые паре ионов О-; а, недеформированное состояние; б сжатие вдоль оси X1; в растяжение вдоль оси X1. Количеств. хар-кой пьезоэффекта явл. совокупность пьезоконстант коэфф. пропорциональности в соотношениях между электрич. величинами (напряжённость электрич. поля Е, поляризация P) и механич. величинами (механич.

напряжения s, относит. деформации u). Напр., поляризация, возникающая в П. под действием механич. напряжения s, выражается соотношением P=ds. Полная поляризация (с учётом электрич. поля) складывается из поляризации, вызванной механич. напряжением, и поляризации, вызванной электрич. полем. Она равна: P=ds+cE(c диэлектрич. восприимчивость).

Коэфф. d одна из пьезоконстант. Т. к. механич. напряжения могут быть представлены как совокупность шести независимых величин (сжатия и растяжения вдоль трёх осей, а также сдвиги в плоскостях, перпендикулярных этим осям), а вектор поляризации имеет три независимые компоненты, то в общем случае может быть 18 разных пьезоконстант.

Пьезоконстантами наз. также коэфф. в соотношениях: P=ru+cЕ, u=ss+gP (коэфф. s упругая податливость) и т. п. Все пьезоконстанты (d, r, g) связаны друг с другом, так что при описании пьезоэлектрич. св-в кристалла можно ограничиться только константами одного типа, напр. d. Величины пьезоконстант сильно различаются для кристаллов разных типов.

Для ионных кристаллов порядок величины пьезоконстант можно оценить след. образом. Допустим, что разноимённые ионы сдвинулись под действием механич. напряжения s на расстояние l. Возникший при этом дипольный момент на единицу объёма P=е1/а3, где е заряд иона (можно считать равным заряду эл-на), а постоянная решётки. Относит. деформация u=l/а. Из выражений P=ds и s=cu (Гука закон) следует, что d=P/s=P/lcu=e/a2c. Принимая е= =10-10 ед. СГСЭ, a=10-8-10-7 см, а с=1012 СГСЭ, получим d=10-610-8 ед. СГСЭ. Для кварца, напр., величины пьезоконстант составляют неск. ед. на 10-8 ед. СГСЭ. Существенно больших величин могут достигать пьезоконстанты у сегнетоэлектриков, т.

к. их поляризация может быть связана с перестройкой доменной структуры при механич. деформации. П. применяются в технике и лабораторной практике, медицине и др. .