Q.2.2. Пьезоэлектричество.

Пьезоэлектрический эффект (греч.piezo –давлю) – это возникновение электрической поляризации кристалла под действием механических напряжений или деформаций. Поскольку такие воздействия центросимметричны, а результат (поляризация) ацентричен, то согласно принципу Кюри пьезоэффект возможен только в кристаллах, не имеющих центра инверсии, и при том вдоль полярных направлений (в отличие от пироэффекта – не обязательно единичных). Таким образом, пьезоэффект могут проявлять кристаллы двадцати видов симметрии (двадцать первый бесцентровый вид симметрии 432 хотя и имеет полярные направления [111],пьезоэффектом не обладает). Пироэлектрики и сегнетоэлектрики, естественно, одновременно являются и пьезоэлектриками.

Один из самых известных и наиболее широко применяемых пьезоэлектриков – кварц (вид симметрии 32). В разделе … мы упоминали, что кварц имеет каркасную структуру, построенную из тетраэдров SiO₄. Деформация кристаллов приводит к взаимному смещению ионов Si⁴⁺ и O^2- с образованием электрических диполей и возникновением поляризации (рис.Q.12). На рис.Q.13 показано возникновение поляризации вдоль одной из осей L₂при действии одноосного растягивающего (положительного) напряжения вдоль этой оси или сжимающего (отрицательного) напряжения перпендикулярно этой оси. В первом случае пьезоэффект называется продольным (рис.Q.13б), во втором – поперечным (рис.Q.13в). Поляризацию можно создать также действием сдвигового напряжения (рис.Q.13г). Однако напряжения вдоль оси L₃поляризации не вызовут, так как это направление в кварце не является полярным.

Поляризация линейно - от величины напряжений, (в скалярной форме), где d – пьезоэлектрический коэффициент. Для кварца вдоль L₂ он равен 2.3 10^-2 кл н^-1. В кристаллах сегнетоэлектриков значения пьезоэлектрических коэффициентов на 2 – 3 порядка выше.

Возникновение электрической поляризации под действием напряжений или деформаций – это прямой пьезоэффект. Если же к кристаллу приложить внешнее электрическое поле, он будет деформироваться, и это – обратный пьезоэффект. Деформация пропорциональна напряженности поля, (в скалярной форме), с тем же пьезоэлектрическим коэффициентом.

Пьезоэлектрики являются электромеханическими преобразователями, т.е. преобразуют механическую энергию в электрическую и наоборот. Они широко используются в радиотехнических устройствах как стабилизаторы частоты, узкополосные фильтры, в ультраакустике как приемники и излучатели ультразвука (эхолоты, гидролокаторы, подводная связь), в качестве датчиков напряжений. В пироэлектриках электрическая поляризация может создаваться и при всестороннем сжатии или растяжении, поэтому их применяют для регистрации гидростатических давлений. Полупроводниковые пьезоэлектрики (ZnS, CdS, InSb, GaAs) используются в усилителях ультразвука. Пьезоэффект в этих кристаллах возникает при сдвиговых деформациях вследствие смещения катионной и анионной подрешеток друг относительно друга.

Дата добавления: 2015-07-11