ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО
(от греч. piezo
- давлю и электричество), явления возникновения поляризации диэлектрика
под
действием механич. напряжений (прямой пьезоэлектрич. эффект) и возникновения
механич. деформаций под действием электрич. поля (обратный пьезоэлектрич.
эффект). Прямой и обратный пьезоэлектрич. эффекты наблюдаются в одних и
тех же кристаллах- пьезоэлектриках. Первое подробное исследование пьезоэлектрич.
эффектов сделано в 1880 бр. Ж. и П. Кюри на кристалле
кварца.
В
дальнейшем пьезоэлектрич. свойства были обнаружены более чем у 1500 веществ,
из к-рых широко используются сегнетова соль, титанат бария и др.
(см. Пьезоэлектрические материалы).
Пьезоэлектрич. свойства кристаллов связаны
с их структурой. Ими обладают все пироэлектрики (спонтанно поляризованные
диэлектрики). При механич. деформации пироэлектрика меняется величина его
спонтанной поляризации, что и наблюдается как прямой пьезоэлектрич. эффект.
Пьезоэлектрич. эффекты наблюдаются также в нек-рых непироэлектриках (например,
у кварца). Справедливо общее утверждение: кристаллы, обладающие центром
симметрии, не могут быть пьезоэлектриками. Это объясняется тем, что при
деформации кристалла центр симметрии сохраняется, а при наличии центра
симметрии не может быть поляризации (рис. 1, 2). Наличие других элементов
симметрии (оси, плоскости симметрии) может "запрещать" появление поляризации
в определённых направлениях или при некоторых определённых деформациях
(см. Симметрия кристаллов).
Количеств. характеристиками П. в данном
кристалле является совокупность пьезоконстант и пьезомодулей - коэфф. пропорциональности
между электрич. величинами (напряжённость электрич. поля Е, поляризация
Ф) и механич. величинами (мехапич. напряжения а, относит. деформации
и).
Напр.,
Ф=do. Коэфф. d и есть одна из пьезоконстант. Т. к. произвольное
механич. напряжение может быть представлено как совокупность 6 независимых
напряжений, а вектор поляризации Ф имеет 3 независимых компоненты,
то в общем случае может быть 18 разных пьезоконстант d.
Однако симметрия
кристалла ограничивает число независимых и отличных от нуля пьезоконстант.
Величина d зависит от условий опыта, а именно: она имеет одно значение
d,
если
заряд на обкладках конденсатора (рис. 3) поддерживать равным нулю, и другое
значение d', если обкладки конденсатора закорочены, т. е. Е =
0. Поэтому соотношение Ф =
da целесообразно записывать,
напр., в виде: Ф = d'о + иE. Величины d и d' связаны
соотношением d' = de, где е - диэлектрическая проницаемость кристалла.
Рис. 1. а - плоская модель кристалла,
не имеющего центра симметрии; центры тяжести положительных и отрицательных
зарядов совпадают, стрелки изображают отдельные электрические дипольные
моменты одной группы зарядов; 6 - тот же кристалл, подвергнутый сжатию,
при к-ром изменяются длины связей между зарядами каждой группы, но не углы
между ними; горизонтальная стрелка слева-суммарный электрический дипольный
момент одной группы зарядов.
Рис. 2. а - плоская модель кристалла,
обладающего центром симметрии; б - тот же кристалл, подвергнутый сжатию.
Рис. 3. а - прямой пьезоэлектрический
эффект; сжатие или растяжение пьезоэлектрической пластинки приводит к возникновению
разности потенциалов; б - обратный пьезоэлектрический эффект; в зависимости
от знака разности потенциалов, приложенной к пьезоэлектрической пластинке,
она сжимается или растягивается.
Пьезоконстантами наз. также коэфф. r,
g, h в соотношениях Ф = rи + и'Е, и = S'о + hФ,
и = S'о + hE и т. п. Все пьезоконстанты d, r, g, h
связаны
друг с другом, так что при описании пьезоэлектрич. свойств кристалла можно
ограничиться только одной, напр. d. Характерная величина пьезоконстанты
d
в
системе СГСЭ составляет для кварца 3
<.10-8.
Существенно больших величин могут достигать пьезоконстанты сегнетоэлектриков,
что связано с их высокой диэлектрич. проницаемостью и доменной структурой,
к-рая может перестраиваться при деформации.
Пьезоэлектрики широко применяют в технике,
акустике, радиофизике и т. д. Их применение основано на преобразовании
электрич. сигналов в механические и наоборот. Пьезоэлектрики используются
в резонаторах, входящих в состав генераторов (см. Кварцевый генератор),
фильтров,
различного рода преобразователей и датчиков.
Лит.: Кэди У., Пьезоэлектричество
и его практическое применение, пер. с англ., М., 1949; Мэзон У., Пьезоэлектрические
кристаллы и их применение в ультраакустике, пер. с англ., М., 1952; Берлинкур
[и др.], Пьезоэлектрические и пьезомагнитные материалы и их применение
в преобразователях, в кн.: Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер.
с англ., т. 1, ч. А, М., 1966. А. П. Леванюк, Д. Г. Санников.
А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я