Пьезоэлектрики

Некоторые кристаллы (кварц, турмалин, сегнетова соль, сахар, цинковая обманка, титанат бария и др.) поляризуются при механической деформации. При сжатии пластинки такого кристалла, вырезанной в определенном направлении, ее плоскости оказываются разноименно заряженными и внутри пластинки возникает электрическое поле. При растяжении пластинки ее полярность и направление поля изменяются на противоположные. Это явление называется пьезоэлектрическим эффектом, а соответствующие вещества — пьезоэлектриками. Пьезоэлектрический эффект обусловлен деформацией структурных группировок молекул пьезоэлектрика, нарушающей симметричность каждой из этих группировок в электрическом отношении. Пьезоэлектрический эффект был открытый в 1880 г. братьями Жаком и Полем Кюри.

Рассмотрим пьезоэлектрические свойства кристалла кварца (рис. 14.1). Главная ось кристалла называется оптической, a оси , и перпендикулярные ей,— электрическими осями.

Рис. 14.1

Для изучения пьезополяризационных зарядов кристалла проведем следующий опыт. Закрепив кристалл кварца так, как показано на рис. 14.2, будем сжимать его в направлении одной из электрических осей. При сжатии кристалла на его ребрах возникают заряды, знаки которых указаны на рис. 14.2. Для количественного исследования зарядов к граням кристалла прикрепляют узкие станиолевые полоски — электроды и , соединенные с чувствительным электрометром. Опыты показывают, что поверхностная плотность пьезополяризационных зарядов пропорциональна упругому напряжению в кристалле.

Рис. 14.2

При сжатии или растяжении кристалла заряды появляются всегда на концах какой-либо из электрических осей. Поэтому для пьезоэлектрических опытов из кристалла вырезают плоскопараллельные пластинки так, чтобы одна пара граней у каждой из них была перпендикулярна одной из электрических осей (рис. 14.3).

14.3

Пусть плоскопараллельная пластинка вырезана таким образом, что ее ребро (толщина) направлено параллельно электрической оси , ребро (высота) — параллельно оптической оси , а ребро (длина) — параллельно оси , перпендикулярной осям и . Если подвергнуть эту пластинку деформациям сжатия и растяжения в направлениях осей , и , то можно прийти к следующим выводам:

а) сжатие вдоль оси вызывает появление разноименных зарядов на обеих гранях, нормальных к оси (продольный прямой пьезоэлектрический эффект);

б) растяжение вдоль оси вызывает появление разноименных зарядов на обеих гранях, нормальных к оси (поперечный прямой пьезоэлектрический эффект);

в) при растяжении пластинки вдоль оси или сжатии ее вдоль оси знаки зарядов на указанных гранях изменяются на противоположные;

г) сжатие или растяжение вдоль оси не вызывает пьезоэлектрического эффекта.

Существует и обратный пьезоэлектрический эффект (являющийся частным случаем электрострикции): во внешнем электрическом поле пластинка пьезоэлектрика деформируется вдоль поля (сжимается или растягивается в зависимости от направления поля).В этом случае также различают продольный и поперечный эффекты, которые состоят в следующем: при внесении кварцевой пластинки в электрическое поле, направленное вдоль оси , пластинка деформируется не только в направлении оси (продольный обратный пьезоэлектрический эффект), но и в направлении оси (поперечный обратный пьезоэлектрический эффект), причем растяжение пластинки вдоль оси сопровождается ее сжатием вдоль оси . Изменение направления электрического поля вызывает изменение характера деформации вдоль осей и .

Пьезоэлектрический эффект используется в технике для измерения быстро изменяющихся давлений и для исследования ультразвуковых колебаний. Обратный пьезоэлектрический эффект используется для возбуждения ультразвуковых колебаний. Пьезокварц применяется для стабилизации высокочастотных электрических колебаний, поскольку частота собственных механических колебаний пьезокварца характеризуется очень устойчивым постоянством.

Дата добавления: 2014-01-20