Пьезоэлектрический эффект

Изучение свойств твердых диэлектриков показало, что некоторые из них поляризуются не только с помощью электрического поля, но и в процессе деформации при механических воздействиях на них.

Поляризация диэлектрика при механическом воздействии на него называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Этот эффект имеется у кристаллов кварца и у всех сегнетоэлектриков.

Чтобы его наблюдать, из кристалла вырезают прямоугольный параллелепипед, грани которого должны быть ориентированы строго определенным образом относительно кристалла. Две его противоположные грани покрывают металлическими обкладками А и В с отводами для подключения к электрической цепи (рис. 15.26, внизу — условное изображение пьезоэлемента).

IMG_20141001_0005_cr

При сдавливании параллелепипеда одна его грань заряжается положительно, а другая — отрицательно. Оказывается, что в этом случае плотность поляризационного заряда грани прямо пропорциональна давлению и не зависит от величины параллелепипеда. Если сжатие заменить растяжением параллелепипеда, то заряды на его гранях изменят знаки на обратные.

Прямой пьезоэлектрический эффект можно объяснить следующим образом. Все пьезокристаллы не имеют центра симметрии и состоят из положительных и отрицательных ионов. При этом положительные и отрицательные ионы в кристалле образуют как бы две самостоятельные подрешетки, вставленные одна в другую. Когда пьезокристалл сдавливают, то эти подрешетки сдвигаются друг относительно друга и одна поверхность кристалла заряжается положительно, а другая — отрицательно. При растяжении кристалла происходит обратный сдвиг подрешеток и знаки зарядов на поверхностях кристалла изменяются на обратные.

В технике прямой пьезоэлектрический эффект используется для устройства микрофонов, адаптеров (звукоснимателей) и т. д.

У пьезокристаллов наблюдается и обратное явление. Если пластинку, вырезанную из пьезокристалла, поместить в электрическое поле, зарядив металлические обкладки, то она поляризуется и деформируется, например, сжимается. При перемене направления внешнего электрического поля сжатие пластинки сменяется ее растяжением. Деформация кристаллов при поляризации под действием внешнего электрического поля называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Если пластинку из пьезокристалла поместить в переменное электрическое поле, то она будет пульсировать в такт изменениям поля. На этом основано применение обратного пьезоэлектрического эффекта для получения ультразвука, для устройства громкоговорителей, стабилизаторов частоты колебаний и т. д.