Пьезоэлектрики

Поляризация под действием механических напряжений является особым механизмом поляризации.

Как известно, обязательным следствием напряжений в упругом теле является деформация, величина которой определяет­ся модулем упругости. Лишь в сравнительно немногих кристаллах помимо деформации обнаруживается еще и поляризованность. Материалы, способные поляризоваться в отсутствие внешнего электрического поля под действием механических напря­жений, называются пьезоэлектриками, а физическое явление, сопровождающей деформацию, — пьезоэффектом. Его причиной служит смещение положительных и отрицательных ио­нов или отдельных фрагментов молекул в кристаллах, не имею­щих центра симметрии (рис. 2.3). Пьезоэффект в них можно вызвать не только чистым сжатием или растяжением, как показано на рисунке, но и изгибом, скручиванием, сдвигом.

Рис. 2.3. Возникновение прямого пьезоэффекта

Важная особенность пьезоэффекта, резко расширяющая обла­сти его практического применения — обратимость, то есть деформа­ция кристалла во внешнем электрическом поле. Схематично пьезоэффект представлен на рис.2.4.

Рис.2.4. Схема возникновения прямого и обратного пьезоэффектов

Явление, сходное с обратным пьезоэффектом — удлинение кристалла вслед­ствие поляризации под действием электрического поля, — наблюдается во всех без исключения диэлектриках и называется электрострикцией. Признаки, отли­чающие пьезоэффект от электрострикцпи: 1) линейная зависимость деформации от напряженности поля, тогда как при электрострикции эта зависимость квадра­тична; 2) электрострикция необратима, механические напряжения в материалах, не являющихся пьезоэлектриками, не приводят к поляризации; 3) электрострикционная деформация значительно меньше, чем пьезоэлектрическая.

Первым применением пьезоэлектриков была ультразвуковая подводная локация, основанная на том, что в результате обрат­ного пьезоэффекта в воду излучаются механические колебания высокой частоты — ультразвук. Отраженные сигналы (звуковое эхо) принимаются другим кристаллом и преобразуются в электри­ческий сигнал с помощью прямого пьезоэффекта. Пьезоэффект широко используется в бытовых приборах. Так, на прямом пьезоэффекте действуют источники высокого напряже­ния в зажигалках, пьезозвукосниматели, пьезомикрофоны, датчи­ки давления и перемещений. На обратном пьезоэффекте основано действие пьезотелефонов, пьезозвонков, пьезоэлектрических безоб­моточных двигателей и микропозиционеров. В радиоэлектронике наибольшее значение имеют пьезоэлектрические преобразователи: резонаторы, излучатели, вибраторы, основным элементом кото­рых являются детали простой формы (пластины, стержни, диски) из пьезоэлектрика с нанесенными на них контактами. Такие пьезопреобразователи выполняют в РЭА функции стабилизаторов частоты, высокоизбирательных фильтров, стандартов частоты.

В технике большое применение находят мо­нокристаллы простых и сложных оксидов—кварц, ниобат и танталат лития (LiNbO₃ и LiTaO₃), а также пьезокерамика.