П’єзоелектричний ефект. Електортрострикція

Деякі кристали, що не мають центра симетрії, (в тім числі і всі сегнетоелектрики), при деформації у певних напрямах поляризуються. Явище виникнення на гранях кристалів зв’язаних електричних зарядів протилежних знаків внаслідок їх деформації називають прямим п’єзоелектричним ефектом. Величина поляризації пропорційна деформації, а отже, і величині механічної напруги.

Механізм виникнення п’єзоелектричного ефекту можна уявити таким. Кристалічну решітку таких кристалів можна уявити як таку, що складається з кількох простих підрешіток, утворених іонами різних знаків, вставлених одна в іншу. Якщо кристал не має центру симетрії, то при деформації відбувається зсув однієї підрешітки відносно іншої, внаслідок чого діелектрик поляризується.

Типовим представником п’єзоелектриків може бути кристал кварцу. Якщо із кристалу кварцу (гексагональна сингонія, див.[5]) вирізати пластинку, перпендикулярну до осі  і впродовж осі с (рис.2.10, а) і піддати її деформації стискання вподовж осі а (рис.2.10, б), то на гранях пластинки виникнуть заряди. Те саме відбудеться, якщо  пластинку  розтягнути  вподовж  осі O ’ O ’,

перпендикулярної до осей а та с (рис.2.10, в). В першому випадку ефект називають подовжнім (відносно осі а), у другому – поперечним. При зміні напряму деформації на протилежний змінюється знак поляризації. Якщо до граней такої пластини прикласти провідні замкнені пластини, то при деформації п’єзоелектрика в мережі будуть виникати імпульси електричного струму. Такі процеси мають місце, наприклад, в п’єзоелектричних мікрофонах, де кристал поляризується під дією звукової хвилі.

При поляризації кристала в зовнішньому електричному полі спостерігається його деформація, величина якої пропорційна величині напруженості поля. Це явище називають оберненим п’єзоелектричним ефектом. Якщо на пластину подати змінну електричну напругу, то в пластині збуджуються механічні коливання, які будуть особливо інтенсивними, коли частота змінної напруги співпадає з власною (резонансною) частотою пластини. Цей ефект малоінерційний, що дає можливість збуджувати ультразвукові коливання.

Використовують п’єзоелектричні матеріали для виготовлення п’єзодатчиків та акустичних генераторів. З них виготовляють адаптери для відтворення звуку, різні прилади для вимірювання частоти і амплітуди вібрацій двигунів, літаків, тощо (див. [1]). Отримання і дослідження нових п’єзоелектричних речовин є однією з прикладних проблем фізики діелектриків.

Окрім п’єзоелектричного ефекту для вказаного типу кристалів всім діелектрикам (твердим, рідинам, газам) притаманне явище електрострикції – зменшення їх об’єму в зовнішньому електричному полі. При цьому деформація не залежить від напряму напруженості поля, оскільки вона пропорційна квадрату напруженості: . Деформація твердих і рідинних діелектриків незначна. Однак під дією поля частоти w діелектрик коливається з частотою 2 w, що дає можливість використовувати їх для перетворення частоти коливань.