A. Пьезоэффект

Пьезоэлектрический эффект и его использование в технике

Если образец из сегнетоэлектрика сжимать вдоль направления остаточной поляризации, то в этом направлении будут уменьшаться размеры всего образца и каждой элементарной ячейки. При этом расстояние между центрами распределения положительного и отрицательного зарядов в ячейке и остаточная поляризация образца в целом также уменьшаются. В итоге будет уменьшаться и разность потенциалов между гранями образца, перпендикулярными направлению действия силы. При растяжении, наоборот, остаточная поляризация и соответствующая ей поверхностная плотность зарядов на гранях увеличиваются, что ведет к возникновению разности потенциалов, противоположной по знаку.

Явление возникновения поляризационных зарядов при деформации называют прямым пьезоэлектрическим эффектом. Оно было открыто братьями Кюри на кварце, не являющемся сегнетоэлектриком.

Оказывается, что все сегнетоэлектрики являются одновременно пьезоэлектриками, но далеко не все пьезоэлектрики обладают сегнетоэлектрическими свойствами.

Количественно пьезоэффект характеризуют пьезомодулем d\[~d = \frac qF\], где q — возникающий заряд, F — модуль деформирующей силы.

Существует также обратный пьезоэффект — появление деформации пьезоэлектрика при помещении его в электрическое поле. Это явление объясняется удлинением или укорачиванием элементарных ячеек под действием электростатического поля и, как следствие, — изменением размеров образца в результате итоговой макроскопической деформации. Деформация в этом случае, как показали исследования, прямо пропорциональна приложенной разности потенциалов и зависит от пьезомодуля.

Прямой и обратный пьезоэффекты нашли широкое применение в технике для преобразования механических колебаний в электрические и наоборот. Пьезоэлектрический элемент, например, находится в головке современного электрофона для воспроизведения грамзаписи.

Широкое применение нашли пьезоэлектрические микрофон и телефон, измерители вибраций, механических напряжении и т.д. Кварцевая пластинка, например, является мощным излучателем ультразвуковых волн, что используется в технике, биологии, медицине.

Пьезоэлектрические колебания применяются также для стабилизации частот генераторов электрических колебаний в радиотехнике.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 244.