Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект

Известно, что звук слышимого диапазона можно воспроизвести обычным электродинамическим громкоговорителем, который превращает электрические колебания в механические. Уловить звук слышимого диапазона можно с помощью электродинамического микрофона, который превращает механические колебания в электрические. Однако эти приборы не годятся для УЗ колебаний, так как подвижная часть этих приборов обладает очень большой инерцией и не сможет колебаться с частотой УЗ. Значит для улавливания и излучения УЗ нужно использовать другое техническое решение. Такое решение существует. В его основе лежит такое физическое явление, как пьезоэлектрический эффект. Он основан на свойстве некоторых монокристаллов создавать на своих гранях электрические заряды при их деформации внешней силой (прямой пьезоэлектрический эффект); а также деформироваться при приложении к их граням электрического напряжения (обратный пьезоэлектрический эффект).

Рассмотрим монокристалл кварца. Он представляет собой окись кремния

(Si O). Его кристаллическая решётка имеет следующий вид:

То направление, вдоль которого этот шестигранник вытянут (в данном случае это- вертикальная ось), называется главной осью кристалла. Видно, что в данной решётке в узлах стоят положительные и отрицательные ионы. Но здесь соблюдается баланс: количество положительных и отрицательных ионов одинаково, поэтому все положительные и отрицательные ионы взаимно друг друга компенсируют и кристалл в целом является нейтральным. Верхний (по схеме) положительный заряд компенсируется двумя отрицательными: положительный заряд – один, но он ближе, а отрицательных – два, но они дальше по отношению к внешней среде, так что баланс соблюдается. Аналогичная ситуация наблюдается и с противоположной стороны кристалла. Так что в кристалле полностью соблюдается баланс зарядов. Кроме того, как было сказано выше, каждый элемент кристаллической решётки диполем не является.

Если теперь этот элемент кристаллической решётки подвергнуть деформации растяжения вдоль его главной оси, то, как видно из чертежа, положительный ион вытянется в одну сторону, а отрицательный – в другую и баланс зарядов на концах элемента решётки нарушится и этот элемент превратится в диполь. Как видно из чертежа сверху появится плюс, а снизу – минус. Но весь кристалл состоит из множества элементарных ячеек, поэтому на гранях кристалла, перпендикулярных его главной оси, появится разность потенциалов.