Сущность эффекта

Пьезоэлектрический эффект

Прямой пьезоэффект

 

Прямой эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 г.

Сущность эффекта

 

Внешние механические силы, воздействуя в определённых направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нём не только механические напряжения и деформации (как во всяком твёрдом теле), но и электрическую поляризацию и, следовательно, появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков (рис 1). При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Это явление называют прямым пьезоэффектом. Плотность пьезоэлектрических зарядов пропорциональна величине вектора поляризации Р.

 

Рис. 1

 

Рис. 2

Пьезоэффект зависит не только от величины механического или электрического воздействия, но и их характера и направления сил относительно кристаллофических осей кристалла. Пьезоэффект может возникать в результате действия как нормальных, так и касательных напряжений. Существуют направления, для которых пьезоэффект равен нулю (если усилие приложено по оси Z (в кристалле кварца это оптическая ось)). Пьезоэффект описывается несколькими пьезомодулями, число которых зависит от симметрии кристалла. Направления поляризации может совпадать с направлением механического напряжения или составлять с ним некоторый угол. При совпадении направлений поляризации и механического напряжения пьезоэффект называют продольным, а при их взаимно перпендикулярном расположении – поперечным (Рис. 2). За направление касательных напряжений принимают нормаль к плоскости, в которой действуют напряжения. Так же пьезоэффект может быть сдвиговым.

В некоторых источниках для обратного пьезоэффекта неуместно используют термин электрострикция, относящийся к сходному, но другому физическому явлению, характерному для всех диэлектриков, деформации их под действием электрического поля. Электрострикция - четный эффект, означающий, что деформация не зависит от направления электрического поля, а ее величина пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. Порядок деформаций при электрострикции намного меньше, чем при пьезоэффекте (примерно на два порядка). Электрострикция всегда возникает и при пьезоэффекте, но вследствие малости в расчет не принимается. Электрострикция - эффект необратимый. Также пьезоэффекты наблюдаются только в кристаллах, не имеющих центра симметрии. (В кристаллах, обладающих центром симметрии, пьезоэффект невозможен.