В 1880 году братья Жак и Пьер Кюри обнаружили, что при растяжении и сжатии некоторых естественных кристаллов, на гранях возникали электрические заряды. Братья назвали это явление пьезоэлектрическим (в переводе с греч. «пьезо» означает «давить»), а сами кристаллы назвали пьезоэлектрическими кристаллами. Позже выяснилось, что пьезоэлектрический эффект присущ ряду кристаллов, которые принадлежат к определенным кристаллографическим классам.
Суть пьезоэлектрического эффекта в том, что электрическая поляризация может возникать в кристалле в результате действия механического напряжения или деформации, величина и знак которых зависит зависят от приложенного напряжения. Это явление носит название – прямой пьезоэффект. Впервые прямой пьезоэффект братья Кюри открыли у кристалла турмалина. Они обнаружили, что если на кристалл в определенном направлении оказывать механическое давление, то на противоположных сторонах кристалла создаются электрические заряды, которые пропорциональны давлению и противоположной полярности. Позже они также обнаружили аналогичный эффект в кварце и многих искусственно выращенных кристаллах.
После этого в 1881 г. был подтвержден и обратный пьезоэлектрический эффект – механическая деформация кристалла, которая вызвана приложенным электрическим полем.
Яркий образец проявления прямого пьезоэффекта можно посмотреть на модели, имитирующей структуру кварца SiO2.(рис.1) Рентгеноструктурный анализ показывает, что основой структура кварцаSiO2 являются винтовые цепочки тетраэдров SiO4, которые расположены вдоль оптической оси. (рис. 1а)
Рис.1. Структурная ячейка кварца (а), схема структуры кварца (б) и возникновение пьезоэлектрического эффекта (в,г).
1,3,5-ионы кремния; 2,4,6-ионы кислорода
В структуре кристалла каждый ион кремния Si, который обладает положительным зарядом +4е, тетраэдрически охвачен четырьмя иoнами и чередуются с отрицательными ионами кислорода -2e, и каждый из ионов кислорода одновременно связан с двумя ионами кремния, причем на один ион кремния требуется по два иона кислорода согласно формуле SiO2. Однако заряды всех ионов кристаллической ячейки компенсируют друг друга, и она электрически нейтральна. Если мы наблюдаем каждую пару ионов кислорода, как частицу с зарядом -4e, то структурная ячейка, показанная на (рис. 1а), примет вид, представленный на (рис. 1б). Предположим, что на эту ячейку действует внешняя сила в направлении электрической оси Х (рис. 1в), тогда ион Si-1 сместится и окажется между ионами О-2 и О-6, а ион О-4 находится в середине ионов Si-3 и Si-5. Поэтому на одной поверхности появится положительный заряд, а на другой- отрицательный, а значит будет прямой пьезоэффект.
В недеформированной ячейке совпадают центры положительных и отрицательных зарядов (рис.1б). Если же внешнее давление будет приложено также, как указано на рис. 1в и 1г, то ионы будут смещаться так, что образуются электрические диполи, и кристалл становится поляризованным. Изменение знака усилия вызывает перемену знака зарядов.
Из этой модели следует, что пьезоэлектрический эффект анизотропен, то есть он в различных направлениях проявляется по-разному. Если в вертикальном направлении приложить механические усилия (рис.1в), то пьезоэффект окажется продольным, так как возникает поляризация в том же направлении (рис. 1г), то пьезоэффект оказывается поперечным. В любых случаях, когда данная модель находится в горизонтальном направлении поляризация не происходит.
Используя модель структурной ячейки (рис.1а), можно объяснить появление пьезоэлектрического эффекта, а также отсутствие асимметрии в расположении зарядов в направлении оси третьего порядка при сжатии и растяжении кварца. Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты применяется для стабилизации частоты. При повторяющемся изменении электрического поля, приложенного к кристаллу, например кварца, в последнем возникают резонансные механические колебания, если частота изменения поля равна одной из собственных частот кристалла. Такие механические колебания, использующие обратный пьезоэффект, создают очень сильные электрические колебания, которые сильно влияют на возбудившую их электрическую цепь. Частота собственных колебаний пьезоэлектрического кристалла находится его геометрическими размерами и физическими свойствами.
В качестве пьезоэлектрических материалов, помимо кварца, могут использоваться турмалин, виннокислые этилендиамин и калий, различные керамики, такие как титанат бария и многие другие моно- и поликристаллов. Однако ни один из них по сегодняшний день не стал довольно сильным конкурентом кварцу из-за того, что кварц совмещает в себе множество преимуществ. Эти преимущества включают тот факт, что кристаллы кварца представляют собой почти идеально упругие тела, имеют незначительное внутреннее трение, высокую механическую и термическую прочность, и наблюдаются в природе в виде чрезвычайно крупных образований. К тому же, на сегодняшний день в большинстве странах мира разработано промышленное производство синтетических кристаллов кварца, чуть ли не уступающие по качеству природным. Одно из ведущих мест в этой отрасли принадлежит нашей стране.
Литература:
- Физика твердого тела. Лабораторный практикум. В 2т./ Под ред. Проф. А. Ф. Хохлова. Том 2. Физические свойства твердых тел-2-е изд., М.: Высшая шк., 2001 г.
- Кэдп У., Пьезоэлектричество и его практическое применение, пер. с англ., М., 1949;
- Д. В. Сивухин. Общий курс физики. Т. I. Механика.- Москва.:1979.
- Берлинкур Д., Керран Д., Жаффе Г., Пьезоэлектрические и пьезомагнитные материалы и их применение в преобразователях // Физическая акустика/ под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. А, М., 1966;
- http://www.lit-phonon.ru/page1/03/1
