п'єзоелектричний ефект
П'єзоелектричний ефект (скорочено п'єзоефект) спостерігається в анізотропних діелектриках, переважно в кристалах деяких речовин, що володіють певною, досить низькою симетрією. П'єзоефектом можуть володіти кристали, що не мають центру симетрії, а мають так звані полярні напрямки (осі). П'єзоефектом можуть володіти також деякі полікристалічні діелектрики з упорядкованою структурою (текстурою), наприклад керамічні матеріали і полімери. Діелектрики, що володіють п'єзоефектом, називають п'єзоелектрик.
Зовнішні механічні сили, впливаючи в певних напрямках на п'єзоелектричний кристал, викликають в ньому не тільки механічні напруги і деформації (як у всякому твердому тілі), а й електричну поляризацію і, отже, поява на його поверхнях пов'язаних електричних зарядів різних знаків. При зміні напрямку механічних сил на протилежне стають протилежними напрямок поляризації і знаки зарядів. Це явище називають прямим п'єзоефектом. П'єзоефект звернемо. При впливі на п'єзоелектрик, наприклад кристал, електричного поля відповідного напряму в ньому виникають механічні напруги і деформації. При зміні напрямку електричного поля на протилежне відповідно змінюються на протилежне напрямку напружень і деформацій. Це явище отримало назву зворотного п'єзоефекту.
Малюнок 1 - Схематичні зображення прямого (а, б) і зворотного (в, г) п'єзоефектів.
Стрілками Р і Е зображені зовнішні впливи - механічна сила і напруженість електричного поля. Штриховими лініями показані контури пьезоелектрика до зовнішнього впливу, суцільними лініями - контури деформації пьезоелектрика (для наочності у багато разів збільшені); Р - вектор поляризації.
У деяких джерелах для зворотного п'єзоефекту недоречно використовують термін електрострикція, що відноситься до подібного, але іншій фізичній явищу, характерному для всіх діелектриків, деформації їх під дією електричного поля. Електрострикція - парний ефект, що означає, що деформація не залежить від напрямку електричного поля, а її величина пропорційна квадрату напруженості електричного поля. Порядок деформацій при електрострикції набагато менше, ніж при п'єзоефекті (приблизно на два порядки). Електрострикція завжди виникає і при п'єзоефекті, але внаслідок малості в розрахунок не береться. Електрострикція - ефект незворотний.
Прямий і зворотний п'єзоефект лінійні і описуються лінійними залежностями, що зв'язують електричну поляризацію Р з механічним напругою t: P = dt. Дану залежність називають рівнянням прямого п'єзоефекту. Коефіцієнт пропорційності d називається п'єзоелектричним модулем (п'єзомодуль), і він служить мірою п'єзоефекту. Зворотний п'єзоефект описується залежністю: r = dE де r - деформація; Е - напруженість електричного поля. П'єзомодуль d для прямого і зворотного ефектів має одне і те ж значення.
Наведені вирази дані в елементарній формі тільки для з'ясування якісної боку п'єзоелектричних явищ. Насправді п'єзоелектричні явища в кристалах більш складні, що обумовлено анізотропією їх пружних і електричних властивостей. П'єзоефект залежить не тільки від величини механічного або електричного впливу, але і їх характеру та напрямки сил щодо крісталлофіческіх осей кристала. П'єзоефект може виникати в результаті дії як нормальних, так і дотичних напружень. Існують напрямки, для яких п'єзоефект дорівнює нулю. П'єзоефект описується декількома п'єзомодуль, число яких залежить від симетрії кристала. Напрямку поляризації може співпадати з напрямом механічної напруги або складати з ним деякий кут. При збігу напрямків поляризації і механічної напруги п'єзоефект називають поздовжнім, а при їх взаємно перпендикулярному розташуванні - поперечним. За направлення дотичних напружень приймають нормаль до площини, в якій діють напруги.
Малюнок 2 - Схематичні зображення, що пояснюють поздовжній (а) і поперечний (б) пьезоеффекти
Деформації пьезоелектрика, що виникають внаслідок п'єзоефекту, досить незначні за абсолютною величиною. Наприклад, кварцова пластина товщиною 1 мм під дією напруги 100 В змінює свою товщину всього на 2,3х10 -7 мм. Незначність величин деформацій пьезоелектріков пояснюється їх дуже високою жорсткістю.