14.П'єзоелектричний ефект

В 1880 році брати П’єр і Жак Кюрі виявили, що деякі кристали, які зазнали деформації стиснення або розтягнення в певних напрямках, поляризуються, і на їх гранях з’являються зв’язані заряди. Це явище одержало назву прямого п’єзоелектричного ефекту. Кристали, в яких спостерігається цей ефект, повинні бути іонними. Відносне зміщення підграток позитивних і негативних іонів при деформації приводить до поляризації кристалів. Але не всі іонні кристали мають ці властивості. Якщо підгратки деформуються однаково, то їх відносне зміщення не відбувається, і п’єзоелектричний ефект не спостерігається. До таких кристалів належать, наприклад, кристали з кубічною граткою типу NaCl або CsCl. Для існування п’єзоефекту необхідно, щоб іонний кристал не мав центру інверсії, тобто такої точки, відображення в якій суміщає кристал із самим собою (в ідеальному кристалі центр інверсії є завжди). В кристалі, в якому немає центру інверсії, існують так звані полярні осі, тобто такі осі, два напрями яких нерівнозначні. Поворот кристалу на 180 навколо будь якої прямої, перпендикулярної до полярної осі, не суміщає його із самим собою. Деформація іонного кристалу вздовж цих осей приводить до його поляризації.

Існує поздовжній і поперечний обернений п’єзоефект. При прикладенні електричного поля вздовж полярної осі змінюються розміри кристалу вздовж неї (поздовжній ефект) і перпендикулярно до неї (поперечний ефект) в залежності від напрямку поля. Об’єм кристалу при цьому не змінюється, тому що, якщо один розмір зменшується, то другий збільшується. Зміна товщини пластини не залежить від її лінійного розміру , а тільки від прикладеної різниці потенціалів. Дійсно, при збільшенні товщини пластини в напрямку поля повинно було б збільшитись, але при заданій різниці потенціалів зменшується поле , яке відповідає за деформацію. Знак оберненого п’єзоефекту визначається правилом: якщо для отримання на поверхні кристалу негативного заряду необхідне стиснення, то для його одержання на металічну пластину треба подати позитивний заряд. Механізм оберненого п’єзоефекту зрозумілий із наведених вище міркувань для прямого ефекту: при подаванні різниці потенціалів на пластини конденсатору поле, що виникає, зміщує позитивні та негативні іони в протилежні боки, комірка і кристал деформуються. Обернений п’єзоефект (хоч і нагадує) відрізняється від електрострикції. Остання спостерігається у всіх діелектриках і залежить від , тобто зміна напрямку поля не змінює знак деформації. Обернений п’єзоефект спостерігається лише в іонних кристалах, які не мають центру інверсії, лінійно залежить від і, отже, змінює знак при зміні напрямку поля. Практичне застосування прямого і оберненого п’єзоефекту дуже широке. Ми лише згадаємо п’єзоелектричні манометри, стабілізатори частоти і фільтри в радіотехніці, п’єзоелектричні датчики в автоматиці і телемеханіці, віброметри, звукознімачі, мікрофони, телефони, тощо. Велике значення має запропонований Ланжевеном п’єзоелектричний випромінювач ультразвукових хвиль та їх приймач, які використовуються у гідролокації.