§ 23. Пьезоэлектрические и пироэлектрические явления

Поляризация кристаллического диэлектрика может происходить не только под действием электрического поля, но в случае некоторых кристаллов (из числа не имеющих центра симметрии) поляризация может быть вызвана механическим, а также и термическим воздействием. Электрическую поляризацию кристалла, вызванную его растяжением или сжатием, называют пьезоэлектрическим эффектом, а поляризацию, происходящую при изменении температуры, называют пироэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрические явления впервые были детально изучены братьями и Кюри (1880) на кристаллах турмалина и кварца. Эти явления можно наблюдать также на кристаллах сахара, сегнетовой соли, цинковой обманки и др. Наибольший эффект дают кристаллы сегнетовой соли, но практически применяются главным образом кристаллы кварца, обладающие большей прочностью.

Кристалл кварца имеет одну ось симметрии третьего порядка (эту ось называют «оптической осью») и три перпендикулярные к ней оси симметрии второго порядка, образующие между собой углы в «электрические оси» (рис. 56). Для воспроизведения пьезоэлектрического эффекта из кристалла кварца вырезают прямоугольную пластинку с гранями, перпендикулярными к одной из электрических осей. Если такую пластинку сжимать или растягивать с боков (т. е. перпендикулярно к электрической оси — поперечный эффект), то на основных гранях пластинки вследствие поляризации появляются заряды противоположного знака, причем величина заряда строго пропорциональна сжимающей или растягивающей силе

здесь толщина пластинки, длина ее в направлении действия силы; выражены в сантиметрах, в динах.

Рис. 56. Кристалл кварца.

Если ту же пластинку сжимать или растягивать по толщине (т.е. параллельно электрической оси — продольный эффект), то на основных гранях пластинки появляются заряды, не зависящие от размеров пластинки:

Если растяжение заменить на сжатие, то та грань пластинки, которая была заряжена положительно, теперь зарядится отрицательно, а другая грань пластинки, которая имела отрицательный заряд, получит положительный заряд. Переход от поперечной (по отношению к электрической оси) деформации — например, от поперечного растяжения — к продольной деформации (к продольному растяжению) также сопровождается переменой знаков зарядов (рис. 57).

Построен ряд приборов, где использован пьезоэлектрический эффект. Хорошо разработан и часто применяется пьезоэлектрический манометр: сочетание пьезокварца с электрическими приборами, которые позволяют усиливать и регистрировать колебания потенциала на пьезокварце, вызываемые изменениями давления. Этот метод точного, безынерционного измерения быстро меняющихся давлений

позволил разрешить ряд научных вопросов и нередко применяется в технике.

Пьезоэлектрический эффект обратим. А именно, если кварцевую пластинку — пьезокварц — поместить в электрическое поле (например, снабдив грани пластинки электродами и подведя к ним противоположные по знаку заряды), то пластинка деформируется по толщине и длине, как бы стремясь пьезоэлектрическим эффектом ослабить электрическое поле. Толщина пьезокварцевой пластинки изменяется пропорционально разности потенциалов, приложенной к граням пластинки.

Обратный пьезоэлектрический эффект (изменение размеров пьезокварца в электрическом поле) представляет собой частный случай более общего явления электрострикции — изменения размеров твердых и жидких диэлектриков при электрической поляризации.

Рис. 57. а — поперечный пьезоэлектрический эффект; б - продольный пьезоэлектрический эффект.

Электрострикция пьезокварца используется "по идее Ланжевена (1925 г.) для возбуждения ультразвуковых колебаний посредством пьезокварцевых ультразвуковых генераторов.

Явление пироэлектричества обнаруживается почти у всех кристаллов. Однако нередко наблюдению этого явления препятствует электропроводность кристалла, вследствие которой образующиеся при нагревании или охлаждении заряды быстро стекают, нейтрализуются. Электризация возникает только вследствие процесса нагревания и охлаждения, и поэтому она наблюдается тем легче, чем быстрее происходит нагрев или охлаждение. Количество возникающего электричества примерно пропорционально разности температур. Отношение количества пироэлектричества к разности температур, вызвавшей электризацию, называют пироэлектрической постоянной:

Впервые пироэлектрические явления были обнаружены на кристаллах турмалина, но оказалось, что у кристаллов моногидрата сернокислого лития пироэлектрическая постоянная в 20 раз больше, чем у турмалина.

Теория пироэлектрических и пьезоэлектрических явлений была создана в 1914 г. С. А. Богуславским.