10. Пьезоэлектрики

Некоторые кристаллы, не имеющие центра симметрии (в том числе все сегнетоэлектрики), при деформации поляризуются. Это явления называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Величина поляризации пропорциональна деформации, а следовательно, и механическому напряжению. При изменении знака деформации знак поляризации также меняется на обратный.

Важнейшими пьезоэлектриками (пьезоэлектрическими кристаллами) являются кварц, сегнетова соль, метатитанат бария.

Кристаллы кварца принадлежат к гексагональной системе. Если вырезать из кристалла кварца пластинку, перпендикулярную к кристаллической оси и подвергнуть ее сжатию вдоль этой оси, то на гранях пластинки появляются связанные заряды. То же самое происходит, если пластинку подвергнуть сжатию в перпендикулярном направлении. В первом случае эффект называют продольным, во втором – поперечным. При изменении знака деформации, т.е. при растяжении на гранях пластинки появляются связанные заряды другого знака. Для практического использования пьезоэлектрического эффекта на грани пластинки накладывают металлические обкладки. Если эти обкладки включить в замкнутую цепь, то при изменениях деформации кристалла в цепи будут возникать импульсы тока.

Пьезоэлектрический эффект имеет следующее объяснение. Решетку всякого кристалла можно представить в виде нескольких образованных разными атомами или группами атомов более простых решеток, вставленных друг в друга. Если кристалл не имеет центра симметрии, то при деформации происходит сдвиг простых решеток друг относительно друга, который может вызвать у кристалла появление электрического момента.

Наряду с прямым эффектом у пьезоэлектрических кристаллов наблюдается обратный эффект, заключающийся в том, что поляризация под действием электрического поля сопровождается механическими деформациями кристалла. Таким образом, если на металлические обкладки пластинки из пьезоэлектрика подать переменное электрическое напряжение, то пластинка будет попеременно растягиваться и сжиматься, т.е. в ней возбудятся механические колебания. Эти колебания станут особенно интенсивными, если частота переменного напряжения совпадает с собственной (резонансной) частотой пластинки. Такие настроенные в резонанс пьезоэлектрические пластинки используются для возбуждения ультразвуковых волн, для стабилизации частоты генераторов электрических колебаний в радиотехнике.

У некоторых пьезоэлектриков решетка положительных ионов в состоянии термодинамического равновесия смещена относительно решетки отрицательных ионов, в результате чего они оказываются электрически поляризованными даже без внешнего электрического поля. Такие кристаллы называются пироэлектриками. Еще существуют электреты - диэлектрики, длительно сохраняющие поляризованное состояние после снятия внешнего электрического поля (электрические аналоги постоянных магнитов). Эти группы веществ находят широкое применение в технике и бытовых устройствах.

11. Применение диэлектриков

В физическом эксперименте и технике диэлектрики используются прежде всего как электроизоляционные материалы. Для этого необходимы диэлектрики с большими удельными сопротивлениями. Примерами хороших изоляторов являются янтарь, фарфор, стекло, эбонит, резина, шелк и газы при комнатных температурах. Важно, чтобы в местах крепления проводов линий электропередач заряды не уходили с проводов в окружающие предметы, поэтому их всегда располагают на специальных изолирующих креплениях – изоляторах. Внутри здания обычно прокладывают провода, изолированные вдоль всей длины обмоткой или трубкой из резины или специальной пластмассы, или слоем лака.

Диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью  используются как конденсаторные материалы (ёмкость конденсатора, заполненного диэлектриком, возрастает в  раз).

Пьезоэлектрики широко применяются для преобразований звуковых колебаний в электрические и наоборот (приемники и излучатели звука). Пироэлектрики служат для индикации и измерения интенсивности ИК-излучения. Сегнетоэлектрики применяются для создания нелинейных элементов, входящих в состав различных радиотехнических устройств (усилители, стабилизаторы частоты и преобразователи электрических сигналов, схемы регулирования и др).

Чистые диэлектрики прозрачны в оптическом диапазоне. Вводя в диэлектрик примеси, можно окрасить его, сделав непрозрачным для определенной области спектра (фильтры). Диэлектрические кристаллы используются в квантовой электронике (в лазерах и квантовых усилителях СВЧ и т.д.).