4.7.6. Пьезоэффект, пьезоэлектрики

Как мы увидели пондеромоторные силы F, соответствующие электрострикции пропорциональны квадрату напряженности электрического поля ~E². Эти силы надо отличать от подобных сил, но пропорциональных ~E . Такие силы F ~ E появляются в диэлектриках, которые называют пьезоэлектриками, а само явление называют пьезоэффектом.

Пьезоэлектрики – кристаллические вещества, в которых при сжатии и растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация в отсутствии внешнего электрического поля E.

Существуют обратный и прямой пьезоэффекты.

Обратный пьезоэффект – появление силы F и соответствующей ей деформации в пьезоэлектрике при наложении электрического поля E в определенном направлении (при этом F ~ E) и, как следствие, изменение линейных размеров δℓ диэлектрика в этом направлении, пропорциональной напряженности поля E (δℓ = γE), согласно закону Гука.

Прямой пьезоэффект – при сжатии или растяжении пьезоэлектрика в определенном направлении в нем возникает поляризация P, даже в отсутствии внешнего электрического поля E, и Э.Д.С. (электродвижущая сила), как следствие появившихся нескомпенсированных связанных зарядов. При этом поляризация P пропорциональна силе F, и, соответственно, механическим напряжениям σ, появляющихся под ее действием (σ ~ F). В общем случае, когда присутствует еще и внешнее электрическое поле E

P = σd + æE,

Где d – пьезоконстанта, точнее одна из пьезоконстант – их 18 штук (отражающих совокупность сжатия и растяжения по трем координатам, сдвиги в плоскости перпендикулярной каждой оси).

Пьезоэффект наблюдается в кристаллах, не имеющих центральной симметрии. В кристаллах, имеющих центральную симметрию, пьезоэффект невозможен.

Наличие какой-либо симметрии в кристалле (плоскостная, осевая симметрии) ограничивает появление пьезоэффекта в некоторых направлениях.

Пьезоэффект может наблюдаться и в не кристаллических диэлектриках за счет образования так называемой пьезоэлектрической текстуры, например, поляризацией в электрическом поле (пьезокерамика) или механической обработкой (древесина) и др.

Пьезоэлектрики находят широкое применение – пьезодатчики, точное перемещение поверхностей по необходимому закону, который задается изменения и т. д., в акустооптике и т.д.