Главная | Обратная связь

Физическая природа пьезоэффекта

Физическую природу пьезоэффекта рассмотрим на примере наиболее, известного пьезоэлектрического кристалла—кварца. На рис. 2.а, а показана форма элементарной ячейки кристаллической структуры кварца. Ячейка в целом электрически нейтральна, однако в ней можно выделить три направления, проходящие через центр и соединяющие две разнополярных зоны. Эти полярные направления называются электрическими осями или осями X, и по ним направлены векторы поляризации P₁, Р₂ и Р₃. Если к кристаллу кварца вдоль оси приложена сила F_x, равномерно распределенная по грани, перпендикулярной оси X, то в результате деформации элементарной ячейки ее электрическая нейтральность нарушается. При этом, как показано на рис. 2.б, в деформированном состоянии сумма проекций векторов Р₂ и Р₃ на ось Х становится меньше (при сжатии) или больше (при растяжении) вектора P₁. В результате появляется равнодействующая вектора поляризации, ей соответствуют поляризационные заряды на гранях, знаки которых для сжатия показаны на рис. 2.б. Нетрудно видеть, что деформация ячейки не влияет на электрическое состояние вдоль оси Y. Здесь сумма проекций векторов равна нулю, ибо Р_2у = P_3у. Образование поляризационных зарядов на гранях, перпендикулярных оси X, при действии силы по оси Х называется продольным пьезоэффектом.

При механических напряжениях, приложенных вдоль одной из осей Y (их называют механическими осями), геометрическая сумма проекций векторов P₂ и Р₃ на ось Y равна нулю, и на гранях пьезоэлемента, перпендикулярных оси Y, поляризационные заряды не образуются. Однако сумма проекций векторов Р₃ и Р₂ на ось Х оказывается не равной вектору P₁. Так, при сжатии пьезоэлемента, как показано на рис. 2.в, указанная сумма превышает Р₁, в результате на нижней грани образуются положительные заряды, а на верхней — отрицательные.Рассмотренный эффект образования зарядов на гранях, перпендикулярных нагружаемым граням, называется поперечным.

При равномерном нагружении со всех сторон (например, гидростатическое сжатие или тепловые напряжения и деформации) кристалл кварца остается электрически нейтральным, так же как и при нагружении по оси Z, перпендикулярной осям X и Y и называемой оптической осью кристалла.

Рисунок 2