Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект заключается в образовании в кристаллическом ма­териале электрических зарядов при приложении к нему механических напряже­ний. Этот эффект наблюдается в природных кристаллах, таких как кварц (хими­ческая формула Si0₂), поляризованных керамических материалах и некоторых по­лимерах, например, в поливинилиденфториде.

В 1927 году А. Мейснер [3] предложил упрощенную модель для объяснения пьезоэлектрического эффекта. Кристалл кварца в этой модели представлен в виде элементарных ячеек, состоящих из атомов Si и спаренных атомов 0₂ (рис. 3.21). Кварцевый кристалл имеет срезы вдоль осей х, у и z. На рис. 3.21 показано попе­речное сечение вдоль оси z- В элементарную монокристаллическую ячейку вхо­дят три атома кремния и шесть атомов кислорода. Каждый атом кремния облада­ет четырьмя положительными зарядами, а каждая пара атомов кислорода — че­тырьмя отрицательными (по два на атом). Поэтому без приложения механичес­ких напряжений кварцевая ячейка является электрически нейтральной. Когда вдоль оси х прикладывается внешняя сила F_x, кристаллическая решетка дефор­мируется. На рис. 3.21Б показано, как сдавливающая сила сдвигает атомы крис­талла таким образом, что положительный атом кремния перемещается на одну сторону решетки, а отрицательно заряженная пара атомов кислорода — на дру­гую. В результате чего вдоль оси у наблюдается перераспределение зарядов. Если кристалл растянуть вдоль оси х (рис. 3.21В), в результате деформации растяжения заряды перераспределятся вдоль оси у в противоположном направлении. Эта уп­рощенная модель показывает, как на поверхности кристаллического материала могут образовываться электрические заряды в ответ на приложенное механичес­кое воздействие. Подобное объяснение может быть дано пироэлектрическому эф­фекту, описанному в этом же разделе.

Рис. 3.21 Пьезоэлектрический эффект кварцевого кристалла

Пьезоэлектрический эффект является обра­тимым физическим явлением Это означаем что приложенное к кристаллу электрическое напря­жение приводит к появлению механической де­формации Если разместить на кристалле не­сколько электродов и на одну пару из них подать напряжение, на остальных парах электродов бу­дет накапливаться заряд, сформированный из-за возникшей деформации Такой прием достаточ­но широко применяется в разных типах пьезоэ­лектрических преобразователей

Пьезоэлектрический эффект можно оце­нить через вектор поляризации [4]

Р=Р_xx + Р_vv +Р_u

Пьезоэлектрические кристаллы являются прямыми преобразователями механи­ческой энергии в электрическую. Эффективность такого преобразования может быть выражена через, так называемый, коэффициент связи к_mn

Эти коэффициенты являются очень важными характеристиками для случаев, где необходимо обеспечивать высокую эффективность передачи энергии, например, в акустических и ультразвуковых датчиках.

Величина заряда, генерируемого на поверхности пьезоэлектрического крис­талла, пропорциональна силе, приложенной, например, в направлении оси х.

Q_x=d₁₁F_x. (3.68)

Рис. 3.25 Параллельное (А) и последовательное (В) соединения слоев в пьезоэ­лектрическом датчике и их соответствующие эквивалентные схемы (Б и Г)