Електричні властивості

П’єзоефект (грецьк. «пієзо» – тисну) полягає у виникненні електричних зарядів на поверхні деяких кристалів при їх деформації (у відсутність електричного поля). Явище вперше відкрито в 1880 році французькими фізиками братами П'ером і Жаном Кюрі на кристалах кварцу, турмаліну і цукру.

Необхідна умова виникнення ефекту – відсутність в кристалах центру симетрії, тобто наявність у них геометрично полярних напрямів. Полярними називають такі напрями в кристалі, кінці яких не зв'язані елементами симетрії. Для кристала кварцу (рис.20) полярним напрямом є подвійна вісь симетрії, для турмаліну – потрійна. У зв'язку із тим, що присутність центру симетрії виключає можливість виникнення п'єзоефекту, п'єзокристали можуть належати лише симетрії до 20 класів.

Рис.20. Кристал кварцу SiО₂. Напрями X_I, X₂ і Х_З розташовані

уздовж осей симетрії другого порядку

Рис.21. Схема структури кварцу, що пояснює виникнення п'єзоефекту в пластині, вирізаній перпендикулярно осі симетрії третього порядку

А і В – бічні поверхні пластини, паралельні осі 3 і перпендикулярні осі 2;

а – початковий, ненапружений стан;

б і в – виникнення зарядів на поверхнях А і В при стисненні і розтягуванні.

У цих же кристалах спостерігається і зворотний п'єзоефект – якщо прикласти зовнішню різницю потенціалів, то виникаюча поляризація викликає пружну деформацію у вигляді розтягування або стиснення кристала.

П'єзоелектричні властивості кристалів кварцу, сегнетової солі, титаніту барію і деяких інших діелектриків широко застосовуються в електромеханічних перетворювачах, використовуваних в ультразвуковій техніці та дефектоскопії, гідроакустиці, радіомовленні, віброметрії, приладобудуванні як могутні джерела і приймачі ультразвукових коливань, акустичних антен, гідрофонів, резонаторів, фільтрів та інших приладів з дуже великим діапазоном частот: від декількох Гц у сейсмічних дослідженнях до 10 Гц в акустоелектроніці.

У 1756 році професор фізики Петербурзької академії наук Франц Епінус відкрив в турмаліні явище піроелектрики, характерне для деяких твердих діелектриків.

Піроелектрика– виникненння електричних зарядів на поверхні кристалів при нагріванні або охолоджуванні. На одному кінці піроелектрики при нагріванні з'являється позитивний заряд, при охолоджуванні – негативний, на іншому кінці – навпаки.

Піроефект – явище анізотропне, він виникає лише в строго певному напрямі, що є одночасно і полярним, і одиничним, наприклад, у кристалах турмаліну – тільки у його вершин. У кристалі турмаліну молекулярні диполі направлені уздовж осі L₃, такий кристал поляризований навіть за відсутності зовнішнього поля. Ці заряди компенсуються прилипаючими порошинками, що мають заряд, та іонами. Якщо кристал нагрівати або охолоджувати, то внаслідок теплового розширення компенсація заряду порушується і на поверхні кристала виникає заряд (швидкість зміни температури вища за швидкість релаксації заряду). Таким чином,піроелектрика– залежність природної поляризації від температури. Всі піроелектрики є і п’єзоелектриками (протилежне справедливо не для всіх кристалів).

Піроелектриками можуть бути кристали, що не мають ні центра симетрії, ні площин, ні осей симетрії, перпендикулярних вертикальному напряму встановленого кристала. Цим умовам відповідають кристали 10 класів симетрії.

Піроелектрики використовуються в техніці як приймачі випромінювання. Сонце гріє поверхню сонячних батарей, а кристали перетворять теплову енергію в електричну.

Піроелектрики уловлюють і реєструють зміни температури до 1059 °С, причому реєструють швидкі теплові зміни. За їх допомогою здійснюється «теплобачення» – перетворення інфрачервоних променів у видимі зображення.