Пьезоэлектрический эффект

Изучение свойств твердых диэлектриков показало, что некоторые из них поляризуются не только с помощью электрического поля, но и в процессе деформации при механических воздействиях на них. Поляризация диэлектрика при механическом воздействии на него называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Этот эффект имеется у кристаллов кварца и у всех сегнетоэлектриков. Чтобы его наблюдать, из кристалла вырезают прямоугольный параллелепипед, грани которого должны быть ориентированы строго определенным образом относительно кристалла. При сдавливании параллелепипеда одна его грань заряжается положительно, а другая — отрицательно. Оказывается, что в этом случае плотность поляризованного заряда грани прямо пропорциональна давлению и не зависит от размеров параллелепипеда. Если сжатие заменить растяжением параллелепипеда, то заряды на его гранях изменяют знаки на обратные.

У пьезокристаллов наблюдается и обратное явление. Если пластину, вырезаннуюиз пьезокристалла, поместить в электрическое поле, зарядив металлические обкладки, то она поляризуется и деформируется, например сжимается. При перемене направления внешнего электрического поля сжатие пластинки сменяется ее растяжением (расширением). Такое явление называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Чтобы воспринять изменение заряда или напряжения, к пьезоэлектрическому материалу подсоединяют две металлические пластины, которые фактически образуют пластины конденсатора, емкость которого определяется соотношением:

(21)

где Q — заряд; U— напряжение.

На практике в качестве пьезоэлектрического материала применяются кристаллы кварца, рочелиевая соль, синтетические кристаллы (сульфат лития) и поляризованная керамика (титанат бария).

Кварцевые пластины широко используются в пьезоэлектрических микрофонах, охранных датчиках, стабилизаторах генераторов незатухающих колебаний. На рис. 12 показано устройство пьезоэлектрического микрофона. Когда звуковое давление Р отклоняет диафрагму 1, ее движение вызывает деформацию пьезоэлектрической пластины 2, которая, в свою очередь, вырабатывает электрический сигнал на выходных контактах.

Рис. 12. Устройство пьезоэлектрического микрофона