(от греч. piézo - давлю и Электричество)
явления возникновения поляризации диэлектрика (См.
Диэлектрики) под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект) и возникновения механических деформаций под действием электрического поля (обратный пьезоэлектрический эффект). Прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты наблюдаются в одних и тех же кристаллах - пьезоэлектриках. Первое подробное исследование пьезоэлектрических эффектов сделано в 1880 братьями Ж. и П.
Кюри на кристалле
Кварца
. В дальнейшем пьезоэлектрические свойства были обнаружены более чем у 1500 веществ, из которых широко используются
Сегнетова соль,
титанат бария и др. (см.
Пьезоэлектрические материалы).
Пьезоэлектрические свойства кристаллов связаны с их структурой. Ими обладают все
Пироэлектрики (спонтанно поляризованные диэлектрики). При механической деформации пироэлектрика меняется величина его спонтанной поляризации, что и наблюдается как прямой пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрические эффекты наблюдаются также в некоторых непироэлектриках (например, у кварца). Справедливо общее утверждение: кристаллы, обладающие центром симметрии, не могут быть пьезоэлектриками. Это объясняется тем, что при деформации кристалла центр симметрии сохраняется, а при наличии центра симметрии не может быть поляризации (
рис. 1,
2). Наличие других элементов симметрии (оси, плоскости симметрии) может "запрещать" появление поляризации в определённых направлениях или при некоторых определённых деформациях (см.
Симметрия кристаллов).
Количественными характеристиками П. в данном кристалле является совокупность пьезоконстант и пьезомодулей - коэффициент пропорциональности между электрическими величинами (напряжённость электрического поля
Е, поляризация
P) и механическими величинами (механические напряжения σ
, относительные деформации
u)
. Например,
P =
dσ
. Коэффициент
d и есть одна из пьезоконстант. Т. к. произвольное механическое напряжение может быть представлено как совокупность 6 независимых напряжений, а вектор поляризации
P имеет 3 независимых компоненты, то в общем случае может быть 18 разных пьезоконстант
d. Однако симметрия кристалла ограничивает число независимых и отличных от нуля пьезоконстант. Величина
d зависит от условий опыта, а именно: она имеет одно значение
d, если заряд на обкладках конденсатора (
рис. 3) поддерживать равным нулю, и другое значение
d', если обкладки конденсатора закорочены, т. е.
Е = 0. Поэтому соотношение
P =
dσ
целесообразно записывать, например, в виде:
P =
d'σ + χ
Е. Величины
d и
d' связаны соотношением
d'=
dε
, где ε -
Диэлектрическая проницаемость кристалла.
Пьезоконстантами называются также коэффициенты r, g, h в соотношениях P = ru + χ'Е, u = S'σ + hP, u = S'σ + hE и т.п. Все пьезоконстанты d, r, g, h связаны друг с другом, так что при описании пьезоэлектрических свойств кристалла можно ограничиться только одной, например d. Характерная величина пьезоконстанты d в системе СГСЭ составляет для кварца 3․10-8. Существенно больших величин могут достигать пьезоконстанты сегнетоэлектриков, что связано с их высокой диэлектрической проницаемостью и доменной структурой, которая может перестраиваться при деформации.
Пьезоэлектрики широко применяют в технике, акустике, радиофизике и т.д. Их применение основано на преобразовании электрических сигналов в механические и наоборот. Пьезоэлектрики используются в резонаторах, входящих в состав генераторов (см.
Кварцевый генератор),
фильтров, различного рода преобразователей и датчиков.
Лит.: Кэдп У., Пьезоэлектричество и его практическое применение, пер. с англ., М. , 1949; Мэзон У., Пьезоэлектрические кристаллы и их применение в ультраакустике, пер. с англ. , М., 1952; Берлинкур [и др.], Пьезоэлектрические и пьезомагнитные материалы и их применение в преобразователях, в кн.: Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. 1, ч. А, М., 1966.
А. П. Леванюк. Д. Г. Санников.
Рис. 1. а - плоская модель кристалла, не имеющего центра симметрии; центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают, стрелки изображают отдельные электрические дипольные моменты одной группы зарядов; б - тот же крисстал, подвергнутый сжатию, при котором изменяются длины связей между зарядами каждой группы, но не углы между ними; горизонтальная стрелка слева - суммарный электрический дипольный момент одной группы зарядов.
Рис. 2. а - плоская модель кристалла, обладающего центром симметрии; б - тот же кристалл, подвергнутый сжатию.
Рис. 3. а - прямой пьезоэлектрический эффект; сжатие или растяжение пьезоэлектрической пластины приводит к возникновению разности потенциалов; б - обратный пьезоэлектрический эффект; в зависимости от знака разности потенциалов, приложенной к пьезоэлектрической пластинке, она сжимается или растягивается.