Пиезоелектричен ефект

През 1880 г. Жак и Пиер Кюри откриватпиезоелектричния ефект, който, както се оказва по-късно, е присъщ на редица кристали, принадлежащи към определени кристалографски класове. Същността му е следната. При някои видове кристално-физична симетрия в резултат на деформация на кристала възниква така нареченият директен пиезоелектричен ефект - върху повърхностите на кристала се появяват електрически заряди, пропорционални на големината на деформацията. Съществува и обратен пиезоелектричен ефект, който се състои в това, че в електронното поле в кристалите има вътрешни напрежения, пропорционални на силата на полето.

Пиезоелектричният ефект е тясно свързан със същността на кристалната структура. Кристалите имат геометрично правилно разположение на съставните им структурни елементи, чието редуване в пространството образува кристална решетка. Йоните са разположени в местата на решетката; атоми с липса или излишък на валентни електрони, неутрални атоми или молекули. Съществуването на кристални решетки обяснява симетрията на кристала. Кристалите са разделени на 32 класа и всеки клас има определени елементи на симетрия: оси на симетрия, равнини на симетрия, център на симетрия.

Кристалите на a-кварц (нискотемпературна модификация на кварца) принадлежат към тригонално-трапецоедричен клас 3:2 на тригоналната система, кристали на b-кварц (високотемпературна модификация на кварца) принадлежат към хексагонално-трапецоедричен клас 6:2 на хексагоналната система. Елементите на минималната симетрия на а-кварца са ос от трети ред (оптична) и три оси от втори ред (електрически), перпендикулярни на нея, образуващи ъгли от 120 градуса една с друга. Перпендикулярни на тези оси са три оси т.нармеханичен.

симетрия
Когато е изложена на външна сила, кристалната решетка променя състоянието си. Деформацията на решетката, причинена от механично напрежение, води до преразпределение на електрическите заряди. Въпреки това, не за всяко подреждане на диполи в кристал, прилагането на механична сила води до такава деформация, че диполният момент се променя, т.е. разстоянието между центровете на тежестта на противоположните заряди. Това е възможно само при наличието на полярни посоки, които присъстват в кристали от определени класове, които нямат център на симетрия. Позволете съществуването на пиезоелектричество 20 или 32 класа на кристалографска симетрия, включително и двата класа, споменати по-горе - тригонално-трапецоедричен и хексагонално-трапецоедричен,

ефект

Фиг. Б-1. Структурна клетка от кварц (а) и образуването на пиезоелектричен ефект (b-d)

Помислете за появата на пиезоелектричния ефект в кварца от молекулярна гледна точка. Както показва рентгеновият дифракционен анализ, в основата на кварцовата структура Si02 са спиралните вериги от тетраедри Si04, разположени по оста на симетрия от трети ред (по оптичната ос) (фиг. B-1,a).

В кристалната структура всеки Si йон, който има положителен заряд от +4e*, е тетраедрично заобиколен от четири O йона, всеки от които има отрицателни заряди от -2e, и всеки O йон свързва два Si йона. Въпреки това, зарядите на всички йони на кристалната клетка са взаимно компенсирани и като цяло тя е електрически неутрална.За простота ще разглеждаме всяка двойка O йони като частица със заряд -4e. B-1, a, приема формата, показана на фиг. С-1, б. Да предположим, че тази клетка е подложена на външна сила в посокатаелектрическа ос X (фиг. B-1, c); тогава йонът Si(1) ще се придвижи навътре и ще се установи между йоните O(2) и O(6), а йонът O(4) между йоните Si(3) и Si(5). В резултат на това на едната повърхност ще се появи положителен заряд, а на другата - отрицателен, т.е. възниква директен пиезоелектричен ефект. С помощта на модела на структурна клетка е възможно да се обясни появата на обратния пиезоелектричен ефект, както и липсата на асиметрия в подреждането на зарядите по посока на тройната ос по време на компресия или напрежение на кварца. За стабилизиране на честотата се използват директни и обратни пиезоелектрични ефекти; с периодична промяна в електрическото поле, приложено към кристал, като кварц, в последния възникват резонансни механични трептения, ако честотата на промяната на полето е равна на една от естествените честоти на кристала. Тези механични вибрации, поради обратния пиезоелектричен ефект, причиняват много интензивни електрически вибрации, които имат силен ефект върху електрическата верига, която ги е възбудила. Естествената честота на пиезоелектричен кристал се определя от неговите физични свойства и геометрични размери.

Освен кварц, турмалин, калиев тартарат и етилендиамин тартарат като пиезоелектрически материали могат да се използват различни керамики (бариев титанат, оловен цирконат титанат и др.) и много други моно- и поликристали. Въпреки това, никой от тях все още не е станал достатъчно силен конкурент на кварца поради факта, че кварцът съчетава много предимства. Тези предимства включват факта, че кварцовите кристали са почти идеално еластични тела, имат незначително вътрешно триене, висока механична и термична якост и се срещат в природата под формата на изключително големи образувания.(известни са кварцови монокристали с тегло над тон). В допълнение, в момента много страни по света са разработили промишлено производство на синтетични кварцови кристали, които практически не са по-ниски по качество от естествените. Едно от водещите места в тази индустрия принадлежи на нашата страна.

Пиезоелектричните кварцови резонатори в момента се произвеждат в широк диапазон и покриват честотния диапазон от няколкостотин херца до няколкостотин мегахерца. С помощта на радиотехнически средства, използвани за умножаване и преобразуване на честотите, кварцовите резонатори могат да се използват за стабилизиране на електрическите трептения в още по-широк диапазон, до сантиметрови вълни. Използването на пиезоелектрични кристали за горните цели доведе до формирането на специален клон на науката и технологиите, основан на постиженията на кристалографията и кристалната физика, теорията на вибрациите, технологията на крехките материали и електровакуумното производство.