Пьезоэлектричество (H,y[kzlytmjncyvmfk)

Перейти к навигации Перейти к поиску

Пьезоэлектричество (от др.-греч. πιέζω, piézō — давлю, сжимаю[1]) — обратимая электромеханическая связь электрической поляризации (индукции) и механических деформаций (напряжений) в анизотропных диэлектрических средах, обладающих определённой кристаллической структурой и симметрией. Включает[2]:

  • прямой пьезоэлектри́ческий эффе́кт  — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений;
  • обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля[3].

При прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектрического образца приводит к возникновению связанных зарядов[2]. на поверхностях деформируемого твёрдого тела и, следовательно, электрического напряжения между этими поверхностями, при обратном — приложение электрического напряжения к телу вызывает его деформацию.

Прямой пьезоэлектрический эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году[4][5]. Обратный эффект был предугадан в 1881 году Липпманом исходя из термодинамических соображений. В том же году экспериментально открыт братьями Кюри.

Физика явления

[править | править код]

Причиной пьезоэлектрического эффекта является смещение состояния электрического и механического равновесия кристалла диэлектрика под влиянием внешних воздействий. Макроскопическая деформация кристалла приводит к относительным перемещениям элементов их структуры и появлению электронной и ионной поляризации, и наоборот — наложение внешнего электрического поля приводит к смещению структурных единиц кристалла и деформациям их электронных оболочек[2].

Отличная от нуля макроскопическая поляризация проявляется только у кристаллов, не имеющих центра симметрии, то есть классов симметрии 1, 2, 3, 4, m, mm2, 3m, 4mm, 6mm, 222, 4̅, 422, 4̅2m, 6̅, 622, 6̅m2, 32, 23, m3̅. Кристаллы 10-ти первых указанных классов способны обладать постоянной поляризацией и являются пироэлектриками. Сегнетоэлектрики — частный случай пироэлектриков, направление поляризации которых может быть изменено внешним полем[2].

Методы вычисления пьезоэлектрической поляризации по заданным смещениям и законам взаимодействия частиц составляют предмет микроскопической теории пьезоэлектричества, которая оперирует однородными тензорными полями[2]..

Пьезоэлектрические вещества всегда обладают одновременно и прямым, и обратным пьезоэффектом. Не обязательно, чтобы вещество было монокристаллом, эффект наблюдается и в поликристаллических веществах, предварительно поляризованных сильным электрическим полем во время кристаллизации, или при фазовом переходе в точке температуры Кюри при охлаждении для сегнетоэлектриков (например, керамические пьезоэлектрические материалы на основе цирконата-титаната свинца) при наложенном внешнем электрическом поле.

Полная энергия, сообщенная пьезоэлементу внешней механической силой, равна сумме энергии упругой деформации и энергии заряда ёмкости пьезоэлемента. Вследствие обратимости пьезоэффекта возникает пьезоэлектрическая реакция: возникшее вследствие прямого пьезоэффекта электрическое напряжение создаёт (в результате обратного пьезоэффекта) механические напряжения и деформации, противодействующие внешним силам. Это проявляется в увеличении жесткости пьезоэлемента. Если электрическое напряжение, возникающее вследствие пьезоэффекта, исключить, например, закоротив электроды пьезоэлемента, то обратного пьезоэлектрического действия наблюдаться не будет и произойдёт уменьшение жесткости пьезоэлемента[6].

Исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. Так как элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, путём её многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейке[7].

Проводники не обладают пьезоэлектрическим эффектом, потому что при воздействии механических напряжений (для прямого) и электрических (для обратного) заряд будет компенсироваться перераспределением свободных зарядов проводящей среды.

Не следует путать с другими явлениями

[править | править код]

Использование пьезоэффекта в технике

[править | править код]

Исполнительные устройства — конвертируют электрическую энергию в механическую.

Сенсоры (датчики, генераторы), наоборот, конвертируют механическую энергию в электрическую.

Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы.

Однослойные — под воздействием электричества изменяются в ширину, длину и толщину. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество.

Двухслойные — могут быть использованы как однослойные, могут сгибаться или удлиняться. «Сгибатели» создают наибольшую величину перемещения относительно других видов, а «расширители», будучи более упругими, развивают гораздо большее усилие при гораздо меньшем перемещении.

Многослойные — развивают наибольшую силу при минимальном перемещении (изменении формы).

Прямой пьезоэффект используется:

  • в пьезогенераторах электроэнергии разнообразного назначения:
    • в пьезозажигалках, для получения высокого напряжения на разряднике от движения пальца;
    • В газовых плитах для электрического розжига конфорок (на данный момент пьезоэлектрический поджиг имеет ограниченное применение из-за меньшего удобства по сравнению с устройствами поджига, работающими от электросети)
    • в контактном пьезоэлектрическом взрывателе (например, к выстрелам РПГ-7);
  • в датчиках:

Обратный пьезоэлектрический эффект используется:

Прямой и обратный эффект одновременно используются:

Некоторые минералы горных пород обладают пьезоэлектрическим свойством за счёт того, что электрические оси этих минералов расположены не хаотично, а ориентированы преимущественно в одном направлении, поэтому одноимённые концы электрических осей («плюсы» или «минусы») группируются вместе. Это научное открытие было сделано в Институте физики Земли советскими учёными М. П. Воларовичем и Э. И. Пархоменко и занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 57 с приоритетом от 1954 г. На основе этого открытия разработан пьезоэлектрический метод геологической разведки кварцевых, пегматитовых и хрусталеносных жил, которым сопутствуют золото, вольфрам, олово, флюорит и другие полезные ископаемые[9].

  1. Словарь иностранных слов / под ред. проф. И. В. Лёхина и проф. Ф. Н. Петрова. — 4-е, испр. и перераб. — М.: Государственное издательство иностранных и национальных словарей, 1954. — С. 580. — 856 с.
  2. 1 2 3 4 5 ФЭС, 1965, с. 256.
  3. Политехнический словарь / гл. ред. акад. И. И. Артоболевский. — М.: Советская энциклопедия, 1976. — С. 402. — 608 с. — 105 000 экз.
  4. ФЭС, 1965, с. 257.
  5. Иоффе АФ. Пьер Кюри // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1956. — Т. 58, № 4. — С. 572—579. Архивировано 18 мая 2012 года.
  6. Д . А . Негров , Е . Н . Еремин , А . А . Новиков Л . А . Шестель. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ СИНТЕЗА ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Монография // Омск Издательство ОмГТУ. — 2012. Архивировано 17 мая 2017 года.
  7. Пьезоэлектрический эффект, пьезоэлектрические материалы и их свойства. Инженерные решения. Дата обращения: 24 февраля 2014. Архивировано 27 февраля 2014 года.
  8. Development of Piezoelectric Microactuator for HDD Head (англ.). Дата обращения: 12 февраля 2012. Архивировано 2 июня 2012 года.
  9. Научное открытие «Пьезоэлектрические свойства горных пород». Дата обращения: 12 февраля 2012. Архивировано 4 февраля 2012 года.

Литература

[править | править код]
  • В. А. Копцик. Пьезоэлектричество // Физический энциклопедический словарь / гл. ред. Б. А. Введенский, Б. М. Вул. — Москва: Советская энциклопедия, 1965. — Т. 4 Пинч-эффект—Спайность минералов. — С. 256—258. — 592 с. — 57 500 экз.
  • Леммлейн Г. Г. Руководство к изготовлению пьезокварцевых препаратов. — Л.: Изд-во АН СССР, 1931. — 55 с.
  • Леммлейн Г. Г., Цинобер Л. И. Некоторые особенности морфологии кристаллов искусственного кварца // Материалы по изучению искусственного кварца. — М.: Госгеолтехиздат, 1962. — С. 13-30. см. также Труды ВНИИ пьезооптического минерального сырья; Вып. 6.
  • В 1950—1960-е года в СССР изучением пьезоэлектричества занимался «Всесоюзный научно-исследовательский институт пьезооптического минерального сырья», который издавал ежегодные научные труды.