Александр Плонский - Пьезоэлектричество

Рис. 14. Так обнаруживается пьезоэлектрический эффект .

Чем больше сила, сжимающая или растягивающая пластинку, тем больше и величина зарядов, возникающих на электродах, тем сильнее отклоняется стрелка электрометра.

Такое явление и было названо пьезоэлектрическим эффектом. Приставка «пьезо» происходит от греческого слова «давить», а термин «пьезоэлектричество» обозначает электричество, возникающее в результате давления.

Пьезоэлектрический эффект проявляется особенно ярко, если кристаллы кварца сжимать или растягивать в направлении электрической оси х . В направлении же главной оси z пьезоэлектрические явления отсутствуют.

Если электроды кварцевой пластинки подключить с помощью металлических проводников к какому-либо источнику электричества, например, к гальваническому элементу или аккумулятору, то произойдёт явление, обратное описанному выше: под действием электрических зарядов кварцевая пластинка сожмётся, либо, наоборот, растянется в зависимости от того, на каком электроде сосредоточены положительные заряды и на каком — отрицательные. При этом пластинка сожмётся или растянется тем сильнее, чем больше величина электрических зарядов, сосредоточенных на электродах. Такое явление носит название обратного пьезоэлектрического эффекта.

Сдавливая или растягивая пластинку, мы производим определённую работу, расходуем механическую энергию.

Но энергия не пропадает даром и не исчезает бесследно, она только превращается из одного вида в другие. Это закон природы. В случае прямого пьезоэлектрического эффекта значительная часть энергии из механической формы переходит в электрическую. А при обратном пьезоэлектрическом эффекте происходит переход электрической энергии элемента или аккумулятора в механическую энергию сжатия либо растяжения пластинки.

Таким образом, благодаря своим пьезоэлектрическим свойствам кварцевый кристалл может быть использован в качестве преобразователя механической энергии в электрическую, и наоборот. На такой возможности и основаны многочисленные применения пьезокварца, которые будут описаны ниже.

Исследования показали, что пьезоэлектрический эффект наблюдается не только в кварце, но и в некоторых других веществах, например, в кристаллах сахара, турмалина (минерал сложного состава, содержащий бор), сегнетовой соли, которая получается из отходов виноделия, и т. д. В кристаллах же многих других веществ пьезоэлектрических явлений обнаружить не удалось.

Какова же природа пьезоэлектрического эффекта? Чем объясняется то, что он наблюдается в одних кристаллах и отсутствует в других?

Рассматривая кристаллическую решётку поваренной соли (см. рис. 2), мы установили, что она образована чередующимися друг с другом положительными и отрицательными ионами. Частица вещества, содержащая в себе два разноимённых иона (или две группы разноимённых ионов), находящихся на некотором расстоянии друг от друга, называется электрическим диполем. Электрический диполь характеризуется так называемым дипольным моментом, который равен произведению величины заряда А на расстояние между зарядами Б (рис. 15).

Рис. 15. Электрический диполь .

Если дипольный момент равен нулю, то нет и диполя.

В аморфных телах, как, например, в смоле или эбоните, электрические диполи обычно расположены беспорядочно; поэтому в любом месте поверхности такого вещества имеется одинаковое число положительных и отрицательных ионов, разноимённые заряды которых уравновешивают, друг друга (рис. 16, а ). Если же потереть кусочек смолы или эбонита, например о сукно, то диполи повернутся вокруг своих осей и займут одинаковые положения. При этом одноимённые полюсы диполей окажутся направленными в одну сторону. Там, где они выступят на поверхности, сосредоточатся заряды (рис. 16, б ).

Рис. 16. Электрические диполи: а) в неполяризованном диэлектрике, б) в поляризованном диэлектрике .

Такое явление называется электрической поляризацией.

Существуют тела, которые обладают постоянной электрической поляризацией. Такие тела называются электретами. Они получаются искусственно из воска и некоторых смол при их затвердевании между двумя электродами, на которых сосредоточены большие электрические заряды. В расплавленном воске диполи расположены беспорядочно. Но под воздействием электрических сил они занимают одинаковые положения и сохраняют их после затвердевания. (Конечно, заряды, сосредоточенные на поверхностях электретов в результате электрической поляризации, слишком малы, чтобы подобные тела могли использоваться в качестве источников электрического тока.)

Существуют также тела, которые в обычном своём состоянии не имеют поляризации, но приобретают её при механическом сжатии или растяжении. Мы уже знаем, что подобное явление называется пьезоэлектрическим эффектом.

Тела, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, или, как их часто называют, пьезоэлектрики, должны иметь дипольную структуру (или приобретать её при определённых условиях). В противном случае поляризация, а следовательно, и пьезоэлектрический эффект, невозможны.

Взгляните на один из восьми кубиков, образующих элементарную ячейку кристалла поваренной соли (рис. 17, а ).

Рис. 17. а) Один из восьми кубиков, входящих в элементарную кубическую ячейку поваренной соли, б) одна из граней кубика элементарной ячейки, в) искажение кубика в результате сжатия.

Он образован четырьмя диполями, состоящими из ионов хлора и натрия. Казалось бы, здесь бесспорно наблюдается дипольная структура. В одном лишь кубике насчитывается четыре диполя. Но этого, оказывается, мало. Необходимо, чтобы весь кубик и элементарная ячейка в целом вели себя как диполь.

Выясним, является ли ячейка кристалла поваренной соли электрическим диполем.

В повседневной жизни мы часто встречаемся с понятием центра тяжести. Сила тяжести, или вес, обусловлена притяжением земли. Любое тело состоит из огромного числа частиц, причём каждая из них обладает своим собственным весом. Таким образом, вес всего тела складывается из множества одинаково направленных сил. Для простоты это множество сил заменяют одной силой, равной их сумме, и прикладывают данную силу к такой точке тела, где бы её действие было равносильно суммарному действию всех отдельных сил. Подобная точка называется центром тяжести. Центр тяжести шара находится в его геометрическом центре, центр тяжести цилиндра расположен на середине оси и т. д.