Пьезоэлектрический эффект

Прямой эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году^[1]. Обратный эффект был предугадан в 1881 году Липпманом исходя из термодинамических соображений. В том же году экспериментально открыт братьями Кюри.

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, сообщённая 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 жёсткости пьезоэлемента. Если электрическое напряжение, возникающее вследствие пьезоэффекта, исключить, например, закоротив электроды пьезоэлемента, то обратного пьезоэлектрического действия наблюдаться не будет и произойдёт уменьшение жёсткости пьезоэлемента^[2].

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^[3].

Проводники не обладают пьезоэлектрическим эффектом, потому что при применении механических напряжений (для прямого) и электрических (для обратного) заряд будет компенсироваться проводящей средой.

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:
  • в качестве чувствительного к силе элемента (чем больше сила, тем выше напряжение на контактах), например, в силоизмерительных датчиках, датчиках давления жидкостей и газов;
  • в качестве чувствительного элемента в микрофонах, гидрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, приёмных элементов сонаров;

Обратный пьезоэлектрический эффект используется:

• в акустических излучателях:
  • в пьезокерамических излучателях звука (эффективны на высоких частотах и имеют небольшие габариты; такие, например, встраивают в музыкальные открытки, различные оповещатели, применяемые во всевозможных бытовых устройствах — от наручных часов до кухонной техники);
  • в ультразвуковых излучателях для увлажнителей воздуха, ультразвуковой гидроочистки (в частности, ультразвуковых стиральных машин и промышленных ультразвуковых ванн);
  • в излучателях гидролокаторов (сонарах);
• в системах механических перемещений (активаторах):
  • в системах сверхточного позиционирования, например, в системе позиционирования иглы в сканирующем туннельном микроскопе или в позиционере перемещения головки жёсткого диска^[4];
  • в адаптивной оптике, для изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала.
• в пьезоэлектрических двигателях;
• для подачи чернил в струйных принтерах.

Прямой и обратный эффект одновременно используются:

• в кварцевых резонаторах, используемых как эталон частоты;
• в пьезотрансформаторах для изменения напряжения высокой частоты.
• в приборах на эффекте поверхностных акустических волн:
  • в ультразвуковых линиях задержки электронной аппаратуры;
  • в датчиках на поверхностных акустических волнах.

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^[5].