В некоторых кристаллических твердых телах под действием упругой деформации возникает электрическая поляризация. Существует и обратное явление — в результате приложения внешнего электрического поля в определенных направлениях эти же твердые тела деформируются. Такой пьезоэлектрический эффект возможен только для ионных кристаллов, которые кристаллизуются в структурах, не обладающих центром инверсии. Последнее утверждение можно проиллюстрировать на примере молекулы некоторого гипотетического твердого тела с ионной связью, в которой три электрических диполя равной величины в равновесном состоянии повернуты относительно друг друга на 120°. Это состояние молекулы представлено на рис. 5.9, а. Такая молекула имеет группу точечной симметрии Зга (см. рис. 1.19). Полный дипольный момент этой молекулы в силу симметрии равен нулю. Однако дипольный момент должен появиться, если эту молекулу (вместе со всем твердым телом) растянуть или сжать вдоль или поперек одного из трех направлений от центра к вершинам. Аналогично электрическое поле, приложенное вдоль одного из этих трех направлений, должно привести к деформации каждой молекулы. В свою очередь это вызовет сокращение или удлинение кристалла вдоль направления приложенного поля, сопровождаемое изменением противоположного знака его линейных размеров в поперечном направлении. Однако если электрическое поле приложить перпендикулярно к одному из этих трех направлений (например, в горизонтальном направлении на рис. 5.9), то изменений размера кристалла не должно произойти, поскольку в данном случае поле перпендикулярно плоскости зеркальной симметрии. Из 32 точечных групп, которые рассматриваются в трехмерном пространстве, в 21 отсутствует центр инверсии. Одна из них обладает настолько высокой степенью симметрии, что исключает возникновение пьезоэлектрических эффектов. Для остальных 20 точечных групп пьезоэлектрические свойства ока- 518 Гл. 5. Диэлектрические и магнитные свойства твердых тел i Рис. 5.9. Реакция пьезоэлектрической молекулы на деформацию, а — молекула в состоянии равновесия в неискаженном кристалле; б — поляризация, возникающая при растяжении в вертикальном или сжатии в горизонтальном направлениях; в — поляризация, возникающая при сжатии в вертикальном или растяжении в горизонтальном направлениях. зываются возможными. Однако лишь относительно малая часть твердых тел, отвечающих этим 20 точечным группам, обладает пьезоэлектрическим эффектом, достаточно большим для регистрации. В табл. 5.1 приводятся наиболее известные пьезоэлектрические материалы в порядке уменьшения их пьезоэлектрических коэффициентов. Как видно из сопоставления с табл. 5.2, некоторые из этих твердых тел при температурах ниже температуры перехода Тс становятся сегнетоэлектриками. Пьезоэлектрические коэффициенты кварца весьма малы, однако высокая механическая и термическая прочность этого материала делают его незаменимым для высокостабильных пьезоэлектрических генераторов. Эти приборы стабилизируют частоту радиопередатчиков, кварцевых часов и в последнее время наручных кварцевых часов. Для других практических целей оказывается необходимой высокая пьезоэлектрическая эффективность. По этой причине сегнетова соль на протяжении многих лет использовалась в качестве материала для чувствительных преобразователей в недорогих проигрывателях. В более новых моделях применяются керамические пластины специальной формы из титамата бария— стронция или керамики из PZT*, так как эти материалы обладают большей пьезоэлектрической эффективностью и, кроме того, являются стойкими к воздействию нагрева и влаги. Блоки много больших размеров из титаната бария — стронция или PZT используются как источники ультразвука * PZT означает соединение титаната циркония с добавками свинца (см. табл. 5.1).-— Прим. ред. 5 1. Диэлектрические свойства 519 Таблица 5.1. Некоторые пьезоэлектрические материалы Материал Химическая формула Относительная величина пьезоэлектрических коэффициентов Сегнетова соль NaKC4H4Oe-4H20 Титанат бария — строи- Ва^Бг^яТЮз ция Титанат свинца — цир- PbJCZr1_^Ti03 кония (PZT) Дигидрофосфат аммония NH4H2P04 (ADP) Дигидрофосфат калия КН2Р04 (KDP) Диаминэтилентартрат* СбН14Ы2Об Турмалин (FeCrLiNaK)4Mg12BeAl16H8Sii2063 а-кварц Si02 Очень большой Большой Большой Большой Средний Средний Маленький Маленький * Имеется в виду О-винная тартроновая кислота£с двумя аминными группами и этиленом C4H0(V2(NH2)-G»H4. — Прим. ред. в ваннах для очистки и как передатчики и приемники в подводных сонарах. В первом приближении деформация пьезоэлектрика в электрическом поле имеет линейный характер, а поляризация, индуцированная механическими напряжениями, пропорциональна возникающей деформации. Для любого ионного твердого тела вне зависимости от того, является ли оно пьезоэлектриком или нет, наблюдается много меньшее по величине сжатие в электрическом поле, которое пропорционально квадрату напряженности поля. Это более общее явление электрострикции связано с нарушением закона Гука при описании изменения межионных расстояний с приложением внешнего поля. Таким образом, можно полагать, что в случае твердого тела, у которого наблюдается значительная электрострикция, ангармонические эффекты оказывают заметное влияние на колебательные свойства кристаллической решетки.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Пьезоэлектричество и электрострикция» з дисципліни «Фізика твердого тіла»
