Пьезоэффект

Иллюстрация пьезоэффекта в кварце

Пьезоэлектрический эффект, описываемый тензором третьего ранга, — это совокупность явлений, прямо пропорционально связывающих механические напряжения (растяжения или сжатия), описываемые тензором второго ранга, с электрическим полем (поляризацией) — векторным свойством.
Величины возникших зарядов пропорциональны приложенной к кристаллу силе. Знак заряда при этом зависит от типа кристаллической структуры. Поскольку пьезоэлектрический эффект характеризуется полярным вектором и проявляется под воздействием центросимметричного (неполярного) тензора напряжений второго ранга, то это свойство возникает только в кристаллах, лишенных центра инверсии, т. е. имеющих полярные направления и принадлежащих к одному из 20 ацентричных классов симметрии. В кристаллах с симметрией 432, также без центра инверсии, полярных направлений нет (!), поэтому кристаллы с такой симметрией не могут быть пьезоэлектриками.

Кварц

Ярким примером проявления пьезоэлектрического свойства являются кристаллы кварца SiO₂ (пространственная группа Р3₁2) с одним неполярным направлением вдоль оси 3-го порядка, в структуре которых множество полярных направлений, три из которых параллельны трем осям 2₂. Вдоль этих осей 2-го порядка и наблюдается пъезоэффект, а сами направления называются электрическими осями. Структура кварца построена из кремнекислородных спиралей, закрученных вокруг осей 3-го порядка. Схематическая проекция одной из спиралей на плоскость (0001) структуры минерала показана на рисунке. Сжатие такой спирали вдоль одной из полярных осей 2-го порядка приводит к смещению атомов Si⁴⁺ и О^2- с образованием электрических диполей и появлению разноименных зарядов на поверхностях, перпендикулярных направлению сжатия. Растяжение вдоль этого же направления приводит к смене знаков заряда. Если же кварцевую пластинку, вырезанную перпендикулярно оси 2-го порядка, поместить в переменное электрическое поле, то она начнет вибрировать — то сжиматься, то расширяться (за 1 сек. совершается до 105 колебаний), т. е. играть роль колебательного контура высокого качества.Благодаря этому свойству кварцевые пластины нашли широкое применение в радиоэлектронике в качестве стабилизаторов частот в радиоаппаратуре, для генерации и приема ультразвуковых волн и т. д.

Другие примеры

К настоящему времени изучены сотни веществ, кристаллы которых обладают пьезоэлектрическими свойствами. Кроме кварца и турмалина наиболее распространенными пьезоэлектриками являются кристаллы сегнетовой соли KNaC₄H₄O₆ • 4Н₂О, тертрата калия К₃С₄Н₄О₆ • 0,5Н₂О, сульфата лития Li₂SO₄

Литература: Ю.К.Егоров-Тисменко "Кристаллография и кристаллохимия", КДУ, 2005, 590с.