Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектри́ческий эффе́кт (от греч. πιέζω – давить, сжимать), явление возникновения связанных электрических зарядов (разности потенциалов) на поверхности анизотропных диэлектрических сред под действием механической деформации (прямой пьезоэффект, ПП) или появления механических деформаций при воздействии на пьезоэлектрик разности потенциалов (в случае подачи электрического напряжения – обратный пьезоэффект, ОП). Прямой пьезоэлектрический эффект обнаружен братьями Пьером и Жаком Кюри в 1880 г., обратный пьезоэлектрический эффект был вначале предсказан теоретически Г. И. Липманом в 1881 г., а затем, в этом же году, экспериментально подтверждён Пьером и Жаком Кюри.

Пьезоэлектрический эффект объясняется изменением состояния электрического и механического равновесия анизотропной диэлектрической среды, вызывающим смещение электронной или ионной подсистемы из исходного состояния, что приводит к поляризации и появлению внутреннего электрического поля, пропорционального вызвавшему его механическому воздействию. В этом смысле пьезоэлектрический эффект можно рассматривать как преобразование механической энергии в электрическую (ПП) и электрической в механическую (ОП). Поскольку среды, в которых наблюдается пьезоэлектрический эффект, анизотропны, для качественного и количественного описания прямого и обратного эффектов используется математический аппарат однородных тензорных полей. Уравнение прямого пьезоэлектрического эффекта имеет вид:

${\displaystyle {\text{P}}_{i}={\text{d}}_{ijk}{\sigma }_{jk}}$,

где ${\displaystyle {i,j,k}=1,2,3}$, ${\displaystyle {\text{P}}_{i}}$ – компоненты вектора поляризации, ${\displaystyle \sigma _{ij}}$ – тензор механических напряжений, ${\displaystyle {d}_{ijk}}$ – тензор пьезоэлектрических модулей, представимых в виде:

${\displaystyle {d}_{ij}=\left({\begin{array}{c}{d}_{11}\ {d}_{12}\ {d}_{13}\ {d}_{14}\ {d}_{15}\ {d}_{16}\\{d}_{21}\ {d}_{22}\ {d}_{23}\ {d}_{24}\ {d}_{25}\ {d}_{26}\\{d}_{31}\ {d}_{32}\ {d}_{33}\ {d}_{34}\ {d}_{35}\ {d}_{36}\end{array}}\right)}$.

Здесь ${\displaystyle {d}_{ij}}$ – пьезоэлектрические модули, из которых ${\displaystyle {d}_{11}}$, ${\displaystyle {d}_{22}}$, ${\displaystyle {d}_{33}}$ определяют продольный пьезоэлектрический эффект, когда вектор поляризации направлен вдоль направления внешнего механического напряжения; ${\displaystyle {d}_{12}}$, ${\displaystyle {d}_{13}}$, ${\displaystyle {d}_{21}}$, ${\displaystyle {d}_{23}}$, ${\displaystyle {d}_{31}}$, ${\displaystyle {d}_{32}}$ – поперечный пьезоэлектрический эффект, когда вектор поляризации направлен перпендикулярно приложенному механическому напряжению; ${\displaystyle {d}_{14}}$, ${\displaystyle {d}_{25}}$, ${\displaystyle {d}_{36}}$ – продольный пьезоэлектрический эффект сдвига, если вектор поляризации направлен вдоль оси сдвига; а пьезомодули ${\displaystyle {d}_{15}}$, ${\displaystyle {d}_{16}}$, ${\displaystyle {d}_{24}}$, ${\displaystyle {d}_{26}}$, ${\displaystyle {d}_{34}}$, ${\displaystyle {d}_{35}}$ – поперечный пьезоэлектрический эффект сдвига, если вектор поляризации перпендикулярен оси сдвига.

Пьезоэлектрический эффект применяется в электронных приборах, пьезотрансформаторах, радиофильтрах, датчиках давления, эхолотах, генераторах инфракрасных и ультразвуковых волн, акселерометрах.