Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект (греч. piezo — давлю и электричество) — явление, характеризующее возникновение электрической поляризации (индукции) под действием механических напряжений или возникновение деформации под действием электрического поля в некоторых веществах (пьезокристаллах). Если пьезоэлектрическую пластину, вырезанную определенным образом, подвергнуть действию механических напряжений (сжатию, растяжению, сдвигу), то на ее поверхности появляются электрические заряды, обусловленные поляризацией, — это так называемый прямой пьезоэффект; при внесении такой пластинки в электрическое поле возникает ее деформация, линейно зависящая от напряженности электрического поля, — обратный пьезоэффект.
Механизм прямого пьезоэффекта объясняется возникновением или изменением дипольного момента элементарной ячейки кристаллической решетки в результате смещения зарядов под действием механических напряжений. При действии электрического поля на элементарные заряды в ячейке приходит их смещение и как следствие изменение средних расстояний между ними, т.е. деформация (обратный пьезоэффект).
Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 г. братьями П. и Ж. Кюри, наблюдавшими его у кварца и некоторых других кристаллов.
Необходимое условие существования пьезоэлектрического эффекта — отсутствие у кристалла центра симметрии. Только в этом случае приложение напряжений может привести к появлению нескомпенсированного электрического заряда, т.е. к возникновению поляризации. Пьезоэлектриками являются кварц, турмалин, сенгетова соль, титанат бария, дигидрофосфат калия, сульфоиодид сурьмы, сульфид калия и др. Он присущ также костям человека.
Принцип прямого пьезоэлектрического эффекта используется при изготовлении приемников ультразвуковых колебаний. Обратный пьезоэлектрический эффект служит для получения ультразвука, и все терапевтические ультразвуковые аппараты основаны на этом эффекте. Суть получения ультразвука заключается в следующем. Если к торцевым поверхностям пластинки из пьезокристалла, вырезанной определенным образом, с помощью электродов приложить переменное электрическое напряжение, то толщина ее будет поочередно уменьшаться в соответствии с частотой переменного тока. При уменьшении толщины пластинки в прилагающих слоях окружающей среды образуется разрежение, а при ее увеличении сгущение частиц среды. В результате периодического изменения толщины пластинки, называемой пьезоэлектрическим преобразователем, в среде возникает ультразвуковая волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном поверхности пластинки. Изменение толщины пластинок из пьезокристаллов весьма невелико, оно пропорционально подводимому электрическому напряжению: AS = L • U, где AS — изменение размеров пластинки: L пьезоэлектрический модуль: U — подводимое напряжение.
С целью повышения интенсивности ультразвуковых колебаний используется явление резонанса, что требует учета частоты собственных колебаний вещества. Если частота переменного напряжения, подаваемого на пьезокристалл, совпадает с его собственной (резонансной) частотой, то амплитуда колебаний пластинки будет наибольшей. Соответственно, окажется максимальной и интенсивность ультразвуковых волн, распространяющихся в окружающую среду. В свою очередь, резонансная частота пластинки зависит от ее размеров: чем тоньше пластинка, тем больше ее резонансная частота. Например, для пластинки из кварца толщиной 1 мм резонансная частота соответствует 2,88 МГц, а при толщине 0,5 мм — 5,76 МГц.
Раньше в ультразвуковых терапевтических аппаратах в качестве пьезоэлемента использовали кварцевые пластинки. Сегодня его заменяют керамикой из титаната бария, у которой пьезоэлектрический эффект во много раз выше.