Пьезоэлектрики и их свойства — страница 3

эффекте. Рис. 3 качественно поясняет возникновение пьезоэлектрического эффекта в кварце. Здесь схематически показаны проекции положи­тельных ионов Si (заштрихованные кружки) и отрицательных ионов О (светлые кружки) в плоскости, перпендикулярной к оптической оси Z. Этот рисунок не соответствует фактической конфигурации ионов в элементарной ячейке кварца, в которой ионы не лежат в одной плоскости, а их число больше показанного.

Он, однако, правильно передает симметрию взаимного расположения ионов, что уже достаточно для качественного объяснения. Рис. 3, а) соответствует недеформированному кристаллу. На грани A, пер­пендикулярной к оси X1, имеются выступающие положительные заряды, а на параллельной ей грани В - выступающие отрицатель­ные заряды. При сжатии вдоль оси X1 (рис. 3, б) элементарная ячейка деформируется. При этом положительный ион 1 и

отрица­тельный ион 2 «вдавливаются» внутрь ячейки, отчего выступающие заряды (положительный на плоскости А и отрицательный на плос­кости В) уменьшаются, что эквивалентно появлению отрицатель­ного заряда на плоскости А и положительного заряда на плос­кости В. При растяжении вдоль оси X1 имеет место обратное (рис. 3, в): ионы 1 и 2 «выталкиваются» из ячейки. Поэтому на грани А возникает дополнительный положительный заряд, а на грани

В - отрицательный заряд. а) б) в) Рис. 3. К объяснению пьезоэлектрического эффекта. Расчеты в теории твердого тела в согласии с опытом показывают, что пьезоэлектрический эффект может существовать только в таких кристаллах, в которых элементарная ячейка не имеет центра сим­метрии. Так, например, элементарная ячейка кристаллов CsCl (рис. 4) имеет центр симметрии и эти кристаллы не обнаруживают пьезоэлектрических свойств. Расположение

же ионов в ячейке кварца таково, что в нем центр симметрии отсутствует, и поэтому в нем возможен пьезоэлектрический эффект. Рис. 4. Элементарная ячейка кристалла хлористого цезия CsCl. Величина вектора поляризации Р (и пропорциональная ей поверхностная плотность пьезоэлектрических зарядов о') в определенном интервале изменений пропорциональна величине механических деформаций. Обозначим через и дефор­мацию одностороннего

растяжения вдоль оси X: u=Dd/d, (1) где d - толщина пластинки, а Dd — ее изменение при деформации. Тогда, напри­мер, для продольного эффекта имеем P=Px=bu (2) Величина b называется пьезоэлектрическим модулем. Знак b может быть как поло­жительным, так и отрицательным. Так как и безразмерная величина, то b изме­ряется в тех же единицах, что и Р, т.е. в Кл/м2. Величина поверхностной плотно­сти пьезоэлектрических зарядов на гранях, перпендикулярных к