Справочная информация

В 1880 г. Жак и Пьер Кюри обнаружили пьезоэлектрический эффект, который, как выяснилось позже, присущ ряду кристаллов, принадлежащих к определенным кристаллографическим классам.
Сущность его заключается в следующем. При определенных типах кристаллофизической симметрии в результате деформирования кристалла возникает так называемый прямой пьезлэлектрический эффект - на гранях кристалла появляются электрические заряды, пропорциональные величине деформации. Имеет место также и обратный пьезоэлектрический эффект, который заключается в том, что в электронном поле в кристаллах возникают внутренние напряжения, пропорциональные напряженности поля.

Пьезоэлектрический эффект тесно связан с существом кристаллической структуры. Кристаллы имеют геометрически правильное расположение составляющих их структурных элементов, чередование которых в пространстве образует кристаллическую решетку. В узлах решетки располагаются ионы, т.е. атомы с недостатком или избытком валентных электронов, нейтральные атомы или молекулы.
Существование кристаллических решеток объясняет симметрию кристалла. Кристаллы подразделяются на 32 класса, причем каждому классу присущи определенные элементы симметрии: оси симметрии, плоскости симметрии,центр симметрии.

Кристаллы a-кварца (низкотемпературная модификация кварца) относятся к тригонально-трапецоэдрическому классу 3:2 тригональной системы, кристаллы b-кварца (высокотемпературная модификация кварца) - к гексагонально-трапецоэдрическому классу 6:2 гексагональной системы. Элементами минимальной симметрии a-кварца являются ось третьего порядка (оптическая) и три перпендикулярные ей оси второго порядка (электрические), образующие между собой углы в 120 градусов. Перпендикулярно этим осям расположены три оси, называемые механическими.

При воздействии внешней силы кристаллическая решетка изменяет свое состояние. Деформация решетки, вызываемая механическим напряжением, приводит к перераспределению электрических зарядов. Однако не при любом расположении диполей в кристалле приложение механической силы приводит к такой деформации, при которой изменяется дипольный момент, т.е. расстояние между центрами тяжести разноименных зарядов. Это возможно только при наличии полярных направлений, которые имеются у кристаллов определенных классов, не обладающих центром симметрии. Допускают существование пьезоэлектричества 20 или 32 классов кристаллографической симметрии, в том числе оба упомянутых выше класса — тригонально-трапецоэдрический и гексагонально-трапецоэдрический, 

Рассмотрим возникновение пьезоэлектрического эффекта в кварце с молекулярной точки зрения.
Как показывает рентгеноструктурный анализ, основой структуры кварца Si02 являются винтовые цепочки тетраэдров Si04, расположенные по оси симметрии третьего порядка (вдоль оптической оси) (рис. В-1,а).

В структуре кристалла каждый ион Si, обладающий положительным зарядом +4е*, тетраэдрически окружен четырьмя ионами О, каждый из которых обладает отрицательными зарядами -2е, и каждый ион О связывает два иона Si. Однако заряды всех ионов кристаллической ячейки взаимно компенсируются, и в целом она электрически нейтральна.Для простоты будем рассматривать каждую пару ионов О в качестве частицы, имеющей заряд -4е, При этом структурная ячейка, представленная на рис. В-1, а, принимает вид, изображенный на рис. В-1, б. Предположим, что эта ячейка подвергается воздействию внешней силы в направлении электрической оси Х (рис. В-1,в); тогда ион Si (1) сдвинется внутрь и расположится между ионами О(2) и О(6), а ион О(4)— между ионами Si(3) и Si(5). Вследствие этого на одной поверхности возникнет положительный заряд, на другой — отрицательный, т. е. имеет место прямой пьезоэлектрический эффект. Пользуясь моделью структурной ячейки, можно объяснить возникновение обратного пьезоэлектрического эффекта, а также отсутствие асимметрии в расположении зарядов в направлении оси третьего порядка при сжатии или растяжении кварца. Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты используются для стабилизации частоты; при периодическом изменении электрического поля, прикладываемого к кристаллу, например кварца, в последнем возникают резонансные механические колебания, если частота изменения поля равна одной из собственных частот кристалла'. Эти механические колебания благодаря обратному пьезоэффекту обусловливают весьма интенсивные электрические колебания, оказывающие сильное воздействие на возбудившую их электрическую цепь. Частота собственных колебаний пьезоэлектрического кристалла определяется его физическими свойствами и геометрическими размерами.

В качестве пьезоэлектрических материалов могут применяться, помимо кварца, турмалин, виннокислый калий и виннокислый этилендиамин, различные керамики (титанат бария, цирконат-титанат свинца и др.) и многие другие моно- и поликристаллы. Однако ни один из них до сих пор не стал достаточно сильным конкурентом кварцу благодаря тому, что в кварце сочетаются многочисленные достоинства. К числу этих достоинств следует отнести и то, что кристаллы кварца являются почти идеально упругими телами, обладают ничтожным внутренним трением, большой механической и термической прочностью и встречаются в природе в виде чрезвычайно крупных образований (известны монокристаллы кварца весом свыше тонны). Кроме того, в настоящее время во многих странах мира развито промышленное производство синтетических кристаллов кварца, практически не уступающих по своему качеству природным. Одно из ведущих мест в этой отрасли принадлежит нашей стране.

Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы изготовляются в настоящее время в широком ассортименте и охватывают диапазон частот от нескольких сотен герц до нескольких сотен мегагерц. С помощью радиотехнических средств, применяемых для умножения и преобразования частоты, кварцевые резонаторы удается использовать для стабилизации электрических колебаний в еще более широком диапазоне, вплоть до сантиметровых волн. Применение пьезоэлектрических кристаллов для упомянутых целей привело к образованию особой отрасли науки и техники, базирующейся на достижениях кристаллографии и кристаллофизики, теории колебаний, технологии хрупких материалов и электровакуумных производств.