П’єзоелектричний ефект
У 1880 р. Жак і П'єр Кюрі виявили п'єзоелектричний ефект, який, як з'ясувалося пізніше, властивий ряду кристалів, що належать до певних кристалографічних класів. Сутність його полягає в наступному. За певних типів кристалофізичної симетрії в результаті деформування кристала виникає так званий прямий п'єзлелектричний ефект - на гранях кристала з'являються електричні заряди, пропорційні величині деформації. Має місце також і зворотний п'єзоелектричний ефект, який полягає в тому, що в електронному полі в кристалах виникають внутрішні напруження, пропорційні напруженості поля.
П'єзоелектричний ефект тісно пов'язаний із істотою кристалічної структури. Кристали мають геометрично правильне розташування складових їх структурних елементів, чергування яких у просторі утворює кристалічну решітку. У вузлах ґрат розташовуються іони, тобто. атоми з нестачею чи надлишком валентних електронів, нейтральні атоми чи молекули. Існування кристалічних ґрат пояснює симетрію кристала. Кристали поділяються на 32 класи, причому кожному класу притаманні певні елементи симетрії: осі симетрії, площині симетрії, центр симетрії.
Кристали a-кварцу (низькотемпературна модифікація кварцу) відносяться до тригонально-трапецеедричного класу 3:2 тригональної системи, кристали b-кварцу (високотемпературна модифікація кварцу) - до гексагонально-трапецеедричного класу 6:2 гексагональної системи. Елементами мінімальної симетрії a-кварцу є вісь третього порядку (оптична) і три перпендикулярні до неї осі другого порядку (електричні), що утворюють між собою кути в 120 градусів. Перпендикулярно до цих осей розташовані три осі, званімеханічними.
Мал. B-1. Структурний осередок кварцу (a) та утворення п'єзоелектричного ефекту (б-г)
Розглянемо виникнення п'єзоелектричного ефекту у кварці з молекулярної точки зору. Як показує рентгеноструктурний аналіз, основою структури кварцу Si02 є гвинтові ланцюжки тетраедрів Si04, розташовані по осі симетрії третього порядку (вздовж оптичної осі) (рис. В-1,а).
У структурі кристала кожен іон Si, що має позитивний заряд +4е*, тетраедрично оточений чотирма іонами Про, кожен з яких має негативні заряди -2е, і кожен іон Про зв'язує два іони Si. Однак заряди всіх іонів кристалічного осередку взаємно компенсуються, і в цілому вона електрично нейтральна. Для простоти розглядатимемо кожну пару іонів Про як частинку, що має заряд -4е, При цьому структурна осередок, представлена на рис. В-1 а приймає вигляд, зображений на рис. В-1, б. Припустимо, що цей осередок піддається впливу зовнішньої сили в напрямкуелектричної осі Х (рис. В-1, в); тоді іон Si (1) зрушить усередину і розташується між іонами О(2) і О(6), а іон О(4) - між іонами Si(3) і Si(5). Внаслідок цього на одній поверхні виникне позитивний заряд, на іншій - негативний, тобто має прямий п'єзоелектричний ефект. Користуючись моделлю структурного осередку, можна пояснити виникнення зворотного п'єзоелектричного ефекту, а також відсутність асиметрії у розташуванні зарядів у напрямку осі третього порядку при стисканні або розтягуванні кварцу. Прямий та зворотний п'єзоелектричні ефекти використовуються для стабілізації частоти; при періодичній зміні електричного поля, що прикладається до кристала, наприклад кварцу, в останньому виникають резонансні механічні коливання, якщо частота зміни поля дорівнює одній із власних частот кристала'. Ці механічні коливання завдяки зворотному п'єзоефекту обумовлюють вельми інтенсивні електричні коливання, що надають сильний вплив на електричний ланцюг, що збудив їх. Частота власних коливань п'єзоелектричного кристала визначається його фізичними властивостями та геометричними розмірами.
Як п'єзоелектричні матеріали можуть застосовуватися, крім кварцу, турмалін, виннокислий калій і виннокислий етилендіамін, різні кераміки (титанат барію, цирконат-титанат свинцю та ін) і багато інших моно-і полікристали. Однак жоден із них досі не став досить сильним конкурентом кварцу завдяки тому, що у кварці поєднуються численні переваги. До цих достоїнств слід віднести і те, що кристали кварцу є майже ідеально пружними тілами, володіють незначним внутрішнім тертям, великою механічною і термічною міцністю і зустрічаються в природі у вигляді надзвичайно великих утворень(відомі монокристали кварцу вагою понад тонну). Крім того, в даний час у багатьох країнах світу розвинене промислове виробництво синтетичних кристалів кварцу, що практично не поступаються за своєю якістю природним. Одне з провідних місць у цій галузі належить нашій країні.
П'єзоелектричні кварцові резонатори виготовляються в даний час в широкому асортименті і охоплюють діапазон частот від кількох сотень герц до кількох сотень мегагерц. За допомогою радіотехнічних засобів, що застосовуються для множення та перетворення частоти, кварцові резонатори вдається використовувати для стабілізації електричних коливань ще більш широкому діапазоні, аж до сантиметрових хвиль. Застосування п'єзоелектричних кристалів для згаданих цілей призвело до утворення особливої галузі науки і техніки, що базується на досягненнях кристалографії та кристалофізики, теорії коливань, технології крихких матеріалів та електровакуумних виробництв.