Пьезоэлектричество ( / ˌ p iː z oʊ -, ˌ p iː t s oʊ -, p aɪ ˌ iː z oʊ -/ , США : / p i ˌ eɪ z oʊ -, p i ˌ eɪ t s oʊ -/ ) [1 ] — это электрический заряд , который накапливается в некоторых твердых материалах, таких как кристаллы , некоторые виды керамики.и биологические вещества, такие как кости, ДНК и различные белки, — в ответ на приложенное механическое напряжение . [2] Слово пьезоэлектричество означает электричество, возникающее в результате давления и скрытой теплоты. Оно происходит от греческого слова πιέζειν ; piezein , что означает сжимать или давить, и ἤλεκτρον ēlektron , что означает янтарь , древний источник электрического заряда. [3] [4]
Пьезоэлектрический эффект возникает в результате линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями в кристаллических материалах без инверсионной симметрии . [5] Пьезоэлектрический эффект является обратимым процессом : материалы, демонстрирующие пьезоэлектрический эффект , также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект, внутреннее генерирование механического напряжения в результате приложенного электрического поля. Например, титанат цирконата свинца.кристаллы будут генерировать измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется примерно на 0,1% от исходного размера. И наоборот, те же самые кристаллы будут изменять свои статические размеры примерно на 0,1% при приложении внешнего электрического поля. Обратный пьезоэлектрический эффект используется в производстве ультразвуковых волн . [6]
Французские физики Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектричество в 1880 году . [7] Пьезоэлектрический эффект использовался во многих полезных приложениях, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать , генерацию электричества высокого напряжения, в качестве тактового генератора в электронных устройствах . , в микровесах , для привода ультразвукового сопла , и в сверхтонкой фокусировке оптических сборок. Он формирует основу для сканирующих зондовых микроскопов , разрешающих изображения в масштабе атомов . Используется в звукоснимателях некоторыхгитар с электронным усилением и в качестве триггеров в большинстве современных электронных барабанов . [8] [9] Пьезоэлектрический эффект также находит повседневное применение, например, генерирование искр для воспламенения газовых кухонных и отопительных приборов, факелов и зажигалок .
Пироэлектрический эффект , при котором материал генерирует электрический потенциал в ответ на изменение температуры, изучался Карлом Линнеем и Францем Эпинусом в середине 18 века. Опираясь на эти знания, и Рене Жюст Хаюи , и Антуан Сезар Беккерель установили связь между механическим напряжением и электрическим зарядом; однако эксперименты обоих оказались безрезультатными. [10]
Первая демонстрация прямого пьезоэлектрического эффекта была проведена в 1880 году братьями Пьером Кюри и Жаком Кюри . [11] Они объединили свои знания о пироэлектричестве с пониманием лежащих в основе кристаллических структур, которые привели к возникновению пироэлектричества, чтобы предсказать поведение кристаллов, и продемонстрировали эффект, используя кристаллы турмалина , кварца , топаза , тростникового сахара и сегнетовой соли (виннокислого натрия и калия). тетрагидрат). Кварц и сегнетовая соль проявляли наибольшее пьезоэлектричество.
Кюри, однако, не предсказали обратного пьезоэлектрического эффекта. Обратный эффект был математически выведен из фундаментальных термодинамических принципов Габриэлем Липпманом в 1881 г. [12] Кюри немедленно подтвердили существование обратного эффекта [13] и получили количественные доказательства полной обратимости электроэластомеханического деформации в пьезоэлектрических кристаллах.