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 определенных твердых материалах, таких как кристаллы , определенная керамика и биологическая материя, такая как кость, 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 древнегреческого πιέζω ( piezō ) — «сжимать или давить» и ἤλεκτρον ( ḗlektron ) — « янтарь » (древний источник электрического тока). [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, проявляющие пьезоэлектрический эффект, также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект, внутреннюю генерацию механической деформации в результате приложенного электрического поля . Например, кристаллы цирконата-титаната свинца будут генерировать измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется примерно на 0,1% от исходного размера. И наоборот, те же самые кристаллы изменят свой статический размер примерно на 0,1% при приложении внешнего электрического поля. Обратный пьезоэлектрический эффект используется при 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 , которые разрешают изображения в масштабе атомов . Он используется в звукоснимателях некоторых гитар с электронным усилением и в качестве триггеров в большинстве современных электронных барабанов . [8] [9] Пьезоэлектрический эффект также находит повседневное применение, например, для создания искр для зажигания газовых кухонных и нагревательных приборов, факелов и зажигалок .
Пироэлектрический эффект , при котором материал генерирует электрический потенциал в ответ на изменение температуры, изучался Карлом Линнеем и Францем Эпином в середине 18 века. Опираясь на эти знания, и Рене Жюст Аюи , и Антуан Сезар Беккерель постулировали связь между механическим напряжением и электрическим зарядом; однако эксперименты обоих оказались безрезультатными. [10]
Первая демонстрация прямого пьезоэлектрического эффекта была в 1880 году братьями Пьером Кюри и Жаком Кюри . [11] Они объединили свои знания о пироэлектричестве с пониманием лежащих в его основе кристаллических структур, которые привели к возникновению пироэлектричества, чтобы предсказать поведение кристаллов, и продемонстрировали эффект, используя кристаллы турмалина, кварца, топаза, тростникового сахара и сешельской соли ( тартрата натрия и калия) . тетрагидрат). Кварц и сегнетова соль обладают наибольшим пьезоэлектризмом.
Однако Кюри не предсказали обратного пьезоэлектрического эффекта. Обратный эффект был математически выведен из фундаментальных термодинамических принципов Габриэлем Липпманом в 1881 году. [12] Семья Кюри немедленно подтвердила существование обратного эффекта [13] и получила количественное доказательство полной обратимости электроупругомеханических деформации в пьезоэлектрических кристаллах.