Номер 3, страница 276 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

3*. В чём заключается пьезоэлектрический эффект (прямой и обратный)?

Решение

Пьезоэлектрический эффект — это явление, возникающее в некоторых кристаллических материалах (пьезоэлектриках), при котором происходит взаимопревращение механической и электрической энергии. Эффект проявляется в двух формах: прямой и обратный. Он свойственен только кристаллам, у которых отсутствует центр симметрии в их кристаллической решётке. К таким материалам относятся, например, кварц, турмалин, титанат бария.

Прямой пьезоэлектрический эффект

Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении электрической поляризации (появлении электрических зарядов на поверхности) при механической деформации кристалла.

Когда к пьезоэлектрическому кристаллу прикладывается механическое усилие (например, сжатие или растяжение), его кристаллическая решётка деформируется. В нормальном состоянии центры положительных и отрицательных зарядов в элементарных ячейках решётки скомпенсированы. При деформации происходит их относительное смещение. Это смещение нарушает электрическую нейтральность в объеме кристалла и приводит к появлению на его противоположных гранях разноимённых поверхностных зарядов. В результате между этими гранями возникает разность потенциалов.

Величина возникающей поляризации $\text{P}$ прямо пропорциональна приложенному механическому напряжению $\sigma$. В общем виде эта зависимость описывается тензорным уравнением:
$P_i = \sum_{j,k=1}^{3} d_{ijk} \sigma_{jk}$
где $P_i$ — компоненты вектора поляризации, $\sigma_{jk}$ — компоненты тензора механических напряжений, а $d_{ijk}$ — пьезоэлектрические модули, являющиеся характеристикой материала.

Ответ: прямой пьезоэлектрический эффект — это возникновение электрической поляризации в диэлектрике под действием механических напряжений.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при приложении к кристаллу внешнего электрического поля он изменяет свои размеры и форму, то есть деформируется.

Когда пьезоэлектрик помещается в электрическое поле, это поле действует с силой на положительные и отрицательные ионы его кристаллической решётки. Так как кристалл не имеет центра симметрии, действие этих сил приводит к смещению ионов и, как следствие, к механической деформации всего кристалла. В зависимости от направления приложенного поля кристалл может сжиматься или растягиваться. Если приложить переменное электрическое поле, кристалл будет совершать механические колебания.

Возникающая относительная деформация $\text{S}$ пропорциональна напряжённости приложенного электрического поля $\text{E}$. Эта связь описывается уравнением:
$S_{ij} = \sum_{k=1}^{3} d_{kij} E_k$
где $S_{ij}$ — компоненты тензора деформации, $E_k$ — компоненты вектора напряжённости электрического поля, а $d_{kij}$ — те же самые пьезоэлектрические модули, что и в прямом эффекте.

Ответ: обратный пьезоэлектрический эффект — это возникновение механических деформаций в кристалле под действием электрического поля.