Пьезоэлектриками называют диэлектрики, которые имеют сильный прямой и обратный пьезоэлектрический эффекты.
Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации под влиянием механических напряжений. Электрический заряд, который возникает на поверхности диэлектрика, изменяется согласно линейному закону от воздействия механических усилий:
Q = d·F (2.39)
qs = Q/S = d·F/S = d· σs (2.40)
где Q - заряд; d - пьезомодуль; F - сила; S - площадь;
q - заряд на единицу поверхности;
σs - механическое напряжение в сечении диэлектрика.
Обратным пьезоэлектрическим эффектом называют изменение размеров диэлектрика ΔL/L под влиянием напряженности электрического поля по линейному закону.
ΔL/L = d·E (2.41)
где ΔL/L - относительная деформация образца.
Пьезомодули прямого и обратного пьезоэффектов равны. Деформация пьезоэлектрика зависит от направления электрического поля и изменяет знак при изменении направления последнего. Если приложить к пьезоэлектрику синусоидальное электрическое поле, то в нем возникнут синусоидальные деформации той же частоты.
Пьезоэффекты возникают только в веществах с гетерополярной химической связью, то есть пьезоэлектриками могут быть лишь ионные или сильное полярные диэлектрики. Кроме того, необходимым условием наличия пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии кристалла. Пьезоэлектриками могут быть только вещества с большим значением удельного сопротивления. Иначе пьезоэлектрическая поляризация быстро компенсируется свободными носителями заряда.
Обратный пьезоэлектрический эффект не следует путать с явлением электрострикции, которое имеет место в любых диэлектриках при любых механизмах поляризации.
Электрострикцией называют изменение геометрических размеров диэлектрика вследствие смещения электрических зарядов его структуры, пропорциональное квадрату напряженности поля и которое не зависит от его направления:
ΔL/L = χ·E2 (2.42)
где χ - модуль электрострикции
Если к образцу в этом случае приложить синусоидальное напряжение, то деформация образца будет проходить с двойной частотой
Явление электрострикции необратимо, т.е. при механической деформации никакого заряда на противоположных гранях образца не образуется.