Пиезоелектрическият ефект и неговото приложение в технологията

През 1880 г. братята Жак и Пиер Кюри откриват, че когато някои естествени кристали са компресирани или разтегнати, по краищата на кристалите възникват електрически заряди. Братята нарекоха това явление „пиезоелектричество“ (гръцката дума „пиезо“ означава „притискане“), а самите те нарекоха такива кристали пиезоелектрични кристали.

Както се оказа, пиезоелектричен ефект притежават кристали на турмалин, кварц и други естествени кристали, както и много изкуствено отгледани кристали. Такива кристали редовно се добавят към списъка с вече известни пиезоелектрични кристали.

Когато такъв пиезоелектричен кристал се разтегне или компресира в желаната посока, на някои от повърхностите му се появяват противоположни електрически заряди с малка потенциална разлика.

Ако поставим електроди, свързани помежду си, върху тези лица, тогава в момента на компресия или разтягане на кристала, във веригата, образувана от електродите, ще се появи къс електрически импулс. Това ще бъде проявлението пиезоелектричен ефект… При постоянно налягане такъв импулс няма да възникне.

Присъщите свойства на тези кристали правят възможно производството на прецизни и чувствителни инструменти.

Пиезоелектричният кристал е силно еластичен. Когато се деформира силата, кристалът се връща към първоначалния си обем и форма без инерция. Струва си отново да положите усилия или да промените вече приложеното и то веднага ще отговори с нов текущ импулс. Това е най -добрият рекордер за достигане на много слаби механични вибрации. Силата на тока във веригата на трептящия кристал е малка и това беше препъни камък по време на откриването на пиезоелектричния ефект от братята Кюри.

В съвременните технологии това не е пречка, защото токът може да се усили милиони пъти. Сега е известно, че някои кристали имат много значителен пиезоелектричен ефект. И полученият от тях ток може да се предава по проводници на дълги разстояния, дори без предварително усилване.

Пиезоелектричните кристали са намерили приложение в ултразвуковата дефектоскопия, за откриване на дефекти в металните изделия. В електромеханични преобразуватели за радиочестотна стабилизация, във филтри на многоканална телефонна комуникация, когато няколко разговора се провеждат едновременно по един проводник, в сензори за налягане и усилване, в адаптери, при ултразвуково запояване — в много технически области пиезоелектричните кристали са заели своето непоклатимо положение.

Важно свойство на пиезоелектричните кристали също беше обратен пиезоелектричен ефект… Ако към определени повърхности на кристала се приложат заряди с противоположни знаци, тогава самите кристали ще се деформират в този случай. Ако електрически вибрации на аудио честота се приложат към кристал, той ще започне да вибрира със същата честота и звуковите вълни ще се възбуждат в околния въздух. Така че един и същи кристал може да действа и като микрофон, и като говорител.

Друга особеност на пиезоелектричните кристали ги прави неразделна част от съвременното радиотехника. Притежавайки естествената честота на механичните вибрации, кристалът започва да вибрира особено силно в момента, когато честотата на подаваното променливо напрежение съвпада с него.

Това е проява на електромеханичен резонанс, въз основа на който се създават пиезоелектрични стабилизатори, поради което се поддържа постоянна честота в генератори на непрекъснати трептения.

Те реагират по подобен начин на механичните вибрации, чиято честота съвпада с честотата на естествените вибрации на пиезоелектричния кристал. Това ви позволява да създавате акустични устройства, които да избират от всички звуци, достигащи до тях само тези, които са необходими за една или друга цел.

За пиезоелектрически устройства не се вземат цели кристали. Кристалите се нарязват на слоеве, строго ориентирани спрямо техните кристалографски оси, от тези слоеве се правят правоъгълни или кръгли плочи, които след това се полират до определен размер. Дебелината на плочите се поддържа внимателно, тъй като резонансната честота на трептенията зависи от това. Една или повече плочи, свързани с метални слоеве на две широки повърхности, се наричат пиезоелектрични елементи.