Efectul piezoelectric și aplicarea lui în tehnologie

În 1880, frații Jacques și Pierre Curie au descoperit că atunci când anumite cristale naturale au fost comprimate sau întinse, la marginile cristalelor au apărut sarcini electrice. Frații au numit acest fenomen „piezoelectricitate” (cuvântul grecesc „piezo” înseamnă „a apăsa”) și ei înșiși au numit astfel de cristale cristale piezoelectrice.

După cum sa dovedit, cristalele de turmalină, cuarțul și alte cristale naturale, precum și multe cristale cultivate artificial, au un efect piezoelectric. Astfel de cristale sunt adăugate în mod regulat la lista de cristale piezoelectrice deja cunoscute.

Când un astfel de cristal piezoelectric este întins sau comprimat în direcția dorită, pe unele dintre suprafețele sale apar sarcini electrice opuse cu o mică diferență de potențial.

Dacă plasăm electrozi conectați între ei pe aceste fețe, atunci în momentul comprimării sau întinderii cristalului va apărea un scurt impuls electric în circuitul format de electrozi.Aceasta va fi manifestarea efectului piezoelectric... La presiune constantă, un astfel de impuls nu va apărea.

Proprietățile inerente ale acestor cristale fac posibilă producerea de instrumente precise și sensibile.

Cristalul piezoelectric este foarte elastic. Când forța este deformată, cristalul revine la volumul și forma originale fără inerție. Merită să faceți din nou un efort sau să schimbați ceea ce a fost deja aplicat și va răspunde imediat cu un nou impuls curent. Este cel mai bun reportofon pentru atingerea vibrațiilor mecanice foarte slabe. Curentul din circuitul cristalului vibrant este mic și acesta a fost o piatră de poticnire în timpul descoperirii efectului piezoelectric de către frații Curie.

În tehnologia modernă, acesta nu este un obstacol, deoarece curentul poate fi amplificat de milioane de ori. Acum se știe că anumite cristale au un efect piezoelectric foarte semnificativ. Iar curentul obtinut de la acestea poate fi transmis prin fire pe distante mari, chiar si fara amplificare prealabila.

Cristalele piezoelectrice au fost folosite în detectarea defectelor cu ultrasunete pentru a detecta defectele produselor metalice. În convertoarele electromecanice pentru stabilizarea frecvenței radio, în filtrele de comunicație telefonică multicanal atunci când mai multe conversații sunt purtate simultan pe un fir, în senzori de presiune și câștig, în adaptoare, la lipire cu ultrasunete — în multe domenii tehnice, cristalele piezoelectrice și-au luat poziția de neclintit.

O proprietate importantă a cristalelor piezoelectrice a fost și un efect piezoelectric invers... Dacă pe anumite suprafețe ale cristalului sunt aplicate sarcini cu semne opuse, atunci cristalele în sine vor fi deformate în acest caz.Dacă vibrațiile electrice ale unei frecvențe audio sunt aplicate unui cristal, acesta va începe să vibreze la aceeași frecvență și undele sonore vor fi excitate în aerul înconjurător. Așadar, același cristal poate acționa atât ca microfon, cât și ca difuzor.

O altă caracteristică a cristalelor piezoelectrice le face parte integrantă a tehnologiei radio moderne. Dispunând de frecvența naturală a vibrațiilor mecanice, cristalul începe să vibreze deosebit de puternic în momentul în care frecvența tensiunii alternative aplicate coincide cu aceasta.

Aceasta este o manifestare a rezonanței electromecanice, pe baza căreia se creează stabilizatori piezoelectrici, datorită cărora se menține o frecvență constantă în generatoarele de oscilații continue.

Ei răspund într-un mod similar la vibrațiile mecanice a căror frecvență se potrivește cu frecvența naturală de vibrație a cristalului piezoelectric. Acest lucru vă permite să creați dispozitive acustice care selectează dintre toate sunetele care ajung la ele doar pe cele necesare pentru un scop sau altul.

Cristale întregi nu sunt luate pentru dispozitive piezoelectrice. Cristalele sunt tăiate în straturi strict orientate în raport cu axele lor cristalografice, aceste straturi sunt făcute în plăci dreptunghiulare sau circulare, care sunt apoi lustruite la o anumită dimensiune. Grosimea plăcilor este menținută cu grijă deoarece de aceasta depinde frecvența de rezonanță a oscilațiilor. Una sau mai multe plăci conectate prin straturi metalice pe două suprafețe largi se numesc elemente piezoelectrice.