Пьезоэлектрический эффект


Для генерации ультразвуковых колебаний используют пьезоэлектрический эффект. Частица вещества, содержащая два разноименных иона, находящихся на некотором расстоянии друг от друга, обозначается как электрический диполь, характеризуемый дипольным моментом; последний равен произведению величины заряда на расстояние между зарядами. Если дипольный момент равен нулю, то нет и диполя.

Существуют тела, которые в обычном своем состоянии не имеют поляризации, но приобретают ее при механическом сжатии или растяжении. Это явление и было названо пьезоэлектрическим эффектом. Приставка "пьезо" по-гречески означает "давить". Следовательно, пьезоэлектричество - электричество, возникающее в результате давления.
Пластина, вырезанная определенным образом по отношению к осям кристалла кварца или другого вещества, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, характеризуется тем, что на противоположных гранях пластинки при сжатии возникают разноименные электрические заряды.
Если пластинку растянуть, то также появятся электрические заряды, но знаки их будут обратными тем, которые были при сжатии. Попеременно сжимая и разжимая пластинку, можно вызвать появление на ее противоположных гранях разноименных зарядов.
Если металлизированные плоскости пьезоэлектрической пластинки соединить с источником переменного тока, то синхронно с изменением полярности будет изменяться толщина пластинки: она делается то толще, то тоньше. Это явление носит название обратного пьезоэлектрического эффекта.
П. Ланжевен в 1917 году возбудил при помощи высокочастотного электромагнитного поля вынужденные упругие колебания в кварцевых пластинках. Если пластинка будет помещена в жидкость, то при утолщении пластинки ее грани, двигаясь наподобие поршня паровой машины, окажут давление на жидкость. При сжатии пластинки, наоборот, вблизи ее поверхности образуется разряжение. При повторяющихся изменениях формы пластинки в окружающей ее упругой среде возникнут чередующиеся участки сжатия и разряжения; при их распространении от поверхности пластинки возникает волновой процесс.
Изменение толщины кварцевой пластинки весьма мало: приложение высокочастотного напряжения 1000 Вт изменит толщину пластинки лишь на 20 мкм. Увеличить амплитуду колебаний пьезоэлектрической пластинки можно, возбудив ее на резонансной частоте собственных механических колебаний. Для этого пластинка присоединяется к источнику переменного тока с резонансной частотой. Когда частота внешних колебаний совпадает с частотой собственных колебаний системы, такое явление называют резонансом. В тех случаях, когда тело заставляют колебаться с резонансной частотой, размах его колебаний делается особенно большим. Раньше для получения пьезоэлектрического эффекта использовали кристалл кварца, но так как для его возбуждения нужно высокое напряжение, то в настоящее время используют керамику из титаната бария. Недостатком ее является то, что ее свойства начинают изменяться при 120 - 130 оС, поэтому головку из титаната бария нужно охлаждать. Высокочастотное напряжение, необходимое для возбуждения пьезоэлектрической излучающей головки, обеспечивает специальный генератор.

Подготовила Дрейд А.И. 2000 г