В 1880 году французские ученые братья Жак и Пьер Кюри
открыли пьезоэлектрический эффект. Сущность его заключается в том, что
если деформировать пластинку кварца, то на ее гранях появляются
противоположные по знаку электрические заряды. Следовательно,
пьезоэлектричество - это электричество, возникающее в результате
механического воздействия на вещество ("пьезо" по-гречески означает
"давить").
Впервые пьезоэлектрические свойства были обнаружены у горного хрусталя -
одной из разновидностей кварца. Горный хрусталь представляет собой
прозрачные, бесцветные, похожие на лед кристаллы. Советский минералог А.
Е. Ферсман в книге "Занимательная минералогия" писал: "Возьмите в руку
обломок горного хрусталя и такой же кусочек стекла - оба похожи и по
своему цвету, и по прозрачности. Если их сломать, у них будут одинаково
острые, режущие края и форма излома. Но будет и различие: горный
хрусталь долгое время останется холодным в вашей руке, стекло очень
скоро сделается теплым... Знали ли это свойство древние греки или нет -
неизвестно, но во всяком случае это они дали нашему камню название
"хрусталь" от греческого наименования "лед", так как действительно
горный хрусталь очень похож на лед..."
В природе встречается почти двести разновидностей кварца. Это и
золотисто-желтый цитрин, кроваво-красный сердолик, красновато-коричневый
с золотым отливом авантюрин, фиолетовый аметист и многие другие. Почти
десятую часть земной коры составляют различие виды кварца. Даже
обыкновенный песок состоит г лавным образом из зерен кварца.
Кварц широко применяется в науке и технике. Он роспускает
ультрафиолетовые лучи, тверд и тугоплавок. посуду из кварцевого стекла
можно раскалить докрасна сразу погрузить в ледяную воду. Он устойчив
почти ко сем кислотам и плохо проводит электрический ток. Но самым
замечательным его свойством считается пьезоэлектричество. Если пластину,
определенным образом урезанную из кристалла кварца, сжимать и разжимать,
о на ее гранях будут возникать электрические заряды противоположными
знаками. Чем сильнее сжатие, тем больше заряд. Возникновение
электрических зарядов на гранях кварцевой пластинки при ее деформации
получило название прямого пьезоэлектрического эффекта.
Если же к такой кварцевой пластинке подвести электрический заряд, она
изменит свои размеры. Чем больше заряд, тем сильнее деформируется
пластинка. При действии на пластинку переменного электрического поля она
сжимается или разжимается в такт изменению знаков приложенного
напряжения. Если последнее изменяется с ультразвуковой частотой, то и
пластинка колеблется также с ультразвуковой частотой, на чем и основав
но применение кварца для получения ультразвуковых волн. Изменение
размеров кварцевой пластинки под действием электрических зарядов
называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.
Прямой пьезоэлектрический эффект используют в приемниках ультразвуковых
колебаний, где последние преобразуются в переменный ток. Но если к
такому приемнику приложить переменное напряжение, в полной мере
обнаруживается и обратный пьезоэффект. В этом случае переменный ток
преобразуется в ультразвуковые колебания и приемник работает как
ультразвуковой излучатель. Следовательно, пьезоэлектрический приемник и
излучатель могут быть представлены в виде одного при-] бора, которым
можно поочередно излучать и принимать ультразвуковые колебания. Такой
прибор называют ультразвуковым акустическим преобразователем.
Акустические преобразователи с успехом используются в различного рода
электроакустических системах, в частности в системах, предназначенных
для акустических и гидроакустических измерений и исследований.
Пьезоэлектрические приборы широко применяются и при исследовании
космического пространства. Ныне их представляют некоторые датчики,
передающие данные о состоянии космонавта, об условиях внутри
космического корабля, предупреждающие о метеоритной опасности и т. п.
Пьезоэлектрические приборы помогают "ощупать" детали самолетов, выявить
ошибки в их расчетах и предотвратить опасные последствия этих ошибок;
"заглянуть" в ствол стреляющего орудия, чтобы измерить давление или
получить другие данные. Пьезоэлектричество используется в радиотехнике и
телевидении. Пьезоэлектрические приборы помогают находить косяки рыб,
исследовать земные недра, искать полезные ископаемые ставить диагнозы и
лечить людей, анализировать и ускорять химические процессы и т. д.
Одним из основных материалов, применяемых для изготовления
ультразвуковых преобразователей, долгое время считался кварц. Но
излучатель, сделанный из маленькой кварцевой пластинки, имеет небольшую
мощность. Чтобы повысить ее, увеличивают площадь излучающей поверхности
путем составления пластинок кварца в виде своеобразной мозаики.
В природе кристаллы кварца встречаются в основном сравнительно небольших
размеров, хотя и бывают исключения. В Восточных Альпах геологи в одном
гнезде нашли шесть кристаллов горного хрусталя общей массой свыше
полутора тонн. Еще более уникальную находку обнаружили уральские
геологи, которые открыли месторождение хрусталя с целым семейством
кристаллов-великанов. Сначала из породы извлекли кристаллы массой 800
килограммов. Последующий упорный поиск дал совершенно ошеломляющие
результаты - было найдено созвездие из двадцати прозрачных чистых
кристаллов. Их общая масса превысила 9 тонн. Однако такие находки не
могут удовлетворить все возрастающие потребности науки и техники в
кристаллах кварца. Поэтому их пытаются выращивать искусственно в
лабораториях, но, к сожалению, они растут медленно и производство их
дорогостоящее.
В поисках других пьезоэлектрических материалов ученые обратили внимание
на сегнетову соль. Впервые ее получил из солей винной кислоты
французский аптекарь Сегнет. Сегнетова соль легко обрабатывается,
кристалл сегнетовой соли можно разрезать обыкновенной ниткой, смоченной
водой. По сравнению с другими пьезокристаллами, в том числе и по
сравнению с кварцем, кристалл сегнетовой соли обладает значительно
большим пьезоэлектрическим эффектом, самое ничтожное механическое
воздействие на пластинку приводит к появлению электрических зарядов.
Однако у сегнетовой соли есть и серьезные недостатки, которые
ограничивают ее практическое применение. Это в первую очередь низкая
температура плавления - около 60 градусов, при которой кристалл
сегнетовой соли теряет пьезоэлектрические свойства, и они уже больше не
восстанавливаются. Сегнетова соль Растворяется в воде и, следовательно,
боится влаги. Кроме того, она непрочна и не выдерживает больших
механических нагрузок.
Изыскания новых пьезоэлектрических материалов особенно настойчиво
проводились во время второй мировой войны. Они были вызваны "кварцевым
голодом", возникшим вследствие широкого использования пьезокварца в
гидроакустических приборах и в военной радио электронике. Так, для
изготовления пьезоэлектрических преобразователей в то время применялись
кристаллы дигидрофосфата аммония. Этот материал стабилен по частоте,
позволяет работать с большими мощностями и в широком диапазоне частот.
Долгое время применялись и другие пьезоэлектрические материалы, такие,
как фосфат аммония, сульфат лития и дигидрофосфат калия. В
гидроакустических преобразователях их использовали в виде мозаичных
пакетов. Однако всем этим пьезокристаллам присущ общий недостаток -
малая механическая прочность. Поэтому ученые настойчиво искали
заменитель, который был бы близок к ним по пьезоэлектрическим свойствам
и не имел бы вышеуказанног недостатка. И такой заменитель был найден
советскими учеными, работавшими под руководством члена-корреспондента
Академии наук СССР Б. М. Вула. Это был титанат бария, который не
является кристаллом, как кварц и сегнетова соль, и сам по себе не
обладает пьезоэлектрическими свойствами.
Титанат бария получают искусственным путем, так как в недрах земли он
встречается очень редко. Для этого смесь двух минеральных веществ -
углекислого бария и двуокиси титаната - обжигают при очень высокой
температуре. Получается желтовато-белая масса, которая по своему виду и
механическим свойствам напоминает обыкновенную глину. Этой массе, как и
глине, можно придать любую форму, но она будет механически прочной и не
растворимой в воде. А для того чтобы титанату бария придать
пьезоэлектрические свойства, обожженную массу помещают в сильное
электрическое поле, затем охлаждают. В результате происходит поляриза
ция кристалликов титаната бария, их диполи (совокупность двух
разноименных, но равных по абсолютной величине электрических зарядов,
находящихся на некотором расстоянии друг от друга) занимают одинаково
положение, а после охлаждения фиксируются, как бы "замораживаются" в
этом состоянии. У полученного материала пьезоэлектрический эффект в 50
раз больше, чем у кварца, а стоимость его невысокая, так как для его
изготовления имеется очень большое количество сырья. К недостаткам
титаната бария относятся большие механические и диэлектрические потери,
что приводит к его перегреву, а при температуре более 90 градусов
значительно снижается пьезоэлектрический эффект.
Керамику из титаната бария можно резать, шлифовать, полировать, придавая
преобразователю необходимые форму и размеры (плоская пластина, цилиндр,
полусфера, часть сферы и т. д.). У преобразователей из титаната бария
более эффективно превращение электрической энергии в механическую,
большая стойкость к электрическому пробою, они могут работать при малых
напряжениях. Кроме того, ультразвуковые преобразователи из титаната
бария способны работать в импульсном режиме.
Для изготовления пьезоэлектрических преобразователей используют и другую
пьезокерамику: смесь циркония с титанатом свинца (ЦТС), у этой
пьезокерамики пьезоэффект вдвое больше, чем у титаната бария.
Пьезокерамика ЦТС не растворима в воде, и ее также можно обрабатывать
механическим способом.
Одновременно продолжались поиски кристаллов, обладающих
пьезоэлектрическими свойствами и удовлетворяющих необходимым техническим
требованиям. Так в поле зрения ученых попал сернистый кадмий. Помимо
того что он обладает исключительной способностью усиливать
ультразвуковые колебания, на его основе можно изготовить ультразвуковой
преобразователь для очень высоких частот, совершенно не доступных кварцу
и ти-танату бария. Исследователи предполагают, что кристалл сернистого
кадмия окажется рекордсменом по количеству возможных применений. Он не
только может служить усилителем и преобразователем ультразвука, но и
может быть использован наряду с германием и кремнием как обычный
полупроводник. Кроме того, сернистый кадмий - отличное
фотосопротивление.
Несколько упрощая, можно сказать, что пьезоэлектрический преобразователь
представляет собой один или несколько соединенных определенным образом
отдельных пьезоэлементов с плоской или сферической поверхностью,
приклеенных на общую металлическую пластину. Для получения большой
интенсивности излучения применяют фокусирующие пьезоэлектрические
преобразователи, или концентраторы, которые могут иметь самые различные
формы (полусферы, части полых сфер, полые цилиндры, части полых
цилиндров). Такие преобразователи используют для получения мощных
ультразвуковых колебаний на высоких частотах. При этом интенсивность
излучения в центре фокального пятна у сферических преобразователей в
100-150 раз превышает среднюю интенсивность на излучающей поверхности
преобразователя.
"Звук, ультразвук, инфразвук" автор: И.Г. Хорбченко, Издательство
"Знание" Москва 1986 год.