П'єзоелектрика і ультразвук
П'єзоелектрика і ультразвук
Властивість ультразвукових хвиль відбиватися від перешкоди і повертатися назад у вигляді луни використовують для визначення відстані до важкодоступних об'єктів.
Відомі на початку ХХ століття механічні джерела ультразвукових хвиль - камертон і коливаються сталеві стрижні, володіли великою потужністю, але не були здатні посилати їх вузьким спрямованим пучком, подібно світловому променю. Випромінюється ними ультразвук розходився в різні боки. Через це неможливо було визначити напрямок, в якому знаходився досліджуваний об'єкт.
Але вихід знайшов французький вчений Поль Ланжевен. У 1916 р під час Першої світової війни, він шукав спосіб виявлення підводних човнів за допомогою ультразвуку. І як джерело ультразвукових хвиль він використовував п`єзоелектричні явище, яке до цього не знаходило застосування.
відкриття п'єзоелектрики
Натиснути на картинку
П'єзоелектричний ефект був відкритий в 1880 р французькими вченими братами П'єром і Полем Кюрі під час дослідження властивостей кристалів. Стискаючи кристал кварцу з двох сторін, вони виявили появу електричних зарядів на гранях, перпендикулярних напрямку стиснення. Заряди на одній грані були позитивними, а на іншій - негативними. Таку ж картину вони спостерігали і при розтягуванні кристалів. На тій межі, де при стисненні з'являлися позитивні заряди, при розтягуванні виникали негативні, і навпаки.
Виявилося, що крім кварцу подібними властивостями володіють кристали турмаліну, сегнетової солі, сульфату літію, і інші кристали, у яких відсутній центр симетрії. Це явище було названо П'єзоелектрика, від грецького слова «пьезо» - тисну, а кристали, що володіють такими властивостями, - п'єзоелектрик.
При подальших дослідженнях брати Кюрі встановили, що існує і зворотний п'єзоелектричний ефект. Якщо створити електричні заряди різної полярності на гранях кристала, то він стиснеться або розтягнеться.
Ось це відкриття і використовував в своїх дослідженнях Поль Ланжевен.
П'єзоелектричний випромінювач Ланжевена
Якщо кварцову пластинку піддавати механічній дії, то вона електризується. І навпаки, якщо міняти з певною частотою електричне поле, в якому вона знаходиться, то вона почне коливатися з такою ж частотою.
А що буде, якщо для зарядки кристала використовувати електрику від джерела змінного струму високої частоти? Проробивши такий досвід, Ланжевен переконався, що частота коливань кристала така ж, що і частота зміни напруги. Якщо вона нижче 20 000 Гц, кристал стає джерелом звуку, а якщо вище, він буде випромінювати ультразвукові хвилі.
Але потужність ультразвуку, випромінюваного однієї платівкою кристала, дуже мала. Тому з кварцових платівок вчений створив мозаїчний шар і помістив його між двома сталевими накладками, які виконували функції електродів. Для збільшення амплітуди коливань використовувалося явище резонансу. Якщо частота змінної напруги, що подається на п'єзокристал, збігалася з його власною частотою, то амплітуда його коливань різко зростала.
Цю конструкцію назвали «сендвічем Ланжевена». І вона виявилася дуже вдалою. Потужність випромінювання була досить великою, а пучок хвиль виявився вузько спрямованим.
Пізніше в якості пьезоелемента замість кварцових платівок стали застосовувати кераміку з титанату барію, п'єзоелектричний ефект якого в багато разів вище, ніж у кварцу.
П'єзоелектрична платівка може бути і приймачем звуку. Якщо звукова хвиля зустріне її на своєму шляху, то пластинка почне коливатися з частотою джерела звуку. На її гранях з'являться електричні заряди. Енергія звукових коливань перетворюється в енергію електричних коливань, які уловлюються приймачем.