Суть пьезоэффекта заключается в появлении электриче­ских зарядов на противоположных гранях некоторых кристаллов при их деформации. Открыт пьезоэффект в 1880 г. Жаком и Пье­ром Кюри. Они же в 1881 году открыли обратный пьезоэффект — изменение размеров кристалла под действием электрического поля.

Братья Кюри использовали в своих опытах кристаллы турма­лина, кварца, сегнетовой соли. Ныне в пьезоустройствах применя­ют иные материалы, например, титанат бария, сульфоидид сурь­мы, цирконат-титанат свинца.

Электрическое напряжение, возникающее на пьезокристалле, прямо пропорционально заряду на его гранях и обратно про­порционально емкости кристалла. Если взять кристалл узкий и уд­линенный, емкость будет мала, следовательно, при ударе или сжа­тии можно получить высокое напряжение. Пьезогенераторы высо­ких напряжений (ПВН) находят особенно широкое применение при решении задач, связанных с получением искровых разрядов /9/.

Выдано, например, множество патентов на ПВН для создания искры в газовых зажигалках (заявки Великобритании 1319051, 1319101, 1394279 и др.). По патентам США 3880572 и 3919570 пьезогенератор использован в фотовспышке.

Искрообразование — это форма «самовыражения» электрического поля. Чаще всего до искр дело не доходит, образуются лишь заряженные частицы. Отсюда еще одно важное применение ПВН: электризация мелкодисперс­ных частиц для лучшего управления ими. И смежное применение: нейтрализация уже имеющихся зарядов, например, ликвидация статического электричества. Фирма «Кэмбридж электро сайнснид» выпустила пьезоэлект­рический пистолет «Зеростат» для снятия статических зарядов с грампластинок. В рукоятке пистолета расположен ПВН, элект­рическое поле выводится на острие в дуле пистолета. При нажа­тии на рычаг ПВН ионизирует воздух около дула. Образовавшие­ся ионы нейтрализуют статические заряды, возникшие при трении пластинки о конверт.

Если механическое воздействие невелико, пьезоэлемент (т.е. пьезокристалл с электродами) превращается из генератора в датчик: энергии хватает только на сигнализацию. Большинство современных пьезодатчиков выполнено в виде биморфа, т.е. сдво­енной пластинки (одна пластинка наклеена на другую). Биморфы обладают повышенной чувствительностью и дают меньшую темпе­ратурную погрешность.

Обратный пьезоэффект, как уже отмечалось, заключается в деформации пьезо-кристаллов под действием внешнего электри­ческого поля. Микроперемещения при обратном пьезоэффекте очень малы. Например, кубик с ребром в 10 мм под действием на­пряженности в 2 кВ сжимается (или растягивается) на 1 мкм. Пе­ремещение можно увеличить, если расположить последовательно несколько пьезоэлементов, параллельно подключенных к источни­ку напряжения, как это сделано, например, в патенте США 3902084 «Пьезоэлектрическое перемещающее устройство».

По а. с. 265486 микроперемещение предметного столика мик­роскопа осуществляют с помощью пьезокристалла. В а. с. 638862 пьезокристалл передвигает режущее устройство микротома — при­бора для получения очень тонких биологических срезов.

Если подать переменное напряжение на пьезоэлемент, он начинает колебаться с частотой этого напряжения. Отсюда при­менение пьезоэлементов как электроакустических преобразовате­лей (патент США 4122365, заявка Великобритании 1333644 и др.). Характерная особенность пьезопреобразователей — резонансный характер излучения. Часто, однако, возникает необходимость в широкополосных излучениях, например для музыкального зву­ковоспроизведения. Задача может быть решена использованием пьезоэлектрических пленок (например, по заявке Японии 54-12213) из поливинилфторида, поливинилхлорида и т. д.

Пьезоэлектрические преобразователи широко используют для получения ультразвуковых колебаний. Поэтому обратный пьезоэффект «соучаствует» в большинстве применений ультразву­ка (УЗ): УЗ-локации, УЗ-дефектоскопии и т. д.

Таким образом, пьезоэффект можно применять в следующих случаях.

· для получения искровых разрядов;

· получения заряженных частиц, иони­зации газов, борьбы со статическим электричеством;

· измерения механических усилий, дав­ления, ускорения;

· индикации трещин в хрупких телах, улавливания различных шумов;

· преобразования механических коле­баний в электрические;

· микроперемещений;

· преобразование электрических коле­баний в механические, звуковоспро­изведения, генерирования УЗ-колебаний;

· компенсации сил трения;

· преобразования электросигналов: за­держки во времени, фильтрации, трансформации.