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.