ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Один из способов контроля ответственных деталей механизмов и машин — ультразвуковая дефектоскопия. Процесс поиска дефектов осуществляется с помощью ультразвукового дефектоскопа — УЗД (рис. 1). Главный элемент такого прибора — кварцевая пластинка. Когда на нее падает отраженная дефектом звуковая волна, кварц сжимается и растягивается с частотой колебаний звуковой волны и на его гранях возникает переменное электрическое напряжение. Это — следствие прямого пьезоэлектрического эффекта. Его сущность состоит в том, что под действием механического напряжения на поверхности кварца и некоторых других диэлектриков возникает электрический заряд в результате поляризации диэлектрика.

Если же на обкладки кварцевой пластины подать импульс переменного напряжения, то кварцевая пластина начинает колебаться с частотой v подаваемого напряжения и становится источником акустических колебаний той же частоты. Такое возникновение механических напряжений в кристалле под действием приложенного к нему электрического поля называют обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрический эффект присущ только кристаллам, элементарные ячейки которых не имеют центра симметрии. Это ионные кристаллы, состоящие как бы из двух или нескольких «вдвинутых» одна в другую простых решеток, каждая из которых построена из ионов одного знака — либо положительных, либо отрицательных. При деформации кристалла эти простые решетки сдвигаются относительно друг друга. При этом изменяется электрический момент кристалла: на его гранях появляется электрическое напряжение. Поляризация пьезоэлектрика в электрическом поле приводит к его деформации — обратному пьезоэлектрическому эффекту.

Чтобы получить пригодные для генерации ультразвуковых колебаний кварцевые пластинки, их вырезают из кристалла кварца с высокой точностью ориентации относительно кристаллографических осей (рис. 2). Пьезоэлектрические свойства гораздо сильнее, чем у кварца, выражены у сегнетовой соли. Только ее хрупкость и небольшие рабочие температуры ограничивают применение этого пьезоэлектрика. В сильной степени пьезоэлектрический эффект проявляется в кристаллах ти-таната свинца, его производных и у дигидрофосфата аммония. Такие кристаллы — основа пьезоэлектрических микрофона и телефона; они преобразуют давление в электродвижущую силу в манометрах, служат для стабилизации частоты радиопередатчиков, измерения механических напряжений и вибраций.