Одна из проблем современной электроники и электротехники – преобразование электрического тока в механическое перемещение и обратно. Возникает она из-за различной природы механического движения и электрического тока. Существуют различные подходы к решению этой проблемы, каждому из которых соответствует свой класс устройств. Далее рассматривается пьезоэлектрическая техника.
Суть пьезоэлектрического эффекта и его основные свойства
Первые сообщения о пьезоэлектрическом эффекте были опубликованы в 1880 году во Франции братьями Кюри. Они установили, что при механической деформации кварца и некоторых иных кристаллических материалов давлением, сжатием, растяжением и кручением на нем появляется электрический заряд. Авторы открытия назвали подобные заряды пьезоэлектричеством от греческого слова «давить». Соответственно, материалы, обладающие таким свойством, были отнесены ими к группе пьезоэлектриков.
Замечательное качество пьезоэлектрического эффекта – его обратимость, что иллюстрирует рисунок 1. Иначе говоря, любой пьезоэлектрический материал не только создает электрический заряд при давлении, но и начинает менять свой объем при нахождении в электрическом поле.
Пьезоэлектрические устройства широко распространены в современной технике. Этому способствуют:
- дешевизна, распространенность и простота обработки пьезоэлектрических материалов;
- неплохая стабильность их электрических и механических характеристик во времени.
Немаловажное значение приобретает тот факт, что величина как самого заряда, так и механических перемещений в ряде случаев достаточны для их непосредственного использования без привлечения дополнительных усилителей.
Некоторые области применения
Приведем только некоторые примеры пьезоэлектрической техники массового применения.
Ручная пьезозажигалка поступила в массовую продажу еще в 70-е гг. прошлого столетия. Электричество, появляющееся на кристалле при нажатии на клавишу, поступает на электроды, между которыми при разряде проскакивает искра и поджигает газ. В настоящее время встроенными элементами, рисунок 2 комплектуются газовые плиты средних и старших моделей.
Пьезофильтр популярен в электронике за счет того, что как механическая система пьезокристалл обладает очень высокой колебательной добротностью. В результате с его помощью можно существенно снизить ширину полосы расфильтровки и эффективно отделять сигналы друг от друга.
Гидролокатор использует кристалл как излучатель зондирующих акустических волн и приемник сигналов, отраженных от любого подводного препятствия (дно, рыба, дерево-топляк, подводная лодка и т.д.), рисунок 3.
Микроподвижки элементов фокусировки телекамер, электронно-механических коммутаторов оптических сигналов и иных элементов. Выгодны тем, создают линейное движение непосредственно без промежуточного преобразования из вращательного.
Зуммеры мобильных телефонов, которые сигнализируют вибрацией о вызове в беззвучном режиме.
Пьезоголовки струйных принтеров для управления процессами нанесения чернил на бумагу.