Пьезоэлектричество

Сделать и испытать пьезоэлектрический зонд или нож может любой врач, знакомый с основами пьезоэлектричества, описанными в этой книжке. Особенно хороший результат может дать применение пьезотекстурных элементов. Единственным недостатком текстуры из сегнетовой соли в данном случае является то, что она не выдерживает высокой температуры. Поэтому пьезоэлектрические инструменты нужно будет делать разборными, чтобы избежать нагрева текстурного элемента при кипячении ножа или зонда.

В промышленных образцах пьезоэлектрических элементов лучше всего применять пьезокерамику, которая не боится высоких температур. Тогда пьезоэлектрический элемент можно делать как одно целое с лезвием или стержнем.

Пьезоэлектрическую пластинку по праву можно назвать «ухом» хирурга, потому что она позволяет использовать при проведении операций не только зрение и осязание, но и слух, который в течение многих веков был для хирургов «мёртвым капиталом».

Так пьезоэлектричество служит гуманному делу сохранения и продления человеческой жизни.

13. Пьезоэлектрический резонатор

Если качнуть маятник, то он начнёт колебаться. Размах колебаний будет постепенно затухать, но их частота останется постоянной. Именно поэтому маятник и применяют в часах.

Частота колебаний маятника зависит от его размеров и не зависит от внешних воздействий: силы первоначального толчка, сопротивления среды и т. д. Поэтому она называется собственной частотой.

Подвесим к жёсткой стойке несколько маятников. Толкнём один из них, чтобы он начал колебаться. Энергия колебаний этого маятника будет передаваться через общую стойку другим маятникам. Однако придут в колебательное движение только те маятники, собственные частоты которых совпадают с частотой колебаний первого маятника.

Передача колебаний от какого-либо колеблющегося тела другим телам, обладающим такими же собственными частотами, называется резонансом (это слово имеет латинское происхождение и означает отзвук или отклик).

Возьмём гитару. Настроим две струны на одинаковый тон. Если теперь дёрнуть одну струну, то другая сразу же отзовётся. Это ещё один пример резонанса.

Когда на упругое тело (пружину, маятник и др.) воздействует знакопеременная нагрузка с частотой, равной собственной частоте этого тела, наблюдается возрастание размаха колебаний вследствие резонанса. Поэтому, чтобы как можно сильнее раскачать качели, нужно толкать их в такт колебаниям.

Если собственная частота колебаний какой-нибудь машины совпадает с частотой вибрации, то размах колебаний резко возрастает, вплоть до разрушения той или иной детали. Именно резонансом объясняются описанные выше случаи раскачивания зданий и разрушения мостов от незначительной знакопеременной нагрузки, которая случайно действовала с резонансной частотой.

Пьезоэлектрическая пластинка, как и любое другое упругое тело, обладает собственной частотой колебаний. Переменный ток, подводимый к электродам пластинки, можно рассматривать как внешнюю силу, вызывающую её периодическое сжатие и расширение. Если частота этой внешней силы далека от собственной частоты пластинки, то размах колебаний сравнительно невелик. Но по мере приближения частоты переменного напряжения к собственной частоте пластинки размах колебаний возрастает всё более резко и при резонансе достигает максимума. В этом случае пьезоэлектрическая пластинка является резонансной электромеханической колебательной системой, которую для простоты называют пьезоэлектрическим резонатором.

Резонансные свойства пьезоэлектрической пластинки нередко используются в известных нам ультразвуковых излучателях и приёмниках. Ведь при резонансе размах колебаний максимален, а следовательно, и наиболее велика мощность излучаемых пластинкой ультразвуковых волн.

В электроакустических приборах, напротив, стараются исключить возможность резонанса, рассчитывая пьезоэлементы так, чтобы их собственные частоты не были звуковыми. В противном случае колебания резонансной частоты воспроизводились бы гораздо громче прочих, то есть наблюдались бы искажения.

Наибольшее распространение получили пьезокварцевые резонаторы. Упругость кварца такова, что при размерах, исчисляемых миллиметрами и сантиметрами, собственные частоты кварцевых пластинок лежат в пределах от тысячи до многих миллионов колебаний в секунду. А как раз эти частоты широко применяются в одной из важнейших технических отраслей — в радиотехнике.

Благодаря высоким упругим свойствам кварцевая пластинка представляет собой весьма совершенную механическую колебательную систему, для которой характерны очень малые потери энергии. Такая система, если её привести в колебательное движение, успевает совершить сотни тысяч колебаний, прежде чем вся энергия израсходуется на преодоление сопротивления окружающей среды и трения в опорах. Для сравнения укажем, что обычный маятник после толчка делает только несколько сотен или даже десятков колебаний.