Принцип работы пьезоэлектриков

В XIX веке братьями Пьером и Жаком Кюри был открыт интересный эффект: оказалось, что при растягивании или сдавливании некоторых кристаллов (кварца, турмалина) на их гранях самопроизвольно возникают электрические заряды. Кстати, имеет место и обратное: при приложении разнополярного напряжения к граням происходит деформация кристалла. Это свойство, получившее название «пьезоэлектричество», оказалось чрезвычайно важным для всего последующего развития радиотехники: на основе данного открытия функционируют многие современные электронные компоненты.

Чтобы получить рабочий пьезоэлемент, кварц распиливают прямоугольными пластами, строго ориентированными относительно кристаллографических осей. Затем шлифуют, тщательно соблюдая заданные габариты. Дело в том, что кристалл отзывается резонансом на весьма узкий диапазон частот – в зависимости от своего размера, формы и массы, то есть тогда, когда собственная периодичность механических колебаний совпадает с подводимой извне частотой сигнала. Чтобы грани кристалла могли служить в качестве контактов, их металлизируют методом напыления.

Применение

Уникальные свойства пьезоэлементов позволяют применять их в технике связи, компьютерах, ультразвуковой дефектоскопии, датчиках давления, микрофонах, стабилизаторах частот и многих других случаях. Колебательный контур с таким резонатором имеет исключительно высокую добротность, а кварцевый генератор отличается замечательной стабильностью. Кроме того, для сверхвысоких частот часто используются возможность работы кристаллов на кратных (нечётных) гармониках.

Применение пьезоэлектрических фильтров способствует передаче по одному кабелю множества информационных каналов с близко расположенными несущими частотами без риска взаимного наложения сигналов. На основе модулей с поверхностно-акустическими волнами происходит подавление помех в радиолокации.

Современные физико-химические методы позволяют в промышленных объёмах выращивать кристаллы кварца для технических целей искусственно, из расплавов. Причём в получаемом сырье содержится меньше дефектов, чем в естественных образованиях. Разработаны образцы дешёвой пьезокерамики с вполне приемлемыми параметрами, которыми зачастую можно заменять и натуральные, и промышленно производимые кристаллы.