Александр Плонский - Пьезоэлектричество

Электроакустический пьезоэлемент работает не на сжатие — растяжение, как кварцевый излучатель ультразвука, а на изгиб (иногда на кручение). Этим достигается максимальная чувствительность пластинки из сегнетовой соли.

Пьезоэлектрическую пластинку можно вырезать из кристалла под такими углами к координатным осям, чтобы под воздействием электрических зарядов она либо удлинялась, либо укорачивалась. Две такие пластинки склеиваются большими гранями так, чтобы при укорачивании одной из них другая удлинялась, и наоборот. Тогда элемент в целом, если к электродам подвести переменный электрический ток, будет изгибаться в ту или иную сторону в зависимости от знаков зарядов на электродах (рис. 22).

Рис. 22. Как получаются колебания изгиба в пьезоэлектрическом элементе, состоящем из двух склеенных между собой пластинок сегнетовой соли.

Пьезоэлемент закрепляется чаще всего по трём его углам, а четвёртый, свободный, соединяется с мембраной телефона, рупором громкоговорителя или держателем граммофонной иглы. От влаги пьезоэлементы предохраняются водонепроницаемыми оболочками из целлулоида.

Пьезоэлектрический громкоговоритель, звукосниматель или микрофон можно сделать самим. Но изготовить обычный пьезоэлемент в домашних условиях невозможно, так как для этой цели нужно вырастить кристалл сегнетовой соли нужных размеров, вырезать из него под определённым углом к координатным осям пьезоэлектрические пластинки, склеить их и т. д. Поэтому для изготовления самодельного пьезоэлемента следует воспользоваться более простым способом.

Вырежьте из куска тонкой листовой стали прямоугольную пластинку шириной 30 и длиной 90 мм . С помощью карандаша и линейки разделите её на три одинаковых квадрата. Средний из них покройте тонким слоем текстуры из сегнетовой соли — так, как это делалось раньше (см. стр. 26), штрихи следует проводить под углом 45° к длинному ребру пластинки. Затем изготовьте из металлической фольги («серебряной» бумаги) квадратный электрод со сторонами около 28 мм , слегка увлажните водой поверхность текстуры, наложите на неё электрод и притрите его с помощью ваты к увлажнённой поверхности. Роль второго электрода играет стальная пластинка, на которую нанесена текстура.

Устройство такого самодельного пьезоэлемента показано на рис. 23.

Рис. 23. Так устроен самодельный пьезоэлемент .

Если спустя несколько дней (время, необходимое для полного созревания текстуры) присоединить к электродам пьезоэлемента проводники и включить их в радиотрансляционную сеть, то пластинка начнёт колебаться, станет слышна радиопередача. Такие пьезоэлементы можно использовать непосредственно в качестве простейших телефонов.

А вот как можно сделать простейший звукосниматель. Прикрепите к одному из углов самодельного пьезоэлемента держатель для граммофонной иглы (такого же типа, как и в обычной мембране граммофона). К противоположной стороне пластинки нужно прикрепить металлическую трубку длиной около 150 мм . Свободный конец трубки укрепляется в специальном шарнире (рис. 24).

Рис. 24. Устройство пьезоэлектрического звукоснимателя с текстурным пьезоэлементом .

Подобный звукосниматель может успешно использоваться для воспроизведения грамзаписи. Для этого проводники, соединённые с электродами, подключаются к усилителю обычного радиоприёмника, а звукосниматель устанавливается на патефоне так, чтобы при повороте трубки вокруг оси шарнира игла совмещалась с центром пластинки.

По мере развития техники пьезоэлектрическую пластинку стали использовать и для новых целей. Об одной из них рассказывается ниже.

Соприкасающиеся тела давят друг на друга с некоторой силой. Чернильница давит на стол; вода, налитая в сосуд, давит на его стенки; пар оказывает давление на поршень паровой машины.

Сила, воздействующая на соприкасающиеся тела, распределяется по поверхности их соприкосновения. Известно, что лыжник пройдёт по самому рыхлому снегу, а пешеход, весящий столько же, сколько и лыжник, увязнет в снегу по колено. Это происходит потому, что в первом случае сила тяжести распределяется по значительно большей площади, чем во втором.

Сила, которая действует на каждую единицу площади соприкосновения тел, называется давлением. Давление обычно выражается в килограммах на квадратный сантиметр ( кг/см 2 ).

Одна и та же сила, будучи приложена к различным площадям, производит разное давление. И наоборот, разные силы при определённых условиях вызывают одинаковые давления. Так, например, граммофонная игла давит на пластинку почти так же, как колесо паровоза на рельс. В обоих случаях давление равно примерно 1000 кг/см 2 . Это может показаться невероятным: ведь вес паровоза исчисляется десятками тонн, тогда как мембрана граммофона весит немногим больше ста граммов. Однако ошибки здесь нет: в первом случае вес распределяется по значительной площади, а во втором — сосредоточивается на острие иглы.

Очень часто возникает необходимость в измерении давлений. Машинист паровоза должен знать, каково давление пара в котле. Если оно слишком мало — поезд остановится, если слишком велико — может произойти взрыв котла. Метеоролог, не зная атмосферного давления, не сможет составить прогноз погоды. Врачу для определения болезни нередко требуется определить давление крови в кровеносных сосудах больного.

Измерение давлений производится с помощью специальных приборов, которые называются манометрами.

Простейший манометр представляет собой изогнутую стеклянную трубку, наполненную водой, ртутью или какой-либо иной жидкостью (рис. 25).

Рис. 25. Простейший жидкостный манометр.

Одно из колен трубки соединяется с сосудом, где нужно измерить давление (например, с котлом), другой остаётся свободным. На свободный конец трубки давит столб атмосферного воздуха. Если давление внутри сосуда равно атмосферному давлению, то они взаимно уравновешиваются, и жидкость в обоих коленах находится на одном уровне.

Если же давление в сосуде становится больше атмосферного, то жидкость в свободном колене начинает подниматься, а в колене, присоединённом к сосуду, — опушаться. Это происходит до тех пор, пока вес избытка жидкости в свободном колене не уравновесит разность давлений.