Пьезоэлектричество: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

В электроакустике применяются также пьезоэлектрические микрофоны, телефоны и громкоговорители.

Микрофон — это прибор, служащий для превращения звука в электрические колебания звуковой частоты. Пьезомикрофон действует подобно приёмнику ультразвука: звуковая волна, встречая пьезоэлектрическую пластинку, заставляет её колебаться, и на электродах пластинки возникают заряды, знаки которых меняются с частотой улавливаемого звука.

Радионаушники или, как их правильнее называть, телефоны, выполняют обратную задачу. Они превращают электрические колебания в звуковые, то есть служат для воспроизведения звука. Пьезотелефон по своему устройству и действию напоминает излучатель ультразвуковых волн. Он представляет собой пьезоэлектрическую пластинку, колебания которой передаются тонкой металлической мембране, а от неё окружающему воздуху.

Если к мембране телефона или непосредственно к пьезопластинке прикрепить конический бумажный рупор, то звук будет слышен более громко. Это объясняется тем, что за счёт рупора возрастает колеблющаяся поверхность, и колебания передаются большей массе воздуха. Кроме того, излучение звуковых волн в этом случае более направленно, и их энергия концентрируется в нужном направлении. Такое устройство и называют пьезоэлектрическим громкоговорителем.

Как видим, пьезоэлектрическая пластинка, этот «поющий кристалл», может вобрать в себя звучание огромного симфонического оркестра, передать это звучание по проводам или с помощью радио на другой конец земли и воспроизвести его так, как если бы оркестр играл рядом.

Рассмотрим подробнее характерные особенности пьезоэлектрических приборов, применяющихся в акустике. В любое пьезоакустическое устройство, будь то громкоговоритель, звукосниматель или микрофон, входит так называемый пьезоэлемент, состоящий обычно из двух склеенных между собой пластинок из кристалла сегнетовой соли. Сегнетова соль по сравнению с другими пьезоэлектриками обладает наиболее сильным пьезоэлектрическим эффектом, поэтому пластинка из сегнетовой соли очень чувствительна — самое ничтожное механическое воздействие возбуждает на электродах электрический заряд. Сегнетова соль удобна и тем, что её кристаллы легко выращиваются искусственным путём и обрабатываются. Однако ей свойственны и серьёзные недостатки — она хорошо растворяется в воде и, следовательно, боится влаги. Другой её недостаток — низкая температура плавления (приблизительно 63° Ц); кроме того, пластинка из сегнетовой соли довольно непрочна. Поэтому в настоящее время ведутся поиски заменителя сегнетовой соли, который был бы близок к ней по чувствительности и не имел её недостатков.

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.

9. О необыкновенном манометре

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/см2).

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/см2. 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).