Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект

Лекция 3

Ультразвук.

План лекции

1. Определение ультразвука
2. Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект

3. Приём и излучение ультразвука

Свойства ультразвука

Поглощение ультразвука

Действие ультразвука на вещество

Применение ультразвука в медицине.

 

 

Определение ультразвука

 

Ультразвук (сокращённо УЗ) - это механические колебания, частота которых

превышает 20 кГц. Орган слуха человека такие частоты не воспринимает. Однако ультразвук воспринимается некоторыми животными и птицами. В частности установлено, что кошки и собаки слышат ультразвуки до 40 кГц. Данный участок диапазона им необходимо воспринимать для того, чтобы обнаружить добычу и поймать её. Некоторые животные используют ультразвук для ориентировки в пространстве Примером могут служить летучие мыши и дельфины. Они издают короткие ультразвуковые импульсы и улавливают их отражение. Таким образом, они могут обнаружить препятствие в полной темноте на значительном расстоянии. Птицы также воспринимают ультразвуковые волны, поскольку многие насекомые излучают ультразвук и птицы могут их таким образом обнаружить. В предыдущей лекции мы познакомились со свойствами механических колебаний слышимого диапазона. С повышением частоты в таких колебаниях проявляются особенности, которые и используются на практике.

 

Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект

 

Известно, что звук слышимого диапазона можно воспроизвести обычным электродинамическим громкоговорителем, который превращает электрические колебания в механические. Уловить звук слышимого диапазона можно с помощью электродинамического микрофона, который превращает механические колебания в электрические. Однако эти приборы не годятся для УЗ колебаний, так как подвижная часть этих приборов обладает очень большой инерцией и не сможет колебаться с частотой УЗ. Значит для улавливания и излучения УЗ нужно использовать другое техническое решение. Такое решение существует. В его основе лежит такое физическое явление, как пьезоэлектрический эффект. Он основан на свойстве некоторых монокристаллов создавать на своих гранях электрические заряды при их деформации внешней силой (прямой пьезоэлектрический эффект); а также деформироваться при приложении к их граням электрического напряжения (обратный пьезоэлектрический эффект).

 

Рассмотрим монокристалл кварца. Он представляет собой окись кремния

(Si O). Его кристаллическая решётка имеет следующий вид:

То направление, вдоль которого этот шестигранник вытянут (в данном случае это- вертикальная ось), называется главной осью кристалла. Видно, что в данной решётке в узлах стоят положительные и отрицательные ионы. Но здесь соблюдается баланс: количество положительных и отрицательных ионов одинаково, поэтому все положительные и отрицательные ионы взаимно друг друга компенсируют и кристалл в целом является нейтральным. Верхний (по схеме) положительный заряд компенсируется двумя отрицательными: положительный заряд – один, но он ближе, а отрицательных – два, но они дальше по отношению к внешней среде, так что баланс соблюдается. Аналогичная ситуация наблюдается и с противоположной стороны кристалла. Так что в кристалле полностью соблюдается баланс зарядов. Кроме того, как было сказано выше, каждый элемент кристаллической решётки диполем не является.

Если теперь этот элемент кристаллической решётки подвергнуть деформации растяжения вдоль его главной оси, то, как видно из чертежа, положительный ион вытянется в одну сторону, а отрицательный – в другую и баланс зарядов на концах элемента решётки нарушится и этот элемент превратится в диполь. Как видно из чертежа сверху появится плюс, а снизу – минус. Но весь кристалл состоит из множества элементарных ячеек, поэтому на гранях кристалла, перпендикулярных его главной оси, появится разность потенциалов.

Растяжение Сжатие

Аналогичная картина будет наблюдаться при деформации сжатия вдоль той же оси. Но здесь полярность напряжения на гранях будет противоположной. Это и есть прямой пьезоэлектрический эффект («пьезо» - давить).