L'effetto piezoelettrico e la sua applicazione nella tecnologia

Nel 1880, i fratelli Jacques e Pierre Curie scoprirono che quando alcuni cristalli naturali venivano compressi o stirati, si formavano cariche elettriche ai bordi dei cristalli. I fratelli chiamarono questo fenomeno "piezoelettricità" (la parola greca "piezo" significa "premere"), e loro stessi chiamarono tali cristalli cristalli piezoelettrici.

Come si è scoperto, i cristalli di tormalina, il quarzo e altri cristalli naturali, così come molti cristalli coltivati ​​artificialmente, hanno un effetto piezoelettrico. Tali cristalli vengono regolarmente aggiunti all'elenco dei cristalli piezoelettrici già noti.

Quando un tale cristallo piezoelettrico viene allungato o compresso nella direzione desiderata, su alcune delle sue superfici compaiono cariche elettriche opposte con una piccola differenza di potenziale.

Se posizioniamo su queste facce degli elettrodi collegati tra loro, allora al momento della compressione o dell'allungamento del cristallo, apparirà un breve impulso elettrico nel circuito formato dagli elettrodi.Questa sarà la manifestazione dell'effetto piezoelettrico... A pressione costante, un tale impulso non si verificherà.

Le proprietà intrinseche di questi cristalli consentono di produrre strumenti precisi e sensibili.

Il cristallo piezoelettrico è altamente elastico. Quando la forza viene deformata, il cristallo ritorna al volume e alla forma originali senza inerzia. Vale la pena fare uno sforzo di nuovo o cambiare ciò che è già stato applicato e risponderà immediatamente con un nuovo impulso attuale. È il miglior registratore per raggiungere vibrazioni meccaniche molto deboli. La corrente nel circuito del cristallo vibrante è piccola e questo è stato un ostacolo durante la scoperta dell'effetto piezoelettrico da parte dei fratelli Curie.

Nella tecnologia moderna, questo non è un ostacolo, perché la corrente può essere amplificata milioni di volte. È ormai noto che alcuni cristalli hanno un effetto piezoelettrico molto significativo. E la corrente ottenuta da loro può essere trasmessa su fili su lunghe distanze, anche senza previa amplificazione.

I cristalli piezoelettrici sono stati utilizzati nel rilevamento di difetti ad ultrasuoni per rilevare difetti nei prodotti metallici. Nei convertitori elettromeccanici per la stabilizzazione della radiofrequenza, nei filtri di comunicazione telefonica multicanale quando più conversazioni vengono condotte contemporaneamente su un filo, in sensori di pressione e guadagno, in adattatori, a saldatura ad ultrasuoni - in molti campi tecnici, i cristalli piezoelettrici hanno preso la loro posizione incrollabile.

Un'importante proprietà dei cristalli piezoelettrici era anche un effetto piezoelettrico inverso. Se vengono applicate cariche di segni opposti a determinate superfici del cristallo, in questo caso i cristalli stessi verranno deformati.Se le vibrazioni elettriche di una frequenza audio vengono applicate a un cristallo, questo inizierà a vibrare alla stessa frequenza e le onde sonore verranno eccitate nell'aria circostante. Quindi lo stesso cristallo può fungere sia da microfono che da altoparlante.

Un'altra caratteristica dei cristalli piezoelettrici li rende parte integrante della moderna tecnologia radio. Possedendo la frequenza naturale delle vibrazioni meccaniche, il cristallo inizia a vibrare in modo particolarmente forte nel momento in cui la frequenza della tensione alternata applicata coincide con essa.

Questa è una manifestazione di risonanza elettromeccanica, sulla base della quale vengono creati stabilizzatori piezoelettrici, grazie ai quali viene mantenuta una frequenza costante nei generatori di oscillazioni continue.

Rispondono in modo simile alle vibrazioni meccaniche la cui frequenza corrisponde alla frequenza di vibrazione naturale del cristallo piezoelettrico. Ciò consente di creare dispositivi acustici che selezionano da tutti i suoni raggiungendoli solo quelli che sono necessari per uno scopo o per un altro.

I cristalli interi non vengono presi per dispositivi piezoelettrici. I cristalli vengono tagliati in strati rigorosamente orientati rispetto ai loro assi cristallografici, questi strati vengono trasformati in lastre rettangolari o circolari, che vengono poi lucidate fino a una certa dimensione. Lo spessore delle lastre è mantenuto con cura perché da esso dipende la frequenza di risonanza delle oscillazioni. Una o più piastre collegate da strati metallici su due ampie superfici sono chiamate elementi piezoelettrici.