Чудесные кристаллы

Большие успехи достигнуты в разработке приборов, использующих пьезоэлектрический эффект в радиоэлектронике. Помимо многочисленных генераторов, стабилизаторов, преобразователей, фильтров, в настоящее время, по данным зарубежной печати, успешно разрабатываются пьезоэлектрические трансформаторы напряжений.

Трансформатор напряжения — устройство, позволяющее повысить или понизить подводимое к нему электрическое напряжение. Обычные трансформаторы напряжений — довольно тяжелые и громоздкие приборы, размеры которых растут по мере повышения рабочего напряжения.

Пьезоэлектрический трансформатор напряжения лишен этих недостатков. Он состоит из двух стержней с разными пьезоэлектрическими свойствами (рис. 52). На электроды одного из них (входного) подается переменное электрическое напряжение. Механические колебания, возникающие в этом стержне, передаются выходному стержню. Поскольку пьезоэлектрические свойства стержней различны, то снимаемое с выходного стержня напряжение будет отличаться от подводимого. Обычно требуется повышать подводимое напряжение. Поэтому выходной стержень изготовляют из материала, обладающего значительным пьезоэлектрическим эффектом.

Еще большее усиление у так называемых гибридных трансформаторов. Здесь в качестве входного устройства используют магнитострикционный сердечник с обмоткой, на которую подается входное напряжение. Выходным устройством является пьезоэлектрический стержень с двумя электродами (рис. 53). Входное напряжение вызывает магнитострикционные колебания сердечника, которые передаются стержню. Такие трансформаторы могут обеспечить усиление подводимого напряжения в несколько сот раз.

Особенно велики успехи пьезоэлектричества в технических отраслях, связанных с использованием ультразвука. Здесь пьезоэлектричество применяется на каждом шагу. Без него не обойтись в излучателях и приемниках ультразвука, в фокусирующих линзах, в фильтрах и стабилизаторах частоты.

Области применения пьезоэлектричества продолжают расширяться. Помимо гидролокаторов и эхолотов, пьезоэлектрические приборы стали применяться и в других устройствах. В частности, пьезоэлектрические акселерометры являются основной частью инерциальной навигационной системы, устанавливаемой на подводных лодках зарубежных флотов. Считается, что такая система обеспечивает самую высокую точность определения места корабля в море. Система надежна в работе, не подвержена влияниям магнитных бурь, метеорологических условий и маневрирования корабля.

Работа такой инерциальной системы основана на измерении ускорений подводной лодки в трех направлениях при помощи акселерометров, которые установлены на строго стабилизированной в горизонтальной плоскости платформе. Измеренные акселерометрами ускорения поступают в специальные счетно-решающие приборы, которые определяют истинную скорость корабля, его координаты и отклонение от курса, вызванное ветром, течением, ударами волн.

Расширяется применение пьезоэлектрических датчиков. Современная космонавтика поставила перед учеными важнейшую задачу — изучить движение микрометеоров в космическом пространстве. Встреча космического корабля с микрометеором даже и небольшого размера грозит, неприятными последствиями. Но сведения о движении микрометеоров в космическом пространстве до самого последнего времени отсутствовали. Эту задачу успешно решили запуски спутников и космических ракет с установленными на них пьезоэлектрическими приемниками.

Сигналы, зарегистрированные приемниками, при помощи специальной аппаратуры передавались на Землю. Так было установлено, что метеорная опасность для космического корабля невелика. Пьезоэлектрические датчики, таким образом, способствовали успешному запуску и полету первых космических кораблей с человеком на борту, осуществленным в Советском Союзе.

Наряду с изысканием новых областей применения пьезоэлектричества в науке и технике идут поиски новых пьезоэлектриков. И это понятно. Ведь с каждым годом потребность в пьезоэлектрических приборах растет. Новые грандиозные задачи, поставленные перед наукой и техникой, требуют и новых пьезоэлектрических материалов, превосходящих по своим свойствам кварц, сегнетову соль и даже титанат бария.

Несмотря на свои положительные свойства, титанат бария обладает и недостатками. Это прежде всего то, что он при работе нагревается. Достаточно сказать, что коэффициент полезного действия излучателя из титаната бария составляет около 50 %, а это означает, что почти половина подводимой к излучателю энергии обращается в тепло. При сильном нагревании (80–90°) титанат бария теряет свои пьезоэлектрические свойства. Все это ограничивает его применение в излучателях. Поэтому в последнее время ведутся работы по созданию пьезокерамики по типу титаната бария, но с меньшими температурными потерями. Создание искусственных синтетических пьезоэлектрических материалов открывает новые возможности в этом направлении.

Большие успехи достигнуты в технологии производства пьезоэлектриков, в конструировании пьезоэлектрической аппаратуры. Однако и здесь стоят новые задачи, требующие напряженного творческого труда многих работников науки, техники и производства.

Однако и те успехи, которые достигнуты современной пьезоэлектрической техникой, открывают большие перспективы. В недалеком будущем пьезоэлектрические приборы займут почетное место среди радиоэлектронного оборудования космических межзвездных кораблей.

При помощи сверхчувствительных пьезоприемников, установленных на ракетах, будет исследовано космическое пространство на многие тысячи километров от Земли. Пьезоэлектрическими ультразвуковыми излучателями и приемниками возможно будут снабжены и первые автоматические ракеты, которые совершат посадку на Луне, Венере, Марсе и других планетах. Благодаря этим приборам люди впервые узнают условия жизни на этих планетах, исследуют атмосферу и поверхность планет.

На Земле чувствительные пьезоэлектрические установки помогут исследовать глубины недр, не прибегая к обычным геологическим методам.

При помощи ультразвуковых приборов будут открыты новые месторождения угля, железной руды, цветных металлов. Пьезоэлектрические приборы помогут совершить и далекое подземное путешествие. Они будут глазами подземного корабля будущего, предназначенного для путешествия и исследования глубинных недр Земли. Большое применение в будущем найдут пьезоэлектрические приборы в медицине, металлургии, химической промышленности и других отраслях народного хозяйства.