Пьезоэлектричество

Благодаря высоким упругим свойствам кварцевая пластинка представляет собой весьма совершенную механическую колебательную систему, для которой характерны очень малые потери энергии. Такая система, если её привести в колебательное движение, успевает совершить сотни тысяч колебаний, прежде чем вся энергия израсходуется на преодоление сопротивления окружающей среды и трения в опорах. Для сравнения укажем, что обычный маятник после толчка делает только несколько сотен или даже десятков колебаний.

Благодаря высокой химической и температурной устойчивости кварца собственная частота кварцевого резонатора исключительно постоянна. Если кварцевую пластинку нагреть или охладить на один градус, то её собственная частота изменится всего на несколько десятитысячных, а иногда даже стотысячных долей процента.

В современной радиотехнике предъявляются очень высокие требования к устойчивости или, как говорят чаще, к стабильности частоты электрических колебаний.

Такие требования были продиктованы самой жизнью.

Для каждой радиостанции отводится своя рабочая частота. Радиослушатель, настраивая приёмник на частоту какой-либо определённой станции, слушает только её передачу, так как вследствие резонанса приёмник воспринимает лишь те колебания, на частоту которых он настроен.

По мере развития радиовещания и связи количество действующих радиостанций всё более и более увеличивается. В эфире становится «тесно». Если стабильность частот недостаточно высока, радиостанции могут «наезжать» друг на друга, создавать взаимные помехи. При этом радиослушатель слышит одновременно передачи двух или нескольких станций, сопровождающиеся свистами и искажениями. Радиотехники стали изыскивать способы повышения стабильности. И наиболее эффективным из этих способов оказалась кварцевая стабилизация, то есть стабилизация с помощью кварцевых резонаторов.

Современная радиостанция представляет собой чрезвычайно сложное устройство. Однако в её работе много общего с работой обыкновенного часового механизма.

Возьмём часы. Положим, что пружина в них не заведена. В этом случае, качнув маятник, можно наблюдать постепенное уменьшение размаха его колебаний. Это затухание, как мы уже говорили, объясняется потерями энергии на трение в опорах и на сопротивление колебательному движению маятника со стороны окружающей среды.

Заведём пружину. Она стремится восстановить первоначальную форму. Сила упругости, стремящаяся раскрутить пружину, с помощью особого механизма передаётся маятнику и поддерживает его колебания. Поэтому часовой маятник колеблется до тех пор, пока пружина не раскрутится, и запас энергии, заключённый в ней, не уменьшится до известного предела.

Таким образом в часах происходит преобразование энергии, которая запасена заведённой пружиной, в энергию механических колебаний маятника.

Аналогичное явление имеет место и в радиопередатчике. Там происходит преобразование энергии постоянного тока, вырабатываемого источниками питания (аккумуляторами, динамомашинами и т. д.), в энергию электрических колебаний. Роль пружины играет здесь источник постоянного тока, а роль маятника — электрическая колебательная система, в качестве которой может использоваться пьезокварцевая пластинка.

Частота вырабатываемых, или, как принято говорить, генерируемых радиопередатчиком мощных электрических колебаний практически равна собственной частоте кварцевого резонатора. Но так как последняя отличается очень высокой стабильностью, стабилизируется и рабочая частота радиостанции.

В этом и заключается принцип кварцевой стабилизации.

Другим эффективным способом уплотнения эфира явилось применение пьезокварцевых фильтров в радиоприёмных устройствах. По мере сближения рабочих частот радиопередающих станций выделить желаемую программу и отстроиться от помех со стороны соседних по частоте передатчиков становится всё труднее и труднее. Как раз для этой цели и предназначены кварцевые фильтры, которые пропускают токи определённой частоты и задерживают токи всех остальных частот. Простейшим фильтром служит электрическая колебательная система.

Чем меньше потери энергии в колебательной системе, тем больше размах колебаний при резонансе и тем лучше выделяются колебания резонансной частоты. Про такую колебательную систему говорят, что она обладает высокими резонансными свойствами.

Мы уже указывали, что наименьшие потери энергии по сравнению с любой другой механической или электрической колебательной системой имеет кварцевый резонатор. Следовательно, его резонансные свойства наиболее высоки, и он может выделить передачу станции, на частоту которой настроен, даже при наличии очень близких по частоте «соседей».

Устройство, содержащее кварцевые резонаторы и предназначенное для повышения «избирательности» радиоприёмника, называется кварцевым фильтром.

Такие фильтры были созданы и описаны советским инженером Я. И. Эфрусси в 1931 г. Небезынтересно отметить, что спустя три года в США появилось сообщение об «изобретении» кварцевого фильтра американцем Мэзоном. Между тем кварцевый фильтр Мэзона — это тот же фильтр Я. И. Эфрусси.

Кварцевые фильтры применяются не только в радиоприёмниках, но и в проводной связи (телефон, телеграф). Они позволяют вести по двум проводам десятки переговоров одновременно.

Таковы основные применения пьезоэлектрического эффекта. В заключение остановимся на том, как развивается и растёт пьезоэлектрическая техника, какие проблемы стоят перед ней.

Новое в пьезоэлектрической технике

Пьезоэлектрическая техника развилась в самостоятельную техническую отрасль в годы, предшествовавшие второй мировой войне. Этому во многом способствовал бурный рост радиотехники. Во время войны ежегодный выпуск кварцевых пластинок, предназначенных для работы в различных радиоприборах, исчислялся миллионами штук.

С каждым годом потребность в кварцевых пластинках продолжает расти. Неудивительно поэтому, что уже с первых своих шагов пьезоэлектрическая техника столкнулась с проблемой нехватки сырья.

Природные запасы кристаллов кварца ограничены. Добыча кварцевого сырья очень трудоёмка. Но дело не только в этом. Если внимательно рассмотреть кристалл кварца, то в его толще можно обнаружить множество дефектов. Особенно часты пузырьки, трещины, включения других минералов. Нередко кристалл состоит из нескольких сросшихся между собой частей с различно направленными координатными осями. Поэтому только незначительная часть объёма кварцевого кристалла пригодна для производства пьезоэлектрических пластинок. Так, например, в кристаллах высшего (уникального) сорта для изготовления пластинок может быть использовано лишь 20 % объёма. А в кристаллах самого низкого (третьего) сорта используется всего 1–2% объёма.

Всё это заставило учёных подумать об искусственном выращивании кварцевых кристаллов.

Уже довольно давно люди научились получать искусственные рубины и сапфиры. Поэтому казалось, что выращивание искусственного (синтетического) кварца не должно вызвать особых затруднений. Однако первые же опыты, проведённые в начале нашего столетия, показали, насколько трудна эта задача. Синтетические кристаллы кварца получались столь мелкими, что об их практическом применении не могло быть и речи. Только совсем недавно ценой многолетних настойчивых поисков и многочисленных опытов удалось получить искусственные кристаллы, пригодные для промышленных целей.

Выращивание синтетических кристаллов кварца производится в специальных герметических (воздухонепроницаемых) резервуарах — автоклавах — при высоких температурах и под большими давлениями.

По своему качеству пьезоэлектрические пластинки, изготовленные из синтетических кристаллов кварца, не уступают пластинкам из природного кварца.

Однако искусственные кристаллы пока ещё дороги, размеры их не удовлетворяют производственных потребностей. Поэтому одной из самых важных задач, стоящих перед пьезокварцевой техникой, является создание более совершенных способов выращивания искусственных кристаллов кварца. Не подлежит сомнению, что такие способы будут разработаны в недалёком будущем.