圧電効果とその技術への応用

1880 年、ジャックとピエールのキュリー兄弟は、特定の天然結晶を圧縮または引き伸ばすと、結晶の端に電荷が発生することを発見しました。兄弟はこの現象を「圧電性」（ギリシャ語の「ピエゾ」は「押す」という意味）と呼び、彼ら自身もそのような結晶を圧電性結晶と呼びました。

結局のところ、トルマリン結晶、水晶、その他の天然結晶、および人工的に成長させた多くの結晶には圧電効果があります。このような結晶は、既知の圧電結晶のリストに定期的に追加されます。

このような圧電性結晶を任意の方向に伸ばしたり圧縮したりすると、その表面の一部に小さな電位差を持った逆向きの電荷が現れます。

これらの面に互いに接続された電極を配置すると、結晶が圧縮または伸長する瞬間に、電極によって形成された回路に短い電気インパルスが発生します。これは圧電効果の現れです...一定の圧力では、そのような衝撃は発生しません。

これらのクリスタルの固有の特性により、正確で高感度の機器の製造が可能になります。

圧電結晶は非常に弾性があります。力が変形すると、結晶は慣性なしに元の体積と形状に戻ります。もう一度努力したり、すでに適用されているものを変更したりする価値はあり、すぐに新しい現在の衝動で反応します。非常に弱い機械振動を測定するのに最適なレコーダーです。振動する水晶の回路に流れる電流は小さく、これがキュリー兄弟による圧電効果の発見の際の障害でした。

現代の技術では、電流は何百万倍にも増幅できるため、これは障害にはなりません。現在、特定の結晶が非常に重要な圧電効果を持っていることが知られています。そして、そこから得られた電流は、事前に増幅しなくても、ワイヤを介して長距離を伝送することができます。

圧電結晶は、金属製品の欠陥を検出するための超音波探傷に使用されてきました。無線周波数安定化のための電気機械コンバータ、複数の会話が 1 本のワイヤで同時に行われる場合のマルチチャネル電話通信のフィルタ、 圧力センサーとゲインセンサー、アダプター内、で 超音波はんだ付け — 多くの技術分野において、圧電結晶は揺るぎない地位を占めています。

圧電結晶の重要な特性は、逆圧電効果でもありました。反対の符号の電荷が結晶の特定の表面に印加されると、この場合、結晶自体が変形します。可聴周波数の電気振動がクリスタルに加えられると、クリスタルは同じ周波数で振動し始め、周囲の空気中に音波が励起されます。したがって、同じクリスタルがマイクとスピーカーの両方として機能します。

圧電結晶のもう 1 つの特徴により、圧電結晶は現代の無線技術に不可欠な部分となっています。水晶は機械振動の固有振動数を持っており、印加された交流電圧の周波数が一致した瞬間に特に強く振動し始めます。

これは電気機械共振の現れであり、これに基づいて圧電スタビライザーが作成され、これにより連続振動発生器内で一定の周波数が維持されます。

これらは、圧電結晶の固有振動周波数と一致する周波数を持つ機械的振動に対しても同様に応答します。これにより、到達するすべての音の中から何らかの目的に必要な音だけを選択する音響デバイスを作成できます。

結晶全体が圧電デバイスとして使用されるわけではありません。結晶は、結晶軸に対して厳密に配向された層に切断され、これらの層は長方形または円形のプレートに作られ、その後、一定のサイズに研磨されます。振動の共振周波数はプレートの厚さに依存するため、プレートの厚さは注意深く維持されます。 2 つの広い表面上の金属層によって接続された 1 つまたは複数のプレートは、圧電素子と呼ばれます。