Получение ультразвука человеком. Пьезоэффект.
Практическое использование человеком ультразвука начато после открытия в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри пьезоэлектрического эффекта («Пьезо» - по гречески «дарить»). [1]. Впервые этот эффект обнаружен у горного хрусталя (разновидности кварца).Сущность пьезоэффекта заключается в следующем: если деформировать пластину кварца, то на ее гранях появляются противоположные по знаку электрические заряды, это явление называется прямым пьезоэффектом.
Механизм прямого пьезоэффекта объясняется возникновением и изменением дипольного момента элементарной ячейки кристаллической решетки в результате смещения зарядов под действием механического напряжения. Таким образом, на гранях пьезоэлектрического материала возникают электрические заряды.
Но оказалось, что существует и обратный пьезоэффект. Если прикладывать к пластине переменное электрическое напряжение, то кристалл начинает сжиматься и расширяться (изменять геометрические размеры), с частотой прикладываемого напряжения. Механизм обратного пьезоэффекта заключается в следующем. При действии электрического поля на элементарные заряды в ячейке, происходит их перемещение и как следствие изменение средних расстояний между ними, то есть деформация всего кристалла.
Изготовленная из пьезоэлектрического материала деталь простой геометрической формы (стержень, пластина, диск, цилиндр и т. п.) с нанесенными на ее определенные поверхности электродами называется пьезоэлементом.
Пьезоэлементы входят в состав пьезоэлектрического преобразователя. Преобразователь обеспечивает преобразование энергии электрических колебаний в энергию механических колебаний и вводит ее в обрабатывающиеся среды.
Естественный кварц дорог и поэтому были созданы искусственные пьезоматериалы на основе титаната бария и цирконата титаната свинца. У этих материалов пьезоэффект в 100 раз больше, чем у кварца.
Аналогичные материалы были обнаружены среди магнитных материалов и получили название магнитострикционных материалов.
Оказалось, что помещение магнитострикционного стержня в направленное вдоль него магнитное поле приводит к изменению геометрических размеров стержня.
На основе магнитострикционных и пьезокерамических материалов разрабатываются ультразвуковые преобразователи преобразователи – устройства, обеспечивающие преобразование энергии электрических колебаний в механические упругие колебания.
Для чего же можно использовать УЗ колебания? Одно из основных применений ультразвука связано с возможностью переноса в материальных средах огромных энергий, направленных на развитие и совершенствование промышленных технологий.
Перспективным направлением интенсификации технологических процессов является использование энергии механических колебаний ультразвуковой частоты высокой интенсивности.
Эффективность УЗ воздействий на различные технологические процессы подтверждена многочисленными исследованиями и опытом, позволившими установить следующее:
- Применение ультразвуковых колебаний высокой интенсивности обеспечивает 10....1000 кратное ускорение процессов, протекающие между двумя или несколькими неоднородными средами (растворение, очистку, обезжиривание, дегазацию, крашение, измельчение, пропитку, эмульгирование, экстрагирование, кристаллизацию, полимеризацию, предотвращение образования накипи, гомогенизацию, эрозию, химические и электрохимические реакции и многое другое). При этом увеличивается выход полезных продуктов (например, экстрактов) и им придавались дополнительные свойства (например, биологическая активность и стерильность), а также удается получить вещества с новыми свойствами (например, тонкодисперсные эмульсии и суспензии).
- Использование ультразвуковых колебаний позволяет осуществлять технологические процессы, не реализуемые, или сложно реализуемые, традиционными методами - обеспечивать размерную обработку (сверление, снятие фасок, выполнение пазов) хрупких и твердых материалов, таких как керамики, полупроводниковые материалы, стекло, самоцветы, ферриты, сверхтвердые сплавы и стали.
- Ультразвуковые колебания позволяют интенсифицировать многие процессы, происходящие на границе контакта материалов (сварку полимерных материалов, склеивание, пропитку различных материалов), ускоряя технологические процессы и повышая качество получаемых изделий.Несомненные и уникальные достоинства УЗ технологий должны были обеспечить их широчайшее использование при решении сложных проблем современных производств, ориентированных на выпуск конкурентоспособной продукции. К сожалению, отмеченные выше достижения ультразвуковых технологий до настоящего времени мало известны широкому сообществу промышленников и достаточно редко используются в практической производственной и бытовой деятельности.
