Номер 4, страница 276 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

4*. Какое применение находит пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектрический эффект (от греч. πιέζω — давлю, и «электричество») — это явление возникновения электрических зарядов на поверхности некоторых диэлектрических кристаллов при их механической деформации (например, сжатии или растяжении). Это явление называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Существует также и обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в том, что при приложении к кристаллу электрического поля он изменяет свои размеры (деформируется). Оба этих эффекта нашли широчайшее применение в современной науке и технике.

Применение пьезоэффекта можно условно разделить на несколько основных направлений.

Прямой пьезоэффект, преобразующий механическое воздействие в электрический сигнал, является основой для создания различных датчиков и источников напряжения:
• Датчики давления, силы, вибрации и ускорения (акселерометры). Они регистрируют механические воздействия и преобразуют их в электрический сигнал. Такие датчики используются в системах срабатывания подушек безопасности в автомобилях, для контроля вибрации промышленного оборудования, в сейсмографах, а также в потребительской электронике (смартфонах, фитнес-браслетах) для определения положения устройства в пространстве, регистрации шагов и жестов.
• Пьезоэлектрические зажигалки и системы поджига. При резком нажатии на кнопку специальный молоточек ударяет по пьезокристаллу, вызывая его деформацию. В результате на его гранях возникает высокое напряжение, достаточное для создания искрового разряда, поджигающего газ в зажигалке или на кухонной плите.
• Микрофоны и звукосниматели. Звуковые волны (колебания давления воздуха) вызывают деформацию пьезоэлектрической мембраны или кристалла, который в ответ генерирует переменное напряжение, точно повторяющее форму звуковой волны. Такие звукосниматели часто устанавливают на акустических гитарах.
• Гидрофоны. Это подводные микрофоны, которые используются в гидролокаторах (сонарах) для обнаружения подводных объектов, картографирования морского дна и в научных исследованиях океана.

Обратный пьезоэффект, преобразующий электрический сигнал в механическое движение или деформацию, используется в следующих устройствах:
• Излучатели ультразвука. Подача переменного напряжения на пьезоэлемент заставляет его колебаться с высокой частотой, генерируя ультразвуковые волны. Это находит применение в медицине (аппараты УЗИ), в промышленности (ультразвуковая очистка, сварка, резка), в бытовых увлажнителях воздуха и в устройствах для отпугивания грызунов и насекомых.
• Пьезоэлектрические двигатели, актюаторы и позиционеры. Способность пьезокристаллов изменять размеры под действием напряжения с нанометровой точностью используется для создания систем сверхточного позиционирования. Они применяются в объективах фотокамер для автофокусировки, в сканирующих туннельных и атомно-силовых микроскопах для перемещения зонда, в адаптивной оптике телескопов и в некоторых моделях струйных принтеров для управления соплами.
• Звуковые излучатели (зуммеры, пьезодинамики). Простые и компактные пьезоэлектрические излучатели используются для генерации звуковых сигналов в часах, калькуляторах, бытовой технике, компьютерах (сигналы BIOS) и игрушках.

Особо важное применение пьезоэлектрики нашли в качестве высокостабильных резонаторов:
• Кварцевые резонаторы. Кристалл кварца, являющийся пьезоэлектриком, имеет строго определенную и очень стабильную собственную частоту механических колебаний. Если такой кристалл поместить в электронную схему, он будет работать как эталон частоты. Кварцевые резонаторы являются сердцем практически всех цифровых устройств: они задают тактовую частоту для процессоров в компьютерах и смартфонах, обеспечивают точность хода в кварцевых часах, а также стабилизируют частоту в радиопередатчиках и приемниках.

Ответ: Пьезоэлектрический эффект находит широкое применение в качестве основы для датчиков (давления, ускорения, звука), в системах зажигания, для генерации и приема ультразвука (в медицине, промышленности), в качестве сверхточных исполнительных механизмов (пьезодвигатели, позиционеры в оптике и микроскопии), а также является ключевым элементом для стабилизации частоты в электронных устройствах (кварцевые резонаторы в часах, компьютерах и системах связи).