Direktni in povratni piezoelektrični učinek. Elektrostrikcija

Piezoelektrični učinek(skrajšano kot piezoelektrični učinek) opazimo v anizotropnih dielektrikih, predvsem v kristalih nekaterih snovi, ki imajo določeno, precej nizko simetrijo. Piezoelektrični učinek se lahko pojavi pri kristalih, ki nimajo središča simetrije, imajo pa tako imenovane polarne smeri (osi). Piezo učinek Imajo lahko tudi nekateri polikristalni dielektriki z urejeno strukturo (teksturo), na primer keramični materiali in polimeri. Dielektriki s piezoelektričnim učinkom se imenujejo piezoelektriki.

Zunanje mehanske sile, ki delujejo v določenih smereh na piezoelektrični kristal, povzročajo v njem ne le mehanske napetosti in deformacije (kot v vsakem trdnem telesu), temveč tudi električno polarizacijo in posledično pojav z njimi povezanih električnih nabojev različnih predznakov na njegovih površinah. . Ko se smer mehanskih sil obrne, postaneta smer polarizacije in predznaka nabojev nasprotna. Ta pojav se imenuje neposredni piezoelektrični učinek. Piezoelektrični učinek je reverzibilen. Ko je piezoelektrični material, kot je kristal, izpostavljen električnemu polju ustrezne smeri, se v njem pojavijo mehanske napetosti in deformacije. Ko je smer električnega polja obrnjena, se smeri napetosti in deformacije ustrezno obrnejo. Ta pojav se imenuje povratni piezoelektrični učinek.

Shematske slike neposrednega (a, b) in obratnega (c, d) piezoelektričnega učinka. Puščici P in E prikazujeta zunanje vplive - mehansko silo in električno poljsko jakost. Črtkane črte prikazujejo obrise piezoelektrika pred zunanjim vplivom, polne črte prikazujejo obrise deformacije piezoelektrika (večkrat povečano zaradi jasnosti); P je polarizacijski vektor.

Nekateri viri neustrezno uporabljajo izraz za inverzni piezoelektrični učinek elektrostrikcija, ki se nanaša na podoben, vendar drugačen fizikalni pojav, značilen za vse dielektrike, njihovo deformacijo pod vplivom električnega polja. Elektrostrikcija je enakomeren učinek, kar pomeni, da deformacija ni odvisna od smeri električnega polja, njena velikost pa je sorazmerna s kvadratom jakosti električnega polja. Vrstni red deformacije med elektrostrikcijo je veliko manjši kot med piezoelektričnim učinkom (za približno dva reda velikosti). Pri piezoelektričnem efektu se vedno pojavi elektrostrikcija, ki pa se zaradi svoje majhnosti ne upošteva. Elektrostrikcija je nepopravljiv učinek.

Direktni in inverzni piezoelektrični učinki so linearni in jih opisujejo linearne odvisnosti, ki povezujejo električno polarizacijo P z mehansko napetostjo t: P = dt

Ta odvisnost se imenuje enačba neposrednega piezoelektričnega učinka. Proporcionalni koeficient d se imenuje piezoelektrični modul (piezoelektrični modul) in služi kot merilo piezoelektričnega učinka. Inverzni piezoelektrični učinek opisuje odvisnost: r = dE
kjer je r deformacija; E je električna poljska jakost. Piezomodulus d za neposredne in povratne učinke ima enako vrednost.

Navedeni izrazi so podani v osnovni obliki le za pojasnitev kvalitativne strani piezoelektričnih pojavov. V resnici so piezoelektrični pojavi v kristalih bolj kompleksni, kar je posledica anizotropije njihovih elastičnih in električnih lastnosti. Piezoelektrični učinek ni odvisen le od velikosti mehanskega ali električnega udara, temveč tudi od njihove narave in smeri sil glede na kristalografske osi kristala. Piezoelektrični učinek se lahko pojavi kot posledica delovanja tako normalnih kot tangencialnih napetosti. Obstajajo smeri, za katere je piezoelektrični učinek enak nič. Piezoelektrični učinek opisuje več piezoelektričnih modulov, katerih število je odvisno od simetrije kristala. Smeri polarizacije lahko sovpadajo s smerjo mehanske napetosti ali pa z njo tvorijo določen kot. Kadar smeri polarizacije in mehanske napetosti sovpadata, imenujemo piezoelektrični učinek vzdolžni, kadar sta medsebojno pravokotni, pa transverzalni. Smer tangencialnih napetosti je normala na ravnino, v kateri delujejo napetosti.

Shematične slike, ki pojasnjujejo vzdolžne (a) in prečne (b) piezoelektrične učinke

Deformacije piezoelektrika, ki so posledica piezoelektričnega učinka, so v absolutni vrednosti zelo nepomembne. Na primer, 1 mm debela kremenčeva plošča pod vplivom napetosti 100 V spremeni svojo debelino le za 2,3 x 10 -7 mm. Nepomembnost vrednosti deformacije piezoelektrikov je razložena z njihovo zelo visoko togostjo.

Leta 1880 sta francoska znanstvenika brata Jacques in Pierre Curie odkrila piezoelektrični učinek. Njegovo bistvo je v tem, da če se kvarčna plošča deformira, se na njenih ploskvah pojavijo električni naboji nasprotnega znaka. Zato je piezoelektričnost električna energija, ki nastane zaradi mehanskega delovanja na snov (»piezo« v grščini pomeni »pritisniti«).
Prvič so bile piezoelektrične lastnosti odkrite v kamnitem kristalu, eni od vrst kremena. Kameni kristal je prozoren, brezbarven, ledu podoben kristal. Sovjetski mineralog A. E. Fersman je v svoji knjigi "Zabavna mineralogija" zapisal: "Vzemite v roko kos kamnitega kristala in isti kos stekla - oba sta po barvi in ​​prosojnosti podobna, če ju zlomite, bosta imela enako oster rez robovi in ​​oblika preloma pa bo razlika: gorski kristal bo dolgo ostal hladen v roki, steklo bo zelo kmalu postalo toplo ... Ali so stari Grki poznali to lastnost ali ne, ni znano. v vsakem primeru so prav oni dali našemu kamnu ime "kristal" iz grškega imena za "led", saj je kameni kristal res zelo podoben ledu..."
V naravi najdemo skoraj dvesto vrst kremena. Med njimi so zlato rumeni citrin, krvavo rdeč karneol, rdečkasto rjav aventurin z zlatim odtenkom, škrlatni ametist in številni drugi. Skoraj desetino zemeljske skorje sestavljajo različne vrste kremena. Tudi navaden pesek je sestavljen predvsem iz zrn kremena.
Kvarc se pogosto uporablja v znanosti in tehnologiji. Raztaplja ultravijolične žarke, je trd in ognjevzdržen. Posode iz kremenčevega stekla lahko segrejete do rdečega in takoj potopite v ledeno vodo. Odporen je na skoraj vse kisline in je slab prevodnik električnega toka. Toda njegova najbolj izjemna lastnost je piezoelektričnost. Če ploščo, na določen način izrezano iz kristala kremena, stisnemo in sprostimo, se na njenih ploskvah pojavijo električni naboji nasprotnih znakov. Močnejša kot je kompresija, večji je naboj. Pojav električnih nabojev na ploskvah kremenčeve plošče med njeno deformacijo imenujemo neposredni piezoelektrični učinek.
Če na takšno kremenčevo ploščo privedemo električni naboj, bo ta spremenila svojo velikost. Večji kot je naboj, bolj se plošča deformira. Ko na ploščo deluje izmenično električno polje, se skrči ali razširi v času s spremembo predznaka privedene napetosti. Če se ta spreminja z ultrazvočno frekvenco, potem tudi plošča vibrira z ultrazvočno frekvenco, kar je osnova za uporabo kremena za proizvajanje ultrazvočnih valov. Sprememba velikosti kremenčeve plošče pod vplivom električnih nabojev se imenuje inverzni piezoelektrični učinek.
Direktni piezoelektrični učinek se uporablja v sprejemnikih ultrazvočnih vibracij, kjer se slednje pretvorijo v izmenični tok. Če pa se na tak sprejemnik uporabi izmenična napetost, se inverzni piezoelektrični učinek v celoti pokaže. V tem primeru se izmenični tok pretvori v ultrazvočne vibracije in sprejemnik deluje kot ultrazvočni oddajnik. Posledično lahko piezoelektrični sprejemnik in oddajnik predstavljamo kot eno napravo, ki lahko izmenično oddaja in sprejema ultrazvočne vibracije. Takšna naprava se imenuje ultrazvočni akustični pretvornik.
Akustični pretvorniki se uspešno uporabljajo v različnih vrstah elektroakustičnih sistemov, predvsem v sistemih za akustične in hidroakustične meritve ter raziskave.
Piezoelektrične naprave pomagajo "občutiti" dele letala, prepoznati napake v njihovih izračunih in preprečiti nevarne posledice teh napak;
»pogled« v cev strelne puške za merjenje tlaka ali pridobivanje drugih podatkov. Piezoelektrika se uporablja v radijski tehniki in televiziji. Piezoelektrične naprave pomagajo pri iskanju jat rib, raziskovanju zemeljskega drobovja, iskanju mineralov, diagnosticiranju in zdravljenju ljudi, analizi in pospeševanju kemičnih procesov itd.
Kremen je dolgo veljal za enega glavnih materialov, ki se uporabljajo za izdelavo ultrazvočnih pretvornikov. Toda oddajnik, izdelan iz majhne kvarčne plošče, ima malo moči. Da bi ga povečali, se površina sevalne površine poveča z razporeditvijo kremenčevih plošč v obliki nekakšnega mozaika.
Pri iskanju drugih piezoelektričnih materialov so znanstveniki svojo pozornost usmerili na Rochelle sol. Prvi ga je iz soli vinske kisline pridobil francoski farmacevt Segnet. Sol Rochelle je enostavna za obdelavo, kristal Rochelle soli lahko odrežete z navadno nitjo, navlaženo z vodo. V primerjavi z drugimi piezoelektričnimi kristali, vključno s kremenom, ima kristal Rochelle bistveno večji piezoelektrični učinek; že najmanjši mehanski učinek na ploščo vodi do pojava električnih nabojev.
Vendar ima Rochelle sol tudi resne pomanjkljivosti, ki omejujejo njeno praktično uporabo. To je predvsem nizko tališče - približno 60 stopinj, pri katerem kristal Rochelle soli izgubi svoje piezoelektrične lastnosti in se ne obnovijo več. Rochelle sol se topi v vodi in je zato občutljiva na vlago. Poleg tega je krhka in ne prenese velikih mehanskih obremenitev.
Barijev titanat se pridobiva umetno, saj je v črevesju zemlje zelo redek. Da bi to naredili, zmes dveh mineralnih snovi - barijev karbonat in titanat dioksid - sežgejo pri zelo visoki temperaturi. Rezultat je rumenkasto bela masa, ki po videzu in mehanskih lastnostih spominja na navadno glino. Tej masi, tako kot glini, lahko damo poljubno obliko, vendar bo mehansko močna in netopna v vodi. In da bi barijevemu titanatu dodali piezoelektrične lastnosti, zgorelo maso postavimo v močno električno polje in nato ohladimo. Posledično pride do polarizacije kristalov barijevega titanata, njihovi dipoli (kombinacija dveh nasprotnih, vendar enakih v absolutni vrednosti, električnih nabojev, ki se nahajajo na določeni razdalji drug od drugega) zavzamejo isti položaj in po ohlajanju so fiksni, kot da "zamrznjen" v tem stanju. Nastali material ima 50-krat večji piezoelektrični učinek kot kremen, njegova cena pa je nizka, saj je za njegovo proizvodnjo na voljo zelo veliko surovin. Pomanjkljivosti barijevega titanata vključujejo velike mehanske in dielektrične izgube, kar vodi do njegovega pregrevanja, pri temperaturah nad 90 stopinj pa se piezoelektrični učinek znatno zmanjša.
Keramiko iz barijevega titanata je mogoče rezati, brusiti, polirati, s čimer dobimo pretvornik zahtevano obliko in velikost (ravna plošča, valj, polkrogla, del krogle itd.). Pretvorniki barijevega titanata so učinkovitejši pri pretvarjanju električne energije v mehansko, imajo večjo odpornost proti električnim okvaram in lahko delujejo pri nizkih napetostih. Poleg tega lahko ultrazvočni pretvorniki barijevega titanata delujejo v impulznem načinu.
Za izdelavo piezoelektričnih pretvornikov se uporablja druga piezokeramika: mešanica cirkonija s svinčevim titanatom (PZT), ta piezokeramika ima dvakrat močnejši piezoelektrični učinek kot barijev titanat.
Hkrati se je nadaljevalo iskanje kristalov, ki imajo piezoelektrične lastnosti in izpolnjujejo potrebne tehnične zahteve. Tako je kadmijev sulfid pritegnil pozornost znanstvenikov. Poleg tega, da ima izjemno sposobnost ojačanja ultrazvočnih tresljajev, je iz njega mogoče izdelati ultrazvočni pretvornik za zelo visoke frekvence, popolnoma nedostopne kremenu in barijevemu titanatu. Raziskovalci menijo, da bo kristal kadmijevega sulfida držal rekord po številu možnih aplikacij. Ne samo, da lahko služi kot ultrazvočni ojačevalnik in pretvornik, ampak se lahko uporablja tudi skupaj z germanijem in silicijem kot običajen polprevodnik. Poleg tega je kadmijev sulfid odličen fotoupor.
Če nekoliko poenostavimo, lahko rečemo, da je piezoelektrični pretvornik en ali več posameznih piezoelektričnih elementov z ravno ali sferično površino povezanih na določen način, prilepljenih na skupno kovinsko ploščo. Za doseganje visoke jakosti sevanja se uporabljajo fokusirajoči piezoelektrični pretvorniki ali koncentratorji, ki imajo lahko različne oblike (polkrogle, deli votlih krogel, votli valji, deli votlih valjev). Takšni pretvorniki se uporabljajo za ustvarjanje močnih ultrazvočnih vibracij pri visokih frekvencah. V tem primeru je intenzivnost sevanja v središču žarišča sferičnih pretvornikov 100-150-krat večja od povprečne intenzitete na oddajni površini pretvornika.

"Zvok, ultrazvok, infrazvok"

Študija lastnosti trdnih dielektrikov je pokazala, da so nekateri od njih polarizirani ne le s pomočjo električnega polja, temveč tudi med deformacijo pod mehanskimi vplivi na njih.

Polarizacija dielektrika pod mehanskim delovanjem se imenuje neposredni piezoelektrični učinek. Ta učinek je značilen za kristale kremena in vse segmentoelektrike. Za opazovanje je iz kristala izrezan pravokoten paralelepiped, katerega robovi morajo biti usmerjeni na strogo določen način glede na kristal. Ko je paralelepiped stisnjen, postane ena njegova ploskev pozitivno nabita, druga pa negativno nabita. Izkazalo se je, da je v tem primeru gostota polarizacijskega naboja obraza neposredno sorazmerna s tlakom in ni odvisna od velikosti paralelopipeda. Če kompresijo zamenjamo z raztezanjem paralelepipeda, bodo naboji na njegovih ploskvah spremenili svoje znake v nasprotno.

Nasprotni pojav opazimo tudi pri piezokristalih. Če ploščo, izrezano iz piezokristala, postavimo v električno polje, ki napolni kovinske plošče, postane polarizirana in deformirana, na primer stisnjena. Ko se smer zunanjega električnega polja spremeni, se stiskanje plošče nadomesti z njenim raztezanjem (raztezanjem). Ta pojav imenujemo inverzni piezoelektrični učinek.

riž. 31. Piezoelektrični pretvornik

Za zaznavanje spremembe naboja ali napetosti sta na piezoelektrični material povezani dve kovinski plošči, ki pravzaprav tvorita plošči kondenzatorja, katerega kapacitivnost je določena z razmerjem

kjer je Q naboj,

V - napetost.

Na sl. Slika 31 prikazuje napravo piezoelektričnega pretvornika.

V praksi se kot piezoelektrični materiali uporabljajo kristali kremena, roželijeva sol, sintetični kristali (litijev sulfat) in polarizirana keramika (barijev titan).

Kvarčne plošče se pogosto uporabljajo v piezoelektričnih mikrofonih, varnostnih senzorjih in stabilizatorjih generatorjev neprekinjenega valovanja.

Na sl. Slika 32 prikazuje napravo piezoelektričnega mikrofona

Ko zvočni tlak upogiba diafragmo, njeno premikanje povzroči deformacijo piezoelektrične plošče, ta pa proizvede električni signal na izhodnih kontaktih.

Optični pretvorniki

Med optične pretvornike spadajo naprave, ki pretvarjajo svetlobno energijo v električno in obratno. Najenostavnejša naprava te vrste je LED, ki oddaja svetlobo, ko tok teče skozi p-n spoj v smeri naprej. Naprava, inverzna LED, se imenuje fotodioda. Fotodioda je sprejemnik optičnega sevanja, ki ga pretvarja v električne signale. Poleg tega fotodioda, ki pretvarja svetlobo v električno energijo, deluje tudi kot vir električne energije – sončne svetlobe.

Kompleksnejši optični pretvorniki so elektrooptični pretvorniki (EOC) in oddajne televizijske cevi različnih izvedb.

Z vidika tehničnih kanalov uhajanja informacij v optičnih sistemih je akustično-optični učinek nevaren. Akustično-optični učinek je pojav loma, odboja ali sipanja svetlobe, ki nastane zaradi elastičnih deformacij steklenih odsevnih površin ali optičnih kablov pod vplivom zvočnih nihanj.

Glavni element optičnega kabla je svetlobni vodnik v obliki tankega cilindričnega steklenega vlakna. Optični svetlobni vodnik ima dvoslojno zasnovo in je sestavljen iz jedra in ovoja z različnimi optičnimi lastnostmi (lomni količniki n1 in n2). Jedro služi za prenos elektromagnetne energije. Namen lupine: ustvarjanje boljših pogojev za odboj na meji jedro-lupina in zaščita pred energijskim sevanjem v okolico.

Prenos valov skozi svetlobni vodnik se izvede zaradi njegovega odboja od meje jedra in obloge, ki imata različne lomne količnike ( n1 in n2). Za razliko od običajnih električnih žic svetlobni vodniki nimajo dveh prevodnikov, prenos pa poteka po metodi valovoda v enem valovodu zaradi večkratnih odbojev valovanja od vmesnika med mediji

Najbolj razširjeni sta dve vrsti vlaknenih svetlobnih vodnikov: stopničasti in gradientni (slika 33).

V sodobnih sistemih z optičnimi vlakni proces prenosa informacij uporablja modulacijo svetlobnega vira v amplitudi, jakosti in polarizaciji.

Zunanji zvočni vpliv na optični kabel povzroči spremembo njegovih geometrijskih dimenzij (debeline), kar povzroči spremembo poti svetlobe, t.j. na spremembo intenzivnosti in sorazmerno z velikostjo tega pritiska.

Vlaknasti svetlobni vodniki kot pretvorniki mehanskega pritiska v spremembe jakosti svetlobe najdejo praktično uporabo v varnostnih sistemih, poleg tega pa so vir uhajanja akustičnih informacij zaradi akustično-optične (ali akusto-električne) pretvorbe - mikrofonski učinek v vlaknu. -optični sistemi za prenos informacij.

Ko so vlakna ohlapno pritrjena v snemljivem konektorju svetlobnih vodnikov, se pojavi akustično-optični učinek modulacije svetlobe z akustičnimi polji. Akustična vlakna povzročajo medsebojni zamik povezanih koncev svetlobnega vodnika. Na ta način se izvede amplitudna modulacija sevanja, ki prehaja skozi vlakno. Ta lastnost najde praktično uporabo v hidrofonih z nihajočimi optičnimi vlakni. Na sl. Slika 34 prikazuje zasnovo takšnega senzorja (pretvornika)

Globina modulacije je odvisna od dveh parametrov, od katerih je eden (dt/dx) določen z zasnovo in lastnostmi vlakna, drugi pa je odvisen od sile pritiska

Občutljivost svetlobnega vodnika na pritisk je določena z razmerjem

kjer je fazni premik, ki ga povzročijo spremembe tlaka.

Ko je dielektrik postavljen v zunanje električno polje, so naboji njegovih molekul podvrženi silam, ki deformirajo dielektrik in ustvarjajo notranje mehanske napetosti. Izkaže se, da je deformacija dielektrika sorazmerna s kvadratom električne poljske jakosti. Ta pojav se imenuje "elektrostrikcija". Elektrostrikcijo povzroča polarizacija dielektrikov v električnem polju in jo opazimo pri trdnih, tekočih in plinastih dielektrikih. Elektrostrikcijo je treba razlikovati od tako imenovanega inverznega piezoelektričnega učinka. Pri inverznem piezoelektričnem učinku je deformacija dielektrika sorazmerna z jakostjo električnega polja.

V izotropnih medijih, vključno s plini in tekočinami, opazimo elektrostrikcijo kot spremembo gostote pod vplivom električnega polja.

V anizotropnih kristalih lahko elektrostrikcijo opišemo z odvisnostjo med dvema tenzorjema 2. reda - kvadratom tenzorja električne poljske jakosti in tenzorjem deformacije. Upoštevanje elektrostrikcije v takih kristalih je izven obsega tega predmeta.

Deformacijo dielektrika v enakomernem zunanjem električnem polju lahko povzroči preusmeritev dipolov (molekul) in sprememba električnega dipolnega momenta molekul, sprememba interakcije med njimi. V neenakomernem zunanjem električnem polju se dipoli (molekule) dielektrika vlečejo (ali potiskajo) v območje močnejšega polja. Posledično bodo na fiksni dielektrik delovale sile, ki bodo povzročile deformacijo dielektrika, odvisno od stopnje nehomogenosti električnega polja.

V večini dielektrikov se polarizacija pojavlja in izginja s pojavom in izginjanjem zunanjega električnega polja.

Nekateri kristalni dielektriki, imenovani (po najvidnejšem predstavniku Rochelleove soli) feroelektriki, pa imajo vrsto specifičnih lastnosti, zaradi katerih jih je mogoče ločiti v posebno skupino.

Feroelektriki vključujejo dielektrike, ki imajo v določenem temperaturnem območju spontano (spontano) polarizacijo tudi v odsotnosti zunanjega električnega polja.

električno polje. Nastalo električno polje domen ohranja orientacijo dipolnih momentov domen tudi po prenehanju zunanjega električnega polja (slika 3.11).

Glavne lastnosti feroelektrikov so:

a) njihova dielektrična konstanta je veliko večja od enote (e>>1);

b) dielektrična konstanta feroelektrikov je odvisna od jakosti zunanjega električnega polja (sl. 3.12);

c) v zunanjem električnem polju so feroelektriki polarizirani do nasičenosti, to je do stanja, v katerem nadaljnja sprememba jakosti električnega polja ne spremeni vektorja polarizacije (slika 3.13);

d) v zunanjem ciklično spreminjajočem se električnem polju jih zaznamuje pojav histereze, kompleksna odvisnost polarizacijskega vektorja od jakosti električnega polja. Sprememba polarizacijskega vektorja zaostaja za spremembo jakosti električnega polja (slika 3.14);

e) feroelektriki v svoji strukturi predstavljajo skupek območij spontane polarizacije (domen), katerih električni dipolni momenti imajo kaotično vektorsko orientacijo p(sl. 3.10, 3.11);

f) ko se feroelektriki segrejejo na določeno temperaturo Tc, značilno za vsak feroelektrik, izgubijo vse svoje specifične lastnosti in se spremenijo v navadne polarne dielektrike. Točka faznega prehoda iz feroelektričnega stanja v polarno dielektrično stanje se imenuje Curiejeva točka, ustrezna temperatura Tk pa je Curiejeva temperatura. V nekaterih primerih obstajata dve Curiejevi točki - tudi feroelektrične lastnosti izginejo z nižanjem temperature. Feroelektrikov z dvema Curiejevima točkama je relativno malo. Večina jih ima samo zgornjo točko, preprosto imenovano Curiejeva točka.

Ko dielektrik prehaja iz feroelektričnega stanja v polarno dielektrično stanje, se dielektrična konstanta nenehno spreminja od vrednosti, ki ustreza feroelektričnemu stanju, do vrednosti, ki ustreza polarnemu dielektričnemu stanju.

Zakon o spremembi dielektrične občutljivosti c blizu Curiejeve temperature ima obliko

, (3.28)

kjer je A neka konstanta;

T o je Curie-Weissova temperatura, blizu temperature T c (v večini primerov se namesto T o uporablja T c, kar ne vnaša bistvenih napak v c za temperature, ki niso T c). Zakon, izražen s formulo (3.28), se imenuje Curie-Weissov zakon.

Kristali imajo različne dielektrične lastnosti v različnih smereh, zato njihova dielektrična občutljivost ni označena s skalarno dielektrično občutljivostjo c, temveč s tenzorjem dielektrične občutljivosti c ij. Vendar ima odvisnost komponent tenzorja od temperature enak značaj.

Poleg feroelektrikov obstajajo številni kristali, na površini katerih pri deformaciji nastajajo električni naboji. Takšni kristali se imenujejo piezoelektriki. Površinski naboji, ki nastanejo med deformacijo, imajo na različnih delih površine različne predznake. Piezoelektriki vključujejo kremen, turmalin, Rochelle sol in mnoge druge.

Samo ionski kristali imajo piezoelektrične lastnosti. Pod vplivom zunanjih sil se kristalna podmreža pozitivnih ionov deformira drugače kot kristalna podmreža negativnih ionov. Posledično pride do relativnega premika pozitivnih in negativnih ionov, kar vodi do polarizacije kristala in površinskih nabojev. Polarizacija je v prvem približku premo sorazmerna z deformacijo, deformacija kristala pa je premo sorazmerna s silo. Zato je polarizacija neposredno sorazmerna uporabljeni sili. Med nasprotno nabitima ploskvama deformiranega dielektrika nastane potencialna razlika, ki jo lahko izmerimo in iz njene vrednosti sklepamo o velikosti deformacij in delujočih sil, kar ima številne praktične aplikacije. Na primer, piezoelektrični senzorji so na voljo za merjenje hitro spreminjajočih se tlakov. Znani so piezoelektrični mikrofoni, piezoelektrični senzorji v avtomatiki in telemehaniki itd.

Poleg neposrednega piezoelektričnega učinka obstaja v piezoelektrikih inverzni piezoelektrični učinek. Sestoji iz dejstva, da se v zunanjem električnem polju piezoelektrik deformira. Njegov obstoj izhaja iz prisotnosti neposrednega učinka in zakona o ohranitvi energije. Ko se piezoelektrik deformira, se delo porabi za ustvarjanje energije elastične deformacije in energije električnega polja, ki nastane kot posledica piezoelektričnega učinka. Posledično je pri deformaciji piezoelektrika potrebno premagati dodatno silo, poleg elastične sile kristala, ki preprečuje deformacijo in je dejavnik, ki povzroča obratni piezoelektrični učinek. Za kompenzacijo dodatne sile je potrebno uporabiti zunanje električno polje, nasprotno tistemu, ki nastane pri piezoelektričnem učinku. Torej, da bi dobili nekaj deformacije piezoelektrika pod vplivom zunanjega električnega polja, je potrebno, da je enako, vendar nasprotno polju, ki nastane kot posledica neposrednega piezoelektričnega učinka za določeno deformacijo. Mehanizem povratnega piezoelektričnega učinka je podoben mehanizmu neposrednega piezoelektričnega učinka. Pod vplivom zunanjega električnega polja se kristalne podmreže pozitivnih in negativnih ionov različno deformirajo, kar vodi do deformacije kristala.

Inverzni piezoelektrični učinek ima tudi številne praktične uporabe, zlasti kremenčevi ultrazvočni oddajniki se pogosto uporabljajo.

Pri nekaterih piezoelektrikih je podmreža pozitivnih ionov premaknjena glede na podmrežo negativnih ionov v stanju termodinamičnega ravnovesja, zaradi česar so takšni kristali polarizirani v odsotnosti zunanjega električnega polja. Imenujejo se piroelektriki.

Običajno je prisotnost spontane polarizacije prikrita s prostimi površinskimi naboji, ki se pojavijo na površini kristala iz okolja pod vplivom električnega polja, povezanega s spontano polarizacijo. Ta proces se nadaljuje, dokler električno polje ni popolnoma nevtralizirano. Ko pa se temperatura vzorca spremeni, na primer pri segrevanju, se ionske podmreže premaknejo druga glede na drugo, zaradi česar se spremeni spontana polarizacija in na površini kristala se pojavijo električni naboji. Pojav teh nabojev imenujemo neposredni piroelektrični učinek.

Vsak piroelektrik je piezoelektrik, ni pa vsak piezoelektrik piroelektrik. To je posledica dejstva, da ima piroelektrik prednostno smer, vzdolž katere obstaja spontana polarizacija, medtem ko piezoelektrik nima takšne prednostne smeri.

Opazen je tudi obratni piroelektrični učinek: spremembo električnega polja v adiabatno izoliranem piroelektriku spremlja sprememba njegove temperature. Nujnost njegovega obstoja je mogoče dokazati na podlagi termodinamične analize procesa in dokazati z eksperimenti. Inverzni piroelektrični učinek včasih imenujemo elektrokalorični učinek.

Pri elektrokaloričnem učinku pri piroelektrikih je sprememba temperature sorazmerna s spremembo električne poljske jakosti, pri drugih snoveh opazimo le manjši kvadratni elektrokalorični učinek.

Obstajajo dielektriki, ki po odstranitvi zunanjega vpliva, ki je povzročil polarizacijo, dolgo časa ohranjajo polarizirano stanje in ustvarjajo električno polje v okoliškem prostoru (električni analogi trajnih magnetov). Takšni dielektriki se imenujejo "elektreti".

Če snov, katere molekule imajo dipolni moment, stopimo in postavimo v močno električno polje, se bodo njene molekule delno poravnale v smeri polja. Ko se talina ohladi v električnem polju in se polje nato izklopi v strjeni snovi, je rotacija molekul otežena in bodo dolgo ohranile svojo prednostno usmerjenost.

Prvi elektret je s to metodo leta 1922 izdelal japonski fizik Yoguchi.

Pri izdelavi elektretov lahko pride do prenosa nosilcev naboja iz elektrod ali medelektrodnega prostora v dielektrik. Nosilce lahko ustvarimo tudi umetno, na primer z obsevanjem z elektronskim žarkom.

Stabilne elektrete pridobivamo z različnimi metodami:

· segrevanje in nato ohlajanje v močnem električnem polju (termoelektreti);

· osvetlitev v močnem električnem polju (fotoelektreti);

· obsevanje, radioaktivno sevanje (radioelektreti);

· polarizacija v močnem električnem polju brez segrevanja (elektreti) ali v magnetnem polju (magnetoelektreti);

· pri strjevanju organskih raztopin v električnem polju (krioelektreti);

· mehansko deformiranje polimerov (mehanoelektreti);

· trenje (triboelektreti);

· delovanje polja koronske razelektritve (koronskih elektretov).

Vsi elektreti imajo stabilen površinski naboj.

Elektreti se uporabljajo kot viri stalnega električnega polja (elektretni mikrofoni in telefoni, senzorji vibracij, generatorji šibkih izmeničnih signalov, elektrometri, elektrostatični voltmetri itd.), Pa tudi kot občutljivi senzorji v dozimetričnih in električnih spominskih napravah; za izdelavo barometrov, higrometrov in plinskih filtrov, piezoelektričnih senzorjev itd. Fotoelektrete uporabljajo v elektrofotografiji.

Feroelektriki

Aktivni dielektriki

To so organski in anorganski materiali, katerih lastnosti je mogoče nadzorovati z zunanjimi energijskimi vplivi in ​​te vplive uporabiti za ustvarjanje funkcionalnih elektronskih elementov.

Sem spadajo feroelektriki, piezo-, piroelektriki, elektreti, materiali kvantne elektronike, tekoči kristali, elektromagnetni in akustično-optični materiali itd.

Med pasivnimi in aktivnimi dielektriki ni ostre meje. Isti material lahko opravlja pasivne (izolator, substrat, kondenzator) in aktivne funkcije pretvornega elementa. Zahteve za aktivne dielektrike so nasprotne: nestabilnost lastnosti in najhujša sprememba katere koli lastnosti pod zunanjimi vplivi.

Aktivne dielektrike pogosto razvrščamo glede na vrsto fizikalnih učinkov, ki jih je mogoče uporabiti za nadzor njihovih lastnosti. Isti material pa je lahko občutljiv na različne vrste energijskih vplivov. Najbolj univerzalni so feroelektriki (znani tudi kot piezoelektriki, piroelektriki, nelinearni optični materiali itd.)

Aktivne dielektrike razvrstimo v skupine glede na njihove najpomembnejše lastnosti oziroma njihovo specifičnost.

To so snovi, ki imajo spontano polarizacijo, katere smer je mogoče spremeniti z zunanjim električnim poljem.

V odsotnosti električnega polja imajo feroelektriki domensko strukturo z različnimi smermi električnih momentov domen. Celotna polarizacija je lahko enaka 0. Zunanje električno polje spremeni smer električnih momentov, kar ustvari učinek močne polarizacije. Od tu lahko e naraste na stotisoče. Posledica domenske strukture feroelektrikov je nelinearna odvisnost njihove električne indukcije od napetosti električnega polja in prisotnost dielektrične histereze (zaradi ireverzibilnega premika domenskih meja).

Točka B - vse domene so usmerjene vzdolž polja. Do točke A je reverzibilna sprememba meja domene, potem je AB nepovratna

Ko se poljska jakost odstrani, indukcija ne bo padla na "0", ampak bo prevzela določeno vrednost. Ko se polarnost spremeni, se polje hitro zmanjša in spremeni svojo smer. Ko se temperatura poveča, domenska struktura razpade. Temperatura faznega prehoda se imenuje feroelektrična Curiejeva točka. V Curiejevi točki je e največji. Za BaTiO 3 Tc = 120 o C.

Obstaja več sto spojin s feroelektričnimi lastnostmi – to so lahko ionski in dipolni kristali. Temperatura Curiejeve točke se spreminja od 15 K (Pb 2 Nb 2 O 4) do 1483 K (LiNbO 3).

Ionski: BaTiO 3, PbTiO 3, KNbO 3, LiTaO 3.

Dipol: Rochellova sol (NaKC 4 H 4 O 6 4H 2 O), KH 2 PO 4, NaNo 2.

Uporaba feroelektrikov:

1. proizvodnja kondenzatorjev majhnih dimenzij z veliko specifično kapacitivnostjo;

2. proizvodnja dielektričnih ojačevalnikov, modulatorjev;

3. kot spominske celice v računalništvu;

4. proizvodnja piezoelektričnih in piroelektričnih pretvornikov.

Za izdelavo kondenzatorjev se uporabljajo feroelektrični keramični materiali (trdne raztopine, mešanice kristalnih faz), ki nimajo močne temperaturne odvisnosti:

Material T-900 je trdna raztopina SrTiO 3 in Bi 4 Ti 3 O 12. Tc = -140 o C; e 20 o = 900

Material SM-1 - BaTiO 3 +ZrO 2 +Bi 2 O 3. e 20 о =3000 - uporablja se za majhne kondenzatorje.

Material T-9000 - trdna raztopina BaTiO 3 - BaZrO 3 e 20 o = 8000 - se uporablja za visokonapetostne kondenzatorje.

Za materiale za varikonde (nelinearne kondenzatorje), ki se uporabljajo za nadzor parametrov električnih tokokrogov, se e spreminja od 4 do 50-krat (trdne raztopine Ba (Ti, Sn) O 3, Pb (Ti, Zr, Sn) O 3).

Materiali za spominske celice so feroelektriki s pravokotno histerezno zanko. Prvič, to je triglicin sulfat.

Pri E = 0 obstajata dve stabilni stanji. Ena se uporablja za shranjevanje "1", druga pa "0". Informacije je mogoče prebrati, ne da bi jih uničili: z optično metodo ali z merjenjem upora polprevodniškega filma, nanesenega na feroelektrik. Preklopni čas celice je nekaj mikrosekund (manj kot pri monokristalih).

Elektrooptični kristali - spremenijo lomni količnik medija pod vplivom zunanjega električnega polja. Če je n ~ E, je elektrooptični učinek linearen ali Pockelsov učinek, če je n 2 ~ E kvadratni ali Kerrov učinek.

Elektrooptični učinek se uporablja za modulacijo laserskega sevanja. Elektrooptični modulatorji svetlobe so ustvarjeni na osnovi LiNbO 3, KH 2 PO 4, Pb(Ti,Zr)O 3 TR.

Materiali nelinearne optike - uporabljajo učinek nelinearne polarizacije medija pod vplivom močnih svetlobnih žarkov, ki jih ustvarjajo laserji (n je odvisen od svetlobnega vala). To vam omogoča pretvorbo frekvenc optičnih signalov (pretvorbo IR sevanja v vidno sevanje). Učinkoviti so KH 2 PO 4, LiNbO 3, LiIO 3 itd.

Za pridobitev se uporablja ultrazvok

Povratni piezoelektrični učinek;

magnetostrikcija;

elektrostrikcija;

Piezoelektrični učinek - učinek polarizacije dielektrika pod vplivom mehanske obremenitve (neposredni piezoelektrični učinek). Obstaja tudi inverzni piezoelektrični učinek - pojav mehanskih deformacij pod vplivom električnega polja.

Inverzni piezoelektrični učinek je v tem, da se plošča, izrezana na določen način iz kristala kremena (ali drugega anizotropnega kristala), pod vplivom električnega polja stisne ali podaljša, odvisno od smeri polja. Če takšno ploščo postavite med plošči ploščatega kondenzatorja, na katerega je priključena izmenična napetost, bo plošča prešla v prisilna nihanja. Vibracije plošče se prenašajo na delce okolja (zrak ali tekočina), ki generirajo ultrazvočno valovanje.

Pojav magnetostrikcije je sestavljen iz je, da feromagnetne palice (jeklo, železo, nikelj in njihove zlitine) spreminjajo linearne dimenzije pod vplivom magnetnega polja, usmerjenega vzdolž osi palice. Če tako palico postavimo v izmenično magnetno polje (na primer v tuljavo, po kateri teče izmenični tok), bomo v palici povzročili prisilna nihanja, katerih amplituda bo pri resonanci še posebej velika. Nihajoči konec palice ustvarja v okolju ultrazvočne valove, katerih jakost je neposredno odvisna od amplitude nihanj konca.

Nekateri materiali (na primer keramika) lahko spreminjajo svoje dimenzije v električnem polju. Ta pojav, imenovan elektrostrikcija, navzven se od inverznega piezoelektričnega učinka razlikuje po tem, da je sprememba velikosti odvisna samo od jakosti uporabljenega polja, ni pa odvisna od njegovega predznaka. Takšni materiali vključujejo barijev titanat in svinčev cirkonat titanat.

Pretvorniki, ki uporabljajo zgoraj opisane pojave, se imenujejo piezoelektrični, magnetostrikcijski in elektrostrikcijski.

Ultrazvočni oddajniki.

V naravi najdemo ultrazvok tako kot sestavni del številnih naravnih šumov (v šumu vetra, slapa, dežja, v šumu kamenčkov, ki jih kotali morski val, v zvokih, ki spremljajo nevihtne razelektritve itd.), in med zvoki živalskega sveta. Nekatere živali uporabljajo ultrazvočne valove za zaznavanje ovir in navigacijo v prostoru.

Ultrazvočne oddajnike lahko razdelimo v dve veliki skupini. Prvi vključuje oddajnike-generatorje; nihanja v njih se vzbujajo zaradi prisotnosti ovir na poti stalnega toka - toka plina ali tekočine. Druga skupina oddajnikov so elektroakustični pretvorniki; pretvarjajo že dana nihanja električne napetosti ali toka v mehanska nihanja trdnega telesa, ki oddaja zvočne valove v okolico.

Elektromehanski ultrazvočni oddajnik uporablja pojav inverznega piezoelektričnega učinka in je sestavljen iz naslednjih elementov (slika 1):

Plošče iz snovi s piezoelektričnimi lastnostmi;

Elektrode, nanesene na njegovo površino v obliki prevodnih plasti;

Generator, ki napaja elektrode z izmenično napetostjo zahtevane frekvence.

Ko se iz generatorja (3) na elektrode (2) dovaja izmenična napetost, se plošča (1) občasno razteza in stiska. Nastanejo prisilna nihanja, katerih frekvenca je enaka frekvenci sprememb napetosti. Ti tresljaji se prenašajo na delce okolja in ustvarjajo mehansko valovanje z ustrezno frekvenco. Amplituda nihanja delcev medija v bližini oddajnika je enaka amplitudi nihanja plošče.

Značilnosti ultrazvoka vključujejo možnost pridobivanja valov visoke intenzivnosti tudi pri relativno majhnih amplitudah vibracij, saj je pri določeni amplitudi gostota energijskega toka sorazmerna kvadrat frekvence.

I = ρ ω 2 ʋ A 2 / 2 (1)

Največjo intenzivnost ultrazvočnega sevanja določajo lastnosti materiala oddajnikov, pa tudi značilnosti pogojev njihove uporabe.

Razpon intenzivnosti za generiranje US v območju USF je izjemno širok: od 10 -14 W/cm 2 do 0,1 W/cm 2 .

Za številne namene so potrebne znatno višje intenzitete od tistih, ki jih je mogoče pridobiti s površine oddajnika. V teh primerih lahko uporabite fokusiranje.

Ultrazvočni sprejemniki. Elektromehanski ultrazvočni sprejemniki uporabljajo pojav neposrednega piezoelektričnega učinka.

Pri tem pod vplivom ultrazvočnega valovanja pride do tresljajev kristalne plošče (1), zaradi česar se na elektrodah (2) pojavi izmenična napetost, ki jo beleži snemalni sistem (3).

V večini medicinskih pripomočkov se kot sprejemnik uporablja tudi generator ultrazvočnih valov.

Lastnosti ultrazvoka, ki določajo njegovo uporabo v diagnostične in terapevtske namene (kratka valovna dolžina, usmerjenost, lom in odboj, absorpcija, globina polovične absorpcije)

Terapevtski učinek ultrazvoka določajo mehanski, toplotni in kemični dejavniki. Njihovo skupno delovanje izboljšuje prepustnost membrane, širi krvne žile, izboljšuje metabolizem, kar pomaga vzpostaviti ravnovesno stanje telesa. Z doziranim ultrazvočnim žarkom lahko izvajamo nežno masažo srca, pljuč ter drugih organov in tkiv.

a) Kratka valovna dolžina. Fokus. Valovna dolžina ultrazvoka je bistveno manjša od valovne dolžine zvoka. Glede na to, da je valovna dolžina λ=υ/ν, ugotovimo: za zvok s frekvenco 1 kHz je valovna dolžina λ zvok = 1500/1000 = 1,5 m; za ultrazvok s frekvenco 1 MHz, valovna dolžina λ vozel = 1500/1.000.000 = 1,5 mm.

Zaradi kratke valovne dolžine pride do odboja in uklona ultrazvoka na predmetih, ki so manjši kot pri slišnem zvoku. Na primer, telo velikosti 10 cm ne bo ovira za zvočni val z λ=1,5 m, bo pa postalo ovira za ultrazvočno valovanje z λ=1,5 mm. V tem primeru se pojavi ultrazvočna senca, zato lahko v nekaterih primerih širjenje ultrazvočnih valov prikažemo z žarki in nanje uporabimo zakone odboja in loma. To pomeni, da se ultrazvočni val pod določenimi pogoji širi v usmerjenem toku, za katerega veljajo zakoni geometrijske optike.

b) Lom in odboj. Tako kot vse vrste valov sta tudi za ultrazvok značilna pojava odboja in loma. Zakoni, ki jim sledijo ti pojavi, so popolnoma podobni zakonom odboja in loma svetlobe. Zato je v mnogih primerih širjenje ultrazvočnih valov prikazano z uporabo žarkov.

Za kvantitativno karakterizacijo procesa je uveden koncept odbojnega koeficienta R=I neg /I o, kjer je I neg intenziteta odbitega ultrazvočnega valovanja; I o - intenzivnost incidenta. To je brezdimenzijska količina, ki se spreminja od nič (brez refleksije) do ena (popolna refleksija).

Bolj ko so valovni upori (ρυ) medijev različni, večji je delež odbite energije in manjši je delež energije, ki prehaja skozi vmesnik.

Valovna upornost bioloških medijev je približno 3000-krat večja od valovne upornosti zraka (R = 1/3000), zato odboj na meji zrak-koža je 99,99 %. Če oddajnik nanesemo neposredno na kožo osebe, ultrazvok ne bo prodrl v notranjost, ampak se bo odbil od tanke plasti zraka med oddajnikom in kožo. Za odpravo zračne plasti površino kože prekrijemo s plastjo ustreznega lubrikanta (vodnega želeja), ki deluje kot prehodni medij, ki zmanjša odboj.

Mazivo mora izpolnjevati ustrezne zahteve: imeti zvočno odpornost, ki je blizu zvočni odpornosti kože, imeti nizek koeficient absorpcije ultrazvoka, imeti pomembno viskoznost, dobro zmočiti kožo, biti nestrupen (vazelinovo olje, glicerin itd.) .

c) Absorpcija, globina polovične absorpcije. Naslednja pomembna lastnost ultrazvoka je njegova absorpcija v medijih: energija mehanskih vibracij delcev medija se pretvori v energijo njihovega toplotnega gibanja. Mehanska valovna energija, ki jo absorbira medij, povzroči segrevanje medija. Ta učinek je opisan s formulo:

jaz = jaz o. e -kl (3)

kjer je I intenziteta ultrazvočnega valovanja, ki v mediju prepotuje razdaljo l; I o - začetna intenzivnost; k je absorpcijski koeficient ultrazvoka v mediju; e – osnova naravnih logaritmov (e = 2,71).

Poleg absorpcijskega koeficienta se kot karakteristika ultrazvočne absorpcije uporablja tudi globina polovične absorpcije.

Globina polovične absorpcije je globina, pri kateri se jakost ultrazvočnega valovanja prepolovi.

Globina polovične absorpcije ima različne pomene za različna tkiva. Zato se v medicinske namene uporabljajo ultrazvočni valovi različnih jakosti: nizki - 1,5 W/m2, srednji - (1,5-3) W/m2 in visoki - (3-10) W/m2.

Absorpcija v tekočem mediju je veliko manjša kot v mehkih tkivih in še bolj v kostnem tkivu.

8. Interakcija ultrazvoka s snovjo: akustični tokovi in ​​kavitacija, sproščanje toplote in kemijske reakcije, odboj zvoka, zvočni vid).

a) Zvočni tokovi in ​​kavitacija. Ultrazvočne valove visoke intenzivnosti spremljajo številni specifični učinki. Tako širjenje ultrazvočnih valov v plinih in tekočinah spremlja gibanje medija in nastanejo akustični tokovi (zvočni veter), katerih hitrost doseže 10 m / s. Pri frekvencah v ultrazvočnem frekvenčnem območju (0,1-10) MHz v ultrazvočnem polju z jakostjo več W/cm 2 lahko pride do brizganja tekočine in pršenja s tvorbo zelo fine meglice. Ta lastnost širjenja ultrazvoka se uporablja v ultrazvočnih inhalatorjih.

Med pomembnimi pojavi, ki se pojavijo med širjenjem intenzivnega ultrazvoka v tekočinah, so: akustična kavitacija- rast v ultrazvočnem polju mehurčkov iz obstoječih submikroskopskih jeder plina ali pare v tekočinah do velikosti frakcij mm, ki začnejo utripati na ultrazvočni frekvenci in se sesedejo v fazi pozitivnega tlaka. Ko se plinski mehurčki sesedejo, nastanejo veliki lokalni pritiski reda velikosti na tisoče atmosfer, nastanejo sferični udarni valovi. Tako intenziven mehanski učinek na delce lahko vodi do različnih učinkov, vključno z destruktivnimi, tudi brez vpliva toplotnega učinka ultrazvoka. Mehanski učinki so še posebej pomembni pri izpostavljenosti fokusiranemu ultrazvoku.

Druga posledica propada kavitacijskih mehurčkov je močno segrevanje njihove vsebine (do temperature okoli 10.000 0 C), ki ga spremlja ionizacija in disociacija molekul.

Pojav kavitacije spremlja erozija delovnih površin sevalnikov, poškodbe celic itd. Vendar pa ta pojav vodi tudi do številnih blagodejnih učinkov. Na primer, v območju kavitacije pride do povečanega mešanja snovi, ki se uporablja za pripravo emulzij.

b) Sproščanje toplote in kemične reakcije. Absorpcijo ultrazvoka s snovjo spremlja prehod mehanske energije v notranjo energijo snovi, kar vodi do njenega segrevanja. Najbolj intenzivno segrevanje se pojavi v območjih, ki mejijo na vmesnik, ko je koeficient refleksije blizu enote (100%). To je posledica dejstva, da se zaradi odboja intenzivnost valovanja v bližini meje poveča in s tem poveča količina absorbirane energije. To je mogoče eksperimentalno preveriti. Ultrazvočni oddajnik morate pritrditi na mokro roko. Kmalu se na nasprotni strani dlani pojavi občutek (podoben bolečini pri opeklinah), ki ga povzroči ultrazvok, ki se odbija od meje koža-zrak.

Tkiva s kompleksno zgradbo (pljuča) so bolj občutljiva na ultrazvočno segrevanje kot homogena tkiva (jetra). Na meji med mehkim tkivom in kostjo nastane relativno veliko toplote.

Lokalno segrevanje tkiv za delček stopinje spodbuja vitalno aktivnost bioloških predmetov in poveča intenzivnost presnovnih procesov. Vendar lahko dolgotrajna izpostavljenost povzroči pregrevanje.

V nekaterih primerih se z fokusiranim ultrazvokom lokalno vpliva na posamezne strukture telesa. Ta učinek omogoča doseganje nadzorovane hipertermije, tj. segrevanje na 41-44 0 C brez pregrevanja sosednjih tkiv.

Povečanje temperature in spremembe tlaka, ki spremljajo prehod ultrazvoka, lahko povzročijo nastanek ionov in radikalov, ki lahko medsebojno delujejo z molekulami. V tem primeru lahko pride do kemičnih reakcij, ki v običajnih pogojih niso izvedljive. Kemični učinek ultrazvoka se kaže zlasti v razcepu molekule vode v radikale H + in OH -, čemur sledi tvorba vodikovega peroksida H 2 O 2.

c) Odboj zvoka. Zvočna vizija. Na podlagi odboja ultrazvočnih valov od nehomogenosti zvočni vid, uporabljajo pri medicinskih ultrazvočnih preiskavah. V tem primeru se ultrazvok, ki se odbije od nehomogenosti, pretvori v električne tresljaje, slednje pa v svetlobo, kar omogoča, da določene predmete na zaslonu vidite v mediju neprozornem za svetlobo.

Na frekvencah v ultrazvočnem območju je bil ustvarjen ultrazvočni mikroskop - naprava, podobna navadnemu mikroskopu, katere prednost pred optičnim mikroskopom je, da za biološke raziskave ni potrebno predhodno barvanje predmeta. Z naraščanjem frekvence ultrazvočnega valovanja se povečuje ločljivost (zaznamo lahko manjše nehomogenosti), zmanjšuje pa se njihova prodorna sposobnost, t.j. globina, na kateri je mogoče pregledati zanimive strukture, se zmanjša. Zato je frekvenca ultrazvoka izbrana tako, da združuje zadostno ločljivost z zahtevano globino preiskave. Tako se za ultrazvočni pregled ščitnice, ki se nahaja neposredno pod kožo, uporabljajo valovi frekvence 7,5 MHz, za pregled trebušnih organov pa frekvenca 3,5 - 5,5 MHz. Poleg tega se upošteva tudi debelina maščobne plasti: za tanke otroke se uporablja frekvenca 5,5 MHz, za otroke in odrasle s prekomerno telesno težo pa frekvenca 3,5 MHz.

9. Biofizikalni učinek ultrazvoka: mehanski, toplotni, fizikalno-kemijski.

Ko ultrazvok deluje na biološke objekte v obsevanih organih in tkivih na razdaljah, ki so enake polovici valovne dolžine, lahko nastanejo razlike v tlaku od enot do deset atmosfer. Tako intenzivni vplivi vodijo do različnih bioloških učinkov, katerih fizična narava je določena s skupnim delovanjem mehanski, termični in fizikalno-kemijski pojavi ki spremljajo širjenje ultrazvoka v okolju.

Mehansko delovanje je določen s spremenljivim akustičnim tlakom in je sestavljen iz vibracijske mikromasaže tkiv na celični in subcelični ravni, povečanja prepustnosti celičnih, znotrajceličnih in tkivnih membran zaradi depolimerizirajočega učinka ultrazvoka na hialuronsko kislino in hondroitin sulfat, kar povzroči povečano hidracijo dermalni sloj.

Toplotni učinek povezana s pretvorbo mehanske energije v toplotno energijo, medtem ko se toplota v tkivih telesa ustvarja neenakomerno. Posebno veliko toplote se kopiči na mejah medijev zaradi razlike v akustični upornosti tkiv, pa tudi v tkivih, ki absorbirajo ultrazvočno energijo v večjih količinah (živčevje, kostno tkivo) in na slabo prekrvavljenih mestih.

Fizikalno-kemijsko delovanje zaradi dejstva, da kemična energija povzroči mehansko resonanco v tkivih telesa. Pod vplivom slednjega se pospeši gibanje molekul in poveča njihov razpad na ione ter spremeni izoelektrično stanje. Nastajajo nova električna polja, prihaja do električnih sprememb v celicah. Spremeni se struktura vode in stanje hidratacijskih lupin, pojavijo se radikali in različni produkti sonolize bioloških topil. Posledično pride do stimulacije fizikalno-kemijskih in biokemičnih procesov v tkivih in aktivacije presnove.