Л.А.Логинов,
Центр образования № 109, г. Москва

Новая жизнь старого будильника,
или
наглядные пособия у нас под рукой

Сейчас уже никого не удивить электронным будильником, микрокалькулятором с жидкокристаллическим индикатором или музыкальной поздравительной открыткой. Более того, их все чаще выбрасывают из-за неисправностей, морального или физического старения, севшей батарейки. Но этим достижениям технического прогресса можно найти прекрасное применение в учебном процессе. Речь пойдет о пьезоэлементах и поляроидных пленках.
К сожалению, в учебниках о них говорится мало. Поэтому расскажем, где устройства на их основе применяются в быту и технике, как можно своими руками изготовить новые наглядные пособия для демонстрационного эксперимента и как ими пользоваться.

1. Пьезоэффект

Суть пьезоэффекта состоит во взаимосвязи процессов деформирования кристаллов и возникновения на их поверхностях электрической разности потенциалов. Кристаллы, которым присущи такие свойства, называются пьезокристаллами. Это естественные кристаллы кварца, сегнетовой соли и др., а также искусственные – соединения

титана, бария, свинца и др. В основном то, что сегодня называется пьезокерамикой, изготавливают именно из искусственных пьезоматериалов (титаната бария), поскольку они обладают сильным пьезоэффектом.

Немного истории. Пьезоэффект был открыт в 1880 г. французскими учеными, братьями Пьером и Полем Кюри, на кварце. Применить открытое явление впервые предложил Поль Ланжевен, также француз. Было это в годы первой мировой войны. Суть предложения заключалась в использовании ультразвука для обнаружения вражеских подводных лодок, а для получения самого ультразвука предлагалось использовать именно пьезоэффект. Явление, в чем-то схожее с пьезоэффектом, но связанное с переменным магнитным полем и названное магнитострикцией, обнаружил в 1847 г. Джеймс Джоуль. Суть его заключалась в изменении линейных размеров кристалла в переменном магнитном поле.

Важно отметить обратимость пьезоэффекта: при деформировании пьезокристалла на его поверхностях возникает разность потенциалов (напряжение), и наоборот, при приложении к противоположным граням электрического напряжения (т.е. при помещении кристалла в электрическое поле) происходит изменение линейных размеров кристалла, деформация.

Пьезокерамика сегодня представлена в основном двумя формами: это пластинки (диаметр 0,5–3 см, высота до 1 мм) и цилиндрические столбики. Помимо пьезопластинок пьезоэлементы содержат еще и пару металлических пластин для обеспечения электрического контакта и повышения прочности конструкции. В качестве одного из электродов на одну из сторон пьезопластинки может напыляться тонкий слой металла. В пьезоэлементах отечественного производства вторая металлическая пластина для повышения жесткости сделана в виде «блюдечка», куда и вклеивается пьезопластинка (рис. 1). К контактным пластинам припаивают соединительные провода или же зажимают их между упругими контактами.

У импортных пьезоэлементов, например, в музыкальных открытках, нижняя пластина обычно плоская, но помещена в пластмассовый кожух (рис. 2). Пьезоэлементы

 

музыкальной открытки, электрического или электронного будильника также содержат пьезопластинку. Для демонстрации различных возможных применений этих пьезоэлементов их надо аккуратно отделить от бумажной основы открытки или основной печатной платы будильника с помощью паяльника и/или кусачек. Пластмассовый кожух аккуратно снимается. Если к пьезоэлементу были подпаяны провода, их надо удалить паяльником, оставив немного припоя, чтобы к этим местам подпаять новые. Лучше всего взять достаточно длинные (порядка 1,5 м), гибкие (многожильные) и, разумеется, изолированные. К другим концам этих проводов подпаяйте контакты (штыревые или типа «клешня», в зависимости от конструкции входных гнезд на вашем усилителе и генераторе НЧ колебаний). В качестве усилителя удобно использовать звуковые генераторы типа «ГЗМ» или «ГЗШ-3», поскольку они в своем составе имеют и усилитель.

Использование пьезоэлемента в качестве источника звука

Пьезоэлемент подключается к выходу генератора. Устанавливаются приемлемый уровень сигнала и нужная частота. В принципе, пьезоэлемент позволяет получать звук во всем диапазоне звуковых частот, но при постоянной амплитуде подаваемого на него электрического сигнала наибольшая громкость звучания отмечается в диапазоне 1000–4000 Гц.

Если вы используете генератор типа ГЗМ, то лучше всего подключать пьезоэлемент к гнездам выхода «5 Ом». Максимальное напряжение на этом выходе (действующее значение) порядка 6,5 В, что вполне достаточно для слышимости в школьном кабинете. Выход «600 Ом» дает напряжение до 60 В, «5000 Ом» – до 200 В.

Следует иметь в виду, что при напряжении 70–90 В начинается пробой пьезопластинки, что сопровождается проскакиванием искр.

Можно использовать и генератор типа ГНЧЛ, но его мощность невелика, а напряжение на выходе не превышает 2 В (по паспорту –0,5 В). Звучание пьезоэлемента будет слабое, что требует тишины на уроке. Для усиления звучания и улучшения направленности звука можно сделать рупор из пластмассового одноразового стаканчика. Для этого в его конической стенке, возле дна, сделайте отверстие для вывода проводов, а пьезоэлемент приклейте ко дну. Впрочем, можно просто положить его параллельно плоскости дна стаканчика.

При рассказе учащимся о работе пьезоэлемента обратите внимание на то, что по своей конструкции пьезоэлемент существенно проще электродинамического громкоговорителя (динамика), но уступает ему по акустическим свойствам. Это связано и с упомянутой выше неравномерностью АЧХ, и с невозможностью качественно воспроизводить высокие частоты. Но воспроизвести простые мелодии вполне можно (компьютерные «спикеры», музыкальные открытки, сигналы будильников, в том числе и в наручных часах).

В настоящее время пьезоэлементы используются и как источники ультразвука в различных медицинских, промышленных, исследовательских и даже бытовых приборах. О первых трех группах приборов хорошо рассказано в учебном кинофильме «Применение ультразвука». А из новейших бытовых приборов следует назвать «УЗГ» – прибор для ультразвуковой защиты от грызунов. Рекламу этого прибора несколько лет назад показывали по телевидению. Набор создаваемых прибором ультразвуков соответствует сигналу тревоги у мышей и крыс. Работа прибора в течение нескольких суток вызывает у них дискомфорт и желание покинуть помещение. Кстати, работа прибора вызывает сильное эмоциональное возбуждение у домашних животных, особенно у собак. Об этом немало написано в научно–популярной литературе. Это же подтверждается и на опыте. Так что при применении «УЗГ» с данным фактом приходится считаться. В целом же прибор достаточно эффективен (проверено автором статьи на даче). Его недостатки – цена и генерация не только ультразвука, но и слышимого звука, кстати, весьма противного.

Использование пьезоэлемента в качестве датчика вибрации

Для этого пьезоэлемент подключается к входным клеммам усилителя, который подает усиленный сигнал на громкоговоритель. Уровень выходного сигнала выбирается таким, чтобы звук из динамика был хорошо слышен всему классу. Любые сотрясения пьезоэлемента, даже легкое прикосновение, немедленно отзываются звуком из динамика. Если пьезоэлемент прикрепить к двери (лейкопластырем или скотчем), то даже тихое, без шума и скрипа, как нам казалось ранее, ее открывание–закрывание станет хорошо слышно. Получается что-то вроде пьезоэлектрического сторожа.

Но, безусловно, самое интересное для наших учеников – применение пьезоэлемента в простейшей электрогитаре. Берется любая обычная акустическая гитара. Для показа роли пьезоэффекта в «более чистом» виде розетку гитары можно закрыть листом картона, вырезанным по ее форме. Еще лучше снизу, на внутреннюю сторону листа, приклеить звукоизолирующий материал в форме

круга диаметром чуть меньше диаметра розетки и толщиной 3–5 мм (синтепон, войлок, поролон, фетр, какая-либо плотная материя), т.к. толстый лист картона просто не подсунешь под струны (рис. 3). Этим мы сводим к минимуму эффект резонаторного ящика гитары.

Пьезоэлемент крепится к деке гитары, чуть ниже розетки, с помощью лейкопластыря, изоленты или скотча. Можно подобрать и другое место для крепления, но оно должно быть таким, чтобы провода, ведущие к усилителю, не мешали играющему на гитаре. Рабочая часть гитары «в сборе» показана на рис. 4.

Следует обратить внимание учащихся на то, что тембр получившейся электрогитары отличается от естественного, ведь теперь  набор обертонов определяется упругими свойствами не только струн и деки, но и самого пьезоэлемента. Обычно звук самодельной электрогитары становится как бы металлическим. Естественно, что на такой гитаре хорошо аккомпанировать.

Еще надо обязательно отметить, что в профессиональных электрогитарах используются не пьезоэлектрические, а электродинамические датчики. Но нашу простейшую электрогитару и любую профессиональную роднит то, что акустический резонанс в резонаторном ящике в обоих случаях не используется.

2. Поляроидные пленки

Жаль, что в большинстве современных учебников при рассмотрении явления поляризации света о поляроидных пленках сказано лишь вскользь. А ведь они встречаются в жизни намного чаще, чем, скажем, сахариметры, приборы для фотоупругого анализа и даже фотографические светофильтры. Наверное, самое главное то, что без поляроидных пленок не могут работать жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ), а они применяются и в электронных часах, и в калькуляторах, и в различных современных приборах. Работу поляроидных пленок следует объяснить и показать на наглядном пособии.

Как известно, ЖКИ представляет собой рисунок, выполненный из тонких жидкокристаллических пленок на стеклянном основании. Это могут быть сегменты цифр, букв или даже целые символы (например, символ колокольчика на будильнике). Сам по себе ЖКИ прозрачен как в нерабочем, так и в рабочем состоянии, поскольку свет частично проходит и частично отражается от всех его участков: и тех, на которые нанесены жидкокристаллические пленки, и тех, где этих пленок нет. При подаче на жидкокристаллические пленки (сегменты изображения) напряжения порядка 1,5–6 В плоскость поляризации света, прошедшего через пленку или отраженного от нее, изменяется. Естественно, что на свободных участках изменения плоскости поляризации света не происходит.

В отсутствие поляроидных пленок различия в плоскостях поляризации света, отраженного от «сегментов» и «свободных участков» незаметны. А при наложении на ЖКИ поляроида они видны четко. Более того, в зависимости от ориентации поляроидной пленки (она выступает в роли анализатора), можно получить как темное изображение на светлом фоне, так и светлое изображение на темном фоне. Именно это и демонстрирует наглядное пособие, которое можно сделать из ненужного будильника или калькулятора.

Лучше всего, если сам прибор еще работоспособен. В этом случае после разборки корпуса прибора, аккуратно снимают или отклеивают от ЖКИ поляроидную пленку. Лучше всего, если она при этом не разорвется и не разломится. Впрочем, у современных отечественных электронных часов эта пленка не приклеена, а просто прижата корпусом часов к ЖКИ.

После этого прибор снова собирают. Без поляроидной пленки изображение на ЖКИ не видно. Если приложить к индикатору пленку, оно появится. При повороте пленки на 90° контраст изображения изменится на обратный, о чем говорилось выше.

Если прибор (часы, калькулятор) совсем неработоспособен (т.е. на ЖКИ вообще ничего не отображается), но сам ЖКИ еще исправен, то можно попытаться заставить работать только ЖКИ, подведя питание к нему напрямую. Здесь возможны два варианта:

– посоветоваться со специалистом на предмет того, что из электрической схемы устройства можно убрать и куда подать «+» и «–» питания, чтобы «ожили» те или иные сегменты изображения;
– аккуратно вынув ЖКИ самостоятельно, посмотреть «на отсвет» расположение жидкокристаллических подводящих к сегментам дорожек; питание к ним подводится через специальные резинометаллические прокладки на краях ЖКИ.

Единственным недостатком описанного наглядного пособия является то, что его работу почти невозможно продемонстрировать сразу всем учащимся из-за малых размеров устройства. Но можно предложить ознакомиться с работой поляроида в индивидуальном порядке, передавая пособие с парты на парту, либо оставив его на столе учителя после урока.

Наверное, этим не исчерпываются возможные пути создания новых наглядных пособий из отслуживших свой срок или ненужных бытовых приборов. Но так или иначе задача учителя физики заключается и в том, чтобы знакомить своих учеников с достижениями современной науки и техники хотя бы на доступном уровне.

---

Для ознакомления с работой пьезоэлементов выпускается очень хорошее наглядное пособие – «Пьезоконструктор». Он часто бывает в московских учколлекторах № 1 и № 2. К сожалению, в инструкции нет названия фирмы-изготовителя, но есть адрес (103460, г. Москва, а/я 143). Наверняка конструктор можно приобрести и там. Кстати, из деталей этого пьезоконструктора можно собрать различные устройства,в том числе и пьезогенератор на пьезокерамических столбиках. Вырабатываемого им напряжения достаточно для зажигания неоновой газоразрядной лампы, также входящей в конструктор. Именно такой пьезогенератор работает и в обычной бытовой газовой пьезозажигалке, которую тоже можно собрать из деталей конструктора.