Piezoelektrični učinek so odkrili francoski znanstveniki brata Curie konec 19. stoletja. Takrat je bilo še prezgodaj govoriti o praktični uporabi odkritega pojava, trenutno pa se piezoelektrični elementi široko uporabljajo tako v tehnologiji kot v vsakdanjem življenju.
Vsebina
Bistvo piezoelektričnega učinka
Znani fiziki so ugotovili, da pri deformaciji nekaterih kristalov (kamni kristal, turmalin itd.) nastanejo električni naboji na njihovih obrazih. Hkrati je bila potencialna razlika majhna, vendar so jo naprave, ki so obstajale v tistem času, samozavestno fiksirale in s povezovanjem odsekov z nasprotno polarnimi naboji s pomočjo prevodnikov je bilo mogoče dobiti elektrika. Pojav je bil fiksiran le v dinamiki, v trenutku stiskanja ali raztezanja. Deformacija v statičnem načinu ni povzročila piezoelektričnega učinka.
Kmalu je bil nasprotni učinek teoretično utemeljen in odkrit v praksi - ob uporabi napetosti se je kristal deformiral.Izkazalo se je, da sta oba pojava medsebojno povezana - če snov izkazuje neposreden piezoelektrični učinek, potem ji je lastno tudi nasprotno in obratno.
Pojav opazimo pri snoveh s kristalno mrežo anizotropnega tipa (katerih fizikalne lastnosti so različne glede na smer) z zadostno asimetrijo, pa tudi pri nekaterih polikristalnih strukturah.
V vsakem trdnem telesu delujoče zunanje sile povzročajo deformacije in mehanske napetosti, v snoveh s piezoelektričnim učinkom pa povzročajo tudi polarizacijo nabojev, polarizacija pa je odvisna od smeri uporabljene sile. Pri spreminjanju smeri izpostavljenosti se spremenita tako smer polarizacije kot polarnost nabojev. Odvisnost polarizacije od mehanske napetosti je linearna in jo opisujemo z izrazom P=dt, kjer je t mehanska napetost, d pa koeficient, imenovan piezoelektrični modul (piezoelektrični modul).
Podoben pojav se pojavi pri reverznem piezoelektričnem učinku. Ko se spremeni smer uporabljenega električnega polja, se spremeni smer deformacije. Tudi tu je odvisnost linearna: r=dE, kjer je E jakost električnega polja, r pa deformacija. Koeficient d je enak za direktne in inverzne piezoelektrične učinke za vse snovi.
Pravzaprav so zgornje enačbe le ocene. Dejanske odvisnosti so veliko bolj zapletene in jih določa tudi smer sil glede na kristalne osi.
Snovi s piezoelektričnim učinkom
Prvič so piezoelektrični učinek odkrili v kamnitih kristalih (kremen). Do danes je ta material zelo pogost pri izdelavi piezoelektričnih elementov, vendar se v proizvodnji ne uporabljajo samo naravni materiali.
Številni piezoelektriki so narejeni iz snovi s formulo ABO.3, na primer BaTiO3, РbТiO3. Ti materiali imajo polikristalno (sestavljeno iz številnih kristalov) strukturo in da bi jim dali sposobnost, da pokažejo piezoelektrični učinek, jih je treba izpostaviti polarizaciji z uporabo zunanjega električnega polja.
Obstajajo tehnologije, ki omogočajo pridobivanje filmskih piezoelektrikov (poliviniliden fluorid itd.). Da bi jim dali potrebne lastnosti, jih je treba tudi dolgo polarizirati v električnem polju. Prednost takšnih materialov je zelo majhna debelina.
Lastnosti in značilnosti snovi s piezoelektričnim učinkom
Ker se polarizacija pojavi le med elastično deformacijo, je pomembna značilnost piezomateriala njegova sposobnost spreminjanja oblike pod vplivom zunanjih sil. Vrednost te sposobnosti je določena z elastično skladnostjo (ali elastično togostjo).
Kristali s piezoelektričnim učinkom so zelo elastični – ko se sila (ali zunanji stres) odstrani, se vrnejo v prvotno obliko.
Piezokristali imajo tudi svojo mehansko resonančno frekvenco. Če naredite, da kristal vibrira na tej frekvenci, bo amplituda še posebej velika.
Ker se piezoelektrični učinek ne kaže le v celih kristalih, temveč tudi v njihovih ploščah, razrezanih pod določenimi pogoji, je mogoče dobiti koščke piezoelektričnih snovi z resonanco pri različnih frekvencah, odvisno od geometrijskih dimenzij in smeri reza.
Prav tako je za vibracijske lastnosti piezoelektričnih materialov značilen mehanski faktor kakovosti. Kaže, kolikokrat se poveča amplituda nihanja pri resonančni frekvenci z enako uporabljeno silo.
Obstaja jasna odvisnost lastnosti piezoelektrika od temperature, kar je treba upoštevati pri uporabi kristalov. Za to odvisnost so značilni koeficienti:
- temperaturni koeficient resonančne frekvence kaže, koliko resonanca izgine, ko se kristal segreje / ohladi;
- koeficient temperaturnega raztezanja določa, koliko se s temperaturo spreminjajo linearne dimenzije piezoelektrične plošče.
Pri določeni temperaturi piezokristal izgubi svoje lastnosti. Ta meja se imenuje Curiejeva temperatura. Ta meja je za vsak material individualna. Na primer, za kremen je +573 °C.
Praktična uporaba piezoelektričnega učinka
Najbolj znana uporaba piezoelektričnih elementov je kot element za vžig. Piezoelektrični učinek se uporablja v žepnih vžigalnikih ali kuhinjskih vžigalnikih za plinske štedilnike. Ko se kristal pritisne, nastane potencialna razlika in v zračni reži se pojavi iskra.
To področje uporabe piezoelektričnih elementov ni izčrpano. Kristali s podobnim učinkom se lahko uporabljajo kot merilniki napetosti, vendar je to področje uporabe omejeno z lastnostjo piezoelektričnega učinka, da se pojavi le v dinamiki - če se spremembe ustavijo, se signal preneha ustvarjati.
Piezokristali se lahko uporabljajo kot mikrofoni – ko so izpostavljeni akustičnim valovom, nastanejo električni signali. Reverzni piezoelektrični učinek omogoča (včasih hkrati) tudi uporabo takšnih elementov kot oddajnikov zvoka. Ko se na kristal uporabi električni signal, bo piezoelektrični element začel ustvarjati akustične valove.
Takšni oddajniki se pogosto uporabljajo za ustvarjanje ultrazvočnih valov, zlasti v medicinski tehnologiji. Pri to lahko uporabimo tudi resonančne lastnosti plošče.Uporablja se lahko kot akustični filter, ki izbere samo valove naravne frekvence. Druga možnost je uporaba piezoelektričnega elementa v generatorju zvoka (sirena, detektor itd.) hkrati kot element za nastavitev frekvence in element za oddajanje zvoka. V tem primeru bo zvok vedno ustvarjen na resonančni frekvenci, največjo glasnost pa je mogoče doseči z majhno porabo energije.
Resonančne lastnosti se uporabljajo za stabilizacijo frekvenc generatorjev, ki delujejo v radiofrekvenčnem območju. Kremenčeve plošče igrajo vlogo zelo stabilnih in visokokakovostnih nihajnih krogov v frekvenčnih tokokrogih.
Še vedno obstajajo fantastični projekti za pretvorbo energije elastične deformacije v električno energijo v industrijskem obsegu. Deformacijo pločnika pod vplivom teže pešcev ali avtomobilov lahko uporabite na primer za osvetlitev odsekov tirov. Za zagotavljanje omrežja letala lahko uporabite deformacijsko energijo kril letala. Takšno uporabo omejuje nezadostna učinkovitost piezoelektričnih elementov, vendar so pilotne naprave že ustvarjene in obetajo nadaljnje izboljšave.
Podobni članki:
