Jak piezoelektrický prvek funguje a co je to piezoelektrický efekt

Piezoelektrický jev objevili na konci 19. století francouzští bratři Curieové. V té době bylo ještě příliš brzy na to, aby se dalo hovořit o praktickém využití objeveného jevu, ale dnes se piezoelektrické prvky hojně využívají jak v technice, tak v běžném životě.

Podstata piezoefektu

Známí fyzikové zjistili, že při deformaci některých krystalů (horský křišťál, turmalín atd.) vznikají na jejich fasetách elektrické náboje. Rozdíl potenciálů byl přesto malý, ale byl jasně zjistitelný tehdy dostupnými přístroji a propojením oblastí s opačnými polárními náboji pomocí vodičů bylo možné získat elektrický proud. Tento jev byl zaznamenán pouze v dynamice, v okamžiku kontrakce nebo natažení. Statická deformace nevyvolala piezoelektrický efekt.

Brzy byl teoreticky popsán a v praxi objeven opačný efekt - po přivedení napětí se krystal deformoval. Ukázalo se, že oba jevy spolu souvisejí - pokud látka vykazuje přímý piezoelektrický účinek, vykazuje také inverzní účinek a naopak.

Tento jev je pozorován u látek s anizotropní krystalovou mřížkou (které mají různé fyzikální vlastnosti v závislosti na směru) s dostatečnou asymetrií a také u některých polykrystalických struktur.

V každém pevném tělese působí vnější síly, které vyvolávají deformaci a mechanické napětí, a v látkách s piezoefektem polarizaci nábojů, přičemž polarizace závisí na směru působící síly. Při změně směru působení se změní jak směr polarizace, tak polarita nábojů. Závislost polarizace na mechanickém napětí je lineární a je popsána výrazem P=dt, kde t je mechanické napětí a d je koeficient nazývaný piezoelektrický modul (piezomodulus).

Podobný jev nastává u inverzního piezoefektu. Při změně směru přiloženého elektrického pole se mění i směr deformace. I zde je závislost lineární: r=dE, kde E je intenzita elektrického pole a r je deformace. Koeficient d je u všech látek stejný pro přímý i zpětný piezoefekt.

Tyto rovnice jsou ve skutečnosti pouze odhady. Skutečné korelace jsou mnohem složitější a jsou určeny směrem sil vzhledem ke krystalovým osám.

Látky s piezoefektem

Piezoelektrický jev byl poprvé objeven u krystalů horského křišťálu (křemene). Dnes je tento materiál velmi rozšířený při výrobě piezoelektrických prvků, ale při výrobě se nepoužívají pouze přírodní materiály.

Mnoho piezoelektrických prvků je založeno na materiálech se vzorcem ABO₃vzorec, jako je BaTiO₃, PbTiO₃. Tyto materiály mají polykrystalickou strukturu (skládají se z mnoha krystalů) a musí být polarizovány pomocí vnějšího elektrického pole, aby mohly vykazovat piezoelektrický efekt.

K dispozici jsou technologie pro výrobu fóliových piezoelektrik (polyvinylidenfluorid atd.). Aby získaly potřebné vlastnosti, musí být také dlouhodobě polarizovány v elektrickém poli. Výhodou těchto materiálů je jejich velmi malá tloušťka.

Vlastnosti a charakteristiky materiálů s piezoefektem

Vzhledem k tomu, že k polarizaci dochází pouze při pružné deformaci, je důležitou vlastností piezomateriálů jejich schopnost měnit tvar působením vnějších sil. Hodnota této schopnosti je dána pružnou poddajností (nebo pružnou tuhostí).

Krystaly s piezoefektem jsou vysoce elastické - po odstranění síly (nebo vnějšího napětí) se vrátí do původního tvaru.

Piezokrystaly mají také vlastní mechanickou rezonanční frekvenci. Pokud je krystal nucen kmitat na této frekvenci, je amplituda obzvláště velká.

 

Vzhledem k tomu, že piezoelektrický efekt nevykazují pouze celé krystaly, ale také krystaly, které jsou za určitých podmínek řezány, je možné vyrábět piezoelektrické kusy s rezonancí na různých frekvencích - v závislosti na geometrických rozměrech a směru řezu.

Vibrační vlastnosti piezoelektrických materiálů jsou charakterizovány také jejich mechanickým faktorem kvality. Udává, o kolikrát se zvýší amplituda kmitání na rezonanční frekvenci při působení stejné síly.

Existuje jasná závislost piezoelektrických vlastností na teplotě, kterou je třeba při použití krystalů zohlednit. Tato závislost je charakterizována koeficienty:

• teplotní koeficient rezonanční frekvence udává, jak moc rezonance zmizí, když se krystal zahřeje/ochladí;
• Teplotní koeficient roztažnosti udává, jak moc se mění lineární rozměry piezoelektrické desky s teplotou.

Při určité teplotě ztrácí piezokrystal své vlastnosti. Tato hranice se nazývá Curieova teplota. Tento limit je individuální pro každý materiál. Například pro křemen je to +573 °C.

Praktické využití piezoefektu

Nejznámějším použitím piezoelektrických článků je použití jako zapalovacího prvku. Piezoelektrický efekt se používá v kapesních zapalovačích nebo v kuchyňských zapalovačích plynových sporáků. Po stisknutí krystalu se vytvoří rozdíl potenciálů a ve vzduchové mezeře se objeví jiskra.

Tímto se rozsah použití piezoelektrických článků nevyčerpává. Krystaly se stejným účinkem lze použít jako tenzometry, ale tato aplikace je omezena vlastností piezoefektu být dynamický - pokud se změna zastaví, signál již není generován.

Piezokrystaly lze použít jako mikrofon - při působení akustických vln se generují elektrické signály. Inverzní piezoelektrický efekt umožňuje (někdy současně) použít tyto prvky také jako vysílače zvuku. Po přivedení elektrického signálu na krystal začne piezoelektrický prvek generovat akustické vlny.

Tyto zářiče se hojně využívají ke generování ultrazvukových vln, zejména v lékařské technice. Na adrese na adrese lze také využít rezonanční vlastnosti desky. Lze jej použít jako akustický filtr, který vysílá vlny pouze o své vlastní frekvenci. Další možností je použití piezoelektrického prvku v generátoru zvuku (siréně, detektoru atd.) jako prvku, který udržuje frekvenci a zároveň vydává zvuk. V tomto případě bude zvuk vždy generován na rezonanční frekvenci a maximální hlasitosti lze dosáhnout s malým příkonem energie.

Rezonanční vlastnosti se využívají ke stabilizaci frekvencí oscilátorů pracujících v oblasti rádiových frekvencí. Křemenné desky fungují jako vysoce stabilní a kvalitní oscilační obvody v obvodech udržujících frekvenci.

Zatím existují fantastické projekty, které přeměňují energii pružné deformace na elektrickou energii v průmyslovém měřítku. Deformaci chodníků v důsledku váhy chodců nebo automobilů můžete využít například k odlehčení úseků dálnic. Deformační energie křídel letadla by mohla být využita k napájení palubní sítě letadla. Takové použití je omezeno nedostatečnou účinností piezoelektrických článků, ale prototypová zařízení již byla postavena a slibují další zlepšení.

Související články: