Den piezoelektriske effekt blev opdaget i slutningen af det 19. århundrede af de franske Curie-brødre. Dengang var det stadig for tidligt at tale om den praktiske anvendelse af det opdagede fænomen, men i dag anvendes piezoelektriske elementer i vid udstrækning både inden for teknologi og i hverdagen.
Indhold
Essensen af piezoeffekten
Kendte fysikere har opdaget, at når visse krystaller (bjergkrystal, turmalin osv.) deformeres på deres facetter, opstår der elektriske ladninger. Potentialeforskellen var ikke desto mindre lille, men den kunne klart påvises med de dengang tilgængelige apparater, og ved at forbinde områderne med modsatpolede ladninger ved hjælp af ledere kunne man få elektrisk strøm. Fænomenet blev kun registreret i dynamikken, i det øjeblik, hvor kontraktion eller strækning fandt sted. Statisk deformation gav ikke piezoeffekt.
Den modsatte effekt blev snart teoretisk begrundet og opdaget i praksis - krystallen deformeres, når der påføres en spænding. Det viste sig, at de to fænomener er indbyrdes forbundne - hvis et stof udviser en direkte piezoeffekt, udviser det også en omvendt effekt og omvendt.
Fænomenet observeres i stoffer med et anisotropisk krystalgitter (som har forskellige fysiske egenskaber afhængigt af retningen) med tilstrækkelig asymmetri samt i visse polykrystallinske strukturer.
I ethvert fast stof producerer de påførte eksterne kræfter deformation og mekaniske spændinger og i stoffer med piezoeffekt ladningernes polarisering, hvorved polariseringen afhænger af den påførte krafts retning. Når virkningsretningen vendes, ændres både polariseringsretningen og polariteten af ladningerne. Polarisationens afhængighed af den mekaniske spænding er lineær og beskrives ved udtrykket P=dt, hvor t er den mekaniske spænding og d er en koefficient kaldet det piezoelektriske modul (piezomodulus).
Et lignende fænomen opstår med den omvendte piezoeffekt. Når retningen af det påførte elektriske felt ændres, ændres deformationsretningen. Her er afhængigheden også lineær: r=dE, hvor E er den elektriske feltstyrke, og r er belastningen. Koefficienten d er den samme for den fremadrettede og den omvendte piezoeffekt i alle stoffer.
Disse ligninger er i virkeligheden kun skøn. De faktiske korrelationer er meget mere komplicerede og bestemmes af kræfternes retning i forhold til krystalakserne.
Stoffer med piezoeffekt
Piezoeffekten blev først opdaget i krystaller af bjergkrystal (kvarts). I dag er dette materiale meget almindeligt i fremstillingen af piezoelektriske elementer, men det er ikke kun naturmaterialer, der anvendes i produktionen.
Mange piezoelektriske elementer er baseret på materialer med formlen ABO3formel, såsom BaTiO3, PbTiO3. Disse materialer har en polykrystallinsk (bestående af mange krystaller) struktur og skal polariseres ved hjælp af et eksternt elektrisk felt for at kunne udvise piezoeffekt.
Der findes teknologier til fremstilling af piezoelektriske film (polyvinylidenfluorid osv.). For at give dem de nødvendige egenskaber skal de også polariseres i et elektrisk felt i lang tid for at få de nødvendige egenskaber. Fordelen ved sådanne materialer er deres meget lave tykkelse.
Egenskaber og karakteristika for materialer med piezoeffekt
Da polariseringen kun finder sted under den elastiske deformation, er et vigtigt kendetegn ved piezomaterialer deres evne til at ændre form under påvirkning af ydre kræfter. Værdien af denne evne bestemmes af den elastiske eftergivelighed (eller elastiske stivhed).
Krystaller med piezoeffekt er meget elastiske - de vender tilbage til deres oprindelige form, når kraften (eller den ydre belastning) fjernes.
Piezokrystaller har også en iboende mekanisk resonansfrekvens. Hvis krystallen tvinges til at vibrere ved denne frekvens, er amplituden særlig stor.
Da det ikke kun er hele krystaller, der udviser den piezoelektriske effekt, men også krystaller, der er skåret under bestemte betingelser, er det muligt at fremstille piezoelektriske stykker med resonans ved forskellige frekvenser - afhængigt af de geometriske dimensioner og snitretningen.
De piezoelektriske materialers vibrationsegenskaber karakteriseres også af deres mekaniske kvalitetsfaktor. Dette angiver, hvor mange gange vibrationsamplituden øges ved resonansfrekvensen ved samme påførte kraft.
De piezoelektriske egenskaber er klart afhængige af temperaturen, hvilket der skal tages hensyn til, når man anvender krystaller. Denne afhængighed er karakteriseret ved hjælp af koefficienter:
- temperaturkoefficienten for resonansfrekvensen angiver, hvor meget resonansen forsvinder, når krystallen opvarmes/afkøles;
- Temperaturudvidelseskoefficienten angiver, hvor meget piezopladens lineære dimensioner ændrer sig med temperaturen.
Ved en vis temperatur mister piezokrystallen sine egenskaber. Denne grænse kaldes Curie-temperaturen. Denne grænse er individuel for hvert materiale. For kvarts er det f.eks. +573 °C.
Praktisk anvendelse af piezoeffekten
Den mest kendte anvendelse af piezoceller er som tændingselement. Piezoeffekten anvendes i lommetændere eller i tændingsanordninger til gaskomfurer i køkkenet. Når der trykkes på krystallet, opstår der en potentialforskel, og der opstår en gnist i luftspalten.
Dette udtømmer dog ikke anvendelsesområdet for piezoelektriske celler. Krystaller med samme effekt kan anvendes som belastningsmålere, men denne anvendelse er begrænset af piezoeffektens egenskab til at være dynamisk - hvis ændringen er stoppet, genereres signalet ikke længere.
Piezokrystaller kan bruges som mikrofon - der genereres elektriske signaler, når der påføres akustiske bølger. Den omvendte piezoeffekt gør det også muligt at anvende sådanne elementer (undertiden samtidig) som lydsendere. Når krystallen påføres et elektrisk signal, begynder piezoelementet at generere akustiske bølger.
Sådanne emittere anvendes i vid udstrækning til at generere ultralydsbølger, især inden for medicinsk teknologi. På på pladens resonansegenskaber kan også udnyttes. Den kan bruges som et akustisk filter, der kun udsender bølger med sin egen frekvens. En anden mulighed er at anvende et piezoelement i en lydgenerator (sirene, detektor osv.) som både et frekvensfastholdende og et lydudstrålende element. I dette tilfælde vil lyden altid blive frembragt ved resonansfrekvensen, og der kan opnås maksimal lydstyrke med et lille energitilskud.
Resonansegenskaber anvendes til at stabilisere frekvenserne i oscillatorer, der arbejder i radiofrekvensområdet. Kvartspladerne fungerer som meget stabile svingningskredse af høj kvalitet i frekvensbevarende kredsløb.
Indtil videre er der fantastiske projekter til at omdanne energien fra elastisk deformation til elektrisk energi i industriel skala. Du kan f.eks. bruge deformationen af fortove på grund af fodgængeres eller bilers vægt til at belyse motorvejsstrækninger. Deformationsenergien fra flyvinger kan bruges til at drive et flys netværk om bord. En sådan anvendelse er begrænset af piezocellers utilstrækkelige effektivitet, men der er allerede bygget prototypeanlæg, som har vist sig at være lovende for yderligere forbedringer.
Relaterede artikler:
