Piesoelektrilise efekti avastasid prantsuse teadlased, vennad Curie'd, 19. sajandi lõpus. Sel ajal oli avastatud nähtuse praktilisest rakendamisest veel vara rääkida, kuid tänapäeval kasutatakse piesoelektrilisi elemente laialdaselt nii inseneriteaduses kui ka igapäevaelus.
Sisu
Piesoefekti olemus
Tuntud füüsikud avastasid, et kui teatud kristallid (mäekristall, turmaliin jne) nende tahkudel deformeeruvad, tekivad elektrilaengud. Potentsiaalide erinevus oli tühine, kuid tollal olemasolevad seadmed fikseerisid selle ning vastaslaengutega osade ühendamisel juhtide abil oli võimalik vastu võtta elektrivool.. Nähtus registreeriti ainult dünaamikas, kokkusurumise või venitamise hetkel. Staatiline deformatsioon piesoefekti ei põhjustanud.
Peagi sai teoreetiliselt põhjendatud ja praktikas avastatud vastupidine efekt – pinge rakendamisel kristall deformeerus. Selgus, et need kaks nähtust on omavahel seotud – kui aine avaldab otsest piesoefekti, avaldab see ka pöördefekti ja vastupidi.
Nähtust täheldatakse piisava asümmeetriaga anisotroopse kristallvõrega ainetes (millel on sõltuvalt suunast erinevad füüsikalised omadused), aga ka mõningate polükristalliliste struktuuridega.
Igas tahkes kehas põhjustavad rakendatavad välisjõud deformatsiooni ja mehaanilisi pingeid, piesoefekti omavates ainetes ka laengute polariseerumist ning polarisatsioon sõltub rakendatava jõu suunast. Kui mõju suund muutub, muutub nii polarisatsiooni suund kui ka laengute polaarsus. Polarisatsiooni sõltuvus mehaanilisest pingest on lineaarne ja seda kirjeldab avaldis P=dt, kus t on mehaaniline pinge ja d on koefitsient, mida nimetatakse piesoelektriliseks mooduliks (piesomoodul).
Sarnane nähtus esineb ka pöördpiesoefekti puhul. Rakendatava elektrivälja suuna muutumisel muutub ka deformatsiooni suund. Siin on ka sõltuvus lineaarne: r=dE, kus E on elektrivälja tugevus ja r deformatsioon. Koefitsient d on kõigi ainete otsese ja vastupidise piesoefekti puhul sama.
Tegelikult on need võrrandid ainult hinnangulised. Tegelikud sõltuvused on palju keerulisemad ja selle määrab ka jõudude suund kristallide telgede suhtes.
Piesoefektiga ained
Piesoefekti leiti esmakordselt mäekristalli (kvarts) kristallides. Tänaseni on see materjal piesoelektriliste elementide valmistamisel väga levinud, kuid tootmises ei kasutata ainult looduslikke materjale.
Paljud piesoelektrilised elemendid põhinevad materjalidel valemiga ABO3valem, näiteks BaTiO3, PbTiO3. Nendel materjalidel on polükristalliline (koosnevad paljudest kristallidest) struktuur ja selleks, et anda neile võime avaldada piesoefekti, tuleb neid polariseerida välise elektrivälja abil.
On olemas tehnoloogiad, mis võimaldavad saada kile piesoelektrikuid (polüvinülideenfluoriid jne). Neile vajalike omaduste andmiseks peavad nad olema ka pikka aega elektriväljas polariseeritud. Selliste materjalide eeliseks on nende väga väike paksus.
Piesoefektiga ainete omadused ja omadused
Kuna polariseerumine toimub ainult elastse deformatsiooni ajal, on piesomaterjali oluliseks omaduseks selle võime muuta kuju välisjõudude mõjul. Selle võime väärtuse määrab elastne vastavus (või elastne jäikus).
Piesoefektiga kristallid on suure elastsusega – kui jõud (või välispinge) eemaldatakse, naasevad nad oma esialgsele kujule.
Piesokristallidel on ka sisemine mehaaniline resonantssagedus. Kui kristall on sunnitud sellel sagedusel võnkuma, on amplituud eriti suur.
Kuna piesoefekti ei avalda mitte ainult terved kristallid, vaid ka nendest teatud tingimustel lõigatud plaadid, siis on võimalik saada erinevatel sagedustel resonantsiga piesoelektrilise materjali tükke – olenevalt geomeetrilistest mõõtmetest ja lõike suunast.
Mehaaniline kvaliteeditegur iseloomustab ka piesoelektriliste materjalide vibratsiooniomadusi. See näitab, mitu korda suureneb vibratsiooni amplituud resonantssagedusel võrdse rakendatud jõu korral.
Piesoelektrilistel omadustel on selge sõltuvus temperatuurist, mida tuleb kristallide kasutamisel arvestada. Seda sõltuvust iseloomustavad koefitsiendid:
- resonantssageduse temperatuuritegur näitab, kui palju resonants kaob kristalli kuumutamisel/jahutamisel;
- temperatuuri paisumiskoefitsient määrab, kui palju muutuvad piesoplaadi lineaarsed mõõtmed temperatuuriga.
Teatud temperatuuril kaotab piesokristall oma omadused.Seda piiri nimetatakse Curie temperatuuriks. See piirang on iga materjali puhul individuaalne. Näiteks kvartsil on see +573 °C.
Piesoefekti praktiline kasutamine
Piesoelementide tuntuim kasutusala on süüteelement. Piesoefekti kasutatakse taskusüütajates või gaasipliitide köögisüütel. Kui kristalli vajutada, tekib potentsiaalide erinevus ja õhuvahesse tekib säde.
See ei ole piesoelektriliste elementide kasutusvaldkonna lõpp. Sarnase toimega kristalle saab kasutada deformatsioonianduritena, kuid seda rakendusvaldkonda piirab piesoefekti omadus ilmneda ainult dünaamikas – kui muutused on peatunud, siis signaali genereerimine lakkab.
Pieso kristalle saab kasutada mikrofonina – akustiliste lainete mõjul genereeritakse elektrilisi signaale. Pöördpiesoefekt võimaldab (mõnikord samaaegselt) ka selliseid elemente kasutada heli tekitajatena. Kui kristallile rakendatakse elektrilist signaali, hakkab piesoelement tekitama akustilisi laineid.
Selliseid emittereid kasutatakse laialdaselt ultrahelilainete loomiseks, eriti meditsiinitehnoloogias. Kell juures Samuti saab kasutada plaadi resonantsomadusi. Seda saab kasutada akustilise filtrina, mis kiirgab ainult oma sagedusega laineid. Teine võimalus on kasutada heligeneraatoris (sireen, detektor jne) piesoelementi samaaegselt nii sagedusmuundurina kui ka heli tekitajana. Sel juhul tekib heli alati resonantssagedusel ja maksimaalse helitugevuse saab saavutada vähese energiakuluga.
Resonantsomadusi kasutatakse raadiosagedusalas töötavate ostsillaatorite sageduste stabiliseerimiseks. Kvartsplaadid toimivad sagedust säilitavates ahelates väga stabiilsete ja kvaliteetsete võnkeahelatena.
Seni on tehtud fantastilisi projekte elastse deformatsiooni energia muundamiseks elektrienergiaks tööstuslikus mastaabis.Jalakäijate või autode raskusjõu mõjul tekkivat katte deformatsiooni saate kasutada näiteks maanteede lõikude valgustamiseks. Lennuki tiibade deformatsioonienergiat on võimalik kasutada pardavõimsuse tagamiseks. Sellist kasutamist piirab piesoelementide ebapiisav tõhusus, kuid pilootpaigaldised on juba loodud ja need on näidanud lubadust edasiseks täiustamiseks.
Seotud artiklid:
