Ranskalaiset Curien veljekset löysivät pietsosähköisen ilmiön 1800-luvun lopulla. Tuolloin oli vielä liian aikaista puhua löydetyn ilmiön käytännön sovelluksista, mutta nykyään pietsosähköisiä elementtejä käytetään laajalti sekä teknologiassa että jokapäiväisessä elämässä.
Sisältö
Piezo-vaikutuksen ydin
Tunnetut fyysikot havaitsivat, että kun tietyt kiteet (vuorikristalli, turmaliini jne.) deformoituvat pinnoiltaan, syntyy sähkövarauksia. Potentiaaliero oli kuitenkin pieni, mutta se oli selvästi havaittavissa silloisilla laitteilla, ja yhdistämällä vastakkaisia napavaroja sisältävät alueet johtimilla voitiin saada seuraavat tiedot sähkövirta. Ilmiö kirjattiin vain dynamiikassa, supistumisen tai venytyksen hetkellä. Staattinen muodonmuutos ei tuottanut pietsovaikutusta.
Vastakkainen vaikutus perusteltiin pian teoreettisesti ja havaittiin käytännössä - kide deformoitui, kun siihen kytkettiin jännite. Kävi ilmi, että nämä kaksi ilmiötä liittyvät toisiinsa - jos aineella on suora pietsovaikutus, sillä on myös käänteinen vaikutus ja päinvastoin.
Ilmiö havaitaan aineissa, joilla on anisotrooppinen kiderakenne (joilla on erilaiset fysikaaliset ominaisuudet suunnasta riippuen) ja joissa on riittävästi epäsymmetriaa, sekä joissakin monikiderakenteissa.
Missä tahansa kiinteässä aineessa käytetyt ulkoiset voimat aiheuttavat muodonmuutoksia ja mekaanisia jännityksiä, ja aineissa, joissa on pietsovaikutus, varausten polarisaatio, jolloin polarisaatio riippuu käytetyn voiman suunnasta. Kun vaikutussuunta käännetään, sekä polarisaation suunta että varausten napaisuus muuttuvat. Polarisaation riippuvuus mekaanisesta jännityksestä on lineaarinen, ja sitä kuvaa lauseke P=dt, jossa t on mekaaninen jännitys ja d on pietsomoduuli (pietsomoduuli).
Vastaava ilmiö esiintyy käänteisessä pietsoefektissä. Kun sovelletun sähkökentän suunta muuttuu, muodonmuutoksen suunta muuttuu. Myös tässä tapauksessa riippuvuus on lineaarinen: r=dE, jossa E on sähkökentän voimakkuus ja r on venymä. Kerroin d on sama kaikissa aineissa sekä eteenpäin suuntautuvassa että käänteisessä pietsovaikutuksessa.
Nämä yhtälöt ovat itse asiassa vain arvioita. Todelliset korrelaatiot ovat paljon monimutkaisempia, ja ne määräytyvät voimien suunnan mukaan suhteessa kideakseleihin.
Aineet, joilla on pietsovaikutus
Piezo-ilmiö havaittiin ensimmäisen kerran vuorikristalleissa (kvartsi). Nykyään tämä materiaali on hyvin yleistä pietsosähköisten elementtien valmistuksessa, mutta tuotannossa ei käytetä ainoastaan luonnonmateriaaleja.
Monet pietsosähköiset elementit perustuvat materiaaleihin, joiden kaava on ABO3kaava, kuten BaTiO3, PbTiO3. Näillä materiaaleilla on monikiteinen (useista kiteistä koostuva) rakenne, ja ne on polarisoitava ulkoisella sähkökentällä, jotta ne kykenisivät osoittamaan pietsoefektiä.
Käytettävissä on tekniikoita pietsosähköisten kalvojen valmistamiseksi (polyvinyylideenifluoridi jne.). Jotta ne saisivat tarvittavat ominaisuudet, ne on myös polarisoitava sähkökentässä pitkään. Tällaisten materiaalien etuna on niiden hyvin pieni paksuus.
Pietsoefektin omaavien materiaalien ominaisuudet ja ominaispiirteet
Koska polarisaatio tapahtuu vain elastisen muodonmuutoksen aikana, pietsomateriaalien tärkeä ominaisuus on niiden kyky muuttaa muotoaan ulkoisten voimien vaikutuksesta. Tämän kyvyn arvo määräytyy kimmoisan joustavuuden (tai kimmoisan jäykkyyden) mukaan.
Kiteet, joilla on pietsoefekti, ovat erittäin elastisia - ne palaavat alkuperäiseen muotoonsa, kun voima (tai ulkoinen jännitys) poistetaan.
Piezokiteillä on myös mekaaninen resonanssitaajuus. Jos kide pakotetaan värähtelemään tällä taajuudella, amplitudi on erityisen suuri.
Koska pietsosähköinen vaikutus ei ilmene ainoastaan kokonaisissa kiteissä vaan myös tietyissä olosuhteissa leikatuissa kiteissä, on mahdollista valmistaa pietsosähköisiä kappaleita, jotka resonoivat eri taajuuksilla - geometristen mittojen ja leikkaussuunnan mukaan.
Pietsosähköisten materiaalien värähtelyominaisuuksia luonnehtii myös niiden mekaaninen laatukerroin. Tämä osoittaa, kuinka moninkertaiseksi värähtelyn amplitudi kasvaa resonanssitaajuudella, kun siihen kohdistetaan sama voima.
Pietsosähköiset ominaisuudet riippuvat selvästi lämpötilasta, mikä on otettava huomioon kiteiden käytössä. Tätä riippuvuutta kuvaavat kertoimet:
- resonanssitaajuuden lämpötilakerroin kertoo, kuinka paljon resonanssi häviää, kun kiteessä on lämmitetty/jäähdytetty;
- Lämpötilan laajenemiskerroin osoittaa, kuinka paljon pietsolevyn lineaariset mitat muuttuvat lämpötilan myötä.
Tietyssä lämpötilassa pietsokide menettää ominaisuutensa. Tätä rajaa kutsutaan Curien lämpötilaksi. Tämä raja-arvo on yksilöllinen jokaiselle materiaalille. Esimerkiksi kvartsille se on +573 °C.
Pietsoefektin käytännön soveltaminen
Tunnetuin pietsokennojen käyttökohde on sytytyselementti. Piezo-ilmiötä käytetään taskusytyttimissä tai keittiön kaasulieden sytyttimissä. Kun kristallia painetaan, syntyy potentiaaliero ja ilmavälissä syntyy kipinä.
Tämä ei kuitenkaan rajoita pietsosähköisten kennojen käyttöaluetta. Kiteitä, joilla on sama vaikutus, voidaan käyttää venymäantureina, mutta tätä sovellusta rajoittaa pietsoefektin ominaisuus olla dynaaminen - jos muutos on pysähtynyt, signaalia ei enää synny.
Piezokiteitä voidaan käyttää mikrofonina - sähköisiä signaaleja syntyy, kun niihin kohdistetaan akustisia aaltoja. Käänteisen pietsoefektin ansiosta tällaisia elementtejä voidaan käyttää (joskus samanaikaisesti) myös äänenlähteinä. Kun kiteeseen syötetään sähkösignaali, pietsoelementti alkaa tuottaa akustisia aaltoja.
Tällaisia lähettimiä käytetään laajalti ultraääniaaltojen tuottamiseen erityisesti lääketieteellisessä tekniikassa. Osoitteessa osoitteessa levyn resonanssiominaisuuksia voidaan myös hyödyntää. Sitä voidaan käyttää akustisena suodattimena, joka lähettää vain oman taajuutensa aaltoja. Toinen vaihtoehto on käyttää pietsoelementtiä äänigeneraattorissa (sireenissä, ilmaisimessa jne.) sekä taajuutta pidättävänä että ääntä lähettävänä elementtinä. Tällöin ääni syntyy aina resonanssitaajuudella, ja suurin äänenvoimakkuus voidaan saavuttaa pienellä energiankulutuksella.
Resonanssiominaisuuksia käytetään radiotaajuusalueella toimivien oskillaattoreiden taajuuksien vakauttamiseen. Kvartsilevyt toimivat erittäin vakaina ja korkealaatuisina värähtelypiireinä taajuutta ylläpitävissä piireissä.
Toistaiseksi on olemassa fantastisia hankkeita, joissa kimmoisan muodonmuutoksen energia muunnetaan sähköenergiaksi teollisessa mittakaavassa. Voit käyttää esimerkiksi jalankulkijoiden tai autojen painon aiheuttamaa jalkakäytävien muodonmuutosta valtatien osuuksien valaisemiseen. Lentokoneen siipien muodonmuutosenergiaa voitaisiin käyttää lentokoneen sisäisen verkon käyttövoimana. Tällaista käyttöä rajoittaa pietsokennojen riittämätön hyötysuhde, mutta prototyyppilaitteistoja on jo rakennettu, ja ne ovat osoittaneet lupaavansa lisäparannusta.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
