Bagaimana elemen piezo bekerja dan apa efek piezo itu

Efek piezoelektrik ditemukan oleh ilmuwan Prancis, Curie bersaudara, pada akhir abad ke-19. Pada saat itu, terlalu dini untuk berbicara tentang aplikasi praktis dari fenomena yang ditemukan, tetapi hari ini elemen piezoelektrik banyak digunakan baik di bidang teknik maupun dalam kehidupan sehari-hari.

Inti dari efek piezo

Fisikawan terkenal menemukan bahwa ketika kristal tertentu (kristal batu, turmalin, dll.) berubah bentuk pada fasetnya, muatan listrik akan muncul. Perbedaan potensial tidak signifikan, tetapi perangkat yang ada saat itu memperbaikinya, dan dengan menghubungkan bagian-bagian dengan muatan yang berlawanan dengan bantuan konduktor dimungkinkan untuk menerima sebuah arus listrik.. Fenomena itu tercatat hanya dalam dinamika, pada saat kompresi atau peregangan. Deformasi statis tidak menyebabkan efek piezo.

Segera efek sebaliknya secara teoritis dibuktikan dan ditemukan dalam praktik - ketika tegangan diterapkan, kristal berubah bentuk. Ternyata kedua fenomena tersebut saling terkait - jika suatu zat menunjukkan efek piezo langsung, ia juga menunjukkan efek sebaliknya, dan sebaliknya.

Fenomena ini diamati pada zat dengan kisi kristal anisotropik (yang memiliki sifat fisik berbeda tergantung pada arahnya) dengan asimetri yang cukup, serta beberapa struktur polikristalin.

Dalam setiap benda padat, gaya eksternal yang diterapkan menyebabkan deformasi dan tekanan mekanis, dan pada zat yang memiliki efek piezo juga polarisasi muatan, dan polarisasi tergantung pada arah gaya yang diterapkan. Ketika arah pengaruh berubah, baik arah polarisasi maupun polaritas muatan berubah. Ketergantungan polarisasi pada tegangan mekanik adalah linier dan dijelaskan oleh ekspresi P=dt, di mana t adalah tegangan mekanik dan d adalah koefisien yang disebut modulus piezoelektrik (piezomodulus).

Fenomena serupa terjadi dengan efek piezo terbalik. Ketika arah medan listrik yang diterapkan berubah, arah deformasi berubah. Di sini ketergantungan juga linier: r=dE, di mana E adalah kuat medan listrik dan r adalah regangan. Koefisien d sama untuk efek piezo langsung dan terbalik di semua zat.

Nyatanya, persamaan-persamaan tersebut hanyalah perkiraan. Ketergantungan yang sebenarnya jauh lebih rumit dan juga ditentukan oleh arah gaya relatif terhadap sumbu kristal.

Zat dengan efek piezo

Efek piezo pertama kali ditemukan pada kristal batuan kristal (kuarsa). Sampai hari ini bahan ini sangat umum dalam pembuatan elemen piezoelektrik, tetapi tidak hanya bahan alami yang digunakan dalam produksi.

Banyak elemen piezoelektrik didasarkan pada bahan dengan rumus ABO₃formula, seperti BaTiO₃, PbTiO₃. Bahan-bahan ini memiliki struktur polikristalin (terdiri dari banyak kristal), dan untuk memberi mereka kemampuan untuk menunjukkan efek piezo, mereka harus mengalami polarisasi melalui medan listrik eksternal.

Ada teknologi yang memungkinkan untuk memperoleh piezoelektrik film (polivinilidena fluorida, dll.). Untuk memberi mereka sifat yang diperlukan, mereka juga harus terpolarisasi dalam medan listrik untuk waktu yang lama. Keuntungan dari bahan tersebut adalah ketebalannya yang sangat kecil.

Sifat dan karakteristik zat dengan efek piezo

Karena polarisasi hanya terjadi selama deformasi elastis, karakteristik penting dari bahan piezo adalah kemampuannya untuk berubah bentuk di bawah aksi gaya eksternal. Nilai kemampuan ini ditentukan oleh kepatuhan elastis (atau kekakuan elastis).

Kristal dengan efek piezo memiliki elastisitas tinggi - ketika gaya (atau tekanan eksternal) dihilangkan, mereka kembali ke bentuk aslinya.

Kristal piezo juga memiliki frekuensi resonansi mekanik intrinsik. Jika kristal dipaksa untuk berosilasi pada frekuensi ini, amplitudo akan sangat besar.

 

Karena tidak hanya seluruh kristal yang menunjukkan efek piezo tetapi juga pelat-pelatnya yang dipotong dalam kondisi tertentu, dimungkinkan untuk memperoleh potongan-potongan bahan piezoelektrik dengan resonansi pada frekuensi yang berbeda - tergantung pada dimensi geometris dan arah pemotongan.

Faktor kualitas mekanik juga mencirikan sifat vibrasi bahan piezoelektrik. Ini menunjukkan berapa kali amplitudo getaran meningkat pada frekuensi resonansi untuk gaya yang diterapkan sama.

Ada ketergantungan yang jelas dari sifat piezoelektrik pada suhu, yang harus diperhitungkan saat menggunakan kristal. Ketergantungan ini ditandai dengan koefisien:

• koefisien suhu frekuensi resonansi menunjukkan seberapa besar resonansi hilang ketika kristal dipanaskan/didinginkan;
• koefisien ekspansi suhu menentukan seberapa besar dimensi linier wafer piezo berubah dengan suhu.

Pada suhu tertentu, piezocrystal kehilangan sifat-sifatnya.Batas ini disebut suhu Curie. Batas ini bersifat individual untuk setiap materi. Misalnya, untuk kuarsa adalah +573 °C.

Penggunaan Praktis Efek Piezo

Penggunaan sel piezo yang paling terkenal adalah sebagai elemen pengapian. Efek piezo digunakan dalam pemantik api saku atau pemantik dapur untuk kompor gas. Ketika kristal ditekan, perbedaan potensial dibuat dan percikan muncul di celah udara.

Ini bukan akhir dari bidang penerapan elemen piezoelektrik. Kristal dengan efek yang sama dapat digunakan sebagai sensor regangan, tetapi bidang aplikasi ini dibatasi oleh properti efek piezo untuk muncul hanya dalam dinamika - jika perubahan telah berhenti, sinyal berhenti dihasilkan.

Kristal piezo dapat digunakan sebagai mikrofon - ketika terkena gelombang akustik, sinyal listrik dihasilkan. Efek piezo terbalik juga memungkinkan (kadang-kadang secara bersamaan) elemen tersebut untuk digunakan sebagai pemancar suara. Ketika sinyal listrik diterapkan pada kristal, elemen piezo akan mulai menghasilkan gelombang akustik.

Pemancar seperti itu banyak digunakan untuk membuat gelombang ultrasonik, khususnya dalam teknologi medis. Pada pada sifat resonansi pelat juga dapat digunakan. Ini dapat digunakan sebagai filter akustik yang memancarkan gelombang dengan frekuensinya sendiri saja. Pilihan lain adalah menggunakan generator suara (sirene, detektor, dll.) elemen piezo secara bersamaan sebagai transduser frekuensi dan pemancar suara. Dalam hal ini suara akan selalu dihasilkan pada frekuensi resonansi, dan volume maksimum dapat diperoleh dengan sedikit konsumsi energi.

Sifat resonansi digunakan untuk menstabilkan frekuensi osilator yang beroperasi dalam rentang frekuensi radio. Pelat kuarsa bertindak sebagai sirkuit berosilasi yang sangat stabil dan berkualitas tinggi di sirkuit penahan frekuensi.

Sejauh ini, ada proyek fantastis untuk mengubah energi deformasi elastis menjadi energi listrik dalam skala industri.Anda dapat menggunakan deformasi trotoar oleh gravitasi pejalan kaki atau mobil, misalnya, untuk bagian jalan raya yang ringan. Dimungkinkan untuk menggunakan energi deformasi sayap pesawat untuk menyediakan daya onboard. Penggunaan tersebut dibatasi oleh efisiensi sel piezo yang tidak mencukupi, tetapi instalasi percontohan telah dibuat, dan mereka telah menunjukkan harapan untuk perbaikan lebih lanjut.

Artikel terkait: