Het piëzo-elektrisch effect werd aan het eind van de 19e eeuw ontdekt door de Franse gebroeders Curie. In die tijd was het nog te vroeg om over de praktische toepassing van het ontdekte verschijnsel te spreken, maar vandaag de dag worden piëzo-elektrische elementen op grote schaal gebruikt, zowel in de technologie als in het dagelijks leven.
Inhoud
Essentie van piëzo-effect
Bekende natuurkundigen ontdekten dat wanneer bepaalde kristallen (bergkristal, toermalijn, enz.) op hun facetten worden vervormd, er elektrische ladingen ontstaan. Het potentiaalverschil was weliswaar klein, maar met de toen beschikbare apparatuur duidelijk waarneembaar en door de gebieden met tegengestelde polaire ladingen door middel van geleiders met elkaar te verbinden kon men elektrische stroom. Het verschijnsel werd alleen in dynamiek geregistreerd, op het moment van samentrekken of strekken. Statische vervorming veroorzaakte het piëzo-effect niet.
Het tegenovergestelde effect werd al spoedig theoretisch verantwoord en in de praktijk ontdekt - wanneer een spanning werd aangelegd, vervormde het kristal. Het bleek dat de twee verschijnselen onderling samenhangen - als een stof een direct piëzo-effect vertoont, vertoont zij ook een invers effect, en omgekeerd.
Het verschijnsel wordt waargenomen bij stoffen met een anisotroop kristalrooster (die afhankelijk van de richting verschillende fysische eigenschappen hebben) met voldoende asymmetrie, alsmede bij sommige polykristallijne structuren.
In elke vaste stof veroorzaken de uitgeoefende externe krachten vervorming en mechanische spanningen, en in stoffen met het piëzo-effect de polarisatie van ladingen, waarbij de polarisatie afhangt van de richting van de uitgeoefende kracht. Wanneer de werkingsrichting wordt omgekeerd, veranderen zowel de polarisatierichting als de polariteit van de ladingen. De afhankelijkheid van polarisatie van de mechanische spanning is lineair en wordt beschreven door de uitdrukking P=dt, waarbij t de mechanische spanning is en d een coëfficiënt die de piëzo-elektrische modulus (piëzomodulus) wordt genoemd.
Een soortgelijk verschijnsel doet zich voor bij het inverse piëzo-effect. Wanneer de richting van het aangelegde elektrische veld verandert, verandert ook de richting van de vervorming. Ook hier is de afhankelijkheid lineair: r=dE, waarbij E de elektrische veldsterkte is en r de rek. De coëfficiënt d is voor het voorwaartse en het achterwaartse piëzo-effect in alle stoffen gelijk.
Deze vergelijkingen zijn in feite slechts schattingen. De werkelijke correlaties zijn veel gecompliceerder en worden bepaald door de richting van de krachten ten opzichte van de kristalassen.
Stoffen met het piëzo-effect
Het piëzo-effect werd voor het eerst ontdekt in kristallen van bergkristal (kwarts). Tegenwoordig is dit materiaal zeer gebruikelijk bij de vervaardiging van piëzo-elektrische elementen, maar niet alleen natuurlijke materialen worden bij de productie gebruikt.
Veel piëzo-elektrische elementen zijn gebaseerd op materialen met de formule ABO3formule, zoals BaTiO3, PbTiO3. Deze materialen hebben een polykristallijne (uit vele kristallen bestaande) structuur en moeten worden gepolariseerd met behulp van een extern elektrisch veld om een piëzo-effect te kunnen vertonen.
Er zijn technologieën beschikbaar om piëzo-elektrische films te produceren (polyvinylideenfluoride, enz.). Om ze de nodige eigenschappen te geven, moeten ze ook gedurende lange tijd in een elektrisch veld worden gepolariseerd. Het voordeel van dergelijke materialen is hun zeer geringe dikte.
Eigenschappen en kenmerken van stoffen met het piëzo-effect
Aangezien polarisatie alleen plaatsvindt tijdens de elastische vervorming, is een belangrijk kenmerk van piëzomaterialen hun vermogen om van vorm te veranderen onder invloed van externe krachten. De waarde van dit vermogen wordt bepaald door de elastische meegaandheid (of elastische stijfheid).
Kristallen met het piëzo-effect zijn zeer elastisch - zij keren terug naar hun oorspronkelijke vorm wanneer de kracht (of externe spanning) wordt weggenomen.
Piëzo-kristallen hebben ook een intrinsieke mechanische resonantiefrequentie. Als het kristal gedwongen wordt om op deze frequentie te trillen, is de amplitude bijzonder groot.
Aangezien niet alleen volledige kristallen het piëzo-elektrisch effect vertonen, maar ook kristallen die onder bepaalde omstandigheden zijn gesneden, is het mogelijk piëzo-elektrische stukken te produceren met resonantie bij verschillende frequenties - afhankelijk van de geometrische afmetingen en de snijrichting.
De trillingseigenschappen van piëzo-elektrische materialen worden ook gekarakteriseerd door hun mechanische kwaliteitsfactor. Dit geeft aan met hoeveel maal de trillingsamplitude toeneemt bij de resonantiefrequentie voor een gelijke uitgeoefende kracht.
Er is een duidelijke afhankelijkheid van de piëzo-elektrische eigenschappen van de temperatuur, waarmee rekening moet worden gehouden bij het gebruik van kristallen. Deze afhankelijkheid wordt gekarakteriseerd door coëfficiënten:
- de temperatuurcoëfficiënt van de resonantiefrequentie geeft aan in hoeverre de resonantie verdwijnt wanneer het kristal wordt verwarmd/gekoeld;
- De temperatuuruitzettingscoëfficiënt geeft aan hoeveel de lineaire afmetingen van de piëzoplaat veranderen met de temperatuur.
Bij een bepaalde temperatuur verliest het piëzokristal zijn eigenschappen. Deze grens wordt de Curietemperatuur genoemd. Deze limiet is individueel voor elk materiaal. Voor kwarts, bijvoorbeeld, is dat +573 °C.
Praktische toepassing van het piëzo-effect
De bekendste toepassing van piëzocellen is als ontstekingselement. Het piëzo-effect wordt gebruikt in zakaanstekers of keukenontstekers voor gasfornuizen. Wanneer het kristal wordt ingedrukt, ontstaat er een potentiaalverschil en verschijnt er een vonk in de luchtspleet.
Het toepassingsgebied van piëzo-elektrische cellen is hiermee niet uitgeput. Kristallen met hetzelfde effect kunnen worden gebruikt als spanningsmeters, maar deze toepassing wordt beperkt door de eigenschap van het piëzo-effect om dynamisch te zijn - als de verandering is gestopt, wordt het signaal niet langer opgewekt.
Piëzokristallen kunnen worden gebruikt als microfoon - elektrische signalen worden opgewekt wanneer akoestische golven worden toegepast. Door het omgekeerde piëzo-effect kunnen dergelijke elementen ook (soms gelijktijdig) als geluidsemitters worden gebruikt. Wanneer een elektrisch signaal op het kristal wordt toegepast, zal het piëzo-element akoestische golven beginnen te produceren.
Dergelijke zenders worden veel gebruikt om ultrasone golven op te wekken, vooral in de medische technologie. Op op resonantie-eigenschappen van de plaat kunnen ook worden gebruikt. Het kan worden gebruikt als een akoestisch filter, dat alleen golven van zijn eigen frequentie uitzendt. Een andere mogelijkheid is het gebruik van een piëzo-element in een geluidsgenerator (sirene, detector, enz.) als zowel een frequentie-vasthoudend als een geluidsuitzendend element. In dit geval zal het geluid altijd op de resonantiefrequentie worden voortgebracht, en kan met weinig energie-inbreng een maximaal volume worden verkregen.
Resonantie-eigenschappen worden gebruikt om de frequenties te stabiliseren van oscillatoren die in het radiofrequentiebereik werken. De kwartsplaten fungeren als zeer stabiele en hoogwaardige oscillerende circuits in frequentiebehoudende circuits.
Tot dusver zijn er fantastische projecten om de energie van elastische vervorming op industriële schaal om te zetten in elektrische energie. U kunt de vervorming van trottoirs door het gewicht van voetgangers of auto's bijvoorbeeld gebruiken om weggedeelten van snelwegen te verlichten. De vervormingsenergie van vliegtuigvleugels zou kunnen worden gebruikt om het boordnet van een vliegtuig van energie te voorzien. Een dergelijk gebruik wordt beperkt door de ontoereikende efficiëntie van piëzocellen, maar er zijn reeds prototype-installaties gebouwd die veelbelovend zijn voor verdere verbetering.
Verwante artikelen:
