Piezoelektrični učinek sta odkrila francoska znanstvenika, brata Curie, konec 19. stoletja. Takrat je bilo še prezgodaj govoriti o praktični uporabi odkritega pojava, danes pa se piezoelektrični elementi pogosto uporabljajo tako v tehniki kot v vsakdanjem življenju.
Vsebina
Bistvo piezo efekta
Znani fiziki so ugotovili, da ko se določeni kristali (kamni kristal, turmalin itd.) deformirajo na njihovih ploskvah, nastanejo električni naboji. Potencialna razlika je bila nepomembna, vendar so jo obstoječe naprave popravile in s povezovanjem delov z nasprotnimi naboji s pomočjo vodnikov je bilo mogoče dobiti električni tok.. Pojav je bil zabeležen le v dinamiki, v trenutku stiskanja ali raztezanja. Statična deformacija ni povzročila piezo učinka.
Kmalu je bil teoretično utemeljen in v praksi odkrit nasprotni učinek – ob dovodu napetosti se je kristal deformiral. Izkazalo se je, da sta pojava medsebojno povezana – če snov izkazuje neposredni piezo učinek, izkazuje tudi obratni učinek in obratno.
Pojav opazimo pri snoveh z anizotropno kristalno mrežo (ki imajo različne fizikalne lastnosti glede na smer) z zadostno asimetrijo, pa tudi v nekaterih polikristalnih strukturah.
V vsakem trdnem telesu delujoče zunanje sile povzročajo deformacije in mehanske napetosti, v snoveh s piezo efektom pa tudi polarizacijo nabojev, polarizacija pa je odvisna od smeri delovanja sile. Ko se spremeni smer vpliva, se spremenita tako smer polarizacije kot polarnost nabojev. Odvisnost polarizacije od mehanske napetosti je linearna in je opisana z izrazom P=dt, kjer je t mehanska napetost in d koeficient, imenovan piezoelektrični modul (piezomodulus).
Podoben pojav se pojavi pri inverznem piezo učinku. Ko se spremeni smer uporabljenega električnega polja, se spremeni smer deformacije. Tudi tukaj je odvisnost linearna: r=dE, kjer je E električna poljska jakost in r deformacija. Koeficient d je enak za direktni in povratni piezo efekt v vseh snoveh.
Pravzaprav so te enačbe le ocene. Dejanske odvisnosti so veliko bolj zapletene in jih določa tudi smer sil glede na kristalne osi.
Snovi s piezo učinkom
Piezo učinek so najprej odkrili v kristalih kamnitega kristala (kvarca). Do danes je ta material zelo pogost pri izdelavi piezoelektričnih elementov, vendar se v proizvodnji ne uporabljajo samo naravni materiali.
Številni piezoelektrični elementi temeljijo na materialih s formulo ABO3formula, kot je BaTiO3, PbTiO3. Ti materiali imajo polikristalno (sestavljeno iz številnih kristalov) strukturo in da bi lahko pokazali piezo učinek, jih je treba izpostaviti polarizaciji s pomočjo zunanjega električnega polja.
Obstajajo tehnologije, ki omogočajo pridobivanje filmskih piezoelektrikov (poliviniliden fluorid itd.). Da bi jim dali potrebne lastnosti, jih je treba tudi dolgo polarizirati v električnem polju. Prednost takih materialov je njihova zelo majhna debelina.
Lastnosti in značilnosti snovi s piezo efektom
Ker do polarizacije pride le med elastično deformacijo, je pomembna značilnost piezomateriala njegova sposobnost spreminjanja oblike pod delovanjem zunanjih sil. Vrednost te sposobnosti je določena z elastično skladnostjo (ali elastično togostjo).
Kristali s piezo efektom imajo visoko elastičnost – ko se sila (oz. zunanja napetost) odstrani, se vrnejo v prvotno obliko.
Piezo kristali imajo tudi notranjo mehansko resonančno frekvenco. Če kristal prisilimo k nihanju pri tej frekvenci, bo amplituda še posebej velika.
Ker piezo učinka ne izkazujejo samo celi kristali, temveč tudi njihove plošče, izrezane pod določenimi pogoji, je mogoče dobiti kose piezoelektričnega materiala z resonanco na različnih frekvencah - odvisno od geometrijskih dimenzij in smeri reza.
Mehanski faktor kakovosti označuje tudi vibracijske lastnosti piezoelektričnih materialov. Kaže, za kolikokrat se poveča amplituda vibracij pri resonančni frekvenci za enako uporabljeno silo.
Obstaja jasna odvisnost piezoelektričnih lastnosti od temperature, kar je treba upoštevati pri uporabi kristalov. Za to odvisnost so značilni koeficienti:
- temperaturni koeficient resonančne frekvence kaže, koliko resonanca izgine, ko se kristal segreje/ohlaja;
- temperaturni koeficient razteznosti določa, koliko se linearne dimenzije piezo rezine spreminjajo s temperaturo.
Pri določeni temperaturi piezokristal izgubi svoje lastnosti.Ta meja se imenuje Curiejeva temperatura. Ta omejitev je individualna za vsak material. Na primer, za kremen je +573 °C.
Praktična uporaba piezo učinka
Najbolj znana uporaba piezo celic je kot vžigalni element. Piezo učinek se uporablja v žepnih vžigalnikih ali v kuhinjskih vžigalnikih za plinske štedilnike. Ob pritisku na kristal nastane potencialna razlika in v zračni reži se pojavi iskra.
To pa še ni konec področja uporabe piezoelektričnih elementov. Kristale s podobnim učinkom lahko uporabimo kot deformacijske senzorje, vendar je to področje uporabe omejeno z lastnostjo piezo efekta, da se pojavlja le v dinamiki - če so se spremembe ustavile, se preneha generirati signal.
Piezo kristali se lahko uporabljajo kot mikrofon - ko so izpostavljeni akustičnim valovom, se ustvarijo električni signali. Inverzni piezo učinek tudi omogoča (včasih hkrati) uporabo takih elementov kot oddajnikov zvoka. Ko se na kristal uporabi električni signal, začne piezo element ustvarjati zvočne valove.
Takšni oddajniki se pogosto uporabljajo za ustvarjanje ultrazvočnih valov, zlasti v medicinski tehnologiji. pri pri lahko uporabimo tudi resonančne lastnosti plošče. Lahko se uporablja kot akustični filter, ki oddaja samo valove lastne frekvence. Druga možnost je uporaba piezo elementa v generatorju zvoka (sirena, detektor itd.) hkrati kot frekvenčni pretvornik in oddajnik zvoka. V tem primeru bo zvok vedno ustvarjen na resonančni frekvenci, največjo glasnost pa je mogoče doseči z majhno porabo energije.
Resonančne lastnosti se uporabljajo za stabilizacijo frekvenc oscilatorjev, ki delujejo v radiofrekvenčnem območju. Kvarčne plošče delujejo kot zelo stabilna in kakovostna nihajna vezja v vezjih za ohranjanje frekvence.
Do zdaj obstajajo fantastični projekti za pretvorbo energije elastične deformacije v električno energijo v industrijskem obsegu.Deformacijo pločnika zaradi gravitacije pešcev ali avtomobilov lahko uporabite na primer za osvetlitev odsekov avtocest. Možno je uporabiti deformacijsko energijo kril letala za zagotavljanje moči na krovu. Takšno uporabo omejuje nezadostna učinkovitost piezo celic, vendar so bile pilotne naprave že ustvarjene in obetajo nadaljnje izboljšave.
Povezani članki:
