Hur piezoelementet fungerar och vad piezoeffekten är

Den piezoelektriska effekten upptäcktes i slutet av 1800-talet av de franska bröderna Curie. På den tiden var det fortfarande för tidigt att tala om den praktiska tillämpningen av det upptäckta fenomenet, men idag används piezoelektriska element i stor utsträckning både inom tekniken och i vardagen.

Kärnan i piezoeffekten

Välkända fysiker upptäckte att när vissa kristaller (bergkristall, turmalin etc.) deformeras på sina sidor uppstår elektriska laddningar. Potentialdifferensen var trots allt liten men den var klart detekterbar med de då tillgängliga anordningarna och genom att koppla samman områden med motsatta polära laddningar med hjälp av ledare kunde man få elektrisk ström.. Fenomenet registrerades endast i dynamiken, i samband med sammandragning eller sträckning. Statisk deformation gav ingen piezoeffekt.

Den motsatta effekten var snart teoretiskt motiverad och upptäcktes i praktiken - när en spänning lades på kristallen deformerades den. Det visade sig att de två fenomenen hänger ihop - om ett ämne uppvisar en direkt piezoeffekt, uppvisar det också en omvänd effekt, och vice versa.

Fenomenet observeras i ämnen med ett anisotropt kristallgitter (som har olika fysikaliska egenskaper beroende på riktningen) med tillräcklig asymmetri, liksom i vissa polykristallina strukturer.

I alla fasta material ger de applicerade yttre krafterna upphov till deformationer och mekaniska spänningar, och i ämnen med piezoeffekt polariseras laddningarna, varvid polariseringen beror på riktningen av den applicerade kraften. När verkningsriktningen vänds ändras både polariseringsriktningen och laddningarnas polaritet. Polarisationens beroende av den mekaniska spänningen är linjär och beskrivs av uttrycket P=dt, där t är den mekaniska spänningen och d är en koefficient som kallas piezoelektrisk modul (piezomodulus).

Ett liknande fenomen inträffar med den omvända piezoeffekten. När riktningen för det applicerade elektriska fältet ändras, ändras deformationsriktningen. Här är beroendet också linjärt: r=dE, där E är den elektriska fältstyrkan och r är töjningen. Koefficienten d är densamma för den framåtriktade och bakåtriktade piezoeffekten i alla ämnen.

Dessa ekvationer är i själva verket bara uppskattningar. De faktiska sambanden är mycket mer komplexa och bestäms av krafternas riktning i förhållande till kristallaxlarna.

Ämnen med piezoeffekt

Piezoeffekten upptäcktes först i kristaller av bergkristall (kvarts). Idag är detta material mycket vanligt vid tillverkning av piezoelektriska element, men det är inte bara naturmaterial som används i produktionen.

Många piezoelektriska element är baserade på material med formeln ABO₃formel, såsom BaTiO₃, PbTiO₃. Dessa material har en polykristallin (bestående av många kristaller) struktur och måste polariseras av ett externt elektriskt fält för att kunna uppvisa piezoeffekt.

Det finns teknik för att tillverka piezoelektriska filmer (polyvinylidenfluorid etc.). För att ge dem de nödvändiga egenskaperna måste de också polariseras i ett elektriskt fält under lång tid. Fördelen med sådana material är deras mycket låga tjocklek.

Egenskaper och egenskaper hos material med piezoeffekt

Eftersom polariseringen endast sker under den elastiska deformationen är en viktig egenskap hos piezomaterial deras förmåga att ändra form under inverkan av yttre krafter. Värdet av denna förmåga bestäms av den elastiska följsamheten (eller den elastiska styvheten).

Kristaller med piezoeffekt är mycket elastiska - de återgår till sin ursprungliga form när kraften (eller den yttre spänningen) försvinner.

Piezokristaller har också en inneboende mekanisk resonansfrekvens. Om kristallen tvingas vibrera vid denna frekvens blir amplituden särskilt stor.

 

Eftersom det inte bara är hela kristaller som uppvisar piezoelektrisk effekt utan även kristaller som skärs under vissa förhållanden, är det möjligt att tillverka piezoelektriska delar med resonans vid olika frekvenser - beroende på de geometriska dimensionerna och skärningsriktningen.

Vibrationsegenskaperna hos piezoelektriska material kännetecknas också av deras mekaniska kvalitetsfaktor. Detta anger hur många gånger vibrationsamplituden ökar vid resonansfrekvensen för en lika stor kraft.

De piezoelektriska egenskaperna är tydligt beroende av temperaturen, vilket måste beaktas när man använder kristaller. Detta beroende kännetecknas av koefficienter:

• Temperaturkoefficienten för resonansfrekvensen anger hur mycket resonansen försvinner när kristallen värms eller kyls;
• Temperaturutvidgningskoefficienten anger hur mycket de linjära dimensionerna hos piezoplattan förändras med temperaturen.

Vid en viss temperatur förlorar piezokristallen sina egenskaper. Denna gräns kallas Curietemperaturen. Denna gräns är individuell för varje material. För kvarts är det till exempel +573 °C.

Praktisk tillämpning av piezoeffekten

Den mest kända tillämpningen av piezoceller är som tändelement. Piezoeffekten används i ficktändare och i tändare för gasolkök. När kristallen trycks ned skapas en potentialskillnad och en gnista uppstår i luftgapet.

Detta begränsar inte tillämpningsområdet för piezoelektriska celler. Kristaller med samma effekt kan användas som töjningsmätare, men denna tillämpning begränsas av piezoeffektens egenskap att vara dynamisk - om förändringen har upphört genereras inte längre någon signal.

Piezokristaller kan användas som mikrofoner - elektriska signaler genereras när akustiska vågor tillförs. Den omvända piezoeffekten gör det också möjligt (ibland samtidigt) att använda sådana element som ljudalstrare. När en elektrisk signal läggs på kristallen börjar piezoelementet generera akustiska vågor.

Sådana sändare används ofta för att generera ultraljudsvågor, särskilt inom medicinsk teknik. På på Plattans resonansegenskaper kan också utnyttjas. Den kan användas som ett akustiskt filter som endast avger sina egna frekvensvågor. Ett annat alternativ är att använda ett piezoelement i en ljudgenerator (siren, detektor osv.) som både frekvenshållande och ljudalstrande element. I det här fallet kommer ljudet alltid att genereras vid resonansfrekvensen, och maximal volym kan uppnås med liten energiåtgång.

Resonansegenskaper används för att stabilisera frekvenser hos oscillatorer som arbetar inom radiofrekvensområdet. Kvartsplattorna fungerar som mycket stabila och högkvalitativa oscillerande kretsar i frekvenshållande kretsar.

Hittills finns det fantastiska projekt för att omvandla energin från elastisk deformation till elektrisk energi i industriell skala. Du kan använda deformationen av trottoarer på grund av fotgängarnas eller bilarnas vikt för att t.ex. lätta upp delar av motorvägar. Deformationsenergin från flygplansvingarna skulle kunna användas för att driva flygplansnätverket. Användningen begränsas av piezocellernas otillräckliga effektivitet, men prototyper har redan byggts och har visat sig lovande för ytterligare förbättringar.

Relaterade artiklar: