Piezoelektrický efekt objavili koncom 19. storočia francúzski bratia Curieovci. V tom čase bolo ešte príliš skoro hovoriť o praktickom využití objaveného javu, ale dnes sa piezoelektrické prvky široko používajú v technike aj v bežnom živote.
Obsah
Podstata piezoelektrického efektu
Známi fyzici zistili, že keď sa niektoré kryštály (horský krištáľ, turmalín atď.) deformujú na svojich plochách, vznikajú elektrické náboje. Rozdiel potenciálov bol napriek tomu malý, ale bol jasne zistiteľný vtedajšími dostupnými prístrojmi a prepojením oblastí s opačnými polárnymi nábojmi pomocou vodičov bolo možné získať elektrický prúd. Tento jav bol zaznamenaný len v dynamike, v momente kontrakcie alebo natiahnutia. Statická deformácia nevytvárala piezoelektrický efekt.
Čoskoro bol teoreticky zdôvodnený a v praxi objavený opačný efekt - kryštál sa deformoval pri priložení napätia. Ukázalo sa, že tieto dva javy spolu súvisia - ak látka vykazuje priamy piezoelektrický účinok, vykazuje aj inverzný účinok a naopak.
Tento jav sa pozoruje v látkach s anizotropnou kryštálovou mriežkou (ktoré majú rôzne fyzikálne vlastnosti v závislosti od smeru) s dostatočnou asymetriou, ako aj v niektorých polykryštalických štruktúrach.
V každej pevnej látke pôsobiace vonkajšie sily vyvolávajú deformáciu a mechanické napätie a v látkach s piezoelektrickým efektom polarizáciu nábojov, pričom polarizácia závisí od smeru pôsobiacej sily. Pri zmene smeru pôsobenia sa zmení smer polarizácie aj polarita nábojov. Závislosť polarizácie od mechanického napätia je lineárna a opisuje ju výraz P=dt, kde t je mechanické napätie a d je koeficient nazývaný piezoelektrický modul (piezomodulus).
Podobný jav nastáva aj pri inverznom piezoelektrickom efekte. Keď sa zmení smer pôsobiaceho elektrického poľa, zmení sa aj smer deformácie. Aj tu je závislosť lineárna: r=dE, kde E je intenzita elektrického poľa a r je deformácia. Koeficient d je rovnaký pre priamy aj spätný piezoelektrický účinok vo všetkých látkach.
Tieto rovnice sú v skutočnosti len odhadmi. Skutočné korelácie sú oveľa komplikovanejšie a závisia od smeru síl vzhľadom na kryštálové osi.
Látky s piezoelektrickým účinkom
Piezoelektrický efekt bol prvýkrát objavený v kryštáloch horského kryštálu (kremeňa). Dnes je tento materiál veľmi rozšírený pri výrobe piezoelektrických prvkov, ale pri výrobe sa nepoužívajú len prírodné materiály.
Mnohé piezoelektrické prvky sú založené na materiáloch so vzorcom ABO3vzorec, ako napríklad BaTiO3, PbTiO3. Tieto materiály majú polykryštalickú štruktúru (pozostávajú z mnohých kryštálov) a musia byť polarizované pomocou vonkajšieho elektrického poľa, aby mohli vykazovať piezoelektrický efekt.
K dispozícii sú technológie na výrobu piezoelektrických fólií (polyvinylidénfluorid atď.). Aby získali potrebné vlastnosti, musia byť tiež dlhodobo polarizované v elektrickom poli. Výhodou týchto materiálov je ich veľmi malá hrúbka.
Vlastnosti a charakteristiky materiálov s piezoefektom
Keďže polarizácia prebieha len počas pružnej deformácie, dôležitou vlastnosťou piezomateriálov je ich schopnosť meniť tvar pôsobením vonkajších síl. Hodnota tejto schopnosti je určená pružnou poddajnosťou (alebo pružnou tuhosťou).
Kryštály s piezoefektom sú vysoko elastické - po odstránení sily (alebo vonkajšieho napätia) sa vrátia do pôvodného tvaru.
Piezokryštály majú tiež vlastnú mechanickú rezonančnú frekvenciu. Ak je kryštál nútený kmitať pri tejto frekvencii, amplitúda je mimoriadne veľká.
Keďže piezoelektrický efekt nevykazujú len celé kryštály, ale aj kryštály, ktoré sú rezané za určitých podmienok, je možné vyrobiť piezoelektrické kusy s rezonanciou pri rôznych frekvenciách - v závislosti od geometrických rozmerov a smeru rezu.
Vibračné vlastnosti piezoelektrických materiálov sú charakterizované aj ich mechanickým faktorom kvality. Udáva, o koľkokrát sa zvýši amplitúda kmitania pri rezonančnej frekvencii pri rovnakej pôsobiacej sile.
Existuje jasná závislosť piezoelektrických vlastností od teploty, ktorú treba zohľadniť pri používaní kryštálov. Táto závislosť je charakterizovaná koeficientmi:
- teplotný koeficient rezonančnej frekvencie udáva, ako veľmi rezonancia zanikne, keď sa kryštál zahreje/ochladí;
- Teplotný koeficient rozťažnosti udáva, ako veľmi sa menia lineárne rozmery piezoelektrickej dosky s teplotou.
Pri určitej teplote piezokryštál stráca svoje vlastnosti. Táto hranica sa nazýva Curieho teplota. Tento limit je individuálny pre každý materiál. Napríklad pre kremeň je to +573 °C.
Praktické využitie piezoelektrického efektu
Najznámejšie použitie piezoelektrických článkov je ako zapaľovací prvok. Piezoelektrický efekt sa používa vo vreckových zapaľovačoch alebo kuchynských zapaľovačoch pre plynové sporáky. Po stlačení kryštálu sa vytvorí rozdiel potenciálov a vo vzduchovej medzere sa objaví iskra.
Týmto sa nevyčerpáva rozsah použitia piezoelektrických článkov. Kryštály s rovnakým účinkom možno použiť ako tenzometre, ale táto aplikácia je obmedzená vlastnosťou piezoelektrického efektu byť dynamický - ak sa zmena zastaví, signál sa už negeneruje.
Piezokryštály sa dajú použiť ako mikrofón - pri pôsobení akustických vĺn sa generujú elektrické signály. Inverzný piezoelektrický efekt umožňuje (niekedy súčasne) používať takéto prvky aj ako vysielače zvuku. Keď sa na kryštál privedie elektrický signál, piezoelement začne generovať akustické vlny.
Takéto žiariče sa široko používajú na generovanie ultrazvukových vĺn, najmä v lekárskej technike. Na stránke na adrese možno využiť aj rezonančné vlastnosti dosky. Môže sa použiť ako akustický filter, ktorý vysiela vlny len vlastnej frekvencie. Ďalšou možnosťou je použitie piezoelektrického prvku v generátore zvuku (siréna, detektor atď.) ako prvku udržiavajúceho frekvenciu a zároveň vysielajúceho zvuk. V tomto prípade sa zvuk vždy generuje na rezonančnej frekvencii a maximálna hlasitosť sa dosiahne pri malom príkone energie.
Rezonančné vlastnosti sa používajú na stabilizáciu frekvencií oscilátorov pracujúcich v rádiovom frekvenčnom rozsahu. Kremenné dosky fungujú ako vysoko stabilné a kvalitné oscilačné obvody v obvodoch udržiavajúcich frekvenciu.
Zatiaľ existujú fantastické projekty na premenu energie pružnej deformácie na elektrickú energiu v priemyselnom meradle. Deformáciu chodníkov vplyvom hmotnosti chodcov alebo áut môžete využiť napríklad na osvetlenie úsekov diaľnic. Deformačná energia krídel lietadla by sa mohla využiť na napájanie palubnej siete lietadla. Takéto použitie je obmedzené nedostatočnou účinnosťou piezoelektrických článkov, ale prototypové zariadenia už boli postavené a sľubujú ďalšie zlepšenie.
Súvisiace články:
