Piezoelektrický efekt objavili francúzski vedci bratia Curieovci na konci 19. storočia. V tom čase bolo priskoro hovoriť o praktickej aplikácii objaveného javu, no v súčasnosti majú piezoelektrické prvky široké využitie ako v technike, tak aj v bežnom živote.
Obsah
Podstata piezoelektrického javu
Slávni fyzici zistili, že keď sa niektoré kryštály (horský krištáľ, turmalín atď.) deformujú, na ich tvárach vznikajú elektrické náboje. Zároveň bol potenciálny rozdiel malý, ale bol s istotou fixovaný zariadeniami, ktoré v tom čase existovali, a spojením sekcií s opačne polárnymi nábojmi pomocou vodičov bolo možné získať elektriny. Tento jav bol zafixovaný iba v dynamike, v momente stlačenia alebo natiahnutia. Deformácia v statickom režime nespôsobila piezoelektrický efekt.
Čoskoro bol teoreticky zdôvodnený a v praxi objavený opačný efekt – pri pôsobení napätia došlo k deformácii kryštálu.Ukázalo sa, že oba javy sú vzájomne prepojené - ak látka vykazuje priamy piezoelektrický efekt, potom je jej vlastný aj opak a naopak.
Tento jav je pozorovaný u látok s kryštálovou mriežkou anizotropného typu (ktorých fyzikálne vlastnosti sú rôzne v závislosti od smeru) s dostatočnou asymetriou, ako aj s niektorými polykryštalickými štruktúrami.
V každom pevnom telese pôsobiace vonkajšie sily spôsobujú deformáciu a mechanické namáhanie a v látkach s piezoelektrickým efektom aj polarizáciu nábojov, pričom polarizácia závisí od smeru pôsobiacej sily. Pri zmene smeru expozície sa mení smer polarizácie aj polarita nábojov. Závislosť polarizácie od mechanického namáhania je lineárna a je opísaná výrazom P=dt, kde t je mechanické napätie a d je koeficient nazývaný piezoelektrický modul (piezoelektrický modul).
Podobný jav nastáva pri reverznom piezoelektrickom jave. Keď sa zmení smer aplikovaného 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 priame a inverzné piezoelektrické javy pre všetky látky.
V skutočnosti sú vyššie uvedené rovnice iba odhadmi. Skutočné závislosti sú oveľa komplikovanejšie a sú určené aj smerom síl voči osám kryštálov.
Látky s piezoelektrickým efektom
Prvýkrát bol piezoelektrický efekt nájdený v horských kryštáloch (kremene). Tento materiál je dodnes veľmi bežný pri výrobe piezoelektrických prvkov, no pri výrobe sa nepoužívajú len prírodné materiály.
Mnoho piezoelektrík je vyrobených z látok so vzorcom ABO.3, napríklad BaTiO3, РbТiO3. Tieto materiály majú polykryštalickú (pozostávajúcu z mnohých kryštálov) štruktúru a na to, aby mohli vykazovať piezoelektrický efekt, musia byť podrobené polarizácii pomocou vonkajšieho elektrického poľa.
Existujú technológie, ktoré umožňujú získať filmové piezoelektriká (polyvinylidénfluorid atď.). Aby im dodali potrebné vlastnosti, musia byť tiež dlhodobo polarizované v elektrickom poli. Výhodou takýchto materiálov je veľmi malá hrúbka.
Vlastnosti a charakteristiky látok s piezoelektrickým efektom
Keďže k polarizácii dochádza iba počas elastickej deformácie, dôležitou charakteristikou piezomateriálu je jeho schopnosť meniť tvar pôsobením vonkajších síl. Hodnota tejto schopnosti je určená elastickou poddajnosťou (alebo elastickou tuhosťou).
Kryštály s piezoelektrickým efektom sú vysoko elastické – po odstránení sily (alebo vonkajšieho napätia) sa vrátia do pôvodného tvaru.
Piezokryštály majú tiež svoju mechanickú rezonančnú frekvenciu. Ak necháte kryštál vibrovať pri tejto frekvencii, amplitúda bude obzvlášť veľká.
Keďže piezoelektrický efekt sa prejavuje nielen celými kryštálmi, ale aj ich doštičkami vyrezanými za určitých podmienok, je možné získať kúsky piezoelektrických látok s rezonanciou na rôznych frekvenciách v závislosti od geometrických rozmerov a smeru rezu.
Tiež vibračné vlastnosti piezoelektrických materiálov sú charakterizované mechanickým faktorom kvality. Ukazuje, koľkokrát sa amplitúda kmitov pri rezonančnej frekvencii zvyšuje pri rovnakej aplikovanej sile.
Existuje jasná závislosť vlastností piezoelektrika od teploty, čo je potrebné vziať do úvahy pri použití kryštálov. Táto závislosť je charakterizovaná koeficientmi:
- teplotný koeficient rezonančnej frekvencie ukazuje, koľko rezonancie zmizne, keď sa kryštál zahrieva / ochladí;
- koeficient teplotnej rozťažnosti určuje, ako veľmi sa menia lineárne rozmery piezoelektrickej dosky s teplotou.
Pri určitej teplote stráca piezokryštál svoje vlastnosti. Tento limit sa nazýva Curieova teplota. Táto hranica je individuálna pre každý materiál. Napríklad pre kremeň je to +573 °C.
Praktické využitie piezoelektrického javu
Najznámejšia aplikácia piezoelektrických prvkov je ako zapaľovací prvok. Piezoelektrický efekt sa používa vo vreckových zapaľovačoch alebo kuchynských zapaľovačoch na plynové sporáky. Pri stlačení kryštálu vzniká potenciálny rozdiel a vo vzduchovej medzere sa objaví iskra.
Táto oblasť použitia piezoelektrických prvkov nie je vyčerpaná. Kryštály s podobným účinkom možno použiť ako tenzometre, ale táto oblasť použitia je obmedzená vlastnosťou piezoelektrického efektu prejaviť sa iba v dynamike - ak sa zmeny zastavia, prestane sa generovať signál.
Piezokryštály je možné použiť ako mikrofón – pri pôsobení akustických vĺn vznikajú elektrické signály. Reverzný piezoelektrický efekt tiež umožňuje (niekedy súčasne) použitie takých prvkov, ako sú žiariče zvuku. Keď je na kryštál privedený elektrický signál, piezoelektrický prvok začne generovať akustické vlny.
Takéto žiariče sa široko používajú na vytváranie ultrazvukových vĺn, najmä v lekárskej technike. O toto možno využiť aj rezonančné vlastnosti platne.Môže byť použitý ako akustický filter, ktorý vyberá iba vlny vlastnej frekvencie. Ďalšou možnosťou je použiť piezoelektrický prvok v generátore zvuku (siréna, detektor atď.) súčasne ako prvok na nastavenie frekvencie a zdroj zvuku. V tomto prípade bude zvuk vždy generovaný na rezonančnej frekvencii a maximálnu hlasitosť možno dosiahnuť s nízkou spotrebou energie.
Rezonančné vlastnosti sa využívajú na stabilizáciu frekvencií generátorov pracujúcich v rádiofrekvenčnom rozsahu. Kremenné platne zohrávajú úlohu vysoko stabilných a kvalitných oscilačných obvodov v obvodoch na nastavenie frekvencie.
Stále existujú fantastické projekty na premenu energie elastickej deformácie na elektrickú energiu v priemyselnom meradle. Deformáciu chodníka vplyvom gravitácie chodcov alebo áut využijete napríklad na osvetlenie úsekov tratí. Na zabezpečenie siete lietadla môžete využiť deformačnú energiu krídel lietadla. Takéto použitie je obmedzené nedostatočnou účinnosťou piezoelektrických prvkov, ale už boli vytvorené pilotné zariadenia, ktoré ukázali prísľub ďalšieho zlepšenia.
Podobné články:
