Piezoelektrični efekt otkrili su francuski znanstvenici braća Curie krajem 19. stoljeća. U to vrijeme bilo je prerano govoriti o praktičnoj primjeni otkrivenog fenomena, ali danas se piezoelektrični elementi široko koriste kako u tehnici tako i u svakodnevnom životu.
Sadržaj
Bit piezoelektričnog efekta
Poznati fizičari su ustanovili da kada se neki kristali (gorski kristal, turmalin, itd.) deformiraju, na njihovim licima nastaju električni naboji. Pritom je razlika potencijala bila mala, ali su je pouzdano fiksirali uređaji koji su postojali u to vrijeme, a spajanjem sekcija s suprotno polarnim nabojima pomoću vodiča, bilo je moguće dobiti struja. Fenomen je fiksiran samo u dinamici, u trenutku kompresije ili istezanja. Deformacija u statičkom modu nije izazvala piezoelektrični efekt.
Ubrzo je teoretski opravdan i otkriven u praksi suprotan učinak – kada je doveden napon, kristal se deformirao.Pokazalo se da su oba fenomena međusobno povezana - ako tvar pokazuje izravan piezoelektrični učinak, tada joj je inherentno i suprotno, i obrnuto.
Fenomen se opaža u tvarima s kristalnom rešetkom anizotropnog tipa (čija su fizička svojstva različita ovisno o smjeru) s dovoljnom asimetrijom, kao i nekim polikristalnim strukturama.
U svakom čvrstom tijelu primijenjene vanjske sile uzrokuju deformacije i mehanička naprezanja, a u tvarima s piezoelektričnim učinkom uzrokuju i polarizaciju naboja, a polarizacija ovisi o smjeru primijenjene sile. Prilikom promjene smjera ekspozicije mijenjaju se i smjer polarizacije i polaritet naboja. Ovisnost polarizacije o mehaničkom naprezanju je linearna i opisuje se izrazom P=dt, gdje je t mehaničko naprezanje, a d je koeficijent koji se naziva piezoelektrični modul (piezoelektrični modul).
Sličan se fenomen događa s obrnutim piezoelektričnim efektom. Kada se promijeni smjer primijenjenog električnog polja, mijenja se i smjer deformacije. Ovdje je ovisnost također linearna: r=dE, gdje je E jakost električnog polja, a r deformacija. Koeficijent d je isti za izravne i inverzne piezoelektrične efekte za sve tvari.
Zapravo, gornje su jednadžbe samo procjene. Stvarne su ovisnosti mnogo kompliciranije i također su određene smjerom sila u odnosu na kristalne osi.
Tvari s piezoelektričnim učinkom
Po prvi put je piezoelektrični efekt pronađen u kamenim kristalima (kvarc). Do danas je ovaj materijal vrlo čest u proizvodnji piezoelektričnih elemenata, no u proizvodnji se ne koriste samo prirodni materijali.
Mnogi piezoelektrici izrađeni su od tvari s ABO formulom.3, npr. BaTiO3, RbTiO3. Ovi materijali imaju polikristalnu (sastoje se od mnogo kristala) strukturu, a kako bi im se dala sposobnost da pokažu piezoelektrični učinak, moraju biti podvrgnuti polarizaciji pomoću vanjskog električnog polja.
Postoje tehnologije koje omogućuju dobivanje filmskih piezoelektrika (poliviniliden fluorid itd.). Da bi im dali potrebna svojstva, također ih je potrebno dugo polarizirati u električnom polju. Prednost takvih materijala je vrlo mala debljina.
Svojstva i karakteristike tvari s piezoelektričnim učinkom
Budući da se polarizacija događa samo tijekom elastične deformacije, važna karakteristika piezomaterijala je njegova sposobnost promjene oblika pod djelovanjem vanjskih sila. Vrijednost ove sposobnosti određena je elastičnom usklađenošću (ili elastičnom krutošću).
Kristali s piezoelektričnim učinkom vrlo su elastični - kada se sila (ili vanjski stres) ukloni, vraćaju se u svoj izvorni oblik.
Piezokristali također imaju svoju mehaničku rezonantnu frekvenciju. Ako kristal vibrira na ovoj frekvenciji, amplituda će biti posebno velika.
Budući da se piezoelektrični učinak očituje ne samo cijelim kristalima, već i njihovim pločama izrezanim pod određenim uvjetima, moguće je dobiti komadiće piezoelektričnih tvari s rezonancijom na različitim frekvencijama, ovisno o geometrijskim dimenzijama i smjeru reza.
Također, vibracijska svojstva piezoelektričnih materijala karakterizirani su mehaničkim faktorom kvalitete. Pokazuje koliko se puta povećava amplituda oscilacija na rezonantnoj frekvenciji s jednakom primijenjenom silom.
Postoji jasna ovisnost svojstava piezoelektrika o temperaturi, što se mora uzeti u obzir pri korištenju kristala. Ovu ovisnost karakteriziraju koeficijenti:
- temperaturni koeficijent rezonantne frekvencije pokazuje koliko rezonancija nestaje kada se kristal zagrije / ohladi;
- koeficijent temperaturne ekspanzije određuje koliko se linearne dimenzije piezoelektrične ploče mijenjaju s temperaturom.
Na određenoj temperaturi piezokristal gubi svojstva. Ova granica se naziva Curiejeva temperatura. Ova granica je individualna za svaki materijal. Na primjer, za kvarc je +573 °C.
Praktična primjena piezoelektričnog efekta
Najpoznatija primjena piezoelektričnih elemenata je kao element za paljenje. Piezoelektrični efekt koristi se u džepnim upaljačima ili kuhinjskim upaljačima za plinske štednjake. Kada se kristal pritisne, nastaje razlika potencijala i iskra se pojavljuje u zračnom rasporu.
Ovo područje primjene piezoelektričnih elemenata nije iscrpljeno. Kristali sa sličnim učinkom mogu se koristiti kao mjerači naprezanja, ali ovo područje upotrebe ograničeno je svojstvom piezoelektričnog efekta da se pojavljuje samo u dinamici - ako promjene prestanu, signal se prestaje stvarati.
Piezokristali se mogu koristiti kao mikrofon – kada su izloženi akustičnim valovima, nastaju električni signali. Obrnuti piezoelektrični efekt također omogućuje (ponekad istovremeno) korištenje takvih elemenata kao odašiljača zvuka. Kada se na kristal primijeni električni signal, piezoelektrični element će početi stvarati akustične valove.
Takvi se emiteri naširoko koriste za stvaranje ultrazvučnih valova, posebice u medicinskoj tehnologiji. Na ovaj mogu se koristiti i rezonantna svojstva ploče.Može se koristiti kao akustični filtar koji odabire samo valove prirodne frekvencije. Druga mogućnost je korištenje piezoelektričnog elementa u generatoru zvuka (sirena, detektor, itd.) istovremeno kao element za podešavanje frekvencije i element za emitiranje zvuka. U tom slučaju, zvuk će se uvijek generirati na rezonantnoj frekvenciji, a maksimalna glasnoća se može postići uz malu potrošnju energije.
Rezonantna svojstva koriste se za stabilizaciju frekvencija generatora koji rade u radiofrekvencijskom području. Kvarcne ploče imaju ulogu vrlo stabilnih i visokokvalitetnih oscilatornih krugova u krugovima za podešavanje frekvencije.
Još uvijek postoje fantastični projekti pretvaranja energije elastične deformacije u električnu energiju u industrijskim razmjerima. Možete koristiti deformaciju kolnika pod utjecajem gravitacije pješaka ili automobila, na primjer, za osvjetljavanje dijelova staza. Možete koristiti energiju deformacije krila zrakoplova da biste osigurali mrežu zrakoplova. Takva je uporaba ograničena nedovoljnom učinkovitošću piezoelektričnih elemenata, ali su pilot-postrojenja već stvorena, a obećavaju daljnja poboljšanja.
Slični članci:
