Efekt piezoelektryczny i jego zastosowanie w technice

W 1880 roku bracia Jacques i Pierre Curie odkryli, że kiedy niektóre naturalne kryształy są ściskane lub rozciągane, na krawędziach kryształów powstają ładunki elektryczne. Bracia nazwali to zjawisko „piezoelektrycznością” (greckie słowo „piezo” oznacza „naciskać”), a sami takie kryształy nazywali kryształami piezoelektrycznymi.

Jak się okazało, kryształy turmalinu, kwarcu i innych naturalnych kryształów, a także wiele sztucznie wyhodowanych kryształów, mają efekt piezoelektryczny. Takie kryształy są regularnie dodawane do listy już znanych kryształów piezoelektrycznych.

Kiedy taki kryształ piezoelektryczny zostanie rozciągnięty lub ściśnięty w pożądanym kierunku, na niektórych jego powierzchniach pojawią się przeciwne ładunki elektryczne o niewielkiej różnicy potencjałów.

Jeśli na tych powierzchniach umieścimy połączone ze sobą elektrody, to w momencie ściskania lub rozciągania kryształu w obwodzie utworzonym przez elektrody pojawi się krótki impuls elektryczny.Będzie to przejaw efektu piezoelektrycznego... Przy stałym ciśnieniu taki impuls nie wystąpi.

Nieodłączne właściwości tych kryształów umożliwiają wytwarzanie precyzyjnych i czułych instrumentów.

Kryształ piezoelektryczny jest bardzo elastyczny. Kiedy siła jest zdeformowana, kryształ powraca do swojej pierwotnej objętości i kształtu bez bezwładności. Warto ponownie podjąć wysiłek lub zmienić to, co już zastosowano, a natychmiast zareaguje nowym impulsem prądowym. Jest to najlepszy rejestrator do osiągania bardzo słabych drgań mechanicznych. Prąd w obwodzie wibrującego kryształu jest mały i to było przeszkodą podczas odkrycia efektu piezoelektrycznego przez braci Curie.

W nowoczesnej technice nie stanowi to przeszkody, ponieważ prąd można wzmacniać miliony razy. Obecnie wiadomo, że niektóre kryształy mają bardzo znaczący efekt piezoelektryczny. A uzyskany z nich prąd może być przesyłany przewodami na duże odległości, nawet bez wcześniejszego wzmocnienia.

Kryształy piezoelektryczne zostały wykorzystane w ultradźwiękowej detekcji defektów do wykrywania defektów w produktach metalowych. W elektromechanicznych przetwornikach do stabilizacji częstotliwości radiowych, w filtrach wielokanałowej komunikacji telefonicznej, gdy na jednym przewodzie prowadzonych jest kilka rozmów jednocześnie, w czujniki ciśnienia i wzmocnienia, w adapterach, w lutowanie ultradźwiękowe — w wielu dziedzinach techniki kryształy piezoelektryczne zajęły niezachwianą pozycję.

Ważną właściwością kryształów piezoelektrycznych był również odwrotny efekt piezoelektryczny... Jeżeli na pewne powierzchnie kryształu przyłożone zostaną ładunki o przeciwnych znakach, wówczas same kryształy ulegną deformacji.Jeśli do kryształu zostaną przyłożone wibracje elektryczne o częstotliwości akustycznej, zacznie on wibrować z tą samą częstotliwością, a otaczające powietrze wzbudzi fale dźwiękowe. Tak więc ten sam kryształ może działać zarówno jako mikrofon, jak i głośnik.

Inna cecha kryształów piezoelektrycznych czyni je integralną częścią współczesnej techniki radiowej. Posiadając naturalną częstotliwość drgań mechanicznych, kryształ zaczyna wibrować szczególnie silnie w momencie, gdy pokrywa się z nim częstotliwość przyłożonego napięcia przemiennego.

Jest to przejaw rezonansu elektromechanicznego, na podstawie którego tworzone są stabilizatory piezoelektryczne, dzięki którym utrzymywana jest stała częstotliwość w generatorach ciągłych oscylacji.

W podobny sposób reagują na drgania mechaniczne, których częstotliwość odpowiada naturalnej częstotliwości drgań kryształu piezoelektrycznego. Pozwala to na tworzenie urządzeń akustycznych, które spośród wszystkich docierających do nich dźwięków wybierają tylko te, które są potrzebne do tego czy innego celu.

Całe kryształy nie są brane za urządzenia piezoelektryczne. Kryształy są cięte na warstwy ściśle zorientowane względem ich osi krystalograficznych, warstwy te są formowane w prostokątne lub okrągłe płytki, które są następnie polerowane do określonego rozmiaru. Grubość płyt jest starannie utrzymywana, ponieważ od niej zależy częstotliwość rezonansowa oscylacji. Jedna lub więcej płytek połączonych metalowymi warstwami na dwóch szerokich powierzchniach nazywa się elementami piezoelektrycznymi.