Piezoelektrický jev objevili francouzští vědci bratři Curieové na konci 19. století. V té době bylo příliš brzy hovořit o praktické aplikaci objeveného jevu, ale v současné době jsou piezoelektrické prvky široce využívány jak v technice, tak v běžném životě.
Obsah
Podstata piezoelektrického jevu
Slavní fyzikové zjistili, že když se některé krystaly (horský křišťál, turmalín atd.) deformují, na jejich tvářích vznikají elektrické náboje. Současně byl potenciálový rozdíl malý, ale byl s jistotou fixován zařízeními, která v té době existoval, a spojením úseků s opačně polárními náboji pomocí vodičů bylo možné získat elektřina. Jev byl zafixován pouze v dynamice, v okamžiku stlačení nebo natažení. Deformace ve statickém režimu nezpůsobila piezoelektrický jev.
Brzy byl teoreticky zdůvodněn a v praxi objeven opačný efekt – při přivedení napětí došlo k deformaci krystalu.Ukázalo se, že oba jevy jsou propojené – pokud látka vykazuje přímý piezoelektrický efekt, pak je jí vlastní i opak a naopak.
Jev je pozorován u látek s krystalovou mřížkou anizotropního typu (jejichž fyzikální vlastnosti jsou různé v závislosti na směru) s dostatečnou asymetrií a také u některých polykrystalických struktur.
V každém pevném tělese působí působící vnější síly deformaci a mechanická napětí a u látek s piezoelektrickým efektem také polarizaci nábojů, přičemž polarizace závisí na směru působící síly. Při změně směru expozice se mění jak směr polarizace, tak i polarita nábojů. Závislost polarizace na mechanickém namáhání je lineární a je popsána výrazem P=dt, kde t je mechanické napětí a d je koeficient nazývaný piezoelektrický modul (piezoelektrický modul).
Podobný jev nastává u reverzního piezoelektrického jevu. Když se změní směr aplikovaného elektrického pole, změní se směr deformace. Zde je závislost také lineární: r=dE, kde E je intenzita elektrického pole a r je deformace. Koeficient d je stejný pro přímé i inverzní piezoelektrické jevy pro všechny látky.
Ve skutečnosti jsou výše uvedené rovnice pouze odhady. Skutečné závislosti jsou mnohem složitější a jsou také určeny směrem sil vůči krystalovým osám.
Látky s piezoelektrickým efektem
Poprvé byl piezoelektrický jev nalezen v horninových krystalech (křemen). Dodnes je tento materiál velmi běžný při výrobě piezoelektrických prvků, ale při výrobě se nepoužívají pouze přírodní materiály.
Mnoho piezoelektrik je vyrobeno z látek se vzorcem ABO.3, např. BaTiO3, РbТiO3. Tyto materiály mají polykrystalickou (skládající se z mnoha krystalů) strukturu a aby mohly vykazovat piezoelektrický efekt, musí být podrobeny polarizaci pomocí vnějšího elektrického pole.
Existují technologie, které umožňují získat filmová piezoelektrika (polyvinylidenfluorid atd.). Aby jim dodaly potřebné vlastnosti, je třeba je také dlouhodobě polarizovat v elektrickém poli. Výhodou takových materiálů je velmi malá tloušťka.
Vlastnosti a charakteristiky látek s piezoelektrickým jevem
Protože k polarizaci dochází pouze během elastické deformace, důležitou vlastností piezomateriálu je jeho schopnost měnit tvar působením vnějších sil. Hodnota této schopnosti je určena elastickou poddajností (neboli elastickou tuhostí).
Krystaly s piezoelektrickým efektem jsou vysoce elastické – po odstranění síly (nebo vnějšího napětí) se vrátí do původního tvaru.
Piezokrystaly mají také vlastní mechanickou rezonanční frekvenci. Pokud necháte krystal vibrovat na této frekvenci, amplituda bude obzvláště velká.
Protože se piezoelektrický efekt projevuje nejen u celých krystalů, ale i u jejich plátů vyřezaných za určitých podmínek, je možné získat kousky piezoelektrických látek s rezonancí na různých frekvencích v závislosti na geometrických rozměrech a směru řezu.
Také vibrační vlastnosti piezoelektrických materiálů jsou charakterizovány mechanickým faktorem kvality. Ukazuje, kolikrát se amplituda kmitů na rezonanční frekvenci zvětší se stejnou aplikovanou silou.
Je zde zřejmá závislost vlastností piezoelektrika na teplotě, kterou je třeba vzít v úvahu při použití krystalů. Tato závislost je charakterizována koeficienty:
- teplotní koeficient rezonanční frekvence ukazuje, jak moc rezonance zmizí, když se krystal zahřeje / ochladí;
- koeficient teplotní roztažnosti určuje, jak moc se lineární rozměry piezoelektrické desky mění s teplotou.
Při určité teplotě ztrácí piezokrystal své vlastnosti. Tento limit se nazývá Curieova teplota. Tato hranice je pro každý materiál individuální. Například pro křemen je to +573 °C.
Praktické využití piezoelektrického jevu
Nejznámější aplikace piezoelektrických prvků je jako zapalovací prvek. Piezoelektrický efekt se používá v kapesních zapalovačích nebo kuchyňských zapalovačích pro plynové sporáky. Při stlačení krystalu vzniká potenciálový rozdíl a ve vzduchové mezeře se objeví jiskra.
Tato oblast použití piezoelektrických prvků není vyčerpána. Krystaly s podobným účinkem lze použít jako tenzometry, ale tato oblast použití je omezena vlastností piezoelektrického jevu projevit se pouze v dynamice - pokud se změny zastaví, přestane se generovat signál.
Piezokrystaly lze použít jako mikrofon – při působení akustických vln vznikají elektrické signály. Reverzní piezoelektrický efekt také umožňuje (někdy současně) použití takových prvků, jako jsou emitory zvuku. Když je na krystal aplikován elektrický signál, piezoelektrický prvek začne generovat akustické vlny.
Takové zářiče jsou široce používány k vytváření ultrazvukových vln, zejména v lékařské technice. V tento lze využít i rezonančních vlastností desky.Může být použit jako akustický filtr, který vybírá pouze vlny vlastní frekvence. Další možností je použití piezoelektrického prvku ve zvukovém generátoru (siréna, detektor atd.) současně jako prvek pro nastavení frekvence a pro vyzařování zvuku. V tomto případě bude zvuk vždy generován na rezonanční frekvenci a maximální hlasitost lze získat s malou spotřebou energie.
Rezonanční vlastnosti se využívají ke stabilizaci frekvencí generátorů pracujících v radiofrekvenčním rozsahu. Křemenné desky hrají v obvodech pro nastavení frekvence roli vysoce stabilních a kvalitních oscilačních obvodů.
Stále existují fantastické projekty na přeměnu energie elastické deformace na elektrickou energii v průmyslovém měřítku. Deformaci chodníku pod vlivem gravitace chodců nebo automobilů můžete využít například k osvětlení úseků kolejí. Deformační energii křídel letadla můžete využít k zajištění sítě letadla. Takové použití je omezeno nedostatečnou účinností piezoelektrických prvků, ale již byly vytvořeny poloprovozní závody, které ukázaly příslib dalšího zlepšení.
Podobné články:
