Piezoelektrični učinek in njegova uporaba v tehniki

Leta 1880 sta brata Jacques in Pierre Curie odkrila, da se ob stiskanju ali raztegovanju nekaterih naravnih kristalov na robovih kristalov pojavijo električni naboji. Brata sta ta pojav poimenovala "piezoelektričnost" (grška beseda "piezo" pomeni "pritisniti"), sami pa so takšne kristale poimenovali piezoelektrični kristali.

Izkazalo se je, da imajo kristali turmalina, kremena in drugi naravni kristali ter številni umetno vzgojeni kristali piezoelektrični učinek. Takšne kristale redno dodajamo na seznam že znanih piezoelektričnih kristalov.

Ko takšen piezoelektrični kristal raztegnemo ali stisnemo v želeno smer, se na nekaterih njegovih površinah pojavijo nasprotni električni naboji z majhno potencialno razliko.

Če na te ploskve postavimo medsebojno povezane elektrode, se bo v trenutku stiskanja ali raztezanja kristala v tokokrogu, ki ga tvorijo elektrode, pojavil kratek električni impulz.To bo manifestacija piezoelektričnega učinka ... Pri konstantnem tlaku se tak impulz ne bo pojavil.

Inherentne lastnosti teh kristalov omogočajo izdelavo natančnih in občutljivih instrumentov.

Piezoelektrični kristal je zelo elastičen. Ko se sila deformira, se kristal vrne v prvotno prostornino in obliko brez vztrajnosti. Vredno se je znova potruditi ali spremeniti že uporabljeno in takoj se bo odzvalo z novim trenutnim impulzom. Je najboljši snemalnik za doseganje zelo šibkih mehanskih tresljajev. Tok v tokokrogu vibrirajočega kristala je majhen in to je bil kamen spotike pri odkritju piezoelektričnega učinka bratov Curie.

V sodobni tehnologiji to ni ovira, saj se lahko tok okrepi milijonkrat. Zdaj je znano, da imajo nekateri kristali zelo pomemben piezoelektrični učinek. In tok, pridobljen iz njih, se lahko prenaša po žicah na dolge razdalje, tudi brez predhodnega ojačanja.

Piezoelektrični kristali so bili uporabljeni pri ultrazvočnem odkrivanju napak za odkrivanje napak v kovinskih izdelkih. V elektromehanskih pretvornikih za stabilizacijo radijskih frekvenc, v filtrih večkanalne telefonske komunikacije, ko na eni žici poteka več pogovorov hkrati, v senzorji tlaka in ojačanja, v adapterjih, pri ultrazvočno spajkanje — na številnih tehničnih področjih so piezoelektrični kristali zavzeli svoj neomajen položaj.

Pomembna lastnost piezoelektričnih kristalov je bil tudi obratni piezoelektrični učinek ... Če na določene površine kristala nanesemo naboje nasprotnih predznakov, se bodo v tem primeru sami kristali deformirali.Če na kristal uporabimo električne vibracije zvočne frekvence, bo ta začel vibrirati na isti frekvenci in v okoliškem zraku se bodo vzbujali zvočni valovi. Tako lahko isti kristal deluje kot mikrofon in zvočnik.

Druga lastnost piezoelektričnih kristalov jih naredi sestavni del sodobne radijske tehnologije. Kristal, ki ima naravno frekvenco mehanskih vibracij, začne posebej močno vibrirati v trenutku, ko frekvenca uporabljene izmenične napetosti sovpada z njo.

To je manifestacija elektromehanske resonance, na podlagi katere nastajajo piezoelektrični stabilizatorji, zaradi katerih se v generatorjih neprekinjenih nihanj ohranja konstantna frekvenca.

Na podoben način se odzivajo na mehanske vibracije, katerih frekvenca se ujema z naravno frekvenco vibracij piezoelektričnega kristala. To vam omogoča ustvarjanje akustičnih naprav, ki iz vseh zvokov, ki jih dosežejo, izberejo samo tiste, ki so potrebni za tak ali drugačen namen.

Za piezoelektrične naprave se ne vzamejo celi kristali. Kristali so razrezani v plasti, ki so strogo usmerjene glede na njihove kristalografske osi, te plasti so oblikovane v pravokotne ali okrogle plošče, ki so nato polirane na določeno velikost. Debelina plošč je skrbno vzdrževana, ker je od nje odvisna resonančna frekvenca nihanj. Eno ali več plošč, povezanih s kovinskimi plastmi na dveh širokih površinah, imenujemo piezoelektrični elementi.