Co je piezoelektrický efekt?
Piezoelektrický jev je jedinečnou vlastností určitých krystalů, kde při vystavení fyzickému stresu vytvoří elektrické pole nebo proud. Stejný účinek lze pozorovat také v opačném případě, kdy působením elektrického pole na krystal bude působit na jeho strukturu. Piezoelektrický efekt je nezbytný pro převodníky, které jsou elektrickými součástmi používanými v široké škále aplikací senzorů a obvodů. Navzdory univerzálnost tohoto jevu pro aplikace v elektrotechnických přístrojů, to bylo objeveno v roce 1880, ale nenašel rozšířené používání až o půl století později. Typy krystalických struktur, které projevují piezoelektrický účinek, zahrnují křemen, topaz a Rochelleovu sůl, což je typ draselné soli s chemickým vzorcem KNaC4H4O6 4H20.
Pierre Curie, který je známý tím, že získal se svou manželkou Marií Nobelovu cenu za fyziku za výzkum radiace z roku 1903, se zasloužil o objevení piezoelektrického jevu se svým bratrem Jacquesem Curiem v roce 1880. Bratři tehdy neobjevili inverzní piezoelektrický jev , kde však elektřina deformuje krystaly. Gabriel Lippmann, francouzsko-lucemburský fyzik, je zasvěcen objevem inverzního efektu následující rok, který vedl k jeho objevu Lippmannovho elektroměru v roce 1883, zařízení v srdci provozu prvního experimentálního elektrokardiografického stroje (EKG).
Piezoelektrické jevy mají jedinečnou vlastnost, že často vyvíjejí tisíce voltů rozdílu potenciálu elektrické energie při velmi nízkých úrovních proudu. Díky tomu jsou i malé piezoelektrické krystaly užitečnými objekty pro vytváření jisker v zapalovacích zařízeních, jako jsou plynové pece. Další běžná použití piezoelektrických krystalů zahrnují kontrolu přesných pohybů v mikroskopech, tiskárnách a elektronických hodinách.
Proces, ve kterém dochází k piezoelektrickému jevu, je založen na základní struktuře krystalové mřížky. Krystaly mají obecně rovnováhu nábojů, kde se záporné a kladné náboje přesně vzájemně ruší podél pevných rovin krystalové mřížky. Když je tato rovnováha náboje narušena působením fyzického napětí na krystal, energie je přenášena elektrickými nosiči náboje, čímž se v krystalu vytváří proud. S opačném piezoelektrický efekt, aplikaci vnějšího elektrického pole na krystalu se destabilizovat neutrální stav nabití, což vede k mechanickému namáhání a mírné přestavením příhradová konstrukce.
Od roku 2011 byl piezoelektrický efekt široce monopolizován a používán ve všem - od křemenných hodin po zapalovače ohřívače vody, přenosné grily a dokonce i některé ruční zapalovače. V počítačových tiskárnách se malé krystaly používají u trysek inkoustových bloků k blokování toku inkoustu. Když je na ně aplikován proud, deformují se, což umožňuje inkoustu vytékat na papír v pečlivě kontrolovaných objemech a vytvářet text a obrázky.
Piezoelektrický efekt může být také použita ke generování zvuku pro miniaturní reproduktory v hodinkách, a zvukových snímačů pro měření vzdáleností mezi objekty jako je stud nálezci ve stavebnictví obchodu. Ultrazvukové převodníky jsou také založeny na piezoelektrických krystalech a na mnoha mikrofonech. Od roku 2011 používají krystaly vyrobené z titaničitanu barnatého, titaničitanu olova nebo zirkoničitanu olovnatého, které produkují nižší napětí než Rochelleova sůl, což byl standardní krystal v raných formách těchto technologií.
Jednou z nejpokrokovějších forem technologie, která vytěží z piezoelektrického jevu od roku 2011, je skenovací tunelovací mikroskop (STM), který se používá k vizuálnímu zkoumání struktury atomů a malých molekul. STM je základním nástrojem v oblasti nanotechnologií. Piezoelektrické krystaly používané v modulech STM jsou schopné generovat měřitelný pohyb o rozsahu několika málo nanometrů nebo miliardtin metru.