Hvad er den piezoelektriske effekt?
Den piezoelektriske effekt er en unik egenskab ved visse krystaller, hvor de vil generere et elektrisk felt eller strøm, hvis de udsættes for fysisk stress. Den samme virkning kan også ses i omvendt retning, hvor et pålagt elektrisk felt på krystallen lægger stress på dens struktur. Den piezoelektriske virkning er vigtig for transducere, som er elektriske komponenter, der bruges i en lang række sensor- og kredsløbsprogrammer. På trods af fænomenets alsidighed til applikationer i elektromekaniske enheder blev det opdaget i 1880, men fandt først udbredt brug før omkring et halvt århundrede senere. Typer af krystallinske strukturer, der udviser den piezoelektriske virkning, inkluderer kvarts-, topaz- og Rochelle-salt, som er en type kaliumsalt med den kemiske formel for KNaC 4 H 4 O 6 4H 2 O.
Pierre Curie, der er berømt for at vinde Nobelprisen i fysik fra 1903 for forskning i stråling med sin kone Marie, får kredit for at opdage den piezoelektriske effekt med sin bror Jacques Curie i 1880. Brødrene opdagede på det tidspunkt ikke den inverse piezoelektriske effekt dog hvor elektricitet deformerer krystaller. Gabriel Lippmann, en fransk-luxemburgisk fysiker, krediteres den inverse effekt-opdagelse året efter, som førte til hans opfindelse af Lippmann-elektrometret i 1883, et udstyr i hjertet af driften af den første eksperimentelle elektrokardiografi (ECG) -maskine.
Piezoelektriske effekter har den unikke egenskab ved ofte at udvikle tusinder af volt af elektrisk energipotentialeforskel med meget lave strømniveauer. Dette gør endda små piezoelektriske krystaller til nyttige genstande til frembringelse af gnister i tændingsudstyr såsom gasovne. Andre almindelige anvendelser til piezoelektriske krystaller inkluderer til at kontrollere præcise bevægelser i mikroskoper, printere og elektroniske ure.
Processen, hvorved den piezoelektriske effekt finder sted, er baseret på den grundlæggende struktur af et krystalgitter. Krystaller har generelt en ladningsbalance, hvor negative og positive ladninger nøjagtigt annullerer hinanden langs de stive planer af krystalgitteret. Når denne ladningsbalance afbrydes ved at påføre fysisk stress på en krystal, overføres energien af elektriske ladningsbærere, hvilket skaber en strøm i krystallen. Med den omvendte piezoelektriske virkning vil anvendelse af et eksternt elektrisk felt på krystallen ubalancere den neutrale ladningstilstand, hvilket resulterer i mekanisk belastning og let justering af gitterstrukturen.
Fra 2011 er den piezoelektriske effekt blevet monopoliseret i vid udstrækning og brugt i alt fra kvartsur til vandopvarmningsantændere, bærbare griller og endda nogle håndholdte tændere. I computerprintere bruges miniskule krystaller ved dyserne i blækstråler til at blokere strømmen af blæk. Når en strøm påføres dem, deformeres de, så blæk kan strømme på papir i omhyggeligt kontrollerede mængder for at producere tekst og billeder.
Den piezoelektriske virkning kan også bruges til at generere lyd til miniatyrhøjttalere i ure og i soniske transducere til at måle afstande mellem genstande som for eksempel stud-findere i byggebranchen. Ultrasoniske transducere er også baseret på piezoelektriske krystaller såvel som mange mikrofoner. Fra 2011 bruger de krystaller fremstillet af bariumtitanat, blytitanat eller blyzirkonat, der producerer lavere spændinger end Rochelle-salt, som var standardkrystallen i tidlige former af disse teknologier.
En af de mest avancerede teknologiformer til at udnytte den piezoelektriske effekt fra 2011 er den af scanningstunnelmikroskopet (STM), der bruges til visuelt at undersøge strukturen af atomer og små molekyler. STM er et grundlæggende værktøj inden for nanoteknologi. Piezoelektriske krystaller, der bruges i STM'er, er i stand til at generere målbar bevægelse i skalaen på blot et par nanometer eller milliarddels meter.