Wat is het piëzo-elektrisch effect?
Het piëzo-elektrische effect is een unieke eigenschap van bepaalde kristallen waar ze een elektrisch veld of stroom genereren als ze worden blootgesteld aan fysieke stress. Hetzelfde effect kan ook omgekeerd worden waargenomen, waarbij een opgelegd elektrisch veld op het kristal de structuur ervan zal belasten. Het piëzo-elektrische effect is essentieel voor transducers, elektrische componenten die worden gebruikt in een breed scala aan sensor- en circuittoepassingen. Ondanks de veelzijdigheid van het fenomeen voor toepassingen in elektromechanische apparaten, werd het ontdekt in 1880, maar werd pas ongeveer een halve eeuw later op grote schaal gebruikt. Soorten kristallijne structuren die het piëzo-elektrische effect vertonen, omvatten kwarts, topaas en Rochelle-zout, een soort kaliumzout met de chemische formule KNaC 4 H 4 O 6 4H 2 O.
Pierre Curie, die beroemd is vanwege het winnen van de Nobelprijs voor natuurkunde voor onderzoek naar straling met zijn vrouw Marie in 1903, wordt gecrediteerd met het ontdekken van het piëzo-elektrische effect met zijn broer Jacques Curie in 1880. De broers ontdekten destijds niet het omgekeerde piëzo-elektrische effect echter, waar elektriciteit kristallen vervormt. Gabriel Lippmann, een Frans-Luxemburgse fysicus, wordt gecrediteerd met de ontdekking van het omgekeerde effect het volgende jaar, die leidde tot zijn uitvinding van de Lippmann-elektrometer in 1883, een apparaat in het hart van de werking van de eerste experimentele elektrocardiografie (ECG) -machine.
Piëzo-elektrische effecten hebben de unieke eigenschap dat ze vaak duizenden volt elektrisch energiepotentiaalverschil ontwikkelen met zeer lage stroomniveaus. Dit maakt zelfs kleine piezo-elektrische kristallen nuttige objecten voor het genereren van vonken in ontstekingsapparatuur zoals gasovens. Andere veel voorkomende toepassingen voor piëzo-elektrische kristallen zijn onder meer om precieze bewegingen in microscopen, printers en elektronische klokken te regelen.
Het proces waarbij het piëzo-elektrische effect plaatsvindt, is gebaseerd op de fundamentele structuur van een kristalrooster. Kristallen hebben in het algemeen een ladingsbalans waar negatieve en positieve ladingen elkaar precies opheffen langs de starre vlakken van het kristalrooster. Wanneer deze ladingsbalans wordt verstoord door fysieke stress op een kristal uit te oefenen, wordt de energie overgedragen door elektrische ladingsdragers, waardoor een stroom in het kristal ontstaat. Met het omgekeerde piëzo-elektrische effect zal het aanleggen van een extern elektrisch veld op het kristal de neutrale ladingstoestand onevenwichtig maken, wat resulteert in mechanische spanning en een lichte aanpassing van de roosterstructuur.
Vanaf 2011 is het piëzo-elektrische effect op grote schaal gemonopoliseerd en gebruikt in alles, van kwartsklokken tot waterontstekers, draagbare grills en zelfs sommige handmatige aanstekers. In computerprinters worden de minuscule kristallen aan de spuitopeningen van inkjetprinters gebruikt om de inktstroom te blokkeren. Wanneer een stroom op hen wordt toegepast, vervormen ze, waardoor inkt in zorgvuldig gecontroleerde volumes op papier kan stromen om tekst en afbeeldingen te produceren.
Het piëzo-elektrische effect kan ook worden gebruikt om geluid te genereren voor miniatuurluidsprekers in horloges en in sonische transducers om afstanden tussen objecten te meten, zoals voor stud-vinders in de bouwsector. Ultrasone transducers zijn ook gebaseerd op piëzo-elektrische kristallen en veel microfoons. Vanaf 2011 gebruiken ze kristallen gemaakt van bariumtitanaat, loodtitanaat of loodzirconaat, die lagere spanningen produceren dan Rochelle-zout, het standaardkristal in vroege vormen van deze technologieën.
Een van de meest geavanceerde vormen van technologie om te profiteren van het piëzo-elektrische effect vanaf 2011 is dat van de scanning tunneling microscope (STM) die wordt gebruikt om de structuur van atomen en kleine moleculen visueel te onderzoeken. De STM is een fundamenteel hulpmiddel op het gebied van nanotechnologie. Piëzo-elektrische kristallen die in STM's worden gebruikt, kunnen meetbare bewegingen genereren op de schaal van slechts enkele nanometers of miljardsten van een meter.