Hva er den piezoelektriske effekten?
Den piezoelektriske effekten er en unik egenskap til visse krystaller der de vil generere et elektrisk felt eller strøm hvis de utsettes for fysisk stress. Den samme effekten kan også observeres i revers, der et pålagt elektrisk felt på krystallen vil legge belastning på strukturen. Den piezoelektriske effekten er avgjørende for svinger, som er elektriske komponenter som brukes i en rekke sensorer og kretsapplikasjoner. Til tross for allsidighet av fenomenet for anvendelser i elektromekaniske enheter, ble det oppdaget i 1880, men fant ikke utbredt bruk før omtrent et halvt århundre senere. Typer av krystallinske strukturer som viser den piezoelektriske effekten inkluderer kvarts, topas og Rochelle-salt, som er en type kaliumsalt med den kjemiske formelen KNaC 4 H 4 O 6 4H 2 O.
Pierre Curie, som er kjent for å ha vunnet Nobelprisen i fysikk fra 1903 for forskning på stråling sammen med kona Marie, får kreditt for å oppdage den piezoelektriske effekten med broren Jacques Curie i 1880. Brødrene oppdaget ikke den gang den omvendte piezoelektriske effekten der elektrisitet deformerer krystaller. Gabriel Lippmann, en fransk-luxemburgisk fysiker, blir kreditert den inverse effektfunnet året etter, som førte til hans oppfinnelse av Lippmann-elektrometeret i 1883, et apparat som er kjernen i driften av den første eksperimentelle elektrokardiografien (ECG) -maskinen.
Piezoelektriske effekter har den unike egenskapen til ofte å utvikle tusenvis av volt elektrisk energipotensialforskjell med veldig lave strømnivåer. Dette gjør til og med bittesmå piezoelektriske krystaller til nyttige gjenstander for å generere gnister i tenningsutstyr som gassovner. Andre vanlige bruksområder for piezoelektriske krystaller inkluderer å kontrollere presise bevegelser i mikroskop, skrivere og elektroniske klokker.
Prosessen der den piezoelektriske effekten foregår er basert på den grunnleggende strukturen til et krystallgitter. Krystaller har generelt en ladningsbalanse der negative og positive ladninger nøyaktig avbryter hverandre langs krystallgitterets stive plan. Når denne ladningsbalansen blir forstyrret ved å påføre fysisk stress på en krystall, overføres energien av elektriske ladningsbærere og skaper en strøm i krystallen. Med den omvendte piezoelektriske effekten vil anvendelse av et eksternt elektrisk felt på krystallen balansere den nøytrale ladningstilstanden, noe som resulterer i mekanisk belastning og lett justering av gitterstrukturen.
Fra 2011 har den piezoelektriske effekten blitt monopolisert i stor utstrekning og brukt i alt fra kvartsur til varmtvannsberederen, bærbare griller og til og med noen håndholdte lightere. I datamaskinskrivere brukes miniskule krystaller ved dysene til blekkstråler for å blokkere strømmen av blekk. Når en strøm påføres dem, deformeres de, slik at blekk kan strømme på papir i nøye kontrollerte volumer for å produsere tekst og bilder.
Den piezoelektriske effekten kan også brukes til å generere lyd for miniatyrhøyttalere i klokker, og i soniske transdusere for å måle avstander mellom gjenstander som for eksempel studfinner i byggebransjen. Ultralydomformere er også basert på piezoelektriske krystaller, så vel som mange mikrofoner. Fra 2011 bruker de krystaller laget av bariumtitanat, blytitanat eller blyzirkonat, som gir lavere spenning enn Rochelle-salt, som var standardkrystallen i tidlige former for disse teknologiene.
En av de mest avanserte teknologiformene for å utnytte den piezoelektriske effekten fra 2011 er den av skanningstunnelmikroskopet (STM) som brukes til visuelt å undersøke strukturen til atomer og små molekyler. STM er et grunnleggende verktøy innen nanoteknologi. Piezoelektriske krystaller brukt i STM er i stand til å generere målbar bevegelse i skalaen på bare noen få nanometer eller milliarddeler av en meter.