Co to jest efekt piezoelektryczny?
Efekt piezoelektryczny jest unikalną właściwością niektórych kryształów, w których będą one generować pole elektryczne lub prąd, jeśli zostaną poddane obciążeniom fizycznym. Ten sam efekt można również zaobserwować w odwrotnej kolejności, gdy narzucone pole elektryczne na kryształ spowoduje obciążenie jego struktury. Efekt piezoelektryczny jest niezbędny w przetwornikach, które są komponentami elektrycznymi stosowanymi w szerokiej gamie zastosowań w czujnikach i obwodach. Pomimo wszechstronności tego zjawiska w zastosowaniach w urządzeniach elektromechanicznych, został odkryty w 1880 r., Ale nie znalazł szerokiego zastosowania dopiero około pół wieku później. Rodzaje struktur krystalicznych, które wykazują działanie piezoelektryczne, obejmują sól kwarcową, topazową i Rochelle, która jest rodzajem soli potasowej o wzorze chemicznym KNaC 4 H 4 O 6 4 H 2 O.
Pierre Curie, który słynie z wygrania Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1903 r. Za badania nad promieniowaniem ze swoją żoną Marie, przypisuje się odkrycie efektu piezoelektrycznego u swojego brata Jacquesa Curie w 1880 r. Bracia nie odkryli wówczas odwrotnego efektu piezoelektrycznego jednak tam, gdzie elektryczność odkształca kryształy. Gabriel Lippmann, fizyk francusko-luksemburski, przypisuje się odkrycie efektu odwrotnego w następnym roku, który doprowadził do jego wynalezienia elektrometru Lippmanna w 1883 r., Urządzenia będącego sercem działania pierwszej eksperymentalnej elektrokardiografii (EKG).
Efekty piezoelektryczne mają unikalną właściwość polegającą na często rozwijaniu tysięcy woltów różnicy potencjałów energii elektrycznej przy bardzo niskim poziomie prądu. Dzięki temu nawet małe kryształy piezoelektryczne są użytecznymi obiektami do generowania iskier w urządzeniach zapłonowych, takich jak kuchenki gazowe. Inne typowe zastosowania kryształów piezoelektrycznych obejmują kontrolę precyzyjnych ruchów w mikroskopach, drukarkach i zegarach elektronicznych.
Proces, w którym zachodzi efekt piezoelektryczny, oparty jest na podstawowej strukturze sieci krystalicznej. Kryształy mają zazwyczaj bilans ładunków, w którym ładunki ujemne i dodatnie dokładnie znoszą się nawzajem wzdłuż sztywnych płaszczyzn sieci krystalicznej. Kiedy równowaga ładunku zostaje zakłócona przez przyłożenie fizycznego obciążenia do kryształu, energia jest przenoszona przez nośniki ładunku elektrycznego, tworząc prąd w krysztale. Z odwrotnym efektem piezoelektrycznym przyłożenie zewnętrznego kryształu do kryształu spowoduje niezrównoważenie stanu ładunku neutralnego, co spowoduje naprężenie mechaniczne i nieznaczne dostosowanie struktury sieci.
Od 2011 r. Efekt piezoelektryczny jest szeroko zmonopolizowany i stosowany we wszystkim, od zegarów kwarcowych po zapalniki do podgrzewaczy wody, przenośne grille, a nawet niektóre zapalniczki ręczne. W drukarkach komputerowych maleńkie kryształy są stosowane w dyszach atramentowych w celu zablokowania przepływu atramentu. Po przyłożeniu do nich prądu odkształcają się, umożliwiając atramentowi spływanie na papier w dokładnie kontrolowanych objętościach w celu wytworzenia tekstu i obrazów.
Efekt piezoelektryczny może być również wykorzystywany do generowania dźwięku dla miniaturowych głośników w zegarkach oraz przetworników dźwiękowych do pomiaru odległości między obiektami, na przykład dla szukaczy kołków w branży budowlanej. Przetworniki ultradźwiękowe są również oparte na kryształach piezoelektrycznych, a także na wielu mikrofonach. W 2011 r. Używają kryształów wykonanych z tytanianu baru, tytanianu ołowiu lub cyrkonianu ołowiu, które wytwarzają niższe napięcia niż sól Rochelle, która była standardowym kryształem we wczesnych formach tych technologii.
Jedną z najbardziej zaawansowanych form technologii wykorzystujących efekt piezoelektryczny od 2011 roku jest skaningowy mikroskop tunelowy (STM), który służy do wizualnego badania struktury atomów i małych cząsteczek. STM jest podstawowym narzędziem w dziedzinie nanotechnologii. Kryształy piezoelektryczne stosowane w STM są w stanie generować mierzalny ruch w skali zaledwie kilku nanometrów lub miliardowych części metra.