Vad är den piezoelektriska effekten?
Den piezoelektriska effekten är en unik egenskap hos vissa kristaller där de genererar ett elektriskt fält eller ström om de utsätts för fysisk påfrestning. Samma effekt kan också observeras i omvänd riktning, där ett pålagt elektriskt fält på kristallen sätter stress på dess struktur. Den piezoelektriska effekten är väsentlig för givare, som är elektriska komponenter som används i en mängd olika sensor- och kretsapplikationer. Trots mångsidigheten i fenomenet för tillämpningar i elektromekaniska apparater upptäcktes det 1880, men hittade inte utbredd användning förrän omkring ett halvt sekel senare. Typer av kristallina strukturer som uppvisar den piezoelektriska effekten inkluderar kvarts, topas och Rochelle-salt, som är en typ av kaliumsalt med den kemiska formeln KNAC 4 H 4 O 6 4H 2 O.
Pierre Curie, som är känd för att ha vunnit Nobelpriset i fysik 1903 för forskning om strålning med sin fru Marie, krediteras att upptäcka den piezoelektriska effekten med sin bror Jacques Curie 1880. Bröderna upptäckte inte vid den tiden den omvända piezoelektriska effekten emellertid där el deformerar kristaller. Gabriel Lippmann, en fransk-luxemburgisk fysiker, krediteras den omvända effekten upptäckten året efter, vilket ledde till hans uppfinning av Lippmann-elektrometern 1883, en enhet i hjärtat av driften av den första experimentella elektrokardiografinmaskinen (EKG).
Piezoelektriska effekter har den unika egenskapen att ofta utveckla tusentals volt elektrisk energipotentialskillnad med mycket låga strömnivåer. Detta gör även små piezoelektriska kristaller till användbara föremål för att alstra gnistor i tändningsutrustning som gasugnar. Andra vanliga användningar för piezoelektriska kristaller inkluderar för att kontrollera exakta rörelser i mikroskop, skrivare och elektroniska klockor.
Processen varigenom den piezoelektriska effekten äger rum är baserad på den grundläggande strukturen hos ett kristallgitter. Kristaller har vanligtvis en laddningsbalans där negativa och positiva laddningar exakt avbryter varandra ut längs kristallgitterets styva plan. När denna laddningsbalans störs genom att applicera fysisk påkänning på en kristall överförs energin av elektriska laddningsbärare, vilket skapar en ström i kristallen. Med den omvända piezoelektriska effekten kommer applicering av ett externt elektriskt fält på kristallen att balansera det neutrala laddningstillståndet, vilket resulterar i mekanisk spänning och lätt justering av gitterstrukturen.
Från och med 2011 har den piezoelektriska effekten monopoliserats i stort och använts i allt från kvartsklockor till tändare för vattenvärmare, bärbara grillar och till och med vissa handhållna tändare. I datorskrivare används miniscule-kristallerna vid munstyckena hos bläckstråler för att blockera bläckflödet. När en ström appliceras på dem deformeras de så att bläck flyter på papper i noggrant kontrollerade volymer för att producera text och bilder.
Den piezoelektriska effekten kan också användas för att generera ljud för miniatyrhögtalare i klockor och i ljudomvandlare för att mäta avstånd mellan föremål som till exempel för studfyndare i byggbranschen. Ultraljudsgivare är också baserade på piezoelektriska kristaller liksom många mikrofoner. Från och med 2011 använder de kristaller tillverkade av bariumtitanat, blytitanat eller blyzirkonat, som ger lägre spänningar än Rochelle-salt, som var standardkristallen i tidiga former av dessa tekniker.
En av de mest avancerade teknikformerna för att utnyttja den piezoelektriska effekten från 2011 är den av skanningstunnelmikroskopet (STM) som används för att visuellt undersöka strukturen hos atomer och små molekyler. STM är ett grundläggande verktyg inom nanoteknikområdet. Piezoelektriska kristaller som används i STM kan generera mätbar rörelse i skalan på bara några nanometer eller miljarddels meter.