Пиезоелектрични ефекат и његова примена у техници

Године 1880. браћа Жак и Пјер Кири открили су да када се одређени природни кристали сабијају или растежу, електрични набоји настају на ивицама кристала. Браћа су овај феномен назвали „пиезоелектричност“ (грчка реч „пиезо“ значи „притиснути“), а сами су такве кристале назвали пиезоелектрични кристали.

Како се испоставило, кристали турмалина, кварц и други природни кристали, као и многи вештачки узгојени кристали, имају пиезоелектрични ефекат. Такви кристали се редовно додају на листу већ познатих пиезоелектричних кристала.

Када се такав пиезоелектрични кристал растегне или сабије у жељеном правцу, на неким од његових површина појављују се супротна електрична наелектрисања са малом потенцијалном разликом.

Ако на ова лица поставимо електроде повезане једна са другом, онда ће се у тренутку компресије или истезања кристала појавити кратак електрични импулс у колу које формирају електроде.Ово ће бити манифестација пиезоелектричног ефекта... При константном притиску, такав импулс се неће појавити.

Својства ових кристала омогућавају производњу прецизних и осетљивих инструмената.

Пиезоелектрични кристал је веома еластичан. Када се сила деформише, кристал се враћа у првобитни волумен и облик без инерције. Вреди се поново потрудити или променити оно што је већ примењено, а то ће одмах одговорити новим тренутним импулсом. То је најбољи снимач за постизање врло слабих механичких вибрација. Струја у колу вибрирајућег кристала је мала и то је био камен спотицања приликом открића пиезоелектричног ефекта браће Кири.

У савременој технологији то није препрека, јер се струја може појачати милионима пута. Сада је познато да одређени кристали имају веома значајан пиезоелектрични ефекат. А струја добијена од њих може се преносити преко жица на велике удаљености, чак и без претходног појачања.

Пиезоелектрични кристали су коришћени у ултразвучној детекцији грешака за откривање недостатака у металним производима. У електромеханичким претварачима за стабилизацију радио фреквенција, у филтерима вишеканалне телефонске комуникације када се на једној жици води више разговора истовремено, у сензори притиска и појачања, у адаптерима, ат ултразвучно лемљење — у многим техничким областима пиезоелектрични кристали су заузели своју непоколебљиву позицију.

Важно својство пиезоелектричних кристала био је и обрнути пиезоелектрични ефекат... Ако се на одређене површине кристала примењују наелектрисања супротних предзнака, онда ће се сами кристали у овом случају деформисати.Ако се електричне вибрације аудио фреквенције примене на кристал, он ће почети да вибрира на истој фреквенцији и звучни таласи ће се побуђивати у околном ваздуху. Дакле, исти кристал може да делује и као микрофон и као звучник.

Још једна карактеристика пиезоелектричних кристала чини их саставним делом модерне радио технологије. Поседујући природну фреквенцију механичких вибрација, кристал почиње да вибрира посебно снажно у тренутку када се фреквенција примењеног наизменичног напона поклопи са њим.

Ово је манифестација електромеханичке резонанце, на основу које се стварају пиезоелектрични стабилизатори, због којих се у генераторима непрекидних осцилација одржава константна фреквенција.

Они на сличан начин реагују на механичке вибрације чија фреквенција одговара природној фреквенцији вибрација пиезоелектричног кристала. Ово вам омогућава да креирате акустичне уређаје који од свих звукова који допиру до њих бирају само оне који су потребни за једну или другу сврху.

За пиезоелектричне уређаје се не узимају цели кристали. Кристали се секу на слојеве строго оријентисане у односу на њихове кристалографске осе, од ових слојева се праве правоугаоне или кружне плоче, које се затим полирају до одређене величине. Дебљина плоча се пажљиво одржава јер од ње зависи резонантна фреквенција осцилација. Једна или више плоча повезаних металним слојевима на две широке површине називају се пиезоелектрични елементи.