A piezoelektromos hatás és alkalmazása a technikában

1880-ban Jacques és Pierre Curie testvérek felfedezték, hogy amikor bizonyos természetes kristályokat összenyomnak vagy megnyújtanak, elektromos töltések keletkeznek a kristályok szélein. A testvérek ezt a jelenséget "piezoelektromosságnak" nevezték (a görög "piezo" szó jelentése "préselés"), ők maguk pedig piezoelektromos kristályoknak nevezték az ilyen kristályokat.

Mint kiderült, a turmalin kristályoknak, a kvarcnak és más természetes kristályoknak, valamint számos mesterségesen termesztett kristálynak piezoelektromos hatása van. Az ilyen kristályok rendszeresen felkerülnek a már ismert piezoelektromos kristályok listájára.

Ha egy ilyen piezoelektromos kristályt a kívánt irányba nyújtunk vagy összenyomunk, akkor egyes felületein ellentétes elektromos töltések jelennek meg kis potenciálkülönbséggel.

Ha ezekre az oldalakra egymáshoz kapcsolódó elektródákat helyezünk el, akkor a kristály összenyomódása vagy nyújtása pillanatában az elektródák által alkotott áramkörben rövid elektromos impulzus jelenik meg.Ez lesz a piezoelektromos hatás megnyilvánulása... Állandó nyomáson ilyen impulzus nem jön létre.

Ezeknek a kristályoknak a benne rejlő tulajdonságai lehetővé teszik precíz és érzékeny műszerek előállítását.

A piezoelektromos kristály rendkívül rugalmas. Ha az erő deformálódik, a kristály tehetetlenség nélkül visszanyeri eredeti térfogatát és alakját. Érdemes újra erőlködni, vagy megváltoztatni a már alkalmazottakat, és az azonnal új aktuális impulzussal fog reagálni. Ez a legjobb felvevő nagyon gyenge mechanikai rezgések elérésére. A vibráló kristály áramkörében kicsi az áram, és ez volt a buktató a piezoelektromos hatás felfedezésekor a Curie fivérek által.

A modern technikában ez nem akadály, mert az áram milliószorosára erősíthető. Ma már ismert, hogy bizonyos kristályoknak igen jelentős piezoelektromos hatása van. A belőlük nyert áram pedig nagy távolságra is továbbítható vezetékeken, előzetes erősítés nélkül is.

Piezoelektromos kristályokat használtak az ultrahangos hibaészlelésben a fémtermékek hibáinak kimutatására. Rádiófrekvencia-stabilizáló elektromechanikus átalakítókban, többcsatornás telefonkommunikáció szűrőiben, amikor egy vezetéken egyidejűleg több beszélgetés zajlik, nyomás és erősítés érzékelők, adapterekben, at ultrahangos forrasztás — számos műszaki területen a piezoelektromos kristályok elfoglalták rendíthetetlen pozíciójukat.

A piezoelektromos kristályok fontos tulajdonsága volt a fordított piezoelektromos hatás is... Ha a kristály bizonyos felületeire ellentétes előjelű töltéseket viszünk fel, akkor ebben az esetben maguk a kristályok deformálódnak.Ha egy hangfrekvenciás elektromos rezgést alkalmaznak egy kristályon, akkor az ugyanazon a frekvencián kezd rezegni, és hanghullámok gerjesztődnek a környező levegőben. Tehát ugyanaz a kristály működhet mikrofonként és hangszóróként is.

A piezoelektromos kristályok másik jellemzője a modern rádiótechnológia szerves részévé teszi őket. A mechanikai rezgések természetes frekvenciájának birtokában a kristály különösen erős rezgésbe kezd abban a pillanatban, amikor az alkalmazott váltakozó feszültség frekvenciája egybeesik vele.

Ez az elektromechanikus rezonancia megnyilvánulása, amely alapján piezoelektromos stabilizátorokat hoznak létre, amelyeknek köszönhetően állandó frekvenciát tartanak fenn a folyamatos rezgések generátoraiban.

Hasonló módon reagálnak a mechanikai rezgésekre, amelyek frekvenciája megegyezik a piezoelektromos kristály természetes rezgési frekvenciájával. Ez lehetővé teszi olyan akusztikus eszközök létrehozását, amelyek az őket elérő hangok közül csak azokat választják ki, amelyek egyik vagy másik célra szükségesek.

A piezoelektromos eszközökhöz nem veszik figyelembe az egész kristályokat. A kristályokat a krisztallográfiai tengelyükhöz képest szigorúan orientált rétegekre vágják, ezekből a rétegekből téglalap vagy kör alakú lemezeket készítenek, amelyeket azután bizonyos méretre csiszolnak. A lemezek vastagságát gondosan be kell tartani, mert ettől függ a rezgések rezonanciafrekvenciája. Egy vagy több lemezt, amelyeket két széles felületen fémréteg köt össze, piezoelektromos elemeknek nevezzük.