Piezoelektrický jav a jeho využitie v technológii
V roku 1880 bratia Jacques a Pierre Curie zistili, že keď boli určité prírodné kryštály stlačené alebo natiahnuté, na okrajoch kryštálov vznikli elektrické náboje. Bratia nazvali tento jav „piezoelektrina“ (grécke slovo „piezo“ znamená „lisovať“) a sami takéto kryštály nazývali piezoelektrické kryštály.
Ako sa ukázalo, kryštály turmalínu, kremeň a iné prírodné kryštály, ako aj mnohé umelo pestované kryštály, majú piezoelektrický efekt. Takéto kryštály sú pravidelne pridávané do zoznamu už známych piezoelektrických kryštálov.
Keď sa takýto piezoelektrický kryštál natiahne alebo stlačí v požadovanom smere, na niektorých jeho povrchoch sa objavia opačné elektrické náboje s malým rozdielom potenciálov.
Ak na tieto čelá položíme navzájom spojené elektródy, tak v momente stlačenia alebo natiahnutia kryštálu sa v obvode tvorenom elektródami objaví krátky elektrický impulz.To bude prejav piezoelektrického efektu... Pri konštantnom tlaku k takémuto impulzu nedôjde.
Vlastné vlastnosti týchto kryštálov umožňujú vyrábať presné a citlivé nástroje.
Piezoelektrický kryštál je vysoko elastický. Pri deformácii sily sa kryštál vráti do pôvodného objemu a tvaru bez zotrvačnosti. Stojí za to znova sa posnažiť alebo zmeniť už aplikované a okamžite to zareaguje novým aktuálnym impulzom. Je to najlepší záznamník na dosiahnutie veľmi slabých mechanických vibrácií. Prúd v obvode vibrujúceho kryštálu je malý a to bol kameň úrazu pri objavení piezoelektrického javu bratmi Curieovými.
V moderných technológiách to nie je prekážkou, pretože prúd môže byť zosilnený miliónkrát. Teraz je známe, že určité kryštály majú veľmi významný piezoelektrický efekt. A prúd získaný z nich môže byť prenášaný po drôtoch na veľké vzdialenosti, a to aj bez predchádzajúceho zosilnenia.
Piezoelektrické kryštály sa používajú pri ultrazvukovej detekcii defektov na detekciu defektov kovových výrobkov. V elektromechanických konvertoroch na stabilizáciu rádiovej frekvencie, vo filtroch viackanálovej telefónnej komunikácie, keď sa súčasne vedie niekoľko hovorov na jednom vodiči, v snímače tlaku a zisku, v adaptéroch, pri ultrazvukové spájkovanie — v mnohých technických oblastiach zaujali piezoelektrické kryštály svoje neotrasiteľné postavenie.
Dôležitou vlastnosťou piezoelektrických kryštálov bol aj reverzný piezoelektrický efekt... Ak sa na určité povrchy kryštálu aplikujú náboje opačného znamienka, tak samotné kryštály budú v tomto prípade deformované.Ak sa na kryštál aplikujú elektrické vibrácie zvukovej frekvencie, kryštál začne vibrovať s rovnakou frekvenciou a zvukové vlny budú vybudené v okolitom vzduchu. Takže ten istý kryštál môže fungovať ako mikrofón aj reproduktor.
Ďalšia vlastnosť piezoelektrických kryštálov z nich robí neoddeliteľnú súčasť modernej rádiovej techniky. Kryštál, ktorý má prirodzenú frekvenciu mechanických vibrácií, začne vibrovať obzvlášť silno v okamihu, keď sa s ním zhoduje frekvencia aplikovaného striedavého napätia.
Ide o prejav elektromechanickej rezonancie, na základe ktorej vznikajú piezoelektrické stabilizátory, vďaka ktorým sa v generátoroch kontinuálnych kmitov udržiava konštantná frekvencia.
Reagujú podobným spôsobom na mechanické vibrácie, ktorých frekvencia sa zhoduje s prirodzenou frekvenciou vibrácií piezoelektrického kryštálu. To vám umožňuje vytvárať akustické zariadenia, ktoré si zo všetkých zvukov, ktoré sa k nim dostanú, vyberú len tie, ktoré sú potrebné na ten či onen účel.
Pre piezoelektrické zariadenia sa neberú celé kryštály. Kryštály sú brúsené do vrstiev striktne orientovaných vzhľadom na ich kryštalografické osi, z týchto vrstiev sú vyrábané pravouhlé alebo kruhové platne, ktoré sú následne leštené na určitú veľkosť. Hrúbka dosiek je starostlivo udržiavaná, pretože od nej závisí rezonančná frekvencia kmitov. Jedna alebo viac dosiek spojených kovovými vrstvami na dvoch širokých plochách sa nazývajú piezoelektrické prvky.