Efekt piezoelektryczny

Dlaczego symetria krystalu ma znaczenie

Nie każdy krystał może być piezoelektryczny, a powód sprowadza się do geometrii. Krystał jest zbudowany z jednostkowego komórka, małej grupy atomów, której wzór rozciąga się nieograniczenie w trzech wymiarach. Czy ta jednostkowa komórka może wywoływać reakcję piezoelektryczną zależy od tego, czy posiada centrum symetrii, zwane również symetrią odwrotnością. Struktura ma centrum symetryjne, jeśli dla każdego atomu na jakimś położeniu, istnieje identyczny atom w exact przeciwległym położeniu przez punkt centralny. Solyna zazwyczaj stolarnicza, sodu chloran, jest klasycznym przykładem krystalu centrosymetrycznego: proste sześcienne ułożenie jonów sodu i chlorku jest idealnie równoważne wokół punktu centralnego. Gdy naciskasz na krystal soliny sodu chloran, jony przesuwają się nieco, ale ze względu na symetrię odwrotność, przesunięcia po jednej stronie są dokładnie odbitymi i zrównywane przez przesunięcia na przeciwległej stronie. Centra ładunków dodatnich i ujemnych pozostają w konsekwencji zgodne niezależnie od tego, jak mocno go nacisnąszyte, więc nigdy nie może pojawić się netto polarizacja. Symetria zabrania tego, niezależnie od tego, jak mocno go nacisnątesz. Materie piezoelektryczne są podstawowo różne: ich jednostkowe komórki brakają tego centrum symetryjnego. Quarzu, formy siarki dwutlenku węgla, ma spiralny, skrzyżowany układ atomów siarki i tlenu bez punktu odwrotności. Solina Rochelle ma podobnie asymetryczne ułożenie molekularne. Ceramiki zaprojektowane, takie jak titanat jadra zirconium, są produkowane z deformatywnego, niecentralnego struktury perowskiej specjalnie do maksymalizacji tej asymetrii. Wszystkich tych materiałach, gdy nacisk zmienia kształt jednostkowej komórki, centra ładunków dodatnich i ujemnych przesuwa się w różnych ilościach i kierunkach, więc już nie są zgodne. Ta separacja ładunków jest to, co wywołuje mierzalny napięcie. Dalszy wniosek głębszy brzmi, że piezoelektryczność nie jest cechą pojedynczych atomów ani wiązań, ale emergentną cechą architektury krystalicznej: z trzechdziesięciu dwu klas krystalicznych rozpoznawanych w crystallografii, tylko dwadzieścia brakają centrum symetryjnego, a tylko te dwadzieścia mogą, w teoretycznym sensie, wykazać piezoelektryczne zachowanie.

bezpośredni efekt: nacisk do generowania napięcia

Efekt piezoelektryczny bezpośredni przekształca energię mechaniczną w energię elektryczną. Gdy zewnetrzna siła napina, rozciąga lub obciąża kryształ piezoelektryczny, asymetryczna jednostkowa komórka deformuje się i centra ładunków dodatnich i ujemnych oddzielają się o niewielką odległość. Przemnożone na biliony jednostkowych komórek w rzeczywistym kryształu, ta mikroskopiczna separacja dodaje się do mierzonego ładunku powierzchniowego i napięcia, które można wykorzystać za pomocą elektrod podłączonych do przeciwnych ścianek materiału. Napięcie wygenerowane jest proporcjonalne do stosowanego nacisku, co sprawia, że kryształy piezoelektryczne są doskonałymi czujnikami kwantyfikującymi. W mikrofonie piezoelektrycznym dźwiękowe wabki trafiające na przegub połączony z elementem piezoelektrycznym tworzą małe, szybko oscylujące naciski, które są bezpośrednio konwertowane w sygnał elektroniczny odzwierciedlający dźwiękowe wabki. W czujnikach indywidualnych siły i nacisków piezoelektryczne kryształy zasadowe między elektrodami informują o dokładnej wielkości stosowanego obciążenia, opierając się na rozmiarze wygenerowanego napięcia, używane w miejscach takich jak czujniki przewalające się w bagażniku samochodowym czy monitorowanie maszyn indusyjnych. Ignitery piezoelektryczne, znane z grilla na gazie i zapalniczek, używają sprężystego kulału, aby ścisnąć krystal ceramiczny piezoelektryczny; wynikający nagle wzrost napięcia, często w kilka tysięcy woltów, jest wystarczający do skaczenia przez przeszkodę ognia i zapalenia gazu. Jeden ważny szczegół polega na tym, że czujniki piezoelektryczne reagują na zmieniające się naciski zamiast ciągłych statycznych nacisków. Ponieważ ładunek powierzchniowy wygenerowany przez stałą siłę wolno utrąca się poprzez nieperfekcyjną izolację czujnika i dowolny podłączony układ pomiarowy, czujniki piezoelektryczne nadają się do mierzenia dynamicznych, szybko zmieniających się sił, drgań i uderzeń, ale są słabe w mierzeniu stałego, niezmienionego ciężaru przez długie okresy. To dlatego czujniki piezoelektryczne dominują w aplikacjach wiążących się z drganiem, uderzeniem, dźwiękiem i szybko zmieniającym się naciskom, podczas gdy stabilne mierzenie ciężaru zwykle opiera się na innych technologiach czujnikowych, takich jak wały deformacyjne.

Przeciwny efekt: napięcie do ruchu

Efekt piezoelektryczny przeciwny odwraca proces, konwertując energię elektryczną na ruch mechaniczny. Gdy zastosujemy napięcie zewnętrznego poziomu prądu do krystalu piezoelektrycznego, pole elektryczne napędza i zasila rozkład ładunków wewnątrz, co wymusza deformację asymetrycznych komórek jednostkowych. Ponieważ pole działa bezpośrednio na tę samą asymetrię ładunkową odpowiadającą za efekt bezpośredni, sam krystal zmienia kształt, rozszerzając się, zrzucając lub deformatywnie deformując o ilość proporcjonalną do zastosowanego napięcia. Przesunięcia te są niezwykle małe, często tylko nanometry do mikrometrów, ale są również niezwykle precyzyjne i powtarzalne, co dokładnie wyjaśnia wartość przeciwnego efektu. Okreslarki zegarowe elektroniczne wykorzystują tę precyzję w połączeniu z efektem bezpośredni: zastosowane napięcie deformuje ostro odcięty krystal kwarsowy, który potem wraca do naturalnej formy i oscyluje przy bardzo stabilnej częstotliwości mechanicznej, zwykle 32768 razy na sekundę w zegarkach zegarniczych. Ta oscylacja jest powtarzana elektrycznie, aby utrzymać sygnał precyzyjnego podtrzymywania czasu. Transduktor ultradźwiękowy w medycynie diagnosticznej wykorzystuje szybko alternujące napięcie do oscylacji elementu piezoelektrycznego na częstotliwości megahertz, generując dźwiękowe falki, które docierają do tkaniny; ten sam element transduktorowy następnie wykorzystuje efekt bezpośredni do odbioru słabo słychaćcych ekozywrotów, konwertując je w sygnały elektryczne używane do tworzenia obrazu. Wyjścia druku z piezoelektrycznych gliniarek drukarni papierowych wykorzystują dokładnie zapisane impulsy napięcia, aby deformować membranę piezoelektryczną, mechanicznie spychając kroplę farby z nozela z doskonałym kontrolowaniem rozmiaru i czasu. Mikroskop siatkowy atomiczny prowadzi tę precyzję najdalej: aktywatory piezoelektryczne ustawiają czubek detektora mikroskopu z subnanometryczną precyzją, skanując go w drobnych, doskonałym stopniowo kontrolowanych krokach po powierzchni próby, tworząc obraz pojedynczych atomów i molekuł.

Ceramiki przystosowane i poling

Podczas gdy naturalne krystale, takie jak kwarts i sól Rochelle, były pierwszymi materiałami piezoelektrycznymi badanymi, większość współczesnych urządzeń piezoelektrycznych używa sztucznych ceramik, najczęściej zasadniczo zirconatu titanatu wodzanego, znanej pod skrótem PZT. Te materiały należą do szerokiego rodziny ferroelektrów i zrozumienie ich wymaga dodatkowego kroku poza proste symetrii krystałowej. Jak wyprodukowane, ceramika PZT jest wielokrystaliczna, składająca się z niezliczonych mikroskopijnych krystallowych gruzików, każdy z własną asymetryczną jednostką komórki i zatem własnym lokalnym polaryzowaniem elektrycznym, ale z tymi gruzikami losowo orientowanymi w każdym kierunku. W tym stanie wyprodukowanym, losowe orientacje anulują się na średnianych, a cała ceramika nie pokazuje żadnej netto reakcji piezoelektrycznej, nawet though każdy z gruzików jest piezoelektryczny na poziomie mikroskopijnym. Aby aktywować materiał, producenti stosują proces nazywany polingiem: ceramika jest podgrzewana do temperatury bliskiej punktu Curiego i następnie poddana silnemu zewnętrznemu pole elektrycznym, często kilkunastu tysięcy woltów na milimetr, podczas chłodzenia. To pole zmusza kierunek polaryzacji każdego gruzika do obracania się i ustawiania się jak najbardziej zgodnie z kierunkiem pola, a ta orientacja staje się prawie zamknięta raz ceramika chłodzi się poniżej punktu Curiego i pole jest usunięte. Wynikiem jest ceramika z silnym, stabilnym netto reakcji piezoelektrycznej w kierunku polinga. Ważne zalety sztucznych ceramik nad naturalnymi krystalami to znaczące: PZT można wyprodukować w prawie dowolnej formie, współczynniki piezoelektryczności mogą być dostosowywane poprzez modyfikację proporcji zirconium do titanu i dodawanie dopantów, a odpowiedź jest zwykle znacznie silniejsza niż u naturalnego kwartsa. Zasada korzystania z tych operacji polega na tym, że PZT może stracić swoje właściwości piezoelektryczne, jeśli zostanie podgrzewany powyżej punktu Curiego, wybrukowany jest silnym przeciwnym poljem elektrycznym lub poddany ekstremalnej nacisku mechanicznego, dlatego projektanci urządzeń muszą starannie zasługiwać na te granice operacyjne.

Od braci Curie do współczesnych urządzeń

Efekt piezoelektryczny został po raz pierwszy zauważony w 1880 roku przez braci Jacquesa i Pierrea Curi, którzy systematycznie przetestowali szereg krystalów, w tym kwarc, turmalin oraz sól Rochella. Znaleźli, że nacisk mechaniczny na określone osie krystala powoduje wytworzenie proporcjonalnych ładunków elektrycznych na powierzchniach krystalu. Ciekawostką jest to, że bracia zrozumieli istnienie bezpośredniego efektu poprzez dokładne rozważania crystalograficzne dotyczące symetrii przed pewnymi potwierdzającymi doświadczeniami nawet ukończoneymi. Efekt odwrotny nie został odkryty eksperymentalnie, ale przewidywał go matematycznie w 1881 roku fizyk Gabriel Lippmann, który wykazał, że jeśli istniał efekt bezpośredni, symetria wymagała istnienia efektu odwrotnego; bracia Curi natychmiast potwierdzili przewidywanie Lippmana w laboratorium. W ciągu kilku dekad efekt pozostawał zjawiskiem laboratoryjnym, ale to zmieniło się drastycznie podczas I wojny światowej, gdy Paul Langevin użył krystalicznych transducerów piezoelektrycznych kwarcu do budowy wcześniejszych urządzeń sonarowych do wykrywania okrętów podwodnych, pokazując ogromną praktyczną wartość efektu w generowaniu i wykrywaniu fal ultradźwiękowych. Odkrycie i ulepszanie w połowie XX wieku sztucznych ceramicznych ferroelektryków, takich jak titanat bariery i później titanat zirconatu leadu, przekształciło piezoelektryczność z zjawiska niewielkiego obszaru zastosowań w stalowe narzędzie indusyjne, ponieważ te materiały zaprojektowane były o wiele silniejsze i bardziej elastyczne do produkcji niż naturalne krystale. Dzisiaj urządzenia piezoelektryczne są prawie niewidoczne ze względu na ich szerokość zastosowań: generują błysk w grillaach do spalonego gazu, podnoszą czas w prawie każdym zegarku elektronicznym kwarcowym, stanowią serce medycyny ultradźwiękowej i sonaru, kontrolują nici druku na drukarek drukujących cieniem, wykrywają pukania i vibracje w silnikach samochodowych, a także pozostawiają znanice mikroskopów skanujących z precyzją atomową. Nie ma zjawiska odkrytego w laboratorium fizyki XIX wieku, które znalazło tak szerokie i ciągłe zastosowanie w technologii XXI wieku.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz The Piezoelectric Effect i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.