Piezoelektrické prvky: princip a využití

Piezoelektrický jev, na němž je princip piezoelementů založen, byl objeven v roce 1880 Pierrem a Jacquesem Curieovými. Zjistili, že některé krystalické materiály, při mechanickém namáhání (tlaku či tahu), generují elektrické napětí. Opačný efekt, kdy se krystal deformuje při působení elektrického pole, byl brzy následně také objeven a nazván inverzním piezoelektrickým efektem. Tyto objevy daly vzniknout celé řadě aplikací, jejichž základem jsou právě piezoelektrické elementy.

Mechanismus Piezoelektrického Efektu

Piezoelektrický efekt je důsledkem asymetrického uspořádání iontů v krystalové mřížce některých materiálů. Při mechanické deformaci se tato mřížka naruší a dojde k posunutí kladných a záporných nábojů, což vede k vzniku elektrického dipólového momentu a následně k generování elektrického napětí na povrchu materiálu. Intenzita generovaného napětí závisí na velikosti deformace a druhu použitého materiálu. Inverzní piezoelektrický efekt funguje na stejném principu, jen opačně – elektrické pole vyvolává deformaci krystalové mřížky.

Materiály Používané pro Piezoelementy

Nejčastěji používanými materiály pro výrobu piezoelementů jsou:

Aplikace Piezoelementů

Piezoelektrické elementy nacházejí široké uplatnění v nejrůznějších oblastech:

• Ultrazvuková technologie: Piezoelektrické elementy se používají jako generátory a detektory ultrazvukových vln v lékařství (ultrazvukové zobrazování), průmyslu (ultrazvukové čištění, defektoskopie) a dalších odvětvích. Přesná frekvence a výkon ultrazvuku jsou klíčové pro efektivní funkci. Některé aplikace, jako například v medicíně, vyžadují velmi vysokou přesnost, která je zajištěna pečlivým návrhem a výrobou piezoelektrických prvků. Například společnost Beijing Ultrasonic se specializuje na výrobu vysoce kvalitních piezoelektrických prvků pro ultrazvukové aplikace.
• Senzory: Piezoelektrické senzory se používají k měření tlaku, zrychlení, síly a dalších fyzikálních veličin. Díky své rychlé odezvě a vysoké citlivosti jsou ideální pro různé aplikace, od automobilového průmyslu až po letectví.
• Akční členy: Piezoelektrické akční členy se používají k přesnému polohování, vibracím a generování ultrazvuku. Jsou charakteristické vysokou přesností a rychlostí odezvy.
• Zapalovače: Jednoduchá, ale účinná aplikace piezoelektrického efektu.

Výhody a Nevýhody Piezoelementů

Výhody:

• Vysoká citlivost a přesnost
• Rychlá odezva
• Kompaktní rozměry
• Nízká spotřeba energie (u senzorů)
• Robustnost (u některých typů)

Nevýhody:

• Omezená životnost (u některých typů)
• Citlivost na teplotu a vlhkost
• Relativně vysoká cena (u některých typů)

Piezoelektrické elementy představují důležitou součást mnoha moderních technologií. Díky své unikátní schopnosti převádět mechanickou energii na elektrickou a naopak, nacházejí uplatnění v široké škále aplikací, od lékařského zobrazování po přesné polohování. Pokrok v materiálových vědách a výrobních technologiích neustále rozšiřuje možnosti využití piezoelektrických prvků a otevírá cestu k dalším inovacím.