Jak działa piezoelektryk? Zasada działania i zastosowania

Jak działa piezoelektryk?

Piezoelektryczność, zjawisko odkryte w 1880 roku przez braci Jacques’a i Pierre’a Curie, polega na powstawaniu ładunku elektrycznego na powierzchni niektórych materiałów pod wpływem działania siły mechanicznej (efekt piezoelektryczny bezpośredni) oraz na zmianie wymiarów tych materiałów pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego (efekt piezoelektryczny odwrotny). To właśnie ten drugi efekt leży u podstaw działania większości urządzeń piezoelektrycznych. Zrozumienie mechanizmu działania piezoelektryków wymaga spojrzenia na strukturę krystaliczną tych materiałów.

Budowa i struktura materiałów piezoelektrycznych

Materiały piezoelektryczne charakteryzują się asymetryczną strukturą krystaliczną, co oznacza, że ich atomy nie są rozmieszczone symetrycznie w sieci krystalicznej. To właśnie ta asymetria jest kluczowa dla efektu piezoelektrycznego. Przyłożenie siły mechanicznej powoduje przesunięcie centrów ładunków dodatnich i ujemnych w strukturze kryształu, co prowadzi do powstania dipola elektrycznego i w konsekwencji – napięcia elektrycznego na powierzchni materiału. Odwrotnie, przyłożenie pola elektrycznego powoduje zmianę odległości między atomami, prowadząc do deformacji materiału.

Efekt piezoelektryczny bezpośredni i odwrotny

Jak już wspomniano, efekt piezoelektryczny bezpośredni polega na powstawaniu ładunku elektrycznego pod wpływem działania siły mechanicznej. Na przykład, uciskanie kryształu kwarcu generuje napięcie elektryczne na jego powierzchni. Natężenie tego napięcia jest proporcjonalne do przyłożonej siły. Efekt ten jest wykorzystywany w czujnikach ciśnienia, siły, przyspieszenia, a także w zapalniczkach piezoelektrycznych.

Efekt piezoelektryczny odwrotny, jak już wyjaśniono, polega na zmianie wymiarów materiału pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego. Przyłożenie napięcia elektrycznego powoduje rozszerzanie się lub kurczenie się kryształu, w zależności od polaryzacji napięcia. Ten efekt jest wykorzystywany w przetwornikach ultradźwiękowych, silnikach piezoelektrycznych, oraz w drukarkach atramentowych.

Zastosowania piezoelektryków

Zastosowania piezoelektryków są niezwykle szerokie i obejmują wiele dziedzin nauki i techniki. Przykłady obejmują:

• Przetworniki ultradźwiękowe: W medycynie (diagnostyka obrazowa), przemyśle (kontrola jakości, czyszczenie ultradźwiękowe), a także w sonarach. W wielu zastosowaniach przemysłowych, w tym w urządzeniach ultradźwiękowych produkowanych np. przez firmę Beijing Ultrasonic, wykorzystywane są przetworniki piezoelektryczne o wysokiej wydajności.
• Czujniki: Czujniki ciśnienia, przyspieszenia, siły, są szeroko stosowane w różnych systemach pomiarowych i sterowania.
• Aktuatory: Silniki piezoelektryczne, stosowane w precyzyjnych mechanizmach, napędach, a także w głowicach drukujących.
• Zapalniczki: Prosty, ale powszechny przykład wykorzystania efektu piezoelektrycznego bezpośredniego.

Materiały piezoelektryczne – porównanie właściwości

W podsumowaniu, piezoelektryki to materiały o unikalnych właściwościach, które znajdują zastosowanie w szerokim spektrum technologii. Zrozumienie mechanizmu działania efektu piezoelektrycznego bezpośredniego i odwrotnego jest kluczowe dla projektowania i stosowania tych materiałów w różnych aplikacjach.