Piezoelektriskais efekts: definīcija, darbības princips un pielietojumi

Piezoelektriskais efekts ir materiāla īpašība radīt elektrisko polarizāciju (tātad spriegumu vai lādiņu) pie mehāniskas deformācijas — tas ir tā saucamais direktais efekts. Ir arī inversais piezoelektriskais efekts, kad materiāls deformējas, ja tam pielieto elektrisko lauku. Efekts parādās materiālos, kuru kristālu režģis nav centrosimetrisks, tātad mehāniska iegriešana pārvēršas par elektrisko dipolu izmaiņām un otrādi.

Darbības princips un pamatjēdzieni

Piezoelektriskā materiāla reakciju var aprakstīt ar lineāriem koeficientiem (piemēram, d-koeficientiem), kas saista spriegumu, elektrisko lauku, slodzi un deformāciju. Vienkāršoti:

Direktais efekts: mehānisks spiediens → elektriskais lādiņš/spriegums.
Inversais efekts: elektriskais lauks → mehāniska deformācija.

Tipiskie piezoelektriskie deformācijas (strain) lielumi svārstās plašā diapazonā, bieži no aptuveni 10^-6 līdz 10^-3, atkarībā no materiāla un konstrukcijas. Tas nozīmē, ka deformācijas parasti ir nelielas, tomēr var radīt ievērojamu spriegumu, jo lādiņu blīvums var būt liels. Jāņem vērā: piezoelementi var radīt ļoti augstu spriegumu (dažas simts līdz tūkstošiem voltu) pie ļoti neliela kopējā elektroda lādiņa — tas nav tas pats, kas akumulatoru jauda vai ilgstoša strāvas padeve.

Materiāli un apstrāde

Dabiski kristāli: kvarcs, rošelīta sāļi (Rochelle salt) — stabils un precīzs, bet lēnāks un ar mazāku jutību nekā keramika.
Ceramikas materiāli: PZT (svina cirkonāta titānāts) un līdzīgas ferolektriskās keramikas — lielāka piezojutība, plaši izmanto sensoros un aktuatoros.
Polimēri: PVDF un tā kokteiļi — elastīgāki, viegli pielietojami lokanos risinājumos.

Keramikas un polimēru piezoelektriskie materiāli bieži tiek polarizēti (angļu val.: poling) — šis process ietver materiāla uzkarsēšanu (bieži līdz vai tuvu Kurī temperatūrai ferolektriskajiem materiāliem) un stipra elektriskā lauka pielietošanu, pēc tam atdzesēšanu, lai ferrodomēni paliktu saskaņoti. Pareiza sinterēšana, termiskā apstrāde un poling paaugstina jutību un stabilitāti. Tomēr te nav runa par „asināšanu” vai vienkāršu uzlabojumu — runa ir par struktūras un domēnu orientācijas kontrolēšanu.

Par tilpuma un formas izmaiņām

Pjezoelektriskaie materiāli deformējas atkarībā no aksiālajām un šķērseniskajām komponentēm. Nav vispārinājuma, ka tilpums vienmēr paliek nemainīgs — tas ir atkarīgs no materiāla un deformācijas veida. Bieži pie maza elastīgas deformācijas apjoma tilpuma izmaiņas ir ļoti mazas, taču tās nav obligāti nulle. Tādēļ piemēri, kas apgalvo precīzu tilpuma saglabāšanos bez konteksta, var būt maldinoši.

Pielietojumi

Sensori: spiediena un vibrāciju mērīšanai, mikrofoniem, ātruma sensoriem.
Aktuatori: precīzas pozicionēšanas ierīces (nanometru klases), ultraskaņas transduceri, fokusēšanas sistēmas.
Medicīna: diagnostiskā ultrasonogrāfija un terapeitiskie ultraskaņas avoti.
Ikdienas ierīces: durvju zvani, šķiltavas ar piezoiedegdzi, sīkie skaļruņi un pjezo-buzzeri.
Rūpniecība un transports: ultraskaņas tīrīšanas sistēmas, degvielas iesmidzināšanas sistēmas, nejutīgi sensori.
Enerģijas ieguve: mazas enerģijas harvesteru sistēmas sensoru barošanai (bieži tikai mikrovatu līdz miliwatu līmenī).

Svarīgi: piezoelementi var radīt ļoti lielu sprieguma impulsu, bet tam ir zema enerģijas ietilpība un īss impulss — tas atšķiras no akumulatora vai tīkla barošanas. Tāpēc apgalvojumi par piemēram “12 mAh pie 230 V” nav korekti attiecībā uz tipisku piezoelektrisko ierīci.

Ierobežojumi un drošība

Piezoelektriskie materiāli, it īpaši keramika, parasti ir trausli un var saplīst pie pārmērīgas slodzes.
To efektivitāte un jutība mainās ar temperatūru (Curie temperatūra), mitrumu un laika gaitā var notikt novecošanās/atkaļķošanās bez atkārtotas polarizācijas.
Lai gan piezoelementi var radīt augstu spriegumu, strāvas spēks ir ļoti zems — tomēr jāievēro drošības prasības, īpaši pie vienmērīgiem vai atkārtojošiem impulsiem un ierīcēs ar elektrostatisku jūtību.

Nākotnes virzieni

Attīstās elastīgi piezoelektriskie materiāli, nanomateriāli un integrācija MEMS ierīcēs, kas paplašina pielietojumu spektru — no valkājamām ierīcēm līdz autonomiem tīkla sensoriem. Tomēr mūsdienu izaicinājums paliek piezoelektrisko ierīču enerģijas blīvuma un ilgnoturības uzlabošana.

Ja vēlaties, varu pievienot tehniskus aprēķinus (piem., kā no d-koeficienta un pieliktā spēka novērtēt radīto spriegumu vai lādiņu) vai paskaidrot konkrētu materiālu īpašības (kvarcs vs. PZT vs. PVDF).