Piezoelektrický jev a jeho aplikace v technologii

V roce 1880 bratři Jacques a Pierre Curie zjistili, že když byly určité přírodní krystaly stlačeny nebo nataženy, na okrajích krystalů vznikly elektrické náboje. Bratři nazývali tento jev „piezoelektrika“ (řecké slovo „piezo“ znamená „lisovat“) a sami takové krystaly nazývali piezoelektrické krystaly.

Jak se ukázalo, krystaly turmalínu, křemene a dalších přírodních krystalů, stejně jako mnoho uměle vypěstovaných krystalů, mají piezoelektrický efekt. Takové krystaly jsou pravidelně přidávány do seznamu již známých piezoelektrických krystalů.

Když se takový piezoelektrický krystal natáhne nebo stlačí v požadovaném směru, objeví se na některých jeho plochách opačné elektrické náboje s malým rozdílem potenciálů.

Umístíme-li na tato čela vzájemně spojené elektrody, pak v okamžiku stlačení nebo natažení krystalu vznikne v obvodu tvořeném elektrodami krátký elektrický impuls.To bude projev piezoelektrického jevu... Při konstantním tlaku k takovému impulsu nedojde.

Vlastní vlastnosti těchto krystalů umožňují vyrábět přesné a citlivé nástroje.

Piezoelektrický krystal je vysoce elastický. Při deformaci síly se krystal vrátí do původního objemu a tvaru bez setrvačnosti. Stojí za to se znovu snažit nebo změnit to, co již bylo aplikováno, a okamžitě to zareaguje novým aktuálním impulsem. Je to nejlepší záznamník pro dosažení velmi slabých mechanických vibrací. Proud v obvodu vibrujícího krystalu je malý a to byl kámen úrazu při objevu piezoelektrického jevu bratry Curieovými.

V moderní technice to není překážkou, protože proud může být milionkrát zesílen. Nyní je známo, že určité krystaly mají velmi významný piezoelektrický efekt. A proud z nich získaný lze přenášet po drátech na velké vzdálenosti i bez předchozího zesílení.

Piezoelektrické krystaly byly použity v ultrazvukové detekci defektů k detekci defektů kovových výrobků. V elektromechanických měničích pro vysokofrekvenční stabilizaci, ve filtrech vícekanálové telefonní komunikace, kdy je na jednom drátu vedeno několik hovorů současně, v snímače tlaku a zisku, v adaptérech, at ultrazvukové pájení — v mnoha technických oborech zaujaly piezoelektrické krystaly své neotřesitelné postavení.

Důležitou vlastností piezoelektrických krystalů byl také reverzní piezoelektrický jev... Pokud jsou na určité plochy krystalu aplikovány náboje opačných znamének, pak dojde v tomto případě k deformaci samotných krystalů.Pokud jsou na krystal aplikovány elektrické vibrace zvukové frekvence, začne krystal vibrovat na stejné frekvenci a zvukové vlny budou vybuzeny v okolním vzduchu. Stejný krystal tedy může fungovat jako mikrofon i reproduktor.

Další vlastnost piezoelektrických krystalů z nich dělá nedílnou součást moderní rádiové technologie. Krystal, který má vlastní frekvenci mechanických vibrací, začne vibrovat zvláště silně v okamžiku, kdy se s ním shoduje frekvence přiváděného střídavého napětí.

Jedná se o projev elektromechanické rezonance, na jejímž základě vznikají piezoelektrické stabilizátory, díky nimž je v generátorech kontinuálních kmitů udržována konstantní frekvence.

Reagují podobným způsobem na mechanické vibrace, jejichž frekvence odpovídá přirozené frekvenci vibrací piezoelektrického krystalu. To vám umožňuje vytvářet akustická zařízení, která vybírají ze všech zvuků, které k nim dosáhnou, pouze ty, které jsou potřebné pro ten či onen účel.

U piezoelektrických zařízení se neberou celé krystaly. Krystaly jsou broušeny do vrstev striktně orientovaných vzhledem k jejich krystalografickým osám, z těchto vrstev jsou vyráběny obdélníkové nebo kruhové destičky, které jsou následně leštěny na určitou velikost. Tloušťka desek je pečlivě udržována, protože na ní závisí rezonanční frekvence kmitů. Jedna nebo více desek spojených kovovými vrstvami na dvou širokých plochách se nazývá piezoelektrické prvky.