Piezoelektrický jev

Rozbalit box

Obsah boxu

Piezoelektrický jev (z řeckého piezein, πιέζειν – tlačit, mačkat) je schopnost určitých krystalických materiálů generovat elektrické napětí jako odezvu na aplikované mechanické napětí. Tento jev je obousměrný a označuje se jako přímý piezoelektrický jev. Opačný proces, kdy se materiál deformuje (mění svůj tvar) po přiložení vnějšího elektrického pole, se nazývá inverzní (nepřímý) piezoelektrický jev.

Tento jev je základem pro širokou škálu moderních technologií, od krystalových oscilátorů v hodinkách a počítačích, přes senzory tlaku a akcelerometry, až po aktuátory pro přesné polohování a lékařské ultrazvukové zobrazovací systémy.

📜 Historie

Piezoelektrický jev byl poprvé experimentálně prokázán v roce 1880 francouzskými bratry a fyziky Pierrem a Jacquesem Curiem. Při svých experimentech zjistili, že stlačováním nebo natahováním krystalů křemenu, turmalínu, topazu, cukru a Rochellovy soli (vinan sodno-draselný) dochází ke vzniku elektrického náboje na jejich povrchu. Velikost tohoto náboje byla přímo úměrná aplikované síle.

Již o rok později, v roce 1881, lucemburský fyzik Gabriel Lippmann matematicky odvodil z termodynamických principů existenci inverzního jevu. Bratři Curieové následně existenci inverzního jevu experimentálně potvrdili a prokázali, že krystal vystavený elektrickému poli se skutečně nepatrně deformuje.

Během první světové války byl piezoelektrický jev poprvé prakticky využit. Francouzský fyzik Paul Langevin vyvinul první sonar (tehdy nazývaný "hydrofon") využívající krystaly křemene k generování a detekci vysokofrekvenčních zvukových vln pod vodou, což umožnilo detekci nepřátelských ponorek. Tento vynález odstartoval intenzivní výzkum a vývoj piezoelektrických materiálů a jejich aplikací.

🔬 Fyzikální princip

Podstatou piezoelektrického jevu je asymetrická struktura krystalové mřížky určitých materiálů. V těchto materiálech se těžiště kladných a záporných iontů v základní buňce krystalu neshodují, což vede k existenci permanentního elektrického dipólu.

💎 Krystalová struktura

V ideálním, nedeformovaném stavu jsou tyto dipóly v krystalu uspořádány tak, že se jejich účinky navenek ruší a materiál je elektricky neutrální. Piezoelektrický jev se může vyskytovat pouze v krystalech, které postrádají střed symetrie (jsou necentrosymetrické). Z 32 krystalografických tříd splňuje tuto podmínku 21, avšak jedna z nich (kubická třída 432) je sice necentrosymetrická, ale kvůli jiným symetriím piezoelektrický jev nevykazuje. Celkem tedy existuje 20 krystalografických tříd, které mohou být piezoelektrické.

⚡ Přímý piezoelektrický jev

Když je na piezoelektrický materiál aplikována vnější mechanická síla (tlak, tah), dojde k deformaci krystalové mřížky. Tato deformace způsobí posunutí kladných a záporných iontů, čímž se poruší původní rovnováha dipólů. Na protilehlých stranách krystalu se tak objeví povrchový elektrický náboj a vznikne měřitelné elektrické napětí. Polarita tohoto napětí závisí na směru deformace (zda jde o stlačení, nebo natažení).

🔄 Inverzní piezoelektrický jev

Při inverzním jevu je na krystal přiloženo vnější elektrické pole. Toto pole interaguje s ionty v krystalové mřížce a způsobí jejich posunutí. Kladné ionty jsou přitahovány k záporné elektrodě a záporné ionty ke kladné. Tento posun iontů vede k mechanické deformaci celé krystalové mřížky – materiál se mírně smrští nebo roztáhne. Velikost a směr deformace jsou přímo úměrné síle a polaritě přiloženého elektrického pole. Pokud je přiloženo střídavé elektrické pole, materiál začne mechanicky kmitat se stejnou frekvencí.

🧱 Piezoelektrické materiály

Materiály vykazující piezoelektrický jev lze rozdělit do několika hlavních skupin.

🌿 Přírodní krystaly

Křemen (SiO₂): Nejznámější a historicky nejdůležitější přírodní piezoelektrický materiál. Vyniká vysokou mechanickou a teplotní stabilitou, což ho předurčuje pro použití v oscilátorech pro přesné řízení frekvence.
Turmalín: Další z krystalů, na kterém byl jev původně pozorován.
Rochelleova sůl (vinan sodno-draselný): Vykazuje velmi silný piezoelektrický jev, ale je mechanicky křehká a citlivá na vlhkost a teplotu, což omezuje její praktické využití.

🏺 Syntetická keramika

Tato skupina materiálů, často označovaná jako piezokeramika, je dnes nejpoužívanější. Jedná se o polykrystalické materiály, které musí projít procesem tzv. pólování, aby získaly piezoelektrické vlastnosti. Během pólování se materiál zahřeje nad Curieovu teplotu a vystaví se silnému stejnosměrnému elektrickému poli, které zorientuje elementární dipóly (tzv. Weissovy domény) v materiálu. Po ochlazení pod Curieovu teplotu zůstane tato orientace zachována.

Titaničitan barnatý (BaTiO₃): První objevená piezokeramika.
Zirkoničitan-titaničitan olovnatý (PZT): Nejrozšířenější a komerčně nejvýznamnější piezokeramika. Nabízí vynikající piezoelektrické vlastnosti a vysokou Curieovu teplotu. Existuje mnoho variant PZT s upravenými vlastnostmi pro specifické aplikace.

⛓️ Polymery

Některé polymery mohou také vykazovat piezoelektrické vlastnosti, pokud jsou správně zpracovány (např. mechanickým natažením a pólováním).

Polyvinylidenfluorid (PVDF): Je lehký, flexibilní a mechanicky odolný, což ho činí vhodným pro aplikace, kde je vyžadována ohebnost, například v senzorech pro dotykové panely nebo v nositelné elektronice.

⚙️ Aplikace

Díky své obousměrné povaze nachází piezoelektrický jev uplatnění v obrovském množství technologií, kde slouží buď k přeměně mechanické energie na elektrickou (senzory), nebo naopak (aktuátory).

Senzory a snímače

Piezoelektrické zapalovače: Stisknutím tlačítka se prudce stlačí piezoelektrický krystal, který vygeneruje vysoké napětí (až několik kilovoltů), jež vytvoří jiskru a zapálí plyn.
Mikrofony a gramofonové přenosky: Zvukové vlny nebo chvění jehly v drážce desky rozechvívají piezoelektrický krystal, který přeměňuje mechanické vibrace na elektrický signál.
Snímače tlaku a síly: Používají se v průmyslových vahách, jako senzory klepání v spalovacích motorech nebo v dotykových obrazovkách.
Akcelerometry: Měří zrychlení na základě síly, kterou působí malá seismická hmotnost na piezoelektrický element.

Aktuátory a motory

Piezoelektrické motory: Umožňují extrémně přesné polohování v řádu nanometrů. Využívají se v objektivech fotoaparátů pro automatické ostření, v rastrovacích tunelových mikroskopech a v přesné mechanice.
Hlavy inkoustových tiskáren: Rychlá změna napětí na piezoelektrickém elementu způsobí jeho deformaci, která vytlačí miniaturní kapku inkoustu z trysky.
Piezoelektrické reproduktory a bzučáky: Střídavé napětí rozkmitá piezoměnič, který generuje zvuk. Používají se v hodinkách, budících a různých signalizačních zařízeních.

Generování a řízení frekvence

Krystalový oscilátor: Nejdůležitější aplikace křemene. Křemenný výřez (krystal) má velmi přesnou a stabilní rezonanční frekvenci. Připojením do elektrického obvodu se krystal rozkmitá a generuje extrémně stabilní signál, který slouží jako "srdce" (hodinový signál) pro mikroprocesory v počítačích, mobilních telefonech, rádiích a quartzových hodinkách.

Lékařská technika

Lékařský ultrazvuk: Piezoelektrické měniče v ultrazvukové sondě fungují jako vysílače i přijímače. V režimu vysílání převádějí elektrické pulzy na vysokofrekvenční zvukové vlny. Tyto vlny se odrážejí od tkání v těle a vracejí se zpět k sondě, kde je tentýž měnič převede zpět na elektrický signál, ze kterého se skládá obraz.
Ultrasonické čištění: Vysokofrekvenční vibrace generované piezoelektrickými měniči se používají k čištění chirurgických nástrojů nebo zubního kamene.

🧑‍🏫 Pro laiky

Představte si speciální krystal jako kouzelnou houbu. Když tuto houbu zmáčknete, místo vody z ní "vyteče" malý elektrický výboj – jiskra. To je přesně to, co se děje v plynovém zapalovači, když cvaknete tlačítkem. Tomu se říká přímý piezoelektrický jev.

Tato "houba" ale funguje i naopak. Když do ní pustíte elektřinu, sama se nepatrně smrští nebo roztáhne. Kdybyste do ní pouštěli elektřinu velmi rychle v pravidelných intervalech, začala by kmitat. Tomu se říká inverzní piezoelektrický jev.

Tento obousměrný trik se využívá všude kolem nás:

V hodinkách a počítačích: Malý kousek křemene dostává elektrické impulzy, které ho rozkmitají neuvěřitelně přesně (například 32 768krát za sekundu). Elektronika pak tyto kmity počítá a odměřuje čas nebo řídí práci procesoru.
U lékaře na ultrazvuku: Sonda vysílá pomocí tohoto jevu zvukové vlny do těla a stejným jevem pak "poslouchá" jejich ozvěny, ze kterých počítač složí obrázek.
V kytaře: Pod kobylkou je umístěn piezoelektrický snímač, který vibrace strun mění na elektrický signál, jenž jde do zesilovače.

Šablona:Aktualizováno