Piezoelektromosság

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
SiO2.jpg

A piezoelektromosság olyan fizikai jelenség, melynek során bizonyos anyagokon (kristály, kerámia) összenyomás hatására elektromos polarizáció (töltésszétválasztás) lép fel. Így a mechanikai feszültségváltozás elektromos feszültséget hoz létre. A fordított effektus során elektromos feszültség hatására megváltozik az alakjuk. Ez utóbbi az inverz piezoelektrosság. A jelenség tehát megfordítható, ugyanabban az anyagban oda-vissza működik.[1]

A kifejezés a görög piezō (πιέζω) vagy piezein (πιέζειν) szavakból származik, melyek jelentése összenyom, présel.

Felfedezése[szerkesztés]

SiO2Piezo.jpg
Mechanikai erő hatására a kvarckristály végein elektromos feszültség jelenik meg

A piezoelektromosságot Jacques Curie és Pierre Curie fedezte fel 1880-ban, amikor észrevették, hogy bizonyos kristályok (kvarc, turmalin, Rochelle-só (kálium-nátrium-tartarát KNaC4H4O6·4H2O)) meghatározott irányú nyomására elektromos töltések jelennek meg a kristály felületén. A következő évben felfedezték ennek fordítottját: a kristályra elektromos áramot vezetve annak alakja deformálódott.[2]

A jelenség[szerkesztés]

A szimmetriaközépponttal nem rendelkező szerkezetű kristályos anyagokban a deformáció (rugalmas alakváltozás) hatására elektromos dipólusok keletkeznek, mert a pozitív és negatív töltésközéppontok különválnak, vagy a már meglévő dipólusok hossza megváltozik. A kristály szemben álló lapjain - a mechanikai feszültség keltette dipólusok rendeződése miatt - ellentétes előjelű elektromos töltések halmozódnak fel, ami elektromos feszültséget hoz létre. A deformáló erő irányváltozásakor az előjel felcserélődik, az elektromos tér és a feszültség is előjelet vált.

A fordított piezoelektromos jelenség akkor lép fel, ha a piezoelektromos kristály valamelyik kristálytengelyével egybeeső irányú elektromos térbe kerül. A térerősség irányától függően az elektromos tér hatására, annak irányától függően összehúzódik vagy megnyúlik. A méretváltozás az elektromos tér erősségének nagyságával arányos és irányfüggő. (A középpontos szimmetriával rendelkező szerkezetű anyagokban létrejövő elektrostrikció jelensége ettől különbözik, ott a méret megváltozása a térerősség négyzetével arányos, és független az elektromos tér irányától.)

Bizonyos piezoelektromos anyagok (pl. turmalin) hőmérséklet-változás hatására deformálódnak, ami ellentétes előjelű elektromos töltéseket hoz létre a megfelelő határfelületeken, ez a jelenség a piroelektromosság.

Piezoelektromos anyagok[szerkesztés]

Az alkalmazásokban legyakrabban előforduló piezojelenséget mutató kristály a hatszöges rendszerben kristályosodó kvarc (SiO2), amelynek rácspontjaiban felváltva helyezkednek el a pozitív és negatív ionok. Piezoelektromos tulajdonságot mutat valamennyi ferroelektromos anyag és bizonyos kerámiák is. Például az ólom-cirkonát-titanát (PZT) már a méretének 0,1%-os megváltozása révén mérhető piezoelektromosságot produkál.

Alkalmazások[szerkesztés]

Egy piezoelektromos anyagot két fémlap között összenyomva a fémlemezek feltöltődnek, és ezzel elektromos szikrát lehet gerjeszteni (öngyújtó, gázgyújtó). Ezt a tulajdonságot kihasználva készítenek apró generátorokat is.[3]

Az inverz piezoelektromos jelenség alapján állítanak elő nagyon stabil frekvenciájú órajeleket. A rákapcsolt váltakozó feszültségnek köszönhetően a kristály rezgőmozgást végez. Rezonancia révén a saját frekvenciájával megegyező frekvenciájú elektromos jellel stabil mechanikai rezgés állítható elő. Ezt használják ki a kvarcóráknál. Órajel-generátorként kerámia rezonátorokat is használnak. Bár a kvarckristály frekvenciastabilitása nagyságrenddel nagyobb a kerámiáéhoz képest, de az utóbbi sokkal olcsóbb elérhetősége több alkalmazásnál is előny lehet.

Alkalmas frekvenciájú elektromos jelekkel ultrahangtartományba eső mechanikai rezgések is előállíthatók. Fordítva is, piezoelektromos tulajdonságú anyagokkal UH frekvenciájú hangok detektálhatók. A jelenség tehát mind az UH előállítására, mind az érzékelésére alkalmas eszközök működésében jelentős szerepet játszik.

Jelentős a piezojelenség alkalmazása minden olyan tudományos berendezésben, ahol nagyon kicsiny elmozdulásokat kell mérni, vagy elektromos jelekkel kontrolláltan előidézni. Piezoelektromos transzlátorokat alkalmaznak, amikor a mintát vagy bármilyen optikai elemet nanométeres nagyságrendű elmozdulásokkal kell mozgatni, például nagy felbontású pásztázó mikroszkópokban (atomerő mikroszkóp, konfokális pásztázó mikroszkóp, elektronmikroszkóp, közeli mező optikai mikroszkóp) vagy lézercsipeszben.[4]

Jelentős a jelenség katonai hasznosítása. Már az első világháború utáni években használták a szonár megalkotásához. Ugyancsak alkalmazzák lövedékek gyújtóiban.

Ezt az elvet alkalmazzák a ma használatos dízelinjektorok. A piezojelenség gyorsaságának köszönhetően az ilyen injektorok mozgása nagyon gyorsan, pontosan vezérelhető. Nagyrészt ennek köszönhető, hogy a modern dízelmotorok mind tisztaságban, mind teljesítményben felvehetik a versenyt benzines társaikkal, miközben fogyasztásuk kisebb.[5]

Források[szerkesztés]

  1. Litz J.: Fizika II. Termodinamika és molekuláris fizika - Elektromosság és mágnesesség, Nemzeti Tankönyvkiadó, 2005 ISBN 9631954463
  2. https://www.britannica.com/science/piezoelectricity
  3. Energiaellátás nanogenerátorral
  4. Damjanovics S., Fidy J., Szöllősi J.: Orvosi biofizika, Medicina, 2007
  5. Befecskendező-rendszerek új generációi