Jednym z problemów współczesnej elektroniki i elektrotechniki jest zamiana prądu elektrycznego na ruch mechaniczny i odwrotnie. Powstaje z powodu innego charakteru ruchu mechanicznego i prądu elektrycznego. Istnieją różne podejścia do rozwiązania tego problemu, każde z własną klasą urządzeń. Następnie omówiona zostanie technologia piezoelektryczna.
Istota efektu piezoelektrycznego i jego główne właściwości
Pierwsze doniesienia o efekcie piezoelektrycznym zostały opublikowane w 1880 roku we Francji przez braci Curie. Odkryli, że podczas mechanicznego odkształcania kwarcu i niektórych innych materiałów krystalicznych przez ciśnienie, ściskanie, rozciąganie i skręcanie pojawia się na nim ładunek elektryczny. Autorzy odkrycia nazwali takie ładunki piezoelektrycznością od greckiego słowa „zgniatać”. W związku z tym materiały posiadające tę właściwość zostały przez nich zaklasyfikowane do grupy piezoelektryków.
Niezwykłą cechą efektu piezoelektrycznego jest jego odwracalność, jak pokazano na rysunku 1. Innymi słowy, każdy materiał piezoelektryczny nie tylko wytwarza ładunek elektryczny pod ciśnieniem, ale także zaczyna zmieniać swoją objętość w polu elektrycznym.
Urządzenia piezoelektryczne są szeroko stosowane w nowoczesnych technologiach. Ułatwia to:
- taniość, rozpowszechnienie i łatwość obróbki materiałów piezoelektrycznych;
- dobra stabilność ich właściwości elektrycznych i mechanicznych w czasie.
Nie bez znaczenia jest fakt, że wielkość zarówno samego ładunku, jak i przemieszczeń mechanicznych w niektórych przypadkach są wystarczające do ich bezpośredniego użycia bez udziału dodatkowych wzmacniaczy.
Niektóre aplikacje
Oto tylko kilka przykładów technologii piezoelektrycznej do użytku masowego.
Ręczna zapalniczka piezoelektryczna trafiła do masowej sprzedaży w latach 70-tych. ostatni wiek. Elektryczność, która pojawia się na krysztale po naciśnięciu klawisza, trafia do elektrod, między którymi po rozładowaniu iskra przeskakuje i zapala gaz. Obecnie kuchenki gazowe średnich i starszych modeli są wyposażone we wbudowane elementy, rysunek 2.
Filtr piezo jest popularny w elektronice ze względu na to, że jako układ mechaniczny kryształ piezoelektryczny ma bardzo wysoką wartość współczynnika wibracji. W rezultacie może znacznie zmniejszyć szerokość pasma filtrowania i skutecznie oddzielić sygnały od siebie.
Sonar wykorzystuje kryształ jako nadajnik dźwięków akustycznych i odbiornik sygnałów, odbite od jakiejkolwiek podwodnej przeszkody (dno, ryby, drewno dryfujące, łódź podwodna itp.), rysunek 3.
Mikroruchy elementów ogniskujących kamer telewizyjnych, elektroniczno-mechanicznych przełączników sygnałów optycznych i innych elementów. Korzystne, ponieważ tworzą ruch liniowy bezpośrednio bez pośredniej transformacji z ruchu obrotowego.
Brzęczyki telefonu komórkowego, które wibrują podczas połączenia w trybie cichym.
Głowice piezoelektryczne do drukarek atramentowych do sterowania procesem nanoszenia tuszu na papier.