Piesoelektriline efekt ja selle rakendamine tehnoloogias
1880. aastal avastasid vennad Jacques ja Pierre Curie, et teatud looduslike kristallide kokkusurumisel või venitamisel tekkisid kristallide servadesse elektrilaengud. Vennad nimetasid seda nähtust "piesoelektrilisuseks" (kreeka sõna "piezo" tähendab "pressimist") ja nad ise nimetasid selliseid kristalle piesoelektrilisteks kristallideks.
Nagu selgus, on piesoelektrilise efektiga turmaliinikristallid, kvarts ja teised looduslikud kristallid, aga ka paljud kunstlikult kasvatatud kristallid. Selliseid kristalle lisatakse regulaarselt juba tuntud piesoelektriliste kristallide nimekirja.
Kui sellist piesoelektrilist kristalli soovitud suunas venitada või kokku suruda, tekivad mõnele selle pinnale vastupidised elektrilaengud väikese potentsiaalide erinevusega.
Kui asetada nendele külgedele üksteisega ühendatud elektroodid, siis kristalli kokkusurumise või venitamise hetkel tekib elektroodide moodustatud ahelasse lühike elektriimpulss.See saab olema piesoelektrilise efekti ilming... Pideva rõhu korral sellist impulssi ei teki.
Nende kristallide loomupärased omadused võimaldavad toota täpseid ja tundlikke instrumente.
Piesoelektriline kristall on väga elastne. Jõu deformeerumisel taastub kristall ilma inertsita oma esialgse mahu ja kujuga. Tasub uuesti pingutada või juba rakendatut muuta ja see reageerib kohe uue vooluimpulsiga. See on parim salvesti väga nõrga mehaanilise vibratsiooni saavutamiseks. Voolus vibreeriva kristalli vooluringis on väike ja see oli komistuskiviks vendade Curie'de poolt piesoelektrilise efekti avastamisel.
Kaasaegses tehnikas pole see takistuseks, sest voolu saab võimendada miljoneid kordi. Nüüdseks on teada, et teatud kristallidel on väga oluline piesoelektriline efekt. Ja nendest saadavat voolu saab juhtmete kaudu edastada pikkade vahemaade taha, isegi ilma eelneva võimenduseta.
Piesoelektrilisi kristalle on kasutatud ultrahelivigade tuvastamisel metalltoodete defektide tuvastamiseks. Raadiosageduse stabiliseerimiseks mõeldud elektromehaanilistes muundurites, mitme kanaliga telefoniside filtrites, kui ühel juhtmel peetakse korraga mitu vestlust, rõhu ja võimenduse andurid, adapterites, aadressil ultraheli jootmine — paljudes tehnikavaldkondades on piesoelektrilised kristallid võtnud oma kõigutamatu positsiooni.
Piesoelektriliste kristallide oluline omadus oli ka pöördpiesoelektriline efekt... Kui kristalli teatud pindadele kanda vastupidise märgiga laenguid, siis kristallid ise deformeeruvad sel juhul.Kui kristallile rakendatakse helisagedusega elektrilisi vibratsioone, hakkab see vibreerima samal sagedusel ja ümbritsevas õhus ergastuvad helilained. Seega võib sama kristall toimida nii mikrofoni kui ka kõlarina.
Veel üks piesoelektriliste kristallide omadus muudab need kaasaegse raadiotehnoloogia lahutamatuks osaks. Omades mehaaniliste vibratsioonide omasagedust, hakkab kristall eriti tugevalt vibreerima hetkel, mil rakendatava vahelduvpinge sagedus langeb sellega kokku.
See on elektromehaanilise resonantsi ilming, mille alusel luuakse piesoelektrilised stabilisaatorid, mille tõttu püsivate võnkumiste generaatorites hoitakse konstantset sagedust.
Nad reageerivad sarnaselt mehaanilistele vibratsioonidele, mille sagedus langeb kokku piesoelektrilise kristalli loomuliku vibratsiooni sagedusega. See võimaldab luua akustilisi seadmeid, mis valivad kõigi nendeni jõudvate helide hulgast vaid need, mida ühel või teisel eesmärgil vaja läheb.
Piesoelektriliste seadmete jaoks ei võeta terveid kristalle. Kristallid lõigatakse kihtideks, mis on rangelt orienteeritud nende kristallograafiliste telgede suhtes, neist kihtidest tehakse ristkülikukujulised või ringikujulised plaadid, mis seejärel poleeritakse teatud suuruseni. Plaatide paksust hoitakse hoolikalt, sest sellest sõltub võnkumiste resonantssagedus. Ühte või mitut plaati, mis on kahel laial pinnal ühendatud metallikihtidega, nimetatakse piesoelektrilisteks elementideks.