Kesan piezoelektrik dan aplikasinya dalam teknologi

Pada tahun 1880, adik-beradik Jacques dan Pierre Curie mendapati bahawa apabila kristal semulajadi tertentu dimampatkan atau diregangkan, cas elektrik timbul di tepi kristal. Saudara-saudara memanggil fenomena ini "piezoelektrik" (perkataan Yunani "piezo" bermaksud "menekan"), dan mereka sendiri memanggil kristal piezoelektrik seperti itu.

Ternyata, kristal turmalin, kuarza dan kristal semula jadi lain, serta banyak kristal buatan, mempunyai kesan piezoelektrik. Hablur sebegitu kerap ditambah kepada senarai kristal piezoelektrik yang sudah diketahui.

Apabila kristal piezoelektrik sedemikian diregangkan atau dimampatkan ke arah yang dikehendaki, cas elektrik yang bertentangan dengan beza keupayaan kecil muncul pada beberapa permukaannya.

Jika kita meletakkan elektrod yang bersambung antara satu sama lain pada muka ini, maka pada saat pemampatan atau regangan kristal, impuls elektrik pendek akan muncul dalam litar yang dibentuk oleh elektrod.Ini akan menjadi manifestasi kesan piezoelektrik... Pada tekanan berterusan, impuls sedemikian tidak akan berlaku.

Sifat-sifat yang wujud bagi kristal ini memungkinkan untuk menghasilkan instrumen yang tepat dan sensitif.

Kristal piezoelektrik adalah sangat elastik. Apabila daya berubah bentuk, kristal kembali ke isipadu dan bentuk asalnya tanpa inersia. Ia patut membuat usaha sekali lagi atau mengubah apa yang telah digunakan, dan ia akan segera bertindak balas dengan dorongan semasa yang baharu. Ia adalah perakam terbaik untuk mencapai getaran mekanikal yang sangat lemah. Arus dalam litar kristal bergetar adalah kecil dan ini adalah batu penghalang semasa penemuan kesan piezoelektrik oleh adik-beradik Curie.

Dalam teknologi moden, ini bukan halangan, kerana arus boleh dikuatkan berjuta-juta kali. Kini diketahui bahawa kristal tertentu mempunyai kesan piezoelektrik yang sangat ketara. Dan arus yang diperoleh daripada mereka boleh dihantar melalui wayar pada jarak jauh, walaupun tanpa penguatan terlebih dahulu.

Kristal piezoelektrik telah digunakan dalam pengesanan kecacatan ultrasonik untuk mengesan kecacatan dalam produk logam. Dalam penukar elektromekanikal untuk penstabilan frekuensi radio, dalam penapis komunikasi telefon berbilang saluran apabila beberapa perbualan dijalankan serentak pada satu wayar, dalam sensor tekanan dan perolehan, dalam penyesuai, di pematerian ultrasonik — dalam banyak bidang teknikal, kristal piezoelektrik telah mengambil kedudukannya yang tidak tergoyahkan.

Sifat penting bagi hablur piezoelektrik juga ialah kesan piezoelektrik terbalik... Jika cas bagi tanda bertentangan dikenakan pada permukaan kristal tertentu, maka hablur itu sendiri akan berubah bentuk dalam kes ini.Jika getaran elektrik frekuensi audio digunakan pada kristal, ia akan mula bergetar pada frekuensi yang sama dan gelombang bunyi akan teruja di udara sekeliling. Jadi kristal yang sama boleh bertindak sebagai mikrofon dan pembesar suara.

Satu lagi ciri kristal piezoelektrik menjadikannya sebahagian daripada teknologi radio moden. Mempunyai frekuensi semula jadi bagi getaran mekanikal, kristal mula bergetar terutamanya kuat pada masa ini apabila frekuensi voltan ulang-alik yang digunakan bertepatan dengannya.

Ini adalah manifestasi resonans elektromekanikal, berdasarkan mana penstabil piezoelektrik dicipta, kerana frekuensi malar dikekalkan dalam penjana ayunan berterusan.

Mereka bertindak balas dengan cara yang sama kepada getaran mekanikal yang frekuensinya sepadan dengan frekuensi getaran semula jadi kristal piezoelektrik. Ini membolehkan anda mencipta peranti akustik yang memilih daripada semua bunyi yang sampai kepada mereka hanya yang diperlukan untuk satu tujuan atau yang lain.

Kristal keseluruhan tidak diambil untuk peranti piezoelektrik. Kristal dipotong menjadi lapisan berorientasikan ketat berkenaan dengan paksi kristalografinya, lapisan ini dibuat menjadi plat segi empat tepat atau bulat, yang kemudiannya digilap ke saiz tertentu. Ketebalan plat dikekalkan dengan teliti kerana frekuensi resonans ayunan bergantung padanya. Satu atau lebih plat yang disambungkan oleh lapisan logam pada dua permukaan lebar dipanggil elemen piezoelektrik.