Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και η εφαρμογή του στην τεχνολογία

Το 1880, οι αδελφοί Jacques και Pierre Curie ανακάλυψαν ότι όταν ορισμένοι φυσικοί κρύσταλλοι συμπιέζονταν ή τεντώνονταν, ηλεκτρικά φορτία προέκυψαν στις άκρες των κρυστάλλων. Τα αδέρφια ονόμασαν αυτό το φαινόμενο "πιεζοηλεκτρισμό" (η ελληνική λέξη "piezo" σημαίνει "πιέζω") και οι ίδιοι αποκαλούσαν τέτοιους κρυστάλλους πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους.

Όπως αποδείχθηκε, οι κρύσταλλοι τουρμαλίνης, ο χαλαζίας και άλλοι φυσικοί κρύσταλλοι, καθώς και πολλοί κρύσταλλοι που καλλιεργούνται τεχνητά, έχουν πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα. Τέτοιοι κρύσταλλοι προστίθενται τακτικά στον κατάλογο των ήδη γνωστών πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων.

Όταν ένας τέτοιος πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος τεντώνεται ή συμπιέζεται προς την επιθυμητή κατεύθυνση, σε ορισμένες από τις επιφάνειές του εμφανίζονται αντίθετα ηλεκτρικά φορτία με μικρή διαφορά δυναμικού.

Εάν τοποθετήσουμε ηλεκτρόδια συνδεδεμένα μεταξύ τους σε αυτές τις όψεις, τότε τη στιγμή της συμπίεσης ή του τεντώματος του κρυστάλλου, θα εμφανιστεί μια μικρή ηλεκτρική ώθηση στο κύκλωμα που σχηματίζουν τα ηλεκτρόδια.Αυτή θα είναι η εκδήλωση του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου... Σε σταθερή πίεση, τέτοια ώθηση δεν θα συμβεί.

Οι εγγενείς ιδιότητες αυτών των κρυστάλλων καθιστούν δυνατή την παραγωγή ακριβών και ευαίσθητων οργάνων.

Ο πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος είναι εξαιρετικά ελαστικός. Όταν η δύναμη παραμορφωθεί, ο κρύσταλλος επιστρέφει στον αρχικό του όγκο και σχήμα χωρίς αδράνεια. Αξίζει να κάνετε ξανά μια προσπάθεια ή να αλλάξετε αυτό που έχει ήδη εφαρμοστεί και θα ανταποκριθεί αμέσως με μια νέα τρέχουσα ώθηση. Είναι ο καλύτερος καταγραφέας για την επίτευξη πολύ αδύναμων μηχανικών κραδασμών. Το ρεύμα στο κύκλωμα του δονούμενου κρυστάλλου είναι μικρό και αυτό ήταν ένα εμπόδιο κατά την ανακάλυψη του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου από τους αδελφούς Κιουρί.

Στη σύγχρονη τεχνολογία, αυτό δεν αποτελεί εμπόδιο, επειδή το ρεύμα μπορεί να ενισχυθεί εκατομμύρια φορές. Είναι πλέον γνωστό ότι ορισμένοι κρύσταλλοι έχουν πολύ σημαντικό πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα. Και το ρεύμα που λαμβάνεται από αυτά μπορεί να μεταδοθεί μέσω καλωδίων σε μεγάλες αποστάσεις, ακόμη και χωρίς προηγούμενη ενίσχυση.

Οι πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι έχουν χρησιμοποιηθεί στην ανίχνευση ελαττωμάτων με υπερήχους για την ανίχνευση ελαττωμάτων σε μεταλλικά προϊόντα. Σε ηλεκτρομηχανικούς μετατροπείς για σταθεροποίηση ραδιοσυχνοτήτων, σε φίλτρα πολυκαναλικής τηλεφωνικής επικοινωνίας όταν διεξάγονται πολλές συνομιλίες ταυτόχρονα σε ένα καλώδιο, σε αισθητήρες πίεσης και απολαβής, σε προσαρμογείς, στο συγκόλληση με υπερήχους — σε πολλούς τεχνικούς τομείς, οι πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι έχουν πάρει την ακλόνητη θέση τους.

Μια σημαντική ιδιότητα των πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων ήταν επίσης ένα αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο... Εάν σε ορισμένες επιφάνειες του κρυστάλλου εφαρμοστούν φορτία αντίθετων σημάτων, τότε οι ίδιοι οι κρύσταλλοι θα παραμορφωθούν σε αυτή την περίπτωση.Εάν οι ηλεκτρικοί κραδασμοί μιας ακουστικής συχνότητας εφαρμοστούν σε έναν κρύσταλλο, αυτός θα αρχίσει να δονείται με την ίδια συχνότητα και τα ηχητικά κύματα θα διεγείρονται στον περιβάλλοντα αέρα. Έτσι, το ίδιο κρύσταλλο μπορεί να λειτουργήσει και ως μικρόφωνο και ως ηχείο.

Ένα άλλο χαρακτηριστικό των πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων τους καθιστά αναπόσπαστο μέρος της σύγχρονης ραδιοτεχνολογίας. Διαθέτοντας τη φυσική συχνότητα των μηχανικών δονήσεων, ο κρύσταλλος αρχίζει να δονείται ιδιαίτερα έντονα τη στιγμή που η συχνότητα της εφαρμοζόμενης εναλλασσόμενης τάσης συμπίπτει με αυτό.

Αυτή είναι μια εκδήλωση ηλεκτρομηχανικού συντονισμού, βάσει του οποίου δημιουργούνται πιεζοηλεκτρικοί σταθεροποιητές, λόγω των οποίων διατηρείται σταθερή συχνότητα σε γεννήτριες συνεχών ταλαντώσεων.

Αποκρίνονται με παρόμοιο τρόπο σε μηχανικούς κραδασμούς των οποίων η συχνότητα ταιριάζει με τη φυσική συχνότητα δόνησης του πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου. Αυτό σας επιτρέπει να δημιουργήσετε ακουστικές συσκευές που επιλέγουν από όλους τους ήχους που τους φθάνουν μόνο εκείνους που χρειάζονται για τον έναν ή τον άλλο σκοπό.

Ολόκληροι κρύσταλλοι δεν λαμβάνονται για πιεζοηλεκτρικές συσκευές. Οι κρύσταλλοι κόβονται σε στρώσεις αυστηρά προσανατολισμένες σε σχέση με τους κρυσταλλογραφικούς άξονές τους, αυτές οι στρώσεις γίνονται σε ορθογώνιες ή κυκλικές πλάκες, οι οποίες στη συνέχεια γυαλίζονται σε ένα ορισμένο μέγεθος. Το πάχος των πλακών διατηρείται προσεκτικά γιατί η συχνότητα συντονισμού των ταλαντώσεων εξαρτάται από αυτό. Μία ή περισσότερες πλάκες που συνδέονται με μεταλλικά στρώματα σε δύο φαρδιές επιφάνειες ονομάζονται πιεζοηλεκτρικά στοιχεία.