Pjezoelektriskais efekts un tā pielietojums tehnoloģijā
1880. gadā brāļi Žaks un Pjērs Kirī atklāja, ka, saspiežot vai izstiepjot dažus dabiskos kristālus, kristālu malās rodas elektriski lādiņi. Brāļi šo parādību sauca par "pjezoelektriskumu" (grieķu vārds "piezo" nozīmē "presēt"), un paši šādus kristālus sauca par pjezoelektriskiem kristāliem.
Kā izrādījās, turmalīna kristāliem, kvarcam un citiem dabīgiem kristāliem, kā arī daudziem mākslīgi audzētiem kristāliem piemīt pjezoelektrisks efekts. Šādi kristāli regulāri tiek pievienoti jau zināmo pjezoelektrisko kristālu sarakstam.
Kad šāds pjezoelektriskais kristāls tiek izstiepts vai saspiests vēlamajā virzienā, uz dažām tā virsmām parādās pretēji elektriskie lādiņi ar nelielu potenciālu starpību.
Ja uz šīm virsmām novietosim vienu ar otru savienotus elektrodus, tad kristāla saspiešanas vai izstiepšanas brīdī elektrodu veidotajā ķēdē parādīsies īss elektriskais impulss.Tā būs pjezoelektriskā efekta izpausme... Pie pastāvīga spiediena tāds impulss neradīsies.
Šo kristālu raksturīgās īpašības ļauj izgatavot precīzus un jutīgus instrumentus.
Pjezoelektriskais kristāls ir ļoti elastīgs. Kad spēks tiek deformēts, kristāls bez inerces atgriežas sākotnējā tilpumā un formā. Ir vērts vēlreiz pielikt pūles vai mainīt jau pielietoto, un tas nekavējoties atbildēs ar jaunu strāvas impulsu. Tas ir labākais ierakstītājs ļoti vāju mehānisku vibrāciju sasniegšanai. Strāva vibrējošā kristāla ķēdē ir maza, un tas bija klupšanas akmens, kad brāļi Kirī atklāja pjezoelektrisko efektu.
Mūsdienu tehnoloģijās tas nav šķērslis, jo strāvu var pastiprināt miljoniem reižu. Tagad ir zināms, ka dažiem kristāliem ir ļoti nozīmīga pjezoelektriskā iedarbība. Un no tiem iegūto strāvu var pārraidīt pa vadiem lielos attālumos, pat bez iepriekšējas pastiprināšanas.
Pjezoelektriskie kristāli ir izmantoti ultraskaņas defektu noteikšanā, lai noteiktu metāla izstrādājumu defektus. Elektromehāniskajos pārveidotājos radiofrekvenču stabilizēšanai, daudzkanālu telefona sakaru filtros, kad pa vienu vadu vienlaikus tiek veiktas vairākas sarunas, spiediena un pastiprinājuma sensori, adapteros, plkst ultraskaņas lodēšana — daudzās tehnikas jomās pjezoelektriskie kristāli ir ieņēmuši savu nesatricināmo pozīciju.
Svarīga pjezoelektrisko kristālu īpašība bija arī apgrieztais pjezoelektriskais efekts... Ja uz noteiktām kristāla virsmām tiek uzlikti pretējas zīmju lādiņi, tad paši kristāli šajā gadījumā deformēsies.Ja kristālam tiek pielietotas skaņas frekvences elektriskās vibrācijas, tas sāks vibrēt ar tādu pašu frekvenci un apkārtējā gaisā tiks satraukti skaņas viļņi. Tātad viens un tas pats kristāls var darboties gan kā mikrofons, gan kā skaļrunis.
Vēl viena pjezoelektrisko kristālu iezīme padara tos par mūsdienu radiotehnoloģiju neatņemamu sastāvdaļu. Piemīt dabiskā mehānisko vibrāciju frekvence, kristāls sāk vibrēt īpaši spēcīgi brīdī, kad pielietotā maiņstrāvas frekvence sakrīt ar to.
Šī ir elektromehāniskās rezonanses izpausme, uz kuras pamata tiek izveidoti pjezoelektriskie stabilizatori, kuru dēļ nepārtrauktu svārstību ģeneratoros tiek uzturēta nemainīga frekvence.
Viņi līdzīgi reaģē uz mehāniskām vibrācijām, kuru frekvence atbilst pjezoelektriskā kristāla dabiskajai vibrācijas frekvencei. Tas ļauj izveidot akustiskās ierīces, kas no visām tās sasniedzošajām skaņām atlasa tikai tās, kas nepieciešamas vienam vai otram mērķim.
Pjezoelektriskajām ierīcēm netiek ņemti veseli kristāli. Kristālus sagriež slāņos, kas ir stingri orientēti pret to kristalogrāfiskajām asīm, no šiem slāņiem veido taisnstūra vai apļveida plāksnes, kuras pēc tam tiek pulētas līdz noteiktam izmēram. Plākšņu biezums tiek rūpīgi uzturēts, jo no tā ir atkarīga svārstību rezonanses frekvence. Vienu vai vairākas plāksnes, kas savienotas ar metāla slāņiem uz divām platām virsmām, sauc par pjezoelektriskiem elementiem.