Piezoelektrični efekt i njegova primjena u tehnici
Godine 1880. braća Jacques i Pierre Curie otkrili su da kada se određeni prirodni kristali sabijaju ili rastežu, na rubovima kristala nastaju električni naboji. Braća su ovu pojavu nazvala "piezoelektricitet" (grčka riječ "piezo" znači "pritisnuti"), a sami su takve kristale nazvali piezoelektrični kristali.
Kako se pokazalo, kristali turmalina, kvarca i drugi prirodni kristali, kao i mnogi umjetno uzgojeni kristali, imaju piezoelektrični učinak. Takvi se kristali redovito dodaju na popis već poznatih piezoelektričnih kristala.
Kada se takav piezoelektrični kristal rasteže ili stisne u željenom smjeru, na nekim njegovim površinama pojavljuju se suprotni električni naboji s malom razlikom potencijala.
Ako na ta lica postavimo međusobno spojene elektrode, tada će se u trenutku kompresije ili rastezanja kristala u krugu koji čine elektrode pojaviti kratki električni impuls.To će biti manifestacija piezoelektričnog efekta... Pri konstantnom tlaku takav impuls se neće pojaviti.
Inherentna svojstva ovih kristala omogućuju proizvodnju preciznih i osjetljivih instrumenata.
Piezoelektrični kristal je vrlo elastičan. Kada se sila deformira, kristal se vraća u svoj prvobitni volumen i oblik bez inercije. Vrijedno je ponovno se potruditi ili promijeniti ono što je već primijenjeno, a ono će odmah odgovoriti novim trenutnim impulsom. To je najbolji snimač za postizanje vrlo slabih mehaničkih vibracija. Struja u krugu vibrirajućeg kristala je mala i to je bio kamen spoticanja prilikom otkrića piezoelektričnog efekta od strane braće Curie.
U modernoj tehnologiji to nije prepreka, jer se struja može pojačati milijunima puta. Danas je poznato da određeni kristali imaju vrlo značajan piezoelektrični učinak. A struja dobivena od njih može se prenositi žicama na velike udaljenosti, čak i bez prethodnog pojačanja.
Piezoelektrični kristali korišteni su u ultrazvučnoj detekciji nedostataka za otkrivanje nedostataka u metalnim proizvodima. U elektromehaničkim pretvaračima za stabilizaciju radiofrekvencije, u filtrima višekanalne telefonske komunikacije kada se više razgovora istovremeno vodi na jednoj žici, u senzori tlaka i pojačanja, u adapterima, na ultrazvučno lemljenje — u mnogim tehničkim područjima piezoelektrični kristali zauzeli su nepokolebljivu poziciju.
Važno svojstvo piezoelektričnih kristala bio je i obrnuti piezoelektrični efekt... Ako se na određene površine kristala nanesu naboji suprotnih predznaka, tada će se sami kristali u tom slučaju deformirati.Ako se na kristal primijene električne vibracije zvučne frekvencije, on će početi vibrirati na istoj frekvenciji i zvučni valovi će se pobuditi u okolnom zraku. Dakle, isti kristal može djelovati i kao mikrofon i kao zvučnik.
Još jedna značajka piezoelektričnih kristala čini ih sastavnim dijelom moderne radio tehnologije. Posjedujući prirodnu frekvenciju mehaničkih vibracija, kristal počinje posebno snažno vibrirati u trenutku kada se s njim poklapa frekvencija primijenjenog izmjeničnog napona.
Ovo je manifestacija elektromehaničke rezonancije, na temelju koje se stvaraju piezoelektrični stabilizatori, zbog kojih se konstantna frekvencija održava u generatorima kontinuiranih oscilacija.
Na sličan način reagiraju na mehaničke vibracije čija frekvencija odgovara prirodnoj frekvenciji vibracija piezoelektričnog kristala. To vam omogućuje stvaranje akustičnih uređaja koji od svih zvukova koji dopiru do njih odabiru samo one koji su potrebni za jednu ili drugu svrhu.
Za piezoelektrične uređaje ne uzimaju se cijeli kristali. Kristali se režu u slojeve koji su strogo orijentirani u odnosu na njihove kristalografske osi, te se slojevi izrađuju u pravokutne ili kružne ploče, koje se zatim poliraju do određene veličine. Debljina ploča se pažljivo održava jer o njoj ovisi rezonantna frekvencija oscilacija. Jedna ili više ploča spojenih metalnim slojevima na dvije široke površine nazivaju se piezoelektrični elementi.