Pjezoelektrika: apibrėžimas, veikimo principas ir taikymai

Pjezoelektrika — tai savybė, kai tam tikros medžiagos generuoja elektros krūvį arba įtampą reaguodamos į mechaninį poveikį (tiesioginė pjezoelektrika), arba atvirkščiai — deformuojasi, kai ant jų uždedama elektrinė įtampa (atvirkštinė pjezoelektrika). Šis efektas kyla dėl kristalinės struktūros netolygaus centro pasiskirstymo ir dipolinių domenų pasikeitimo medžiagos viduje.

Veikimo principas

Pjezoelektrinė medžiaga susidaro iš atominių grupių, kurios prie pagrindinės būsenos yra išlygiuotos tam tikru būdu. Mechaninis spaudimas pakeičia atominių tinklų tarpus ir asimetrinį krūvių pasiskirstymą, todėl atsiranda elektrinė polarizacija ir išorinėje grandinėje matomas elektros krūvis ar įtampa. Atvirkštinis efektas — prijungus įtampą, kristalinė gardelė deformuojasi.

Reikėtų pabrėžti kelis praktinius aspektus:

Generuojama įtampa ir krūvis priklauso nuo mechaninio streso, medžiagos pjezo koeficientų (pvz., d33, d31), geometrijos ir to, kaip grandinė yra prijungta (apkrovos apkrova, kapacitetas).
Pjezoelektriniai poslinkiai dažniausiai yra labai maži — paprastai nuo kelių ppm (milijoninių dalių) iki kelių promilių ar šimtųjų procento, priklausomai nuo medžiagos ir taikomos lauko stiprumo.
Nors tam tikruose pavyzdžiuose galima apibūdinti formos pokytį taip, kad vienos ašies ilgis padidėja, kitos — sumažėja, tai nereiškia, kad tūris visuomet išlieka toks pats. Ar tūris keičiasi priklauso nuo konkretaus deformacijos tipo ir medžiagos savybių.

Medžiagos ir apdorojimas (polinimas)

Tipiškos pjezoelektrinės medžiagos: kvarcas (natūralus kristalas), kalio nitrato rūgšties druskos analogai (Rochelle salt), keraminiai oksidai (pvz., PZT — olovo cirkonatas-titanatas), polimerai (pvz., PVDF). Keramika dažnai turi didesnius pjezo koeficientus, bet yra trapesnė; polimerai lankstesni, bet mažiau efektyvūs.

Keraminiai pjezo elementai dažnai „polinami“ — tai procesas, kai medžiaga įkaitinama ir jai veikiant stipriai nuolatinei (DC) elektrinei įtampai, ferroelectric domenai išsilygina viena kryptimi. Atvėsinus, domenai išlieka išlyginti, todėl medžiaga įgyja didesnį jautrumą mechaniniam poveikiui. Tai nėra „aštrinimas“ kaip ašmenų galandimas — tai domenų orientacijos valdymas, leidžiantis medžiagai veikti kaip efektyvesniam pjezoelementui.

Praktiniai panaudojimai

Pjezoelektrika plačiai naudojama pramonėje ir kasdienybėje technikoje. Svarbiausi pavyzdžiai:

Jutikliai (spaudimo jutikliai, accelerometrai, mikrofonai) — dėl aukšto jautrumo ir greitos reakcijos.
Aktuatoriiai (mikrojudesio elementai, ultragarso generatoriai) — atvirkštinė pjezoelektrika leidžia tiksliai valdyti poslinkius.
Ultragarso medicininiai siųstuvai ir imtuvai — diagnostiniuose echografuose, valymo sistemose.
Impulsiniai žiebtuvėliai ir sprogstamoji įranga — pjezo generuoja aukštą impulsinę įtampą, bet labai mažą krūvį ir trumpam laikui.
Inkjet spausdintuvai, kuro purkštukai, piezo varikliai ir pozicionavimo sistemos.
Energijos kaupimas iš aplinkos (energy harvesting) — vibruojančios pjezo plokštelės gali surinkti mažas energijos dozes (mili–mikrojoulius), tinkamas žemos galios prietaisams arba kondensatoriaus įkrovimui ir impulsų generavimui.

Praktiniai pastebėjimai ir apribojimai

Pjezoelementai gali sugeneruoti ganėtinai aukštą impulsinę įtampą (kartais keliasdešimt ar kelis šimtus voltų), tačiau srovė ir energija dažniausiai yra labai maži. Todėl jie netinka kaip tiesioginis maitinimo šaltinis didelės galios poreikiams; dažnai reikalingos energijos kondicionavimo grandinės (lygintuvai, energijos kaupikliai) tam, kad surinkta energija būtų praktiškai naudojama. Taip pat reikia atsižvelgti į temperatūros priklausomybę (Curie temperatūra feroelectric medžiagoms), mechaninį nuovargį ir trapią keramikų prigimtį.

Apibendrinant: pjezoelektrika yra naudingas fizikinis efektas, leidžiantis keisti mechaninę energiją į elektros energiją ir atvirkščiai daugelyje specializuotų taikymų. Jos efektyvumas ir praktiškumas priklauso nuo pasirinktos medžiagos, jos apdorojimo (polinimo), konstrukcijos ir elektrinių/mechaninių sąlygų.