Cesko.wiki Piezoelektrický jev
Author
Albert FloresPiezoelektrický jev je jev, který spočívá v tvorbě a ukládání elektrických nábojů v pevné látkové látky vyvolané mechanickou deformací nebo napětím, které na ni působí vnější síla. Látky, které vykazují piezoelektrický jev, se nazývají piezoelektrické materiály. Tyto materiály mají specifickou strukturu, která umožňuje vytváření elektrických nábojů při působení mechanické síly. Piezoelektrický jev se využívá v různých technologických aplikacích, jako je například výroba piezoelektrických senzorů, ultrazvukového zobrazování nebo piezoelektrických aktuátorů. Tato technologie má široké využití v medicíně, průmyslu a dalších oborech. Piezoelektrické materiály jsou také využívány v akustických a elektronických zařízeních, jako jsou reproduktory či sonary. V současnosti se vědci zabývají využitím piezoelektrického jevu ve výrobě elektrické energie, což by mohlo vést k novým způsobům získávání elektřiny.
Piezoelektrický jev (z řeckého piezein (πιέζειν) - tlačit) je schopnost krystalu při deformování generovat elektrické napětí. Může se vyskytovat pouze u krystalů, které nemají střed symetrie.
Nejznámější piezoelektrickou látkou je monokrystalický křemen, křišťál. Poprvé byl piezoelektrický jev pozorován u Seignettovy soli (tetrahydrát vinanu draselno-sodného).
Opačný jev, kdy se krystal deformuje ve vnějším elektrickém poli, se nazývá nepřímý piezoelektrický jev. Další jev zvaný elektrostrikce, ačkoliv je nepřímému piezoelektrickému jevu podobný, jedná se o proces samostatný.
Vznik piezoelektrického jevu
Mechanismus vzniku elektrické polarizace při deformaci
Jev lze vysvětlit mikroskopicky: Deformací se ionty opačných nábojů posunou v krystalové mřížce tak, že elektrická těžiště záporných a kladných iontů, která se v nezdeformovaném krystalu nacházejí ve stejném bodě, se od sebe vzdálí. Na určitých plochách krystalu se objeví elektrický náboj.
Při obráceném piezoelektrickém jevu, dochází pod vlivem elektrického pole k deformaci. Míru deformace krystalu konkrétní látky popisuje piezoelektrická konstanta.
Piezolektrickému jevu je podobný jev elektrostrikce. Elektrostrikční jev se však na rozdíl od jevu piezoelektrického projevuje ve všech dielektrických materiálech (dielektrikum) a se změnou znaménka elektrického pole při něm nedochází ke změně směru deformace.
S deformací krystalické mřížky působením vnější síly souvisí i změna měrného elektrického odporu. Tento je označován jako piezorezistivní jev.
Při vysokých teplotách dochází u jakéhokoliv materiálu ke ztrátě piezoelektrických vlastností, protože je narušeno uspořádání iontů. K této změně dochází skokově, podobně jako ke změně skupenství. +more (Viz fázový přechod. ) Přechodová teplota je charakteristická pro daný materiál a nazývá se Curieova teplota.
Využití piezoelektrického jevu
Obvykle se udává, že piezoelektrický jev byl objeven v letech 1880 (Pierre a Jacques Curie).
Přímý piezoelektrický jev se využívá např. v zapalovačích, v gramofonových přenoskách, resp. +more krystalových vložkách, v piezoelektrických mikrofonech. Piezorezistivní jev je využíván například v polovodičových tenzometrech.
Využití obráceného piezoelektrického jevu je založeno na působení elektrického pole na krystal. Je-li pole časově periodicky proměnné s kmitočtem, který odpovídá kmitočtu vlastních elastických kmitů krystalu, vzniká mechanická rezonance.
Přímý i obrácený (nepřímý) piezoelektrický jev se využívá například v lékařských sonografech, generujících ultrazvuk. Velmi rozsáhlé možnosti využití pizoelektrického jevu zajistila také oblast digitálních tiskáren. +more U těchto se momentálně využívá tzv. termo principu (hlavním zástupcem je společnost HP) a právě piezo (Epson). Výhodou piezoelektrické technologie je fakt, že u ní nedochází k zahřívání inkoustu a proto lze tisknout i velmi agresivními médii, jakými jsou solventní (ředidlové) inkousty, UV inkousty (k jejich vytvrzení dochází až po dopadu na tiskové médium pomocí UV záření) a nebo například inkousty, u kterých by při zahřátí v tiskové hlavě došlo k degradaci - sublimační inkousty.
Další aplikace
Princip aktivního sonaru Sonar byl vyvinut v první světové válce k detekci objektů v moři jako jedna z prvních piezoaplikací.
SONAR, angl. SOund Navigation And Ranging (zvuková navigace a zaměřování) je obdobou: * RADARu (RAdio Detection And Ranging) nebo * LIDARu (Laser lluminated Detection And Ranging). +more Uspořádání vstupního a výstupního měniče pro povrchovou akustickou vlnu Sonar je využíván například: * v ponorkách, protože rádiové vlny mají pod vodou výrazně menší dosah než na souši; * ve zdravotnictví k neinvazivnímu vyšetřování orgánů, plodu atp.
Povrchová akustická vlna je základem součástek s povrchovou akustickou vlnou, které využívají generování a detekci povrchové akustické vlny na piezoelektrickém substrátu. Tyto součástky mají řadu aplikací (filtry, oscilátory a transformátory).
V živočišné říši využívají sonar netopýři a kytovci. Echolokační smysl se vyvinul také u ptáků. +more Jihoamerický gvačaro jeskynní a jihoasijská salangana ostrovní užívají krátkých signálů k orientaci ve složitých rozsáhlých jeskynních systémech. Na rozdíl od netopýrů a kytovců jsou signály uvedených druhů v námi slyšitelné frekvenci 4-8 kHz.
Odkazy
Reference
Literatura
PETRŽÍLKA, Václav a SLAVÍK, Josef Bartoloměj. Piezoelektřina a její použití v technické praxi. V Praze: Jednota českých matematiků a fysiků, 1940. 116 s. Cesta k vědění, sv. 2.
Související články
Externí odkazy
Kategorie:Elektřina Kategorie:Krystalografie Kategorie:Fyzika kondenzovaného stavu