Het piëzo-elektrische effect en de toepassing ervan in technologie
In 1880 ontdekten de broers Jacques en Pierre Curie dat wanneer bepaalde natuurlijke kristallen werden samengedrukt of uitgerekt, er elektrische ladingen ontstonden aan de randen van de kristallen. De broers noemden dit fenomeen "piëzo-elektriciteit" (het Griekse woord "piëzo" betekent "persen"), en zelf noemden ze dergelijke kristallen piëzo-elektrische kristallen.
Het bleek dat toermalijnkristallen, kwarts en andere natuurlijke kristallen, evenals veel kunstmatig gekweekte kristallen, een piëzo-elektrisch effect hebben. Dergelijke kristallen worden regelmatig toegevoegd aan de lijst van reeds bekende piëzo-elektrische kristallen.
Wanneer zo'n piëzo-elektrisch kristal in de gewenste richting wordt uitgerekt of samengedrukt, verschijnen op sommige oppervlakken tegengestelde elektrische ladingen met een klein potentiaalverschil.
Als we op deze vlakken met elkaar verbonden elektroden plaatsen, zal op het moment van compressie of uitrekking van het kristal een korte elektrische impuls verschijnen in het circuit dat door de elektroden wordt gevormd.Dit zal de manifestatie zijn van het piëzo-elektrische effect. Bij constante druk zal zo'n impuls niet optreden.
De inherente eigenschappen van deze kristallen maken het mogelijk om nauwkeurige en gevoelige instrumenten te produceren.
Het piëzo-elektrische kristal is zeer elastisch. Wanneer de kracht wordt vervormd, keert het kristal zonder traagheid terug naar zijn oorspronkelijke volume en vorm. Het loont de moeite om opnieuw een poging te wagen of te veranderen wat al is toegepast, en het zal onmiddellijk reageren met een nieuwe stroomimpuls. Het is de beste recorder voor het bereiken van zeer zwakke mechanische trillingen. De stroom in het circuit van het trillende kristal is klein en dit was een struikelblok tijdens de ontdekking van het piëzo-elektrische effect door de gebroeders Curie.
In moderne technologie is dit geen obstakel, omdat de stroom miljoenen keren kan worden versterkt. Het is nu bekend dat bepaalde kristallen een zeer significant piëzo-elektrisch effect hebben. En de stroom die daaruit wordt verkregen, kan over lange afstanden via draden worden overgedragen, zelfs zonder voorafgaande versterking.
Piëzo-elektrische kristallen zijn gebruikt bij ultrasone foutdetectie om defecten in metalen producten te detecteren. In elektromechanische omvormers voor radiofrequentiestabilisatie, in filters van meerkanaals telefooncommunicatie wanneer meerdere gesprekken tegelijkertijd op één draad worden gevoerd, in druk- en versterkingssensoren, in adapters, bij ultrasoon solderen — op veel technische gebieden hebben piëzo-elektrische kristallen hun onwrikbare positie ingenomen.
Een belangrijke eigenschap van piëzo-elektrische kristallen was ook een omgekeerd piëzo-elektrisch effect. Als ladingen met tegengestelde tekens op bepaalde oppervlakken van het kristal worden aangebracht, zullen in dit geval de kristallen zelf vervormen.Als elektrische trillingen van een audiofrequentie op een kristal worden toegepast, zal het beginnen te trillen op dezelfde frequentie en zullen geluidsgolven worden opgewekt in de omringende lucht. Dus hetzelfde kristal kan zowel als microfoon als als luidspreker fungeren.
Een ander kenmerk van piëzo-elektrische kristallen maakt ze tot een integraal onderdeel van moderne radiotechnologie. Het kristal bezit de natuurlijke frequentie van mechanische trillingen en begint bijzonder sterk te trillen op het moment dat de frequentie van de aangelegde wisselspanning ermee samenvalt.
Dit is een manifestatie van elektromechanische resonantie, op basis waarvan piëzo-elektrische stabilisatoren worden gecreëerd, waardoor een constante frequentie wordt gehandhaafd in generatoren van continue oscillaties.
Ze reageren op een vergelijkbare manier op mechanische trillingen waarvan de frequentie overeenkomt met de natuurlijke trillingsfrequentie van het piëzo-elektrische kristal. Hierdoor kunt u akoestische apparaten maken die uit alle geluiden die hen bereiken alleen die selecteren die voor een of ander doel nodig zijn.
Hele kristallen worden niet gebruikt voor piëzo-elektrische apparaten. Kristallen worden in lagen gesneden die strikt georiënteerd zijn ten opzichte van hun kristallografische assen, van deze lagen worden rechthoekige of ronde platen gemaakt, die vervolgens tot een bepaalde grootte worden gepolijst. De dikte van de platen wordt zorgvuldig gehandhaafd omdat de resonantiefrequentie van de trillingen ervan afhangt. Een of meer platen verbonden door metaallagen op twee brede oppervlakken worden piëzo-elektrische elementen genoemd.