Bagaimana cara kerja elemen piezoelektrik dan apa efek piezoelektriknya?

Efek piezoelektrik ditemukan oleh ilmuwan Prancis Curie bersaudara pada akhir abad ke-19. Pada saat itu, masih terlalu dini untuk berbicara tentang aplikasi praktis dari fenomena yang ditemukan, tetapi saat ini, elemen piezoelektrik banyak digunakan baik dalam teknologi maupun dalam kehidupan sehari-hari.

Inti dari efek piezoelektrik

Fisikawan terkenal telah menetapkan bahwa ketika beberapa kristal (kristal batu, turmalin, dll.) berubah bentuk, muatan listrik muncul di permukaannya. Pada saat yang sama, perbedaan potensial kecil, tetapi itu diperbaiki dengan pasti oleh perangkat yang ada pada waktu itu, dan dengan menghubungkan bagian dengan muatan yang berlawanan kutub menggunakan konduktor, dimungkinkan untuk mendapatkan listrik. Fenomena itu diperbaiki hanya dalam dinamika, pada saat kompresi atau peregangan. Deformasi dalam mode statis tidak menyebabkan efek piezoelektrik.

Segera, efek sebaliknya dibenarkan secara teoritis dan ditemukan dalam praktik - ketika tegangan diterapkan, kristal berubah bentuk.Ternyata kedua fenomena itu saling berhubungan - jika suatu zat menunjukkan efek piezoelektrik langsung, maka yang sebaliknya juga melekat di dalamnya, dan sebaliknya.

Fenomena ini diamati pada zat dengan kisi kristal tipe anisotropik (yang sifat fisiknya berbeda tergantung pada arahnya) dengan asimetri yang cukup, serta beberapa struktur polikristalin.

Dalam setiap benda padat, gaya eksternal yang diterapkan menyebabkan deformasi dan tekanan mekanis, dan pada zat dengan efek piezoelektrik, mereka juga menyebabkan polarisasi muatan, dan polarisasi tergantung pada arah gaya yang diterapkan. Saat mengubah arah pemaparan, baik arah polarisasi maupun polaritas muatan berubah. Ketergantungan polarisasi pada tegangan mekanik adalah linier dan dijelaskan oleh ekspresi P=dt, di mana t adalah tegangan mekanik, dan d adalah koefisien yang disebut modul piezoelektrik (modul piezoelektrik).

Fenomena serupa terjadi dengan efek piezoelektrik terbalik. Ketika arah medan listrik yang diterapkan berubah, arah deformasi berubah. Di sini ketergantungan juga linier: r=dE, di mana E adalah kuat medan listrik dan r adalah regangan. Koefisien d adalah sama untuk efek piezoelektrik langsung dan terbalik untuk semua zat.

Nyatanya, persamaan di atas hanyalah perkiraan. Ketergantungan yang sebenarnya jauh lebih rumit dan juga ditentukan oleh arah gaya relatif terhadap sumbu kristal.

Zat dengan efek piezoelektrik

Untuk pertama kalinya, efek piezoelektrik ditemukan pada kristal batuan (kuarsa). Sampai hari ini, bahan ini sangat umum dalam produksi elemen piezoelektrik, tetapi tidak hanya bahan alami yang digunakan dalam produksi.

Banyak piezoelektrik dibuat dari zat dengan rumus ABO.₃, misalnya BaTiO₃, bТiO₃. Bahan-bahan ini memiliki struktur polikristalin (terdiri dari banyak kristal), dan untuk memberi mereka kemampuan untuk menunjukkan efek piezoelektrik, mereka harus mengalami polarisasi menggunakan medan listrik eksternal.

Ada teknologi yang memungkinkan untuk memperoleh piezoelektrik film (polivinilidena fluorida, dll.). Untuk memberi mereka sifat yang diperlukan, mereka juga perlu dipolarisasi untuk waktu yang lama dalam medan listrik. Keuntungan dari bahan tersebut adalah ketebalan yang sangat kecil.

Sifat dan karakteristik zat dengan efek piezoelektrik

Karena polarisasi hanya terjadi selama deformasi elastis, karakteristik penting dari bahan piezo adalah kemampuannya untuk berubah bentuk di bawah aksi gaya eksternal. Nilai kemampuan ini ditentukan oleh kepatuhan elastis (atau kekakuan elastis).

Kristal dengan efek piezoelektrik sangat elastis - ketika gaya (atau tekanan eksternal) dihilangkan, mereka kembali ke bentuk aslinya.

Piezocrystals juga memiliki frekuensi resonansi mekanisnya sendiri. Jika Anda membuat kristal bergetar pada frekuensi ini, amplitudo akan sangat besar.

 

Karena efek piezoelektrik dimanifestasikan tidak hanya oleh seluruh kristal, tetapi juga oleh pelat yang dipotong dalam kondisi tertentu, dimungkinkan untuk mendapatkan potongan zat piezoelektrik dengan resonansi pada frekuensi yang berbeda, tergantung pada dimensi geometris dan arah pemotongan.

Juga, sifat vibrasi bahan piezoelektrik dicirikan oleh faktor kualitas mekanik. Ini menunjukkan berapa kali amplitudo osilasi pada frekuensi resonansi meningkat dengan gaya yang sama.

Ada ketergantungan yang jelas dari sifat-sifat piezoelektrik pada suhu, yang harus diperhitungkan saat menggunakan kristal. Ketergantungan ini ditandai dengan koefisien:

• koefisien suhu frekuensi resonansi menunjukkan seberapa besar resonansi hilang ketika kristal dipanaskan / didinginkan;
• koefisien ekspansi suhu menentukan seberapa besar dimensi linier pelat piezoelektrik berubah dengan suhu.

Pada suhu tertentu, piezocrystal kehilangan sifat-sifatnya. Batas ini disebut suhu Curie. Batas ini bersifat individual untuk setiap materi. Misalnya, untuk kuarsa adalah +573 °C.

Penggunaan praktis dari efek piezoelektrik

Aplikasi elemen piezoelektrik yang paling terkenal adalah sebagai elemen pengapian. Efek piezoelektrik digunakan dalam korek api saku atau penyala dapur untuk kompor gas. Ketika kristal ditekan, perbedaan potensial muncul dan percikan muncul di celah udara.

Area penerapan elemen piezoelektrik ini tidak habis. Kristal dengan efek serupa dapat digunakan sebagai pengukur regangan, tetapi area penggunaan ini dibatasi oleh sifat efek piezoelektrik untuk muncul hanya dalam dinamika - jika perubahan berhenti, sinyal berhenti menghasilkan.

Piezocrystals dapat digunakan sebagai mikrofon - ketika terkena gelombang akustik, sinyal listrik terbentuk. Efek piezoelektrik terbalik juga memungkinkan (kadang-kadang secara bersamaan) penggunaan elemen-elemen seperti pemancar suara. Ketika sinyal listrik diterapkan pada kristal, elemen piezoelektrik akan mulai menghasilkan gelombang akustik.

Pemancar semacam itu banyak digunakan untuk membuat gelombang ultrasonik, khususnya, dalam teknologi medis. Pada ini sifat resonansi pelat juga dapat digunakan.Ini dapat digunakan sebagai filter akustik yang hanya memilih gelombang frekuensi alami. Pilihan lainnya adalah menggunakan elemen piezoelektrik dalam generator suara (sirene, detektor, dll.) secara bersamaan sebagai elemen pengatur frekuensi dan pemancar suara. Dalam hal ini, suara akan selalu dihasilkan pada frekuensi resonansi, dan volume maksimum dapat diperoleh dengan sedikit konsumsi energi.

Sifat resonansi digunakan untuk menstabilkan frekuensi generator yang beroperasi dalam rentang frekuensi radio. Pelat kuarsa memainkan peran sirkuit osilasi yang sangat stabil dan berkualitas tinggi di sirkuit pengaturan frekuensi.

Masih ada proyek fantastis untuk mengubah energi deformasi elastis menjadi energi listrik dalam skala industri. Anda dapat menggunakan deformasi trotoar di bawah pengaruh gravitasi pejalan kaki atau mobil, misalnya, untuk menerangi bagian trek. Anda dapat menggunakan energi deformasi sayap pesawat untuk menyediakan jaringan pesawat. Penggunaan seperti itu dibatasi oleh efisiensi elemen piezoelektrik yang tidak mencukupi, tetapi pabrik percontohan telah dibuat, dan mereka telah menunjukkan janji untuk perbaikan lebih lanjut.

Artikel serupa: