Piezoelektrisk effekt

Fra Wikipedia, den frie encyklopædi
Gå til: navigation, søg

Den piezoelektriske effekt (af græsk: piezein = klemme eller presse) er en egenskab som mange forskellige krystaller besidder: Hvis krystallet påvirkes af mekaniske kræfter, reagerer det ved at danne en elektrisk spænding der kan måles på krystallets overflade. Og fænomenet er reversibelt: Sætter man elektrisk spænding til sådanne krystaller, ændrer de facon; dette kaldes for den omvendte piezoelektriske effekt (for at understrege "retningen" omtales den piezoelektriske effekt også som den direkte piezoelektriske effekt, i kontrast til den omvendte effekt) . Der er godt nok kun tale om mikroskopiske bevægelser, til gengæld sker de med en enorm kraft.

Den piezoelektriske effekt blev både forudsagt og demonstreret i 1880'erne, og krystaller med disse egenskaber er siden blevet brugt i mange forskellige praktiske sammenhænge: Fra dagligdagen kendes de "elektroniske" lightere, hvor et piezoelektrisk krystal anslås af en hammer og derved danner de flere tusinde volt der får lighterens elektriske gnist til at springe.

Sådan virker det[redigér | redigér wikikode]

I et piezoelektrisk krystal findes adskilte områder med positive og negative ladninger, men da områderne er symmetrisk fordelt, er krystallet udadtil elektrisk neutralt. Når krystallet påvirkes af mekaniske kræfter udefra, forskubbes denne symmetri så der visse steder samles mest positiv ladning og andre steder mest negativ ladning. Mellem sådanne to steder i krystallet skabes en spændingsforskel; et terning-formet krystal af kvarts med 1 centimeter sidelængde kan levere op imod 12,5 kilovolt når det udsættes for 2 000 newton (tyngdekraften af godt 200 kilogram)

Når man lægger et elektrisk felt over et piezoelektrisk krystal, vil de positivt ladede dele af krystallet mærke en mekanisk tiltrækningskraft hen imod den negative elektrode, mens de negativt ladede dele trækkes mod den positive elektrode. Dette skaber mekaniske spændinger inde i krystallet mellem zoner med forskellig ladning, og da krystallet er en anelse elastisk giver det til en vis grad efter for disse spændinger. Resultatet er at krystallet ændrer facon; bliver en anelse kortere eller længere, eller evt. "vrider" sig. Det drejer sig kun om nogle få nanometer, men til gengæld kan krystallet med sin facon-ænding udøve gigantiske kræfter der måles i dusinvis af megaton; tyngden af flere tusinde tons

Piezoelektriske materialer[redigér | redigér wikikode]

Ud over kvarts findes der mange materialer der besidder piezoelektriske egenskaber: Stoffer som aluminiumfosfat og keramiske materialer med perovskit eller wolfram-bronze-strukturer (BaTiO3, KNbO3, LiNbO3, LiTaO3, BiFeO3, NaxWO3, Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15). Enkelte polymerer såsom polyvinylfluorid har en piezoelektrisk virkning der er adskilligt gange større end for kvarts, og en række naturlige stoffer som gummi, uld, hår, fibre af træ samt silke udviser til en vis grad piezoelektriske egenskaber. Man har også konstateret effekten i knogler, og nogen mener at dette er et led i den proces der får knogler til at "vokse sig stærke" hvor og når de udsættes for mekanisk pres.

Tekniske anvendelser[redigér | redigér wikikode]

Piezoelektriske materialer har fundet anvendelse i en lang række sammenhænge hvor elektricitet skal omsættes til mekaniske kræfter og/eller omvendt.

Højspændingskilder[redigér | redigér wikikode]

Visse piezoelektriske materialer, som f.eks. kvarts, kan skabe elektriske spændinger på adskillige kilovolt, og disse spændinger kan "tappes" fra krystallet.

  • Som nævnt i indledningen er det et piezoelektrisk krystal der leverer spændingen til gnisten i en elektronisk lighter: Fordelen ved denne måde at antænde lightergassen er at knappen og krystallet kan sidde i en vis afstand fra flammen; dette udnyttes især i de specielle lightere der bl.a. bruges til at tænde et gaskomfur.
  • I USA arbejder den militære forskningsenhed DARPA med at udstyre støvler til soldater med piezoelektriske krystaller, som skal opsamle strøm til elektronisk kampudrustning når soldaten går.
  • En piezoelektrisk transformator benytter én del af en stang af piezoelektrisk materiale til at omsætte elektrisk vekselstrøm mekaniske svingninger, mens en anden del af stangen bruges til at omsætte svingingerne tilbage til vekselstrøm: Den spænding man får ud, kan være op imod 1 000 gange den spænding der tilføres.

Mekaniske sensorer[redigér | redigér wikikode]

Den omvendte piezoelektriske effekt udnyttes i sensorer, der opfanger mekaniske bevægelser:

  • Den såkaldte krystalmikrofon er en art mikrofon, hvor lydens svinginger påvirker et piezoelektrisk krystal. Over krystallet vil der kunne måles en spænding der vil variere i takt med lyd-svingningerne.
  • I sonaren bruges en variant af ovenstående krystalmikrofon til at lytte efter tilbagekastede lydsignaler fra omgivelserne.
  • I elektroniske trommer er det en piezoelektrisk sensor der omsætter trommeslagene til elektriske signaler.

Mekaniske aktuatorer[redigér | redigér wikikode]

En aktuator er det modsatte af en sensor, men piezoelektriske materialer fungerer jo "begge veje", og bruges også i en række aktuatorer:

  • I en piezoelektrisk højttaler er selve membranen lavet af en piezoelektrisk polymér: Når der sættes en vekselspænding til denne membran, vibrerer den og omsætter derved det elektriske signal til lyd. Disse er hyppigt anvendt i gavekort med lyd i, idet disse højtalere kan laves meget tynde.
  • Indenfor optikken udnytter man de piezoelektriske materialers evne til at udøve store mekaniske kræfter over ganske korte distancer, f.eks.:
  • I Atomic Force- og Scanning Tunneling-mikroskoperne bruges piezoelektriske elementer til at styre positionen af den "nål" der afsøger overfladen af den prøve der mikroskoperes.

Frekvensstandarder[redigér | redigér wikikode]

Et krystal i elektronisk forstand er en komponent, hvori en stemmegaffel af et piezoelektrisk materiale er anbragt så den kan svinge frit: Denne stemmegaffel kan "anslås" ved hjælp af den omvendte piezoelektriske effekt, og mens "tonen klinger ud", kan man i kraft af den piezoelektriske effekt "tappe" en vekselspænding der svinger i takt med stemmegaflens mekaniske svinginger. I en krystaloscillator forstærkes dette signal og føres tilbage til krystallet, sådan at svingningerne ikke "klinger ud", men bibeholder en konstant amplitude. Disse svingninger holder en bestemt frekvens meget præcist, og det udnyttes på forskellig vis:

  • I et kvartsur spiller sådanne piezoelektriske svingninger samme rolle for uret som et pendul gør for et pendulur: De afgør hvor hurtigt uret går, og på grund af den store frekvensstabilitet går kvartsure meget præcist.
  • Samme princip anvendes i radioer til at skabe referencefrekvenser der styrer hvilken frekvens der modtages på, og i radiosendere til at holde en stabil sendefrekvens.

Historie[redigér | redigér wikikode]

Allerede i starten af 1800-tallet kendte man til et beslægtet fænomen, pyroelektricitet, men i 1880 forudsagde brødrene Pierre og Jacques Curie den piezoelektriske effekt, og demonstrerede den samme år ved hjælp af metalfolie, lim, ledninger, magneter og en juvelérsav i forskellige krystaller: kvarts, tourmalin, topas, rørsukker og natriumkaliumtartrat ("Rochelle-salt").

Ud fra termodynamikkens love kunne Lippmann fastslå, at der også måtte være det der i dag kendes som den omvendte piezoelektriske effekt. Curie-brødrene fik meget hurtigt bekræftet dette eksperimentelt, og førte endda bevis for at den elektro-elastisk-mekaniske deformering af piezoelektriske krystaller er helt reversibel.

Den første praktiske anvendelse af den piezoelektriske og den omvendte piezoelektriske effekt var i sonarer under 1. verdenskrig. I 1917 udviklede Paul Langevin i Frankrig en ubåds-detektor (som i dag bærer hans navn), baseret på ultralyd.

I USA blev den viden man indhøstede på området, holdt indenfor de virksomheder der forskede i det, dels på grund af hemmelighedskræmmeriet omkring de tidligere, militære anvendelser af teknikken, dels for at sikre sig profitable patenter. De japanske fabrikanter samarbejdede derimod, og overvandt derfor hurtigt de tekniske vanskeligheder de stødte på. De kunne sælge piezoelektriske produkter i en kvalitet der kunne måle sig med amerikanernes – japanerne var bare fri for de dyre patentrestlige restriktioner.

Eksterne henvisninger[redigér | redigér wikikode]