Piezoelektrický jav

Piezoelektrické javy alebo piezoelektrina alebo piezoelektrickosť sú javy, pri ktorých v kryštalických dielektrikách (napr. kremeni) vzniká mechanickou deformáciou elektrický náboj. Naopak, elektrické pole v týchto dielektrikách vyvoláva mechanické deformácie. Piezoelektrický jav vykazuje mnoho látok. V dvadsiatych rokoch minulého storočia vypracovali E. Geibe a A. Scheibe dynamickú metódu zisťovania, či je látka piezoelektrická - takzvanú Click metod. Takto bolo objavených množstvo látok, v ktorých bol pozorovaný piezoelektrický jav. Okrem kremeňa a turmalínu sú to napr. niektoré fosforečnanfosforečnany, arzéničnany, cukrkandl, kolagén a celý zoznam ďalších látok. Používajú sa napríklad na výrobu piezoelektrických meničov.

Objavenie piezoelektrického javu

Piezoelektrický jav objavili bratia Pierre Curie a Jacques Curie v roku 1880 pri pokusoch s osovo nerovnomernými kryštálmi tzv. Siegnettovej soli. Keď tieto kryštály namáhali tlakom, ťahom, ohybom, alebo krútením, nabili sa ich protiľahlé plochy elektrinou. Touto vlastnosťou sa prejavujú zvlášť iónové kryštály. Ukázalo sa, že pôsobením tlaku alebo ťahu dochádza k posunutiu iónov a preto sa povrchové plochy kryštálu javia ako elektricky nabité. Elektrine, ktorá vzniká na úkor premeny mechanickej práce, sa začalo hovoriť piezoelektrina a jav bol podľa nej pomenovaný ako piezoelektrický. Vzniknutá elektrina je priamo úmerná pôsobiacej sile, konštanta úmernosti dostala názov piezoelektrická konštanta.

Využitie piezoelektrického javu

Využíva sa najmä pri elektrických snímačoch tlakov a vibrácií. Do praxe sa rozšírila napríklad v podobe piezoelektrických snímačov (prenosiek) gramofónov. Ihla kmitajúca podľa zvlnenia drážok platne prenáša svoj mikropohyb na plochý výbrus kryštálu - obvykle Seignettovej soli alebo titanátu bária. Z jeho protiľahlých polepov sa sníma elektrické napätie, ktoré je nositeľom zvukového signálu. Piezoelektrické prenosky dávajú pomerne vysoké napätie (0,2 až 0,6 V), ktoré už netreba korigovať ďalšími obvodmi. Výstupná impedancia je tiež pomerne vysoká, od 0,5 až 3 MΏ.
Pri silnom stlačení nových piezoelektrických materiálov (na báze pevných roztokov titaničitanov a zirkóničitanov olovnatých) sa uvoľní krátkodobý potenciál rádovo až desiatky kilovoltov. Na tomto princípe vyrábané piezoelektrické zapaľovače vydržia v prevádzke najmenej desať rokov.
Elektrostrikcia je "obrátený" piezoelektrický jav. Keď sa na polepy kryštálu privádza striedavé napätie alebo sa jednoducho vloží do toho elektrického poľa, ktorého frekvencia súhlasí s vlastnou frekvenciou kryštálu (ten závisí od jeho mechanických rozmerov), kryštál sa rozkmitá s mimoriadnou presnosťou (Quartz). Keď kryštál kmitá, rozochvieva aj vzduch alebo tekutinu, do ktorej je vložený. Tak možno zostrojiť generátory zvuku a ultrazvuku až do 300 MHz. Elektrostrikcia sa využíva v tlačiarenských hlavách. Poslednou najnovšou novinkou je využitie elektrostrikcie na vibračný ultrazvukový pohon rotorov. Účinnosť takýchto "motorov" sa pohybuje od od 50 až do 90 %. Účinnosť závisí od dobrého trecieho styku hriadeľa s piezomeničom, čo je problém, ktorý bráni rozšírenému využitiu v praxi. Výhoda takého pohonu je silný krútiaci moment pri plynulej regulácii otáčok bez potreby prevodu.