Piesoelekter

Piesoelekter, ka piesoelektriline efekt ehk piesoefekt (kreeka keeles piezo 'rõhun') on teatava materjali, näiteks kvartskristalli ‒ piesokvartsi ‒ omadus, mille puhul tema kokkusurumisel tekib kokkusurutavate tahkude vahel elektripinge tingituna dielektrilisest polarisatsioonist, s.o erinimeliste elektrilaengute suunatud nihkumisest. Surve eemaldamisel polarisatsioon ja laengud kaovad. Seda nähtust nimetatakse piesoelektriliseks päriefektiks.

Elektripinge tekkimine piesokristalli surumisel

On võimalik ka piesoelektriline pöördefekt ‒ mehaaniline deformatsioon elektrivälja mõjul; seega kui kvartskristalli vastastahkude vahele rakendada elektripinge, muutub nende tahkude vahekaugus.

Piesoelektrilise päriefekti avastasid 1880. aastal vennad Jacques ja Pierre Curie. Katsetes turmaliinikristallidega said nad teada, et kristallide mehaaniline deformatsioon tekitab kristalli pinnale elektrilaengud, mille hulk on võrdeline kokkusuruva jõuga.

Piesoelektrilised materjalid

Tuntuim piesoelektriliste omadustega materjal on looduslik kvartskristall, millest lõigatakse välja plaadid ‒ piesoelemendid ‒ vastavalt elektrilaengute polarisatsiooni sobivale suunale kristalli sümmeetriatelgede suhtes. Kvartskristallist paremate piesoelektriliste omadustega on liitiumniobaat- ja galliumortofosfaat-monokristallid, millest valmistatakse temperatuurstabiilseid ja kaovaeseid resonaatorelemente.

Enamik täiturelementidena kasutavaid piesoelektrilisi komponente valmistatakse polükristallilistest piesokeraamilistest materjalidest ehk piesokeraamikast: kõrgepingelised komponendid pliitsirkonaattitanaadist (PZT) ja madalpingelised pliimagneesiumniobaadist (PMN).

Rakendusnäiteid

Piesoelektrilisi komponente kasutatakse paljudes tehnikavaldkondades tajurite ja täituritena ning samuti muude elektromehaaniliste muundusseadistena teadus-, tööstus- ning meditsiiniaparatuuris. Piesokomponentide laialdane levik eriti viimastel aastakümnetel põhineb võimalusel valmistada neid elektromehaaniliste integraalkomponentide (MEMS) kujul.

Piesotajurid

 Pikemalt artiklis piesoandur

Piesotajurid (piesoandurid) talitlevad piesoelektrilise efekti alusel; neid kasutatakse:

• mehaaniliste deformatsioonide mõõtmiseks peamiselt jõuanduris, rõhuanduris ja kiirendusanduris;
• mehaanilise võnkumise muundamiseks elektriliseks helisagedussignaaliks, näiteks kitarri helipeas;
• õhurõhu muutuse muundamiseks elektrisignaaliks, näiteks piesomikrofonis ehk kristallmikrofonis;

Piesosumisti

Piesotäiturid

Piesotäiturid talitlevad piesoelektrilise pöördefekti alusel; neid kasutatakse:

• piesokeraamilisest materjalist düüsidena tindiprinteris tindi imemiseks ja pritsimiseks;
• piesokeraamikast valjuhääldina, s.o elektrisignaali muundamiseks harilikult kindla sagedusega ‒ vahemikus 1…5 kHz ‒ signaaltooniks summeris ehk sumistis;
• ultraheli allikana piesokristalli resonantsisagedusel;
• arvuti väljundseadmes kuvari tähemärkide esitamiseks pimedate kirja märkidena, mille punktid kerkivad nende pingestamisel esile loetavatele märkidele vastavas kombinatsioonis;
• ajamelementidena piesomootoreis.

Muid rakendusi

• Kristallostsillaatoris tekitab elektrivõnkumisi resonaatorelemendina toimiv kvartskristall. Võnkumiste genereerimiseks läheb siin vaja nii piesoefekti kui ja piesoelektrilist pöördefekti.
• Pinnalainefiltris tekitab piesoelektriline sisendmuundur elektrivõnkumistest akustilisi võnkumisi; need levivad pinnalainena piesoelektrilisse väljundmuundurisse, mis muudab need tagasi elektripinge muutusteks.

Piesoelektriline trafo ja selle aseskeem
(U_p ‒ primaarpinge; U_s ‒ sekundaarpinge)

• Tulemasinas kasutatakse sädemetekitajana (traditsioonilise tulemasinakivi asemel) piesoelementi. Masina klõpsamisel annab surve alt vabanenud vedru oma tõukuriga tugeva löögi PZT-elemendile, tekitades selles kuni 15-kilovoldise kõrgepingeimpulsi; selle impulsi põhjustatud säde elektroodide vahel süütab tulemasina balloonist samal ajal väljuva gaasi. Seega vaadeldaval juhul töötab piesoelement piesoelektrilise efekti alusel täiturina.
• Kolme elektroodiga keraamiline (PZT) piesoresonaator on kasutusel piesoelektrilise transformaatorina, näiteks kõrge pinge tekitamiseks LCD-kuvarite tagantvalgustuse luminofoortorude kiirsüütelülituses. Transformaatori ükekandesuhte U_p/U_s määravad resonaatori mõõtmed ja elektroodide paigutus.

Välislingid

• Piesoelektriline efekt