Piesoelekter

Elektripinge tekkimine piesokristalli surumisel

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.

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

Sisukord

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