Efekt piezoelektryczny

Zjawisko generacji ładunków elektrycznych na powierzchni niektórych kryształów pod wpływem naprężeń mechanicznych. Wartość tych ładunków jest wprost proporcjonalna do wartości zastosowanego odkształcenia.

Zjawisko po raz pierwszy zaobserwowane zostało w roku 1880 przez braci Curie podczas prac nad własnościami materiałów piroelektrycznych.

Mechanizm powstawania zjawiska

Kryształy wykazujące właściwości piezoelektryczne charakteryzują się niecentrosymetryczną budową podstawowej komórki oraz posiadaniem wiązań jonowych. 

• Zjawisko piezoelektryczne proste - pod wpływem naprężenia dochodzi tu do odmiennego co do wartości przesunięcia wypadkowych środków ciężkości dla ładunku ujemnego i dodatniego. Efektem jest polaryzacja elektryczna całego kryształu. Na umieszczonych w materiale elektrodach pojawia się odpowiedni ładunek (pomiędzy elektrodami występuje napięcie).
• Zjawisko piezoelektryczne odwrotne - pod wpływem pola elektrycznego następuje przesunięcie jonów, czyli  fizyczne odkształcenie kryształu piezoelektrycznego. 

O właściwościach piezoelektryka decydują zarówno kierunek naprężenia, jego wartość, a także tzw. orientacja względem osi krystalograficznych, czyli sposób wycięcia elementu z kryształu. W praktycznym wykorzystaniu znajdują się elementy klejone z fragmentów o różnych orientacjach (tzw. bimorfy).

Zastosowanie

W praktyce wykorzystuje się zarówno proste, jak i odwrotne zjawisko piezoelektryczne (w niektórych urządzeniach zastosowanie znajdują oba). Po raz pierwszy piezoelektryki wykorzystano w konstrukcji nadajników i odbiorników fal dźwiękowych w łodziach podwodnych.

Wśród urządzeń, które stanowią jedną z liczniejszych grup wykorzystujących to zjawisko są przetworniki elektroakustyczne: 

• wkładki gramofonowe w starszych typach gramofonów - drgania igły generują napięcia na krysztale i przetworzenie ich na użyteczny sygnał elektryczny,
• głośniki - w tym wypadku stosowano bimorfy: dwie płytki piezoelektryczne generujące kierunkową falę akustyczną,
• mikrofony - w starszych typach mikrofonów; obecnie wyparte przez inne konstrukcje, 
• przetworniki dla instrumentów akustycznych - zamieniają falę dźwiękową na sygnał akustyczny, który poddawany jest wzmocnieniu,
• trigger perkusyjny - generowanie i przekaz sygnału w celu odtworzenia przez system odpowiedniego dźwięku.
• sygnalizatory dźwiękowe - warstwa piezoelektryka wraz z membraną stosowana jako miniaturowy sygnalizator dźwiękowy.

Znajdują ponadto zastosowanie w przetwornikach obrazujących, konstrukcjach wag, instrumentach rejestrujących naprężenia, przyrządach USG. Występują także w roli stabilizatorów częstotliwości generatorów kwarcowych, jako elementy filtrów (rezonatory), czy linii opóźniających. Wykorzystywane bywają w generatorach wysokich napięć (transformatory piezoelektryczne) oraz w zapalarkach do gazu i zapalniczkach w roli iskrowników piezoelektrycznych. Znajdują zastosowanie w silnikach sonicznych, w precyzyjnych mikrosiłownikach pozycjonujących położenie instrumentów, jako element układów wtryskiwaczy paliwa, czujników ciśnienia, przyspieszenia czy drgań.