Piëzo-elektrisch effect
Van Wikipedia
Het piëzo-elektrisch effect is het verschijnsel dat kristallen van bepaalde materialen onder invloed van druk (bijvoorbeeld buiging) een elektrische spanning produceren en andersom: vervormen als er een elektrische spanning op wordt aangelegd.
Hiermee kunnen allerlei elektrische opnemers en actuators gemaakt worden.
Belangrijke toepassingen zijn:
- Opnemers
- elektrische gasaanstekers die een vonk geven als er op een knop wordt gedrukt;
- verouderde goedkopere pick-up-elementen (zie grammofoon)
- druktoetsen in elektronische apparatuur
- Actuatoren
- luidsprekertjes, vooral voor zeer hoge tonen, en ultrasoon-omzetters.
- verplaatsingselementen voor zeer kleine bewegingen in een Scanning tunneling microscoop en soortgelijke systemen.
- nevelapparaten die door trillingen waterdeeltjes doen verdampen tot een mistgordijn
- nauwkeurig positioneren van de koppen in een videorecorder (bij het systeem Video 2000)
- het spuiten van inkt in een inkjetprinter met piëzo-elektrische printkoppen
- Overige
- kristallen voor tijdsbepaling, bijvoorbeeld in een kwartshorloge. De resonantiefrequentie van kwartskristallen is uiterst constant en leent zich daarom goed voor tijdmeting.
Inhoud |
[bewerk] Mechanisme
In een piëzo-elektrisch kristal zijn de positieve en negatieve elektrische ladingen gescheiden. Door een vervorming van het kristal wordt de symmetrie van de eenheidscel verbroken, en door de asymmetrie wordt een elektrische spanning gegenereerd. Afhankelijk van de toegevoerde mechanische energie kan de spanning die hierbij wordt opgewekt variëren van millivolts (door geluidstrillingen bij mikrofoons en pickupelementen) tot vele duizenden volts bij gasaanstekers. In het laatste geval wordt een soort hamertje onder veerspanning op het kristal geslagen.
Ook het omgekeerde effect kan worden waargenomen: wanneer een elektrische spanning in de juiste richting op een piëzo-elektrisch kristal wordt aangelegd, worden de ladingen in de eenheidscel verschillend beïnvloed, waardoor een vervorming wordt geïnduceerd. Ook dit effect kan heel sterk zijn: de ontwikkelde kracht is enorm, maar de uiteindelijke verplaatsing is normaal slechts enkele nanometers.
[bewerk] Geschiedenis
Het aan piëzo-elektriciteit gerelateerde pyro-elektrisch effect was al in het begin van de 18e eeuw bekend. Op basis hiervan voorspelden de broers Pierre en Jacques Curie het piëzo-elektrisch effect in 1880 en ze demonstreerden het met eenvoudige middelen. Ze toonden het effect aan in toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en natriumkaliumtartraat. Kwarts en het tartraat vertoonden de sterkste effecten.
In 1881 voorspelde Gabriel Lippmann op basis van de thermodynamica het omgekeerde effect, en de broers Curie konden het bestaan daarvan snel bevestigen.
[bewerk] Andere stoffen
Buiten de al genoemde stoffen zijn er vele andere die piëzo-elektriciteit vertonen, waaronder analoge structuren van kwarts en keramische stoffen met de perovskietstructuur. Ook polymeren als rubber, wol, haar, hout, en zijde vertonen een zekere mate van piëzo-elektriciteit. Het polymeer polyfluoretheen geeft een effect dat zelfs veel groter is dan dat van kwarts.
Een piëzo-elektrisch kristal is vaak gebaseerd op barium-, lood- of magnesiumverbindingen.
