Piezoelektrický jev

Piezoelektrický jev (z řeckého piezein (πιέζειν) – tlačit) je schopnost krystalu při deformování generovat elektrické napětí. Může se vyskytovat pouze u krystalů, které nemají střed symetrie.

Nejznámější piezoelektrickou látkou je monokrystalický křemen, křišťál. Poprvé byl piezoelektrický jev pozorován u Seignettovy soli (tetrahydrát vinanu draselno-sodného).

Opačný jev, kdy se krystal deformuje ve vnějším elektrickém poli, se nazývá nepřímý piezoelektrický jev. Další jev zvaný elektrostrikce, ačkoliv je nepřímému piezoelektrickému jevu podobný, jedná se o proces samostatný.

Vznik piezoelektrického jevu

Mechanismus vzniku elektrické polarizace při deformaci

Jev lze vysvětlit mikroskopicky: Deformací se ionty opačných nábojů posunou v krystalové mřížce tak, že elektrická těžiště záporných a kladných iontů, která se v nezdeformovaném krystalu nacházejí ve stejném bodě, se od sebe vzdálí. Na určitých plochách krystalu se objeví elektrický náboj.

Při obráceném piezoelektrickém jevu, dochází pod vlivem elektrického pole k deformaci. Míru deformace krystalu konkrétní látky popisuje piezoelektrická konstanta.

Piezolektrickému jevu je podobný jev elektrostrikce. Elektrostrikční jev se však na rozdíl od jevu piezoelektrického projevuje ve všech dielektrických materiálech (dielektrikum) a se změnou znaménka elektrického pole při něm nedochází ke změně směru deformace.

S deformací krystalické mřížky působením vnější síly souvisí i změna měrného elektrického odporu. Tento je označován jako piezorezistivní jev.

Při vysokých teplotách dochází u jakéhokoliv materiálu ke ztrátě piezoelektrických vlastností, protože je narušeno uspořádání iontů. K této změně dochází skokově, podobně jako ke změně skupenství. (Viz fázový přechod.) Přechodová teplota je charakteristická pro daný materiál a nazývá se Curieova teplota.

Využití piezoelektrického jevu

Obvykle se udává, že piezoelektrický jev byl objeven v letech 1880 (Pierre a Jacques Curie).

Přímý piezoelektrický jev se využívá např. v zapalovačích, v gramofonových přenoskách, resp. krystalových vložkách, v piezoelektrických mikrofonech. Piezorezistivní jev je využíván například v polovodičových tenzometrech.

Využití obráceného piezoelektrického jevu je založeno na působení elektrického pole na krystal. Je-li pole časově periodicky proměnné s kmitočtem, který odpovídá kmitočtu vlastních elastických kmitů krystalu, vzniká mechanická rezonance.

Přímý i obrácený (nepřímý) piezoelektrický jev se využívá například v lékařských sonografech, generujících ultrazvuk. Velmi rozsáhlé možnosti využití pizoelektrického jevu zajistila také oblast digitálních tiskáren. U těchto se momentálně využívá tzv. termo principu (hlavním zástupcem je společnost HP) a právě piezo (Epson). Výhodou piezoelektrické technologie je fakt, že u ní nedochází k zahřívání inkoustu a proto lze tisknout i velmi agresivními médii, jakými jsou solventní (ředidlové) inkousty, UV inkousty (k jejich vytvrzení dochází až po dopadu na tiskové médium pomocí UV záření) a nebo například inkousty, u kterých by při zahřátí v tiskové hlavě došlo k degradaci – sublimační inkousty.

Další aplikace

Princip aktivního sonaru

Sonar byl vyvinut v první světové válce k detekci objektů v moři jako jedna z prvních piezoaplikací.

SONAR, angl. SOund Navigation And Ranging (zvuková navigace a zaměřování) je obdobou:

• RADARu (RAdio Detection And Ranging) nebo
• LIDARu (Laser lluminated Detection And Ranging).

Uspořádání vstupního a výstupního měniče pro povrchovou akustickou vlnu

Sonar je využíván například:

• v ponorkách, protože rádiové vlny mají pod vodou výrazně menší dosah než na souši;
• ve zdravotnictví k neinvazivnímu vyšetřování orgánů, plodu atp.

Povrchová akustická vlna je základem součástek s povrchovou akustickou vlnou, které využívají generování a detekci povrchové akustické vlny na piezoelektrickém substrátu. Tyto součástky mají řadu aplikací (filtry, oscilátory a transformátory).

V živočišné říši využívají sonar netopýři a kytovci. Echolokační smysl se vyvinul také u ptáků. Jihoamerický gvačaro jeskynní a jihoasijská salangana ostrovní užívají krátkých signálů k orientaci ve složitých rozsáhlých jeskynních systémech. Na rozdíl od netopýrů a kytovců jsou signály uvedených druhů v námi slyšitelné frekvenci 4–8 kHz.

Odkazy

Literatura

• PETRŽÍLKA, Václav a SLAVÍK, Josef Bartoloměj. Piezoelektřina a její použití v technické praxi. V Praze: Jednota českých matematiků a fysiků, 1940. 116 s. Cesta k vědění, sv. 2.

Související články

• Elektrostrikce

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu piezoelektrický jev na Wikimedia Commons
• Encyklopedické heslo Piezoelektřina v Ottově slovníku naučném ve Wikizdrojích

Autoritní data	NKC: ph124074, ph392423, ph624207 PSH: 3330 BNF: cb12254070z (data) GND: 4322722-3 LCCN: sh85102071 NDL: 00560405 NLI: 987007548576305171