Obsah:
Piezoelektrick? jev
Piezoelektrika - monokrystaly
K?emen
Turmal?n
Rochelle s?l
Dihydrogenfosfore?nan amonn?
Vinan draseln?
Niob?t lithn?
Polykrystalick? piezoelektrika
Piezoelektrick? textury
Piezoelektrick? keramika
Vlastnosti technologie v?roby keramick?ch piezoelement?
Pr?myslov? piezokeramick? materi?ly a piezoelektrika - polymery
Materi?ly na b?zi titani?itanu barnat?ho
Materi?ly na b?zi tuh?ch roztok? titani?itanu - zirkoni?itanu olovnat?ho
Materi?ly na b?zi metaniob?tu olova
Piezoelektrika - polymery

Piezoelektrick? jev

V roce 1756 rusk? akademik F. Epinus zjistil, ?e kdy? se turmal?nov? krystal zah?eje, objev? se na jeho tv???ch elektrick? n?boje. Tento jev dostal pozd?ji n?zev pyroelektrick? efekt. F. Epinus p?edpokl?dal, ?e p???inou elektrick?ch jev? pozorovan?ch p?i zm?n?ch teploty je nerovnom?rn? zah??v?n? dvou povrch?, vedouc? ke vzniku mechanick?ch pnut? v krystalu. Z?rove? upozornil, ?e st?lost rozlo?en? p?l? na ur?it?ch konc?ch krystalu z?vis? na jeho struktu?e a slo?en?, ??m? se F. Epinus p?ibl??il objevu piezoelektrick?ho jevu.

Piezoelektrick? jev v krystalech objevili v roce 1880 brat?i P. a J. Curieovi, kte?? pozorovali v?skyt elektrostatick?ch n?boj? na povrchu desek vy?ezan?ch v ur?it? orientaci z krystalu k?emene vlivem mechanick?ho nam?h?n?. Tyto n?boje jsou ?m?rn? mechanick?mu nam?h?n?, m?n? s n?m znam?nko a po jeho odstran?n? zmiz?.

Vznik elektrostatick?ch n?boj? na povrchu dielektrika a vznik elektrick? polarizace uvnit? dielektrika v d?sledku vystaven? mechanick?mu nam?h?n? se naz?v? p??m? piezoelektrick? jev.

Spolu s p??m?m doch?z? k reverzn?mu piezoelektrick?mu jevu, kter? spo??v? v tom, ?e v desti?ce vy??znut? z piezoelektrick?ho krystalu doch?z? vlivem elektrick?ho pole, kter? na ni p?sob?, k mechanick? deformaci; Krom? toho je velikost mechanick? deformace ?m?rn? intenzit? elektrick?ho pole.

Inverzn? piezoelektrick? jev by nem?l b?t zam??ov?n s jevem elektrostrikce, tj. s deformac? dielektrika vlivem elektrick?ho pole. U elektrostrikce existuje kvadratick? vztah mezi deformac? a polem a u piezoelektrick?ho jevu line?rn? vztah. Krom? toho doch?z? k elektrostrikci v dielektriku jak?koli struktury a vyskytuje se dokonce i v kapalin?ch a plynech, zat?mco piezoelektrick? jev je pozorov?n pouze u pevn?ch dielektrik, p?ev??n? krystalick?ch.

Piezoelekt?ina se objevuje pouze v t?ch p??padech, kdy je pru?n? deformace krystalu doprov?zena posunem t??i?? kladn?ch a z?porn?ch n?boj? element?rn? bu?ky krystalu, tj. kdy? zp?sob? individu?ln? dip?lov? moment, kter? je nutn?. pro vznik elektrick? polarizace dielektrika vlivem mechanick?ho nam?h?n?. Ve struktur?ch, kter? maj? st?ed symetrie, nem??e ??dn? rovnom?rn? deformace naru?it vnit?n? rovnov?hu krystalov? m???ky, a proto je piezoelektrick?ch pouze 20 t??d krystal?, kter? st?ed symetrie nemaj?. Absence st?edu symetrie je nutnou, ale ne posta?uj?c? podm?nkou pro existenci piezoelektrick?ho jevu, a proto jej nemaj? v?echny acentrick? krystaly.

Piezoelektrick? efekt nelze pozorovat u pevn?ch amorfn?ch a kryptokrystalick?ch dielektrik (t?m?? izotropn?ch), proto?e to odporuje jejich sf?rick? symetrii. V?jimkou je situace, kdy se vlivem vn?j??ch sil st?vaj? anizotropn?mi a t?m ??ste?n? z?sk?vaj? vlastnosti monokrystal?. Piezoelektrick? efekt je tak? mo?n? u n?kter?ch typ? krystalick?ch textur.

Piezoelektrick? jev dosud nena?el uspokojiv? kvantitativn? popis v r?mci modern? atomov? teorie krystalov? m???ky. I pro struktury nejjednodu???ho typu nen? mo?n? ani p?ibli?n? vypo??tat ??d piezoelektrick?ch konstant.

V sou?asn? dob? byla vyvinuta fenomenologick? teorie piezoelektrick?ho jevu, spojuj?c? deformace a mechanick? nap?t? s elektrick?m polem a polarizac? v krystalech. Byl vytvo?en syst?m parametr?, kter? ur?uj? ??innost krystalu jako piezoelektrika. Piezoelektrick? modul (piezomodulus) d ur?uje polarizaci krystalu (nebo hustotu n?boje) p?i dan?m pou?it?m mechanick?m nam?h?n?; piezoelektrick? konstanta ur?uje mechanick? s?ly, kter? vznikaj? v upnut?m krystalu vlivem elektrick?ho pole; piezoelektrick? konstanta g charakterizuje elektrick? nap?t? v otev?en?m obvodu p?i dan?m mechanick?m nam?h?n?; a kone?n? piezoelektrick? konstanta h ur?uje elektrick? nap?t? v otev?en?m obvodu pro danou mechanickou deformaci. Tyto konstanty jsou p??buzn? veli?iny a jsou vz?jemn? vzta?eny vztahy, kter? zahrnuj? elastick? konstanty a dielektrickou konstantu krystal?, lze tedy pou??t kteroukoli z nich. Nej?ast?ji pou??van? piezoelektrick? modul je d. Piezoelektrick? konstanty jsou tenzory, a proto m??e m?t ka?d? krystal n?kolik nez?visl?ch piezomodul?.

Obecn? plat?, ?e rovnice pro p??m? piezoelektrick? jev pod vlivem rovnom?rn?ho mechanick?ho nap?t? Tr je naps?na takto:

Kde Pi je slo?ka polariza?n?ho vektoru; dir - piezomodul; Tr je slo?ka mechanick?ho nap?t?.

Rovnice inverzn?ho piezoelektrick?ho jevu je naps?na takto:

kde Xi je slo?ka elastick? deformace; Er je slo?ka s?ly elektrick?ho pole.

Ka?d? piezoelektrikum je elektromechanick? m?ni?, tak?e jeho d?le?itou charakteristikou je elektromechanick? vazebn? koeficient r. Druh? mocnina tohoto koeficientu p?edstavuje pom?r energie projeven? v mechanick? podob? pro dan? typ deformace k celkov? elektrick? energii p?ijat? na vstupu ze zdroje energie.

V mnoha p??padech jsou piezoelektrika z?sadn? d?ky sv?m elastick?m vlastnostem, kter? jsou pops?ny moduly pru?nosti C (Young moduli Eyu) nebo jejich p?evr?cen?mi veli?inami – elastick?mi konstantami S.

P?i pou?it? piezoelektrick?ch prvk? jako rezon?tor? se v n?kter?ch p??padech zav?d? frekven?n? koeficient, kter? je sou?inem rezonan?n? frekvence piezoelektrick?ho prvku a geometrick? velikosti, kter? ur?uje typ kmit?n?. Tato hodnota je ?m?rn? rychlosti zvuku ve sm?ru ???en? elastick?ch vln v piezoelektrick?m prvku.

V sou?asn? dob? je zn?mo mnoho l?tek (v?ce ne? 500), kter? prok?zaly piezoelektrickou aktivitu. Praktick? uplatn?n? v?ak najde jen n?kolik z nich.

Piezoelektrika - monokrystaly

K?emen. K?emen je nerost roz???en? v p??rod? pod teplotou 573 Celsia, krystalizuje v trigon?ln?-lichob??n?kov? t??d? hexagon?ln?ho syst?mu. Pat?? do enantiomorfn? t??dy a v p??rod? se vyskytuje ve dvou modifikac?ch: prav? a lev?.

Chemick? slo?en? k?emene je bezvod? oxid k?emi?it? (SiO2) s molekulovou hmotnost? 60,06.

K?emen je jedn?m z nejtvrd??ch miner?l? a m? vysokou chemickou odolnost.

Vn?j?? formy p??rodn?ch krystal? k?emene jsou velmi rozmanit?. Nejb??n?j??m tvarem je kombinace ?estibok?ho hranolu a koso?tverc? (pyramidov?ch ploch). ?ela hranolu se sm?rem k z?kladn? krystalu roz?i?uj? a na povrchu maj? horizont?ln? st?nov?n?.

K?emen vhodn? pro pou?it? v piezoelektrick?ch za??zen?ch se v p??rod? nach?z? ve form? krystal?, jejich ?lomk? a zaoblen?ch obl?zk?. Barva se pohybuje od bezbarv?-transparentn? (horsk? krystal) po ?ernou (morion).

Krystaly p??rodn?ho k?emene obvykle obsahuj? r?zn? vady, kter? sni?uj? jejich hodnotu. Mezi defekty pat?? zahrnut? ciz?ch miner?l? (rutilov? chlorit), praskliny, bubliny, duchov?, modr? jehlice, pruhy a dvoj?ata.

V sou?asnosti se vedle p??rodn?ch pou??vaj? syntetick? krystaly k?emene p?stovan? v autokl?vech za zv??en?ch teplot a tlak? z alkalick?ch roztok? nasycen?ch oxidem k?emi?it?m.

Piezoelektrick? vlastnosti k?emene jsou ?iroce pou??v?ny v technologii ke stabilizaci a filtrov?n? r?diov?ch frekvenc?, generov?n? ultrazvukov?ch vibrac? a m??en? mechanick?ch veli?in (piezometrie).

Turmal?n. Turmal?n krystalizuje v trigon?ln?-pyramid?ln? t??d? trigon?ln?ho syst?mu. Krystaly jsou hranolovit? s pod?ln?m ?rafov?n?m, prot?hl?, ?asto jehli?kovit?.

Z hlediska chemick?ho slo?en? je turmal?n komplexn? borosilik?t hlinit? s p??m?s? ho???ku, ?eleza nebo alkalick?ch kov? (Na, Li, K).

Barva se pohybuje od ?ern? po zelenou, tak? ?ervenou a? po jednu, m?n? ?asto bezbarv?. P?i t?en? zelektrizuje a m? siln? pyroelektrick? efekt.

Turmal?n je v p??rod? roz???en?, ale ve v?t?in? p??pad? jsou krystaly pln? prasklin. Bezvadn? krystaly vhodn? pro piezoelektrick? rezon?tory jsou vz?cn?.

Hlavn? v?hodou turmal?nu je vy??? hodnota parci?ln?ho koeficientu ve srovn?n? s k?emenem. D?ky tomu, stejn? jako d?ky v?t?? mechanick? pevnosti turmal?nu, je mo?n? vyr?b?t rezon?tory pro vy??? frekvence.

V sou?asn? dob? se turmal?n t?m?? nepou??v? pro v?robu piezoelektrick?ch rezon?tor? a m? omezen? pou?it? pro m??en? hydrostatick?ho tlaku.

Rochette s?l. Rochellova s?l krystalizuje v koso?tvere?n? t??d? koso?tvercov?ho syst?mu. P??slu?nost k enantiomorfn? t??d? ur?uje teoretickou mo?nost existence pravoto?iv?ch a levoto?iv?ch krystal? Rochelleovy soli. Krystaly soli Rochelle z?skan? z vina?sk?ho odpadu jsou v?ak pouze pravostrann?.

K ochran? p?ed vlhkost? jsou piezoelementy vyroben? z Rochelle soli pota?eny tenk?mi vrstvami laku.

Piezoelektrick? prvky vyroben? z Rochelle soli byly ?iroce pou??v?ny v za??zen?ch pracuj?c?ch v relativn? ?zk?m teplotn?m rozsahu, zejm?na ve sn?ma??ch zvuku. V sou?asnosti jsou v?ak t?m?? zcela nahrazeny keramick?mi piezoelementy.

Dihydrogenfosfore?nan amonn?. Dihydrogenfosfore?nan amonn? krystalizuje v tetragon?ln?m syst?mu. Krystaly jsou kombinac? ?ty?hrann?ho jehlanu a hranolu.

Krystaly dihydrogenfosfore?nanu neobsahuj? krystalizovanou vodu a nedehydruj?. P?i 93% relativn? vlhkosti za?nou krystaly absorbovat vlhkost a rozpou?t?t se.

Dihydrogenfosfore?nan amonn? taje p?i teplot? 190 stup?? Celsia, ale nad 100 stup?? se z povrchu krystalu za??n? odpa?ovat amoniak. To omezuje horn? hranici provozn?ch teplot.

V sou?asn? dob? je v d?sledku rozs?hl?ho rozvoje piezoelektrick? keramiky pou?it? dihydrogenfosfore?nanu amonn?ho omezen?.

Vinan draseln?. Vinan draseln? (symbol VK) krystalizuje v monokrystalick?m syst?mu.

Rezon?tory vyroben? z VC maj? vysok? kvalitativn? faktory a elektromechanick? vazebn? koeficienty. Mohou nahradit k?emen v d?lkov?ch filtrech.

Niob?t lithn?. Niob?t lithn? je syntetick? krystal, kter? krystalizuje v ditrigon?ln?-pyramid?ln? t??d? romboedrick?ho syst?mu.

Nioban lithn? je nerozpustn? ve vod?, nerozkl?d? se p?i vysok?ch teplot?ch a m? vysokou mechanickou pevnost. Z hlediska elektrick?ch vlastnost? se jedn? o feroelektrikum s Curieovou teplotou asi 1200 stup?? Celsia.

Pro sv? vysok? piezoelektrick? a mechanick? vlastnosti v?etn? vysok?ho kvalitativn?ho faktoru je lithium niob?t perspektivn?m materi?lem pro v?robu m?ni?? pro r?zn? ??ely. Tenk? (asi jeden mikrometr tlust?) filmy niob?tu lithn?ho, z?skan? katodov?m napra?ov?n?m ve vakuu, jsou orientovan? polykrystalick? textury, kter? lze pou??t jako emitory a p?ij?ma?e ultrazvukov?ch vibrac? v mikrovlnn? oblasti.

Polykrystalick? piezoelektrika.

Piezoelektrick? textury. Textury, kter? jsou souborem piezoelektrick?ch krystal? orientovan?ch ur?it?m zp?sobem v prostoru a bez st?edu symetrie, mohou m?t piezoelektrick? efekt. Piezoelektrick? efekt v textur?ch soli Rochelle objevil A.V. Stanovil tak? z?kladn? principy piezoelektrick?ho jevu v podobn?ch m?di?ch. Piezotextury Rochelleovy soli, z?skan? nanesen?m roztaven? Rochelleovy soli na substr?t pomoc? ?t?tce, maj? jeden piezomodul d14 Rochelleovy soli.

V sou?asn? dob? nejsou takov? textury prakticky zaj?mav?. Nejhodnotn?j?? imebt textura zalo?en? na polarizovan? piezoelektrick? keramice.

Piezoelektrick? keramika. Feroelektrick? vlastnosti takov?ch materi?l? ur?uj? mo?nost piezoelektrick?ho jevu. Vlivem konstantn?ho elektrick?ho pole jsou n?kter? z dom?n orientov?ny ve sm?ru aplikovan?ho pole. Po odstran?n? vn?j??ho pole je v?t?ina dom?n dr?ena ve sv? nov? poloze d?ky vnit?n?mu poli, kter? vznik? v d?sledku paraleln? orientace polariza?n?ch sm?r? dom?n. D?ky tomu se z keramiky st?v? pol?rn? textura, kter? m? piezoelektrick? efekt.

Keramick? technologie v?roby piezoelement? neklade z?sadn? omezen? na jejich tvar a velikost. Tyto okolnosti, stejn? jako vysok? hodnoty piezoelektrick?ch charakteristik, vedly k ?irok?mu vyu?it? keramick?ch piezoelement? v technologii, zejm?na v za??zen?ch pro vyza?ov?n? a p?ij?m?n? ultrazvukov?ch vibrac?.

Vlastnosti technologie v?roby keramick?ch piezoelement?. Charakteristick?m rysem v?robn?ho procesu piezokeramick?ch v?robk? je jejich polarizace siln?m konstantn?m elektrick?m polem, kter? se obvykle aplikuje po p?ilo?en? elektrod na slinut? obrobek z?skan? n?kterou z metod keramick? technologie.

Pr?myslov? piezokeramick? materi?ly a piezokeramick? polymery.

Materi?ly s r?zn?mi vlastnostmi se d?l? na zna?ky (podle slo?en? a vlastnost?) a funk?n? skupiny (podle ??elu).

Materi?ly funk?n? skupiny 1 se pou??vaj? pro v?robu vysoce citliv?ch piezoelektrick?ch prvk? pracuj?c?ch v re?imu p??jmu nebo vyza?ov?n? mechanick?ch vibrac?. Materi?ly funk?n? skupiny 2 jsou ur?eny pro piezoelementy pracuj?c? v podm?nk?ch siln?ho elektrick?ho pole nebo vysok?ho mechanick?ho nam?h?n?. Materi?ly funk?n? skupiny 3 se pou??vaj? pro v?robu piezoprvk? se zv??enou stabilitou rezonan?n?ch frekvenc? v z?vislosti na teplot? a ?ase a materi?ly funk?n? skupiny 4 se pou??vaj? pro vysokoteplotn? piezoprvky.

Pod?vejme se nyn? na vlastnosti r?zn?ch typ? piezokeramiky.

Materi?ly na b?zi titani?itanu barnat?ho. Titani?itan barnat? je feroelektrick?. Piezokeramika z titani?itanu barnat?ho (TB-1) je ?iroce pou??v?na pro v?robu m?ni??, na kter? se nevztahuj? p??sn? po?adavky na teplotn? a ?asovou stabilitu charakteristik. Absence t?kav?ch slo?ek ve formulaci titani?itanu barnat?ho b?hem v?palu a jednoduchost technologie v?roby piezoelektrick?ch prvk? ?in? tento materi?l st?le technologicky roz???en?m.

Materi?ly na b?zi tuh?ch roztok? titani?itanu - zirkoni?itanu olovnat?ho. Pevn? roztoky titani?itanu olovnat?ho maj? velmi vysok? piezoelektrick? vlastnosti. Na z?klad? t?chto pevn?ch roztok? byla vyvinuta ?ada technologick?ch piezokeramick?ch materi?l? s k?dov?m ozna?en?m PZT (v zahrani?? PZT).

Technologie v?roby v?robk? z materi?l? jako je PZT je komplikovan? t?m, ?e obsahuj? oxid olovnat?, kter? p?i vysokoteplotn?m v?palu ??ste?n? t?k?, co? vede ke ?patn? reprodukovatelnosti vlastnost?. Proto se vypalov?n? polotovar? piezoelektrick?ch prvk? prov?d? v atmosf??e par oxidu olovnat?ho, pro kter? jsou polotovary um?st?ny v t?sn? uzav?en?ch kapsl?ch obsahuj?c?ch z?syp slou?enin oxidu olovnat?ho. D?ky vysok?m vlastnostem tohoto typu materi?l? jsou v?ak velmi b??n? pro v?robu piezoelektrick?ch m?ni?? pro r?zn? ??ely: pro elektroakustick? za??zen?, ultrazvukovou techniku, piezometrii a tak? n?kter? typy r?diov?ch filtr?.

Materi?ly na b?zi metaniob?tu olovnat?ho. Pevn? roztoky methaniobi?itan? olova a barya maj? vysok? Curie?v bod. Materi?ly na nich zalo?en? jsou stabiln? v ?irok?m teplotn?m rozsahu piezoelektrick?ch modul? a rezonan?n?ch frekvenc?. Technologie v?roby v?robk? z nich je jednodu??? ne? z materi?l? zna?ky PZT, proto?e oxid olovnat? obsa?en? v niob?tov? keramice je p?i vypalov?n? prakticky net?kav?.

Piezoelektrika jsou polymery. N?kter? polymern? materi?ly ve form? mechanicky orientovan?ch film? polarizovan?ch v elektrick?m poli maj? pol?rn? textury, ve kter?ch je pozorov?n piezoelektrick? efekt. Mezi nimi je praktick? z?jem o polyvinylidenfluorid (PVDF). Kdy? jsou filmy ta?eny z tohoto polymeru o 300...400%, jsou orientov?ny tak, aby vytvo?ily speci?ln? konformaci, kter? po polarizaci v siln?m elektrick?m poli z?sk? piezoelektrick? efekt.

Reference:

Handbook of Electrical Materials Volume 3

Pl?n

?vod

1. Popis piezoelektrick?ho jevu

a) Krystalov? struktura efektu

b) Modelov? ?vaha

2. Krystalov? deformace

3. Inverzn? piezoelektrick? jev

4. Fyzik?ln? mechanismus inverzn?ho piezoelektrick?ho jevu

5. Vlastnosti piezoelektrick?ch krystal?

6. Pou?it? efektu

Z?v?r

Literatura

?vod

T?ma m? pr?ce je „Piezoelekt?ina“. Toto t?ma jsem si vybral, proto?e piezoelekt?ina je zaj?mav? fenom?n. Dosud jsme uva?ovali polarizaci dielektrik zp?sobenou vn?j??m elektrick?m polem. U n?kter?ch krystal? m??e k polarizaci doj?t bez vn?j??ho pole, pokud je krystal vystaven mechanick? deformaci. Tento jev, kter? objevili v roce 1880 Pierre a Jacques Curie, se naz?val „piezoelektrick? efekt“. V dne?n? dob? na?la piezoelekt?ina sv? uplatn?n? v r?zn?ch typech lidsk?ch ?innost?. Sna?il jsem se dozv?d?t v?ce o podstat? tohoto jevu a jeho aplikaci. Dal??m d?vodem pro v?b?r tohoto konkr?tn?ho t?matu bylo, ?e tento efekt se pou??v? v mnoha za??zen?ch, jako jsou mikrofony, telefony, hydrofony.

Ke studiu tohoto t?matu jsem pou?il n?sleduj?c? literaturu: S.G. Kala?nikov "Elekt?ina", D.V. Sivukhin „Obecn? kurz fyziky: Elekt?ina, svazek 3“,

1. Popis piezoelektrick?ho jevu

V mnoha krystalech, kdy? jsou nata?eny a stla?eny v ur?it?ch sm?rech, doch?z? k elektrick? polarizaci. V d?sledku toho se na jejich povrchu objevuj? elektrick? n?boje obou znamen?. Tento jev se naz?v? p??m? piezoelektrick? jev. Pot? byl pozorov?n v krystalech turmal?nu, zinkov? sm?si, chlore?nanu sodn?ho, kyselin? vinn?, t?tinov?m cukru, Rochellov? soli, titani?itanu barnat?m a mnoha dal??ch l?tk?ch. Piezoelektrick? vlastnosti mohou m?t pouze iontov? krystaly. Pokud se krystalov? m???ky kladn?ch a z?porn?ch iont?, ze kter?ch jsou takov? krystaly stav?ny, vlivem vn?j??ch sil r?zn? deformuj?, pak se na povrchu krystalu na opa?n?ch m?stech objevuj? elektrick? n?boje r?zn?ch znak?. Jedn? se o piezoelektrick? jev. P?i rovnom?rn? deformaci je piezoelektrick? efekt pozorov?n, kdy? je v krystalu jedna nebo v?ce pol?rn?ch os (sm?r?). Pol?rn? osa (sm?r) krystalu je ch?p?na jako jak?koli p??mka veden? krystalem, jej?? oba konce jsou nestejn?, tedy nezam?niteln?. Jin?mi slovy, kdy? je krystal oto?en o 180° kolem jak?koli osy kolm? k pol?rn?, nevyrovn? se s?m se sebou. Obecn?, aby piezoelektrick? efekt existoval p?i rovnom?rn? deformaci, krystal nesm? m?t ??dn? st?ed symetrie. Pokud by toti? nedeformovan? krystal m?l st?ed symetrie, pak by byl tento st?ed zachov?n i p?i rovnom?rn? deformaci krystalu. Na druh? stran? v elektricky polarizovan?m krystalu existuje zvl??tn? sm?r, a to sm?r polariza?n?ho vektoru. Pokud existuje, krystal nem??e m?t st?ed symetrie. V?sledn? rozpor dokazuje na?e tvrzen?. Z 32 krystalov?ch t??d nem? 21 t??d st?ed symetrie. V jednom z nich v?ak kombinace dal??ch prvk? symetrie rovn?? znemo??uje piezoelektrick? efekt. Piezoelektrick? vlastnosti jsou tedy pozorov?ny ve 20 krystalov?ch t??d?ch.

A)Efekt krystalick? struktury

Uva?ujme piezoelektrick? jev na p??kladu k?emenn?ho krystalu - nejd?le?it?j??ho piezoelektrick?ho krystalu, kter? na?el ?irok? v?deck? a technick? uplatn?n? d?ky sv?m vynikaj?c?m mechanick?m a elektrick?m vlastnostem. P?i b??n?ch teplot?ch a tlac?ch se k?emen vyskytuje v t. zv

- modifikace. Krystal k?emene (obr. 1) pat?? do trigon?ln? soustavy a m? t?i osy symetrie druh?ho ??du, nazna?en? na Obr. 1 p?es , , .

Jsou to pol?rn? osy krystalu. Ka?d? z nich spojuje opa?n?, ale nestejn? hrany ?estibok?ho hranolu. Nepom?r t?chto hran je patrn? z toho, ?e hrany jedn? z nich p?il?haj? k mal?m hran?m, ozna?en?m na obr?zku p?smeny a a b, zat?mco hrany druh? hrany takov? hrany nemaj?. ?tvrt? osa

je osa symetrie t?et?ho ??du. Naz?v? se optick? osa, proto?e ot??en? krystalu kolem t?to osy v libovoln?m ?hlu nem? ??dn? vliv na ???en? sv?tla v krystalu.

P?i p?soben? mechanick?ch n?raz? na krystal k?emene se na konc?ch pol?rn? osy (p?esn?ji na ploch?ch k n? kolm?ch) objevuj? opa?n? elektrick? n?boje. Nen? nutn?, aby p?sob?c? vn?j?? s?ly p?sobily ve sm?ru p??slu?n? pol?rn? osy. Je pouze nutn?, aby v d?sledku p?soben? vn?j??ch sil do?lo pod?l t?to osy k tahu nebo tlaku.

P?i teplot?ch do 200 °C jsou piezoelektrick? vlastnosti k?emene prakticky nez?visl? na teplot?. S dal??m zvy?ov?n?m teploty piezoelektrick? efekt pomalu kles?. P?i 576 °C

-k?emen proch?z? f?zovou transformac? a p?ech?z? do -modifikace. Krystaly k?emene pat?? do hexagon?ln? soustavy, a proto v nich nejsou pozorov?ny piezoelektrick? jevy v souladu s t?m, co bylo ?e?eno v??e. P?i zp?tn?m poklesu teploty se obnovuje p?vodn? struktura k?emene a k t?to obnov? doch?z? p?i teplot? o n?co ni??? ne? byla p?vodn? (hystereze). N??e mluv?me o k?emeni.

b)Modelov? ?vaha

V?skyt piezoelektrick?ho jevu lze snadno pochopit pomoc? navr?en?ho modelu Meissner. Chemick? vzorec k?emene je

. Jeho krystalov? m???ka se skl?d? z kladn?ch iont? k?em?ku a z?porn?ch iont? kysl?ku. Ka?d? iont k?em?ku nese ?ty?i a ka?d? kysl?kov? iont dva element?rn? n?boje. Pro prvn? p?ibl??en? si lze p?edstavit, ?e ionty k?em?ku a kysl?ku jsou um?st?ny v hexagon?ln?ch ?l?nc?ch, z nich? jeden je zn?zorn?n na obr. 2, p?i pohledu na krystal pod?l optick? osy (kolm? k rovin? v?kresu). Ionty k?em?ku jsou zn?zorn?ny jako velk? kuli?ky 1,2,3, ionty kysl?ku - mal?. Oba ionty jsou uspo??d?ny do spir?ly, jej?? sm?r ot??en? je d?n t?m, zda je k?emen levoto?iv? nebo pravoto?iv? (obr. 1 a 2 se t?k? levoto?iv?ho k?emene). K?em?kov? iont 3 le?? o n?co hloub?ji ne? iont 2 a iont 2 le?? hloub?ji ne? iont 1. Um?st?n? kysl?kov?ch iont? nevy?aduje dal?? vysv?tlen?. Obecn? je ?l?nek elektricky neutr?ln? a nem? ??dn? elektrick? dip?lov? moment.

Pro zjednodu?en? na?eho uva?ov?n? nahra?me ka?d? p?r sousedn?ch iont? kysl?ku jedn?m z?porn?m iontem s dvojn?sobn?m n?bojem. Dosp?jeme ke zjednodu?en?mu bun??n?mu modelu zn?zorn?n?mu na obr. 3a). Pokud je takov? bu?ka vystavena stla?en? pod?l pol?rn? osy

(obr. 3b)), pak se ionty k?em?ku 3 a ionty kysl?ku 4 vkl?n? mezi bo?n? ionty, kter? je obklopuj?. V d?sledku toho se v rovin? A desky objev? z?porn? n?boje a v rovin? B kladn? n?boje (pod?ln? piezoelektrick? jev). P?i stla?en? v bo?n?m sm?ru, tzn. kolmo k pol?rn? a optick? ose (obr. 3c)) dost?vaj? k?em?kov? ionty 1 a 2 stejn?, ale opa?n? orientovan? posuny do bu?ky. Kysl?kov? ionty 5 a 6 se chovaj? stejn?.

V tomto p??pad? je zachov?na symetrie ?l?nku vzhledem k rovin? proch?zej?c? st?edem mezi rovinami C a D a v t?chto rovin?ch nevznikaj? ??dn? n?boje. K?em?kov? iont 3 a kysl?kov? iont 4 jsou v?ak vytla?eny sm?rem ven. D?ky tomu se objev? dip?lov? moment sm??uj?c? ke kladn? stran? pol?rn? osy

. V rovin? A se objev? kladn? n?boj a v rovin? B z?porn? n?boj (p???n? piezoelektrick? jev). Znaky n?boj? v pod?ln?m a p???n?m ??inku jsou tedy opa?n?. Z uva?ovan?ho modelu je tak? z?ejm?, ?e nahrazen? komprese tahem vede ke zm?n? znak? elektrick?ch n?boj? p?i piezoelektrick?m jevu a ?e polarizace je ?m?rn? deformaci krystalu (kdy? jsou deformace mal?). A jeliko? mezi deformac? a silou podle z?kona Hooke(1635-1703) existuje p??m? ?m?rnost, pak by polarizace krystalu p?i piezoelektrick?m jevu m?la b?t tak? ?m?rn? p?sob?c? s?le. Kone?n? z modelu je z?ejm?, ?e stla?en? nebo nata?en? krystalu ve sm?ru optick? osy nen? doprov?zeno ??dn?mi piezoelektrick?mi jevy. V?echny tyto z?v?ry jsou potvrzeny zku?enostmi.

Piezoelektrick? jev (piezoelektrick? jev) pozorujeme u krystal? n?kter?ch l?tek, kter? maj? ur?itou symetrii. Mezi nejb??n?j?? piezoelektrick? miner?ly v p??rod? pat?? k?emen, turmal?n, sfalerit a nefel?n. N?kter? polykrystalick? dielektrika s uspo??danou strukturou (keramick? materi?ly a polymery) maj? piezoelektrick? efekt. Dielektrika, kter? maj? piezoelektrick? efekt, se naz?vaj?piezoelektrika.

R??e. 1

Vn?j?? mechanick? s?ly, p?sob?c? v ur?it?ch sm?rech na piezoelektrick? krystal, v n?m zp?sobuj? nejen mechanickou deformaci (jako v ka?d?m pevn?m t?lese), ale tak? elektrickou polarizaci, tj. v?skyt elektrick?ch n?boj? r?zn?ch znak? na jeho povr??ch (obr. 1a, Obr. F- p?sob?c? s?ly, P - vektor elektrick? polarizace). Kdy? jsou mechanick? s?ly v opa?n?m sm?ru, m?n? se znam?nka n?boj?(obr. 1b). Tento jev se naz?v?p??m? piezoelektrick? jev(obr. 2a).

R??e. 2

Ale piezoelektrick? jev je vratn?. Kdy? je piezoelektrikum vystaveno elektrick?mu poli v p??slu?n?m sm?ru, doch?z? v n?m k mechanick?m deformac?m (obr. 1c).P?i zm?n? sm?ru elektrick?ho pole se odpov?daj?c?m zp?sobem m?n? i deformace(obr. 1d). Tento jev se naz?v?reverzn? piezoelektrick? jev(Obr. 2b).

Piezoelektrick? jevje vysv?tleno n?sledovn?. V krystalov? m???ce doch?z? v d?sledku nesouladu st?ed? kladn?ch a z?porn?ch iont? k objemov?mu elektrick?mu n?boji. V nep??tomnosti vn?j??ho elektrick?ho pole se tato polarizace neprojev?, proto?e je kompenzov?na n?boji na povrchu. P?i deformaci krystalu se kladn? a z?porn? ionty m???ky vz?jemn? p?em?st? a podle toho se zm?n? elektrick? moment krystalu, co? zp?sob? v?skyt potenci?l? na povrchu. Pr?v? tato zm?na elektrick?ho to?iv?ho momentu se projevuje piezoelektrick?m efektem. Piezoelektrick? jev z?vis? nejen na velikosti mechanick?ho nebo elektrick?ho n?razu, ale tak? na povaze a sm?ru sil vzhledem ke krystalografick?m os?m krystalu.

Deformace piezoelektrika vypl?vaj?c? z piezoelektrick?ho jevu jsou v absolutn? hodnot? nev?znamn?. Nap??klad k?emenn? deska o tlou??ce 1 mm pod vlivem nap?t? 100 V zm?n? svou tlou??ku pouze o 0,23 mikronu. Nev?znamnost deformace piezoelektrik se vysv?tluje jejich velmi vysokou tuhost?.

P??m? a inverzn? piezoelektrick? efekty jsou line?rn? a jsou pops?ny line?rn?mi z?vislostmi spojuj?c?mi elektrickou polarizaci P s mechanick?m nap?t?m g:

Р=ag (1).

Tato z?vislost se naz?v? rovnice p??m?ho piezoelektrick?ho jevu. Koeficient ?m?rnosti a se naz?v? piezoelektrick? modul (piezoelektrick? modul). Slou?? jako m???tko piezoelektrick?ho jevu. Inverzn? piezoelektrick? jev je pops?n z?vislost?

r=aE (2),

kde r je deformace;

E je intenzita elektrick?ho pole.

R??e. 3

Piezoelektrick? modul a pro p??m? a zp?tn? ??inky m? stejnou hodnotu. Piezoelektrick? z??i?e nemaj? ??dn? mechanick? kontakty a sest?vaj? z keramick?ho prvku namontovan?ho na kovov?m disku (obr. 3).Vibrace disku je zp?sobena nap?t?m, kter? je na n?j aplikov?no. St??dav? nap?t? o ur?it? frekvenci vytv??? zvukov? sign?l. Piezoelektrick? z??i?e nepodl?haj? mechanick?mu opot?eben? konstruk?n?ch prvk?, maj? n?zkou spot?ebu energie a nemaj? elektrick? ?um. Pomoc? piezokeramiky je mo?n? z?skat zna?nou hlasitost zvuku. N?kter? vzorky piezokeramick?ch m?ni?? mohou vyvinout akustick? tlak na vzd?lenost 1 m a? 130 dB (?rove? prahu bolesti)

R??e. 4

Piezoelektrick? z??i?e jsou k dispozici ve dvou modifikac?ch:

- „?ist?“ m?ni?e (bez ??dic?ho obvodu) - piezo zvony;
- z??i?e s ??d?c?m obvodem (se zabudovan?m gener?torem) - sir?ny.

Aby m?ni?e prvn?ho typu generovaly zvuky, jsou zapot?eb? generovan? ??dic? sign?ly (sinusovka nebo obd?ln?kov? vlna o ur?it? frekvenci specifikovan? pro konkr?tn? model m?ni?e). Z??i?e s vestav?n?m gener?torem vy?aduj? pouze ur?itou ?rove? nap?t?. Takov? za??zen? jsou k dispozici pro jmenovit? nap?t? od 1 do 250 V (DC a AC).

Nap??klad piezokeramick? zvonek (piezo bzu??k) ZP-1 (obr. 4)sest?v? ze dvou piezoelektrick?ch blok?, p?i?em? membr?na ka?d?ho z nich je vyrobena ve form? m?lk? desti?ky o vn?j??m pr?m?ru 32 mm. Desky jsou naskl?d?ny proti sob? a p?ip?jeny pod?l vn?j??ho okraje. Piezoprvky ve zvonu jsou spojeny tak, ?e p?i p?iveden? st??dav?ho nap?t? se plochy desti?ek bu? sb?haj? nebo rozch?zej?, tzn. na obou stran?ch zvonu jsou vytvo?eny z?ny stla?en? a z?ed?n?. Rezonan?n? frekvence zvonu je 2 kHz.

R??e. 5

Vytv??? akustick? tlak 75 dB na vzd?lenost 1 m p?i nap?t? na rezonan?n? frekvenci 10 V. Tento zvon vys?l? zvukov? vlny rovnom?rn? do obou poloprostor?. V tabulce 1jsou uvedeny parametry dal??ch piezoz??i??, jejich? vzhled je na obr. 5. Obr. Na obr.6 jsou uvedeny amplitudov?-frekven?n? charakteristiky piezoelement?: PVA-1- Obr.6a a ZP-5 - Obr.6b.

Tabulka 1 charakteristiky piezoelektrick?ch z??i??

Typ	Zvuk tlak, DB	Pracovn? Nap?t?,	Rezonan?n? frekvence, kHz	Rozm?ry, mm
				Pr?m?r	V??ka
ZP-1			1...3
ZP-3			4,1 ± 0,05	42,7
ZP-4			4,1 ± 0,05
ZP-5			1...3
ZP-6			4,1 ± 0,05
ZP-18			4,1 ± 0,05
ZP-19
ZP-22*			1 ...3,5
ZP-25			4,1 ± 0,05
ZP-31
PVA-1
PPA-1

Pozn?mka: * - navr?eno pro provoz v samooscila?n?m re?imu.

R??e. 6, amplitudov?-frekven?n? charakteristiky piezoelement?

A. Ka?karov

Studium vlastnost? pevn?ch dielektrik uk?zalo, ?e n?kter? z nich jsou polarizov?na nejen pomoc? elektrick?ho pole, ale tak? p?i deformaci pod mechanick?mi vlivy na n?.

Polarizace dielektrika p?i mechanick?m p?soben? se naz?v? p??m? piezoelektrick? jev. Tento efekt je vlastn? krystal?m k?emene a v?em segmentoelektrik?m. Pro jeho pozorov?n? je z krystalu vy??znut pravo?hl? rovnob??nost?n, jeho? hrany mus? b?t v??i krystalu orientov?ny p?esn? definovan?m zp?sobem. Kdy? je rovnob??nost?n stla?en, jedna z jeho stran se nabije kladn? a druh? z?porn?. Ukazuje se, ?e v tomto p??pad? je hustota polariza?n?ho n?boje ?ela p??mo ?m?rn? tlaku a nez?vis? na velikosti rovnob??nost?nu. Pokud je stla?en? nahrazeno nata?en?m rovnob??nost?nu, pak n?boje na jeho ?elech zm?n? sv? znam?nka na opa?n?.

Opa?n? jev lze pozorovat tak? u piezokrystal?. Pokud je deska vy??znut? z piezokrystalu um?st?na do elektrick?ho pole, kter? nab?j? kovov? desky, pak se polarizuje a deformuje, nap??klad stla??. P?i zm?n? sm?ru vn?j??ho elektrick?ho pole je stla?en? desky nahrazeno jej?m nata?en?m (expanz?). Tento jev se naz?v? inverzn? piezoelektrick? jev.

R??e. 31. Piezoelektrick? m?ni?

Pro sn?m?n? zm?ny n?boje nebo nap?t? jsou k piezoelektrick?mu materi?lu p?ipojeny dv? kovov? desti?ky, kter? vlastn? tvo?? desti?ky kondenz?toru, jeho? kapacita je ur?ena pom?rem

kde Q je n?boj,

V - nap?t?.

Na Obr. Obr?zek 31 ukazuje za??zen? piezoelektrick?ho m?ni?e.

V praxi se jako piezoelektrick? materi?ly pou??vaj? krystaly k?emene, rocheliov? s?l, syntetick? krystaly (s?ran lithn?) a polarizovan? keramika (baryum titan).

K?emenn? desky jsou ?iroce pou??v?ny v piezoelektrick?ch mikrofonech, bezpe?nostn?ch senzorech a stabiliz?torech gener?tor? spojit?ch vln.

Na Obr. Obr?zek 32 ukazuje za??zen? piezoelektrick?ho mikrofonu

Kdy? akustick? tlak vychyluje membr?nu, jej? pohyb zp?sob? deformaci piezoelektrick? desti?ky, kter? zase vytv??? elektrick? sign?l na v?stupn?ch kontaktech.

Optick? p?evodn?ky

Optick? m?ni?e zahrnuj? za??zen?, kter? p?em??uj? sv?telnou energii na elektrickou energii a naopak. Nejjednodu???m za??zen?m tohoto typu je LED, kter? p?i pr?chodu proudu p-n p?echodem v propustn?m sm?ru vyza?uje sv?tlo. Za??zen? inverzn? k LED se naz?v? fotodioda. Fotodioda je p?ij?ma? optick?ho z??en?, kter? jej p?ev?d? na elektrick? sign?ly. Fotodioda, kter? p?em??uje sv?tlo na elektrickou energii, nav?c funguje i jako zdroj elektrick? energie – slune?n? sv?tlo.

Slo?it?j?? optick? p?evodn?ky jsou elektrooptick? p?evodn?ky (EOC) a vys?lac? televizn? trubice r?zn?ch proveden?.

Z hlediska technick?ch kan?l? ?niku informac? v optick?ch syst?mech je nebezpe?n? akustooptick? efekt. Akustooptick? jev je jev lomu, odrazu nebo rozptylu sv?tla zp?soben? elastick?mi deformacemi sklen?n?ch odrazn?ch ploch nebo optick?ch kabel? pod vlivem zvukov?ch vibrac?.

Hlavn?m prvkem optick?ho kabelu je sv?tlovod ve form? tenk?ho v?lcov?ho sklen?n?ho vl?kna. Vl?knov? sv?tlovod m? dvouvrstvou konstrukci a skl?d? se z j?dra a pl??t? s r?zn?mi optick?mi charakteristikami (indexy lomu p1 A n2). J?dro slou?? k p?enosu elektromagnetick? energie. ??el pl??t?: vytvo?en? lep??ch podm?nek pro odraz na hranici j?dra a pl??t? a ochrana p?ed energetick?m z??en?m do okoln?ho prostoru.

K p?enosu vlny sv?tlovodem doch?z? v d?sledku jej?ho odrazu od hranice j?dra a pl??t?, kter? maj? r?zn? indexy lomu ( p1 A n2). Na rozd?l od b??n?ch elektrick?ch vodi?? nemaj? sv?tlovody dva vodi?e a k p?enosu doch?z? pomoc? metody vlnovodu v jednom vlnovodu, kv?li mnohon?sobn?m odraz?m vlny od rozhran?.

Nejroz???en?j?? jsou dva typy vl?knov?ch sv?tlovod?: stup?ovit? a gradientn? (obr. 33).

V modern?ch optick?ch syst?mech vyu??v? proces p?enosu informace modulaci sv?teln?ho zdroje v amplitud?, intenzit? a polarizaci.

Vn?j?? akustick? dopad na optick? kabel vede ke zm?n? jeho geometrick?ch rozm?r? (tlou??ky), co? zp?sob? zm?nu dr?hy sv?tla, tzn. ke zm?n? intenzity a ?m?rn? velikosti tohoto tlaku.

Vl?knov? sv?tlovody jako p?evodn?ky mechanick?ho tlaku na zm?ny intenzity sv?tla nach?zej? praktick? uplatn?n? v zabezpe?ovac?ch syst?mech a jsou tak? zdrojem ?niku akustick? informace v d?sledku akusticko-optick? (nebo akusticko-elektrick?) p?em?ny - mikrofonn?ho efektu ve vl?knu -optick? syst?my p?enosu informac?.

P?i voln?m upevn?n? vl?ken v odpojiteln?m konektoru sv?tlovod? doch?z? k akusticko-optick?mu efektu modulace sv?tla akustick?mi poli. Akustick? vl?kna zp?sobuj? vz?jemn? posunut? spojen?ch konc? sv?tlovodu. T?mto zp?sobem se prov?d? amplitudov? modulace z??en? proch?zej?c?ho vl?knem. Tato vlastnost nach?z? praktick? uplatn?n? u hydrofon? s osciluj?c?mi optick?mi vl?kny. Na Obr. Obr?zek 34 ukazuje konstrukci takov?ho sn?ma?e (p?evodn?ku)

Hloubka modulace z?vis? na dvou parametrech, z nich? jeden (dt/dx) je ur?en konstrukc? a vlastnostmi vl?kna a druh? z?vis? na p??tla?n? s?le

Citlivost sv?tlovodu na tlak je ur?ena pom?rem

kde je f?zov? posun zp?soben? zm?nami tlaku.

Magnetostrik?n? efekt
Ultrazvukov? gener?tory
Ultrazvukov? ?ez?n?
Sn??en? mechanick? s?ly p?i zpracov?n? ?ezn?mi n?stroji
Ultrazvukov? ?i?t?n?
Ultrazvukov? sva?ov?n?
Ultrazvukov? p?jen? poc?nov?n?
Ultrazvukov? testov?n?
Ultrazvukov? expresn? anal?za
Zrychlen? v?robn?ch proces?
Ultrazvukov? impregnace
Ultrazvuk v metalurgii
Ultrazvuk v hornictv?
Ultrazvuk v elektronice
Ultrazvuk v zem?d?lstv?
Ultrazvuk v potravin??sk?m pr?myslu
Ultrazvuk v biologii
Ultrazvukov? diagnostika nemoc?
Ultrazvukov? l??ba nemoc?
Na sou?i i na mo?i

V roce 1880 objevili francouz?t? v?dci brat?i Jacques a Pierre Curie piezoelektrick? jev. Jeho podstata spo??v? v tom, ?e pokud se k?emenn? deska deformuje, objev? se na jej?ch ploch?ch elektrick? n?boje opa?n?ho znam?nka. Piezoelekt?ina je tedy elekt?ina vypl?vaj?c? z mechanick?ho p?soben? na l?tku („piezo“ v ?e?tin? znamen? „lisovat“).
Poprv? byly piezoelektrick? vlastnosti objeveny u horsk?ho k?i???lu, jedn? z odr?d k?emene. Horsk? k?i???l je pr?hledn?, bezbarv? krystal podobn? ledu. Sov?tsk? mineralog A.E. Fersman ve sv? knize „Enterifying Mineralogy“ napsal: „Vezm?te do ruky kus horsk?ho k?i???lu a stejn? kus skla – oba maj? podobnou barvu a pr?hlednost, pokud je rozbijete, budou m?t stejn? ostr? ?ezy hrany a tvar lomu Ale bude rozd?l: horsk? k?i???l z?stane v ruce dlouho studen?, sklo se velmi brzy zah?eje... Zda sta?? ?ekov? tuto vlastnost znali nebo ne, nen? zn?mo, ale. v ka?d?m p??pad? to byli oni, kdo dal na?emu kameni n?zev „krystal“ z ?eck?ho n?zvu pro „led“, proto?e k?i???l je ledu opravdu velmi podobn?...“
V p??rod? se vyskytuje t?m?? dv? st? druh? k?emene. Pat?? mezi n? zlato?lut? citr?n, krvav? ?erven? karneol, ?ervenohn?d? avantur?n se zlatav?m n?dechem, fialov? ametyst a mnoho dal??ch. T?m?? desetinu zemsk? k?ry tvo?? r?zn? druhy k?emene. I oby?ejn? p?sek se skl?d? p?ev??n? z k?emenn?ch zrn.
K?emen je ?iroce pou??v?n ve v?d? a technice. Rozpou?t? ultrafialov? paprsky, je tvrd? a ??ruvzdorn?. N?dob? z k?emenn?ho skla lze roz?havit do ?ervena a ihned pono?it do ledov? vody. Je odoln? t?m?? v?em kyselin?m a je ?patn?m vodi?em elekt?iny. Ale jeho nejpozoruhodn?j?? vlastnost? je piezoelekt?ina. Je-li deska, vy?ezan? ur?it?m zp?sobem z k?emenn?ho krystalu, stla?ena a rozev?ena, objev? se na jej?ch ploch?ch elektrick? n?boje opa?n?ch znam?nek. ??m siln?j?? je komprese, t?m v?t?? je n?boj. Vznik elektrick?ch n?boj? na ploch?ch k?emenn? desky b?hem jej? deformace se naz?v? p??m? piezoelektrick? jev.
Pokud se na takovou k?emennou desku aplikuje elektrick? n?boj, zm?n? se jej? velikost. ??m v?t?? je n?boj, t?m v?ce je deska deformov?na. P?sob?-li na desku st??dav? elektrick? pole, doch?z? k jej?mu smr??ov?n? nebo rozp?n?n? v ?ase se zm?nou znam?nka p?ilo?en?ho nap?t?. Pokud se tato m?n? s ultrazvukovou frekvenc?, pak deska tak? vibruje ultrazvukovou frekvenc?, co? je z?kladem pro pou?it? k?emene k produkci ultrazvukov?ch vln. Zm?na velikosti k?emenn? desky vlivem elektrick?ch n?boj? se naz?v? inverzn? piezoelektrick? jev.
P??m? piezoelektrick? jev se pou??v? v p?ij?ma??ch ultrazvukov?ch vibrac?, kde se tyto p?em??uj? na st??dav? proud. Ale pokud se na takov? p?ij?ma? p?ivede st??dav? nap?t?, pln? se projev? inverzn? piezoelektrick? efekt. V tomto p??pad? se st??dav? proud p?em?n? na ultrazvukov? vibrace a p?ij?ma? funguje jako ultrazvukov? emitor. V d?sledku toho mohou b?t piezoelektrick? p?ij?ma? a emitor zn?zorn?ny ve form? jednoho za??zen?, kter? m??e st??dav? vys?lat a p?ij?mat ultrazvukov? vibrace. Takov? za??zen? se naz?v? ultrazvukov? akustick? m?ni?.
Akustick? m?ni?e se ?sp??n? pou??vaj? v r?zn?ch druz?ch elektroakustick?ch syst?m?, zejm?na v syst?mech ur?en?ch pro akustick? a hydroakustick? m??en? a v?zkum. Piezoelektrick? za??zen? jsou ?iroce pou??v?na p?i pr?zkumu vesm?ru. Dnes jsou reprezentov?ny n?kter?mi senzory, kter? p?en??ej? data o stavu astronauta, o podm?nk?ch uvnit? kosmick? lodi, varov?n? p?ed nebezpe??m meteorit? atd.
Piezoelektrick? za??zen? pom?haj? „c?tit“ ??sti letadla, identifikovat chyby v jejich v?po?tech a p?edch?zet nebezpe?n?m n?sledk?m t?chto chyb; „pod?vat se“ do hlavn? st?eleck? zbran? pro m??en? tlaku nebo z?sk?n? dal??ch ?daj?. Piezoelekt?ina se pou??v? v radiotechnice a televizi. Piezoelektrick? za??zen? pom?haj? naj?t hejna ryb, zkoumat ?troby Zem?, hledat miner?ly, diagnostikovat a l??it lidi, analyzovat a urychlovat chemick? procesy atd.
K?emen je dlouho pova?ov?n za jeden z hlavn?ch materi?l? pou??van?ch pro v?robu ultrazvukov?ch m?ni??. Ale emitor, vyroben? z mal? k?emenn? desky, m? mal? v?kon. Pro jeho zv?t?en? se plocha vyza?ovac?ho povrchu zv?t?uje uspo??d?n?m k?emenn?ch desek ve form? jak?si mozaiky.
V p??rod? se krystaly k?emene nach?zej? v?t?inou v relativn? mal?ch velikostech, i kdy? existuj? v?jimky. Ve v?chodn?ch Alp?ch na?li geologov? v jednom hn?zd? ?est k?i???lov?ch krystal? o celkov? hmotnosti p?es jeden a p?l tuny. Je?t? unik?tn?j?? n?lez objevili ural?t? geologov?, kte?? objevili nalezi?t? krystal? s celou rodinou ob??ch krystal?. Nejprve byly z horniny vyt??eny krystaly o hmotnosti 800 kilogram?. N?sledn? vytrval? p?tr?n? p?ineslo naprosto ohromuj?c? v?sledky – bylo nalezeno souhv?zd? dvaceti pr?hledn?ch ?ist?ch krystal?. Jejich celkov? hmotnost p?es?hla 9 tun. Takov? n?lezy v?ak nemohou uspokojit st?le se zvy?uj?c? pot?eby v?dy a techniky po krystalech k?emene. Sna?? se je proto p?stovat um?le v laborato??ch, ale bohu?el rostou pomalu a jejich v?roba je drah?.
P?i hled?n? dal??ch piezoelektrick?ch materi?l? v?dci obr?tili svou pozornost na Rochelle s?l. Poprv? ho ze sol? kyseliny vinn? z?skal francouzsk? l?k?rn?k Segnet. S?l Rochelle se snadno zpracov?v?, krystal Rochelle soli lze ?ezat b??nou nit? navlh?enou vodou. Ve srovn?n? s jin?mi piezoelektrick?mi krystaly, v?etn? k?emene, m? krystal soli Rochelle v?razn? v?t?? piezoelektrick? efekt, nejmen?? mechanick? ??inek na desku vede ke vzniku elektrick?ch n?boj?. S?l Rochelle m? v?ak i v??n? nev?hody, kter? omezuj? jej? praktick? pou?it?. Jedn? se p?edev??m o n?zk? bod t?n? - asi 60 stup??, p?i kter?m krystal soli Rochelle ztr?c? sv? piezoelektrick? vlastnosti a ji? nejsou obnoveny. Rochelle s?l Rozpou?t? se ve vod?, a proto je citliv? na vlhkost. Nav?c je k?ehk? a nevydr?? velk? mechanick? zat??en?.
V?zkum nov?ch piezoelektrick?ch materi?l? prob?hal zvl??t? vytrvale b?hem druh? sv?tov? v?lky. Byly zp?sobeny „k?emenn?m hladomorem“, kter? vznikl v d?sledku ?irok?ho pou??v?n? piezoelektrick?ho k?emene v hydroakustick?ch za??zen?ch a ve vojensk? radioelektronice. Krystaly dihydrogenfosfore?nanu amonn?ho se tedy v t? dob? pou??valy k v?rob? piezoelektrick?ch m?ni??. Tento materi?l je frekven?n? stabiln? a umo??uje pr?ci s vysok?mi v?kony a v ?irok?m frekven?n?m rozsahu. Ji? dlouho se pou??vaj? jin? piezoelektrick? materi?ly, jako je fosfore?nan amonn?, s?ran lithn? a dihydrogenfosfore?nan draseln?. V hydroakustick?ch m?ni??ch byly pou?ity ve form? mozaikov?ch bal??k?. V?echny tyto piezokrystaly v?ak maj? spole?nou nev?hodu - n?zkou mechanickou pevnost. V?dci proto vytrvale hledali n?hradu, kter? by jim byla bl?zk? piezoelektrick?mi vlastnostmi a nem?la by v??e zm?n?nou nev?hodu. A takovou n?hradu na?li sov?t?t? v?dci pracuj?c? pod veden?m ?lena korespondenta Akademie v?d SSSR B. M. Vul. Jednalo se o titani?itan barnat?, kter? nen? krystalem jako k?emen a Rochellova s?l a s?m o sob? nem? piezoelektrick? vlastnosti.
Titan?t barnat? se z?sk?v? um?le, proto?e je v ?trob?ch Zem? velmi vz?cn?. K tomu se p?i velmi vysok? teplot? vypaluje sm?s dvou miner?ln?ch l?tek – uhli?itanu barnat?ho a oxidu titani?it?ho. V?sledkem je ?lutob?l? hmota, kter? sv?m vzhledem a mechanick?mi vlastnostmi p?ipom?n? b??nou hl?nu. Tato hmota, stejn? jako j?l, m??e m?t jak?koli tvar, ale bude mechanicky pevn? a nerozpustn? ve vod?. A aby se ud?lily piezoelektrick? vlastnosti titani?itanu barnat?mu, sp?len? hmota se um?st? do siln?ho elektrick?ho pole a pot? se ochlad?. V d?sledku toho doch?z? k polarizaci krystal? titani?itanu barnat?ho, jejich dip?ly (kombinace dvou opa?n?ch, ale v absolutn? hodnot? stejn?ch elektrick?ch n?boj? um?st?n?ch v ur?it? vzd?lenosti od sebe) zauj?maj? stejnou polohu a po ochlazen? jsou pevn?, jako by v tomto stavu „zmrazeno“. V?sledn? materi?l m? piezoelektrick? efekt 50kr?t v?t?? ne? piezoelektrick? efekt k?emene a jeho cena je n?zk?, proto?e pro jeho v?robu je k dispozici velmi velk? mno?stv? surovin. Mezi nev?hody titani?itanu barnat?ho pat?? velk? mechanick? a dielektrick? ztr?ty, co? vede k jeho p?eh??v?n? a p?i teplot?ch nad 90 stup?? se piezoelektrick? efekt v?razn? sni?uje.
Keramiku z titani?itanu barnat?ho lze ?ezat, brousit, le?tit, ??m? p?evodn?k z?sk? po?adovan? tvar a velikost (ploch? deska, v?lec, polokoule, ??st koule atd.). Konvertory titani?itanu barnat?ho jsou efektivn?j?? p?i p?em?n? elektrick? energie na mechanickou energii, maj? v?t?? odolnost proti elektrick?mu pr?razu a mohou pracovat p?i n?zk?m nap?t?. Ultrazvukov? sn?ma?e s titani?itanem barnat?m jsou nav?c schopny pracovat v pulzn?m re?imu.
Pro v?robu piezoelektrick?ch m?ni?? se pou??v? i dal?? piezokeramika: sm?s zirkonia s titani?itanem olovnat?m (PZT), tato piezokeramika m? piezoelektrick? efekt dvakr?t siln?j?? ne? titani?itan barnat?. Piezokeramika PZT je nerozpustn? ve vod? a lze ji zpracovat i mechanicky.
Z?rove? pokra?ovalo hled?n? krystal?, kter? maj? piezoelektrick? vlastnosti a spl?uj? pot?ebn? technick? po?adavky. Tak se sulfid kademnat? dostal do pov?dom? v?dc?. Krom? toho, ?e m? v?jime?nou schopnost zesilovat ultrazvukov? vibrace, lze z n?j vyrobit ultrazvukov? m?ni? pro velmi vysok? frekvence, zcela nedostupn? pro k?emen a titani?itan barnat?. V?zkumn?ci nazna?uj?, ?e krystal sulfidu kademnat?ho bude dr?et rekord v po?tu mo?n?ch aplikac?. Nejen, ?e m??e slou?it jako ultrazvukov? zesilova? a m?ni?, ale m??e b?t tak? pou?it spolu s germaniem a k?em?kem jako b??n? polovodi?. Krom? toho je sulfid kademnat? vynikaj?c? fotorezistor.
Pon?kud zjednodu?en? lze ??ci, ?e piezoelektrick? m?ni? je jeden nebo v?ce jednotliv?ch piezoelektrick?ch prvk? s ploch?m nebo kulov?m povrchem spojen?ch ur?it?m zp?sobem, p?ilepen?ch ke spole?n? kovov? desce. Pro z?sk?n? vysok? intenzity z??en? se pou??vaj? fokusa?n? piezoelektrick? m?ni?e, neboli koncentr?tory, kter? mohou m?t r?zn? tvary (polokoule, ??sti dut?ch koul?, dut? v?lce, ??sti dut?ch v?lc?). Takov? p?evodn?ky se pou??vaj? k vytv??en? siln?ch ultrazvukov?ch vibrac? p?i vysok?ch frekvenc?ch. V tomto p??pad? je intenzita z??en? ve st?edu ohniska sf?rick?ch sn?ma?? 100-150kr?t vy??? ne? pr?m?rn? intenzita na vyza?ovac? plo?e sn?ma?e.

"Zvuk, ultrazvuk, infrazvuk"