Piezoelektromosság: definíció, működési elv és gyakorlati alkalmazások
Piezoelektromosság: definíció, működési elv és gyakorlati alkalmazások — hogyan termel energiát deformációból a piezo, szenzoroktól az energiagyűjtésig.
A piezoelektromos anyag mechanikai deformáció hatására elektromos töltést és feszültséget hoz létre — vagy fordítva, elektromos tér hatására mechanikai alakváltozást szenved (ez az ún. közvetlen és fordított piezoelektromos hatás). A generált feszültség nyílt körös értéke gyakran viszonylag magas lehet, de a leadható áram és energia általában kicsi, mert a piezoelektromos elemek kapacitása alacsony. Emiatt piezoelektromos elemekkel történő energiakinyerésnél és érzékelésnél a rendszertervezés (pl. vágólapolás, töltés- vagy feszültség-erősítés) kritikus szerepű.
Működési elv röviden
A piezoelektromosság alapja a kristályszerkezet asszimmetriája: ha egy anyag belső elrendeződése nem középpontos, akkor mechanikai feszültség hatására a töltések eltolódnak, ami elektromos dipólusmomentumot és így töltéskülönbséget hoz létre a kiterjedésen. A hatás nagyságát jellemzik a piezoelektromos együtthatók (például d33, pC/N egységben). Tipikus mechanikai alakváltozások nagysága ipari kerámiáknál 0,01–0,1% nagyságrendű lehet; speciális anyagoknál (ún. nagy elmozdulású kristályok vagy relaxorok) ennél nagyobb is elképzelhető, de ezek ritkábbak és drágábbak.
Anyagok és feldolgozás
Gyakori piezoelektromos anyagok: kvarc (természetes kristály), PZT (ólom-zirkonát-titanát kerámia), PVDF (piezoelektromos polimer) és különféle kerámia- és egykristály-összetételek. Az ipari piezoelemek többsége kerámia, mert nagy piezo-koefficiensük és olcsó előállításuk miatt hatékonyak.
A feldolgozás során a kerámiákat általában porból préselik és szinterelik (magas hőmérsékleten sűrítik össze), majd ún. polározással "poled"-elik: a kerámiát felmelegítik a közel Curie-ponti hőmérsékletre, miközben erős elektromos mezőt alkalmaznak, majd lehűtik a mező hatására. Ez az eljárás rendezi az elektromos dipólusokat, és jelentősen növeli az anyag piezoelektromos érzékenységét. Az ilyen hőkezelés és polározás finomítja a belső szerkezetet és a doméneket, így az anyag érzékenyebb lesz a mechanikai feszültségekre és stabilabb polarizációt kap.
Gyakorlati megjegyzések és jellemzők
- A piezoelektromos elemek tipikusan nagy impedanciájúak: nyitott körös feszültségük viszonylag nagy lehet, de áramuk kicsi. Ezért érzékelőkben és energiaharveszterekben speciális elektronika (charge amplifier, impedance matcher) szükséges.
- A piezoanyagok alakváltozása általában kicsi és irányfüggő: a deformáció tengelyenként változhat. Elméleti esetekben a test formája módosulhat úgy, hogy a térfogat nagysága közel állandó marad, de a piezohatás alatt bekövetkező alakváltozások tipikusan jóval kisebbek, mint a példában leírt nagy mértékű dimenzióváltások.
- A piezoelektromos elemek energiakapacitása korlátozott: bár rövid feszültségimpulzust adhatnak (pl. piezo gyújtók), folyamatos magas teljesítmény előállításához sok elemet és hatékony csatlakozó elektronikát kell alkalmazni.
- Biztonság: a nyitott körös feszültség magas lehet, ezért óvatosan kell kezelni — bár a leadható áram alacsony, elektromos kisülés, jelzavarok előfordulhatnak.
Gyakorlati alkalmazások
Példák, ahol a piezoelektromosság fontos szerepet játszik:
- Szenzorok: nyomás- és erőmérők, gyorsulásmérők, mikrofonok és rezgésérzékelők.
- Aktuátorok: precíziós pozícionálás (nanométeres léptetők), ultrahangos jelgenerátorok, ultrahangos tisztítók és orvosi ultrahang-fejek.
- Hangkeltők és jeladók: piezo grillezők, csengők, bélyegzőfejek, tintasugaras nyomtatók piezoelektromos befecskendezői.
- Energiaharvesztás: kis teljesítményű szenzorok táplálása (pl. járásból, gépzajból nyert energia), bár a kinyerhető energia jellemzően kis mértékű és speciális kondicionálást igényel.
- Orvostechnika és ipar: ultrahang diagnosztika, SONAR, anyagvizsgálat (non-destruktív tesztelés).
Fontos fogalmak röviden
- d-értékek (pl. d33): a piezoelektromos együtthatók, amelyek megadják a generált töltés vagy elmozdulás nagyságát egységnyi erő vagy feszültség hatására.
- Curie-hőmérséklet: az a hőmérséklet, ahol az anyag elveszíti piezoelektromos polarizációját; polározáskor ennek közeli hőmérsékletét használják.
- Polározás: elektromos mező alkalmazása magas hőmérsékleten a dipólusok rendezettségének kialakítására.
Összefoglalva: a piezoelektromosság sokféle alkalmazásra ad lehetőséget érzékelésben, aktuációban és kis teljesítményű energiahasznosításban. A hatékonyság és a teljesítmény nagymértékben függ az anyag típusától, a feldolgozástól és az alkalmazott elektronikától, ezért a tervezés során ezek együttes optimalizálása szükséges.
Keres