Człowiek nie może postrzegać elektryczności, może tylko widzieć i odczuwać jej efekty. Wszyscy wiemy jak elektryczność wytwarza światło, ciepło, siłę elektromagnesów i motorów. Jest jeszcze wiele innych zjawisk towarzyszących elektryczności, które były stopniowo poznawane przez fizyków i po pewnym czasie zostały wykorzystane przez inżynierów. Jednym z takich zjawisk jest piezoelektryczność.
Zjawisko to zaobserwował w 1880 roku Pierre Curie (późniejszy mąż Marii Skłodowskiej) badając kryształy kwarcu. Ze zdziwieniem stwierdził, że na ściankach ściskanego kryształu pojawia się dość wysokie napięcie elektryczne. Korzystając z teoretycznych analiz kolegów, pomierzył, że również odwrotnie – gdy przykłada się napięcie elektryczne na ścianki kryształu, zmienia on swoje wymiary.
Początkowo była to tylko ciekawostka laboratoryjna. Poznano wiele różnych kryształów wykazujących zjawisko piezoelektryczności (między innymi kryształy cukru trzcinowego), ale pierwsze zastosowanie tego zjawiska przyszło w okresie I wojny światowej.
W czasie tej wojny, duże zniszczenia we flocie siały masowo przez Niemców budowane łodzie podwodne. Mogły one podpływać niezauważane i torpedować z bliska statki transportowe i okręty wojenne. Ratunkiem okazały się sonary. Kryształy piezoelektryczne zasilane szybkozmiennym napięciem elektrycznym (częstotliwości rzędu dziesiątek kiloherców) były nadajnikami ultradźwięków rozchodzących się w wodzie z szybkością około 1.5 km na sekundę. Fale te odbite od kadłubów łodzi (echo) były wyłapywane przez czułe odbiorniki piezoelektryczne i na podstawie czasu powrotu echa i kierunku wysłania fal można było określić położenie łodzi podwodnej.
Obecnie wszystkie oceany są „obserwowane” przez systemy usytuowanych na dnie i podwieszonych na bojach sonarów tak, że żaden okręt, zarówno podwodny jak i nawodny nie umknie ich uwagi. Sonarami są też popularne wśród rybaków i wędkarzy echosondy, wykrywające ławice ryb oraz wskazujące głębokość akwenów. Okazało się, że natura również zbudowała sonary (jednak nie na zasadzie piezoelektryki), w które wyposażone są wieloryby i delfiny. Każdy chyba wie, że nietoperze też posługują się ultradźwiękami polując w nocy na owady.
Ultrasonografy z krystalicznymi nadajnikami są powszechnym wyposażeniem gabinetów lekarskich, umożliwiając tanie i szybkie diagnozy zmian wewnątrz ciała. Przemysłowe wersje ultrasonografów pozwalają na wykrycie wewnętrznych defektów w odlewach metali i w betonowych konstrukcjach.
Fale ultradźwiękowe generowane przez ceramiczne nadajniki mają również zastosowanie terapeutyczne. Aparatów takich używa się do czyszczenia zębów, do operacji okulistycznych, do masażu zmienionych chorobowo tkanek, a nawet silne, skoncentrowane wiązki rozbijają kamienie nerkowe. W wielu domach są pralki, w których drgania ultradźwiękowe pomagają w usunięciu drobinek brudu z tkanin.
Kryształy piezoelektryczne są szeroko wykorzystywane w zakresie fal akustycznych. Miniaturowe mikrofony, te prawie niewidoczne, podczepiane w pobliżu ust i te wkładane do telefonów komórkowych, przekształcają drgania powietrza na przebiegi elektryczne, które są wzmacniane i rozsyłane dalej. W popularnych 30-50 lat temu gramofonach, drgania igły w rowku płyty były przenoszone na kryształy piezoelektryczne i wzbudzane napięcia elektryczne były przez wzmacniacze kierowane do głośników. Oczywiście głośniki również można budować z ceramiki piezoelektrycznej. W zegarkach, budzikach, alarmach, znajdziemy ceramiczne krążki, które pod wpływem zmiennych napięć elektrycznych emitują sygnalizacyjne dźwięki.
Wytwarzanie napięcia elektrycznego z drgań mechanicznych jest formą przemiany energii. Elementy piezoelektryczne wbudowywane są w materiały pochłaniające dźwięki i wibracje. W niektórych modelach rakiet tenisowych i nart elementy piezoelektryczne, otoczone przewodzącym prąd plastikiem, szybciej i skuteczniej eliminują nieprzyjemne dla sportowca drgania.
Zjawisko piezoelektryczne wykorzystywane jest w wagach, zarówno do ciężkich przedmiotów jak i do precyzyjnego ważenia. Naciskane platformą lub szalką wagi kryształy (najczęściej cztery) wytwarzają napięcia, których suma jest elektronicznie mierzona i po przeliczeniu wyświetlana.
Napięcie elektryczne uzyskiwane w kryształach piezoelektrycznych może być bardzo wysokie. W zapalniczkach gazowych, kryształ ściskany przez dźwignię lub uderzany młoteczkiem daje napięcie nawet kilkunastu tysięcy woltów, wystarczające do przeskoczenia centymetrowej iskry.
W miniaturowych układach elektronicznych czasem potrzebne jest wysokie napięcie o stosunkowo niewielkiej mocy. Skonstruowano ceramiczne transformatory, w których jeden koniec elementu piezoelektrycznego zasilany jest szybkozmiennym, lecz niewielkim napięciem. Wywołane tym napięciem drgania rezonansowo rozhuśtają drugi koniec, na którym powstaje napięcie nawet setki razy większe.
Zjawisko piezoelektryczne jest chyba najpowszechniej wykorzystywane do odmierzania czasu. Wiadomo, że kryształy pobudzone mechanicznie, drgają ściśle określonym tonem, zależnym od wielkości i kształtu kryształu. Są to najczęściej drgania z zakresu ultradźwięków a więc niesłyszalne. Ponieważ drganiom specjalnie wyciętych igieł kwarcu towarzyszy powstawanie napięć elektrycznych, a pobudzanie kryształu zmiennym napięciem wywołuje drgania, można było zaprzęgnąć kwarc w układzie elektronicznym do wytwarzania oscylacji. Okazało się, że drgania te są tak stabilne (niezmienne), że mogą służyć do napędzania zegarów.
Obecnie w swoim otoczeniu mamy kilka (o ile nie kilkanaście) zegarów kwarcowych – naręcznych, ściennych, stołowych (budzików), komputerowych, wbudowanych w kuchenki, telefony itd., itd. Cały sprzęt nadawczy, radiowy i telewizyjny (odbiorniki również), wykorzystuje precyzyjne generatory kwarcowe.
Częstotliwość odpowiednio wykonanych generatorów kwarcowych może być bardzo stabilna, niezależna od temperatury. Nasze zegarki ręczne czy ścienne, mimo że pracują w różnych temperaturach otoczenia, mogą mieć dokładność lepszą niż sekunda na dobę. Przy innym rodzaju wycięcia kryształu, zależność drgań od temperatury może być bardzo wyraźna. Korzystają z tego zjawiska konstruktorzy termometrów kwarcowych, w których różnica częstotliwości drgań kryształu stabilnego i kryształu zależnego od temperatury jest przeliczana na cyfrowe wskazania temperatury.
W ostatnich latach pojawiło się dużo zastosowań piezoelektryków, w których drgania przekształcane są na ruch mechaniczny. Cała nowa dziedzina techniki – mechatronika, czyli połączenie mechaniki precyzyjnej z elektroniką, potrzebuje miniaturowych silniczków, często tak małych jak przysłowiowa główka szpilki. Nawijanie tak małych silniczków drutem przerasta współczesne możliwości. Piezoelektryczność podsunęła tu proste rozwiązanie.
Małe kryształy wprawia się w ruch drgający w jedną stronę powolny, z powrotem szybki. Przyczepiony do tych kryształów element mechaniczny przesuwa się w jedną stronę wraz z ruchem kryształu a z powrotem kryształ szybkim skokiem powraca do punktu wyjścia, tak szybko, że cięższy element mechaniczny nie nadąża i pozostaje o mikroskopijną odległość przesunięty. Ponieważ ruchy kryształu mogą się powtarzać dziesiątki tysięcy razy na sekundę, przesuwanie się elementu mechanicznego wydaje się płynne i w miarę szybkie. Silniki takie znalazły powszechne zastosowanie w ustawianych automatycznie obiektywach aparatów fotograficznych.
Elementy piezoelektryczne służą do kierowania promieni światła z miniaturowych laserów. W komputerowych pamięciach optycznych i magnetooptycznych,
strumień światła z diody laserowej musi śledzić ścieżkę na kręcącym się dysku. Ścieżek tych jest kilkaset na szerokości milimetra i mimośrodowość obrotów krążka (CD, DVD), czyli tak zwane bicie, uniemożliwiałoby odczyt ścieżki nieruchomym światłem. Szybko zmieniające kształt kryształy piezoelektryczne pozwalają na odpowiednie przechylanie diody laserowej, tak aby strumień światła padał zawsze na śledzoną ścieżkę.
Jedną z niedawnych propozycji zastosowania kryształów piezoelektrycznych są ekrany telewizorów rozświetlane laserami. Współczesne ekrany muszą zawierać kilka milionów różnokolorowo świecących punktów. Przypisywanie każdego punktu pojedynczemu świecącemu elementowi (tak jak w ekranach plazmowych) bardzo podraża produkcję. Można jednak strumienie światła wysyłane przez kolorowe lasery kierować w różne punkty ekranu umieszczając na drodze światła mikroskopijne drgające lusterka. Ruch tych lusterek (powodowany drgającymi kryształami piezoelektrycznymi) jest komputerowo skoordynowany z intensywnością świecenia laserów i na ekranie powstaje bardzo jasny i kontrastowy kolorowy obraz.
Ten system wyświetlania obrazów nazywany jest DLP (Digital Light Processing) i pilotowe serie monitorów telewizyjnych tego systemu są już w sprzedaży. Jest to technologia aktualnie opracowywana, lecz niewykluczone, że w niedalekiej przyszłości okaże się to lepsze i tańsze od dotychczasowych płaskich ekranów plazmowych i ciekłokrystalicznych.
Jak wiele obserwacji i odkryć praw natury, piezoelektryczność początkowo była tylko ciekawostką w uniwersyteckich laboratoriach fizyki. Po latach badań zjawisko to inspirowało wielu wynalazców i obecnie wykorzystywane jest w wielu otaczających nas urządzeniach, które często nie wiemy jak i dlaczego działają. Myślę, że dla wielu czytelników moje felietony są inspiracją do przypomnienia i uzupełnienia wcześniejszej wiedzy.
(ami)
