اثر پیزوالکتریک

اثر پیزوالکتریک توانایی مواد خاص و کریستال ها برای تولید انرژی الکتریکی در اثر فشار مکانیکی اعمال شده می باشد.
لغت پیزوالکتریک یعنی الکتریسیته‌ی ناشی از فشار که از لغت یونانی به معنای فشردن گرفته شده است.
مواد پیزوالکتریک می‌توانند با دریافت انرژی الکتریکی، پاسخ مکانیکی دهند، برای مثال مواد پیزوالکتریک در منابع تولید کننده امواج صوتی در ادوات تصویربرداری سونوگرافی، تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در برخی بلورهای نارسانا مثل (کوارتز) تحت کشش یا فشار، همان اثر پیزوالکتریک است.

اثر پیزوالکتریک به عنوان یک واکنش خطی-الکترومکانیکی بین دو حالت الکتریکی و مکانیکی در مواد عایق و بلورهایی که تقارن مرکزی ندارند، تعریف می‌شود. در واقع پیزوالکتریک‌ها موادی هستند که در صورت اعمال فشار یا تنش به آن‌ها، بار الکتریکی در سطوح خاصی از آن‌ها ظاهر می‌شود.

این پدیده، اثر پیزوالکتریک مستقیم (Direct piezoelectric Effect) نام دارد که یک فرآیند قابل‌ برگشت است، یعنی به‌طور معکوس هرگاه ماده‌ای با این خاصیت، در یک میدان الکتریکی واقع شود، ابعاد آن تغییر می‌کند (Reverse Piezoelectric Effect). در صورت وارون شدن جهت اعمال تنش یا فشار، جهت قطبش بارهای الکتریکی نیز معکوس می‌شود و با تغییر در جهت میدان الکتریکی اعمال‌شده جهت تغییر ابعاد ماده نیز، تغییر می‌یابد.که هر دو اثر کاربردیهای متفاوت و فراوان دارند .
علامت پتانسیل های دو وجه بلور در دو حالت فشردگی یا کشیدگی معکوس هم ارزند و هر چه میزان فشار کشش بیشتر باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده بیشتر است. موادی که به‌طور مستقیم اثر پیزوالکتریک (تولید داخلی بار الکتریکی به دلیل اعمال نیروی مکانیکی) را انباشته می‌کنند اثر پیزوالکتریک معکوس (تولید داخلی نیروی مکانیکی در اثر اعمال میدان الکتریکی) را نیز انباشته می‌کنند.

                                                                           
اولین اثبات قضیه و اثر پیزوالکتریک در سال 1880 توسط دو برادر با نام های Pierre Curie و Jacques Curie بود. اطلاعات این دو دانشمند رفتار بسیاری از کریستال ها مانند تورمالین ، کوارتز ، کانی شکر ، Rochelle salt (نمک راچل) ( تتراهیدرات ، جوهر پتاسیم ، سدیم ) را آشکار کرد . در سه دهه بعد، همکاری فراوانی در انجمن های علمی اروپا در زمینه پیزو الکتریسیته انجام شد و واژهای میدان پیزوالکتریسیته بوسیله آنها استفاده شد . البته کارهای انجام شده برروی رابطه ی میان الکترومکانیکی مختلط با کریستال های پیزو الکتریک در سال 1910 انجام شد و اطلاعات آن به صورت یک مرجع استاندارد است. به هر حال پیچیدگی علم مربوط به مواد پیزوالکتریک باعث شده که کاربردهای این عداد تا چند سال قبل رشد پیدا نکند.
لانگوین ات آل در طی جنگ جهانی اول مبدل آلتراسونیک پیزوالکتریکی ساخت . موفقیت او باعث ایجاد موقعیت های استفاده از مواد پیزو الکتریک در کاربرد های زیر آبی شد.
                                                              
هنگامی که مواد پیزوالکتریک تحت فشار مکانیکی قرار می گیرند، باعث تغییر مکان مراکز انرژی مثبت و منفی در ماده می شوند، که در نتیجه یک میدان الکتریکی خارجی ایجاد می شود. هنگامی که عکس آن اتفاق می افتد، یک میدان الکتریکی بیرونی، مواد پیزوالکتریک را منبسط یا منقبض می کند. اگر دو وجه روبرویی هر یک از این بلورها را به اختلاف پتانسیل متناوب الکتریکی وصل کنیم، تغییر شکل متناوبی در آن رخ می‌دهد و به ارتعاش در می‌آید.

اثر پیزوالکتریک در کریستالها (بلورها)، برخی از سرامیک ها و اجسام زیستی مانند استخوان DNA و پروتئین ها روی می دهد. شرط ضروری برای پیزوالکتریک بودن یک کریستال، عدم وجود تقارن مرکزی در ساختار کریستالی است.

سه نوع ماده پیزوالکتریک که به طور عمده در عمل استفاده می شوند شامل سرامیک های پیزوالکتریک، پلیمرهای پیزوالکتریک و کامپوزیت های پیزوالکتریک می باشند که از این میان کامپوزیت ها به دلیل ویژگی های تطبیق پذیری و تنظیم شوندگی بسیار بالا توجه بیشتری را به خود جلب کرده اند.
در سال های اخیرکاربرد مواد پیزوالکتریک بیشتر تحت سه عنوان سنسور، مبدل و محرک شناخته شده است. که به انواع پیزوالکتریک هم می توان نام برد.همچنین اثر پیزوالکتریک در بسیاری از برنامه های کاربردی که شامل تولید و تشخیص صدا، تولید ولتاژ بالا، تولید فرکانس الکترونیکی، عدم تعادل میکرو، و تمرکز فوق العاده خوب از مجموعه های نوری است، بسیار مفید است. این همچنین مبتنی بر تعدادی از تکنیک های علمی ابزار با وضوح اتمی، مانند میکروسکوپ پروب اسکن (STM، AFM، و غیره) است. اثر پیزوالکتریک نیز در استفاده از برنامه های روان شناختی بیشتر مانند استفاده از منبع اشتعال برای فندک های سیگار استفاده می شود.

یک سنسور پیزوالکتریک می‌تواند با استفاده از اثر پیزوالکتریک مستقیم، اطلاعات را از محدوده‌ی مکانیکی به یک سیگنال الکتریکی قابل پردازش تبدیل کند. سیگنال الکتریکی تولیدشده پس از اعمال اولیه‌ی نیرو، به سرعت کاهش می‌یابد. بنابراین این سنسورها برای اندازه‌گیری نیروهایی که در مدت زمان کوتاهی اعمال می‌شوند، بسیار مناسب هستند اما برای اندازه‌گیری نیروهای استاتیکی مناسب نیستند.

مبدل پیزوالکتریک وسیله‌ای است که یک نوع انرژی را به نوع دیگر تبدیل می‌کند. مبدل‌های پیزوالکتریک در تست‌های غیر‌مخرب و در بسیاری از کاربرد‌ها که نیاز به اندازه‌گیری دقیق در حرکت یا نیرو دارند، استفاده می‌شود. در این کاربرد‌ها اثر پیزوالکتریک به صورت معکوس عمل می‌کند. در این حالت ولتاژی به ماده‌ی پیزوالکتریک اعمال می‌شود که باعث تغییر شکل در ماده‌ی پیزوالکتریک می‌گردد. این تغییر شکل که می‌تواند به صورت کشش یا فشار باشد، متناسب با ولتاژ اعمال‌شده است.

اعمال ولتاژ الکتریکی به جسم پیزوالکتریک که سبب تغییر شکل در این جسم می‌شود و میزان این تغییر شکل به ولتاژ اعمالی و جهت آن بستگی دارد، به کاربرد پیزوالکتریک‌ها به عنوان محرک شناخته می‌شود. در واقع محرک‌های پیزوالکتریک شکلی از یک سیستم الکترومکانیک میکروکنترلی هستند که میدان الکتریکی اعمال‌شده به آن‌ها می تواند به حرکت‌هایی در ابعاد میکرومتر یا نانومتر تبدیل شود.

                                                                                     
- حسگر ژیروسکوپ پیزوالکتریک: از این حسگر در تشخیص حرکات دست هنگام فیلمبرداری و عکس برداری توسط دوربین و سنجش سرعت زاویه‌ای و حرکات دورانی در هواپیماها و انواع سیستم‌های متحرک استفاده می‌شود.
- حسگر شتاب سنج پیزوالکتریک: این حسگر می‌تواند پارامترهای مکانیکی مانند شتاب، نوسان و لرزش را ثبت کند. حتما شتاب سنج به کار رفته در موبایل را که باعث چرخش صفحه هنگام چرخش موبایل می‌شود دیده‌اید.- حسگرهای صوتی پیزوالکتریک: از مواد پیزوالکتریک برای تولید و آشکارسازی امواج صوتی در هوا (در بلندگوها، میکروفون‌ها) یا در آب استفاده می‌شود.