Pietsosähköinen ilmiö

Esimerkki ilmiön havainnollistamiseksi

Pietsosähköinen ilmiö tai pietsosähköilmiö on ilmiö, jossa mekaaninen jännitys aiheuttaa aineen sähköisen polaroitumisen, eli kiteen vastakkaisten pintojen välille muodostuu sähköinen jännite. Vastaavasti, kun aineeseen kohdistetaan sähkökenttä, aine muuttaa muotoaan. Siten tällä ilmiöllä voidaan muodostaa mekaanista värähtelyä kytkemällä pietsosähköiseen materiaaliin vaihtojännite.

Fysiikka

Pietsosähköisyys on anisotrooppista eli esimerkiksi sähköiset, mekaaniset ja sähkömekaaniset ominaisuudet ovat erilaisia eri kideakseleiden suunnissa. Pietsoelementin muodon, koon ja polarisointiakselin suunnan sekä elektrodien sijoittelun valinnoilla saadaan aikaan halutut värähtelymuodot. Elektrodit sijoitetaan tavallisesti kohtisuoraan polarisointiakseliin nähden mutta niiden koot ja muodot voivat vaihdella käyttötarkoituksen mukaan.

Koska pietsosähköinen polarisaatio on kiteisen materiaalin ominaisuus ja se vaihtelee eri kidesuunnissa, täytyy kiderakenteen olla tietyllä tavalla epäsymmetrinen (ei inversiokeskusta). Amorfiset aineet (lasit) eivät voi olla pietsosähköisiä. Monikiteisissä aineissa pietsosähköisyys keskiarvoistuu nollaksi, ellei kiteillä ole jotain preferenssisuuntaa.

Monikiteisissä ferrosähköisissä materiaaleissa pietsosähköisyys voidaan saada aikaan mm. ulkoisella polarisoinnilla. Polarisointiprosessissa materiaali sijoitetaan korkeaan lämpötilaan (kuitenkin alle materiaalin Curie-pisteen) ja altistetaan voimakkaalle sähkökentälle. Sähkökenttä suuntaa korkean lämpötilan vapauttamien kiteiden dipolit sähkökentän suuntaisiksi. Kun materiaali jäähdytetään sähkökentän vallitessa, jäävät dipolit saman suuntaisiksi, joten materiaali muuttuu pietsosähköiseksi. Polaroitua monikiteistä pietsomateriaalia ei siis saa kuumentaa Curie-pisteeseen, koska kiteet vapautuvat ja pietsosähköisyys häviää.

Sovellukset

Pietsosähköilmiötä voidaan hyödyntää esimerkiksi kellovärähtelijöissä (kvartsikello), suodattimissa, pienen liikkeen tuottavissa aktuaattoreissa, ultraäänihitsauksessa, kidemikrofoneissa, erilaisissa antureissa kuten paine- ja värähtelyantureissa. Sähköisissä levysoittimissa käytettiin alun perin pietsokidettä äänirasiassa muuttamaan neulan värähtelyt sähkösignaaliksi.

Pietsosähköiset materiaalit

Vanhin pietsosähköinen materiaali on kvartsi, joka löytyy luonnosta pietsosähköisenä suurikokoisena kiteenä. Kvartsikiteestä pietsoelementti leikataan sopivan suuntaisena, jotta polarisaatioakseli saadaan osoittamaan haluttuun suuntaan.

Pietsosähköisiä materiaaleja tunnetaan hyvin suuri joukko, mutta yleisimmin käytettyjä ovat seuraavat:

• alumiininitridi (AlN)
• lyijyzirkoniumtitanaatti (PbZr_0.525Ti_0.475O₃)
• bariumtitanaatti (BaTiO₃)
• lyijymetaniobaatti (PbNb₂O₆)
• litiumsulfaatti (LiSO₄)
• kvartsi (SiO₂)
• litiumtantalaatti (LiTaO₃)
• litiumniobaatti (LiNbO₃)
• kaliumdivetyfosfaatti (KH₂PO₄)

Katso myös

• Magnetostriktio
• Kidekone

Aiheesta muualla

• History of Piezoelectricity Piezo Systems, Inc.