KursyPoradnikiInspirujące DIYForum

Piezoelektryki – czym są materiały piezoelektryczne?

Piezoelektryki – czym są materiały piezoelektryczne?

Piezoelektryki mogą wytwarzać wysokie napięcie lub odkształcać się pod wpływem zewnętrznego napięcia. Materiały piezoelektryczne używane są więc do budowy m.in. buzzerów i czujników.

Elementy piezoelektryczne mają dziś zaskakująco wiele zastosowań. Dlatego warto wiedzieć, czym są materiały piezoelektryczne.

Czego dowiesz się z tego artykułu?

Artykuł zawiera podstawowe informacje o materiałach piezoelektrycznych, ich historii i zastosowaniach. Omawia ogólne zasady działania, tzw. efekt piezoelektryczny oraz odwrotny efekt piezoelektryczny. Dociekliwi znajdą tu dokładniejsze wyjaśnienia dotyczące tego, czym jest i jak działa piezoelektryk.

W dalszej części artykułu omówione są praktyczne aspekty używania elementów piezoelektrycznych przez elektroników praktyków. Wszyscy znajdą tutaj również informacje o rozmaitych zaskakujących zastosowaniach piezoelektryków w różnych obszarach życia (np. do budowy małych pomp).

Czym jest materiał piezoelektryczny?

Zasadniczo potoczne określenie „piezoelektryk” dotyczy materiału. Materiału, w którym zachodzi tzw. zjawisko piezoelektryczne (efekt piezoelektryczny). W praktyce piezoelektrykami nazywa się też rozmaite elementy elektroniczne (np. buzzery). Książkowe definicje są sformułowane w sposób, który może zniechęcać początkujących, warto zatem zacząć od prostej, praktycznej definicji.

Materiały piezoelektryczne to takie, które przy mechanicznym odkształcaniu wytwarzają napięcie elektryczne (często zaskakująco wysokie). Co bardzo ważne, materiały i elementy piezoelektryczne mają działanie „dwukierunkowe”, odwracalne – podłączenie do nich napięcia sprawi, że piezoelektryk odkształci się w niewielkim stopniu. Znanych jest mnóstwo różnych materiałów piezoelektrycznych, spośród których praktyczne zastosowanie znalazły tylko nieliczne.

W książkowych definicjach często się podkreśla, że piezoelektryki to kryształy – materiały krystaliczne. Owszem, historia piezoelektryków zaczęła się od kryształów. Zjawisko piezoelektryczne odkrył w roku 1880 znany w Polsce skądinąd Pierre Curie, mąż Marii z domu Skłodowskiej, oraz jego brat Paul-Jacques Curie. Badali oni zjawisko piezoelektryczne właśnie w kryształach, m.in. w kryształach cukru.

Historia elektroniki – od bursztynu do...
Historia elektroniki – od bursztynu do...

Elektryczność i magnetyzm towarzyszą nam dziś na każdym kroku. Kiedyś były one jednak tylko jarmarczną ciekawostką, a elektryczność... Czytaj dalej »

Jednak dziś oprócz prawdziwych kryształów znane są też inne materiały piezoelektryczne, w tym tzw. polikrystaliczne, ceramiczne i jeszcze inne. Materiałami piezoelektrycznymi są niektóre folie z tworzyw sztucznych, a także… kości i część innych tkanek naszego organizmu. Jednak w praktyce najczęściej wykorzystujemy elementy piezoelektryczne, w których materiałem czynnym są różne rodzaje ceramiki. Ceramika piezoelektryczna to spiek, czyli spieczony w wysokiej temperaturze proszek zawierający związki chemiczne o określonej budowie krystalicznej, wykazujące efekt piezoelektryczny.

Budowa elementu piezoelektrycznego

Materiał piezoelektryczny to zawsze izolator – dielektryk. Nie przewodzi prądu elektrycznego. Przy odkształceniu mechanicznym na przeciwległych płaszczyznach tego nieprzewodnika pojawiają się ładunki przeciwnych znaków. Płaszczyzny te nie przewodzą jednak prądu, więc aby ładunki jakoś wykorzystać, trzeba pokryć płaszczyzny materiałem przewodzącym.

Ładunki wytwarzane na piezoelektryku podczas jego odkształcania (ilustracja: Sonitron Support, CC BY-SA 3.0)

Ładunki wytwarzane na piezoelektryku podczas jego odkształcania (ilustracja: Sonitron Support, CC BY-SA 3.0)

Przy wykorzystaniu odwrotnego zjawiska piezoelektrycznego nieprzewodzący materiał czynny reaguje tak naprawdę na pole elektryczne. Aby to pole w łatwy sposób wytworzyć, materiał piezoelektryczny, który jest izolatorem, trzeba umieścić pomiędzy dwoma przewodzącymi, najlepiej metalowymi okładkami. Można wówczas podać napięcie między te okładki, co wytworzy między nimi równomierne pole elektryczne, jak w każdym kondensatorze płaskim. Wtedy podłączenie napięcia o danej biegunowości spowoduje odkształcenie materiału piezoelektrycznego „w jedną stronę”, a napięcia o odwrotnej biegunowości – „w drugą stronę”.

Tak czy inaczej, niezależnie od konfiguracji potrzebne są przewodzące okładki. Można więc powiedzieć, że element piezoelektryczny to specyficzna odmiana kondensatora, ale absolutnie nie służy on do magazynowania energii – jest on przetwornikiem mechaniczno-elektrycznym. Działa to w pewnym sensie dwukierunkowo: odkształcenie powoduje powstanie napięcia, natomiast zasilenie go napięciem z zewnątrz powoduje odkształcenie. Podstawy są zatem proste i jasne.

Jak działa piezoelektryk – dla dociekliwych

Wcześniejszy rysunek może jednak budzić wątpliwości, choć odzwierciedla budowę najprawdziwszego elementu – membrany piezoelektrycznej zamontowanej na okrągłej blaszce, która jest „dolną” okładką.

Przykładowe membrany piezoelektryczne

Przykładowe membrany piezoelektryczne

Otóż na wcześniejszym rysunku nie zaznaczono wyraźnie „górnej” okładki kondensatora i nie widać jej też na powyższej fotografii. Druga, „górna” okładka to napylona, cienka warstwa metalu, do której można przylutować przewód – przykład widoczny jest poniżej. W wielu elementach piezo okładki to cieniutka, napylona warstwa jakiegoś przewodnika.

Membrany piezoelektryczne z przylutowanymi przewodami

Membrany piezoelektryczne z przylutowanymi przewodami

To nie koniec wątpliwości. Na wcześniejszym rysunku pole elektryczne powoduje odkształcenie w osi prostopadłej do kierunku linii sił pola, a w innych źródłach można znaleźć inne ilustracje. Przykładowo poniższy animowany rysunek z Wikipedii ilustruje zjawisko piezoelektryczne i sugeruje, że kierunek odkształcenia jest równoległy do linii sił pola elektrycznego.

Ilustracja działania piezoelektryka (animacja: Tizeff, CC BY-SA 3.0)

Ilustracja działania piezoelektryka (animacja: Tizeff, CC BY-SA 3.0)

Nie ma tutaj jednak sprzeczności. Załóżmy, że mamy wykonany z materiału piezoelektrycznego sześcian. W sześcianie łatwo wyróżnić trzy kierunki – trzy osie: X, Y, Z (długość, szerokość, wysokość). Okazuje się, że poszczególne materiały piezoelektryczne wykazują zjawisko piezoelektryczne tylko w jednym z tych trzech kierunków.

Co zaskakujące, nie we wszystkich kierunek pola elektrycznego zgadza się z kierunkiem odkształcenia. Nie musimy jednak bardziej zagłębiać się w ten temat, bo większość praktycznie użytecznych elementów piezoelektrycznych nie ma kształtu sześcianu, tylko są to właśnie płaskie ceramiczne krążki z metalowymi okładkami z dwóch stron.

Zjawisko piezoelektryczne vs zjawisko elektrostrykcji

Trzeba jeszcze koniecznie podkreślić, że zjawisko piezoelektryczne jest odwracalne i nie należy go mylić z „jednokierunkowym” zjawiskiem elektrostrykcji. Elektrostrykcja to zachodzące we wszystkich dielektrykach zjawisko niewielkiej zmiany wymiarów pod wpływem pola elektrycznego – jednak siła mechaniczna oddziałująca na taki element nie powoduje tam powstania pola elektrycznego i napięcia.

Elementy piezoelektryczne w praktyce

Przytłaczająca większość elementów piezoelektrycznych zawiera materiał czynny w postaci ceramiki – a ceramika jest twarda i krucha. Niejeden elektronik uszkodził piezoelektryczny element ceramiczny, albo mechanicznie, albo przegrzewając go podczas lutowania przewodu do okładki. Z twardością i kruchością wiąże się też inna kwestia: odkształcenia mechaniczne podczas pracy nie są i nie mogą być duże – można szacunkowo przyjąć, że maksymalna zmiana rozmiaru jest rzędu ±0,01%.

Nadmierne odkształcenie materiału piezoelektrycznego prowadzi do jego uszkodzenia

Nadmierne odkształcenie materiału piezoelektrycznego prowadzi do jego uszkodzenia

Dla praktyka ważne jest również to, że niemal wszystkie elementy piezoelektryczne wykazują właściwości rezonansowe. Częstotliwość rezonansowa (mechaniczna) wynika z rozmiarów elementu czynnego. Najprościej rzecz ujmując, najlepiej pracują one przy przebiegach zmiennych o częstotliwościach zbliżonych do ich tzw. mechanicznej częstotliwości rezonansowej. Ta częstotliwość rezonansowa może zawierać się w granicach od setek herców do wielu megaherców.

Są to w sumie kondensatory, które w niektórych zastosowaniach współpracują z tak dobraną cewką, żeby powstały elektryczny obwód rezonansowy LC miał częstotliwość charakterystyczną taką samą jak częstotliwość rezonansu mechanicznego przetwornika.

Przykład współpracy piezoelektryka z cewką (zdjęcie: Raimond Spekking, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia)

Przykład współpracy piezoelektryka z cewką (zdjęcie: Raimond Spekking, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia)

Idea podwójnego rezonansu mechanicznego i elektrycznego jest prosta, ale praktyczna realizacja rezonansu elektrycznego już taka prosta nie jest. Warto o tym wiedzieć i w razie potrzeby poszukać potrzebnych informacji w internecie. Obwód rezonansowy LC może być najprostszym sposobem uzyskania dużego napięcia, jakiego wymagają większe przetworniki – nawet do kilkuset woltów.

Zjawisko piezoelektryczne jest odwracalne, wiele elementów piezoelektrycznych może z powodzeniem pracować zarówno jako czujniki, jak i elementy wykonawcze. Jednak w licznych przypadkach dla uzyskania optymalnych właściwości dany element może pracować tylko „jednokierunkowo”. Dobrym przykładem jest popularny czujnik ultradźwiękowy, w którym znajdziemy dwa przetworniki piezo (zwykle o częstotliwość rezonansowej 40 kHz). Przykład wykorzystania takiego czujnika w praktyce jest dokładnie omówiony w kursie Arduino oraz w kursie STM32L4.

Ultradźwiękowe czujniki odległości z przetwornikami piezoelektrycznymi

Ultradźwiękowe czujniki odległości z przetwornikami piezoelektrycznymi

Koniecznie trzeba też wiedzieć, że piezoelektrykami są rezonatory i filtry kwarcowe, a także rezonatory i filtry ceramiczne (filtry z falą powierzchniową SAW). Dawniej w analogowych telewizorach stosowano piezoelektryczne linie opóźniające. Do niedawna w niektórych telewizorach i monitorach w obwodach zasilania lamp CCFL podświetlających ekrany LCD pracowały transformatory piezoelektryczne. Niektóre mierniki przyspieszenia (akcelerometry) zawierają elementy piezoelektryczne.

Wiele osób zapomina, że przykładem elementów piezoelektrycznych są np. rezonatory kwarcowe

Wiele osób zapomina, że przykładem elementów piezoelektrycznych są np. rezonatory kwarcowe

Piezoelektryk jako element wykonawczy

Najpopularniejsze wśród hobbystów elementy piezoelektryczne to pokazane wcześniej membrany piezo, zwane również buzzerami. Odgrywają rolę głośniczków, a raczej brzęczyków. Muszą być zasilane sygnałem zmiennym. Istnieją też piezoelektryczne głośniki wysokotonowe, jednak z uwagi na rezonansową charakterystykę i inne wady nie są popularne mimo prostej budowy.

Często określenie buzzer dotyczy membrany ze współpracującym prościutkim generatorem na jednym tranzystorze – taki brzęczyk piezo zasilany jest napięciem stałym. To tzw. buzzer z generatorem – na jego obudowie zaznaczona jest najczęściej znakiem plusa (+) strona, po której od spodu znajduje się wyprowadzenie do podłączenia dodatniej szyny zasilania.

Przykładowy buzzer z wbudowanym generatorem

Przykładowy buzzer z wbudowanym generatorem

Elementami wykonawczymi są też piezoelektryczne wtryskiwacze w silnikach samochodowych. Istnieją piezoelektryczne mikropompy (np. w drukarkach atramentowych), mikrozawory i mikrosiłowniki – szybkie pozycjonery o malutkim skoku. Działanie takiego mechanizmu widoczne jest na poniższej demonstracji producenta drukarek Epson.

Warto również pamiętać, że w zapalniczkach piezo element piezoelektryczny wytwarza bardzo wysokie napięcie, rzędu kilowoltów, powodujące przeskok iskry. Wykorzystywane są też rozmaitej konstrukcji silniki piezo, nazywane silnikami ultradźwiękowymi (znaleźć je można np. w obiektywach lustrzanek i lepszych bezlusterkowcach). Istnieją także wentylatory pozbawione części mechanicznych, które dzięki piezoelektrykowi działają właściwie jak szybki, elektroniczny wachlarz.

Piezoelektryk jako czujnik

Kilkadziesiąt lat temu wykorzystywano piezoelektryczne wkładki gramofonowe oraz mikrofony piezoelektryczne. Z uwagi na silne właściwości rezonansowe i inne wady są one dziś bardzo rzadko spotykane. W niektórych zastosowaniach pracują ewentualnie piezoelektryczne mikrofony kontaktowe.

Warto wiedzieć, że każda blaszka – membrana piezo jest mikrofonem, który daje znaczne napięcie, ale bardzo mały prąd (ma duży opór wewnętrzny). Taka blaszka może też być czujnikiem wibracji – drgań jakże małej częstotliwości. Dostępne są też specjalizowane piezoelektryczne czujniki wibracji.

Elementy piezoelektryczne są również wykorzystywane w urządzeniach do USG

Elementy piezoelektryczne są również wykorzystywane w urządzeniach do USG

Elementy piezoelektryczne służą do pomiaru sił i naprężeń, m.in. w popularnych dziś wagach „cyfrowych”. Piezoelektryczne dwukierunkowe nadajniki/odbiorniki pracują w hydrofonach oraz jako czujniki USG. Zakres zastosowań piezoelektryków jest naprawdę ogromny.

Podsumowanie – co warto zapamiętać?

Elementy piezoelektryczne mają mnóstwo zastosowań – są bardzo pożyteczne. Zawsze trzeba pamiętać, że prawdziwy piezoelektryk ma działanie odwracalne – odkształcany wytwarza napięcie, natomiast poddany działaniu napięcia (pola elektrycznego) ulega odkształceniu.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.8 / 5. Głosów łącznie: 51

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

Temat materiałów i elementów piezoelektrycznych jest bardzo szeroki. W artykule zasygnalizowane są tylko niektóre najważniejsze zagadnienia. W ramach ciekawostki warto wiedzieć, że piezoelektryczne przetworniki drgań (wibracji) bywają wykorzystywane do pozyskiwania niewielkich ilości „darmowej” energii elektrycznej (tzw. energy harvesting).

Piotr Górecki

Taśmy LED. Jak dobrać oświetlenie do kuchni lub warsztatu?
Taśmy LED. Jak dobrać oświetlenie do kuchni lub warsztatu?

Taśmy LED to popularny sposób oświetlenia blatu kuchennego lub np. stołu warsztatowego. Z tego poradnika dowiesz się, jaką taśmę LED…... Czytaj dalej »

O autorze: Piotr Górecki

PG
Popularyzator elektroniki, konstruktor z ponad 30-letnim doświadczeniem, autor książek i tysięcy artykułów omawiających różne aspekty elektroniki.

buzzer, elementy, piezo

Trwa ładowanie komentarzy...