Piezoelektricitet – definition, principer och tillämpningar

Upptäck piezoelektricitet: hur material omvandlar mekanisk deformation till elektrisk energi. Principer, sensorer och praktiska tillämpningar för smarta system och energieffektiv teknik.

Piezoelektriskt material genererar elektrisk laddning och därmed en spänning när de mekaniskt deformeras (det så kallade direkta piezoelektriska effekten). Motsvarande, när ett elektriskt fält appliceras på ett piezoelektriskt material, förändras dess form (den omvända piezoelektriska effekten). Typiska mekaniska deformationer är mycket små — ofta i storleksordningen 10^−4–10^−3 (0,01–0,1 %) för vanliga keramiska piezomaterial, även om vissa avancerade material och enkristaller kan ge större förskjutningar. Det är viktigt att korrigera en vanlig missuppfattning: värdet "12 mAh vid 230 V" som ibland cirkulerar är missvisande. mAh (milliampere-timme) är en enhet för lagrad elektrisk laddning/energi i batterier under kontinuerlig drift och passar inte väl för att beskriva en piezoelements korta pulser av laddning och spänning. Piezoelement fungerar snarare som en liten kapacitans som alstrar en hög spänning under en kort tid; lagrad energi kan uppskattas med formeln E = ½ C V^2. För typiska piezoelement (kapacitans i nanofarad-området) blir energin per stöt ofta i mikrojoule- till millijoule-området — alltså många storleksordningar mindre än ett batteri med flera mAh.

När piezoelektriska material bearbetas och "polas" eller värmebehandlas förändras deras egenskaper. För keramiska material (t.ex. PZT) innebär bearbetning ofta att materialet först bränns/sinteras, därefter polas genom att ett starkt elektriskt fält appliceras vid en förhöjd temperatur för att orientera elektriska domänerna. För enkristaller som kvarts sker precisionsskärning (t.ex. AT-, BT-cut) och temperaturbehandling för att optimera frekvens- och temperaturstabilitet. Dessa processer kan göra materialet känsligare för tryckförändringar och mer stabilt under drift, men de kräver noggrann kontroll — överdriven mekanisk spänning eller felaktig behandling kan istället försämra egenskaperna.

Principer

• Direkt piezoelektrisk effekt: mekanisk stress → elektrisk laddning på ytan.
• Omvänd piezoelektrisk effekt: elektriskt fält → mekanisk deformation (brukas i aktuatorer).
• Elektriska egenskaper: piezoelement kan beskrivas som en liten kondensator med hög impedans; den genererade spänningen beror på applicerad kraft, geometri, materialets piezokonstant och elementets kapacitans.

Material och typer

• Enkristall: kvarts (mycket stabilt över tid och temperatur), vissa relaxorsingelkristaller med hög förskjutning.
• Keramer: PZT (bly-zirkonat-titanat) — vanliga i sensorer och aktuatorer, erbjuder hög piezoelektrisk respons.
• Polymers: PVDF (polyvinylidenfluorid) — flexibelt, lågt vikt och används i tillämpningar där böjbarhet krävs.
• Kompositer och tunna filmer för mikroelektromekaniska system (MEMS).

Tillämpningar

• Sensorteknik: trycksensorer, accelerometrar, mikrofoner, ultraljudssensorer (medicinsk avbildning, industrirengöring).
• Aktuatorer: nanopositionering, ultraljudstransducers, inkjet-skrivhuvuden, piezobaserade ventilmekanismer.
• Ignition och tändstift i gasolvärmare och tändsystem (stötspänning genereras mekaniskt).
• Energiåtervinning/harvesting: små mängder energi från vibrationer eller fotsteg — användbart för lågdrivna sensorer, men med begränsad energitäthet.
• Telekommunikation och frekvenskontroll: kvarts för oscillatorer och klockgeneratorer.

Praktiska aspekter och begränsningar

• Energitäthet: piezoelement levererar hög spänning men mycket liten total energi jämfört med batterier; de ger korta pulser snarare än kontinuerlig leverans.
• Elektronik: för att utnyttja signaler behövs ofta kondensatorer, likriktare och förstärkare (charge amplifier eller högtimpedans ingång) för att mäta spänning/laddning pålitligt.
• Montering och mekanisk belastning: felaktig montering kan dämpa responsen eller orsaka sprickor; piezomaterial är spröda (särskilt keramiker).
• Säkerhet: piezoelement kan generera relativt höga spänningar men med mycket låg ström; ändå krävs isolering och försiktighet i tillämpningar som involverar människokontakt.

Sammanfattning

Piezoelektricitet är ett viktigt fenomen för både sensorer och aktuatorer där små, snabba mekaniska eller elektriska responser behövs. Materialval, bearbetning (polning/uppvärmning/kylning) och konstruktion avgör känslighet och livslängd. Vid bedömning av piezoelektriska lösningar är det viktigt att skilja mellan spänning/pulskarakteristik och den kontinuerliga energimängd som batterier mäts i (mAh) — piezoelement är kraftfulla som signal- och positionsverktyg, men har begränsad energilagringskapacitet jämfört med kemiska batterier.

Sök med bokstav