Mikä on pietsosähköinen vaikutus?

Pietsosähköinen vaikutus on tiettyjen kiteiden ainutlaatuinen ominaisuus, jossa ne muodostavat sähkökentän tai virran, jos ne altistuvat fyysiselle rasitukselle. Sama vaikutus voidaan havaita myös päinvastoin, jolloin kiteeseen kohdistettu sähkökenttä rasittaa sen rakennetta. Pietsosähköinen vaikutus on olennainen muuntimille, jotka ovat sähköisiä komponentteja, joita käytetään monenlaisissa anturi- ja piirisovelluksissa. Huolimatta ilmiön monipuolisuudesta sähkömekaanisten laitteiden sovelluksiin, se löydettiin vuonna 1880, mutta se ei löytänyt laajaa käyttöä vasta noin puoli vuosisataa myöhemmin. Tyyppejä kiteisiä rakenteita, joilla on pietsosähköinen vaikutus, ovat kvartsi, topaasi ja Rochelle -suola, joka on eräs kaliumsuola, jonka kemiallinen kaava on KNaC4H4O6 4H2O.

Pierre Curie, joka on kuuluisa voittaneensa 1903 Nobelin fysiikan palkinnon säteilyn tutkimisesta vaimonsa Marien kanssa, on saanut tunnustusta pietsosähköisen vaikutuksen löytämisestä veljensä Jacques Curien kanssa vuonna 1880. Veljet eivät tuolloin löytäneet käänteistä pietsosähköistä vaikutusta kuitenkin missä sähkö muuttaa muotoaan kiteitä. Gabriel Lippmann, ranskalais-luxemburgilainen fyysikko, saa käänteisen vaikutuksen löydön seuraavana vuonna, mikä johti hänen keksimäänsä Lippmann-sähkömittari vuonna 1883, laite, joka oli ensimmäisen EKG-kokeellisen koneen toiminnan ydin.

Pietsosähköisten tehosteiden ainutlaatuinen ominaisuus on kehittää usein tuhansia volttia sähköenergian potentiaalieroa hyvin alhaisilla virratasoilla. Tämä tekee pienistäkin pietsosähköisistä kiteistä käyttökelpoisia esineitä kipinöiden tuottamiseen sytytyslaitteissa, kuten kaasu -uuneissa. Muita pietsosähköisten kiteiden yleisiä käyttötarkoituksia ovat tarkkojen liikkeiden ohjaaminen mikroskoopeissa, tulostimissa ja elektronisissa kelloissa.

Prosessi, jossa pietsosähköinen vaikutus tapahtuu, perustuu kidehilan perusrakenteeseen. Kiteillä on yleensä varaustaso, jossa negatiiviset ja positiiviset varaukset kumoavat tarkasti toisiaan kidehilan jäykillä tasoilla. Kun tämä varaustaso häiriintyy kohdistamalla fyysistä rasitusta kiteeseen, energia siirretään sähkövarauskantajilla, mikä luo virran kiteeseen. Käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen ansiosta ulkoisen sähkökentän kohdistaminen kiteeseen tasapainottaa neutraalin varaustilan, mikä johtaa mekaaniseen rasitukseen ja hilan rakenteen lievään säätöön.

Vuodesta 2011 lähtien pietsosähköinen vaikutus on laajalti monopolisoitu ja sitä on käytetty kaikessa kvartsikelloista vedenlämmittimien sytyttimiin, kannettaviin grilleihin ja jopa joihinkin käsisytyttimiin. Tietokonetulostimissa pieniä kiteitä käytetään mustesuihkusuuttimissa musteen virtauksen estämiseksi. Kun niihin kohdistetaan virtaa, ne vääristyvät, jolloin muste voi virrata paperille huolellisesti hallittuina määrinä tuottaakseen tekstiä ja kuvia.

Pietsosähköistä tehostetta voidaan käyttää myös äänen tuottamiseen minikokoisille kaiuttimille kelloissa ja äänimuuntimilla kohteiden välisten etäisyyksien mittaamiseen, kuten rakennusalan nappulat. Ultraäänianturit perustuvat myös pietsosähköisiin kiteisiin sekä moniin mikrofoneihin. Vuodesta 2011 lähtien he käyttävät kiteitä, jotka on valmistettu bariumtitanaatista, lyijytitanaatista tai lyijysirkonaatista, jotka tuottavat alhaisempia jännitteitä kuin Rochelle -suola, joka oli näiden kiteiden standardimuodossa.
Yksi kehittyneimmistä tekniikan muodoista pietsosähköisen vaikutuksen hyödyntämiseksi vuodesta 2011 on skannaava tunnelmamikroskooppi (STM), jota käytetään atomien ja pienten molekyylien rakenteen visuaaliseen tarkasteluun. STM on perustyökalu nanoteknologian alalla. STM -laitteissa käytetyt pietsosähköiset kiteet pystyvät tuottamaan mitattavaa liikettä vain muutaman nanometrin tai miljardin metrin asteikolla.