احتمالاً امروز چند بار از اثر پیزوالکتریک استفاده کرده‌اید! اگر یک ساعت کوارتزی را به مچ دستتان بسته‌اید این اثر پیزوالکتریک است که به حفظ دقیق زمان آن کمک می‌کند. اگر با استفاده از نرم‌افزار تشخیص صدا، نامه یا مقاله‌ای را در کامپیوتر خود نوشته‌اید، میکروفون از اثر پیزوالکتریک برای تبدیل انرژی صوتی به سیگنال‌های الکتریکی که کامپیوتر می‌تواند تفسیر کند، استفاده می‌کند. مفهوم اثر پیزوالکتریک (به معنای فشار دادن الکتریسیته) خیلی ساده‌تر از تلفظ آن است: استفاده از کریستال برای تبدیل انرژی مکانیکی به برق و بالعکس. بیایید نگاهی دقیق‌تر به کشف، نحوه‌ی کارکرد و فواید آن داشته باشیم!
اثر پیزوالکتریک چیست؟
اگر کریستال‌های خاصی مانند کوارتز را فشار دهید می‌توانید درون آن جریان الکتریسیته برقرار کنید. برعکس این کار هم معمولاً همین طور است؛ اگر از درون همان کریستال جریان الکتریسیته را عبور دهید، با عقب و جلو رفتن خود را فشرده می‌کند. به طور خلاصه اثر پیزوالکتریک بسیار ساده است، اما به خاطر علم، بیایید یک تعریف رسمی داشته باشیم!
اثر پیزوالکتریک یا اثر پیزوالکتریک به معنای ظهور پتانسیل الکتریکی یا ولتاژ در دو طرف یک کریستال پس از وازد کردن نیروی مکانیکی به آن است.
در عمل، کریستال نوعی باتری کوچک است که که در یک سمت دارای بار منفی و در سمت دیگر دارای بار مثبت می‌باشد؛ بنابراین اگر دو قطب را به هم وصل کنیم جریان برقرار می‌شود. در اثر پیزوالکتریک معکوس، هنگامی که در کریستال ولتاژ برقرار می‌شود به صورت مکانیکی فشرده شده و تغییر شکل می‌دهد.
انیمیشن ساده‌ی زیر چگونگی وقوع اثر اثر پیزوالکتریک را نشان می‌دهد:
- به طور معمول، بارهای الکتریکی در یک کریستال پیزوالکتریک دقیقا متعادل هستند، حتی اگر به صورت متقارن مرتب نشده باشند.
- اثرات بارها دقیقاً با یکدیگر خنثی می‌شود و هیچ بار خالصی بر روی کریستال قرار نمی‌گیرد.
- با فشار دادن کریستال تعادل بارها به هم می‌ریزد.
- اکنون بارهای خالص مثبت و منفی در کریستال ایجاد شده‌اند.
کشف اثر پیزوالکتریک
نخستین آزمایش تجربی که ارتباط بین پدیده‌های پیزوالکتریک ماکروسکوپیک و ساختار کریستالوگرافی را نشان می‌داد در سال ۱۸۸۰ توسط برادران پیر و جکوئیز کوری منتشر شد. آنها بار الکتریکی ظاهر شده بر روی کریستال‌های ویژه (تورمالین، کوارتز، توپاز، قند نیشکر و نمک روشل) را که تحت فشار مکانیکی قرار گرفته بودند اندازه‌گیری کردند. این نتایج تأییدی بر تخیل و پشتکار برادران کوری است، با توجه به این که آنها چیزی بیشتر از یک ورقه‌ی نازک قلعی، چسب، سیم، آهنربا و یک دیدگاه طلایی نداشتند!
در محافل علمی آن روز، این اثر کاملاً به عنوان یک کشف در نظر گرفته شد و به سرعت به عنوان “پیزو الکتریکی” نامگذاری شد تا آن را از دیگر زمینه‌های پدیده شناختی تجربی مشابه مانند الکتریسیته تماسی (اصطکاک تولید الکتریسیته ساکن می‌کند( و پیروالکتریسیته (الکتریسیته تولید شده از کریستال‌ها توسط حرارت) تفکیک کنند.
کاربردهای اثر پیزوالکتریک
موقعیت‌های مختلفی وجود دارد که نیاز داریم تا انرژی مکانیکی (فشار یا نوعی حرکت) را به سیگنال‌های الکتریکی یا بالعکس تبدیل کنیم. اغلب با استفاده از مبدل پیزوالکتریک می‌توانیم این کا را انجام دهیم. مبدل دستگاهی است که مقدار کمی از یک نوع انرژی را به نوع دیگری تبدیل می‌کند. برای مثال نور، صدا یا فشار مکانیکی به سیگنال های الکتریکی تبدیل می‌کند.
در تجهیزات اولتراسوند، مبدل پیزوالکتریک انرژی الکتریکی را به ارتعاشات مکانیکی بسیار سریع تبدیل می‌کند؛ در واقع این‌‌ها امواج صوتی هستند اما در محدوده‌ی شنوایی انسان نیستند و فرکانس بالاتری دارند. از این ارتعاشات سونوگرافی می‌توان برای اسکن، تمیز کردن و دیگر چیزها استفاده کرد.
در ساعت‌های کوارتزی، از اثر معکوس پیزوالکتریک برای حفظ بسیار دقیق زمان استفاده می‌شود. انرژی الکتریکی از باتری به یک کریستال تزریق می‌شود تا با فرکانس هزاران بار در ثانیه نوسان کند. سپس با استفاده از یک مدار الکترونیکی این نوسانات سریع به ضرباتی کندتر با فرکانس یک بار در ثانیه تبدیل می‌شود که موتور و چرخ‌دنده‌ها از آن برای حرکت عقربه‌ها در صفحه ساعت استفاده می‌کنند.
اثر پیزوالکتریک در وسایل بی‌شمار دیگری مانند میکروسکوپ، پرینتر جوهری و جرقه‌های مورد استفاده در باربیکیوها و اجاق گاز استفاده می‌شود.
