Pietsosähköisyys – mitä se on ja miten pietsomateriaalit toimivat
Pietsosähköinen materiaali tuottaa sähköjännitettä, kun siihen kohdistuu mekaanista rasitusta (puristus, taivutus tai venytys) — tätä kutsutaan pietsosähköiseksi ilmiöksi. Muodonmuutos voi olla hyvin pieni, usein vain muutamia tusinasosia prosentista (esim. 0,01–0,1 %), mutta siitä seuraava varausjakauman muutos riittää synnyttämään mitattavissa olevan jännitteen. Pietsomateriaalien tuottama teho ja virta riippuvat voimakkaasti materiaalista, kappaleen muodosta ja kuormituksesta; avattuna mitattiin usein kymmeniä tai satoja voltteja (avoin piiri) mutta hyvin pieniä virtoja (mikroampeereista milliampeereihin). On tärkeää huomata, että pietsomateriaalin geometrinen muutos tarkoittaa yleensä akselien suhteiden muuttumista (venyminen tai kutistuminen), mutta käytännössä tilavuuden muutos on usein vähäinen; tarkka käyttäytyminen riippuu materiaalin elastisuudesta ja kuormauksen tyypistä.
Miten pietsosähköisyys toimii
Pietsosähköisyydessä esiintyy kaksi käänteistä ilmiötä:
- Suora pietsosähköisyys: mekaaninen rasitus aiheuttaa materiaalin sisäisen polarisaation muutoksen, mikä näkyy ulkoisena jännite- tai varauskertymänä.
- Käänteinen (konverse) pietsosähköisyys: ulkoinen sähkökenttä aiheuttaa materiaalin mekaanisen muodonmuutoksen (liike tai värähtely), minkä vuoksi pietsomateriaaleja käytetään myös toimilaitteissa ja transducereissa.
Matemaattisesti ilmiötä kuvataan pietsovakausvakioilla (d- tai e-kertoimet) ja materiaalin permittiivisyydellä ja elastisuudella, mutta arkipäiväisessä käytössä riittää ymmärtää, että pietsosähköinen osa muuttaa mekaanisen energian sähköenergiaksi ja toisinpäin.
Pietsomateriaalit ja niiden valmistus
Tavallisimpia pietsomateriaaleja ovat luonnollinen kvartsikide sekä tekniset pietsosermikset, kuten PZT (lyijy-zirkonaatti-titanaatti) ja polymeeripohjaiset materiaalit kuten PVDF. Materiaalivalinta riippuu sovelluksesta: keramikaatteilla on yleensä suuri pietsokerroin ja korkea lämpötilankestävyys, kun taas polymeerit ovat joustavia ja hyviä taivutuksessa.
Pietsokiteitä ja -keramiikkaa käsitellään usein niin, että ne tehdään herkemmiksi ja stabiileiksi polaariseksi asettelemisella (poling). Polaaminen tarkoittaa, että materiaali lämmitetään usein Curie-lämpötilan lähelle tai siihen asti ja samalla siihen kohdistetaan vahva sähkökenttä. Kun materiaali jäähtyy kentän alla, sähköiset dipolien suuntaukset jähmettyvät, ja materiaalista tulee merkittävästi herkempi mekaaniselle rasitukselle. Lisäksi tekninen valmistus voi sisältää sintrausta, koneistusta ja elektrodituksen jännitteiden keräämiseksi.
Käyttökohteet ja rajoitukset
- Sensoreina: voima-, paine- ja tärinämittaukset sekä mikrofoneissa ja kaikuluotaimissa.
- Toimilaitteina: mikroaskeleiden tuottaminen, tarkat asennon muutokset ja ultrasonografialaitteet.
- Energian talteenotossa: pienitehoisten järjestelmien virranlähteinä (esim. antureiden virransyötössä), vaikka talteenotettu teho on usein hyvin pieni ja vaatii tehokkaan elektroniikan (kondensaattorin, tasasuuntaajan, tehopiirin ja maksimointi-/impedanssimuuntimen) hyödylliseksi käytöksi.
- Arkipäiväiset sovellukset: sytkärin kipinäpiirit, painetunnistimet ja tietyt anturiratkaisut.
Rajoituksia ovat muun muassa materiaalin haurastuminen, depolarisaatio korkeissa lämpötiloissa, rajallinen pitkäaikaiskestävyys syklisessä kuormituksessa ja pieni tuotettu sähköteho staattisissa tai hitaissa kuormituksissa. Lisäksi optimaalinen energiankeruu vaatii huolellista mekaanista suunnittelua ja sovitetun elektroniikan.
Käytännön huomioita
- Pietsosensorien liitäntä vaatii usein korkean impedanssin mittausta tai varausvahvistimen, koska ne tuottavat pieniä varauksia.
- Energiankeruussa tarvitaan tasasuuntausta ja tasausta (esim. kondensaattori), sekä usein tehomuunnin, jotta epäsäännöllinen ja pulssimainen tuotettu sähkö voidaan hyödyntää.
- Poling-prosessi ja materiaalin lämmönkäsittely vaikuttavat suuresti herkkyyteen — väärin käsitelty materiaali voi menettää pietsotoimintansa.
Yhteenvetona: pietsosähköisyys muuntaa mekaanisen rasituksen sähköksi ja päinvastoin. Ilmiö on tehokas signaalinmuunnoksissa ja pienitehoisissa sovelluksissa, mutta hyödyllisen energiamäärän tuottaminen vaatii huolellista materiaalivalintaa, mekaanista suunnittelua ja sopivaa elektroniikkaa.
