Bagaimanakah Kristal Kuarza Menukar Tekanan Menjadi Isyarat Elektrik?

Tekanan dan voltan kelihatan seperti dua perkara yang berlainan, yang satu bersifat mekanik dan yang satu lagi bersifat elektrik. Namun dalam bahan piezoelektrik, kedua-duanya saling bergandingan. Apabila struktur bahan mengalami tegasan, kedudukan relatif cas positif dan negatif berubah sedikit sehingga menghasilkan pengutuban elektrik yang boleh dikesan pada elektrod. Fenomena ini dinamakan kesan piezoelektrik langsung.

Mengubah bentuk kristal boleh mengubah pengutuban

Kristal terdiri daripada atom atau ion yang tersusun mengikut struktur tertentu. Dalam bahan piezoelektrik, simetri struktur membolehkan ubah bentuk mekanik mengubah taburan cas sedemikian rupa sehingga menghasilkan perubahan pengutuban elektrik yang bersih. Secara mikroskopik, apabila kristal ditekan, diregangkan atau dikenakan ricih pada arah yang sesuai, kedudukan relatif pusat cas positif dan negatif berubah sedikit. Perubahan pada banyak sel kristal secara bersama menghasilkan perubahan pengutuban elektrik makroskopik. Apabila elektrod dipasang pada permukaan bahan, kesan ini boleh dikesan melalui cas atau voltan yang terhasil.

Ini tidak bermaksud tekanan "mencipta" elektron. Cas sudah menjadi sebahagian daripada bahan, dan tegasan hanya mengubah susunan serta pengutuban cas tersebut. Kesan itu juga bergantung pada arah, jadi piezoelektrik tidak dapat diterangkan dengan satu nombor mudah bagi semua orientasi. Hubungan antara tegasan, terikan, medan elektrik dan pengutuban diterangkan menggunakan pekali piezoelektrik yang bersifat tensor, dan NIST menunjukkan bahawa bentuk tensor ini bergantung pada simetri bahan.

Mengapa tidak semua bahan menghasilkan kesan yang sama?

Simetri sangat penting. Jika suatu struktur mempunyai pusat inversi, sumbangan elektrik yang terhasil apabila struktur berubah bentuk boleh saling membatalkan. Piezoelektrik klasik memerlukan struktur yang tidak mempunyai pusat simetri inversi yang sesuai, dan IEEE menerangkan bahawa kesan piezoelektrik berlaku dalam kelas kristal bukan sentrosimetri tertentu.

Kuarza ialah salah satu bahan piezoelektrik semula jadi yang terkenal. Bahan kejuruteraan lain termasuk litium niobat dan seramik seperti plumbum zirkonat titanat (PZT). Bahan-bahan ini tidak mempunyai respons yang sama kerana pekali piezoelektrik, kestabilan suhu, kehilangan mekanik dan sifat elektriknya berbeza. Maka kenyataan "semua kristal menghasilkan elektrik apabila ditekan" adalah salah. Struktur kristal dan simetrinya menentukan sama ada gandingan piezoelektrik dibenarkan.

Adakah tekanan menghasilkan voltan atau cas?

Bahasa harian sering menyebut bahawa kristal piezoelektrik "menghasilkan voltan apabila ditekan". Penerangan itu berguna, tetapi belum lengkap. Kesan langsung pada asasnya menghubungkan tegasan mekanik dengan perubahan pengutuban atau sesaran elektrik. Apabila permukaan bahan disambungkan kepada elektrod, perubahan itu boleh menghasilkan cas pada elektrod. Voltan yang akhirnya diukur turut bergantung pada kapasitans bahan, geometri, litar pengukuran dan keadaan sempadan elektrik.

Dalam bentuk linear yang dipermudah untuk satu arah yang dipilih, hubungan itu boleh ditulis secara konseptual sebagai perubahan pengutuban ∝ pekali piezoelektrik × tegasan, dengan pekali piezoelektrik sebagai pemalar perkadaran. Namun bahan sebenar bersifat tiga dimensi, dan NIST menerangkan gandingan piezoelektrik menggunakan tensor yang menghubungkan terikan dengan pengutuban serta medan elektrik dengan tegasan. Jadi rajah yang menunjukkan "tekan → voltan" ialah model fungsi peranti, bukan penerangan lengkap tentang fizik bahan.

Kesan itu boleh berlaku secara terbalik

Piezoelektrik mempunyai pasangan yang sama penting, iaitu kesan piezoelektrik songsang. Apabila medan elektrik dikenakan pada bahan piezoelektrik, bahan itu boleh mengalami terikan, iaitu dimensinya berubah sedikit. Jika medan elektrik berselang-seli, bahan boleh mengembang dan mengecut secara berkala. Inilah sebabnya bahan piezoelektrik boleh berfungsi dalam dua peranan: sebagai penderia, tenaga atau perubahan mekanik menghasilkan isyarat elektrik, dan sebagai penggerak, isyarat elektrik menghasilkan gerakan mekanik. IEEE dan model bahan NIST menerangkan kedua-dua arah gandingan ini, iaitu terikan menyumbang kepada pengutuban, manakala medan elektrik menghasilkan tegasan atau terikan mekanik.

Mengapa kuarza berguna dalam jam?

Kesan piezoelektrik sahaja belum menerangkan ketepatan jam kuarza. Satu lagi konsep diperlukan, iaitu resonans mekanik. Apabila voltan berselang dikenakan pada kristal kuarza yang dipotong dengan bentuk dan orientasi tertentu, kesan piezoelektrik songsang memacunya bergetar. Kristal itu mempunyai frekuensi resonans mekanik yang bergantung pada dimensi, bentuk, orientasi potongan dan sifat elastiknya. Getaran tersebut pula menghasilkan isyarat elektrik melalui kesan piezoelektrik langsung, dan litar elektronik menguatkan isyarat itu serta menyuapkannya kembali untuk mengekalkan ayunan.

NIST menerangkan bahawa kristal kuarza dalam pengayun mengembang atau mengecut apabila voltan dikenakan, dan frekuensi resonansnya ditentukan oleh saiz serta cara kristal dipotong. Oleh itu, jam kuarza tidak mengira "denyutan elektrik semula jadi" yang keluar daripada batu kuarza tanpa input. Ia menggunakan resonator mekanik yang digandingkan kepada litar melalui piezoelektrik.

Adakah tenaga elektrik muncul secara percuma?

Tidak. Jika bahan piezoelektrik menghasilkan tenaga elektrik akibat tekanan, tenaga itu datang daripada kerja mekanik yang dilakukan pada bahan. Sebahagian tenaga mekanik boleh ditukar kepada tenaga elektrik, manakala sebahagian lagi hilang melalui proses seperti redaman mekanik dan kehilangan elektrik. Begitu juga dalam arah songsang, kerana penggerak piezoelektrik memerlukan bekalan tenaga elektrik untuk menghasilkan kerja mekanik. Piezoelektrik ialah mekanisme penukaran tenaga, bukan sumber tenaga tanpa input.