Den piezoelektriska effekten De piezoelektriska effekten, d. v. s. egenskapen hos en kristall att vid tryck eller dragning alstra elektriska laddningar, upptäcktes av fransmännen, bröderna J. och P. Curie omkring år 1880. Till dess att den praktiskt ut- nyttjades, förgick en ungefärlig tid- rymd av 40 år, utan att vetenskapen visste närmare om upptäckten. 'Piezo- elektriciteten betraktades mest som ett kuriosum och något tekniskt utnyttjan- de väntades inte då. Om man bara ser några år senare — vilken mångsidig användning hade den inte fått i fysik och teknik! Man kan säga, att tiden blev mogen för densamma att erövra tekni- ken. Piezoelektriciteten har blivit ingen- jörens och framförallt forskarens oum- bärliga hjälpmedel. $ Den piezoelektriska effekten upp- täcktes först hos turmalinkristallen. Med = piezoelektriska kristaller förstår man sådana, som vid mekanisk åverkan, såsom dragning, böjning eller rotation, uppvisa elektriska laddningar på vissa av sina ytor. De elektriska laddningar- nas uppträdande på en kristall vid me- kanisk åverkan kallas för den direkta piezoeffekten. Detta, att elektriska laddningar kunna uppträda på kristall- ytorna, sammanhänger med att ett elek- triskt fält bildas i kristallen. Därför antog man, att om en kristall, såvida den var piezoelektrisk, underkastades ett elektriskt fält, så skulle den under- gå en förändring i sitt mekaniska spän- ningstillstånd, utåt visande sig i en längdförändring. Bröderna Curie påvi- sade även detta genom experiment. Man kallar deformationen hos en piezoelek- trisk kristall genom ett elektriskt fält för den reciproka (eller omvända) piezo- effekten. Både den direkta och den reciproka piezoeffekten äro av polar natur. Om man sålunda vid den mekaniska defor- mationen plötsligt ändrar deformations- riktningen, så ändra även de uppkomna elektriska laddningarna sitt tecken, så att t. ex. vid övergång från tryck till dragning övergår elektriciteten från att vara positiv till negativ. På liknande sätt övergår förlängningen hos en kris- tall till en förkortning, när det elek- (En gång ett EN kuriwsum nu ett oumbärligt tekniskt hjälpmedel av (EE Henric FE triska fält, som deformerar densamma, ändrar sin riktning. Utom turmalin upptäckes inom kort ytterligare ett antal piezoelektriska kristaller, bland vilka särskilt märkes kvarts, så att man snart kände till åtta sådana ämnen. Först in i mitten på 1920-talet utökades detta antal ytterli- gare och utökas ännu betydligt tack vare att man bl. a. i Tyskland lyckades få fram en metod, som underlättade upp- sökandet och påvisandet av piezoelek- trisk effekt, den s. k. kristallpulverme- toden, vilken i ett senare avsnitt skall behandlas. Man kan påvisa piezoelektrisk effekt genom att utnyttja den direkta piezo- effekten och genom tryck eller dragning framkalla elastiska spänningsförändrin- gar i kristallen och sedan registrera de uppkommande - elektriska laddningarna med elektriska mätinstrument. Natur- ligtvis kan man även utnyttja den re- ciproka piezoeffekten genom att ut- sätta kristallen för ett elektriskt fält och sedan genom de därvid uppträdan- de elastiskä deformationerna sluta sig till de förhandenvarande piezoelektriska egenskaperna. Detta sätt är dock mind- re vanligt. Kristallen som skall undersökas, läg- ges mellan två metallbelägg. Dessa måste i sin tur skyddas för elektrisk Metallbelägg. + [solerande Material. 3 K å jJ Y VA KFiställ//, 4 Elektrometer Fig. 1 visar prin- cipen för under- PRESTERA Fig. 1 en 6 TEKNIK för ALLA sökning av en kristall, fig. 2 en schematisk bild av piezoelektrisk kondensator. avledning genom högvärdigt isolerande material. En elektrisk spänningsmätare än ansluten till de båda beläggen. Tryc- ket, som framkallar piezoelektriciteten, tillföres kristallen ovanifrån via den isolerande plattan och metallbelägget. Dock, är det här nödvändigt att trycket träffar plattan rakt ovanifrån, således i plattans normalriktning, enär i annat fall resultatet lätt uteblir, d. v. s. inget utslag erhålles på den elektriska spän- ningsmätaren. I så fall måste trycket överföras med ett speciellt konstruerat tryckstift. För påvisandet av de elek- triska laddningarna kan man antingen använda sig av en vanlig s. k. ”blad”- elektrometer eller vid mycket ogynn- samma piezoelektriska egenskaper av en s. k. rörvoltmeter, vid vilken den elek- triska spänningen mätes med hjälp av elektronrör. Vi skall här ej närmare in-. gå på dess konstruktion. Den elektriska laddning, som uppkommer, beror enbart på storleken av det tryck, som åverkar kristallen och således ej på kristallens storlek. Således finnes ett visst sam- band mellan trycket (P) och den upp- trädande laddningen (e), som kan skri- vas = ARG d kallas för den piezoelektriska kon- stanten för kristallen. Är den bekant, är det principiellt möjligt att använda piezokristallen för bestämning av tryck. Således kunna mekaniska storheter, som låta ålerföra sig till ett mekaniskt tryck, mätas på detta sätt medelst piezoelek- triska tryckmätare. Som exempel på sådana storheter inom tekniken kan nämnas mätning av stötkrafter, gas- tryck, svängningskrafter, böjande moment etc. Som piezoelektriskt mate- rial användes oftast kvarts, då man med detta material uppnår de noggran- naste mätningarna. Känsligheten är mycket stor och elektriska ledningsför- mågan försvinnande liten. Dessutom äro de elastiska egenskaperna mycket goda. ; [EE tidigare sammanhang nämndes, att först i och med att man uppfann den s. k. kristallpulvermetoden förelåg större möjligheter för upptäckandet av kristaller med piezoelektriska egenska- per. För denna metod skall nu i korta drag redogöras. De föregående meto- derna ha den olägenheten, att de fordra en enkel geometrisk form på den kris- tall, som skall undersökas, så att me- tallbeläggen lätt kunna anbringas. Dess- utom kan det vara svårt att på för- | VA Kristallpartiklar fe Piezoel. kondensator (Schemaliskt ) A Fig. 2.