Piezoelektrický jav, pochádzajúci z gréckeho slova "piezein" (tlačiť), popisuje fascinujúcu schopnosť kryštálov generovať elektrické napätie pri mechanickej deformácii. Tento jav sa však vyskytuje len u kryštálov postrádajúcich stredovú symetriu. Medzi najznámejšie piezoelektrické materiály patrí monokryštalický kremeň, známy aj ako krištáľ. Opačný proces, kde elektrické pole spôsobuje deformáciu kryštálu, sa nazýva nepriamy piezoelektrický jav.
Mikroskopicky možno tento jav vysvetliť posunom iónov s opačnými nábojmi v kryštálovej mätke počas deformácie. V nezdeformovanom kryštáli sa elektrické ťažiská kladných a záporných iónov prekrývajú, ale pri deformácii sa od seba vzdialia, čím vzniká elektrické napätie. Pri spätnom piezoelektrickom jave elektrické pole spôsobuje práve tento posun iónov a následnú deformáciu.
Miera deformácie kryštálu je kvantifikovaná piezoelektrickou konštantou, ktorá je špecifická pre každý materiál. Piezoelektrickému javu je podobný jav elektrostrikcie, ktorý sa však vyskytuje vo všetkých dielektrických materiáloch a jeho smer deformácie sa nemení so zmenou polarity elektrického poľa. S mechanickou deformáciou kryštálovej mätky súvisí aj zmena elektrického odporu.
Pri vysokých teplotách dochádza k strate piezoelektrických vlastností v dôsledku narušenia usporiadania iónov, čo sa prejavuje skokovou zmenou, podobnou zmene skupenstva. Existuje mnoho látok, ktoré vykazujú piezoelektrický jav, nielen kremeň a turmalín, ale aj niektoré fosforečnany, arzéničnany, či dokonca kandizovaný cukor a kolagén. Bratia Pierre a Jacques Curie objavili tento jav v roku 1880 pri experimentoch so Siegnettovou soľou.
Priamy piezoelektrický jav nachádza uplatnenie v rôznych zariadeniach, ako sú zapaľovače, gramofónové prenosky (krištáľové vložky) a piezoelektrické mikrofóny. Využitie nepriameho piezoelektrického javu spočíva v premene elektrickej energie na mechanické vibrácie. Piezoelektrické meniče, ktoré premieňajú elektrickú energiu na mechanické vibrácie pomocou piezoelektrických kryštálov, ponúkajú vysokú účinnosť a presnosť.
Kombinácia oboch javov, priameho aj nepriameho, je kľúčová pre fungovanie lekárskych sonografov, ktoré generujú ultrazvuk. Veľký potenciál piezoelektrického javu sa ukazuje aj v oblasti digitálnych tlačiarní, kde niektorí výrobcovia využívajú piezoelektrický princíp (napr. Epson).
SONAR, založený na princípe povrchovej akustickej vlny (SAW - Surface Acoustic Wave), využíva generovanie a detekciu týchto vĺn na piezoelektrickom substráte. V prírode tento princíp echolokácie využívajú netopiere a kytovce, ale aj niektoré druhy vtákov, ako napríklad juhoamerický gvačaro jaskynný a juhoázijská salangana ostrovná, ktoré sa orientujú pomocou ultrazvukových signálov.
Ultrazvuk a jeho aplikácie
Ultrazvuk (UZ) je mechanické vlnenie s frekvenciou vyššou ako je horná hranica počuteľnosti ľudského ucha, teda nad 20 kHz. V lekárskej diagnostike sa bežne využívajú frekvencie od 2 do 18 MHz.
Základné pojmy spojené s ultrazvukom:
- Absorpcia: Proces, pri ktorom sa UZ energia pohlcuje v prostredí, ktorým vlna prechádza.
- Akustická atenuácia: Redukcia intenzity UZ signálu pri prechode médiom, zahŕňajúca absorpciu, rozptyl a divergenciu.
- Akustická energia: Mechanická energia prenášaná akustickou vlnou.
- Akustická impedancia (AI): Odpor prostredia voči šíreniu zvukovej vlny, daný súčinom hustoty prostredia a rýchlosti zvuku v ňom.
- Akustický tieň: Artefakt, kde sú odrazy UZ vĺn za štruktúrou s vysokou atenuáciou redukované.
- Akustická vlnová dĺžka (λ): Vzdialenosť medzi dvoma bodmi vlny v rovnakej fáze cyklu. Pre vodu a tkanivá pri 1 MHz je to približne 1,5 mm.
- B-mód (brightness mode): Metóda zobrazenia, kde amplitúda odrazeného signálu zodpovedá jasu bodu na obrazovke.
- Dopplerov jav: Zmena frekvencie vlnenia pri relatívnom pohybe zdroja a pozorovateľa. V ultrazvuku sa využíva na meranie rýchlosti prietoku krvi.
- Dopplerovský frekvenčný posun: Rozdiel medzi vysielanou a prijatou (odrazenou) ultrazvukovou vlnou, priamo úmerný rýchlosti pohybu.
- Farebný Doppler (color flow mapping): 2D zobrazenie prietoku krvi, kde farba (červená k sonde, modrá od sondy) indikuje smer a intenzita farby rýchlosť.
- Pulzný Doppler (PW): Technika, ktorá umožňuje merať Dopplerovský posun pozdĺž jednej UZ línie a určiť vzdialenosť miesta odrazu.
- Power Doppler Imaging (PDI): Vysoko citlivý Doppler, ktorý registruje amplitúdu odrazov nezávisle od smeru a uhla, zobrazuje sa intenzitou farby.
- Rozlíšenie: Schopnosť ultrazvukového systému rozlíšiť dva blízko seba ležiace objekty. Rozlišuje sa axiálne, laterálne a transverzálne rozlíšenie.
- Real time: Zobrazovanie UZ obrazov v reálnom čase, umožňujúce sledovať pohybujúce sa štruktúry.
Využitie ultrazvuku
Ultrazvuk má široké spektrum využití v rôznych oblastiach:
Lekárska diagnostika
V medicíne sa ultrazvuk používa na zobrazenie vnútorných orgánov, tkanív a ciev. Dopplerovské metódy umožňujú hodnotiť prietok krvi. Ultrazvukové fetálne detektory, využívajúce Dopplerov jav a piezoelektrické meniče, slúžia na monitorovanie srdcovej frekvencie plodu počas tehotenstva.
Princípy Dopplerovho ultrazvuku
Priemyselné aplikácie
V priemysle sa ultrazvuk využíva na čistenie (ultrazvukové čistenie), zváranie plastov, homogenizáciu a disperziu materiálov. Priemyselné ultrazvukové systémy, ako napríklad UIP1000hdT, sú určené pre náročné aplikácie ako frézovanie, tvorba nanoemulzií a nanodisperzií.
Ďalšie využitia
Ultrazvuk sa uplatňuje aj pri bezdeštruktívnej kontrole materiálov, v sonarových systémoch a v oblasti ultrazvukových pohonov.
Pri práci s ultrazvukom je dôležité brať do úvahy jeho vplyv na človeka. Hoci samotné ultrazvukové frekvencie nie sú počuteľné, vibrácie môžu vytvárať počuteľný hluk a teplo. Z tohto dôvodu sa odporúča používať ochranu sluchu a zabezpečiť dostatočné chladenie pri vysokovýkonných aplikáciách.
tags: #piezoelektricky #jav #ultrazvuk