Stap 1: Wat is piezoelectricity?
Piezoelectricity is de elektrische lading dat zich in bepaalde vaste materialen (zoals kristallen, bepaalde keramiek en biologisch materiaal zoals bot, DNA en verschillende eiwitten ophoopt) in reactie op toegepaste mechanische belasting. Het woord piezoelectricity betekent elektriciteit als gevolg van druk. Het is afgeleid van het Griekse woord piezo of piezein, wat betekent dat de squeeze of druk op, en elektrische of elektron, wat voor amber, een oude bron van elektrische lading staat.
Het piëzo-elektrisch effect is opgevat als de lineaire elektromechanische interactie tussen de mechanische en de elektrische staat in kristallijne materialen met geen inversie symmetrie. Het piëzo-elektrisch effect is een omkeerbaar proces in dat materialen tentoonstellen het directe piëzo-elektrisch effect (de interne generatie van de elektrische lading die voortvloeien uit een toegepaste mechanische kracht) ook het omgekeerde piëzo-elektrisch effect (de interne generatie van een mechanische spanning als gevolg van een toegepast elektrisch gebied) vertonen.
De aard van het piëzo-elektrisch effect is nauw verwant aan het ontstaan van elektrische dipoolmomenten in vaste stoffen. De laatste ofwel voor ionen op kristalrooster sites met asymmetrische lading omgeving kan worden veroorzaakt of kan rechtstreeks worden vervoerd door moleculaire groepen. De dipool dichtheid of polarisatie (dimensionaliteit [Cm/m3]) kan gemakkelijk voor kristallen worden berekend door optelling van de dipoolmomenten per volume de kristallografische eenheidscel. Zoals elke dipool een vector is, is de dichtheid van de dipool P een vectorveld. Dipolen in de buurt van elkaar de neiging om in regio's genaamd Weiss domeinen worden uitgelijnd. De domeinen zijn meestal willekeurig georiënteerde, maar kunnen worden uitgelijnd met het proces van veiligheidsschakelingen (niet hetzelfde als magnetische veiligheidsschakelingen), een proces waaraan een sterk elektrisch veld wordt toegepast over het materiaal, meestal bij verhoogde temperaturen. Niet alle piëzo-elektrische materialen kunnen worden Polen.
Van doorslaggevend belang voor het piëzo-elektrisch effect is de verandering van polarisatie P bij de toepassing van een mechanische belasting. Dit kan ofwel worden veroorzaakt door een her-configuratie van de dipool-inducerende omgeving of heroriëntatie van moleculaire dipoolmomenten onder invloed van de externe stress. Piezoelectricity moge dan in een variatie van de polarisatie sterkte, de richting of beide, met de details afhankelijk van
1. de richting van P binnen het kristal,
2. Crystal symmetrie en
3. de toegepaste mechanische stress. De verandering in P wordt weergegeven als een variatie van oppervlakte ladingsdichtheid op de gezichten van de crystal, d.w.z. als een variant van het elektrisch veld tussen de gezichten veroorzaakt door een verandering in dipool dichtheid in de bulk. Bijvoorbeeld, een 1 cm3 kubus van kwarts met 2 kN (500 lbf) van correct toegepaste kracht kan produceren een spanning van 12500 V.
