Piesoelektriline efekt

Piesoelekter (piesein kreeka keelest ~pigistus) on elektrilaeng, mis tekib paljudes materjalides mehhaanilise surve korral. Sellisteks materjalideks on näiteks DNA, osad valgud (sealhulgas luudes olev kollageen), kondid, hammaste pealmised kõvad kihid, suhkur, kvarts ja keraamilised materjalid. See effekt toimub kahesuunaliselt ka niipidi, et elektrivälja sattumisel suureneb materjali siserõhk. Kuju muutus võib olla suurusjärgus 0,1% kuid üldiselt on see suuruse muutus väga väike, mistõttu kasutatakse seda väga täpsetes mikroskoopides.
Praktikas on seda effekti kasutatud helide tekitatud õhulainete elektrisignaaliseks muutmiseks ning samas ka helide esilekutsumises, kõrgepinge tekitamises, kiirenduse ja surve mõõtjates, elektroonikas suurte sageduste loomiseks, kvartskristallkellade sageduse loomiseks, mikrogrammiste või täpsemate täpsusega elektrooniliste kaalude tegemiseks ja tulemasinates gaasi süütamiseks.
Täpseimate tänapäevaste pisoelektriliste seadmetena paistavad 0,1 nanomeetrise täpsusega kaalud ja üksikaatomeid näitavad mikroskoobid. Põhjuseks on elektrivoolu puhul tekkivad väga väikesed muutused mõõtudes, mis võimaldab täpseid väikeseid liigutusi läbi viia.
Esimese kasutusalana kasutati seda alveelaevades sonaris kus kahe metallplaadi vahel oleva ränikihiga tekitati heli, mis ümbrusest tagasi peegeldus ning ka selle kaja tekitatud rõhu muutuse tuvastuses kasutati piesoelektrilist sensorit.
Piesoelektriliselt tekitatakse hääli nagu elektroonilistes kellades, valjuhääldites või ka mittekuuldavaid ultrahelisid loote sünnieelseks vaatluseks (ka ultrahelis tuvastatakse tagasi kajav heli piesoelektrilise sensoriga). Ka akustilistes elektrikitarrides on see effekt kasutusel vibratsioonist elektrisignaalide tegemiseks.
Üheks esimeseks pisoelektrilise efekti demonstreerijaks oli Pierre Curie kasutades muuhulgas kvartsi ja suhkrut. Pierre Curie oli radioaktiivsuse üks avastajatest ja isiklikult paistab ta järjekordse näitena, et kui keegi juba teeb teaduses kuulsaks saavaid avastusi, siis teeb ta neid tõenäoliselt väga erinevatest nähtustest.
Surve puhul paistab oluliseks muutjaks see, et laenguga osakesi surutakse ruumis tihedamalt kokku. Kuupsentimeetrise kvartsi puhul saaks 2000 njuutonilise jõuga (~200 kg'le mõjuv Maa gravitatsiooni jõud) tekitada 12500 voldist elektrilise pinge muutust.

Üheks igapäevaseks näiteks piesoelektrist on nupuga tulemasinate süütajad. Nendes on piesoelektriline materjal nagu näiteks kvartsi kristall. Selle juures olev vedru hoiab tagasi pisikest haamrikest, mis piisava vajutuse korral järsult kristalli vastu lööb ja süütavalt mõjuvat kõrgepingelist elektrivoolu tekitab.
Proovi mõttes eemaldasin tulemasinast selle jupi. Vajutades tekib korraks kuni ~3 millimeetrine välguke.
Sõltuvalt õhu niiskusest ja rõhust läbib elekter õhku 1 cm võrra iga 4000-30 000 voldise pinge erinevuse korral. Tulemasina süütaja ~3 mm piesoelektriline välguke võis siis olla ~1000-10 000 volti.

Üheks võimalikuks piesoelektriliseks nähtuseks on maavärinate ajal tekkiv valgus. Tavaliselt tekib sellisel juhul sinakas valgus, mis võis alata maa sees oleva materjalide surve muutusest. Filmitud näited 1 ja 2.