Dzisiejszy artykuł dotyczy pozornie nieistotnej, ale w gruncie rzeczy rewolucyjnej idei. Energia elektryczna jest coraz mocniej wpleciona w nasze codzienne życie i dotyczy to również transportu drogowego. Ponieważ transport wiąże się z ruchem, programiści nieustannie poszukują najbardziej skutecznych rozwiązań łączących mechanikę i elektryczność. Jednym z najskuteczniejszych wdrożeń tej idei jest piezoelektryczność, która znajduje zastosowanie w wielu obszarach, m.in. w przemyśle motoryzacyjnym.

Zjawisko znane od wieków

Słowo „piezo” pochodzi ze starożytnej greki i oznacza „nacisk”. Dokładne znaczenie tego terminu poznamy, gdy zrozumiemy zasadę działania tego zjawiska.
Sama piezoelektryczność jest starsza niż samochody. Już w XIX w. prowadzono zaawansowane badania nad piezoelektrycznością. W 1880 r. braciom Curie udało się ją wykryć przy pomocy kryształu turmalinu. Później to samo zjawisko opisano dla kilku innych kryształów. W tamtym czasie jednak nie znajdowało ono żadnego praktycznego zastosowania. Podczas pierwszej wojny światowej pojawiły się pierwsze patenty, a w latach 20. piezoelektryczność na stałe zagościła w nowoczesnej inżynierii elektrycznej.

Jak działa piezoelektryczność?

W niektórych kryształach, jeśli są one poddawane pewnym efektom mechanicznym (np. ściskaniu), ładunki dodatnie i ujemne oddzielają się od siebie. Dzieje się tak dlatego, że między krawędziami kryształu generowane jest napięcie elektryczne.
Można powiedzieć, że dzięki piezoelektryczności możemy bezpośrednio przekształcić siłę mechaniczną w napięcie elektryczne.
Daje to wiele możliwości, choć właściwości tego zjawiska nie są do końca zbadane. Piezoelektryczność działa również w drugą stronę. Przyłożenie napięcia do kryształu piezoelektrycznego powoduje zmianę jego długości. Ponieważ w grę wchodzą tu bardzo małe odległości, a proces można kontrolować w bardzo precyzyjny sposób, jesteśmy w stanie regulować wymiary kryształu nawet w skali atomowej.

Odwrotność tego zjawiska nazywana jest elektrostrykcją. To drugie zjawisko odkryli Pierre i Jacques Curie, ale stało się to podczas badania innej substancji. Wkrótce stało się jasne, że nie tylko turmalin może osiągnąć ten efekt, ale także kryształ kwarcu (SiO2).
Ważnym spostrzeżeniem było również to, że zależność między ilością generowanego ładunku a przyłożoną siłą rozciągającą lub ściskającą ma charakter liniowy, więc jedno może być kontrolowane proporcjonalnie do drugiego.

Piezoelektryczność w motoryzacji

Jak wspomnieliśmy wcześniej, zakres zastosowań piezoelektryczności jest ogromny, a transport drogowy stanowi tylko jego niewielką część. Możemy jednak podać wiele praktycznych przykładów również z tego obszaru.
Jednym z najbardziej znanych przykładów jest mechanizm otwierania zaworów wtryskiwaczy silników spalinowych z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Na początku w silnikach wysokoprężnych typu common rail stosowane były elektrozawory, ale obecnie od kilku dziesięcioleci wykorzystywane są wtryskiwacze piezoelektryczne.

W tym konkretnym przypadku ważny jest dla nas efekt elektrostrykcji: pojedyncze elementy płyt piezoelektrycznych pokazanych na rysunku nie są w stanie znacząco zmienić swojego rozmiaru, ale w przypadku ułożenia wielu płyt jedna na drugiej rozwarcie może być wystarczające, aby umożliwić wtrysk paliwa.
Wynika to między innymi z funkcji systemu common rail, który umożliwia wielostopniowy wtrysk, co optymalizuje spalanie, jakość spalin, a nawet poziom hałasu.
Piezoelektryczność jest podobnie rozpowszechniona w dziedzinie urządzeń ultradźwiękowych. Ponieważ kryształ piezoelektryczny precyzyjnie podąża swoim ruchem za sygnałem elektrycznym, wibracje mechaniczne w zakresie ultradźwięków mogą być wytwarzane za pomocą impulsu elektrycznego o odpowiedniej częstotliwości. Jak we wszystkich przypadkach, prawdą jest również odwrotność: ultradźwięki mogą być wykrywane za pomocą materiałów o właściwościach piezoelektrycznych.

Nic więc dziwnego, że podstawą większości radiotelefonów działających na falach ultrakrótkich, kamer cofania, czujników parkowania i bocznych czujników samochodowych lub alarmów ultradźwiękowych jest również materiał piezoelektryczny.
Obecnie jesteśmy w fazie eksperymentalnej ładowarki do samochodów elektrycznych, która wykorzystywałaby wibracje spowodowane falami dźwiękowymi wytwarzanymi przez hałas uliczny do generowania energii elektrycznej.

Inne zastosowania piezoelektryczności

O innych obszarach zastosowania piezoelektryczności można by napisać osobną serię artykułów.
Najprostszym narzędziem jest tutaj zapalniczka. Oczywiście pierwsze egzemplarze nie były wykonane z kryształu piezoelektrycznego, ale gdy tylko pojawiła się nowa technologia zapalniczki stały się znacznie bardziej kompaktowe i łatwiejsze w obsłudze. W zapalniczkach materiał piezoelektryczny umieszczony jest pomiędzy dwiema metalowymi płytkami. Ściśnięcie płytek powoduje ich naładowanie, a w konsekwencji powstanie iskry.
Za pomocą elektrostrykcji można wytwarzać sygnały zegarowe o bardzo stabilnej częstotliwości. Dzieje się to poprzez przyłożenie zmiennego napięcia do kryształu, powodując jego oscylację. Ponieważ kryształ piezoelektryczny ma również swoją własną częstotliwość, stabilne wibracje mechaniczne można wytworzyć za pomocą sygnału elektrycznego do niego dostrojonego. Zjawisko to wykorzystywane jest w wielu zastosowaniach informatycznych, a także w zegarkach kwarcowych.
Oprócz tego można wymienić wiele innych praktycznych wdrożeń (sonary podwodne, czujniki ruchu, mikroskopy skanujące, pęsety laserowe), których nie będziemy szczegółowo omawiać w tym artykule.

Piezoelektryczność narodziła się dawno, choć ludzkość przez wieki nie wiedziała, do czego ją wykorzystać. Jej wszechstronność wynika między innymi z faktu, że wymaga stosunkowo niewielkiej ilości materiałów, a co za tym idzie małej objętości, z czym wiąże się precyzja, stabilność i niezawodność. Choć proces ten jest w pół mechaniczny, to nie wymaga konserwacji, chłodzenia, smarowania, ani jakiejkolwiek innej interwencji.
Jeśli chodzi o mankamenty to warto wspomnieć, że znaczna zmiana temperatury wpływa na precyzję kryształu. Z tego powodu bywa i tak, że dwa identyczne zegary kwarcowe przy różnicy temperatur otoczenia wynoszącej 30-40 °C będą pokazywały nieco inny czas.
Ogólnie rzecz biorąc, systemy piezoelektryczne nie są podatne na uszkodzenia, ale jeśli tak się stanie, kryształ piezoelektryczny nie może być naprawiony, konieczna jest jego wymiana.