Piezoelektromosság a közlekedésben
Az alábbi cikkünk egy meglehetősen elvontnak tűnő, mégis forradalmi ötlettel foglalkozik. Az elektromosság egyre inkább átszövi a mindennapjainkat – és ez igaz a közúti közlekedésünkre is. Ám mivel a mozgás elkerülhetetlen a közlekedés során, a fejlesztők folyton keresik a minél elegánsabb megoldásokat a mechanika és az elektromosság megfelelő ötvözésére.
Az egyik legszebb és leghatékonyabb gyakorlati megvalósítása ennek a piezoelektromosság alkalmazása, mely bár rengeteg területen hódított teret magának, nem maradt ki közülük a járműipar sem.
Történeti áttekintés
Az elnevezésben a „piezo” szó görög eredetű, jelentése: nyomás. A terminológia nemsokára jelentést nyer, amikor a hatásmechanizmust taglaljuk.
A jelenség felfedezése jóval korábbra nyúlik vissza, mint ahogy az autókban először alkalmazni kezdték. A XIX. században már előrehaladott kutatások voltak a piezoelektromosság kimutatása kapcsán, és 1880-ban sikerült is detektálni azt a Curie fivéreknek, mégpedig turmalin kristályon Később több kristályon is észlelték ugyanezt. Ekkor még fel sem merült, hogy ez a működési elv a gyakorlatban is hasznosítható lesz.
Az első világháború időszakában viszont már megjelentek az első szabadalmak, a 20-as évekre pedig a piezoelektromosság megkerülhetetlen részévé vált a modern elektrotechnikának.
A hatás lényege
Bizonyos kristályokban, ha ezeket valamilyen mechanikai hatás éri (például összenyomódnak), a pozitív és negatív előjelű töltéscentrumok szétválnak egymástól. Ebből pedig egyenesen következik az, hogy a kristály szélei között elektromos feszültség alakul ki.
Tulajdonképpen kijelenthetjük, hogy a piezoelektromosság segítségével mechanikai erőt elektromos feszültséggé tudunk átalakítani, méghozzá közvetlen módon.
Ez már önmagában lehetőségek tárházát rejti magában, pedig ezzel közel sincs vége a jelenség tulajdonságainak: a piezoelektromosság fordítva is működik. Azaz ha a piezoelektromos kristályra feszültséget kapcsolunk, megváltozik annak hosszúsága. Mivel itt nagyon kis távolságokról van szó, és a folyamat egészen precíz módon szabályozható, akár atomnyi léptékben is képesek vagyunk dimenzionálni a kristályt.
A jelenség fordítottját elektrostrikciónak nevezik. Pierre és Jaque Curie fedezte fel ez utóbbit is, ám ez már egy másik anyag vizsgálata közben történt. Ugyanis hamar kiderült, hogy nem csak a trumalin képes a hatás elérésére, hanem például a kvarckristály is (SiO2).
Szintén fontos megfigyelés volt, hogy a keletkezett töltés mennyisége és az alkalmazott húzó- vagy nyomóerő között lineáris az összefüggés, tehát arányos módon szabályozható egyik a másikkal.
Autóipari alkalmazások
Ahogyan korábban is említettük, a piezoelektromosság felhasználói köre hatalmas, és csak egy kis részterülete a közúti közlekedés. Mégis rengeteg gyakorlati példával szolgálhatunk csak erről a területről is.
Az egyik legáltalánosabban ismert példa a közvetlen befecskendezéses belső égésű motorok befecskendezőinek szelepnyitási mechanizmusa. Kezdetben mágnesszelepet használtak pédául a common rail dízelmotorokban, ám ma már évtizedes múltra tekint vissza a piezoelektromos befecskendező.
Ebben a konkrét esetben az elektrostrikció hatása fontos számunkra: az ábrán látható piezolapok egy-egy tagja nem képes jelentős méretváltozásra, ám ha sok lapon egymásra halmoznak, már elegendő lehet a hosszváltozás mértéke ahhoz, hogy kinyissa azt a nyílást, amin keresztül aztán megtörténik a befecskendezés.
Ennek köszönheti többek között a common rail rendszer azt a tulajdonságát, hogy lehetővé teszi a többlépcsős befecskendezést, ami által kedvezőbb az égésoptimálás, a kipufogógáz-minőség és még a zajszint is.
Hasonlóan elterjedtnek számít a piezoelektromosság az ultrahangos eszközök világában is. Mivel a piezoelektromos kristály a mozgásával precízen leköveti a bemenő elektromos jelet, megfelelő frekvenciájú elektromos impulzussal akár az ultrahangtartományba eső mechanikai rezgések is előállíthatók. És mint minden esetben most is igaz a fordítottja: piezoelektromos tulajdonságú anyagokkal ultratartományba eső hangok detektálhatók.
Nem meglepő tehát, hogy a legtöbb ultrarövidhullámon működő rádió, a tolatóradarok, a parkradarok és az oldalsó autóérzékelők, vagy az ultrahangos riasztók alapja is egy piezoelektromos anyag.
Ma már ott tartunk a jelenség felhasználásával, hogy kísérleti fázisban tart egy olyan töltő az elektromos autók számára, amely a városi zajból adódó hanghullámok keltette rezgést használná fel áram termelésére.
Egyéb alkalmazási területek
Külön cikksorozatnyi tartalmat is meg lehetne tölteni azzal, hogy milyen egyéb területeket alkalmazzák a piezoelektromosságot.
A legegyszerűbb, mindenki számára nyilvánvaló eszköz az öngyújtó. Természetesen az első példányok nem piezokristállyal készültek, ám amint megérkezett az új techológia, sokkal kompaktabbá és egyszerűbben kezelhetővé váltak. Az öngyújtókban két fémlap közé helyezik a piezoelektromos anyagot. A lemezek összenyomásával azok feltöltődnek, és elektromos szikrát gerjesztenek.
Elektrostrikcióval nagyon stabil frekvenciájú órajeleket lehet előállítani. Ezt úgy érik el, hogy a kristályra váltakozó feszültséget kapcsolnak, aminek hatására rezgőmozgást végez. Mivel a piezoelektromos kristálynak is van sajátfrekvenciája, az erre hangolt elektromos jellel stabil mechanikai rezgés állítható elő. Ezt használják ki sok informatikai alkalmazásban – és a kvarcórákban is.
Ezeken túl rengeteg egyéb gyakorlati megvalósítást lehetne még sorolni (tengeralattjáró szonárok, mozgásérzékelők, pásztázó mikroszkópok, lézercsipeszek), melyekre ebben a cikkben nem térünk ki részletesen.
Előnyök és hátrányok
Szerencsés csillagzat alatt született a piezoelektromosság, noha évtizedekig semmit nem kezdett vele az emberiség.
Sokrétűsége többek között abból adódik, hogy viszonylag kevés felhasznált anyaggal, tehát kis térfogaton képes ellátni a feladatát, nagyon precíz, melyet képes hosszabb távon is fenntartani, valamint rendkívül megbízható és stabil. Bár működése félig mechanikai jellegű, teljesen gondozásmentes, nem igényel kenést vagy hűtést a működése.
Hátrányai között azonban érdemes megemlíteni, hogy a hőmérséklet jelentősebb változása hatással van a kristály precizitására. Ezért történhet meg például az, hogy két ugyanolyan kvarcóra 30-40 °C-os környezeti hőmérséklet különbséggel késni, illetve sietni fog egymáshoz képest.
Általánosságban véve nem számít sérülékenynek, ám ha mégis megtörténik, a piezokristály nem javítható, tehát mindenképp cserére szorul.
