Efekt piezoelektryczny odnosi się do zjawiska, w którym niektóre materiały wytwarzają ładunek elektryczny w odpowiedzi na przyłożone naprężenie mechaniczne. I odwrotnie, materiały te również odkształcają się pod wpływem pola elektrycznego. Ta podwójna zdolność przekształcania energii mechanicznej w energię elektryczną (i odwrotnie) znana jest jako efekt piezoelektryczny. Występuje w kryształach, ceramice i niektórych materiałach biologicznych, dzięki czemu mogą działać jako czujniki, siłowniki i przetworniki w różnych zastosowaniach technologicznych.
Efekt piezoelektryczny definiuje się jako wytwarzanie ładunku elektrycznego lub napięcia na niektórych materiałach, gdy są one poddawane mechanicznemu naprężeniu lub odkształcaniu. Efekt ten został po raz pierwszy odkryty przez Pierre’a Curie i Jacques’a Curie w 1880 roku i początkowo zaobserwowano go w kryształach takich jak kwarc, które wykazywały polaryzację elektryczną pod wpływem nacisku mechanicznego. Zjawisko to wynika z asymetrii w strukturze krystalicznej materiałów piezoelektrycznych, co pozwala im z dużą wydajnością przekształcać energię mechaniczną w energię elektryczną i odwrotnie.
Piezoelektryczność obejmuje zdolność niektórych materiałów do generowania ładunku elektrycznego w odpowiedzi na przyłożone naprężenie mechaniczne. Przykład piezoelektryczności można znaleźć w kryształach kwarcu stosowanych w zegarkach kwarcowych. W tych urządzeniach nacisk mechaniczny lub naprężenie wywierane na kryształ powoduje jego nieznaczne odkształcenie, generując niewielki ładunek elektryczny na jego powierzchni. Ładunek ten jest następnie wykorzystywany do zasilania obwodu pomiaru czasu zegarka lub do synchronizacji jego działania z zewnętrznym standardem częstotliwości. Precyzyjna i niezawodna stabilność częstotliwości kryształów kwarcu czyni je idealnymi do stosowania w pomiarach czasu i zastosowaniach elektronicznych, gdzie dokładność ma kluczowe znaczenie.
Urządzenie piezoelektryczne to dowolne urządzenie, które wykorzystuje efekt piezoelektryczny do przekształcania energii mechanicznej w energię elektryczną i odwrotnie. Urządzenia te są zbudowane z materiałów piezoelektrycznych, takich jak kwarc, ceramika, np. tytanian cyrkonu ołowiu (PZT) lub niektóre polimery. Przykłady obejmują czujniki piezoelektryczne stosowane w zastosowaniach przemysłowych do wykrywania ciśnienia, siły lub przyspieszenia oraz siłowniki piezoelektryczne stosowane w układach mikroelektromechanicznych (MEMS) do precyzyjnego sterowania ruchem lub wibracjami. Urządzenia piezoelektryczne są również wykorzystywane w medycznym obrazowaniu ultradźwiękowym, pozyskiwaniu energii z wibracji i przetwornikach akustycznych.
Fizyka piezoelektryczności opiera się na strukturze krystalicznej materiałów piezoelektrycznych. Materiały te mają niecentrosymetryczną sieć krystaliczną, co oznacza, że ich ładunki dodatnie i ujemne nie są rozłożone symetrycznie. Kiedy na taki materiał przykładane jest naprężenie mechaniczne, powoduje ono przemieszczenie ładunków dodatnich i ujemnych w sieci krystalicznej, co skutkuje powstaniem elektrycznego momentu dipolowego i wygenerowaniem pola elektrycznego. I odwrotnie, pole elektryczne przyłożone do materiału powoduje odkształcenie mechaniczne w wyniku ponownego ustawienia dipoli elektrycznych. To sprzężenie między naprężeniami mechanicznymi a polaryzacją elektryczną stanowi podstawę piezoelektryczności, umożliwiając jej zastosowanie w różnych dziedzinach, od czujników i siłowników po pozyskiwanie energii i urządzenia medyczne.