Het piëzo-elektrische effect verwijst naar het fenomeen waarbij bepaalde materialen een elektrische lading genereren als reactie op uitgeoefende mechanische spanning. Omgekeerd vervormen deze materialen ook wanneer ze worden blootgesteld aan een elektrisch veld. Dit dubbele vermogen om mechanische energie om te zetten in elektrische energie (en omgekeerd) staat bekend als het piëzo-elektrische effect. Het komt voor in kristallen, keramiek en bepaalde biologische materialen, waardoor ze kunnen fungeren als sensoren, actuatoren en transducers in verschillende technologische toepassingen.
Het piëzo-elektrische effect wordt gedefinieerd als het genereren van elektrische lading of spanning over bepaalde materialen wanneer ze mechanisch worden belast of vervormd. Dit effect werd voor het eerst ontdekt door Pierre Curie en Jacques Curie in 1880 en werd aanvankelijk waargenomen in kristallen zoals kwarts, die elektrische polarisatie vertoonden bij blootstelling aan mechanische druk. Het fenomeen ontstaat door de asymmetrie in de kristalstructuur van piëzo-elektrische materialen, waardoor ze mechanische energie met een hoog rendement kunnen omzetten in elektrische energie en omgekeerd.
Piëzo-elektriciteit heeft betrekking op het vermogen van bepaalde materialen om een elektrische lading te genereren als reactie op uitgeoefende mechanische spanning. Een voorbeeld van piëzo-elektriciteit wordt gevonden in kwartskristallen die in kwartshorloges worden gebruikt. Bij deze apparaten zorgt de mechanische druk of spanning die op het kristal wordt uitgeoefend ervoor dat het lichtjes vervormt, waardoor een kleine elektrische lading over de oppervlakken ontstaat. Deze lading wordt vervolgens gebruikt om de tijdwaarnemingscircuits van het horloge van stroom te voorzien of om de werking ervan te synchroniseren met een externe frequentiestandaard. De precieze en betrouwbare frequentiestabiliteit van kwartskristallen maakt ze ideaal voor gebruik in tijdwaarneming en elektronische toepassingen waarbij nauwkeurigheid cruciaal is.
Een piëzo-elektrisch apparaat is elk apparaat dat het piëzo-elektrische effect gebruikt om mechanische energie om te zetten in elektrische energie of omgekeerd. Deze apparaten zijn gemaakt van piëzo-elektrische materialen zoals kwarts, keramiek zoals loodzirkonaattitanaat (PZT) of bepaalde polymeren. Voorbeelden zijn onder meer piëzo-elektrische sensoren die in industriële toepassingen worden gebruikt om druk, kracht of versnelling te detecteren, en piëzo-elektrische actuatoren die worden gebruikt in micro-elektromechanische systemen (MEMS) om beweging of trillingen nauwkeurig te controleren. Piëzo-elektrische apparaten worden ook gebruikt bij medische echografie, het oogsten van energie uit trillingen en akoestische transducers.
De fysica achter piëzo-elektriciteit ligt in de kristalstructuur van piëzo-elektrische materialen. Deze materialen hebben een niet-centrosymmetrisch kristalrooster, wat betekent dat hun positieve en negatieve ladingen niet symmetrisch verdeeld zijn. Wanneer mechanische spanning op een dergelijk materiaal wordt uitgeoefend, veroorzaakt dit een verplaatsing van positieve en negatieve ladingen binnen het kristalrooster, wat resulteert in een elektrisch dipoolmoment en het genereren van een elektrisch veld. Omgekeerd, wanneer een elektrisch veld over het materiaal wordt aangelegd, veroorzaakt dit mechanische vervorming als gevolg van de herschikking van de elektrische dipolen. Deze koppeling tussen mechanische spanning en elektrische polarisatie vormt de basis van piëzo-elektriciteit, waardoor de toepassing ervan op diverse gebieden mogelijk is, variërend van sensoren en actuatoren tot energiewinning en medische apparaten.