Kryształy piezoelektryczne wytwarzają energię elektryczną poprzez zjawisko znane jako piezoelektryczność, podczas którego określone materiały wytwarzają ładunek elektryczny w odpowiedzi na przyłożone do nich naprężenie mechaniczne lub ciśnienie. Efekt ten opiera się na zdolności kryształu do przekształcania energii mechanicznej (odkształcenia) w energię elektryczną (napięcie).
Kiedy kryształ piezoelektryczny jest odkształcany lub ściskany mechanicznie, powoduje to wewnętrzne przemieszczenie ładunków dodatnich i ujemnych w sieci krystalicznej. To przemieszczenie powoduje powstanie różnicy potencjałów w krysztale, co powoduje wygenerowanie napięcia elektrycznego. I odwrotnie, pole elektryczne przyłożone do kryształu może wywołać odkształcenie mechaniczne, co pokazuje dwukierunkową naturę piezoelektryczności.
Materiały piezoelektryczne wykazują tę właściwość ze względu na unikalną strukturę krystaliczną, w której jony są ułożone asymetrycznie. Ta asymetria pozwala im generować ładunek elektryczny pod wpływem naprężeń mechanicznych lub ciśnienia. Typowe materiały piezoelektryczne obejmują kwarc, sól Rochelle i różne kryształy ceramiczne, takie jak tytanian cyrkonu ołowiu (PZT), które są szeroko stosowane w czujnikach, siłownikach i urządzeniach do pozyskiwania energii.
Zasada piezoelektryczności opiera się na zdolności kryształu do wytwarzania ładunku elektrycznego w odpowiedzi na przyłożone naprężenie mechaniczne lub ciśnienie. Zjawisko to wynika z polaryzacji kryształu pod wpływem naprężeń mechanicznych, podczas których przemieszczenie ładunków dodatnich i ujemnych powoduje powstanie mierzalnego napięcia na materiale. Ta właściwość sprawia, że materiały piezoelektryczne są cenne w różnych zastosowaniach, w tym w czujnikach do pomiaru ciśnienia, akcelerometry do wykrywania wibracji i przetworniki do przetwarzania energii mechanicznej na sygnały elektryczne.
Energia elektryczna wytwarzana jest pod ciśnieniem w urządzeniu piezoelektrycznym poprzez bezpośrednią konwersję energii mechanicznej na energię elektryczną. Kiedy na kryształ piezoelektryczny wywierany jest nacisk, powoduje to odkształcenie lub odkształcenie sieci krystalicznej, co prowadzi do przemieszczenia ładunków dodatnich i ujemnych w materiale. To przemieszczenie generuje różnicę potencjałów elektrycznych w krysztale, co powoduje przepływ prądu elektrycznego, jeśli podłączony jest obwód zewnętrzny. Ta zdolność umożliwia urządzeniom piezoelektrycznym przekształcanie wibracji mechanicznych, ruchów lub wahań ciśnienia w użyteczną energię elektryczną, dzięki czemu nadają się do zastosowań takich jak pozyskiwanie energii z kroków, wibracji maszyn lub fal akustycznych w otoczeniu.
