Aantonen Van Piëzo-elektrisch Effect Met Zelfgemaakte Piezo-kristallen

Voor het eindproject van ons ontwerp vak Design Engineering for Fysici besloten we om het piëzo-elektrisch effect aan te tonen door het laten branden van een LED. We maakten zelf de piëzo-kristallen aan de hand van wijnsteen en baksoda, dit zijn zogeheten Rochelle zout kristallen. Verder maakten we ook nog een mechanisme met twee plaatjes om druk uit te oefenen om stroom te genereren voor het laten branden van een LED. Het circuit hebben we ook zelf ontworpen om het signaal lang en sterk genoeg te maken zodat het LED aangaat.

De volgende materialen zijn nodig om onze opstelling te maken. Voor het drukmechanisme zijn er twee opties. Onze voorkeur gaat naar degene met de klem omdat de kristallen hier minder snel breken.

Drukmechanisme:

Opstelling 1:

• 2 vierkanten koperen plaatjes van ongeveer 25 cm²
• 2 elastiekjes om de plaatjes samen te houden
• een stukje spons om een barrière te vormen tussen de twee plaatjes (hoogte ongeveer 1 cm, breedte 1 cm, lengte 5 cm)
• dubbelzijdige plakband

Opstelling 2:

• klem (zie foto)
• 2 stukjes kopertape (kleine hoeveelheid, ongeveer 5 cm)
• 2 stukjes rubber (kleine hoeveelheid, breedte: 1 cm, lengte 5 cm)

Kristallen:

• 80 g wijnsteen (cream of tartar)
• een pak baksoda
• 120 ml water
• 99% isopropanyl (optioneel)

Circuit:

• breadboard
• NE555P
• rode LED
• diode
• 9V batterij
• verbindingsstuk voor 9V batterij en breadboard
• 2 krokodillenklemmen
• 8 male to male korte kabels (meer kabeltjes is ook mogelijk om het makkelijker te maken)
• condensator van 10 µF
• condensator van 47 nF
• condensator van 100 nF
• weerstand van 22 kΩ
• weerstand van 100 kΩ
• weerstand van 470 Ω

Eerste stap is het oplossen van 80 gram wijnsteen in 120 ml water (foto 1)

Tweede stap is het verwarmen van de oplossing tot 95 graden au bain marie (foto 2), waarna er in intervals van 2 min telkens een theelepel natriumcarbonaat wordt toegevoegd (baksoda). De oplossing gaat hier telksens flink van schuimen en er moet goed geroerd worden telkens na het toevoegen van de baksoda. (foto 2)

Derde stap, uiteindelijk na genoeg baksoda te hebben toegevoegd wordt de oplossing helder (al het wijnsteen heeft dan gereageerd) en wordt het van het vuur gehaald. Om de oplossing volledig “puur” te maken, wordt het door een koffiefilter gegoten, zo weet je zeker dat er geen kleine stukjes baksoda dat niet heeft gereageerd erin zitten. (foto 3,4)

Stap 4, nadat de oplossing is gefilterd wordt het gegoten in een glazen bak en afgekoeld met een ventilator. foto (5)

Een optionele stap is om 20 ml isopropyl alcohol toevoegen tijdens het afkoelproces, dit kan het kristalliseren versnellen maar het eindresultaat is nagenoeg hetzelfde.

De kristallen zijn meestal uitgegroeid na 4 à 5 dagen en hebben dan gemiddeld een grootte van 1 cm (foto 6)

opstelling 1:

Neem als eerste de twee koperen plaatjes. Het is niet noodzakelijk dat de plaatjes perfect vierkant zijn.

Bevestig op een van de twee plaatjes aan de twee lange zijden (als het plaatje rechthoekig is) dubbelzijdige tape. Zorg dat deze tape ongeveer even groot of kleiner is dan de reepjes spons.

Bevestig hierna bovenop elk stukje tape een stukje spons.

Dit deel van de opstelling is al klaar. Om het te gebruiken leg je een kristal op het onderste plaatje (met spons). Leg het andere plaatje erop en doe de twee elastieken errond om het kristal vast te leggen.

opstelling 2:

Ten eerste, knip de rubber in twee even grote vierkantjes. Ze moeten even groot of groter dan de klem zijn.

Op deze rubber bevestig je nadien de kopertape. Zorg dat de tape een stukje uitsteekt zodat de krokodillenklemmen erop bevestigd kunnen worden.

Klem als laatste het kristal tegen de koper tussen de twee stukjes rubber.

Hierboven is het eerste deel te zien van het circuit dat wij gebruiken om het signaal van ons kristal te verlengen. Aan het hart van het circuit ligt een monostabiele multivibrator, de NE555. Zie hier voor meer informatie over de werking van de IC: https://nl.wikipedia.org/wiki/NE555. In de figuur ernaast staan de verbindingen van de IC.

De trigger pin (2) van de IC wordt verbonden met een condensator (47nF) en weerstand (22kΩ). De condensator is vervolgens verbonden met een diode die geaard is. Aan dezelfde condensator wordt ook de + input van het krisal verbonden (rood-witte draad). De zwart-witte draad is de verbinding van het kristal met de ground.

Pin 6 en 7 worden samen verbonden met een weerstand (100kΩ) en een condensator (10μF). Pin 5 wordt verbonden met nog een condensator (100nF).

De - aan beide kanten van de breadboard worden met elkaar verbonden. Zo is het namelijk makkelijker om de schakeling aan een spanningsbron aan te sluiten.

Vervolgens is alvast een LED samen met een weerstand toegevoegd aan de schakeling. De verbinding hiervan met de rest van het circuit volgt in stap 2.

Pin 3 wordt verbonden met de + zijde van de LED. Daarnaast wordt pin 4 verbonden met de + van de spanningsbron. Ook worden beide + zijdes van de breadboard verbonden met elkaar. Als laatste wordt een 9V met de schakeling verbonden. (Aangezien wij beide + en - met elkaar verbonden hebben maakt het niet uit waar je de batterij aansluit.)

Je hebt nu de kristallen, het drukmechanisme en het circuit gemaakt. De laatste stap is enkel nog om alles te verbinden.

Leg ten eerste het kristal tussen de plaatjes, of klem deze tussen stukjes rubber met kopertape.

Daarna verbind je de krokodillenklemmen elk met een ander koperen plaatje of stukje kopertape.

Wanneer je nu druk uitoefent met een hamer of gewoon door te duwen, kan je het piëzo-elektrisch effect aantonen.