التأثير الكهرضغطي هو تأثير استقطاب المادة العازلة تحت تأثير ميكانيكي
مع تأثير كهرضغطية مباشر ، تشوهمن عينة كهرضغطية يؤدي إلى ظهور جهد كهربائي بين أسطح مادة صلبة مشوهة ؛ في حالة التأثير الكهروإجهادي العكسي ، يؤدي تطبيق الجهد على الجسم إلى تشوهه.
ما هي المواد الكهرضغطية؟
المواد الكهرضغطية هي مواد لديها القدرة على توليد شحنة كهربائية داخلية من الإجهاد الميكانيكي المطبق.
تظهر بعض المواد التي تحدث بشكل طبيعي تأثير كهرضغطية. وتشمل هذه:
- عظم،
- بلورات
- سيراميك معين ،
- الحمض النووي،
- المينا ،
- الحرير
- العاج والمزيد.
المواد التي تثبتيُظهر التأثير الكهروإجهادي أيضًا تأثير كهرضغطية معكوس (يُطلق عليه أيضًا التأثير الكهروضغطي العكسي أو المعكوس). التأثير الكهربائي الانضغاطي العكسي هو التوليد الداخلي للضغط الميكانيكي استجابة لمجال كهربائي مطبق.
تاريخ المواد الكهروضغطية
كانت البلورات هي أول مادة مستخدمةفي التجارب المبكرة للكهرباء الانضغاطية. أثبت الأخوان كوري ، بيير وجاك ، التأثير الكهروضغطي المباشر لأول مرة في عام 1880. قام العلماء بتوسيع معرفتهم العملية بالتركيبات البلورية والمواد الكهروحرارية (المواد التي تولد شحنة كهربائية استجابة لتغيرات درجة الحرارة)
قاموا بقياس الشحنات السطحية للبلورات المحددة التالية ، وهي:
- علبة سكر
- التورمالين ،
- كوارتز،
- توباز ،
- ملح روشيل (ملح الصوديوم والبوتاسيوم لحمض الطرطريك) ،
نتيجة لذلك ، كان الكوارتز وملح روشيل هو الذي أظهر أعلى تأثيرات كهرضغطية.
ومع ذلك ، لم يتنبأ الأخوان كوري بخلاف ذلك.تأثير كهرضغطية. اشتقها غابرييل ليبمان رياضيًا في عام 1881. أكد كوري بعد ذلك التأثير وقدم دليلًا كميًا لعكس التشوهات الكهربائية والمرنة والميكانيكية في البلورات الكهروضغطية.
وبحلول عام 1910، كان هناك 20 فئة من البلورات الطبيعيةالتي لوحظ فيها التأثير الكهرضغطي تم تحديدها بالكامل ونشرها في Lehrbuch Der Kristallphysik - "كتاب فيزياء الكريستال". لكنها ظلت مجالًا متخصصًا غير معروف وعالي التقنية في الفيزياء دون أي تطبيقات تكنولوجية أو تجارية واضحة.
حتى اندلعت الحرب.
الحرب العالمية
أول تطبيق تكنولوجيتم استخدام المواد الكهرضغطية ككاشف للغواصات بالموجات فوق الصوتية. يتكون كاشف البلاستيك من محول الطاقة (جهاز يحول نوعًا من الطاقة إلى نوع آخر) ومكبر صوت مائي. يتكون محول الطاقة من بلورات كوارتز رقيقة ملتصقة بين لوحين فولاذيين.
النجاح الهائل لجهاز الكشف بالموجات فوق الصوتيةحفزت الغواصات خلال الحرب التطور التكنولوجي المكثف للأجهزة الكهروضغطية. بعد الحرب العالمية الأولى ، تم استخدام السيراميك الكهرضغطية في خراطيش الفونوغراف.
الحرب العالمية الثانية
تقدم استخدام المواد الكهروضغطية بشكل ملحوظ خلال الحرب العالمية الثانية بسبب البحث المستقل الذي أجرته اليابان والاتحاد السوفيتي والولايات المتحدة.
على وجه الخصوص ، التقدم في فهم العلاقةبين التركيب البلوري والنشاط الكهروميكانيكي ، إلى جانب التطورات الأخرى في البحث ، غيرت تمامًا نهج التكنولوجيا الكهروضغطية. لأول مرة ، تمكن المهندسون من معالجة المواد الكهرضغطية لتطبيق معين على الجهاز ، بدلاً من مراقبة خصائص المواد ثم البحث عن الاستخدامات المناسبة للخصائص المرصودة.
سمح هذا التطور بإنشاء العديدالتطبيقات المتعلقة بالحرب للمواد الكهرضغطية مثل الميكروفونات فائقة الحساسية ، وأجهزة السونار عالية الطاقة ، وعوامات السونار (عوامات صغيرة لها القدرة على الاستماع إلى الميكروفون والإرسال اللاسلكي لمراقبة حركة السفن العابرة للمحيطات) وأنظمة الإشعال بيزو لاشتعال اسطوانة واحدة.
بلورات كهرضغطية - ما هي؟
أدناه قائمة غير كاملةبلورات كهرضغطية مع بعض الأوصاف الموجزة لاستخدامها. سنناقش بعض التطبيقات المحددة للمواد الكهرضغطية الأكثر استخدامًا في وقت لاحق.
بلورات طبيعية:
- الكوارتز عبارة عن بلورة مستقرة تستخدم في بلورات الساعة وبلورات مرجع التردد لأجهزة الإرسال الراديوية ،
- السكروز (سكر المائدة)
- ملح روشيل - ينتج الكثير من التوتر مع الانضغاط ؛ المستخدمة في الميكروفونات البلورية في وقت مبكر.
- توباز ،
- التورمالين ،
- البرلينيت (AlPO₄.) — معدن فوسفات نادر مطابق هيكليا للكوارتز.
بلورات تكنوجينيك- جاليوم أورثو فوسفات (GaPO₄) ، نظير من الكوارتز واللانجاسيت ، نظير للكوارتز.
سيراميك كهرضغطية:
- تيتانات الباريوم (BaTiO). تم اكتشاف أول سيراميك كهرضغطية.
- تيتانات الرصاص (PbTiO₃)
- الرصاص تيتانات الزركونات (PZT)
- نيوبات البوتاسيوم (KNbO₃)
- نيوبات الليثيوم (LiNbO₃)
- تانتالات الليثيوم (LiTaO₃)
- تنغستات الصوديوم (Na₂WO₄)
سيراميك بيزو خالي من الرصاص:
تم تطوير المواد التالية استجابةً للمخاوف المتعلقة بالآثار الضارة للرصاص على البيئة.
- نيوبات الصوديوم والبوتاسيوم (NaKNb). هذه المادة لها خصائص مشابهة لـ PZT.
- الفريت البزموت (BiFeO₃)
- نيوبات الصوديوم (NaNbO₃)
المواد البيولوجية الكهروضغطية:
- وتر
- شجرة
- الحرير
- المينا
- العاج
- الكولاجين
تطبيقات المواد الكهرضغطية
تستخدم المواد الكهرضغطية في العديد من الصناعات ، بما في ذلك:
- إنتاج
- معدات طبية
- الإتصالات
- صناعة السيارات
- تكنولوجيا المعلومات (IT)
إمدادات الطاقة عالية الجهد:
- الولاعات الكهربائية.عندما تضغط على الزر الموجود على الولاعة ، يتسبب الزر في إصابة مطرقة صغيرة محملة بنابض بلورة كهرضغطية ، مما ينتج عنه تيار عالي الجهد يتدفق عبر الفجوة لتسخين الغاز وإشعاله.
- شوايات الغاز أو المواقد وحرق الغاز تعمل بنفس طريقة الولاعات ، ولكن على نطاق أوسع.
- محول كهرضغطية. يتم استخدامه كمضاعف جهد التيار المتردد في مصابيح الفلورسنت الكاثود الباردة.
مجسات كهرضغطية
تستخدم محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية فيالتصوير الطبي اليومي. محول الطاقة هو جهاز كهرضغطية يعمل كمستشعر ومشغل. تحتوي محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية على عنصر كهرضغطية يحول الإشارة الكهربائية إلى اهتزاز ميكانيكي (وضع الإرسال أو مكونات القيادة) والاهتزاز الميكانيكي إلى إشارة كهربائية (وضع الاستقبال أو مكون المستشعر).
عادةً ما يتم قطع العنصر الكهروإجهادي إلى 1/2 الطول الموجي المطلوب لمحول الطاقة فوق الصوتي.
تشمل الأنواع الأخرى من أجهزة الاستشعار الكهرضغطية ما يلي:
- ميكروفونات كهرضغطية.
- بيك اب بيزو للقيثارات الكهربائية الصوتية.
- موجات السونار. يتم إنشاء الموجات الصوتية واستقبالها بواسطة عنصر كهرضغطية.
- وسادات طبلة إلكترونية. تكشف العناصر تأثير عصي الطبال على الوسادات.
- التسارع الطبي.يستخدم هذا عندما يكون الشخص تحت التخدير وحقنه بمرخيات العضلات. يحدد العنصر الكهروضغطي في مقياس التسارع القوة التي تحدث في العضلات بعد تنبيه العصب.
مشغلات كهرضغطية
من مزايا مشغلات كهرضغطيةهو أن الجهد العالي للمجال الكهربائي يتوافق مع تغيرات ميكرومتر صغيرة في عرض البلورة الكهروضغطية. هذه الكتل الصغيرة تجعل البلورات الكهروإجهادية مفيدة كمشغلات عندما يكون الوضع الدقيق للأجسام الصغيرة مطلوبًا ، كما هو الحال في الأجهزة التالية:
- مكبرات الصوت
- محركات كهرضغطية
- إلكترونيات الليزر
- طابعات نفث الحبر (تتحكم البلورات في تحرير الحبر من رأس الطباعة على الورق)
- محركات الديزل
- مصاريع الأشعة السينية
مواد ذكية
المواد الذكية هي فئة واسعة من المواد ،يمكن تغيير خصائصها بطريقة خاضعة للرقابة من خلال التأثيرات الخارجية مثل الأس الهيدروجيني أو درجة الحرارة أو المواد الكيميائية أو المجال المغناطيسي أو الكهربائي المطبق أو الجهد.
المواد الكهرضغطية تتوافق مع هذاالتعريف ، لأن الفولتية المطبقة تخلق جهدًا في مادة كهرضغطية ، وعلى العكس من ذلك ، فإن تطبيق جهد خارجي ينتج أيضًا كهرباء في المادة.
مواد فكرية إضافيةتشمل سبائك ذاكرة الشكل ، والمواد الهالوكرومية ، والمواد المغنطيسية ، والبوليمرات الحساسة للحرارة ، والمواد الكهروضوئية ، وغيرها الكثير.
ماذا يحمل المستقبل للمواد الكهرضغطية؟
إذن ما هي الخطوة التالية بالنسبة للمواد الكهرضغطية؟مستقبل؟ إنها فكرة مثيرة أن مواد الألياف النانوية الكهرضغطية يمكن استخدامها تجاريًا كمصدر للطاقة. يعتمدون على القوة الميكانيكية لتوليد الكهرباء. لذلك، إذا قمت بوضعها، على سبيل المثال، على شاشة تعمل باللمس، فيمكنها العمل كشاحن للجهاز. وبطبيعة الحال، فإن بعض القوة التي تم إنشاؤها تذهب نحو تنفيذ الإجراء على شاشة اللمس. ولكن هناك خيار لإنشاء موارد إضافية.
المادتان الأكثر شيوعًا المستخدمتان في المولدات النانوية هما البوليمر.البولي فينيل الفلورايد(PVDF)والسيراميك الرصاص تيتانات الزركونات (PZT). يظهر PVDF أعلىخصائص كهرضغطية من البوليمرات الأخرى. ويرجع ذلك إلى هيكلها البلوري القطبي. من ناحية أخرى، يتمتع PZT أيضًا ببنية بلورية وقادر على توليد جهود أعلى بكثير من مواد حصاد الطاقة الكهرضغطية الأخرى. كما أنها أقوى ميكانيكيًا، خاصة في شكل أسلاك متناهية الصغر.
جاء المصمم الصناعي جونغ هون كيمهاسالفكرة الرائعة لاستخدام الكهرباء الانضغاطية لتشغيل السيارة. تستقبل هذه الأجهزة ، التي تشحن البطاريات ، الطاقة من الاهتزازات التي تحدث أثناء تحرك السيارة. لا تنتج هذه التقنية انبعاثات ولا تعتمد على الوقود الأحفوري ، مما يجعلها صديقة للبيئة.
مصمم صناعي آخر ، بول فريغو ،طور هاتف محمول يمكن شحنه بنفسه! يستخدم نموذج Zeri أنظمة كهروحرارية وأنظمة كهرضغطية. الأول يستخدم التغيرات في درجات الحرارة لتوليد الشحن ؛ والثاني هو اهتزازات الهواء. هاتان الميزتان تجعل هاتفك الذكي صديقًا للبيئة بنسبة 100٪.
ابتكر المكسيكي ألبرتو فياريال زوجًا من الأحذية ،الذي ينير الطريق لصاحبها. باستخدام الطاقة الحركية للمشي أو الجري ، يمكن أن تنتج البوليمرات الكهربية الضوء. ستكون هذه التأثيرات مفيدة للعدائين.
التكنولوجيا المبتكرة التالية في القطاعأجهزة لوحية. قد يكون استخدام إدخال شاشة اللمس المتجدد هو الطريقة المفضلة لشحن هذه الأدوات الشائعة. في المتوسط (إحصائيًا) ينقر الشخص العادي على شاشة اللمس 1000 مرة في اليوم. هذه طاقة أكثر من كافية لتشغيل الجهاز اللوحي.
أخيرا ، ربما الأكثر إثارة للاهتمامأداة كهرضغطية - دش. صممه مهندسون فنلنديون ومكسيكيون وألمان ، ويحتوي على العديد من الأسلاك النانوية الصغيرة. تستخدم هذه الأسلاك النانوية طاقة المياه المارة لتوليد الكهرباء ، والتي تُستخدم لتسخين المياه. يحتوي الجهاز أيضًا على لوحات تعمل باللمس تراقب كمية المياه المستخدمة وتحسب الوقت الذي يقضيه المستخدم في الحمام. يوجد أيضًا منظم يتحكم في ضغط الماء.
قراءة المزيد
ابتكر الفيزيائيون نظيرًا للثقب الأسود وأكدوا نظرية هوكينغ. إلى أين تقود؟
اكتشف العلماء جسيم Odderon الأسطوري
الظاهرة الطبيعية الأكثر غموضا. من أين يأتي البرق الكروي وكيف يكون خطيرًا؟
المادة العازلة هي مادة سيئة نسبيًاالتيار الكهربائي الموصل. يتم تحديد الخصائص الكهربائية للعوازل من خلال قدرتها على الاستقطاب في مجال كهربائي خارجي. تم إدخال المصطلح إلى العلم من قبل الفيزيائي الإنجليزي م. فاراداي. لا يتجاوز تركيز حاملات الشحن المجاني في العازل الكهربائي 10 سم مكعب.