Пиезоелектричният ефект е ефектът на поляризацията на диелектрик под въздействието на механични
С директния пиезоелектричен ефект, деформацияна пиезоелектрична проба води до появата на електрическо напрежение между повърхностите на деформируемо твърдо вещество; в случай на обратен пиезоелектричен ефект, прилагането на напрежение върху тялото причинява неговата деформация.
Какво представляват пиезоелектричните материали?
Пиезоелектричните материали са материали, които имат способността да генерират вътрешен електрически заряд от приложено механично напрежение.
Няколко естествено срещащи се вещества проявяват пиезоелектричен ефект. Те включват:
- Костен,
- Кристали,
- Определена керамика,
- ДНК,
- Емайл,
- Коприна,
- Дентин и други.
Материали, които демонстриратпиезоелектричният ефект проявява и обратния пиезоелектричен ефект (наричан още обратен или обратен пиезоелектричен ефект). Обратният пиезоелектричен ефект е вътрешното генериране на механично напрежение в отговор на приложено електрическо поле.
История на пиезоелектрическите материали
Кристалите са първият използван материалв ранните експерименти с пиезоелектричество. Братята Кюри, Пиер и Жак, за първи път доказаха директния пиезоелектричен ефект през 1880 година. Учените разшириха практическите си познания за кристалните структури и пироелектрическите материали (материали, които генерират електрически заряд в отговор на температурните промени).
Те измерват повърхностните заряди на следните специфични кристали, а именно:
- Тръстикова захар
- Турмалин,
- Кварц,
- Топаз,
- Сол на Рошел (натриево-калиева сол на винената киселина),
В резултат на това кварцът и солта на Рошел демонстрираха най-високите пиезоелектрични ефекти.
Братята Кюри обаче не прогнозираха друго.пиезоелектричен ефект. Той е математически извлечен от Габриел Липман през 1881 г. След това Кюри потвърди ефекта и предостави количествени доказателства за обратимостта на електрическите, еластичните и механичните деформации в пиезоелектричните кристали.
До 1910 г. е имало 20 класа естествени кристали, вв които се наблюдава пиезоелектричният ефект, са напълно определени и публикувани в Lehrbuch Der Kristallphysik - «Учебник по кристална физика». Но това остава малко известна и високотехнологична област на физиката без видими технологични или търговски приложения.
Докато не дойде войната.
Световна война
Първо технологично приложениепиезоелектричен материал е използван като ултразвуков детектор на подводници. Пластмасовият детектор се състои от трансдюсер (устройство, което преобразува един вид енергия в друг) и хидрофон. Преобразувателят е направен от тънки кварцови кристали, залепени между две стоманени пластини.
Огромният успех на ултразвуковия детекторпо време на войната подводниците стимулират интензивното технологично развитие на пиезоелектрическите устройства. След Първата световна война пиезоелектричната керамика се използва във фонографски патрони.
Втората световна война
Използването на пиезоелектрически материали значително напредна по време на Втората световна война поради независими изследвания от Япония, СССР и САЩ.
По-специално, напредък в разбирането на връзкатамежду кристалната структура и електромеханичната активност, заедно с други постижения в научните изследвания, напълно промениха подхода към пиезоелектричната технология. За първи път инженерите успяха да манипулират пиезоелектрични материали за конкретно приложение на устройството, вместо да наблюдават свойствата на материалите и след това да търсят подходящи приложения на наблюдаваните свойства.
Това развитие позволи създаването на многосвързани с войната приложения на пиезоелектрически материали като ултрачувствителни микрофони, сонарни устройства с висока мощност, сонарни шамандури (малки шамандури с възможност за прослушване на хидрофон и радиопредаване за наблюдение на движението на океански плавателни съдове) и пиезо запалителни системи за едноцилиндрово запалване.
Пиезоелектрични кристали - какви са те?
По-долу е непълен списъкпиезоелектрични кристали с някои кратки описания за тяхното използване. По-късно ще обсъдим някои специфични приложения на най-често използваните пиезоелектрически материали.
Естествени кристали:
- Кварцът е стабилен кристал, използван в часовници и референтни честотни кристали за радиопредаватели,
- Захароза (трапезна захар)
- Сол Рошел - произвежда много напрежение при компресия; използвани в ранни кристални микрофони.
- Топаз,
- Турмалин,
- Берлинит (AlPO₄.) — рядък фосфатен минерал, структурно идентичен с кварца.
Техногенни кристали- галиев ортофосфат (GaPO₄), аналог на кварц и лангазит, аналог на кварц.
Пиезоелектрична керамика:
- Бариев титанат (BaTiO₃). Открита е първата пиезоелектрична керамика.
- Оловен титанат (PbTiO₃)
- Оловен цирконат титанат (PZT)
- Калиев ниобат (KNbO₃)
- Литиев ниобат (LiNbO₃)
- Литиев танталат (LiTaO₃)
- Натриев волфрамат (Na₂WO₄)
Безоловна пиезо керамика:
Следните материали са разработени в отговор на опасенията относно вредното въздействие на оловото върху околната среда.
- Натриев калиев ниобат (NaKNb). Този материал има свойства, подобни на PZT.
- Бисмутов ферит (BiFeO₃)
- Натриев ниобат (NaNbO₃)
Биологични пиезоелектрични материали:
- Сухожилие
- дърво
- Коприна
- Емайл
- Дентин
- Колаген
Приложения на пиезоелектрични материали
Пиезоелектричните материали се използват в много индустрии, включително:
- Производство
- Медицинско оборудване
- Телекомуникации
- Автомобилна индустрия
- Информационни технологии (ИТ)
Захранвания за високо напрежение:
- Електрически запалки.Когато натиснете бутон на запалката, бутонът предизвиква малък, пружинен чук, който удря пиезоелектричния кристал, създавайки ток с високо напрежение, който тече през процепа, за да нагрее и запали газа.
- Газови скари или печки и газови горелки. Те работят по същия начин като запалките, но в по-голям мащаб.
- Пиезоелектричен преобразувател. Използва се като множител на променливотоково напрежение в флуоресцентни лампи със студен катод.
Пиезоелектрични сензори
Ултразвукови преобразуватели се използват вежедневни медицински изображения. Преобразувателят е пиезоелектрично устройство, което действа едновременно като сензор и като задвижващ механизъм. Ултразвуковите преобразуватели съдържат пиезоелектричен елемент, който преобразува електрически сигнал в механични вибрации (режим на предаване или задвижващи компоненти) и механични вибрации в електрически сигнал (режим на приемане или сензорен компонент).
Пиезоелектричният елемент обикновено се нарязва на 1/2 желаната дължина на вълната на ултразвуковия преобразувател.
Други видове пиезоелектрични сензори включват:
- Пиезоелектрични микрофони.
- Пиезо пикапи за електро-акустични китари.
- Сонарни вълни. Звуковите вълни се генерират и приемат от пиезоелектричен елемент.
- Електронни барабанни накладки. Елементите откриват въздействието на пръчките на барабанистите върху подложките.
- Медицинска акселеромиография.Това се използва, когато човек е под анестезия и му се инжектират мускулни релаксанти. Пиезоелектричният елемент в акселеромиографа определя силата, която се появява в мускула след нервна стимулация.
Пиезоелектрични изпълнителни механизми
Едно от предимствата на пиезоелектрическите задвижващи механизмие, че високото напрежение на електрическото поле съответства на малки микрометърни промени в ширината на пиезоелектричния кристал. Тези микромаси правят пиезоелектричните кристали полезни като задвижващи механизми, когато се изисква точно позициониране на малки обекти, като например в следните устройства:
- Високоговорители
- Пиезоелектрични двигатели
- Лазерна електроника
- Мастиленоструйни принтери (кристали контролират отделянето на мастило от печатащата глава върху хартията)
- Дизелови двигатели
- Рентгенови капаци
Умни материали
Умните материали са широк клас материали,чиито свойства могат да се променят контролирано от външни влияния като рН, температура, химикали, приложено магнитно или електрическо поле или напрежение.
Пиезоелектричните материали отговарят на товадефиниция, тъй като приложеното напрежение създава напрежение в пиезоелектрическия материал и обратно, прилагането на външно напрежение също произвежда електричество в материала.
Допълнителни интелектуални материаливключват сплави с памет за форма, халохромни материали, магнитокалорични материали, термочувствителни полимери, фотоволтаични материали и много други.
Какво е бъдещето на пиезоелектрическите материали?
И така, какво следва за пиезоелектричните материали?бъдеще? Вълнуваща идея е, че пиезоелектричните нановлакнести материали могат да бъдат използвани в търговската мрежа като източник на енергия. Те разчитат на механична сила за генериране на електричество. Ето защо, ако ги поставите например на сензорен екран, те могат да действат като зарядно за устройство. Разбира се, част от създадената мощност отива за извършване на действие на сензорния екран. Но има възможност за създаване на допълнителни ресурси.
Двата най-популярни материала, използвани за наногенератори, са полимер поливинилиден флуорид(PVDF)и керамични Оловен цирконат титанат (PZT). PVDF показва по-високипиезоелектрични свойства в сравнение с други полимери. Това се дължи на неговата полярна кристална структура. PZT, от друга страна, също има кристална структура и е способен да генерира много по-високи напрежения от други пиезоелектрични материали за събиране на енергия. Освен това е механично по-силен, особено във формата на нанопровод.
Измисли индустриалният дизайнер Jung-Hoon Kimhasбрилянтната идея за използване на пиезоелектричество за задвижване на автомобил. Тези устройства, които зареждат батерии, получават енергия от вибрации, които възникват, когато автомобилът се движи. Тази технология не произвежда емисии и не зависи от изкопаемите горива, което я прави екологична.
Друг индустриален дизайнер, Пол Фригу,разработи мобилен телефон, който може да се зарежда сам! Моделът Zeri използва термоелектрически и пиезоелектрични системи. Първият използва температурни промени за генериране на заряд; второто са въздушните вибрации. Тези две функции правят вашия смартфон 100% екологичен.
Мексиканецът Алберто Виляреал създаде чифт обувки,което осветява пътя към собственика му. Използвайки кинетичната енергия на ходене или бягане, електролуминесцентните полимери могат да произвеждат светлина. Тези ефекти ще бъдат полезни за бегачите.
Следващата иновативна технология е в секторатаблетки. Използването на регенеративно въвеждане на сензорен екран може да е предпочитаният начин за зареждане на тези популярни джаджи. Средно (статистически) средният човек докосва сензорния екран 1000 пъти на ден. Това е повече от достатъчно мощност за захранване на таблета.
И накрая, може би най-интереснотопиезоелектрическа джаджа - душ. Проектиран от финландски, мексикански и немски инженери, той съдържа много малки наножици. Тези нанопроводи използват енергията на преминаващата вода, за да генерират електричество, което се използва за нагряване на водата. Устройството има и сензорни панели, които следят количеството използвана вода и отчитат времето, което потребителят прекарва под душа. Има и регулатор, който контролира налягането на водата.
Прочетете още
Физиците са създали аналог на черна дупка и са потвърдили теорията на Хокинг. Къде води?
Учените са открили митичната частица на Одерон
Най-мистериозният природен феномен. Откъде идва кълбовидната мълния и как е опасно?
Диелектрикът е вещество, което е относително лошопроводим електрически ток. Електрическите свойства на диелектриците се определят от способността им да поляризират във външно електрическо поле. Терминът е въведен в науката от английския физик М. Фарадей. Концентрацията на свободните носители на заряд в диелектрика не надвишава 10⁸ cm⁻³.