Piezoelektrický jev je účinek polarizace dielektrika pod vlivem mechanického
S přímým piezoelektrickým efektem, deformacípiezoelektrického vzorku vede k vzniku elektrického napětí mezi povrchy deformovatelného tělesa; v případě inverzního piezoelektrického jevu způsobí jeho napětí deformace.
Co jsou piezoelektrické materiály?
Piezoelektrické materiály jsou materiály, které mají schopnost generovat vnitřní elektrický náboj z aplikovaného mechanického namáhání.
Některé přirozeně se vyskytující látky vykazují piezoelektrický účinek. Tyto zahrnují:
- Kost,
- Krystaly,
- Určitá keramika,
- DNA,
- Smalt,
- Hedvábí,
- Dentin a další.
Materiály, které prokazujípiezoelektrický efekt také vykazuje inverzní piezoelektrický efekt (také nazývaný inverzní nebo inverzní piezoelektrický efekt). Inverzní piezoelektrický jev je vnitřní generování mechanického napětí v reakci na aplikované elektrické pole.
Historie piezoelektrických materiálů
Prvním použitým materiálem byly krystalyv raných experimentech s piezoelektricitou. Bratři Curie, Pierre a Jacques, poprvé prokázali přímý piezoelektrický efekt v roce 1880. Vědci rozšířili své praktické znalosti o krystalových strukturách a pyroelektrických materiálech (materiály, které generují elektrický náboj v reakci na změny teploty).
Měřili povrchové náboje následujících specifických krystalů, jmenovitě:
- Třtinový cukr
- Turmalín,
- Křemen,
- Topas,
- Rochellova sůl (sodno-draselná sůl kyseliny vinné),
Výsledkem bylo, že křemen a Rochellova sůl vykazovaly nejvyšší piezoelektrické účinky.
Bratři Curieovi však nepředpověděli opak.piezoelektrický jev. Matematicky to odvodil Gabriel Lippmann v roce 1881. Curie poté potvrdil účinek a poskytl kvantitativní důkaz reverzibility elektrických, elastických a mechanických deformací v piezoelektrických krystalech.
V roce 1910 existovalo 20 tříd přírodních krystalůve kterých je pozorován piezoelektrický jev, byly plně určeny a publikovány v Lehrbuch Der Kristallphysik - «Učebnice krystalové fyziky». Zůstala však málo známou a technologicky vyspělou specializovanou oblastí fyziky bez zjevných technologických nebo komerčních aplikací.
Než přišla válka.
Světová válka
První technologická aplikacepiezoelektrický materiál byl použit jako ultrazvukový detektor ponorek. Plastový detektor se skládá z převodníku (zařízení, které přeměňuje jeden typ energie na jiný) a hydrofonu. Převodník je vyroben z tenkých křemenných krystalů vlepených mezi dvě ocelové desky.
Obrovský úspěch ultrazvukového detektoruponorky během války stimulovaly intenzivní technologický rozvoj piezoelektrických zařízení. Po první světové válce se v kazetách fonografů používala piezoelektrická keramika.
Druhá světová válka
Použití piezoelektrických materiálů během druhé světové války významně pokročilo díky nezávislému výzkumu Japonska, SSSR a Spojených států.
Zejména pokrok v porozumění vztahumezi krystalovou strukturou a elektromechanickou aktivitou spolu s dalšími pokroky ve výzkumu zcela změnily přístup k piezoelektrické technologii. Poprvé byli inženýři schopni manipulovat s piezoelektrickými materiály pro konkrétní aplikaci zařízení, místo aby sledovali vlastnosti materiálů a poté hledali vhodné využití pozorovaných vlastností.
Tento vývoj umožnil vytvoření mnohaválečné aplikace piezoelektrických materiálů, jako jsou ultra citlivé mikrofony, vysoce výkonná sonarová zařízení, sonarové bóje (malé bóje se schopností poslouchat hydrofon a rádiový přenos pro sledování pohybu oceánských plavidel) a piezo zapalovací systémy pro jednoválcové zapalování.
Piezoelektrické krystaly - co to je?
Níže je neúplný seznampiezoelektrické krystaly s několika stručnými popisy jejich použití. O některých konkrétních aplikacích nejčastěji používaných piezoelektrických materiálů se budeme bavit později.
Přirozeně se vyskytující krystaly:
- Křemen je stabilní krystal používaný v hodinových krystalech a frekvenčních referenčních krystalech pro rádiové vysílače,
- Sacharóza (stolní cukr)
- Rochellova sůl - vytváří velké napětí při stlačení; používané v časných krystalových mikrofonech.
- Topas,
- Turmalín,
- Berlinit (AlPO₄.) — vzácný fosfátový minerál strukturně shodný s křemenem.
Technogenní krystaly- ortofosforečnan galia (GaPO₄), analog křemene a langasitu, analog křemene.
Piezoelektrická keramika:
- Titaničnan barnatý (BaTiO₃). Objevena první piezoelektrická keramika.
- Titaničitan olovnatý (PbTiO₃)
- Olovo zirkoničitan titaničitý (PZT)
- Niobát draselný (KNbO₃)
- Lithium niobát (LiNbO₃)
- Lithium tantalát (LiTaO₃)
- Wolframan sodný (Na₂WO₄)
Bezolovnatá piezo keramika:
Následující materiály byly vyvinuty v reakci na obavy ohledně škodlivých účinků olova na životní prostředí.
- Niobát sodný draselný (NaKNb). Tento materiál má vlastnosti podobné PZT.
- Ferit vizmutu (BiFeO₃)
- Niobát sodný (NaNbO₃)
Biologické piezoelektrické materiály:
- Šlacha
- Dřevo
- Hedvábí
- Smalt
- Zubař
- Kolagen
Aplikace piezoelektrických materiálů
Piezoelektrické materiály se používají v mnoha průmyslových odvětvích, včetně:
- Výroba
- Lékařské vybavení
- Telekomunikace
- Automobilový průmysl
- Informační technologie (IT)
Vysokonapěťové napájecí zdroje:
- Elektrické zapalovače.Když stisknete tlačítko na zapalovači, tlačítko způsobí, že malé pružinové kladivo zasáhne piezoelektrický krystal a vytvoří vysokonapěťový proud, který protéká mezerou, aby zahřál a zapálil plyn.
- Plynové grily nebo sporáky a plynové hořáky. Fungují stejně jako zapalovače, ale ve větším měřítku.
- Piezoelektrický měnič. Používá se jako multiplikátor střídavého napětí ve zářivkách se studenou katodou.
Piezoelektrické snímače
Ultrazvukové snímače se používají vkaždodenní lékařské zobrazování. Převodník je piezoelektrické zařízení, které funguje jako senzor i akční člen. Ultrazvukové měniče obsahují piezoelektrický prvek, který převádí elektrický signál na mechanické vibrace (režim přenosu nebo součásti pohonu) a mechanické vibrace na elektrický signál (režim příjmu nebo součást snímače).
Piezoelektrický prvek je obvykle snížen na 1/2 požadované vlnové délky ultrazvukového měniče.
Mezi další typy piezoelektrických senzorů patří:
- Piezoelektrické mikrofony.
- Piezo snímače pro elektroakustické kytary.
- Sonarové vlny. Zvukové vlny jsou generovány a přijímány piezoelektrickým prvkem.
- Elektronické bicí pads. Prvky detekují dopad holí bubeníků na destičky.
- Lékařská akceleromografie.Používá se, když je člověk v anestézii a injekčně jsou podávány svalové relaxanci. Piezoelektrický prvek v akcelerografu určuje sílu, která ve svalu nastane po nervové stimulaci.
Piezoelektrické ovladače
Jednou z výhod piezoelektrických akčních členůje, že vysoké napětí elektrického pole odpovídá nepatrným změnám mikrometrů v šířce piezoelektrického krystalu. Tyto mikromasy vytvářejí piezoelektrické krystaly užitečné jako akční členy, když je požadováno přesné umístění drobných předmětů, například v následujících zařízeních:
- Reproduktory
- Piezoelektrické motory
- Laserová elektronika
- Inkoustové tiskárny (krystaly řídí uvolňování inkoustu z tiskové hlavy na papír)
- Dieselové motory
- Rentgenové clony
Chytré materiály
Chytré materiály jsou široká třída materiálů,jejichž vlastnosti lze kontrolovaným způsobem měnit vnějšími vlivy, jako je pH, teplota, chemikálie, aplikované magnetické nebo elektrické pole nebo napětí.
Piezoelektrické materiály tomu vyhovujíDefinice, protože aplikované napětí vytváří napětí v piezoelektrickém materiálu a naopak aplikace externího napětí také produkuje elektřinu v materiálu.
Další intelektuální materiálypatří slitiny s tvarovou pamětí, halochromní materiály, magnetokalorické materiály, polymery citlivé na teplo, fotovoltaické materiály a mnoho dalších.
Jaká bude budoucnost piezoelektrických materiálů?
Co tedy s piezoelektrickými materiály dál?budoucnost? Je vzrušující myšlenka, že piezoelektrické nanovlákenné materiály by mohly být komerčně využívány jako zdroj energie. Při výrobě elektřiny se spoléhají na mechanickou sílu. Pokud je tedy umístíte například na dotykový displej, mohou fungovat jako nabíječka zařízení. Samozřejmě část vytvořené síly jde na provádění akce na dotykové obrazovce. Existuje však možnost vytvořit další zdroje.
Dva nejoblíbenější materiály používané pro nanogenerátory jsou polymer polyvinylidenfluorid(PVDF)a keramické Olovo zirkoničitan titaničitý (PZT). PVDF vykazuje vyššípiezoelektrické vlastnosti než jiné polymery. To je způsobeno jeho polární krystalovou strukturou. Na druhé straně PZT má také krystalickou strukturu a je schopen generovat mnohem vyšší napětí než jiné materiály pro získávání piezoelektrické energie. Je také mechanicky pevnější, zejména ve formě nanodrátů.
Průmyslový designér Jung-Hoon Kimhas přišel sskvělá myšlenka použití piezoelektřiny k pohonu automobilu. Taková zařízení, která nabíjejí baterie, přijímají energii z vibrací, ke kterým dochází při pohybu automobilu. Tato technologie neprodukuje emise a nezávisí na fosilních palivech, díky čemuž je šetrná k životnímu prostředí.
Další průmyslový designér, Paul Frigu,vyvinul mobilní telefon, který lze nabíjet sám! Model Zeri používá termoelektrické a piezoelektrické systémy. První používá ke generování náboje změny teploty; druhým jsou vibrace vzduchu. Díky těmto dvěma funkcím je váš smartphone stoprocentně šetrný k životnímu prostředí.
Mexičan Alberto Villarreal vytvořil boty,který osvětluje cestu k jeho majiteli. Pomocí kinetické energie chůze nebo běhu mohou elektroluminiscenční polymery produkovat světlo. Tyto efekty budou užitečné pro běžce.
Další inovativní technologie je v tomto odvětvítablety. Používání regenerativního vstupu na dotykové obrazovce může být upřednostňovaným způsobem nabíjení těchto oblíbených gadgetů. V průměru (statisticky) průměrný člověk klepne na dotykovou obrazovku 1 000krát denně. To je více než dost energie na napájení tabletu.
Nakonec možná nejzajímavějšípiezoelektrický přístroj - sprcha. Byl navržen finskými, mexickými a německými inženýry a obsahuje mnoho drobných nanodrátů. Tyto nanodráty využívají energii procházející vody k výrobě elektřiny, která se používá k ohřevu vody. Zařízení má také dotykové panely, které monitorují množství použité vody a počítají čas, který uživatel stráví ve sprše. K dispozici je také regulátor, který řídí tlak vody.
Přečtěte si více
Fyzici vytvořili analogii černé díry a potvrdili Hawkingovu teorii. Kam to vede?
Vědci objevili mýtickou částici Odderonu
Nejzáhadnější přírodní úkaz. Odkud pochází blesk a jak je nebezpečný?
Dielektrikum je látka, která je relativně špatnávodivý elektrický proud. Elektrické vlastnosti dielektrik jsou určeny jejich schopností polarizovat ve vnějším elektrickém poli. Termín zavedl do vědy anglický fyzik M. Faraday. Koncentrace nosičů volného náboje v dielektriku nepřesahuje 10⁸ cm⁻³.