Piezoelektrisk effekt er effekten af polarisering af et dielektrikum under påvirkning af mekanisk
Med den direkte piezoelektriske effekt, deformationaf en piezoelektrisk prøve fører til udseendet af en elektrisk spænding mellem overfladerne på et deformerbart fast stof; i tilfælde af den inverse piezoelektriske effekt forårsager anvendelsen af en spænding på kroppen dens deformation.
Hvad er piezoelektriske materialer?
Piezoelektriske materialer er materialer, der har evnen til at generere en indre elektrisk ladning fra påført mekanisk belastning.
Flere naturligt forekommende stoffer udviser en piezoelektrisk effekt. Disse inkluderer:
- Knogle,
- Krystaller,
- Visse keramikker,
- DNA,
- Emalje,
- Silke,
- Dentin og mere.
Materialer, der demonstrererden piezoelektriske effekt udviser også den inverse piezoelektriske effekt (også kaldet invers eller invers piezoelektrisk effekt). Den inverse piezoelektriske effekt er den interne generering af mekanisk stress som reaktion på et anvendt elektrisk felt.
Historie af piezoelektriske materialer
Krystaller var det første anvendte materialei tidlige eksperimenter med piezoelektricitet. Curie-brødrene, Pierre og Jacques, beviste først den direkte piezoelektriske effekt i 1880. Forskere har udvidet deres praktiske viden om krystalstrukturer og pyroelektriske materialer (materialer, der genererer en elektrisk ladning som reaktion på temperaturændringer).
De målte overfladeladningerne for følgende specifikke krystaller, nemlig:
- Rør sukker
- Turmalin,
- Kvarts,
- Topaz,
- Rochelles salt (natrium-kaliumsalt af vinsyre),
Som et resultat var det kvarts og Rochelles salt, der viste de højeste piezoelektriske effekter.
Curie-brødrene forudsagde imidlertid ikke andet.piezoelektrisk effekt. Det blev matematisk afledt af Gabriel Lippmann i 1881. Curie bekræftede derefter effekten og fremlagde kvantitativ dokumentation for reversibiliteten af elektriske, elastiske og mekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller.
I 1910 var der 20 klasser af naturlige krystaller ihvor den piezoelektriske effekt observeres, blev fuldt ud bestemt og offentliggjort i Lehrbuch Der Kristallphysik - «Textbook of Crystal Physics». Men det forblev et lidt kendt og højteknologisk nicheområde inden for fysik uden tilsyneladende teknologiske eller kommercielle anvendelser.
Indtil krigen kom.
Verdenskrig
Første teknologiske anvendelsepiezoelektrisk materiale blev brugt som en ultralyds-ubådsdetektor. Plastdetektoren er lavet af en transducer (en enhed, der omdanner en type energi til en anden) og en hydrofon. Transduceren er lavet af tynde kvartskrystaller limet mellem to stålplader.
Ultralyds detektorens store succesubåde under krigen stimulerede den intensive teknologiske udvikling af piezoelektriske enheder. Efter første verdenskrig blev piezoelektrisk keramik brugt i fonografpatroner.
Anden verdenskrig
Brugen af piezoelektriske materialer avancerede markant under Anden Verdenskrig på grund af uafhængig forskning foretaget af Japan, Sovjetunionen og De Forenede Stater.
Især fremskridt med at forstå forholdetmellem krystalstruktur og elektromekanisk aktivitet sammen med andre fremskridt inden for forskning har fuldstændig ændret tilgangen til piezoelektrisk teknologi. For første gang var ingeniører i stand til at manipulere piezoelektriske materialer til en bestemt enhedsapplikation i stedet for at observere materialernes egenskaber og derefter lede efter passende anvendelser af de observerede egenskaber.
Denne udvikling tillod skabelsen af mangekrigsrelaterede anvendelser af piezoelektriske materialer som ultrafølsomme mikrofoner, højeffektive ekkoloddeapparater, ekkolodsbøjer (små bøjer med evnen til at lytte til en hydrofon og radiotransmission for at overvåge bevægelsen af havgående fartøjer) og piezo-tændingssystem til encylindret tænding.
Piezoelektriske krystaller - hvad er de?
Nedenfor er en ufuldstændig listepiezoelektriske krystaller med nogle korte beskrivelser af deres anvendelse. Vi vil diskutere nogle specifikke anvendelser af de mest almindeligt anvendte piezoelektriske materialer senere.
Naturligt forekommende krystaller:
- Kvarts er en stabil krystal, der anvendes i urkrystaller og frekvensreferencekrystaller til radiosendere,
- Saccharose (bordsukker)
- Rochelle salt - producerer en masse spændinger med kompression; bruges i tidlige krystalmikrofoner.
- Topaz,
- Turmalin,
- Berlinite (AlPO₄.) — et sjældent fosfatmineral strukturelt identisk med kvarts.
Teknogene krystaller- Galliumorthophosphat (GaPO₄), en analog af kvarts og langasit, en analog af kvarts.
Piezoelektrisk keramik:
- Bariumtitanat (BaTi02). Den første piezoelektriske keramik opdages.
- Blytitanat (PbTiO₃)
- Bly-zirkonat-titanat (PZT)
- Kaliumniobat (KNbO₃)
- Lithiumniobat (LiNbO₃)
- Lithiumtantalat (LiTaO₃)
- Natriumvolframat (Na₂WO₄)
Blyfri piezo-keramik:
Følgende materialer blev udviklet som reaktion på bekymring over blyens skadelige virkninger på miljøet.
- Natriumkaliumniobat (NaKNb). Dette materiale har egenskaber svarende til PZT.
- Bismuth ferrit (BiFeO₃)
- Natriumniobat (NaNbO2)
Biologiske piezoelektriske materialer:
- Sene
- Træ
- Silke
- Emalje
- Dentine
- Kollagen
Anvendelser af piezoelektriske materialer
Piezoelektriske materialer anvendes i mange industrier, herunder:
- Produktion
- Medicinsk udstyr
- Telekommunikation
- Bil industrien
- Informationsteknologi (IT)
Højspændingsforsyninger:
- Elektriske lightere.Når du trykker på knappen på tænderen, får knappen en lille, fjederbelastet hammer til at ramme den piezoelektriske krystal, hvilket skaber en højspændingsstrøm, der strømmer gennem hullet for at varme og antænde gassen.
- Gasgriller eller komfurer og gasbrændere. De fungerer på samme måde som lightere, men i større skala.
- Piezoelektrisk transducer. Det bruges som en vekselstrømsmultiplikator i fluorescerende lamper med kold katode.
Piezoelektriske sensorer
Ultralydstransducere bruges idaglig medicinsk billeddannelse. Transduceren er en piezoelektrisk enhed, der fungerer som både en sensor og en aktuator. Ultralydstransducere indeholder et piezoelektrisk element, der omdanner et elektrisk signal til mekanisk vibration (transmissionstilstand eller drevkomponenter) og mekanisk vibration til et elektrisk signal (modtagelsestilstand eller sensorkomponent).
Det piezoelektriske element skæres normalt til 1/2 af den ønskede bølgelængde for ultralydstransduceren.
Andre typer piezoelektriske sensorer inkluderer:
- Piezoelektriske mikrofoner.
- Piezo pickupper til elektroakustiske guitarer.
- Ekkolod bølger. Lydbølger genereres og modtages af et piezoelektrisk element.
- Elektroniske tromlepuder. Elementerne registrerer virkningen af trommeslagers pinde på puderne.
- Medicinsk acceleromyografi.Dette bruges, når en person er under anæstesi og injiceres med muskelafslappende midler. Det piezoelektriske element i acceleromyografen bestemmer den kraft, der opstår i muskelen efter nervestimulering.
Piezoelektriske aktuatorer
En af fordelene ved piezoelektriske aktuatorerer, at højspændingen i det elektriske felt svarer til små mikrometerændringer i bredden af den piezoelektriske krystal. Disse mikromasser gør piezoelektriske krystaller nyttige som aktuatorer, når der kræves præcis placering af små objekter, såsom i følgende enheder:
- Højttalere
- Piezoelektriske motorer
- Laserelektronik
- Inkjet-printere (krystaller styrer frigørelsen af blæk fra printhovedet på papiret)
- Dieselmotorer
- Røntgen skodder
Smarte materialer
Smarte materialer er en bred klasse af materialer,hvis egenskaber kan ændres på en kontrolleret måde af eksterne påvirkninger såsom pH, temperatur, kemikalier, påført magnetisk eller elektrisk felt eller spænding.
Piezoelektriske materialer overholder dettedefinition, fordi en anvendt spænding skaber en spænding i det piezoelektriske materiale, og omvendt, anvendelsen af en ekstern spænding producerer også elektricitet i materialet.
Yderligere intellektuelle materialerinkluderer formhukommelseslegeringer, halokrome materialer, magnetokaloriske materialer, varmefølsomme polymerer, solcellematerialer og mange andre.
Hvad ser fremtiden for piezoelektriske materialer ud?
Så hvad er det næste for piezoelektriske materialer?fremtid? Det er en spændende idé, at piezoelektriske nanofibermaterialer kan bruges kommercielt som energikilde. De er afhængige af mekanisk kraft til at generere elektricitet. Derfor, hvis du placerer dem for eksempel på en touchskærm, kan de fungere som en enhedsoplader. Selvfølgelig går noget af den skabte kraft til at udføre handlingen på touchskærmen. Men der er mulighed for at oprette yderligere ressourcer.
De to mest populære materialer, der bruges til nanogeneratorer, er polymer polyvinylidenfluorid(PVDF)og keramik Bly-zirkonat-titanat (PZT). PVDF demonstrerer højerepiezoelektriske egenskaber end andre polymerer. Dette skyldes dens polære krystalstruktur. PZT har på den anden side også en krystallinsk struktur og er i stand til at generere meget højere spændinger end andre piezoelektriske energihøstmaterialer. Det er også mekanisk stærkere, især i nanotrådform.
Industridesigner Jung-Hoon Kimhas kom påden geniale ide om at bruge piezoelektricitet til at drive en bil. Sådanne enheder, der oplader batterier, modtager energi fra vibrationer, der opstår, når bilen kører. Denne teknologi producerer ikke emissioner og er ikke afhængig af fossile brændstoffer, hvilket gør den miljøvenlig.
En anden industriel designer, Paul Frigu,udviklet en mobiltelefon, der kan oplades af sig selv! Zeri-modellen bruger termoelektriske og piezoelektriske systemer. Den første bruger temperaturændringer til at generere ladning; det andet er luftvibrationer. Disse to funktioner gør din smartphone 100% miljøvenlig.
Den mexicanske Alberto Villarreal skabte et par sko,som belyser stien til sin ejer. Ved hjælp af den kinetiske energi til at gå eller løbe kan elektroluminescerende polymerer producere lys. Disse effekter vil være nyttige for løbere.
Den næste innovative teknologi - i sektorentabletter. Brug af regenerativ touchscreen-input kan meget vel være den foretrukne måde at oplade disse populære gadgets på. I gennemsnit (statistisk) banker gennemsnittet på berøringsskærmen 1.000 gange om dagen. Dette er mere end nok strøm til at drive tabletten.
Endelig måske den mest interessantepiezoelektrisk gadget - brusebad. Designet af finske, mexicanske og tyske ingeniører, den indeholder mange små nanotråde. Disse nanotråde bruger energien fra det ledende vand til at generere elektricitet, som bruges til at opvarme vandet. Enheden har også berøringspaneler, der overvåger mængden af brugt vand og tæller den tid, brugeren bruger i brusebadet. Der er også en regulator, der styrer vandtrykket.
Læs mere
Fysikere har skabt en analog til et sort hul og bekræftet Hawkings teori. Hvor det fører hen?
Forskere har opdaget den mytiske partikel af Odderon
Det mest mystiske naturfænomen. Hvor kommer boldlyne fra, og hvordan er det farligt?
Dielektrisk er et stof, der er relativt dårligtledende elektrisk strøm. De elektriske egenskaber ved dielektrikum bestemmes af deres evne til at polarisere i et eksternt elektrisk felt. Udtrykket blev introduceret i videnskaben af den engelske fysiker M. Faraday. Koncentrationen af fri ladningsbærere i dielektrikumet overstiger ikke 10 cm3.