Der piezoelektrische Effekt ist der Effekt der Polarisation eines Dielektrikums unter mechanischem Einfluss
Mit dem direkten piezoelektrischen Effekt Verformungeiner piezoelektrischen Probe führt zum Auftreten einer elektrischen Spannung zwischen den Oberflächen eines verformbaren Feststoffs, im Fall des inversen piezoelektrischen Effekts verursacht das Anlegen einer Spannung an den Körper dessen Verformung.
Was sind piezoelektrische Materialien?
Piezoelektrische Materialien sind Materialien, die die Fähigkeit besitzen, durch angelegte mechanische Spannung eine interne elektrische Ladung zu erzeugen.
Bestimmte natürlich vorkommende Substanzen zeigen einen piezoelektrischen Effekt. Diese schließen ein:
- Knochen,
- Kristalle,
- Bestimmte Keramiken,
- DNA,
- Emaille,
- Seide,
- Dentin und mehr.
Materialien, die demonstrierenDer piezoelektrische Effekt zeigt auch den inversen piezoelektrischen Effekt (auch als inverser oder inverser piezoelektrischer Effekt bezeichnet). Der inverse piezoelektrische Effekt ist die interne Erzeugung mechanischer Spannungen als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld.
Geschichte piezoelektrischer Materialien
Kristalle waren das erste verwendete Materialin frühen Experimenten mit Piezoelektrizität. Die Curie-Brüder Pierre und Jacques haben erstmals 1880 den direkten piezoelektrischen Effekt nachgewiesen. Wissenschaftler haben ihr praktisches Wissen über Kristallstrukturen und pyroelektrische Materialien (Materialien, die als Reaktion auf Temperaturänderungen eine elektrische Ladung erzeugen) erweitert.
Sie haben die Oberflächenladungen der folgenden spezifischen Kristalle gemessen, nämlich:
- Rohrzucker
- Turmalin,
- Quarz,
- Topas,
- Rochelles Salz (Natrium-Kalium-Salz der Weinsäure),
Infolgedessen zeigten Quarz und Rochelles Salz die höchsten piezoelektrischen Effekte.
Die Curie-Brüder sagten jedoch nichts anderes voraus.piezoelektrischer Effekt. Es wurde 1881 von Gabriel Lippmann mathematisch abgeleitet. Curie bestätigte dann den Effekt und lieferte quantitative Belege für die Reversibilität elektrischer, elastischer und mechanischer Verformungen in piezoelektrischen Kristallen.
Bis 1910 gab es 20 Klassen natürlicher Kristallein denen der piezoelektrische Effekt beobachtet wird, wurden vollständig ermittelt und im Lehrbuch Der Kristallphysik veröffentlicht. Aber es blieb ein wenig bekanntes und hochtechnologisches Nischengebiet der Physik ohne erkennbare technologische oder kommerzielle Anwendungen.
Bis der Krieg kam.
Weltkrieg
Erste technologische AnwendungAls Ultraschall-U-Boot-Detektor wurde piezoelektrisches Material verwendet. Der Kunststoffdetektor besteht aus einem Wandler (einem Gerät, das eine Energieart in eine andere umwandelt) und einem Hydrophon. Der Wandler besteht aus dünnen Quarzkristallen, die zwischen zwei Stahlplatten geklebt sind.
Der große Erfolg des UltraschalldetektorsU-Boote während des Krieges stimulierten die intensive technologische Entwicklung piezoelektrischer Geräte. Nach dem Ersten Weltkrieg wurden piezoelektrische Keramiken in Schallplattenpatronen verwendet.
Zweiter Weltkrieg
Die Verwendung von piezoelektrischen Materialien wurde im Zweiten Weltkrieg aufgrund unabhängiger Forschungen Japans, der UdSSR und der Vereinigten Staaten erheblich vorangetrieben.
Insbesondere Fortschritte beim Verständnis der Beziehungzwischen Kristallstruktur und elektromechanischer Aktivität sowie anderen Fortschritten in der Forschung haben den Ansatz der piezoelektrischen Technologie völlig verändert. Zum ersten Mal konnten Ingenieure piezoelektrische Materialien für eine bestimmte Geräteanwendung manipulieren, anstatt die Eigenschaften der Materialien zu beobachten und dann nach geeigneten Verwendungen der beobachteten Eigenschaften zu suchen.
Diese Entwicklung ermöglichte die Schaffung vielerKriegsbedingte Anwendungen von piezoelektrischen Materialien wie hochempfindlichen Mikrofonen, Hochleistungssonargeräten, Sonarbojen (kleine Bojen mit der Fähigkeit, ein Hydrophon zu hören, und Funkübertragung, um die Bewegung von Seeschiffen zu überwachen) und Piezo-Zündsystemen für Einzylinderzündung.
Piezoelektrische Kristalle - was sind sie?
Unten ist eine unvollständige Listepiezoelektrische Kristalle mit einigen kurzen Beschreibungen ihrer Verwendung. Wir werden später einige spezifische Anwendungen der am häufigsten verwendeten piezoelektrischen Materialien diskutieren.
Natürlich vorkommende Kristalle:
- Quarz ist ein stabiler Kristall, der in Taktkristallen und Frequenzreferenzkristallen für Funksender verwendet wird.
- Saccharose (Haushaltszucker)
- Rochellesalz - erzeugt durch Kompression viel Spannung; verwendet in frühen Kristallmikrofonen.
- Topas,
- Turmalin,
- Berlinit (AlPO₄.) – ein seltenes Phosphatmineral, dessen Struktur mit Quarz identisch ist.
Technogene Kristalle- Galliumorthophosphat (GaPO₄), ein Analogon von Quarz und Langasit, ein Analogon von Quarz.
Piezoelektrische Keramik:
- Bariumtitanat (BaTiO₃). Die erste piezoelektrische Keramik wird entdeckt.
- Bleititanat (PbTiO₃)
- Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)
- Kaliumniobat (KNbO₃)
- Lithiumniobat (LiNbO₃)
- Lithiumtantalat (LiTaO₃)
- Natriumwolframat (Na₂WO₄)
Bleifreie Piezokeramik:
Die folgenden Materialien wurden als Reaktion auf Bedenken hinsichtlich der schädlichen Auswirkungen von Blei auf die Umwelt entwickelt.
- Natriumkaliumniobat (NaKNb). Dieses Material hat ähnliche Eigenschaften wie PZT.
- Wismutferrit (BiFeO₃)
- Natriumniobat (NaNbO₃)
Biologische piezoelektrische Materialien:
- Sehne
- Holz
- Seide
- Emaille
- Dentin
- Kollagen
Anwendungen von piezoelektrischen Materialien
Piezoelektrische Materialien werden in vielen Branchen verwendet, darunter:
- Produktion
- Medizinische Ausrüstung
- Telekommunikation
- Automobilindustrie
- Informationstechnologie (IT)
Hochspannungsnetzteile:
- Elektrische Feuerzeuge.Wenn Sie den Knopf am Feuerzeug drücken, schlägt ein kleiner, federbelasteter Hammer auf den piezoelektrischen Kristall und erzeugt einen Hochspannungsstrom, der durch den Spalt fließt, um das Gas zu erwärmen und zu entzünden.
- Gasgrills oder Öfen und Gasbrenner. Sie funktionieren genauso wie Feuerzeuge, jedoch in größerem Maßstab.
- Piezoelektrischer Wandler. Es wird als Wechselspannungsvervielfacher in Kaltkathoden-Leuchtstofflampen verwendet.
Piezoelektrische Sensoren
Ultraschallwandler werden in verwendetalltägliche medizinische Bildgebung. Der Wandler ist eine piezoelektrische Vorrichtung, die sowohl als Sensor als auch als Aktuator fungiert. Ultraschallwandler enthalten ein piezoelektrisches Element, das ein elektrisches Signal in mechanische Schwingung (Übertragungsmodus oder Antriebskomponenten) und mechanische Schwingung in ein elektrisches Signal (Empfangsmodus oder Sensorkomponente) umwandelt.
Das piezoelektrische Element wird üblicherweise auf die Hälfte der gewünschten Wellenlänge des Ultraschallwandlers geschnitten.
Andere Arten von piezoelektrischen Sensoren umfassen:
- Piezoelektrische Mikrofone.
- Piezo-Tonabnehmer für elektroakustische Gitarren.
- Sonarwellen. Schallwellen werden von einem piezoelektrischen Element erzeugt und empfangen.
- Elektronische Drum-Pads. Die Elemente erkennen den Aufprall von Schlagzeugstöcken auf die Pads.
- Medizinische Beschleunigungsmessung.Dies wird verwendet, wenn eine Person unter Narkose steht und Muskelrelaxantien injiziert werden. Das piezoelektrische Element im Beschleunigungsmessgerät bestimmt die Kraft, die nach Nervenstimulation im Muskel auftritt.
Piezoaktoren
Einer der Vorteile von Piezoaktorenist, dass die hohe Spannung des elektrischen Feldes winzigen Mikrometeränderungen in der Breite des piezoelektrischen Kristalls entspricht. Diese Mikromassen machen piezoelektrische Kristalle als Aktuatoren nützlich, wenn eine präzise Positionierung winziger Objekte erforderlich ist, beispielsweise bei folgenden Geräten:
- Lautsprecher
- Piezoelektrische Motoren
- Laserelektronik
- Tintenstrahldrucker (Kristalle steuern die Freisetzung von Tinte vom Druckkopf auf das Papier)
- Dieselmotoren
- Röntgenverschlüsse
Intelligente Materialien
Intelligente Materialien sind eine breite Klasse von Materialien.deren Eigenschaften können durch äußere Einflüsse wie pH-Wert, Temperatur, Chemikalien, angelegtes magnetisches oder elektrisches Feld oder Spannung kontrolliert verändert werden.
Piezoelektrische Materialien erfüllen diesDefinition, weil eine angelegte Spannung eine Spannung im piezoelektrischen Material erzeugt und umgekehrt das Anlegen einer externen Spannung auch Elektrizität im Material erzeugt.
Zusätzliches intellektuelles Materialumfassen Formgedächtnislegierungen, halochrome Materialien, magnetokalorische Materialien, wärmeempfindliche Polymere, photovoltaische Materialien und viele andere.
Was hält die Zukunft für piezoelektrische Materialien bereit?
Wie geht es also mit piezoelektrischen Materialien weiter?Zukunft? Es ist eine spannende Idee, dass piezoelektrische Nanofasermaterialien kommerziell als Energiequelle genutzt werden könnten. Sie sind auf mechanische Kraft angewiesen, um Strom zu erzeugen. Wenn Sie sie beispielsweise auf einem Touchscreen platzieren, können sie als Geräteladegerät fungieren. Natürlich fließt ein Teil der erzeugten Energie in die Ausführung der Aktion auf dem Touchscreen. Es besteht jedoch die Möglichkeit, zusätzliche Ressourcen zu erstellen.
Die beiden beliebtesten Materialien für Nanogeneratoren sind Polymere und Polymere.Polyvinylidenfluorid(PVDF)und Keramik Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). PVDF weist eine höhere Leistung aufpiezoelektrische Eigenschaften als andere Polymere. Dies liegt an seiner polaren Kristallstruktur. PZT hingegen hat ebenfalls eine kristalline Struktur und ist in der Lage, viel höhere Spannungen zu erzeugen als andere piezoelektrische Energiegewinnungsmaterialien. Es ist auch mechanisch stärker, insbesondere in Nanodrahtform.
Der Industriedesigner Jung-Hoon Kimhas hat sich das ausgedachtdie geniale Idee, mit Piezoelektrizität ein Auto anzutreiben. Solche Geräte, die Batterien laden, erhalten Energie aus Vibrationen, die auftreten, wenn sich das Auto bewegt. Diese Technologie verursacht keine Emissionen und ist nicht von fossilen Brennstoffen abhängig, was sie umweltfreundlich macht.
Ein anderer Industriedesigner, Paul Frigu,hat ein Handy entwickelt, das selbst aufgeladen werden kann! Das Zeri-Modell verwendet thermoelektrische und piezoelektrische Systeme. Der erste verwendet Temperaturänderungen, um Ladung zu erzeugen; Das zweite sind Luftschwingungen. Diese beiden Funktionen machen Ihr Smartphone 100% umweltfreundlich.
Der Mexikaner Alberto Villarreal kreierte ein Paar Schuhe,das beleuchtet den Weg zu seinem Besitzer. Mit der kinetischen Energie des Gehens oder Laufens können elektrolumineszierende Polymere Licht erzeugen. Diese Effekte sind für Läufer nützlich.
Die nächste innovative Technologie ist in der BrancheTablets. Die Verwendung einer regenerativen Touchscreen-Eingabe ist möglicherweise die bevorzugte Methode zum Aufladen dieser beliebten Geräte. Im Durchschnitt (statistisch) tippt die durchschnittliche Person 1.000 Mal am Tag auf den Touchscreen. Dies ist mehr als genug Leistung, um das Tablet mit Strom zu versorgen.
Schließlich vielleicht das interessantestepiezoelektrisches Gerät - Dusche. Es wurde von finnischen, mexikanischen und deutschen Ingenieuren entworfen und enthält viele winzige Nanodrähte. Diese Nanodrähte nutzen die Energie des fließenden Wassers zur Erzeugung von Elektrizität, die zur Erwärmung des Wassers verwendet wird. Das Gerät verfügt außerdem über Touchpanels, die den Wasserverbrauch überwachen und die Zeit zählen, die der Benutzer unter der Dusche verbringt. Es gibt auch einen Regler, der den Wasserdruck regelt.
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Dielektrikum ist eine Substanz, die relativ schlecht istleitender elektrischer Strom. Die elektrischen Eigenschaften von Dielektrika werden durch ihre Polarisationsfähigkeit in einem externen elektrischen Feld bestimmt. Der Begriff wurde vom englischen Physiker M. Faraday in die Wissenschaft eingeführt. Die Konzentration an freien Ladungsträgern im Dielektrikum überschreitet 10⁸ cm⁻³ nicht.