Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η επίδραση της πόλωσης ενός διηλεκτρικού υπό την επίδραση μηχανικής
Με το άμεσο πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα, παραμόρφωσηενός πιεζοηλεκτρικού δείγματος οδηγεί στην εμφάνιση ηλεκτρικής τάσης μεταξύ των επιφανειών ενός παραμορφώσιμου στερεού · στην περίπτωση του αντίστροφου πιεζοηλεκτρικού αποτελέσματος, η εφαρμογή μιας τάσης στο σώμα προκαλεί την παραμόρφωση του.
Τι είναι τα πιεζοηλεκτρικά υλικά;
Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά είναι υλικά που έχουν την ικανότητα να δημιουργούν εσωτερικό ηλεκτρικό φορτίο από την εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση.
Ορισμένες φυσικές ουσίες εμφανίζουν πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα. Αυτά περιλαμβάνουν:
- Οστό,
- Κρύσταλλα,
- Ορισμένα κεραμικά,
- DNA,
- Σμάλτο,
- Μετάξι,
- Dentin και άλλα.
Υλικά που αποδεικνύουντο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο εμφανίζει επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα (ονομάζεται επίσης αντίστροφο ή αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα). Το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα είναι η εσωτερική παραγωγή μηχανικής τάσης σε απόκριση σε ένα εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο.
Ιστορία πιεζοηλεκτρικών υλικών
Τα κρύσταλλα ήταν το πρώτο υλικό που χρησιμοποιήθηκεσε πρώιμα πειράματα με πιεζοηλεκτρική ενέργεια. Οι αδελφοί Curie, Pierre και Jacques, απέδειξαν για πρώτη φορά το άμεσο πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα το 1880. Οι επιστήμονες έχουν επεκτείνει τις πρακτικές γνώσεις τους σχετικά με τις κρυσταλλικές δομές και τα πυροηλεκτρικά υλικά (υλικά που παράγουν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στις αλλαγές θερμοκρασίας)
Μετρήθηκαν τα επιφανειακά φορτία των ακόλουθων συγκεκριμένων κρυστάλλων, συγκεκριμένα:
- Ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο
- Είδος πολύτιμου λίθου,
- Χαλαζίας,
- Τοπάζι,
- Αλάτι Rochelle (άλας νατρίου-καλίου τρυγικού οξέος),
Ως αποτέλεσμα, το χαλαζία και το αλάτι του Ροσέλ έδειξαν τα υψηλότερα πιεζοηλεκτρικά αποτελέσματα.
Ωστόσο, τα αδέρφια Curie δεν προέβλεπαν διαφορετικά.πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα. Προήλθε μαθηματικά από τον Gabriel Lippmann το 1881. Στη συνέχεια, η Curie επιβεβαίωσε το αποτέλεσμα και παρείχε ποσοτικά στοιχεία για την αντιστρεψιμότητα ηλεκτρικών, ελαστικών και μηχανικών παραμορφώσεων σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους.
Μέχρι το 1910, υπήρχαν 20 κατηγορίες φυσικών κρυστάλλωνστο οποίο παρατηρείται το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο προσδιορίστηκαν πλήρως και δημοσιεύθηκαν στο Lehrbuch Der Kristallphysik - «Textbook of Crystal Physics». Ωστόσο, παρέμεινε μια ελάχιστα γνωστή και υψηλής τεχνολογίας εξειδικευμένη περιοχή της φυσικής χωρίς εμφανείς τεχνολογικές ή εμπορικές εφαρμογές.
Μέχρι να έρθει ο πόλεμος.
Παγκόσμιος πόλεμος
Πρώτη τεχνολογική εφαρμογήπιεζοηλεκτρικό υλικό χρησιμοποιήθηκε ως υπερηχητικός ανιχνευτής υποβρυχίων. Ο πλαστικός ανιχνευτής αποτελείται από έναν μορφοτροπέα (μια συσκευή που μετατρέπει έναν τύπο ενέργειας σε άλλο) και ένα υδρόφωνο. Ο μορφοτροπέας είναι κατασκευασμένος από λεπτούς κρυστάλλους χαλαζία κολλημένους ανάμεσα σε δύο χαλύβδινες πλάκες.
Η τεράστια επιτυχία του ανιχνευτή υπερήχωντα υποβρύχια κατά τη διάρκεια του πολέμου τόνισαν την εντατική τεχνολογική ανάπτυξη των πιεζοηλεκτρικών συσκευών. Μετά τον Α 'Παγκόσμιο Πόλεμο, τα πιεζοηλεκτρικά κεραμικά χρησιμοποιήθηκαν σε κασέτες φωνογράφων.
Ο δεύτερος Παγκόσμιος πόλεμος
Η χρήση πιεζοηλεκτρικών υλικών προχώρησε σημαντικά κατά τη διάρκεια του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου λόγω ανεξάρτητης έρευνας από την Ιαπωνία, την ΕΣΣΔ και τις Ηνωμένες Πολιτείες.
Συγκεκριμένα, οι εξελίξεις στην κατανόηση της σχέσηςμεταξύ της κρυσταλλικής δομής και της ηλεκτρομηχανικής δραστηριότητας, μαζί με άλλες εξελίξεις στην έρευνα, έχουν αλλάξει εντελώς την προσέγγιση της πιεζοηλεκτρικής τεχνολογίας. Για πρώτη φορά, οι μηχανικοί μπόρεσαν να χειριστούν πιεζοηλεκτρικά υλικά για μια συγκεκριμένη εφαρμογή συσκευής, αντί να παρατηρήσουν τις ιδιότητες των υλικών και στη συνέχεια να αναζητήσουν κατάλληλες χρήσεις των παρατηρούμενων ιδιοτήτων.
Αυτή η εξέλιξη επέτρεψε τη δημιουργία πολλώνεφαρμογές που σχετίζονται με τον πόλεμο πιεζοηλεκτρικών υλικών όπως εξαιρετικά ευαίσθητα μικρόφωνα, συσκευές σόναρ υψηλής ισχύος, σημαντήρες σόναρ (μικροί σημαντήρες με δυνατότητα ακρόασης μετάδοσης υδροφώνου και ραδιοφώνου για την παρακολούθηση της κίνησης των θαλάσσιων σκαφών) και των συστημάτων ανάφλεξης πιεζοηλεκτρικών για μονοκύλινδρη ανάφλεξη.
Πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι - τι είναι;
Παρακάτω είναι μια ελλιπής λίσταπιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι με μερικές σύντομες περιγραφές της χρήσης τους. Θα συζητήσουμε αργότερα μερικές συγκεκριμένες εφαρμογές των πιο συχνά χρησιμοποιούμενων πιεζοηλεκτρικών υλικών.
Φυσικά απαντώμενοι κρύσταλλοι:
- Ο χαλαζίας είναι ένας σταθερός κρύσταλλος που χρησιμοποιείται σε κρυστάλλους ρολογιού και κρύσταλλοι αναφοράς συχνότητας για ραδιοπομπούς,
- Σακχαρόζη (επιτραπέζια ζάχαρη)
- Rochelle salt - παράγει μεγάλη ένταση με συμπίεση. χρησιμοποιείται στα μικρόφωνα πρώιμου κρυστάλλου.
- Τοπάζι,
- Είδος πολύτιμου λίθου,
- Μπερλινίτης (AlPO4.) — ένα σπάνιο φωσφορικό ορυκτό δομικά πανομοιότυπο με τον χαλαζία.
Τεχνογόνοι κρύσταλλοι- Ορθοφωσφορικό γάλλιο (GaPO₄), ανάλογο χαλαζία και langasite, ανάλογο χαλαζία.
Πιεζοηλεκτρικά κεραμικά:
- Τιτανικό βάριο (BaTiO₃). Ανακαλύπτεται το πρώτο πιεζοηλεκτρικό κεραμικό.
- Τιτανικό μόλυβδο (PbTiO₃)
- Τιτανικό μόλυβδο Zirconate (PZT)
- Νιοβικό κάλιο (KNbO₃)
- Νιοβικό λίθιο (LiNbO₃)
- Τανταλικό λίθιο (LiTaO₃)
- Βολφράμιο νατρίου (Na₂WO₂)
Κεραμικά πιεζο χωρίς μόλυβδο:
Τα ακόλουθα υλικά αναπτύχθηκαν ως απάντηση στις ανησυχίες σχετικά με τις επιβλαβείς επιπτώσεις του μολύβδου στο περιβάλλον.
- Νιοβικό κάλιο νατρίου (NaKNb). Αυτό το υλικό έχει ιδιότητες παρόμοιες με το PZT.
- Φερρίτης βισμούθιου (BiFeO₃)
- Νιοβικό νάτριο (NaNbO₃)
Βιολογικά πιεζοηλεκτρικά υλικά:
- Τένοντας
- Ξύλο
- Μετάξι
- Σμάλτο
- Οδοντιατρική
- Κολλαγόνο
Εφαρμογές πιεζοηλεκτρικών υλικών
Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά χρησιμοποιούνται σε πολλές βιομηχανίες, όπως:
- Παραγωγή
- Ιατρικός εξοπλισμός
- Τηλεπικοινωνίες
- Αυτοκινητοβιομηχανία
- Πληροφορική (IT)
Τροφοδοτικά υψηλής τάσης:
- Ηλεκτρικοί αναπτήρες.Όταν πατάτε το κουμπί στον αναπτήρα, το κουμπί προκαλεί ένα μικρό, ελατηριωτό σφυρί να χτυπήσει τον πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο, δημιουργώντας ένα ρεύμα υψηλής τάσης που ρέει μέσω του κενού για να θερμανθεί και να ανάψει το αέριο.
- Γκριλ αερίου ή σόμπες και καυστήρες αερίου Λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο όπως αναπτήρες, αλλά σε μεγαλύτερη κλίμακα.
- Πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας. Χρησιμοποιείται ως πολλαπλασιαστής τάσης AC σε λαμπτήρες φθορισμού ψυχρής καθόδου.
Πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες
Οι υπερηχητικοί μετατροπείς χρησιμοποιούνται σεκαθημερινή ιατρική απεικόνιση. Ο μετατροπέας είναι μια πιεζοηλεκτρική συσκευή που λειτουργεί τόσο ως αισθητήρας όσο και ως ενεργοποιητής. Οι υπερηχητικοί μετατροπείς περιέχουν ένα πιεζοηλεκτρικό στοιχείο που μετατρέπει ένα ηλεκτρικό σήμα σε μηχανική δόνηση (λειτουργία μετάδοσης ή εξαρτήματα κίνησης) και μηχανική δόνηση σε ηλεκτρικό σήμα (λειτουργία λήψης ή στοιχείο αισθητήρα).
Το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο κόβεται συνήθως στο 1/2 του επιθυμητού μήκους κύματος του μετατροπέα υπερήχων.
Άλλοι τύποι πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων περιλαμβάνουν:
- Πιεζοηλεκτρικά μικρόφωνα.
- Piezo pickup για ηλεκτροακουστικές κιθάρες.
- Κύματα σόναρ. Τα ηχητικά κύματα δημιουργούνται και λαμβάνονται από ένα πιεζοηλεκτρικό στοιχείο.
- Ηλεκτρονικά ταμπούρα. Τα στοιχεία ανιχνεύουν την επίδραση των μπαστούνι των ντράμερ στα τακάκια.
- Ιατρική επιταχυνιογραφία.Αυτό χρησιμοποιείται όταν ένα άτομο είναι υπό αναισθησία και εγχέεται μυοχαλαρωτικά. Το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο στον επιταχυνσιογράφημα καθορίζει τη δύναμη που εμφανίζεται στον μυ μετά από διέγερση των νεύρων.
Πιεζοηλεκτρικοί ενεργοποιητές
Ένα από τα πλεονεκτήματα των πιεζοηλεκτρικών ενεργοποιητώνείναι ότι η υψηλή τάση του ηλεκτρικού πεδίου αντιστοιχεί σε μικροσκοπικές μικρομετρικές αλλαγές στο πλάτος του πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου. Αυτές οι μικρο-μάζες κάνουν τους πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους χρήσιμους ως ενεργοποιητές όταν απαιτείται ακριβής τοποθέτηση μικροσκοπικών αντικειμένων, όπως στις ακόλουθες συσκευές:
- Ηχεία
- Πιεζοηλεκτρικοί κινητήρες
- Ηλεκτρονικά λέιζερ
- Εκτυπωτές Inkjet (οι κρύσταλλοι ελέγχουν την απελευθέρωση μελανιού από την κεφαλή εκτύπωσης στο χαρτί)
- Κινητήρες ντίζελ
- Παραθυρόφυλλα ακτίνων Χ
Έξυπνα υλικά
Τα έξυπνα υλικά είναι μια ευρεία κατηγορία υλικών,των οποίων οι ιδιότητες μπορούν να αλλάξουν με ελεγχόμενο τρόπο από εξωτερικές επιδράσεις όπως pH, θερμοκρασία, χημικά, εφαρμοσμένο μαγνητικό ή ηλεκτρικό πεδίο ή τάση.
Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά συμμορφώνονται με αυτόορισμός, επειδή η εφαρμοζόμενη τάση δημιουργεί τάση στο πιεζοηλεκτρικό υλικό, και αντίστροφα, η εφαρμογή εξωτερικής τάσης παράγει επίσης ηλεκτρική ενέργεια στο υλικό.
Πρόσθετο πνευματικό υλικόπεριλαμβάνουν κράματα μνήμης σχήματος, αλοχρωματικά υλικά, μαγνητοκαλωρικά υλικά, θερμοευαίσθητα πολυμερή, φωτοβολταϊκά υλικά και πολλά άλλα.
Τι ισχύει το μέλλον για πιεζοηλεκτρικά υλικά;
Τι ακολουθεί λοιπόν για τα πιεζοηλεκτρικά υλικά;μελλοντικός? Είναι μια συναρπαστική ιδέα ότι τα πιεζοηλεκτρικά υλικά από νανοΐνες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν εμπορικά ως πηγή ενέργειας. Βασίζονται στη μηχανική δύναμη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Επομένως, εάν τα τοποθετήσετε, για παράδειγμα, σε μια οθόνη αφής, μπορούν να λειτουργήσουν ως φορτιστής συσκευής. Φυσικά, μέρος της δύναμης που δημιουργείται πηγαίνει στην εκτέλεση της ενέργειας στην οθόνη αφής. Αλλά υπάρχει μια επιλογή για τη δημιουργία πρόσθετων πόρων.
Τα δύο πιο δημοφιλή υλικά που χρησιμοποιούνται για νανογεννήτριες είναι το πολυμερές φθοριούχο πολυβινυλιδένιο(PVDF)και κεραμικά Τιτανικό μόλυβδο Zirconate (PZT). Το PVDF δείχνει υψηλότεροπιεζοηλεκτρικές ιδιότητες από άλλα πολυμερή. Αυτό οφείλεται στην πολική κρυσταλλική δομή του. Το PZT, από την άλλη πλευρά, έχει επίσης κρυσταλλική δομή και είναι ικανό να παράγει πολύ υψηλότερες τάσεις από άλλα υλικά συλλογής πιεζοηλεκτρικής ενέργειας. Είναι επίσης μηχανικά ισχυρότερο, ειδικά σε μορφή νανοσύρματος.
Ο βιομηχανικός σχεδιαστής Jung-Hoon Kimhas ήρθε μεη λαμπρή ιδέα της χρήσης πιεζοηλεκτρικής ενέργειας για την τροφοδοσία ενός αυτοκινήτου. Τέτοιες συσκευές, οι οποίες φορτίζουν μπαταρίες, λαμβάνουν ενέργεια από δονήσεις που συμβαίνουν όταν το αυτοκίνητο κινείται. Αυτή η τεχνολογία δεν παράγει εκπομπές και δεν εξαρτάται από ορυκτά καύσιμα, γεγονός που την καθιστά φιλική προς το περιβάλλον.
Ένας άλλος βιομηχανικός σχεδιαστής, ο Paul Frigu,ανέπτυξε ένα κινητό τηλέφωνο που μπορεί να φορτιστεί από μόνο του! Το μοντέλο Zeri χρησιμοποιεί θερμοηλεκτρικά και πιεζοηλεκτρικά συστήματα. Η πρώτη χρησιμοποιεί αλλαγές θερμοκρασίας για τη δημιουργία φόρτισης. το δεύτερο είναι οι δονήσεις αέρα. Αυτές οι δύο δυνατότητες κάνουν το smartphone σας 100% φιλικό προς το περιβάλλον.
Ο Μεξικανός Alberto Villarreal δημιούργησε ένα ζευγάρι παπούτσια,που φωτίζει τη διαδρομή προς τον ιδιοκτήτη του. Χρησιμοποιώντας την κινητική ενέργεια του περπατήματος ή του τρεξίματος, τα πολυμερή ηλεκτροφωταύγειας μπορούν να παράγουν φως. Αυτά τα εφέ θα είναι χρήσιμα για τους δρομείς.
Η επόμενη καινοτόμος τεχνολογία είναι στον τομέαδισκία. Η χρήση αναγεννητικής εισόδου οθόνης αφής μπορεί να είναι ο προτιμώμενος τρόπος φόρτισης αυτών των δημοφιλών συσκευών. Κατά μέσο όρο (στατιστικά) το μέσο άτομο αγγίζει την οθόνη αφής 1.000 φορές την ημέρα. Αυτό είναι περισσότερο από αρκετή ισχύ για την τροφοδοσία του tablet.
Τέλος, ίσως το πιο ενδιαφέρονπιεζοηλεκτρικό gadget - ντους. Σχεδιασμένο από Φινλανδούς, Μεξικού και Γερμανούς μηχανικούς, περιέχει πολλά μικροσκοπικά νανοσύρματα. Αυτά τα νανοσύρματα χρησιμοποιούν την ενέργεια του διερχόμενου νερού για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία χρησιμοποιείται για τη θέρμανση του νερού. Η συσκευή διαθέτει επίσης πάνελ αφής που παρακολουθούν την ποσότητα νερού που χρησιμοποιείται και μετρά το χρόνο που περνά ο χρήστης στο ντους. Υπάρχει επίσης ένας ρυθμιστής που ελέγχει την πίεση του νερού.
Διαβάστε περισσότερα
Οι φυσικοί έχουν δημιουργήσει ένα ανάλογο μιας μαύρης τρύπας και επιβεβαίωσαν τη θεωρία του Hawking. Πού οδηγεί;
Οι επιστήμονες ανακάλυψαν το μυθικό σωματίδιο του Odderon
Το πιο μυστηριώδες φυσικό φαινόμενο. Από πού προέρχεται η αστραπή και πώς είναι επικίνδυνο
Το διηλεκτρικό είναι μια ουσία που είναι σχετικά κακήαγώγιμο ηλεκτρικό ρεύμα. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των διηλεκτρικών καθορίζονται από την ικανότητά τους να πολώνονται σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο. Ο όρος εισήχθη στην επιστήμη από τον Άγγλο φυσικό M. Faraday. Η συγκέντρωση φορέων δωρεάν φορτίου στο διηλεκτρικό δεν υπερβαίνει τα 10⁸ cm⁻³.