Pietsosähköinen vaikutus on eristeen polarisaation vaikutus mekaanisen vaikutuksen alaisena
Suoralla pietsosähköisellä vaikutuksella muodonmuutospietsosähköisen näytteen käyttö johtaa sähköisen jännitteen esiintymiseen muodonmuuttuvan kiinteän aineen pintojen välillä; käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen tapauksessa jännitteen soveltaminen runkoon aiheuttaa sen muodonmuutoksen.
Mitä ovat pietsosähköiset materiaalit?
Pietsosähköiset materiaalit ovat materiaaleja, jotka pystyvät synnyttämään sisäisen sähkövarauksen käytetyn mekaanisen rasituksen vaikutuksesta.
Tietyillä luonnossa esiintyvillä aineilla on pietsosähköinen vaikutus. Nämä sisältävät:
- Luu,
- Kiteet,
- Tietty keramiikka,
- DNA,
- Emali,
- Silkki,
- Dentin ja enemmän.
Materiaalit, jotka osoittavatpietsosähköisellä vaikutuksella on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus (kutsutaan myös käänteiseksi tai käänteiseksi pietsosähköiseksi vaikutukseksi). Käänteinen pietsosähköinen vaikutus on mekaanisen rasituksen sisäinen syntyminen vasteena sovelletulle sähkökentälle.
Pietsosähköisten materiaalien historia
Kiteet olivat ensimmäisiä käytettyjä materiaalejavarhaisissa kokeissa pietsosähköllä. Curie-veljet Pierre ja Jacques todistivat ensimmäisen kerran suoran pietsosähköisen vaikutuksen vuonna 1880. Tutkijat ovat laajentaneet käytännön tietämystään kristallirakenteista ja pyroelektrisistä materiaaleista (materiaaleista, jotka tuottavat sähkövarauksen lämpötilamuutosten seurauksena).
He mittaivat seuraavien spesifisten kiteiden pintavaraukset:
- Ruokosokeri
- Turmaliini,
- Kvartsi,
- Topaasi,
- Rochellen suola (viinihapon natrium-kaliumsuola),
Tämän seurauksena kvartsilla ja Rochellen suolalla oli korkeimmat pietsosähköiset vaikutukset.
Curie-veljet eivät kuitenkaan ennustaneet toisin.pietsosähköinen vaikutus. Sen johti matemaattisesti Gabriel Lippmann vuonna 1881. Curie vahvisti sitten vaikutuksen ja toimitti kvantitatiiviset todisteet pietsosähköisten kiteiden sähköisten, elastisten ja mekaanisten muodonmuutosten palautuvuudesta.
Vuoteen 1910 mennessä luonnonkiteitä oli 20 luokkaajoissa pietsosähköinen vaikutus havaitaan, määritettiin täysin ja julkaistiin Lehrbuch Der Kristallphysik - "Textbook of Crystal Physics" -julkaisussa. Mutta se jäi vähän tunnetuksi ja korkean teknologian niche-alueeksi fysiikan alalla, jolla ei ollut ilmeisiä teknisiä tai kaupallisia sovelluksia.
Kunnes sota tuli.
Maailmansota
Ensimmäinen tekninen sovelluspietsosähköistä materiaalia käytettiin sukellusveneilmaisimena. Muoviilmaisin on valmistettu muuntimesta (laite, joka muuntaa yhden tyyppisen energian toiseksi) ja hydrofonista. Anturi on valmistettu ohuista kvartsikiteistä, jotka on liimattu kahden teräslevyn väliin.
Ultraäänitunnistimen valtava menestyssukellusveneet sodan aikana stimuloivat pietsosähköisten laitteiden intensiivistä teknistä kehitystä. Ensimmäisen maailmansodan jälkeen soittimissa käytettiin pietsosähköistä keramiikkaa.
Toinen maailmansota
Pietsosähköisten materiaalien käyttö edistyi merkittävästi toisen maailmansodan aikana Japanin, Neuvostoliiton ja Yhdysvaltojen itsenäisen tutkimuksen ansiosta.
Erityisesti edistystä suhteiden ymmärtämisessäkristallirakenteen ja sähkömekaanisen aktiivisuuden välillä, sekä muut tutkimuksen edistysaskeleet, ovat muuttaneet täysin lähestymistavan pietsosähköiseen tekniikkaan. Insinöörit pystyivät ensimmäistä kertaa manipuloimaan pietsosähköisiä materiaaleja tiettyyn laitesovellukseen sen sijaan, että tarkkailivat materiaalien ominaisuuksia ja etsivät sitten havaittujen ominaisuuksien sopivaa käyttöä.
Tämä kehitys mahdollisti monien luomisensotaan liittyvät pietsosähköisten materiaalien sovellukset, kuten erittäin herkät mikrofonit, suuritehoiset kaikuluotainlaitteet, kaikuluotainpoijut (pienet poijut, joilla on mahdollisuus kuunnella hydrofonia ja radiolähetystä merialusten liikkumisen seuraamiseksi) ja pietsosytytysjärjestelmät yksisylinteriselle sytytykselle.
Pietsosähköiset kiteet - mitä ne ovat?
Alla on epätäydellinen luettelopietsosähköiset kiteet, joissa on lyhyt kuvaus niiden käytöstä. Keskustelemme myöhemmin yleisimmin käytettyjen pietsosähköisten materiaalien erityisistä sovelluksista.
Luonnossa esiintyvät kiteet:
- Kvartsi on vakaa kide, jota käytetään kellokiteissä ja taajuus vertailukiteissä radiolähettimille,
- Sakkaroosi (pöytäsokeri)
- Rochelle-suola - tuottaa paljon jännitystä puristamalla; käytetään varhaiskristallimikrofoneissa.
- Topaasi,
- Turmaliini,
- Berliniitti (AlPO4.) — harvinainen fosfaattimineraali, joka on rakenteeltaan identtinen kvartsin kanssa.
Teknogeeniset kiteet- galliumortofosfaatti (GaPO₄), kvartsin ja langasiitin analogi, kvartsianalogi.
Pietsosähköinen keramiikka:
- Bariumtitanaatti (BaTi03). Ensimmäinen pietsosähköinen keramiikka löydetään.
- Lyijytitanaatti (PbTiO₃)
- Lyijysirkonaattititaatti (PZT)
- Kaliumniobaatti (KNbO₃)
- Litiumniobaatti (LiNbO₃)
- Litiumtantalaatti (LiTaO₃)
- Natriumvolframaatti (Na₂WO₄)
Lyijytön pietsokeramiikka:
Seuraavat materiaalit on kehitetty vastauksena lyijyn haitallisiin ympäristövaikutuksiin.
- Natriumkaliumniobaatti (NaKNb). Tällä materiaalilla on samanlaiset ominaisuudet kuin PZT: llä.
- Vismuttiferriitti (BiFeO₃)
- Natriumnibaatti (NaNbO₃)
Biologiset pietsosähköiset materiaalit:
- Jänne
- Puu
- Silkki
- Emali
- Dentine
- Kollageeni
Pietsosähköisten materiaalien sovellukset
Pietsosähköisiä materiaaleja käytetään monilla teollisuudenaloilla, mukaan lukien:
- Tuotanto
- Lääketieteelliset laitteet
- Televiestintä
- Autoteollisuus
- Tietotekniikka (IT)
Suurjännitelähteet:
- Sähköiset sytyttimet.Kun painat sytyttimen painiketta, painike saa pienen, jousella varustetun vasaran osumaan pietsosähköiseen kiteeseen, mikä luo aukon läpi kulkevan korkeajännitevirran lämmittämään ja sytyttämään kaasun.
- Kaasugrillit tai uunit ja kaasupolttimet. Ne toimivat samalla tavalla kuin sytyttimet, mutta suuremmassa mittakaavassa.
- Pietsosähköinen anturi. Sitä käytetään vaihtojännitekertoimena kylmäkatodilampuissa.
Pietsosähköiset anturit
Ultraääniantureita käytetäänjokapäiväinen lääketieteellinen kuvantaminen. Muunnin on pietsosähköinen laite, joka toimii sekä anturina että toimilaitteena. Ultraäänianturit sisältävät pietsosähköisen elementin, joka muuntaa sähköisen signaalin mekaaniseksi värähtelyksi (lähetystila tai käyttöosat) ja mekaanisen värähtelyn sähköiseksi signaaliksi (vastaanottotila tai anturikomponentti).
Pietsosähköinen elementti leikataan yleensä puoleen ultraäänianturin halutusta aallonpituudesta.
Muita pietsosähköisiä antureita ovat:
- Pietsosähköiset mikrofonit.
- Piezo-mikit sähköakustisille kitaroille.
- Luotain aaltoja. Pietsosähköinen elementti tuottaa ja vastaanottaa ääniaaltoja.
- Elektroniset rumputyynyt. Elementit havaitsevat rumpalien tikkujen vaikutuksen tyynyihin.
- Lääketieteellinen kiihtyvyys.Tätä käytetään, kun henkilö on anestesiassa ja hänelle injektoidaan lihasrelaksantteja. Kiihtyvyyselementin pietsosähköinen elementti määrittää voiman, joka esiintyy lihaksessa hermostimulaation jälkeen.
Pietsosähköiset toimilaitteet
Yksi pietsosähköisten toimilaitteiden eduistaon, että sähkökentän korkea jännite vastaa pieniä mikrometrimuutoksia pietsosähköisen kiteen leveydessä. Nämä mikromassat tekevät pietsosähköisistä kiteistä hyödyllisiä toimilaitteina, kun pienten esineiden tarkka sijoittelu on tarpeen, kuten seuraavissa laitteissa:
- Kaiuttimet
- Pietsosähköiset moottorit
- Laserelektroniikka
- Mustesuihkutulostimet (kiteet hallitsevat musteen vapautumista tulostuspäästä paperille)
- Dieselmoottorit
- Röntgenkaihtimet
Älykkäät materiaalit
Älykkäät materiaalit ovat laaja materiaali,jonka ominaisuuksia voidaan muuttaa hallitusti ulkoisilla vaikutuksilla, kuten pH, lämpötila, kemikaalit, kohdistettu magneetti- tai sähkökenttä tai jännite.
Pietsosähköiset materiaalit noudattavat tätämääritelmä, koska käytetty jännite luo jännitteen pietsosähköiseen materiaaliin, ja päinvastoin, ulkoisen jännitteen käyttö tuottaa myös sähköä materiaaliin.
Muita henkisiä materiaalejaNiihin sisältyvät muotomuistiseokset, halokromiset materiaalit, magnetokaloriset materiaalit, lämpöherkät polymeerit, aurinkosähkömateriaalit ja monet muut.
Mitä tulevaisuus odottaa pietsosähköisille materiaaleille?
Mitä pietsosähköisten materiaalien seuraavaksi tapahtuu?tulevaisuus? On jännittävä ajatus, että pietsosähköisiä nanokuitumateriaaleja voitaisiin käyttää kaupallisesti energialähteenä. Ne luottavat mekaaniseen voimaan tuottaakseen sähköä. Siksi, jos asetat ne esimerkiksi kosketusnäytölle, ne voivat toimia laitteen laturina. Tietysti osa luodusta voimasta menee toimintojen suorittamiseen kosketusnäytöllä. Mutta on mahdollisuus luoda lisäresursseja.
Kaksi suosituinta nanogeneraattoreissa käytettyä materiaalia ovat polymeeri polyvinylideenifluoridi(PVDF)ja keramiikka Lyijysirkonaattititaatti (PZT). PVDF osoittaa korkeampaapietsosähköiset ominaisuudet kuin muut polymeerit. Tämä johtuu sen polaarisesta kiderakenteesta. Toisaalta PZT:llä on myös kiderakenne ja se pystyy tuottamaan paljon suurempia jännitteitä kuin muut pietsosähköiset energiankeräysmateriaalit. Se on myös mekaanisesti vahvempi, erityisesti nanolankamuodossa.
Teollinen suunnittelija Jung-Hoon Kimhas keksiloistava idea käyttää pietsosähköä auton virran saamiseksi. Tällaiset akkuja lataavat laitteet saavat energiaa auton liikkuessa tapahtuvasta tärinästä. Tämä tekniikka ei tuota päästöjä eikä ole riippuvainen fossiilisista polttoaineista, mikä tekee siitä ympäristöystävällisen.
Toinen teollisuussuunnittelija, Paul Frigu,kehitti matkapuhelimen, joka voidaan ladata itsestään! Zeri-malli käyttää lämpö- ja pietsosähköisiä järjestelmiä. Ensimmäinen käyttää lämpötilan muutoksia varauksen tuottamiseen; toinen on ilman tärinä. Nämä kaksi ominaisuutta tekevät älypuhelimestasi 100% ympäristöystävällisen.
Meksikolainen Alberto Villarreal loi kenkäparin,joka valaisee polun omistajalle. Käyttämällä kävelyn tai juoksun kineettistä energiaa elektroluminesoivat polymeerit voivat tuottaa valoa. Nämä vaikutukset ovat hyödyllisiä juoksijoille.
Seuraava innovatiivinen tekniikka on alallatabletteja. Regeneratiivisen kosketusnäytön syöttö voi hyvinkin olla edullinen tapa ladata nämä suositut gadgetit. Keskimäärin (tilastollisesti) keskimääräinen henkilö napauttaa kosketusnäyttöä 1000 kertaa päivässä. Tämä on enemmän kuin tarpeeksi tehoa tabletin virran saamiseksi.
Lopuksi, ehkä mielenkiintoisinpietsosähköinen laite - suihku. Suomalaisten, meksikolaisten ja saksalaisten insinöörien suunnittelema, se sisältää monia pieniä nanojohtoja. Nämä nanojohdot käyttävät kulkevan veden energiaa sähkön tuottamiseen, jota käytetään veden lämmittämiseen. Laitteessa on myös kosketuspaneelit, jotka seuraavat käytetyn veden määrää ja laskevat käyttäjän viettämän ajan suihkussa. On myös säädin, joka säätelee veden painetta.
Lue lisää
Fyysikot ovat luoneet analogin mustasta aukosta ja vahvistaneet Hawkingin teorian. Minne se johtaa?
Tutkijat ovat löytäneet Odderonin myyttisen hiukkasen
Salaperäisin luonnonilmiö. Mistä pallon salama tulee ja miten se on vaarallista?
Dielektrinen aine on suhteellisen huonojohtava sähkövirta. Dielektristen komponenttien sähköiset ominaisuudet määräytyvät niiden kyvyn polaroitua ulkoisessa sähkökentässä. Termi otettiin käyttöön tieteessä englantilaisen fyysikon M. Faradayn toimesta. Vapaiden latauskantajien pitoisuus dielektrikissä ei ylitä 10 cm3³.