Piezoelektrični učinak je učinak polarizacije dielektrika pod utjecajem mehaničkih
Izravnim piezoelektričnim efektom, deformacijapiezoelektričnog uzorka dovodi do pojave električnog napona između površina deformabilne krutine; u slučaju inverznog piezoelektričnog efekta, primjena napona na tijelo uzrokuje njegovu deformaciju.
Što su piezoelektrični materijali?
Piezoelektrični materijali su materijali koji imaju sposobnost generiranja unutarnjeg električnog naboja iz primijenjenog mehaničkog naprezanja.
Neke prirodne tvari pokazuju piezoelektrični učinak. To uključuje:
- Kost,
- Kristali,
- Određena keramika,
- DNA,
- Emajl,
- Svila,
- Dentin i više.
Materijali koji demonstrirajupiezoelektrični efekt također pokazuje inverzni piezoelektrični efekt (koji se naziva i inverzni ili inverzni piezoelektrični efekt). Inverzni piezoelektrični efekt je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja kao odgovor na primijenjeno električno polje.
Povijest piezoelektričnih materijala
Kristali su prvi korišteni materijalu ranim pokusima s piezoelektričnošću. Braća Curie, Pierre i Jacques prvi su put dokazali izravan piezoelektrični efekt 1880. godine. Znanstvenici su proširili svoje praktično znanje o kristalnim strukturama i piroelektričnim materijalima (materijali koji stvaraju električni naboj kao odgovor na promjene temperature).
Izmjerili su površinske naboje sljedećih specifičnih kristala, i to:
- Šećerna trska
- Turmalin,
- Kvarcni,
- Topaz,
- Rochelle-ova sol (natrijeva-kalijeva sol vinske kiseline),
Kao rezultat, upravo su kvarc i Rochelleova sol pokazali najviše piezoelektrične učinke.
Međutim, braća Curie nisu predvidjeli drugačije.piezoelektrični efekt. Matematički ga je izveo Gabriel Lippmann 1881. godine. Curie je zatim potvrdio učinak i pružio kvantitativne dokaze o reverzibilnosti električnih, elastičnih i mehaničkih deformacija u piezoelektričnim kristalima.
Do 1910. postojalo je 20 klasa prirodnih kristalau kojima se opaža piezoelektrični efekt u potpunosti su utvrđeni i objavljeni u Lehrbuch Der Kristallphysik - «Udžbenik fizike kristala». Ali to je ostalo malo poznato i visokotehnološko nišno područje fizike bez očigledne tehnološke ili komercijalne primjene.
Dok nije došao rat.
Svjetski rat
Prva tehnološka primjenapiezoelektrični materijal korišten je kao ultrazvučni podmorski detektor. Plastični detektor sastoji se od pretvornika (uređaja koji pretvara jednu vrstu energije u drugu) i hidrofona. Pretvornik je izrađen od tankih kristala kvarca zalijepljenih između dvije čelične ploče.
Ogroman uspjeh ultrazvučnog detektorapodmornice tijekom rata potaknule su intenzivan tehnološki razvoj piezoelektričnih uređaja. Nakon Prvog svjetskog rata u fonografskim ulošcima koristila se piezoelektrična keramika.
Drugi svjetski rat
Korištenje piezoelektričnih materijala značajno je napredovalo tijekom Drugog svjetskog rata zahvaljujući neovisnim istraživanjima Japana, SSSR-a i Sjedinjenih Država.
Konkretno, napredak u razumijevanju odnosaizmeđu kristalne strukture i elektromehaničke aktivnosti, zajedno s ostalim napretkom istraživanja, u potpunosti su promijenili pristup piezoelektričnoj tehnologiji. Po prvi su put inženjeri uspjeli manipulirati piezoelektričnim materijalima za određenu primjenu uređaja, umjesto da promatraju svojstva materijala i zatim traže odgovarajuću upotrebu promatranih svojstava.
Ovaj razvoj omogućio je stvaranje mnogihprimjena piezoelektričnih materijala povezanih s ratom kao što su ultraosjetljivi mikrofoni, sonarni uređaji velike snage, plutače sonara (male plutače s mogućnošću preslušavanja hidrofona i radio prijenosa radi praćenja kretanja oceanskih brodova) i piezo paljenja za jednocilindrično paljenje.
Piezoelektrični kristali - što su oni?
Ispod je nepotpuni popispiezoelektrični kristali s nekoliko kratkih opisa njihove uporabe. O nekim specifičnim primjenama najčešće korištenih piezoelektričnih materijala razgovarat ćemo kasnije.
Kristali u prirodi:
- Kvarc je stabilni kristal koji se koristi u kristalima takta i referentnim kristalima frekvencije za radio odašiljače,
- Saharoza (stolni šećer)
- Rochelle sol - kompresijom stvara veliku napetost; koristi se u mikrofonima s ranim kristalima.
- Topaz,
- Turmalin,
- Berlinit (AlPO₄.) — rijedak fosfatni mineral strukturno identičan kvarcu.
Tehnogeni kristali- Galij ortofosfat (GaPO₄), analog kvarca i langazita, analog kvarca.
Piezoelektrična keramika:
- Barijev titanat (BaTiO₃). Otkrivena je prva piezoelektrična keramika.
- Olovni titanat (PbTiO₃)
- Titanat olovnog cirkonata (PZT)
- Kalijev niobat (KNbO₃)
- Litijev niobat (LiNbO₃)
- Litijev tantalat (LiTaO₃)
- Natrijev volfram (Na₂WO₄)
Piezo keramika bez olova:
Sljedeći su materijali razvijeni kao odgovor na zabrinutost zbog štetnih učinaka olova na okoliš.
- Natrijev kalijev niobat (NaKNb). Ovaj materijal ima svojstva slična PZT-u.
- Bizmut-ferit (BiFeO₃)
- Natrijev niobat (NaNbO₃)
Biološki piezoelektrični materijali:
- Tetiva
- Drvo
- Svila
- Emajl
- Dentin
- Kolagen
Primjene piezoelektričnih materijala
Piezoelektrični materijali koriste se u mnogim industrijama, uključujući:
- Proizvodnja
- Medicinska oprema
- Telekomunikacija
- Automobilska industrija
- Informacijska tehnologija (IT)
Visokonaponski izvori napajanja:
- Električni upaljači.Kada pritisnete tipku na upaljaču, tipka uzrokuje udarac malog čekića s oprugom u piezoelektrični kristal, stvarajući struju visokog napona koja prolazi kroz razmak da zagrije i zapali plin.
- Plinski roštilji ili peći i plinski plamenici. Djeluju na isti način kao upaljači, ali u većim razmjerima.
- Piezoelektrični pretvarač. Koristi se kao multiplikator izmjeničnog napona u fluorescentnim žaruljama s hladnom katodom.
Piezoelektrični senzori
Ultrazvučni pretvarači se koriste usvakodnevno medicinsko snimanje. Pretvarač je piezoelektrični uređaj koji djeluje i kao senzor i kao pokretač. Ultrazvučni pretvarači sadrže piezoelektrični element koji električni signal pretvara u mehaničke vibracije (način prijenosa ili komponente pogona), a mehaničke vibracije u električni signal (način prijema ili komponenta senzora).
Piezoelektrični element obično se reže na 1/2 željene valne duljine ultrazvučnog pretvarača.
Ostale vrste piezoelektričnih senzora uključuju:
- Piezoelektrični mikrofoni.
- Piezoelektrični pickupi za elektroakustične gitare.
- Sonarni valovi. Zvučne valove generira i prima piezoelektrični element.
- Elektronički jastučići za bubanj. Elementi otkrivaju utjecaj palica bubnjara na jastučiće.
- Medicinska akceleromiografija.To se koristi kada je osoba pod anestezijom i ubrizgava se relaksantima mišića. Piezoelektrični element u akceleromiografu određuje silu koja se javlja u mišiću nakon stimulacije živca.
Piezoelektrični aktuatori
Jedna od prednosti piezoelektričnih aktuatoraje da visoki napon električnog polja odgovara sitnim mikrometarskim promjenama u širini piezoelektričnog kristala. Te mikro mase čine piezoelektrične kristale korisnima kao pokretačima kada je potrebno precizno pozicioniranje sićušnih predmeta, kao na primjer u sljedećim uređajima:
- Zvučnici
- Piezoelektrični motori
- Laserska elektronika
- Inkjet pisači (kristali kontroliraju ispuštanje tinte iz glave za ispis na papir)
- Dizel motori
- Rendgenske rolete
Pametni materijali
Pametni materijali široka su klasa materijala,čija se svojstva mogu kontrolirano mijenjati vanjskim utjecajima poput pH, temperature, kemikalija, primijenjenog magnetskog ili električnog polja ili napona.
Piezoelektrični materijali u skladu su s timdefiniciji, jer primijenjeni napon stvara napon u piezoelektričnom materijalu, i obratno, primjena vanjskog napona također proizvodi električnu energiju u materijalu.
Dodatni intelektualni materijaliuključuju legure s memorijom oblika, halokromne materijale, magnetokalorične materijale, termoosjetljive polimere, fotonaponske materijale i mnoge druge.
Kakva je budućnost piezoelektričnih materijala?
Dakle, što je sljedeće za piezoelektrične materijale?budućnost? Uzbudljiva je ideja da bi se piezoelektrični materijali od nanovlakana mogli komercijalno koristiti kao izvor energije. Za proizvodnju električne energije oslanjaju se na mehaničku silu. Stoga, ako ih postavite, primjerice, na zaslon osjetljiv na dodir, mogu djelovati kao punjač uređaja. Naravno, dio stvorene snage odlazi na izvođenje radnji na zaslonu osjetljivom na dodir. Ali postoji mogućnost stvaranja dodatnih resursa.
Dva najpopularnija materijala koji se koriste za nanogeneratore su polimer poliviniliden fluorid(PVDF)i keramike Titanat olovnog cirkonata (PZT). PVDF pokazuje višepiezoelektrična svojstva od drugih polimera. To je zbog njegove polarne kristalne strukture. PZT, s druge strane, također ima kristalnu strukturu i sposoban je generirati mnogo više napone od drugih piezoelektričnih materijala za sakupljanje energije. Također je mehanički jači, posebno u obliku nanožice.
Smislio je industrijski dizajner Jung-Hoon Kimhasbriljantna ideja korištenja piezoelektričnosti za pogon automobila. Ovi uređaji, koji pune baterije, dobivaju energiju od vibracija koje se javljaju kada se automobil kreće. Ova tehnologija ne proizvodi emisije i ne ovisi o fosilnim gorivima, što je čini ekološkom.
Još jedan industrijski dizajner, Paul Frigu,razvio mobilni telefon koji se sam može puniti! Zerijev model koristi termoelektrične i piezoelektrične sustave. Prva koristi promjene temperature za stvaranje naboja; drugo su vibracije zraka. Ove dvije značajke čine vaš pametni telefon 100% ekološkim.
Meksikanac Alberto Villarreal stvorio je par cipela,koja osvjetljava put do svog vlasnika. Koristeći kinetičku energiju hodanja ili trčanja, elektroluminiscentni polimeri mogu proizvesti svjetlost. Ovi učinci bit će korisni za trkače.
Sljedeća inovativna tehnologija je u sektorutablete. Korištenje regenerativnog unosa zaslona osjetljivog na dodir možda je preferirani način punjenja ovih popularnih naprava. Prosječno (statistički) prosječna osoba dodirne zaslon osjetljiv na dodir 1.000 puta dnevno. Ovo je više nego dovoljno snage za napajanje tableta.
Napokon, možda i najzanimljivijepiezoelektrični uređaj - tuš. Dizajnirani od finskih, meksičkih i njemačkih inženjera, sadrži mnogo sitnih nanožiča. Te nanožice koriste energiju vode koja prolazi za proizvodnju električne energije koja se koristi za zagrijavanje vode. Uređaj također ima dodirne ploče koje nadziru količinu potrošene vode i broje vrijeme koje korisnik provodi pod tušem. Tu je i regulator koji kontrolira tlak vode.
Čitaj više
Fizičari su stvorili analog crne rupe i potvrdili Hawkingovu teoriju. Kamo vodi?
Znanstvenici su otkrili mitsku česticu Odderon
Najtajanstveniji prirodni fenomen. Otkud loptasta munja i kako je opasna?
Dielektrik je tvar koja je relativno lošavodljiva električna struja. Električna svojstva dielektrika određena su njihovom sposobnošću polarizacije u vanjskom električnom polju. Izraz je u znanost uveo engleski fizičar M. Faraday. Koncentracija slobodnih nosača naboja u dielektriku ne prelazi 10⁸ cm3.