A piezoelektromos hatás egy dielektrikum polarizációjának hatása mechanikai hatás hatására
A közvetlen piezoelektromos hatással deformációpiezoelektromos minta elektromos feszültség megjelenéséhez vezet a deformálható szilárd rész felületei között, inverz piezoelektromos hatás esetén a testre feszültség hatással van annak deformációja.
Mik azok a piezoelektromos anyagok?
A piezoelektromos anyagok olyan anyagok, amelyek képesek belső elektromos töltést generálni az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására.
Bizonyos természetben előforduló anyagok piezoelektromos hatást mutatnak. Ezek tartalmazzák:
- Csont,
- Kristályok,
- Bizonyos kerámiák,
- DNS,
- Zománc,
- Selyem,
- Dentin és még sok más.
Anyagok, amelyek bizonyítjáka piezoelektromos effektus inverz piezoelektromos hatást is mutat (más néven inverz vagy inverz piezoelektromos hatást). Az inverz piezoelektromos hatás a mechanikai igénybevétel belső generálása az alkalmazott elektromos mezőre adott válaszként.
A piezoelektromos anyagok története
A kristályokat használták előszörkorai kísérletekben piezoelektromossággal. A Curie testvérek, Pierre és Jacques először 1880-ban igazolták a közvetlen piezoelektromos hatást. A tudósok kibővítették gyakorlati tudásukat a kristályszerkezetekről és a piroelektromos anyagokról (olyan anyagokról, amelyek elektromos töltést generálnak a hőmérséklet változására reagálva).
Megmérték a következő specifikus kristályok felületi töltését:
- Nádcukor
- Turmalin,
- Kvarc,
- Topáz,
- Rochelle-só (borkősav nátrium-kálium-sója),
Ennek eredményeként a kvarc és a Rochelle-só mutatta a legnagyobb piezoelektromos hatást.
A Curie testvérek azonban nem jósoltak mást.piezoelektromos hatás. Matematikailag Gabriel Lippmann vezette le 1881-ben. Ezután Curie megerősítette a hatást, és mennyiségi bizonyítékot szolgáltatott a piezoelektromos kristályokban az elektromos, rugalmas és mechanikai deformációk reverzibilitására.
1910-re a természetes kristályoknak 20 osztálya létezettamelyekben a piezoelektromos hatás megfigyelhető, teljesen meghatározták és közzétették a Lehrbuch Der Kristallphysik - «Textbook of Crystal Physics»-ben. De ez a fizika kevéssé ismert és csúcstechnológiás résterülete maradt, nyilvánvaló technológiai vagy kereskedelmi alkalmazások nélkül.
Amíg el nem jött a háború.
Világháború
Első technológiai alkalmazáspiezoelektromos anyagot használtak ultrahangos tengeralattjáró-detektorként. A műanyag detektor egy jelátalakítóból (olyan eszközből, amely egyfajta energiát alakít át egy másikká) és egy hidrofonból. A jelátalakító vékony, két acéllemez közé ragasztott kvarckristályokból készül.
Az ultrahangos detektor hatalmas sikeretengeralattjárók a háború alatt a piezoelektromos eszközök intenzív technológiai fejlődését serkentették. Az első világháború után piezoelektromos kerámiát használtak a fonográf patronokban.
A második világháború
A piezoelektromos anyagok használata jelentősen előrehaladt a második világháború alatt Japán, a Szovjetunió és az Egyesült Államok független kutatásainak köszönhetően.
Különösen a kapcsolat megértésének előrehaladásaa kristályszerkezet és az elektromechanikus aktivitás között, más kutatási eredmények mellett teljesen megváltoztatta a piezoelektromos technológia szemléletét. A mérnökök először tudtak manipulálni a piezoelektromos anyagokat egy adott eszköz alkalmazásához, ahelyett, hogy megfigyelték volna az anyagok tulajdonságait, majd a megfigyelt tulajdonságok megfelelő felhasználását keresték.
Ez a fejlődés sokak létrehozását tette lehetővépiezoelektromos anyagok, úgymint ultra-érzékeny mikrofonok, nagy teljesítményű szonáreszközök, szonárbóják (kis bóják, amelyek képesek hidrofont és rádióadást hallgatni az óceánjáró hajók mozgásának figyelemmel kísérésére) és piezo-gyújtó rendszerek háborúval kapcsolatos alkalmazásai egyhengeres gyújtáshoz.
Piezoelektromos kristályok - mik ezek?
Az alábbiakban egy hiányos lista találhatópiezoelektromos kristályok, néhány használatuk rövid ismertetésével. A későbbiekben a leggyakrabban használt piezoelektromos anyagok néhány speciális alkalmazását tárgyaljuk.
Természetesen előforduló kristályok:
- A kvarc stabil kristály, amelyet órakristályokban és rádióadók frekvencia-referencia kristályaiban használnak,
- Szacharóz (asztali cukor)
- Rochelle-só - nagy feszültséget produkál a tömörítéssel; korai kristályos mikrofonokban használják.
- Topáz,
- Turmalin,
- Berlinit (AlPO₄) — ritka foszfát ásvány, szerkezetileg azonos a kvarccal.
Technogén kristályok- Gallium-ortofoszfát (GaPO₄), a kvarc és a langazit analógja, a kvarc analógja.
Piezoelektromos kerámia:
- Bárium-titanát (BaTiO₃). Felfedezték az első piezoelektromos kerámiát.
- Ólom-titanát (PbTiO₃)
- Ólom-cirkonát-titanát (PZT)
- Kálium-niobát (KNbO₃)
- Lítium-niobát (LiNbO₃)
- Lítium-tantalát (LiTaO₃)
- Nátrium-volframát (Na₂WO₄)
Ólommentes piezokerámia:
A következő anyagokat az ólom környezetre gyakorolt káros hatásaira adott válaszként fejlesztették ki.
- Nátrium-kálium-niobát (NaKNb). Ennek az anyagnak a PZT-hez hasonló tulajdonságai vannak.
- Bizmut-ferrit (BiFeO₃)
- Nátrium-niobát (NaNbO₃)
Biológiai piezoelektromos anyagok:
- Ín
- Fa
- Selyem
- Zománc
- Dentine
- Kollagén
A piezoelektromos anyagok alkalmazása
A piezoelektromos anyagokat számos iparágban használják, többek között:
- Termelés
- Orvosi felszerelés
- Távközlés
- Autóipar
- Informatika (IT)
Nagyfeszültségű tápegységek:
- Elektromos öngyújtók.Ha megnyomja az öngyújtó gombját, a gomb hatására egy kicsi, rugós kalapács eltalálja a piezoelektromos kristályt, ami a résen át áramló nagyfeszültségű áramot hoz létre, hogy megmelegítse és meggyújtsa a gázt.
- Gázrácsok vagy kályhák és gázégők. Ugyanúgy működnek, mint az öngyújtók, de nagyobb méretben.
- Piezoelektromos jelátalakító. Hideg katódos fluoreszkáló lámpákban váltakozó feszültség-szorzóként használják.
Piezoelektromos érzékelők
Ultrahangos jelátalakítókat használnakmindennapi orvosi képalkotás. Az átalakító piezoelektromos eszköz, amely érzékelőként és működtetőként egyaránt működik. Az ultrahangos jelátalakítók olyan piezoelektromos elemet tartalmaznak, amely az elektromos jelet mechanikai rezgéssé (átviteli üzemmód vagy meghajtó alkatrészek) és a mechanikus rezgést elektromos jellé (vételi mód vagy érzékelő alkatrész) alakítja.
A piezoelektromos elemet általában az ultrahangos jelátalakító kívánt hullámhosszának felére vágják.
A piezoelektromos érzékelők egyéb típusai a következők:
- Piezoelektromos mikrofonok.
- Piezo hangszedők elektro-akusztikus gitárokhoz.
- Szonár integet. A hanghullámokat piezoelektromos elem generálja és fogadja.
- Elektronikus dobpárnák. Az elemek érzékelik a dobos botok ütközését a betéteken.
- Orvosi gyorsulásvizsgálat.Ezt akkor alkalmazzák, amikor az ember érzéstelenítés alatt áll, és izomrelaxánsokat adnak be neki. Az akseleromiográf piezoelektromos eleme meghatározza az izomban az idegstimuláció után fellépő erőt.
Piezoelektromos működtetők
A piezoelektromos működtetők egyik előnyeaz, hogy az elektromos tér nagy feszültsége apró mikrométeres változásoknak felel meg a piezoelektromos kristály szélességében. Ezek a mikrotömegek teszik a piezoelektromos kristályokat működtetőként hasznosnak, ha apró tárgyak pontos elhelyezésére van szükség, például a következő eszközökben:
- Hangszórók
- Piezoelektromos motorok
- Lézer elektronika
- Tintasugaras nyomtatók (kristályok szabályozzák a tinta kibocsátását a nyomtatófejből a papírra)
- Dízelmotorok
- Röntgen redőnyök
Intelligens anyagok
Az intelligens anyagok az anyagok széles osztálya,amelynek tulajdonságait kontrollált módon megváltoztathatja külső hatások, például pH, hőmérséklet, vegyi anyagok, alkalmazott mágneses vagy elektromos tér vagy feszültség.
A piezoelektromos anyagok megfelelnek ennekmeghatározás, mert egy alkalmazott feszültség feszültséget hoz létre a piezoelektromos anyagban, és fordítva, egy külső feszültség alkalmazása villamos energiát is termel az anyagban.
További szellemi anyagoktartalmazhatnak alakmemória-ötvözeteket, halokróm anyagokat, magnetokaloros anyagokat, hőérzékeny polimereket, fotovoltaikus anyagokat és még sokan mások.
Mit vár a piezoelektromos anyagok jövője?
Mi a következő lépés a piezoelektromos anyagokkal?jövő? Izgalmas ötlet, hogy a piezoelektromos nanoszálas anyagokat kereskedelmi forgalomba is lehetne használni energiaforrásként. Mechanikai erőre támaszkodnak elektromos áram előállításához. Ezért, ha például egy érintőképernyőre helyezi őket, készüléktöltőként működhetnek. Természetesen a létrehozott erő egy része az érintőképernyőn történő művelet végrehajtására fordítódik. De van lehetőség további források létrehozására.
A nanogenerátorokhoz használt két legnépszerűbb anyag a polimer polivinilidén-fluorid(PVDF)és kerámia Ólom-cirkonát-titanát (PZT). A PVDF magasabbat mutatpiezoelektromos tulajdonságaik, mint más polimerek. Ez poláris kristályszerkezetének köszönhető. A PZT viszont kristályos szerkezetű, és sokkal nagyobb feszültséget képes generálni, mint a többi piezoelektromos energiagyűjtő anyag. Mechanikailag is erősebb, főleg nanoszálas formában.
Jung-Hoon Kimhas ipari tervező állt előa piezoelektromosság ragyogó ötlete az autó meghajtására. Ezek az akkumulátorokat töltő eszközök energiát kapnak az autó mozgása közben fellépő rezgésekből. Ez a technológia nem termel kibocsátást és nem függ a fosszilis tüzelőanyagoktól, ami környezetbaráttá teszi.
Egy másik ipari tervező, Paul Frigu,kifejlesztett egy mobiltelefont, amely önmagában is tölthető! A Zeri modell termoelektromos és piezoelektromos rendszereket használ. Az első a hőmérséklet-változásokat használja a töltés előállításához; a második a levegő rezgései. Ez a két funkció teszi okostelefonját 100% -osan környezetbaráttá.
A mexikói Alberto Villarreal létrehozott egy pár cipőt,amely megvilágítja a tulajdonoshoz vezető utat. A gyaloglás vagy a futás mozgási energiáját felhasználva az elektrolumineszcens polimerek fényt termelhetnek. Ezek a hatások hasznosak lesznek a futók számára.
A következő innovatív technológia az ágazatban találhatótabletek. A regeneratív érintőképernyős bemenet használata lehet a legkedveltebb módja e népszerű modulok töltésének. Átlagosan (statisztikailag) az átlagember naponta 1000 alkalommal koppint az érintőképernyőn. Ez több mint elegendő energia a tablet áramellátásához.
Végül talán a legérdekesebbpiezoelektromos kütyü - zuhany. A finn, mexikói és német mérnökök által tervezett apró nanohuzalokat tartalmaz. Ezek a nanohuzalok az elhaladó víz energiáját használják fel a villamos energia előállítására, amelyet a víz melegítésére használnak. A készülék érintőképernyőivel is rendelkezik, amelyek figyelik a felhasznált víz mennyiségét, és számolják a felhasználó által a zuhany alatt töltött időt. Van még egy szabályozó, amely szabályozza a víz nyomását.
Olvass tovább
A fizikusok létrehozták a fekete lyuk analógját, és megerősítették Hawking elméletét. Hova vezet?
A tudósok felfedezték Odderon mitikus részecskéjét
A legtitokzatosabb természeti jelenség. Honnan származik a gömbvillám és hogyan veszélyes?
A dielektromos anyag viszonylag rosszvezető elektromos áram. A dielektrikumok elektromos tulajdonságait az határozza meg, hogy képesek-e polarizálni egy külső elektromos mezőben. A kifejezést M. Faraday angol fizikus vezette be a tudományba. A szabad töltéshordozók koncentrációja a dielektrikumban nem haladja meg a 10 cm3-t.