מהם חומרים פיזואלקטריים ולמה הם העתיד

אפקט פיזואלקטרי הוא ההשפעה של קיטוב של דיאלקטרי בהשפעת מכני

מתח (אפקט פיזואלקטרי ישיר). יש גםאפקט פיזואלקטרי הפוך- התרחשות של עיוותים מכניים תחתפעולה של שדה חשמלי. בתורו, קיטוב של דיאלקטריים הוא תופעה הקשורה לתזוזה מוגבלת של מטענים קשורים בדיאלקטרי או בסיבוב של דיפולים חשמליים, בדרך כלל בהשפעת שדה חשמלי חיצוני, לפעמים בהשפעת כוחות חיצוניים אחרים או באופן ספונטני.

עם האפקט הפיזואלקטרי הישיר, דפורמציהשל דגימה פיזואלקטרית מובילה להופעת מתח חשמלי בין המשטחים של מוצק מעוות; במקרה של האפקט הפיזואלקטרי ההפוך, יישום מתח על הגוף גורם לעיוותו.

מהם חומרים פיזואלקטריים?

חומרים פיזואלקטריים הם חומרים בעלי יכולת ליצור מטען חשמלי פנימי מלחץ מכני המופעל. 

כמה חומרים המופיעים באופן טבעי מראים אפקט פיזואלקטרי. אלו כוללים:

• עֶצֶם,
• גבישים,
• קרמיקה מסוימת,
• DNA,
• אֵימָל,
• משי,
• דנטין ועוד.

חומרים המדגימיםהאפקט הפיזואלקטרי מציג גם את האפקט הפיזואלקטרי ההפוך (נקרא גם אפקט פיזואלקטרי הפוך או הפוך). האפקט הפיזואלקטרי ההפוך הוא הדור הפנימי של לחץ מכני בתגובה לשדה חשמלי מיושם.

היסטוריה של חומרים פיזואלקטריים

גבישים היו החומר הראשון בו נעשה שימושבניסויים מוקדמים עם פיזואלקטריה. האחים קירי, פייר וז'אק, הוכיחו לראשונה את האפקט הפיזואלקטרי הישיר בשנת 1880. מדענים הרחיבו את הידע המעשי שלהם במבני קריסטל וחומרים פירו-חשמליים (חומרים המייצרים מטען חשמלי בתגובה לשינויי טמפרטורה).

הם מדדו את מטעני השטח של הגבישים הספציפיים הבאים, כלומר:

• קנה סוכר
• טורמלין,
• קְוָרץ,
• טוֹפָּז,
• מלח רושל (מלח נתרן-אשלגן של חומצה טרטרית),

כתוצאה מכך, היה זה קוורץ ומלח רושל שהוכיחו את ההשפעות הפיזואלקטריות הגבוהות ביותר.

עם זאת, האחים קירי לא חזו אחרת.אפקט פיזואלקטרי. הוא נגזר מתמטית על ידי גבריאל ליפמן בשנת 1881. לאחר מכן אישר קירי את ההשפעה וסיפק ראיות כמותיות להפיכותן של עיוותים חשמליים, אלסטיים ומכניים בגבישים פיזואלקטריים.

עד 1910, היו 20 מחלקות של גבישים טבעיים, בשבו נצפה האפקט הפיאזואלקטרי נקבעו במלואן ופורסמו ב-Lehrbuch Der Kristallphysik - «Textbook of Crystal Physics». אבל זה נשאר תחום נישה מעט ידוע והיי-טק בפיזיקה ללא יישומים טכנולוגיים או מסחריים נראית לעין.

עד שהגיעה המלחמה.

מלחמת העולם

 יישום טכנולוגי ראשוןחומר פיזואלקטרי שימש כגלאי צוללת קולי. גלאי הפלסטיק עשוי מתמר (מכשיר הממיר סוג אחד של אנרגיה לאחר) ומהידרופון. המתמר עשוי מגבישי קוורץ דקים המודבקים בין שתי לוחות פלדה.

ההצלחה האדירה של הגלאי הקוליצוללות במהלך המלחמה גירו את ההתפתחות הטכנולוגית האינטנסיבית של מכשירים פיזואלקטריים. לאחר מלחמת העולם הראשונה שימשו קרמיקה פיזואלקטרית במחסניות פונוגרפיות.

מלחמת העולם השנייה

השימוש בחומרים פיזואלקטריים התקדם משמעותית במהלך מלחמת העולם השנייה עקב מחקר עצמאי של יפן, ברית המועצות וארצות הברית.

בפרט, ההתקדמות בהבנת הקשרבין מבנה הגביש והפעילות האלקטרו-מכנית, יחד עם התקדמות אחרת במחקר, שינו לחלוטין את הגישה לטכנולוגיה פיזואלקטרית. לראשונה, מהנדסים הצליחו לתפעל חומרים פיזואלקטריים ליישום מכשיר ספציפי, במקום להתבונן בתכונות החומרים ואז לחפש שימושים מתאימים בתכונות הנצפות.

התפתחות זו אפשרה יצירת רביםיישומים הקשורים למלחמה של חומרים פיזואלקטריים כגון מיקרופונים רגישים במיוחד, מכשירי סונאר בהספק גבוה, מצופי סונאר (מצופים קטנים עם יכולת להאזין להידרופון ולשידור רדיו בכדי לפקח על תנועת כלי השייט האוקיאנוס) ומערכות הצתה של פיזו להצתה של צילינדר יחיד.

גבישים פיזואלקטריים - מה הם?

להלן רשימה שלמהגבישים פיזואלקטריים עם כמה תיאורים קצרים על השימוש בהם. נדון בכמה יישומים ספציפיים של החומרים הפיזואלקטריים הנפוצים ביותר בהמשך.

גבישים המופיעים באופן טבעי:

• קוורץ הוא גביש יציב המשמש בגבישי שעון ובגבישים התייחסות לתדרים עבור משדרי רדיו,
• סוכרוז (סוכר לשולחן)
• מלח רושל - מייצר מתח רב עם דחיסה; משמש במיקרופוני קריסטל מוקדמים.
• טוֹפָּז,
• טורמלין,
• Berlinite (AlPO₄.) —  מינרל פוספט נדיר זהה מבחינה מבנית לקוורץ.

גבישים טכנוגניים- גליום אורתופוספט (GaPO₄), אנלוגי של קוורץ ולנגזיט, אנלוגי של קוורץ.

קרמיקה פיזואלקטרית:

• בריום טיטנאט (BaTiO₃). הקרמיקה הפיזואלקטרית הראשונה מתגלה.
• עופרת טיטנאט (PbTiO₃)
• עופרת זירקונט טיטנאט (PZT)
• אשלגן ניובט (KNbO₃)
• ליתיום ניובאט (LiNbO₃)
• טנטלט ליתיום (LiTaO₃)
• נתרן טונגסטט (Na₂WO₄)

קרמיקה פיזו ללא עופרת:

החומרים הבאים פותחו בתגובה לחששות מפני ההשפעות המזיקות של עופרת על הסביבה.

• נתרן אשלגן אשלגן (NaKNb). לחומר זה תכונות דומות ל- PZT.
• פריט ביסמוט (BiFeO₃)
• נתרן ניובט (NaNbO₃)

חומרים פיזואלקטריים ביולוגיים:

• גִיד
• עץ
• משי
• אֵימָל
• דנטין
• קולגן

יישומים של חומרים פיזואלקטריים

חומרים פיזואלקטריים משמשים בתעשיות רבות, כולל:

• הפקה
• ציוד רפואי
• טלקומוניקציה
• תעשיית הרכב
• טכנולוגיית מידע (IT)

ספקי מתח גבוה:

• מצתים חשמליים.כשלוחצים על כפתור על המצית, הכפתור גורם לפטיש קטן ועמוס קפיץ לפגוע בקריסטל הפיזואלקטרי, ויוצר זרם מתח גבוה שזורם דרך הפער כדי לחמם ולהצית את הגז.
• גרילי גז או כיריים ומבערי גז. הם עובדים באותו אופן כמו מצתים, אך בקנה מידה גדול יותר.
• מתמר פיזואלקטרי. הוא משמש כמכפיל מתח AC במנורות פלואורסצנטיות קתודות קרות.

חיישנים פיזואלקטריים

משתמשים במתמרים קוליהדמיה רפואית יומיומית. המתמר הוא מכשיר פיזואלקטרי הפועל גם כחיישן וגם כמפעיל. מתמרים קולי מכילים אלמנט פיזואלקטרי הממיר אות חשמלי לרטט מכני (מצב שידור או רכיבי כונן) ורטט מכני לאות חשמלי (מצב קליטה או רכיב חיישן).

את האלמנט הפיזואלקטרי בדרך כלל חותכים ל- 1/2 מאורך הגל הרצוי של המתמר הקולי.

סוגים אחרים של חיישנים פיזואלקטריים כוללים:

• מיקרופונים פיזואלקטריים.
• טנדרים של פיזו לגיטרות אלקטרו-אקוסטיות.
• גלי סונאר. גלי קול נוצרים ומקבלים על ידי אלמנט פיזואלקטרי.
• רפידות תוף אלקטרוניות. האלמנטים מזהים את ההשפעה של מקלות מתופפים על הרפידות.
• תאוצה רפואית.זה משמש כאשר אדם נמצא בהרדמה ומזריקים לו מרפי שרירים. היסוד הפיזואלקטרי באקסלומוגרף קובע את הכוח המתרחש בשריר לאחר גירוי עצבי.

מפעילים פיזואלקטריים

אחד היתרונות של מפעילים פיזואלקטרייםהוא שהמתח הגבוה של השדה החשמלי מתאים לשינויים מיקרומטר זעירים ברוחב הקריסטל הפיזואלקטרי. מיקרו-מסות אלה הופכות גבישים פיזואלקטריים שימושיים כמפעילים כאשר נדרש מיקום מדויק של עצמים זעירים, כגון במכשירים הבאים:

• רמקולים
• מנועים פיזואלקטריים
• אלקטרוניקה בלייזר
• מדפסות הזרקת דיו (גבישים שולטים בשחרור הדיו מראש ההדפסה לנייר)
• מנוע דיזל
• תריסי רנטגן

חומרים חכמים

חומרים חכמים הם סוג רחב של חומרים,שאת תכונותיהם ניתן לשנות באופן מבוקר על ידי השפעות חיצוניות כגון pH, טמפרטורה, כימיקלים, שדה מגנטי או חשמלי מוחל או מתח.

חומרים פיזואלקטריים תואמים זאתהגדרה, מכיוון שמתח מופעל יוצר מתח בחומר הפיזואלקטרי, ולהפך, יישום מתח חיצוני מייצר גם חשמל בחומר.

חומרים אינטלקטואליים נוספיםכוללים סגסוגות זיכרון צורות, חומרים הלוכרומיים, חומרים מגנטוקלוריים, פולימרים רגישים לחום, חומרים פוטו-וולטאיים ורבים אחרים.

מה צופן העתיד לחומרים פיזואלקטריים?

אז מה הלאה לגבי חומרים פיזואלקטריים?עתיד? זה רעיון מרגש שחומרי ננו-סיביים פיזואלקטריים יכולים לשמש באופן מסחרי כמקור אנרגיה. הם מסתמכים על כוח מכני לייצור חשמל. לכן, אם תציב אותם, למשל, על מסך מגע, הם יכולים לשמש כמטען למכשיר. כמובן שחלק מהכוח שנוצר הולך לביצוע הפעולה על מסך המגע. אבל יש אפשרות ליצור משאבים נוספים.

שני החומרים הפופולריים ביותר המשמשים לננו-גנרטורים הם פולימר פלואוריד פוליווינילין(PVDF)וקרמיקה עופרת זירקונט טיטנאט (PZT). PVDF מדגים גבוה יותרתכונות פיזואלקטריות מאשר פולימרים אחרים. זה נובע ממבנה הגביש הקוטבי שלו. ל-PZT, לעומת זאת, יש גם מבנה גבישי והוא מסוגל לייצר מתחים גבוהים בהרבה מחומרי קציר אנרגיה פיזואלקטריים אחרים. הוא גם חזק יותר מבחינה מכנית, במיוחד בצורת ננו-תיל.

המעצב התעשייתי יונג-הון קימאס המציאהרעיון המבריק להשתמש בפיזואלקטריה להפעלת מכונית. מכשירים אלה, הטוענים מצברים, מקבלים אנרגיה מתנודות המתרחשות בעת תנועת המכונית. טכנולוגיה זו אינה מייצרת פליטות ואינה תלויה בדלקים מאובנים, מה שהופך אותה לידידותית לסביבה.

מעצב תעשייתי אחר, פול פריגו,פיתחה טלפון נייד שניתן לטעון מעצמו! מודל הזרי משתמש במערכות תרמו-חשמל ופיזואלקטריות. הראשון משתמש בשינויי טמפרטורה כדי ליצור מטען; השנייה היא תנודות אוויר. שתי התכונות הללו הופכות את הטלפון החכם שלך ל 100% ידידותי לסביבה.

אלברטו ויאריאל המקסיקני יצר זוג נעליים,המאיר את השביל לבעליו. בעזרת אנרגיה קינטית של הליכה או ריצה, פולימרים אלקטרולומצנטיים יכולים לייצר אור. השפעות אלה יהיו שימושיות לרצים.

הטכנולוגיה החדשנית הבאה היא בתחוםטבליות. שימוש בקלט מסך מגע משובי עשוי בהחלט להיות הדרך המועדפת לטעון גאדג'טים פופולריים אלה. בממוצע (סטטיסטית) האדם הממוצע מקיש על מסך המגע 1,000 פעמים ביום. זה יותר ממספיק כוח להפעלת הטאבלט.

לבסוף, אולי המעניין ביותרגאדג'ט פיזואלקטרי - מקלחת. עוצב על ידי מהנדסים פיניים, מקסיקנים וגרמנים, והוא מכיל חוטי ננו זעירים רבים. חוטי ננו אלה משתמשים באנרגיה של מים עוברים לייצור חשמל המשמש לחימום המים. המכשיר כולל גם לוחות מגע העוקבים אחר כמות המים המשמשים וסופרים את הזמן שהמשתמש מבלה במקלחת. יש גם וסת השולט על לחץ המים.

קרא עוד

פיזיקאים יצרו אנלוגיה של חור שחור ואישרו את התיאוריה של הוקינג. לאן זה מוביל?

מדענים גילו את החלקיק המיתי של אודדרון

תופעת הטבע המסתורית ביותר. מאיפה ברק הכדור ואיך זה מסוכן?

דיאלקטרי הוא חומר רע יחסיתזרם חשמלי מוליך. המאפיינים החשמליים של דיאלקטריה נקבעים על ידי יכולתם לקטב בשדה חשמלי חיצוני. המונח הוכנס למדע על ידי הפיזיקאי האנגלי מ 'פאראדיי. ריכוז מובילי הטעינה החינמיים בדיאלקטרי אינו עולה על 10⁸ ס"מ.