압전 효과는 기계적 영향으로 유전체의 분극 효과입니다.
직접 압전 효과로 변형압전 샘플의 경우 변형 가능한 고체의 표면 사이에 전압이 나타나고 역 압전 효과의 경우 신체에 전압을 가하면 변형이 발생합니다.
압전 재료는 무엇입니까?
압전 재료는 기계적 응력이 가해지면 내부 전하를 생성할 수 있는 재료입니다.
특정 자연 발생 물질은 압전 효과를 나타냅니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
- 뼈,
- 결정체,
- 특정 도자기,
- DNA,
- 에나멜,
- 실크,
- 상아질 등.
입증 자료압전 효과는 또한 역 압전 효과 (역 또는 역 압전 효과라고도 함)를 나타냅니다. 역 압전 효과는인가 된 전기장에 반응하여 내부적으로 발생하는 기계적 응력입니다.
압전 재료의 역사
크리스털이 처음으로 사용 된 재료압전성에 대한 초기 실험에서. Curie 형제 인 Pierre와 Jacques는 1880 년에 직접 압전 효과를 처음으로 입증했습니다. 과학자들은 결정 구조와 초전 물질 (온도 변화에 반응하여 전하를 생성하는 물질)에 대한 실제 지식을 확장했습니다.
그들은 다음과 같은 특정 결정의 표면 전하를 측정했습니다.
- 지팡이 설탕
- 전기석,
- 석영,
- 황옥,
- 로셸 소금 (주석산의 나트륨-칼륨 염),
그 결과 가장 높은 압전 효과를 보여준 것은 석영과 로셸의 소금이었습니다.
그러나 Curie 형제는 달리 예측하지 않았습니다.압전 효과. 1881 년 Gabriel Lippmann에 의해 수학적으로 파생되었습니다. Curie는 그 효과를 확인하고 압전 결정에서 전기적, 탄 성적, 기계적 변형의 가역성에 대한 정량적 증거를 제공했습니다.
1910년에는 천연 결정의 종류가 20개로 늘어났습니다.압전 효과가 관찰되는 현상은 Lehrbuch Der Kristallphysik - 'Textbook of Crystal Physics'에 완전히 결정되어 게재되었습니다. 그러나 그것은 뚜렷한 기술적 또는 상업적 응용이 없는 잘 알려지지 않은 물리학의 첨단 기술 틈새 영역으로 남아 있었습니다.
전쟁이 오기 전까지.
세계 대전
최초의 기술 적용초음파 잠수함 탐지기로 압전재료를 사용했다. 플라스틱 탐지기는 변환기(한 유형의 에너지를 다른 유형의 에너지로 변환하는 장치)와 수중청음기로 구성됩니다. 변환기는 두 개의 강철판 사이에 접착된 얇은 석영 크리스털로 만들어졌습니다.
초음파 검출기의 대성공전쟁 중 잠수함은 압전 장치의 집약적 인 기술 개발을 자극했습니다. 제 1 차 세계 대전 이후 압전 세라믹은 축음기 카트리지에 사용되었습니다.
제 2 차 세계 대전
일본, 소련 및 미국의 독자적인 연구로 인해 제 2 차 세계 대전 중에 압전 재료의 사용이 크게 발전했습니다.
특히 관계 이해의 발전결정 구조와 전기 기계 활동 사이의 다른 연구 발전과 함께 압전 기술에 대한 접근 방식이 완전히 바뀌 었습니다. 처음으로 엔지니어들은 재료의 특성을 관찰 한 다음 관찰 된 특성의 적절한 용도를 찾는 대신 특정 장치 응용 분야를위한 압전 재료를 조작 할 수있었습니다.
이 개발로 인해 많은초 고감도 마이크, 고출력 수중 음파 탐지기 장치, 음파 탐지기 부이 (항상 선박의 움직임을 모니터링하기 위해 수중 전화 및 무선 전송을들을 수있는 소형 부이) 및 압전 점화 시스템과 같은 압전 재료의 전쟁 관련 응용 단일 실린더 점화 용.
압전 결정은 무엇입니까?
아래는 불완전한 목록입니다.사용에 대한 간략한 설명과 함께 압전 결정. 우리는 나중에 가장 일반적으로 사용되는 압전 재료의 몇 가지 특정 응용에 대해 논의 할 것입니다.
자연적으로 발생하는 결정 :
- 석영은 무선 송신기의 클록 크리스탈 및 주파수 기준 크리스탈에 사용되는 안정적인 크리스탈입니다.
- 자당 (설탕)
- Rochelle 소금-압축으로 많은 장력을 생성합니다. 초기 크리스탈 마이크에 사용됩니다.
- 황옥,
- 전기석,
- 베를린파(AlPO₄.) — 석영과 구조적으로 동일한 희귀한 인산염 광물.
기술 결정체-갈륨 오르토 포스페이트 (GaPO₄), 석영의 유사체 및 랑가 사이트, 석영의 유사체.
압전 세라믹 :
- 티탄산 바륨 (BaTiO₃). 최초의 압전 세라믹이 발견되었습니다.
- 티탄산 납 (PbTiO₃)
- 납 지르 코 네이트 티탄산 (PZT)
- 니오브 산 칼륨 (KNbO₃)
- 니오브 산 리튬 (LiNbO₃)
- 리튬 탄탈 레이트 (LiTaO₃)
- 텅스텐 산 나트륨 (Na₂WO₄)
무연 피에조 세라믹 :
납이 환경에 미치는 유해한 영향에 대한 우려에 대응하여 다음 자료가 개발되었습니다.
- 니오브 산 칼륨 (NaKNb). 이 재료는 PZT와 유사한 특성을 가지고 있습니다.
- 비스무트 페라이트 (BiFeO₃)
- 니오브 산 나트륨 (NaNbO₃)
생물학적 압전 재료 :
- 건
- 목재
- 실크
- 에나멜
- Dentine
- 콜라겐
압전 재료의 응용
압전 재료는 다음을 포함한 많은 산업에서 사용됩니다.
- 생산
- 의료 장비
- 통신
- 자동차 산업
- 정보 기술 (IT)
고전압 전원 공급 장치 :
- 전기 라이터.라이터의 버튼을 누르면 버튼이 작은 스프링이 달린 해머가 압전 크리스탈에 부딪 히게하여 틈새를 통해 흐르는 고전압 전류를 생성하여 가스를 가열하고 점화시킵니다.
- 가스 그릴 또는 스토브 및 가스 버너. 라이터와 동일한 방식으로 작동하지만 더 큰 규모로 작동합니다.
- 압전 변환기. 냉 음극 형광등에서 AC 전압 배율기로 사용됩니다.
압전 센서
초음파 변환기는일상적인 의료 영상. 변환기는 센서와 액추에이터로 작동하는 압전 장치입니다. 초음파 변환기에는 전기 신호를 기계적 진동 (전송 모드 또는 구동 구성 요소)으로 변환하고 기계적 진동을 전기 신호 (수신 모드 또는 센서 구성 요소)로 변환하는 압전 요소가 포함되어 있습니다.
압전 소자는 일반적으로 초음파 변환기의 원하는 파장의 1/2로 절단됩니다.
다른 유형의 압전 센서는 다음과 같습니다.
- 압전 마이크.
- 일렉트로 어쿠스틱 기타 용 피에조 픽업.
- 음 파파. 음파는 압전 소자에 의해 생성되고 수신됩니다.
- 전자 드럼 패드. 요소는 드러머의 스틱이 패드에 미치는 영향을 감지합니다.
- 의료 가속 근육 검사.이것은 사람이 마취 상태에 있고 근육 이완제를 주사 할 때 사용됩니다. 가속도계의 압전 요소는 신경 자극 후 근육에서 발생하는 힘을 결정합니다.
압전 액추에이터
압전 액추에이터의 장점 중 하나전기장의 고전압은 압전 결정의 폭에서 미세한 마이크로 미터 변화에 해당한다는 것입니다. 이러한 마이크로 질량은 다음 장치에서와 같이 작은 물체의 정확한 위치 지정이 필요할 때 압전 크리스탈을 액추에이터로 유용하게 만듭니다.
- 확성기
- 압전 모터
- 레이저 전자
- 잉크젯 프린터 (크리스탈은 프린트 헤드에서 용지로의 잉크 방출을 제어 함)
- 디젤 엔진
- X- 레이 셔터
스마트 재료
스마트 소재는 다양한 종류의 소재입니다.pH, 온도, 화학 물질,인가 된 자기장 또는 전기장 또는 전압과 같은 외부 영향에 의해 제어 된 방식으로 속성이 변경 될 수 있습니다.
압전 재료는 이것을 준수합니다정의하면인가 된 전압이 압전 재료에 전압을 생성하고 반대로 외부 전압을인가하면 재료에 전기가 생성되기 때문입니다.
추가 지적 자료형상 기억 합금, 할로 크로 믹 재료, 자기 열량 재료, 감 열성 폴리머, 광전지 재료 등이 있습니다.
압전 재료의 미래는 어떻게 될까요?
그렇다면 압전 재료의 다음 단계는 무엇일까요?미래? 압전 나노섬유 소재가 에너지원으로 상업적으로 사용될 수 있다는 것은 흥미로운 아이디어입니다. 그들은 전기를 생산하기 위해 기계적 힘에 의존합니다. 따라서 예를 들어 터치 스크린 위에 놓으면 장치 충전기 역할을 할 수 있습니다. 물론 생성된 전력 중 일부는 터치 스크린에서 작업을 수행하는 데 사용됩니다. 그러나 추가 리소스를 생성하는 옵션이 있습니다.
나노발전기에 사용되는 가장 인기 있는 두 가지 재료는 폴리머입니다.폴리 비닐 리덴 플루오 라이드(PVDF)및 세라믹 납 지르 코 네이트 티탄산 (PZT). PVDF는 더 높은 것을 보여줍니다다른 폴리머보다 압전 특성이 뛰어납니다. 이는 극성 결정 구조 때문입니다. 반면 PZT는 결정 구조를 갖고 있어 다른 압전 에너지 수확 재료보다 훨씬 더 높은 전압을 생성할 수 있습니다. 또한 특히 나노와이어 형태에서는 기계적으로 더 강합니다.
산업 디자이너 김정훈이압전을 사용하여 자동차에 동력을 공급하는 훌륭한 아이디어. 배터리를 충전하는 이러한 장치는 자동차가 움직일 때 발생하는 진동으로부터 에너지를받습니다. 이 기술은 배출 가스를 생성하지 않으며 화석 연료에 의존하지 않으므로 환경 친화적입니다.
또 다른 산업 디자이너 Paul Frigu는자체 충전이 가능한 휴대폰 개발! Zeri 모델은 열전 및 압전 시스템을 사용합니다. 첫 번째는 온도 변화를 사용하여 전하를 생성합니다. 두 번째는 공기 진동입니다. 이 두 가지 기능은 스마트 폰을 100 % 친환경적으로 만듭니다.
멕시코 알베르토 비야 레알은 신발 한 켤레를 만들었고소유자의 길을 밝혀줍니다. 걷거나 달리는 운동 에너지를 사용하여 전계 발광 폴리머는 빛을 생성 할 수 있습니다. 이러한 효과는 러너에게 유용합니다.
차세대 혁신 기술은 분야에 있습니다.정제. 재생 식 터치 스크린 입력을 사용하는 것이 이러한 인기있는 장치를 충전하는 데 선호되는 방법 일 수 있습니다. 평균적으로 (통계적으로) 평균적인 사람은 하루에 1,000 번 터치 스크린을 탭합니다. 이것은 태블릿에 전원을 공급하기에 충분한 전력입니다.
마지막으로, 아마도 가장 흥미로운압전 가제트-샤워. 핀란드, 멕시코 및 독일 엔지니어가 설계 한이 제품에는 많은 작은 나노 와이어가 포함되어 있습니다. 이러한 나노 와이어는 물을 통과시키는 에너지를 사용하여 물을 가열하는 데 사용되는 전기를 생성합니다. 이 장치에는 사용 된 물의 양을 모니터링하고 사용자가 샤워하는 시간을 계산하는 터치 패널도 있습니다. 수압을 제어하는 조절기도 있습니다.
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