Pjezoelektrinis efektas yra dielektriko poliarizacijos poveikis mechaniniam poveikiui
Su tiesioginiu pjezoelektriniu efektu, deformacijapjezoelektrinio bandinio elektrinė įtampa atsiranda tarp deformuojamos kietosios medžiagos paviršiaus; esant atvirkštiniam pjezoelektriniam poveikiui, įtampa kūnui sukelia jo deformaciją.
Kas yra pjezoelektrinės medžiagos?
Pjezoelektrinės medžiagos yra medžiagos, galinčios sukurti vidinį elektros krūvį veikiant mechaniniam įtempimui.
Tam tikros natūraliai randamos medžiagos turi pjezoelektrinį poveikį. Jie apima:
- Kaulas,
- Kristalai,
- Tam tikra keramika,
- DNR,
- Emalis,
- Šilkas,
- Dentinas ir dar daugiau.
Medžiagos, kurios demonstruojapjezoelektrinis efektas taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį poveikį (dar vadinamą atvirkštiniu arba atvirkštiniu pjezoelektriniu efektu). Atvirkštinis pjezoelektrinis poveikis yra vidinis mechaninio įtempio generavimas, reaguojant į taikomą elektrinį lauką.
Pjezoelektrinių medžiagų istorija
Pirmosios panaudotos medžiagos buvo kristalaiankstyvuose pjezoelektros eksperimentuose. Broliai Curie, Pierre'as ir Jacques'as, tiesioginį pjezoelektrinį efektą pirmą kartą įrodė 1880 m. Mokslininkai išplėtė praktines žinias apie kristalų struktūras ir piroelektrines medžiagas (medžiagas, kurios reaguoja į temperatūros pokyčius sukuria elektrinį krūvį).
Jie matavo šių specifinių kristalų paviršiaus krūvius, būtent:
- Cukranendrių cukrus
- Turmalinas,
- Kvarcas,
- Topazas,
- Rochelle druska (natrio-kalio druskos vyno rūgštis),
Todėl būtent kvarcas ir Rochelle druska parodė didžiausią pjezoelektrinį poveikį.
Tačiau broliai Curie nenuspėjo kitaip.pjezoelektrinis efektas. Matematiškai jį išvydo Gabrielius Lippmannas 1881 m. Tada Curie patvirtino poveikį ir pateikė kiekybinius elektrinių, elastinių ir mechaninių deformacijų grįžtamumo pjezoelektriniuose kristaluose įrodymus.
Iki 1910 m. buvo 20 natūralių kristalų klasiųkuriuose stebimas pjezoelektrinis efektas, buvo visiškai nustatyti ir paskelbti Lehrbuch Der Kristallphysik - «Crystal Physics vadovėlyje». Tačiau tai išliko mažai žinoma ir aukštųjų technologijų fizikos niša, neturinti akivaizdžių technologinių ar komercinių pritaikymų.
Kol atėjo karas.
Pasaulinis karas
Pirmasis technologinis pritaikymaspjezoelektrinė medžiaga buvo naudojama kaip ultragarsinis povandeninio laivo detektorius. Plastikinis detektorius pagamintas iš keitiklio (įtaiso, kuris paverčia vienos rūšies energiją į kitą) ir hidrofono. Keitiklis pagamintas iš plonų kvarco kristalų, klijuotų tarp dviejų plieninių plokščių.
Didžiulė ultragarso detektoriaus sėkmėkaro metu povandeniniai laivai paskatino intensyvią pjezoelektrinių įrenginių technologinę plėtrą. Po I pasaulinio karo pjezoelektrinė keramika buvo naudojama fonografų kasetėse.
Antrasis pasaulinis karas
Dėl nepriklausomų Japonijos, SSRS ir Jungtinių Valstijų tyrimų pjezoelektrinių medžiagų naudojimas per Antrąjį pasaulinį karą gerokai pasistūmėjo į priekį.
Visų pirma pažanga suprantant santykiustarp kristalų struktūros ir elektromechaninio aktyvumo, kartu su kitais mokslo pasiekimais, visiškai pasikeitė požiūris į pjezoelektrinę technologiją. Pirmą kartą inžinieriai galėjo manipuliuoti pjezoelektrinėmis medžiagomis tam tikram prietaiso pritaikymui, užuot stebėję medžiagų savybes ir tada ieškodami tinkamų pastebėtų savybių panaudojimo būdų.
Ši raida leido sukurti daugelįsu karu susijusios pjezoelektrinių medžiagų, tokių kaip ypač jautrūs mikrofonai, didelės galios sonaro įtaisai, sonaro plūdurai (maži plūdurai, galintys klausytis hidrofono ir radijo perdavimo, kad būtų galima stebėti vandenyną plaukiančių laivų judėjimą), ir pjezo uždegimo sistemos vieno cilindro uždegimui.
Pjezoelektriniai kristalai - kas tai?
Žemiau yra neišsamus sąrašaspjezoelektriniai kristalai su trumpais jų naudojimo aprašymais. Vėliau aptarsime keletą konkrečių dažniausiai naudojamų pjezoelektrinių medžiagų pritaikymo būdų.
Natūraliai randami kristalai:
- Kvarcas yra stabilus kristalas, naudojamas radijo siųstuvų laikrodžio kristaluose ir dažnio etaloniniuose kristaluose,
- Sacharozė (stalo cukrus)
- Rochelle druska - sukelia daug įtampos suspaudžiant; naudojamas ankstyvųjų kristalų mikrofonuose.
- Topazas,
- Turmalinas,
- Berlynas (AlPO₄) – retas fosfatinis mineralas, struktūriškai identiškas kvarcui.
Technogeniniai kristalai- galio ortofosfatas (GaPO₄), kvarco ir langazito analogas, kvarco analogas.
Pjezoelektrinė keramika:
- Bario titanatas (BaTiO₃). Atrasta pirmoji pjezoelektrinė keramika.
- Švino titanatas (PbTiO₃)
- Švino cirkonato titanatas (PZT)
- Kalio niobatas (KNbO₃)
- Ličio niobatas (LiNbO₃)
- Ličio tantalatas (LiTaO₃)
- Natrio volframatas (Na₂WO₄)
Be švino pjezo keramika:
Šios medžiagos buvo sukurtos reaguojant į nerimą dėl žalingo švino poveikio aplinkai.
- Natrio kalio niobatas (NaKNb). Šios medžiagos savybės panašios į PZT.
- Bismuto feritas (BiFeO₃)
- Natrio niobatas (NaNbO₃)
Biologinės pjezoelektrinės medžiagos:
- Sausgyslė
- Mediena
- Šilkas
- Emalis
- Dentinas
- Kolagenas
Pjezoelektrinių medžiagų pritaikymas
Pjezoelektrinės medžiagos naudojamos daugelyje pramonės šakų, įskaitant:
- Gamyba
- Medicininė įranga
- Telekomunikacijos
- Automobilių pramonė
- Informacinės technologijos (IT)
Aukštos įtampos maitinimo šaltiniai:
- Elektriniai žiebtuvėliai.Paspaudus žiebtuvėlio mygtuką, mygtukas priverčia mažą spyruoklinį plaktuką pataikyti į pjezoelektrinį kristalą, sukuriant aukštos įtampos srovę, kuri teka per tarpą, kad šildytų ir uždegtų dujas.
- Dujų grotelės arba krosnys ir dujų degikliai. Jie veikia taip pat, kaip žiebtuvėliai, tačiau didesniu mastu.
- Pjezoelektrinis keitiklis. Jis naudojamas kaip kintamosios srovės įtampos daugiklis šaltojo katodo liuminescencinėse lempose.
Pjezoelektriniai jutikliai
Ultragarsiniai keitikliai naudojamikasdieninis medicininis vaizdavimas. Keitiklis yra pjezoelektrinis įtaisas, kuris veikia ir kaip jutiklis, ir kaip pavara. Ultragarsiniuose davikliuose yra pjezoelektrinis elementas, kuris paverčia elektrinį signalą mechaniniu (perdavimo režimas ar pavaros komponentai), o mechaninis - į elektrinį signalą (priėmimo režimas arba jutiklio komponentas).
Pjezoelektrinis elementas paprastai supjaustomas iki 1/2 norimo ultragarso keitiklio bangos ilgio.
Kiti pjezoelektrinių jutiklių tipai:
- Pjezoelektriniai mikrofonai.
- Pjezo imtuvai elektroakustinėms gitaroms.
- Sonaras banguoja. Garso bangas generuoja ir priima pjezoelektrinis elementas.
- Elektroniniai būgnų pagalvėlės. Elementai nustato būgnininkų lazdų poveikį ant trinkelių.
- Medicininė akseleromografija.Tai naudojama, kai žmogui taikoma narkozė ir švirkščiami raumenis atpalaiduojantys vaistai. Akseleromiografo pjezoelektrinis elementas nustato jėgą, kuri atsiranda raumenyje po nervinės stimuliacijos.
Pjezoelektrinės pavaros
Vienas iš pjezoelektrinių pavarų privalumųyra ta, kad aukšta elektrinio lauko įtampa atitinka mažus pjezoelektrinio kristalo pločio mikrometrinius pokyčius. Dėl šių mikro masių pjezoelektriniai kristalai yra naudingi kaip pavaros, kai reikia tiksliai nustatyti mažus objektus, pavyzdžiui, šiuose įtaisuose:
- Garsiakalbiai
- Pjezoelektriniai varikliai
- Lazerio elektronika
- Rašaliniai spausdintuvai (kristalai kontroliuoja rašalo išsiskyrimą iš spausdinimo galvutės ant popieriaus)
- Dyzeliniai varikliai
- Rentgeno langinės
Išmaniosios medžiagos
Išmaniosios medžiagos yra plati medžiagų klasė,kurio savybes galima kontroliuoti išoriniu poveikiu, tokiais kaip pH, temperatūra, chemikalai, pritaikytas magnetinis ar elektrinis laukas ar įtampa.
Pjezoelektrinės medžiagos tai atitinkaapibrėžimas, nes pritaikyta įtampa sukuria įtampą pjezoelektrinėje medžiagoje, ir atvirkščiai, naudojant išorinę įtampą, medžiagoje taip pat gaminama elektra.
Papildoma intelektinė medžiagaapima formos atminties lydinius, halochromines medžiagas, magnetokalorines medžiagas, termo jautrius polimerus, fotoelektrines medžiagas ir daugelį kitų.
Ką laukia pjezoelektrinių medžiagų ateitis?
Taigi, kas bus toliau su pjezoelektrinėmis medžiagomis?ateitis? Įdomu, kad pjezoelektrinės nanopluošto medžiagos galėtų būti komerciškai naudojamos kaip energijos šaltinis. Jie naudojasi mechanine jėga, kad gamintų elektrą. Todėl, jei juos pastatysite, pavyzdžiui, ant jutiklinio ekrano, jie gali veikti kaip įrenginio įkroviklis. Žinoma, dalis sukurtos galios skiriama veiksmams atlikti jutikliniame ekrane. Tačiau yra galimybė sukurti papildomų išteklių.
Dvi populiariausios nanogeneratoriams naudojamos medžiagos yra polimerai polivinilideno fluoras(PVDF)ir keramikos Švino cirkonato titanatas (PZT). PVDF demonstruoja aukštesnįpjezoelektrines savybes nei kiti polimerai. Taip yra dėl jo poliarinės kristalinės struktūros. Kita vertus, PZT taip pat turi kristalinę struktūrą ir gali generuoti daug didesnę įtampą nei kitos pjezoelektrinės energijos surinkimo medžiagos. Jis taip pat yra mechaniškai stipresnis, ypač nanovielinės formos.
Prasidėjo pramonės dizaineris Jungas-Hoonas Kimhasaspuiki idėja naudoti pjezoelektrą automobilio varymui. Tokie prietaisai, kurie krauna baterijas, gauna energiją iš vibracijų, atsirandančių važiuojant automobiliui. Ši technologija neišmeta teršalų ir nepriklauso nuo iškastinio kuro, todėl ji yra ekologiška.
Kitas pramonės dizaineris Paulas Frigusukūrė mobilųjį telefoną, kurį galima įkrauti pats! „Zeri“ modelyje naudojamos termoelektrinės ir pjezoelektrinės sistemos. Pirmasis naudoja temperatūros pokyčius, kad generuotų krūvį; antra - oro vibracijos. Dėl šių dviejų funkcijų jūsų išmanusis telefonas tampa 100% ekologiškas.
Meksikietis Alberto Villarreal sukūrė porą batų,kuris nušviečia kelią iki savininko. Naudojant kinetinę ėjimo ar bėgimo energiją, elektroliuminescenciniai polimerai gali gaminti šviesą. Šie efektai bus naudingi bėgikams.
Kita naujoviška technologija yra šiame sektoriujetabletės. Regeneracinio jutiklinio ekrano įvesties naudojimas gali būti tinkamiausias būdas įkrauti šias populiarias programėles. Vidutiniškai (statistiškai) vidutinis žmogus liečia jutiklinį ekraną 1 000 kartų per dieną. Tai yra daugiau nei pakankamai energijos, kad maitintų planšetinį kompiuterį.
Galiausiai, bene įdomiausiapjezoelektrinis įtaisas - dušas. Sukurtas suomių, meksikiečių ir vokiečių inžinierių, jame yra daug mažų nanovielių. Šie nanovieliai naudoja praeinančio vandens energiją elektrai gaminti, kuri naudojama vandeniui šildyti. Prietaisas taip pat turi jutiklinius skydelius, kurie stebi sunaudoto vandens kiekį ir skaičiuoja laiką, kurį vartotojas praleidžia duše. Taip pat yra reguliatorius, kuris kontroliuoja vandens slėgį.
Skaityti daugiau
Fizikai sukūrė juodosios skylės analogą ir patvirtino Hawkingo teoriją. Kur jis veda?
Mokslininkai atrado mitinę Odderono dalelę
Paslaptingiausias gamtos reiškinys. Iš kur kamuolinis žaibas ir kaip jis pavojingas?
Dielektrikas yra gana bloga medžiagalaidži elektros srovė. Dielektrikų elektrines savybes lemia jų gebėjimas poliarizuotis išoriniame elektriniame lauke. Terminą į mokslą įvedė anglų fizikas M. Faraday. Laisvųjų krūvininkų koncentracija dielektrike neviršija 10⁸ cm⁻³.