Pjezoelektriskais efekts ir dielektriskā polarizācijas ietekme mehāniskā
Ar tiešo pjezoelektrisko efektu, deformācijupjezoelektriskā parauga noved pie elektriskā sprieguma parādīšanās starp deformējamas cietas vielas virsmām; apgrieztā pjezoelektriskā efekta gadījumā sprieguma iedarbība uz ķermeni izraisa tā deformāciju.
Kas ir pjezoelektriskie materiāli?
Pjezoelektriskie materiāli ir materiāli, kas spēj radīt iekšēju elektrisko lādiņu nopielietoja mehānisko spriegumu.
Vairākām dabā sastopamām vielām piemīt pjezoelektriskais efekts. Tie ietver:
- Kauls,
- Kristāli,
- Noteikta keramika,
- DNS,
- Emalja,
- Zīds,
- Dentīns un ne tikai.
Materiāli, kas demonstrēpjezoelektriskais efekts uzrāda arī apgriezto pjezoelektrisko efektu (saukts arī par apgriezto vai apgriezto pjezoelektrisko efektu). Apgrieztais pjezoelektriskais efekts ir mehāniskā sprieguma iekšēja ģenerēšana, reaģējot uz pielietoto elektrisko lauku.
Pjezoelektrisko materiālu vēsture
Pirmais izmantotais materiāls bija kristāliagros eksperimentos ar pjezoelektrību. Brāļi Kirī, Pjērs un Žaks, tiešo pjezoelektrisko efektu pirmoreiz pierādīja 1880. gadā. Zinātnieki ir paplašinājuši praktiskās zināšanas par kristālu struktūrām un piroelektriskiem materiāliem (materiāliem, kas, reaģējot uz temperatūras izmaiņām, rada elektrisko lādiņu).
Viņi izmēra šādu specifisku kristālu virsmas lādiņus, proti:
- Niedru cukurs
- Turmalīns,
- Kvarcs,
- Topāzs,
- Ročelas sāls (vīnskābes nātrija-kālija sāls),
Tā rezultātā tieši kvarcs un Ročelas sāls parādīja visaugstāko pjezoelektrisko efektu.
Tomēr brāļi Kirī neko citu neprognozēja.pjezoelektriskais efekts. To matemātiski atvasināja Gabriels Lipmans 1881. gadā. Pēc tam Kirī apstiprināja efektu un sniedza kvantitatīvus pierādījumus par elektrisko, elastīgo un mehānisko deformāciju atgriezeniskumu pjezoelektriskajos kristālos.
Līdz 1910. gadam bija 20 dabisko kristālu klases, kurās tika novērots pjezoelektriskais efektstika pilnībā definēti un publicēti Lehrbuch Der Kristallphysik, "Kristāla fizikas mācību grāmata".Bet tā palika mazpazīstama un augsto tehnoloģiju nišas fizikas joma bez redzamiem tehnoloģiskiem vai komerciāliem lietojumiem.
Līdz brīdim, kad pienāca karš.
Pasaules karš
Pirmais pjezoelektriskā materiāla tehnoloģiskais pielietojums bija kā zemūdens ultraskaņas detektors.Plastmasas detektors ir izgatavots no devēja (ierīce, kas pārveido viena veida enerģiju citā) un hidrofona.Devējs ir izgatavots no plāniem kvarca kristāliem, kas pielīmēti starp divām tērauda plāksnēm.
Ultraskaņas detektora milzīgie panākumizemūdenes kara laikā stimulēja pjezoelektrisko ierīču intensīvu tehnoloģisko attīstību. Pēc Pirmā pasaules kara fonogrāfu kasetnēs tika izmantota pjezoelektriskā keramika.
Otrais pasaules karš
Pjezoelektrisko materiālu izmantošana ievērojami progresēja Otrā pasaules kara laikā, pateicoties neatkarīgiem Japānas, PSRS un ASV pētījumiem.
Jo īpaši sasniegumi attiecību izpratnēstarp kristāla struktūru un elektromehānisko aktivitāti kopā ar citiem sasniegumiem pētījumos ir pilnībā mainīta pieeja pjezoelektriskajai tehnoloģijai. Pirmo reizi inženieri varēja manipulēt ar pjezoelektriskiem materiāliem konkrētai ierīces lietošanai, nevis novērot materiālu īpašības un pēc tam meklēt piemērotos novēroto īpašību izmantošanas veidus.
Šī attīstība ļāva radīt daudzusar karu saistītas pjezoelektrisko materiālu, piemēram, īpaši jutīgu mikrofonu, lieljaudas hidrolokatoru ierīču, hidrolokatoru boju (mazas bojas ar iespēju klausīties hidrofonu un radio pārraidi, lai uzraudzītu okeāna kuģu kustību) un pjezo aizdedzes sistēmu pielietojums karā viena cilindra aizdedzei.
Pjezoelektriskie kristāli - kas tie ir?
Zemāk ir nepilnīgs sarakstspjezoelektriskie kristāli ar dažiem īsiem to izmantošanas aprakstiem. Mēs vēlāk apspriedīsim dažus visbiežāk izmantoto pjezoelektrisko materiālu specifiskos pielietojumus.
Dabiski sastopamie kristāli:
- Kvarcs ir stabils kristāls, ko izmanto radio raidītāju pulksteņa kristālos un frekvences standartkristālos,
- Saharoze (galda cukurs)
- Rochelle sāls - rada lielu sasprindzinājumu ar saspiešanu; izmanto agrīno kristālu mikrofonos.
- Topāzs,
- Turmalīns,
- Berlinīts (AlPO₄) ir rets fosfātu minerāls, kas strukturāli ir identisks kvarcam.
Tehnogēnie kristāli- gallija ortofosfāts (GaPO₄), kvarca un langazīta analogs, kvarca analogs.
Pjezoelektriskā keramika:
- Bārija titanāts (BaTiO₃). Tiek atklāta pirmā pjezoelektriskā keramika.
- Svina titanāts (PbTiO₃)
- Svina cirkonāta titanāts (PZT)
- Kālija niobāts (KNbO₃)
- Litija niobāts (LiNbO₃)
- Litija tantalāts (LiTaO₃)
- Nātrija volframāts (Na₂WO₄)
Bez svina pjezo keramika:
Šādi materiāli tika izstrādāti, reaģējot uz bažām par svina kaitīgo ietekmi uz vidi.
- Nātrija kālija niobāts (NaKNb). Šim materiālam ir līdzīgas īpašības kā PZT.
- Bismuta ferīts (BiFeO₃)
- Nātrija niobāts (NaNbO₃)
Bioloģiskie pjezoelektriskie materiāli:
- Cīpsla
- Koks
- Zīds
- Emalja
- Dentīns
- Kolagēns
Pjezoelektrisko materiālu pielietojums
Pjezoelektriskos materiālus izmanto daudzās nozarēs, tostarp:
- Ražošana
- Medicīniskais aprīkojums
- Telekomunikācijas
- Automobiļu rūpniecība
- Informācijas tehnoloģija (IT)
Augstsprieguma barošanas avoti:
- Elektriskās šķiltavas.Nospiežot uz šķiltavas pogu, poga izraisa nelielu, ar atsperi piepildītu āmuru, kas ietriecas pjezoelektriskajā kristālā, radot augstsprieguma strāvu, kas plūst caur spraugu, lai sildītu un aizdedzinātu gāzi.
- Gāzes grili vai krāsnis un gāzes degļi. Tie darbojas tāpat kā šķiltavas, bet lielākā mērogā.
- Pjezoelektriskais devējs. To izmanto kā maiņstrāvas sprieguma reizinātāju aukstā katoda dienasgaismas spuldzēs.
Pjezoelektriskie sensori
Ultraskaņas pārveidotāji tiek izmantotiikdienas medicīniskā attēlveidošana. Pārveidotājs ir pjezoelektriskā ierīce, kas darbojas gan kā sensors, gan kā izpildmehānisms. Ultraskaņas devēji satur pjezoelektrisko elementu, kas pārveido elektrisko signālu par mehānisko vibrāciju (pārraides režīms vai piedziņas komponenti) un mehānisko vibrāciju par elektrisko signālu (uztveršanas režīms vai sensora komponents).
Pjezoelektrisko elementu parasti sagriež līdz 1/2 vēlamajam ultraskaņas devēja viļņa garumam.
Citi pjezoelektrisko sensoru veidi ietver:
- Pjezoelektriskie mikrofoni.
- Pjezo pikapi elektroakustiskajām ģitārām.
- Sonārs viļņo. Skaņas viļņus ģenerē un uztver pjezoelektriskais elements.
- Elektroniskas bungu spilventiņi. Elementi nosaka bundzinieku nūju ietekmi uz spilventiņiem.
- Medicīniskā akseleromogrāfija.To lieto, ja personai tiek veikta anestēzija un injicēti muskuļu relaksanti. Akseleromogrāfā esošais pjezoelektriskais elements nosaka spēku, kas rodas muskuļos pēc nervu stimulēšanas.
Pjezoelektriskie izpildmehānismi
Viena no pjezoelektrisko pievadu priekšrocībāmir tas, ka elektriskā lauka augstspriegums atbilst niecīgām mikrometru izmaiņām pjezoelektriskā kristāla platumā. Šīs mikro masas padara pjezoelektriskos kristālus noderīgus kā izpildmehānismus, kad nepieciešama precīza mazu priekšmetu pozicionēšana, piemēram, šādās ierīcēs:
- Skaļruņi
- Pjezoelektriskie motori
- Lāzera elektronika
- Tintes printeri (kristāli kontrolē tintes izdalīšanos no drukas galvas uz papīra)
- Dīzeļdzinēji
- Rentgena slēģi
Gudri materiāli
Viedie materiāli ir plaša materiālu klase,kuru īpašības kontrolētā veidā var mainīt tādas ārējas ietekmes kā pH, temperatūra, ķīmiskās vielas, pielietotais magnētiskais vai elektriskais lauks vai spriegums.
Pjezoelektriskie materiāli tam atbilstdefinīciju, jo pielietotais spriegums rada spriegumu pjezoelektriskajā materiālā, un otrādi, izmantojot ārēju spriegumu, materiālā rodas arī elektrība.
Papildu intelektuālie materiāliietilpst formas atmiņas sakausējumi, halohromie materiāli, magnetokaloriskie materiāli, termosensitīvie polimēri, fotoelektriskie materiāli un daudzi citi.
Kāda ir pjezoelektrisko materiālu nākotne?
Tātad, kāda ir pjezoelektrisko materiālu nākotne?Tā ir aizraujoša ideja, ka nanošķiedras pjezomateriālus varētu komerciāli izmantot kā enerģijas avotu.Viņi paļaujas uz mehānisku spēku, lai radītu elektrību, tādēļ, piemēram, ja jūs tos novietojat uz skārienekrāna, viņi varProtams, daļa no radītās enerģijas nonāk ierīcē.Bet ir iespēja izveidot papildu resursus.
Divi no populārākajiem materiāliem, ko izmanto nanoģeneratoriem, ir polimērs polivinilidēnfluorīds(PVDF)& Keramikas Svina cirkonāta titanāts (PZT)PVDF piemīt augstākas pjezoelektriskās īpašības nekā citiem polimēriem.Tas ir saistīts ar tā polāro kristālu struktūru.kristāliska struktūra un spēj radīt daudz lielāku spriegumu nekā citi pjezoelektriskās enerģijas ieguves materiāli.Tas ir arī mehāniski izturīgāks, īpaši nanoviļņu veidā.
Nāca klajā industriālais dizainers Jungs-Hūns Kimhassizcilā ideja par pjezoelektroenerģijas izmantošanu automašīnas darbināšanai. Šīs ierīces, kas uzlādē akumulatorus, saņem enerģiju no vibrācijām, kas rodas, automašīnai braucot. Šī tehnoloģija nerada emisijas un nav atkarīga no fosilā kurināmā, kas padara to videi draudzīgu.
Cits industriālais dizainers Pols Friguizstrādāja mobilo tālruni, kuru var uzlādēt pats! Zeri modelī tiek izmantotas termoelektriskās un pjezoelektriskās sistēmas. Pirmais izmanto temperatūras izmaiņas, lai radītu lādiņu; otrais ir gaisa vibrācijas. Šīs divas funkcijas padara jūsu viedtālruni par 100% videi draudzīgu.
Meksikānis Alberto Villarreal izveidoja apavu pāri,kas apgaismo ceļu līdz tā īpašniekam. Izmantojot staigāšanas vai skriešanas kinētisko enerģiju, elektroluminiscējoši polimēri var radīt gaismu. Šie efekti būs noderīgi skrējējiem.
Nākamā inovatīvā tehnoloģija ir šajā nozarētabletes. Atjaunojošās skārienekrāna ievades izmantošana var būt vēlamais veids, kā uzlādēt šos populāros sīkrīkus. Vidēji (statistiski) vidēji cilvēks pieskaras skārienekrānam 1000 reizes dienā. Tas ir vairāk nekā pietiekami daudz enerģijas, lai darbinātu planšetdatoru.
Visbeidzot, iespējams, visinteresantākaispjezoelektriskais sīkrīks - duša. To izstrādājuši somu, meksikāņu un vācu inženieri, un tajā ir daudz sīku nanovadu. Šie nanovadi izmanto elektrības iegūšanai caurbraucošā ūdens enerģiju, kas tiek izmantota ūdens sildīšanai. Ierīcei ir arī skārienpaneļi, kas uzrauga izlietotā ūdens daudzumu un skaita laiku, ko lietotājs pavada dušā. Ir arī regulators, kas kontrolē ūdens spiedienu.
Lasīt vairāk
Fiziķi ir izveidojuši melnā cauruma analogu un apstiprinājuši Hokinga teoriju. Kur tas ved?
Zinātnieki ir atklājuši Odderona mītisko daļiņu
Noslēpumainākā dabas parādība. No kurienes rodas lodveida zibens un kā tas ir bīstams?
Dielektriskā viela ir samērā sliktavadoša elektriskā strāva. Dielektriķu elektriskās īpašības nosaka to spēja polarizēties ārējā elektriskā laukā. Šo terminu zinātnē ieviesa angļu fiziķis M. Faradejs. Brīvo lādiņu nesēju koncentrācija dielektrikā nepārsniedz 10⁸ cm⁻³.