Piëzo-elektrisch effect is het effect van polarisatie van een diëlektricum onder invloed van mechanisch
Met het directe piëzo-elektrische effect, vervormingvan een piëzo-elektrisch monster leidt tot het verschijnen van een elektrische spanning tussen de oppervlakken van een vervormbare vaste stof; in het geval van het omgekeerde piëzo-elektrische effect veroorzaakt het aanleggen van een spanning op het lichaam de vervorming ervan.
Wat zijn piëzo-elektrische materialen?
Piëzo-elektrische materialen zijn materialen die het vermogen hebben om een interne elektrische lading te genereren door toegepaste mechanische spanning.
Bepaalde in de natuur voorkomende stoffen vertonen een piëzo-elektrisch effect. Waaronder:
- Bot,
- Kristallen,
- Bepaalde keramiek,
- DNA,
- Glazuur,
- Zijde,
- Dentine en meer.
Materialen die demonstrerenhet piëzo-elektrische effect vertoont ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect (ook wel omgekeerd of invers piëzo-elektrisch effect genoemd). Het omgekeerde piëzo-elektrische effect is de interne opwekking van mechanische spanning als reactie op een aangelegd elektrisch veld.
Geschiedenis van piëzo-elektrische materialen
Kristallen waren het eerste materiaal dat werd gebruiktin vroege experimenten met piëzo-elektriciteit. De gebroeders Curie, Pierre en Jacques, bewezen voor het eerst het directe piëzo-elektrische effect in 1880. Wetenschappers hebben hun praktische kennis van kristalstructuren en pyro-elektrische materialen (materialen die een elektrische lading genereren als reactie op temperatuurveranderingen) uitgebreid.
Ze maten de oppervlakteladingen van de volgende specifieke kristallen, namelijk:
- Rietsuiker
- Toermalijn,
- Kwarts,
- Topaas,
- Rochelle-zout (natrium-kaliumzout van wijnsteenzuur),
Het resultaat was dat het kwarts en het zout van Rochelle de hoogste piëzo-elektrische effecten vertoonden.
De gebroeders Curie hadden echter niet anders voorspeld.piëzo-elektrisch effect. Het werd wiskundig afgeleid door Gabriel Lippmann in 1881. Curie bevestigde vervolgens het effect en leverde kwantitatief bewijs voor de omkeerbaarheid van elektrische, elastische en mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen.
In 1910 waren er twintig soorten natuurlijke kristallenwaarin het piëzo-elektrische effect wordt waargenomen, zijn volledig bepaald en gepubliceerd in Lehrbuch Der Kristallphysik - «Textbook of Crystal Physics». Maar het bleef een weinig bekend en hightech nichegebied van de natuurkunde zonder duidelijke technologische of commerciële toepassingen.
Tot de oorlog kwam.
Wereldoorlog
Eerste technologische toepassingpiëzo-elektrisch materiaal werd gebruikt als ultrasone onderzeese detector. De plastic detector is gemaakt van een transducer (een apparaat dat het ene type energie in het andere omzet) en een hydrofoon. De transducer is gemaakt van dunne kwartskristallen die tussen twee stalen platen zijn gelijmd.
Het enorme succes van de ultrasone detectoronderzeeërs tijdens de oorlog stimuleerden de intensieve technologische ontwikkeling van piëzo-elektrische apparaten. Na de Eerste Wereldoorlog werd piëzo-elektrisch keramiek gebruikt in grammofoonpatronen.
De tweede Wereldoorlog
Het gebruik van piëzo-elektrische materialen is tijdens de Tweede Wereldoorlog aanzienlijk verbeterd dankzij onafhankelijk onderzoek door Japan, de USSR en de Verenigde Staten.
In het bijzonder vorderingen bij het begrijpen van de relatietussen kristalstructuur en elektromechanische activiteit, samen met andere vorderingen in het onderzoek, hebben de benadering van piëzo-elektrische technologie volledig veranderd. Voor het eerst konden ingenieurs piëzo-elektrische materialen manipuleren voor een specifieke apparaattoepassing, in plaats van de eigenschappen van de materialen te observeren en vervolgens te zoeken naar geschikte toepassingen van de waargenomen eigenschappen.
Door deze ontwikkeling konden er velen ontstaanoorlogsgerelateerde toepassingen van piëzo-elektrische materialen zoals ultragevoelige microfoons, krachtige sonarapparatuur, sonarboeien (kleine boeien met de mogelijkheid om naar een hydrofoon te luisteren en radiotransmissie om de beweging van zeeschepen te volgen) en piëzo-ontstekingssystemen voor eencilinderontsteking.
Piëzo-elektrische kristallen - wat zijn dat?
Hieronder staat een onvolledige lijstpiëzo-elektrische kristallen met enkele korte beschrijvingen van hun gebruik. We zullen later enkele specifieke toepassingen van de meest gebruikte piëzo-elektrische materialen bespreken.
Natuurlijk voorkomende kristallen:
- Kwarts is een stabiel kristal dat wordt gebruikt in klokkristallen en frequentiereferentiekristallen voor radiozenders,
- Sucrose (tafelsuiker)
- Rochelle-zout - produceert veel spanning bij compressie; gebruikt in vroege kristalmicrofoons.
- Topaas,
- Toermalijn,
- Berliniet (AlPO₄.) — een zeldzaam fosfaatmineraal dat structureel identiek is aan kwarts.
Technogene kristallen- Galliumorthofosfaat (GaPO₄), een analoog van kwarts en langasiet, een analoog van kwarts.
Piëzo-elektrische keramiek:
- Bariumtitanaat (BaTiO₃). Het eerste piëzo-elektrische keramiek wordt ontdekt.
- Loodtitanaat (PbTiO₃)
- Lood Zirkonaat Titanaat (PZT)
- Kaliumniobaat (KNbO₃)
- Lithiumniobaat (LiNbO₃)
- Lithiumtantalaat (LiTaO₃)
- Natriumwolframaat (Na₂WO₄)
Loodvrij piëzo-keramiek:
De volgende materialen zijn ontwikkeld als reactie op bezorgdheid over de schadelijke effecten van lood op het milieu.
- Natriumkaliumniobaat (NaKNb). Dit materiaal heeft eigenschappen die vergelijkbaar zijn met PZT.
- Bismutferriet (BiFeO₃)
- Natriumniobaat (NaNbO₃)
Biologische piëzo-elektrische materialen:
- Pees
- Hout
- Zijde
- Glazuur
- Dentine
- Collageen
Toepassingen van piëzo-elektrische materialen
Piëzo-elektrische materialen worden in veel industrieën gebruikt, waaronder:
- Productie
- Medische apparatuur
- Telecommunicatie
- Auto-industrie
- Informatietechnologie (IT)
Hoogspanningsvoedingen:
- Elektrische aanstekers.Wanneer je op de knop op de aansteker drukt, zorgt de knop ervoor dat een kleine, veerbelaste hamer het piëzo-elektrische kristal raakt, waardoor een hoogspanningsstroom ontstaat die door de opening stroomt om het gas te verwarmen en te ontsteken.
- Gasgrills of kachels en gasbranders. Ze werken op dezelfde manier als aanstekers, maar dan op grotere schaal.
- Piëzo-elektrische transducer. Het wordt gebruikt als wisselspanningsvermenigvuldiger in fluorescentielampen met koude kathode.
Piëzo-elektrische sensoren
Ultrasone transducers worden gebruikt indagelijkse medische beeldvorming. De transducer is een piëzo-elektrisch apparaat dat zowel als sensor als als actuator fungeert. Ultrasone transducers bevatten een piëzo-elektrisch element dat een elektrisch signaal omzet in mechanische trillingen (transmissiemodus of aandrijfcomponenten) en mechanische trillingen in een elektrisch signaal (ontvangstmodus of sensorcomponent).
Het piëzo-elektrische element wordt gewoonlijk afgesneden tot de helft van de gewenste golflengte van de ultrasone transducer.
Andere soorten piëzo-elektrische sensoren zijn onder meer:
- Piëzo-elektrische microfoons.
- Piëzo-pickups voor elektro-akoestische gitaren.
- Sonar golven. Geluidsgolven worden gegenereerd en opgevangen door een piëzo-elektrisch element.
- Elektronische drumpads. De elementen detecteren de impact van drumstokken op de pads.
- Medische acceleromyografie.Dit wordt gebruikt wanneer een persoon onder narcose is en geïnjecteerd met spierverslappers. Het piëzo-elektrische element in de acceleromyograaf bepaalt de kracht die in de spier optreedt na zenuwstimulatie.
Piëzo-elektrische actuatoren
Een van de voordelen van piëzo-elektrische actuatorenis dat de hoge spanning van het elektrische veld overeenkomt met kleine micrometerveranderingen in de breedte van het piëzo-elektrische kristal. Deze micromassa's maken piëzo-elektrische kristallen bruikbaar als actuatoren wanneer nauwkeurige positionering van kleine voorwerpen vereist is, zoals in de volgende apparaten:
- Luidsprekers
- Piëzo-elektrische motoren
- Laser elektronica
- Inkjetprinters (kristallen regelen de afgifte van inkt van de printkop op het papier)
- Diesel motoren
- Röntgenblinden
Slimme materialen
Slimme materialen zijn een brede klasse van materialen,waarvan de eigenschappen gecontroleerd kunnen worden veranderd door externe invloeden zoals pH, temperatuur, chemicaliën, aangelegd magnetisch of elektrisch veld of spanning.
Piëzo-elektrische materialen voldoen hieraandefinitie, omdat een aangelegde spanning een spanning in het piëzo-elektrische materiaal creëert, en omgekeerd, de toepassing van een externe spanning produceert ook elektriciteit in het materiaal.
Aanvullende intellectuele materialenomvatten legeringen met vormgeheugen, halochrome materialen, magnetocalorische materialen, warmtegevoelige polymeren, fotovoltaïsche materialen en vele andere.
Hoe ziet de toekomst eruit voor piëzo-elektrische materialen?
Dus wat is de toekomst voor piëzo-elektrische materialen?toekomst? Het is een opwindend idee dat piëzo-elektrische nanovezelmaterialen commercieel kunnen worden gebruikt als energiebron. Ze vertrouwen op mechanische kracht om elektriciteit op te wekken. Als u ze bijvoorbeeld op een touchscreen plaatst, kunnen ze dienen als apparaatoplader. Natuurlijk gaat een deel van de gecreëerde kracht naar het uitvoeren van de actie op het aanraakscherm. Maar er is een optie om extra bronnen te creëren.
De twee meest populaire materialen die voor nanogeneratoren worden gebruikt, zijn polymeer polyvinylideenfluoride(PVDF)en keramiek Lood Zirkonaat Titanaat (PZT). PVDF laat hoger zienpiëzo-elektrische eigenschappen dan andere polymeren. Dit komt door de polaire kristalstructuur. PZT heeft daarentegen ook een kristallijne structuur en kan veel hogere spanningen genereren dan andere materialen voor het oogsten van piëzo-elektrische energie. Het is ook mechanisch sterker, vooral in de vorm van nanodraden.
Industrieel ontwerper Jung-Hoon Kimhas bedachthet briljante idee om piëzo-elektriciteit te gebruiken om een auto aan te drijven. Dergelijke apparaten, die batterijen opladen, ontvangen energie van trillingen die optreden wanneer de auto rijdt. Deze technologie produceert geen uitstoot en is niet afhankelijk van fossiele brandstoffen, waardoor het milieuvriendelijk is.
Een andere industrieel ontwerper, Paul Frigu,ontwikkelde een mobiele telefoon die zelf kan worden opgeladen! Het Zeri-model maakt gebruik van thermo-elektrische en piëzo-elektrische systemen. De eerste gebruikt temperatuurveranderingen om lading op te wekken; de tweede is luchttrillingen. Deze twee eigenschappen maken uw smartphone 100% milieuvriendelijk.
De Mexicaan Alberto Villarreal creëerde een paar schoenen,die het pad naar de eigenaar verlicht. Met behulp van de kinetische energie van lopen of rennen, kunnen elektroluminescente polymeren licht produceren. Deze effecten zijn handig voor hardlopers.
De volgende innovatieve technologie is in de sectortabletten. Het gebruik van regeneratieve touchscreen-invoer is misschien wel de beste manier om deze populaire gadgets op te laden. Gemiddeld (statistisch gezien) tikt de gemiddelde persoon 1000 keer per dag op het touchscreen. Dit is meer dan genoeg stroom om de tablet van stroom te voorzien.
Eindelijk misschien wel het meest interessantepiëzo-elektrische gadget - douche. Het is ontworpen door Finse, Mexicaanse en Duitse ingenieurs en bevat veel kleine nanodraadjes. Deze nanodraden gebruiken de energie van passerend water om elektriciteit op te wekken, die wordt gebruikt om het water te verwarmen. Het apparaat heeft ook aanraakpanelen die de hoeveelheid water die wordt gebruikt bijhouden en de tijd die de gebruiker onder de douche doorbrengt, tellen. Er is ook een regelaar die de waterdruk regelt.
Lees verder
Natuurkundigen hebben een analoog van een zwart gat gemaakt en de theorie van Hawking bevestigd. Waar leidt het toe?
Wetenschappers hebben het mythische deeltje Odderon ontdekt
Het meest mysterieuze natuurverschijnsel. Waar komt bolbliksem vandaan en hoe is het gevaarlijk?
Diëlektricum is een stof die relatief slecht isgeleidende elektrische stroom. De elektrische eigenschappen van diëlektrica worden bepaald door hun vermogen om te polariseren in een extern elektrisch veld. De term werd in de wetenschap geïntroduceerd door de Engelse natuurkundige M. Faraday. De concentratie van vrije ladingsdragers in het diëlektricum is niet groter dan 10⁸ cm³.