Piezoelektrisk effekt er effekten av polarisering av et dielektrikum under påvirkning av mekanisk
Med den direkte piezoelektriske effekten, deformasjonav en piezoelektrisk prøve fører til at det oppstår en elektrisk spenning mellom overflatene til et deformerbart fast stoff; i tilfelle av den inverse piezoelektriske effekten forårsaker påføringen av en spenning på kroppen dens deformasjon.
Hva er piezoelektriske materialer?
Piezoelektriske materialer er materialer som har evnen til å generere en indre elektrisk ladning fra påført mekanisk påkjenning.
Flere naturlig forekommende stoffer har en piezoelektrisk effekt. Disse inkluderer:
- Bein,
- Krystaller,
- Visse keramikker,
- DNA,
- Emalje,
- Silke,
- Dentin og mer.
Materialer som demonstrererden piezoelektriske effekten viser også den inverse piezoelektriske effekten (også kalt invers eller invers piezoelektrisk effekt). Den omvendte piezoelektriske effekten er den interne genereringen av mekanisk spenning som svar på et påført elektrisk felt.
Historien om piezoelektriske materialer
Krystaller var det første materialet som ble brukti tidlige eksperimenter med piezoelektrisitet. Curie-brødrene, Pierre og Jacques beviste først den direkte piezoelektriske effekten i 1880. Forskere har utvidet sin praktiske kunnskap om krystallstrukturer og pyroelektriske materialer (materialer som genererer en elektrisk ladning som svar på temperaturendringer).
De målte overflateladningene til følgende spesifikke krystaller, nemlig:
- Rørsukker
- Turmalin,
- Kvarts,
- Topaz,
- Rochelles salt (natrium-kaliumsalt av vinsyre),
Som et resultat var det kvarts og Rochelles salt som viste de høyeste piezoelektriske effektene.
Curie-brødrene forutsa imidlertid ikke noe annet.piezoelektrisk effekt. Det ble matematisk avledet av Gabriel Lippmann i 1881. Curie bekreftet deretter effekten og ga kvantitativ bevis for reversibiliteten til elektriske, elastiske og mekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller.
I 1910 var det 20 klasser av naturlige krystaller, ihvor den piezoelektriske effekten er observert ble fullstendig bestemt og publisert i Lehrbuch Der Kristallphysik - «Textbook of Crystal Physics». Men det forble et lite kjent og høyteknologisk nisjeområde innen fysikk uten tilsynelatende teknologiske eller kommersielle applikasjoner.
Inntil krigen kom.
Verdenskrig
Første teknologiske applikasjonpiezoelektrisk materiale ble brukt som en ultrasonisk ubåtdetektor. Plastdetektoren er laget av en transduser (en enhet som konverterer en type energi til en annen) og en hydrofon. Svingeren er laget av tynne kvartskrystaller limt mellom to stålplater.
Den enorme suksessen til ultralyddetektorenubåter under krigen stimulerte den intensive teknologiske utviklingen av piezoelektriske enheter. Etter første verdenskrig ble piezoelektrisk keramikk brukt i fonografpatroner.
Andre verdenskrig
Bruken av piezoelektriske materialer avanserte betydelig under andre verdenskrig på grunn av uavhengig forskning fra Japan, Sovjetunionen og USA.
Spesielt fremskritt i forståelsen av forholdetmellom krystallstruktur og elektromekanisk aktivitet, sammen med andre fremskritt innen forskning, har fullstendig endret tilnærmingen til piezoelektrisk teknologi. For første gang var ingeniører i stand til å manipulere piezoelektriske materialer for en bestemt enhetsapplikasjon, i stedet for å observere egenskapene til materialene og deretter lete etter passende bruk av de observerte egenskapene.
Denne utviklingen tillot skapelsen av mangekrigsrelaterte bruksområder av piezoelektriske materialer som ultrafølsomme mikrofoner, høyeffektive ekkoloddinnretninger, ekkoloddbøyer (små bøyer med muligheten til å lytte til en hydrofon og radiooverføring for å overvåke bevegelsen til havgående fartøy) og piezo-tenningssystemer for ensylindret tenning.
Piezoelektriske krystaller - hva er de?
Nedenfor er en ufullstendig listepiezoelektriske krystaller med noen korte beskrivelser av bruken. Vi vil diskutere noen spesifikke anvendelser av de mest brukte piezoelektriske materialene senere.
Naturlig forekommende krystaller:
- Kvarts er en stabil krystall som brukes i klokkekrystaller og frekvensreferansekrystaller for radiosendere,
- Sukrose (sukker)
- Rochelle salt - produserer mye spenning med kompresjon; brukt i tidlige krystallmikrofoner.
- Topaz,
- Turmalin,
- Berlinite (AlPO₄.) — et sjeldent fosfatmineral strukturelt identisk med kvarts.
Teknogene krystaller- Galliumortofosfat (GaPO₄), en analog av kvarts og langasitt, en analog av kvarts.
Piezoelektrisk keramikk:
- Bariumtitanat (BaTiO2). Den første piezoelektriske keramikken ble oppdaget.
- Blytitanat (PbTiO₃)
- Bly-zirkonat-titanat (PZT)
- Kaliumniobat (KNbO₃)
- Litiumniobat (LiNbO₃)
- Litiumtantalat (LiTaO₃)
- Natriumvolframat (Na₂WO₄)
Blyfri piezo-keramikk:
Følgende materialer ble utviklet som svar på bekymringer om skadelige effekter av bly på miljøet.
- Natriumkaliumniobat (NaKNb). Dette materialet har egenskaper som ligner PZT.
- Bismuth ferrite (BiFeO₃)
- Sodium niobate (NaNbO₃)
Biologiske piezoelektriske materialer:
- Sene
- Tre
- Silke
- Emalje
- Dentine
- Kollagen
Anvendelser av piezoelektriske materialer
Piezoelektriske materialer brukes i mange bransjer, inkludert:
- Produksjon
- Medisinsk utstyr
- Telekommunikasjon
- Bilindustri
- Informasjonsteknologi (IT)
Høyspennings strømforsyninger:
- Elektriske lightere.Når du trykker på en knapp på tenneren, får knappen til at en liten, fjærbelastet hammer treffer den piezoelektriske krystallen, og skaper en høyspenningsstrøm som strømmer gjennom gapet for å varme opp og antenne gassen.
- Gassgriller eller ovner og gassbrennere. De fungerer på samme måte som lightere, men i større skala.
- Piezoelektrisk transduser. Den brukes som en vekselstrømsmultiplikator i fluorescerende lamper med kald katode.
Piezoelektriske sensorer
Ultralydgivere brukes idaglig medisinsk bildebehandling. Transduseren er en piezoelektrisk enhet som fungerer både som en sensor og en aktuator. Ultralydgivere inneholder et piezoelektrisk element som konverterer et elektrisk signal til mekanisk vibrasjon (overføringsmodus eller drivkomponenter) og mekanisk vibrasjon til et elektrisk signal (mottaksmodus eller sensorkomponent).
Det piezoelektriske elementet blir typisk kuttet til 1/2 ønsket bølgelengde for ultralydtransduseren.
Andre typer piezoelektriske sensorer inkluderer:
- Piezoelektriske mikrofoner.
- Piezo pickups for elektroakustiske gitarer.
- Ekkoloddbølger. Lydbølger genereres og mottas av et piezoelektrisk element.
- Elektroniske trommeputer. Elementene oppdager virkningen av trommeslager på pads.
- Medisinsk akseleromyografi.Dette brukes når en person er i narkose og injiseres med muskelavslappende midler. Det piezoelektriske elementet i akseleromyografen bestemmer styrken som oppstår i muskelen etter nervestimulering.
Piezoelektriske aktuatorer
En av fordelene med piezoelektriske aktuatorerer at høyspenningen til det elektriske feltet tilsvarer små mikrometerendringer i bredden av den piezoelektriske krystallen. Disse mikromassene gjør piezoelektriske krystaller nyttige som aktuatorer når presis plassering av små gjenstander er nødvendig, for eksempel i følgende enheter:
- Høyttalere
- Piezoelektriske motorer
- Лазерная электроника
- Blekkstråleskrivere (krystaller kontrollerer frigjøring av blekk fra skrivehodet på papiret)
- Dieselmotorer
- Røntgen skodder
Smarte materialer
Smarte materialer er en bred klasse av materialer,hvis egenskaper kan endres på en kontrollert måte av ytre påvirkninger som pH, temperatur, kjemikalier, påført magnetisk eller elektrisk felt eller spenning.
Piezoelektriske materialer er i samsvar med dettedefinisjon, fordi en påført spenning skaper en spenning i det piezoelektriske materialet, og omvendt, påføring av en ekstern spenning produserer også strøm i materialet.
Ytterligere intellektuelle materialerinkluderer formminne legeringer, halokrome materialer, magnetokaloriske materialer, termosensitive polymerer, solcellematerialer og mange andre.
Hva har fremtiden for piezoelektriske materialer?
Så hva er det neste for piezoelektriske materialer?framtid? Det er en spennende idé at piezoelektriske nanofibermaterialer kan brukes kommersielt som energikilde. De er avhengige av mekanisk kraft for å generere elektrisitet. Derfor, hvis du plasserer dem, for eksempel på en berøringsskjerm, kan de fungere som en enhetslader. Selvfølgelig går noe av kraften som skapes til å utføre handlingen på berøringsskjermen. Men det er et alternativ for å opprette ekstra ressurser.
De to mest populære materialene som brukes til nanogeneratorer er polymer polyvinylidenfluorid(PVDF)og keramikk Bly-zirkonat-titanat (PZT). PVDF demonstrerer høyerepiezoelektriske egenskaper enn andre polymerer. Dette er på grunn av dens polare krystallstruktur. PZT, på den annen side, har også en krystallinsk struktur og er i stand til å generere mye høyere spenninger enn andre piezoelektriske energihøstmaterialer. Den er også mekanisk sterkere, spesielt i nanotrådform.
Industridesigner Jung-Hoon Kimhas fant påden strålende ideen om å bruke piezoelektrisitet til å drive en bil. Slike enheter, som lader batterier, mottar energi fra vibrasjoner som oppstår når bilen beveger seg. Denne teknologien genererer ikke utslipp og er ikke avhengig av fossile drivstoff, noe som gjør den miljøvennlig.
En annen industridesigner, Paul Frigu,utviklet en mobiltelefon som kan lades av seg selv! Zeri-modellen bruker termoelektriske og piezoelektriske systemer. Den første bruker temperaturendringer for å generere ladning; det andre er luftvibrasjoner. Disse to funksjonene gjør smarttelefonen din 100% miljøvennlig.
Meksikanske Alberto Villarreal skapte et par sko,som belyser stien til eieren. Ved å bruke den kinetiske energien til å gå eller løpe, kan elektroluminescerende polymerer produsere lys. Disse effektene vil være nyttige for løpere.
Den neste innovative teknologien - i sektorentabletter. Bruk av regenerativ berøringsskjerminngang kan godt være den foretrukne måten å lade disse populære gadgets på. I gjennomsnitt (statistisk) banker den gjennomsnittlige personen på berøringsskjermen 1000 ganger om dagen. Dette er mer enn nok strøm til å drive nettbrettet.
Endelig, kanskje den mest interessantepiezoelektrisk gadget - dusj. Designet av finske, meksikanske og tyske ingeniører, den inneholder mange små nanotråder. Disse nanotrådene bruker energien fra ledende vann til å generere elektrisitet, som brukes til å varme opp vannet. Enheten har også berøringspaneler som overvåker mengden vann som brukes og teller tiden brukeren bruker i dusjen. Det er også en regulator som styrer vanntrykket.
Les mer
Fysikere har laget en analog av et svart hull og bekreftet Hawkings teori. Hvor det fører?
Forskere har oppdaget den mytiske partikkelen til Odderon
Det mest mystiske naturfenomenet. Hvor kommer balllynn fra og hvordan er det farlig?
Dielektrisk er et stoff som er relativt dårligledende elektrisk strøm. De elektriske egenskapene til dielektrikum bestemmes av deres evne til å polarisere i et eksternt elektrisk felt. Begrepet ble introdusert i vitenskapen av den engelske fysikeren M. Faraday. Konsentrasjonen av gratis ladningsbærere i dielektrikumet overstiger ikke 10 cm3.