Efekt piezoelektryczny to efekt polaryzacji dielektryka pod wpływem czynników mechanicznych
Z bezpośrednim efektem piezoelektrycznym, deformacjapróbki piezoelektrycznej prowadzi do pojawienia się napięcia elektrycznego pomiędzy powierzchniami odkształcalnego ciała stałego; w przypadku odwrotnego efektu piezoelektrycznego przyłożenie napięcia do ciała powoduje jego odkształcenie.
Co to są materiały piezoelektryczne?
Materiały piezoelektryczne to materiały, które mają zdolność generowania wewnętrznego ładunku elektrycznego w wyniku przyłożonego naprężenia mechanicznego.
Niektóre naturalnie występujące substancje wykazują efekt piezoelektryczny. Obejmują one:
- Kość,
- Kryształy,
- Niektóre ceramiki,
- DNA,
- Szkliwo,
- Jedwab,
- Zębina i nie tylko.
Materiały, które demonstrująefekt piezoelektryczny wykazuje również odwrotny efekt piezoelektryczny (zwany także odwrotnym lub odwrotnym efektem piezoelektrycznym). Odwrotny efekt piezoelektryczny to wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych w odpowiedzi na przyłożone pole elektryczne.
Historia materiałów piezoelektrycznych
Kryształy były pierwszym używanym materiałemwe wczesnych eksperymentach z piezoelektrycznością. Bracia Curie, Pierre i Jacques, po raz pierwszy udowodnili bezpośredni efekt piezoelektryczny w 1880 roku. Naukowcy poszerzyli swoją praktyczną wiedzę na temat struktur krystalicznych i materiałów piroelektrycznych (materiałów, które generują ładunek elektryczny w odpowiedzi na zmiany temperatury).
Zmierzyli ładunki powierzchniowe następujących konkretnych kryształów, a mianowicie:
- Cukier trzcinowy
- Turmalin,
- Kwarc,
- Topaz,
- Sól Rochelle'a (sól sodowo-potasowa kwasu winowego),
W rezultacie to kwarc i sól Rochelle wykazały najwyższe efekty piezoelektryczne.
Jednak bracia Curie nie przewidywali inaczej.efekt piezoelektryczny. Został wyprowadzony matematycznie przez Gabriela Lippmanna w 1881 roku. Curie następnie potwierdził ten efekt i dostarczył ilościowych dowodów na odwracalność elektrycznych, elastycznych i mechanicznych deformacji kryształów piezoelektrycznych.
Do 1910 roku istniało 20 klas naturalnych kryształów, m.inw których obserwuje się efekt piezoelektryczny, zostały w pełni określone i opublikowane w Lehrbuch Der Kristallphysik - „Textbook of Crystal Physics”. Pozostała jednak mało znaną i zaawansowaną technologicznie niszową dziedziną fizyki, bez widocznych zastosowań technologicznych i komercyjnych.
Aż nadeszła wojna.
Wojna światowa
Pierwsze zastosowanie technologiczneJako ultradźwiękowy detektor łodzi podwodnej wykorzystano materiał piezoelektryczny. Detektor plastikowy składa się z przetwornika (urządzenia zamieniającego jeden rodzaj energii na inny) i hydrofonu. Przetwornik wykonany jest z cienkich kryształów kwarcu wklejonych pomiędzy dwie stalowe płytki.
Ogromny sukces detektora ultradźwiękowegookręty podwodne w czasie wojny stymulowały intensywny rozwój technologiczny urządzeń piezoelektrycznych. Po I wojnie światowej w wkładkach gramofonowych zastosowano ceramikę piezoelektryczną.
Druga wojna Światowa
Zastosowanie materiałów piezoelektrycznych znacznie się rozwinęło podczas II wojny światowej dzięki niezależnym badaniom przeprowadzonym przez Japonię, ZSRR i Stany Zjednoczone.
W szczególności postęp w zrozumieniu relacjimiędzy strukturą krystaliczną a aktywnością elektromechaniczną, wraz z innymi osiągnięciami badawczymi, całkowicie zmieniło podejście do technologii piezoelektrycznej. Po raz pierwszy inżynierowie byli w stanie manipulować materiałami piezoelektrycznymi pod kątem konkretnego zastosowania urządzenia, zamiast obserwować właściwości materiałów, a następnie szukać odpowiednich zastosowań obserwowanych właściwości.
Rozwój ten pozwolił na stworzenie wieluwojenne zastosowania materiałów piezoelektrycznych, takich jak ultraczułe mikrofony, urządzenia sonarowe dużej mocy, boje sonarowe (małe boje z możliwością nasłuchiwania hydrofonu i transmisji radiowej w celu monitorowania ruchu statków oceanicznych) oraz piezoelektryczne systemy zapłonowe do zapłonu jednocylindrowego.
Kryształy piezoelektryczne - co to jest?
Poniżej znajduje się niepełna listakryształy piezoelektryczne z krótkimi opisami ich zastosowania. Później omówimy niektóre konkretne zastosowania najczęściej używanych materiałów piezoelektrycznych.
Naturalnie występujące kryształy:
- Kwarc to stabilny kryształ stosowany w kryształach zegarów i kryształach odniesienia częstotliwości do nadajników radiowych,
- Sacharoza (cukier stołowy)
- Sól Rochelle - wytwarza duże napięcie przy ściskaniu; używane we wczesnych mikrofonach kryształowych.
- Topaz,
- Turmalin,
- Berlinit (AlPO₄.) — rzadki minerał fosforanowy strukturalnie identyczny z kwarcem.
Kryształy technogenne- Ortofosforan galu (GaPO₄), analog kwarcu i langasytu, analog kwarcu.
Ceramika piezoelektryczna:
- Tytanian baru (BaTiO₃). Odkryto pierwszą ceramikę piezoelektryczną.
- Tytanian ołowiu (PbTiO₃)
- Tytanian cyrkonu ołowiu (PZT)
- Niobian potasu (KNbO₃)
- Niobian litu (LiNbO₃)
- Tantalan litu (LiTaO₃)
- Wolframian sodu (Na₂WO₄)
Bezołowiowa ceramika piezoelektryczna:
Poniższe materiały zostały opracowane w odpowiedzi na obawy dotyczące szkodliwego wpływu ołowiu na środowisko.
- Niobian sodowo-potasowy (NaKNb). Materiał ten ma właściwości zbliżone do PZT.
- Ferryt bizmutowy (BiFeO₃)
- Niobian sodu (NaNbO₃)
Biologiczne materiały piezoelektryczne:
- Ścięgno
- Drewno
- Jedwab
- Szkliwo
- Zębina
- Kolagen
Zastosowanie materiałów piezoelektrycznych
Materiały piezoelektryczne znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, m.in .:
- Produkcja
- Wyposażenie medyczne
- Telekomunikacja
- Branża motoryzacyjna
- Technologia informacyjna (IT)
Zasilacze wysokiego napięcia:
- Zapalniczki elektryczne.Po naciśnięciu przycisku na zapalniczce, przycisk powoduje, że mały, sprężynowy młotek uderza w kryształ piezoelektryczny, wytwarzając prąd o wysokim napięciu, który przepływa przez szczelinę, aby ogrzać i zapalić gaz.
- Grille gazowe lub kuchenki i palniki gazowe. Działają tak samo jak zapalniczki, ale na większą skalę.
- Przetwornik piezoelektryczny. Jest stosowany jako powielacz napięcia prądu przemiennego w lampach fluorescencyjnych z zimną katodą.
Czujniki piezoelektryczne
Przetworniki ultradźwiękowe są używane wcodzienne obrazowanie medyczne. Przetwornik jest urządzeniem piezoelektrycznym, które działa zarówno jako czujnik, jak i element wykonawczy. Przetworniki ultradźwiękowe zawierają element piezoelektryczny, który przekształca sygnał elektryczny w drgania mechaniczne (tryb transmisji lub komponenty napędu) i drgania mechaniczne na sygnał elektryczny (tryb odbioru lub komponent czujnika).
Element piezoelektryczny jest zwykle przycinany do 1/2 żądanej długości fali przetwornika ultradźwiękowego.
Inne typy czujników piezoelektrycznych obejmują:
- Mikrofony piezoelektryczne.
- Przetworniki piezoelektryczne do gitar elektroakustycznych.
- Fale sonarowe. Fale dźwiękowe są generowane i odbierane przez element piezoelektryczny.
- Elektroniczne pady perkusyjne. Elementy wykrywają uderzenia pałeczek perkusistów o pady.
- Akceleromiografia medyczna.Stosuje się go, gdy osoba jest znieczulona i wstrzykuje środki zwiotczające mięśnie. Element piezoelektryczny w akceleromiografie określa siłę, która występuje w mięśniu po stymulacji nerwów.
Siłowniki piezoelektryczne
Jedna z zalet siłowników piezoelektrycznychpolega na tym, że wysokie napięcie pola elektrycznego odpowiada niewielkim mikrometrowym zmianom szerokości kryształu piezoelektrycznego. Te mikromasy sprawiają, że kryształy piezoelektryczne są przydatne jako elementy wykonawcze, gdy wymagane jest precyzyjne pozycjonowanie małych obiektów, na przykład w następujących urządzeniach:
- Głośniki
- Silniki piezoelektryczne
- Elektronika laserowa
- Drukarki atramentowe (kryształy kontrolują uwalnianie atramentu z głowicy drukującej na papier)
- Silniki Diesla
- Żaluzje rentgenowskie
Inteligentne materiały
Inteligentne materiały to szeroka klasa materiałów,których właściwości można zmieniać w kontrolowany sposób pod wpływem czynników zewnętrznych, takich jak pH, temperatura, chemikalia, przyłożone pole magnetyczne lub elektryczne lub napięcie.
Materiały piezoelektryczne są z tym zgodnedefinicji, ponieważ przyłożone napięcie wytwarza napięcie w materiale piezoelektrycznym i odwrotnie, przyłożenie zewnętrznego napięcia również wytwarza energię elektryczną w materiale.
Dodatkowe materiały intelektualneobejmują stopy z pamięcią kształtu, materiały halochromowe, materiały magnetokaloryczne, polimery termoczułe, materiały fotowoltaiczne i wiele innych.
Jaka przyszłość czeka materiały piezoelektryczne?
Co zatem dalej z materiałami piezoelektrycznymi?przyszły? To ekscytujący pomysł, że piezoelektryczne materiały z nanowłókien można wykorzystać komercyjnie jako źródło energii. Do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystują siłę mechaniczną. Dlatego jeśli umieścisz je np. na ekranie dotykowym, mogą pełnić funkcję ładowarki urządzenia. Oczywiście część wytworzonej mocy idzie na wykonanie akcji na ekranie dotykowym. Istnieje jednak możliwość utworzenia dodatkowych zasobów.
Dwa najpopularniejsze materiały stosowane w nanogeneratorach to polimery.fluorek winylidenu(PVDF)i ceramika Tytanian cyrkonu ołowiu (PZT). PVDF wykazuje wyższą wartośćwłaściwości piezoelektryczne niż inne polimery. Wynika to z jego polarnej struktury krystalicznej. Z drugiej strony PZT również ma strukturę krystaliczną i jest w stanie generować znacznie wyższe napięcia niż inne materiały piezoelektryczne gromadzące energię. Jest także mocniejszy mechanicznie, szczególnie w postaci nanodrutu.
Wymyślił projektant przemysłowy Jung-Hoon Kimhasgenialny pomysł wykorzystania piezoelektryczności do zasilania samochodu. Te urządzenia, które ładują akumulatory, pobierają energię z wibracji występujących podczas ruchu samochodu. Technologia ta nie generuje emisji i nie jest uzależniona od paliw kopalnych, co czyni ją przyjazną dla środowiska.
Inny projektant przemysłowy, Paul Frigu,opracował telefon komórkowy, który może być ładowany samodzielnie! Model Zeri wykorzystuje systemy termoelektryczne i piezoelektryczne. Pierwsza wykorzystuje zmiany temperatury do generowania ładunku; drugi to wibracje powietrza. Te dwie cechy sprawiają, że Twój smartfon jest w 100% przyjazny dla środowiska.
Meksykanin Alberto Villarreal stworzył parę butów,który oświetla ścieżkę do swojego właściciela. Wykorzystując energię kinetyczną chodzenia lub biegania, polimery elektroluminescencyjne mogą wytwarzać światło. Te efekty przydadzą się biegaczom.
Kolejna innowacyjna technologia jest w branżytabletki. Korzystanie z regeneracyjnego wprowadzania danych na ekranie dotykowym może być preferowanym sposobem ładowania tych popularnych gadżetów. Średnio (statystycznie) przeciętny człowiek dotyka ekranu dotykowego 1000 razy dziennie. To więcej niż wystarczająca moc, aby zasilić tablet.
Wreszcie być może najciekawszygadżet piezoelektryczny - prysznic. Zaprojektowany przez inżynierów z Finlandii, Meksyku i Niemiec, zawiera wiele małych nanoprzewodów. Te nanoprzewody wykorzystują energię przepływającej wody do wytwarzania energii elektrycznej, która jest używana do podgrzewania wody. Urządzenie posiada również panele dotykowe, które monitorują ilość zużytej wody i liczą czas spędzony pod prysznicem. Istnieje również regulator, który kontroluje ciśnienie wody.
Czytaj więcej
Fizycy stworzyli analogię czarnej dziury i potwierdzili teorię Hawkinga. Dokąd to prowadzi?
Naukowcy odkryli mityczną cząstkę Odderona
Najbardziej tajemnicze zjawisko naturalne. Skąd się bierze piorun kulowy i jak jest niebezpieczny?
Dielektryk to substancja stosunkowo złaprzewodzący prąd elektryczny. Właściwości elektryczne dielektryków określa ich zdolność do polaryzacji w zewnętrznym polu elektrycznym. Termin został wprowadzony do nauki przez angielskiego fizyka M. Faradaya. Stężenie wolnych nośników ładunku w dielektryku nie przekracza 10⁸ cm⁻³.