Piezoelektrický jav je účinok polarizácie dielektrika pod vplyvom mechanického
S priamym piezoelektrickým efektom, deformáciapiezoelektrickej vzorky vedie k vzniku elektrického napätia medzi povrchmi deformovateľnej pevnej látky; v prípade inverzného piezoelektrického javu spôsobuje pôsobenie napätia na telo jeho deformáciu.
Čo sú to piezoelektrické materiály?
Piezoelektrické materiály sú materiály, ktoré majú schopnosť vytvárať vnútorný elektrický náboj z aplikovaného mechanického namáhania.
Niektoré prirodzene sa vyskytujúce látky vykazujú piezoelektrický efekt. Tie obsahujú:
- Kosť,
- Kryštály,
- Určitá keramika,
- DNA,
- Smalt,
- Hodváb,
- Dentin a ďalšie.
Materiály, ktoré demonštrujúpiezoelektrický efekt vykazuje aj inverzný piezoelektrický efekt (nazývaný tiež inverzný alebo inverzný piezoelektrický efekt). Inverzný piezoelektrický jav je vnútorné vytváranie mechanického napätia v reakcii na použité elektrické pole.
História piezoelektrických materiálov
Prvým použitým materiálom boli kryštályv raných experimentoch s piezoelektrinou. Bratia Curieovci, Pierre a Jacquesovci, prvýkrát preukázali priamy piezoelektrický efekt v roku 1880. Vedci rozšírili svoje praktické vedomosti o kryštálových štruktúrach a pyroelektrických materiáloch (materiály, ktoré vytvárajú elektrický náboj v reakcii na zmeny teploty).
Merali povrchové náboje nasledujúcich špecifických kryštálov, a to:
- Trstinový cukor
- Turmalín,
- Kremeň,
- Topaz,
- Rochellova soľ (sodno-draselná soľ kyseliny vínnej),
Výsledkom bolo, že kremeň a Rochellova soľ vykazovali najvyššie piezoelektrické účinky.
Bratia Curieovci však nepredpovedali inak.piezoelektrický jav. Matematicky to odvodil Gabriel Lippmann v roku 1881. Curie potom potvrdil účinok a poskytol kvantitatívne dôkazy o reverzibilite elektrických, elastických a mechanických deformácií v piezoelektrických kryštáloch.
Do roku 1910 existovalo 20 tried prírodných kryštálov, vv ktorých je pozorovaný piezoelektrický jav, boli úplne určené a publikované v Lehrbuch Der Kristallphysik - «Učebnica kryštálovej fyziky». Zostala však málo známou a špičkovou špecializovanou oblasťou fyziky bez zjavných technologických alebo komerčných aplikácií.
Až kým neprišla vojna.
Svetová vojna
Prvá technologická aplikáciapiezoelektrický materiál bol použitý ako ultrazvukový detektor ponoriek. Plastový detektor je vyrobený z prevodníka (zariadenia, ktoré premieňa jeden druh energie na iný) a hydrofónu. Prevodník je vyrobený z tenkých kryštálov kremeňa vlepených medzi dve oceľové platne.
Obrovský úspech ultrazvukového detektoraponorky počas vojny podnietili intenzívny technologický rozvoj piezoelektrických zariadení. Po prvej svetovej vojne sa do kaziet fonografov používala piezoelektrická keramika.
Druhá svetová vojna
Používanie piezoelektrických materiálov významne pokročilo počas druhej svetovej vojny vďaka nezávislému výskumu Japonska, ZSSR a USA.
Najmä pokrok v porozumení vzťahumedzi kryštálovou štruktúrou a elektromechanickou aktivitou spolu s ďalšími pokrokmi vo výskume úplne zmenili prístup k piezoelektrickej technológii. Inžinierom sa po prvýkrát podarilo manipulovať s piezoelektrickými materiálmi pre konkrétnu aplikáciu zariadenia, namiesto toho, aby sledovali vlastnosti materiálov a potom hľadali vhodné využitie pozorovaných vlastností.
Tento vývoj umožnil vznik mnohýchvojnové aplikácie piezoelektrických materiálov, ako sú ultra citlivé mikrofóny, vysoko výkonné sonarové zariadenia, sonarové bóje (malé bóje so schopnosťou počúvať hydrofón a rádiový prenos na sledovanie pohybu oceánskych lodí) a piezoelektrické systémy na zapaľovanie jedného valca.
Piezoelektrické kryštály - čo sú zač?
Nižšie je uvedený neúplný zoznampiezoelektrické kryštály s niekoľkými stručnými opismi ich použitia. Neskôr sa budeme venovať niektorým konkrétnym aplikáciám najbežnejšie používaných piezoelektrických materiálov.
Prirodzene sa vyskytujúce kryštály:
- Kremeň je stabilný kryštál používaný v hodinových kryštáloch a frekvenčných referenčných kryštáloch pre rádiové vysielače,
- Sacharóza (stolový cukor)
- Rochellova soľ - pri kompresii vytvára veľké napätie; používané v raných kryštalických mikrofónoch.
- Topaz,
- Turmalín,
- Berlinit (AlPO₄.) — vzácny fosfátový minerál štruktúrne identický s kremeňom.
Technogénne kryštály- ortofosforečnan gálnatý (GaPO₄), analóg kremeňa a langasitu, analóg kremeňa.
Piezoelektrická keramika:
- Titaničnan bárnatý (BaTiO₃). Objavená je prvá piezoelektrická keramika.
- Titaničitan olovnatý (PbTiO₃)
- Olovo zirkoničitan titaničitý (PZT)
- Niobát draselný (KNbO₃)
- Niobát lítny (LiNbO₃)
- Lítium tantalát (LiTaO₃)
- Wolfráman sodný (Na₂WO₄)
Bezolovnatá piezo keramika:
Nasledujúce materiály boli vyvinuté ako reakcia na obavy zo škodlivých účinkov olova na životné prostredie.
- Niobát draselno-sodný (NaKNb). Tento materiál má vlastnosti podobné PZT.
- Ferit bizmutu (BiFeO₃)
- Niobát sodný (NaNbO₃)
Biologické piezoelektrické materiály:
- Šľacha
- Drevo
- Hodváb
- Smalt
- Dentín
- Kolagén
Aplikácie piezoelektrických materiálov
Piezoelektrické materiály sa používajú v mnohých priemyselných odvetviach, vrátane:
- Výroba
- Medicínske vybavenie
- Telekomunikácie
- Automobilový priemysel
- Informačné technológie (IT)
Vysokonapäťové napájacie zdroje:
- Elektrické zapaľovače.Keď stlačíte tlačidlo na zapaľovači, tlačidlo spôsobí, že malé pružinové kladivo zasiahne piezoelektrický kryštál a vytvorí prúd vysokého napätia, ktorý preteká cez medzeru, aby zahrial a zapálil plyn.
- Plynové grily alebo sporáky a plynové horáky. Fungujú rovnako ako zapaľovače, ale vo väčšom rozsahu.
- Piezoelektrický menič. Používa sa ako multiplikátor striedavého napätia vo žiarivkách so studenou katódou.
Piezoelektrické snímače
Ultrazvukové snímače sa používajú vkaždodenné lekárske zobrazovanie. Prevodník je piezoelektrický prístroj, ktorý slúži ako snímač aj ako spúšťač. Ultrazvukové prevodníky obsahujú piezoelektrický prvok, ktorý prevádza elektrický signál na mechanické vibrácie (režim prenosu alebo komponenty pohonu) a mechanické vibrácie na elektrický signál (režim príjmu alebo komponent snímača).
Piezoelektrický prvok sa zvyčajne prerezáva na 1/2 požadovanej vlnovej dĺžky ultrazvukového meniča.
Medzi ďalšie typy piezoelektrických snímačov patria:
- Piezoelektrické mikrofóny.
- Piezo snímače pre elektroakustické gitary.
- Sonarové vlny. Zvukové vlny sú generované a prijímané piezoelektrickým prvkom.
- Elektronické bicie podložky. Prvky detekujú náraz paličiek bubeníkov na podložky.
- Lekárska akceleromografia.Používa sa, keď je človek v anestézii a injekčne sa mu podávajú svalové relaxanciá. Piezoelektrický prvok v akcelerografe určuje silu, ktorá vzniká vo svale po nervovej stimulácii.
Piezoelektrické akčné členy
Jednou z výhod piezoelektrických akčných členovje, že vysoké napätie elektrického poľa zodpovedá malým zmenám mikrometrov v šírke piezoelektrického kryštálu. Tieto mikrohmoty robia piezoelektrické kryštály užitočné ako ovládače, keď je potrebné presné umiestnenie malých predmetov, napríklad v nasledujúcich zariadeniach:
- Reproduktory
- Piezoelektrické motory
- Laserová elektronika
- Atramentové tlačiarne (kryštály riadia uvoľňovanie atramentu z tlačovej hlavy na papier)
- Dieselové motory
- Röntgenové uzávery
Inteligentné materiály
Inteligentné materiály sú širokou triedou materiálov,ktorých vlastnosti je možné riadeným spôsobom meniť vonkajšími vplyvmi, ako sú pH, teplota, chemikálie, aplikované magnetické alebo elektrické pole alebo napätie.
Piezoelektrické materiály tomu vyhovujúdefinícia, pretože aplikované napätie vytvára napätie v piezoelektrickom materiáli a naopak, aplikácia externého napätia tiež produkuje elektrinu v materiáli.
Dodatočné intelektuálne materiályzahŕňajú zliatiny s tvarovou pamäťou, halochrómne materiály, magnetokalorické materiály, termosenzitívne polyméry, fotovoltaické materiály a mnoho ďalších.
Aká bude budúcnosť piezoelektrických materiálov?
Aká je teda budúcnosť piezoelektrických materiálov?Je vzrušujúca myšlienka, že piezomateriály z nanovlákien by sa mohli komerčne používať ako zdroj energie.Pri výrobe elektriny sa spoliehajú na mechanickú silu, takže ak ich umiestnite napríklad na dotykovú obrazovku, môžuSamozrejme, časť vytvoreného výkonu ide do zariadenia.Existuje však možnosť vytvoriť ďalšie zdroje.
Dva z najpopulárnejších materiálov používaných pre nanogenerátory sú polymér polyvinylidénfluorid(PVDF)& Keramika Olovo zirkoničitan titaničitý (PZT)PVDF vykazuje vyššie piezoelektrické vlastnosti ako iné polyméry.Je to spôsobené jeho polárnou kryštálovou štruktúrou.kryštalickej štruktúry a je schopný generovať oveľa vyššie napätie ako iné piezoelektrické materiály na zber energie.Je tiež mechanicky odolnejší, najmä vo forme nanovlákien.
Prišiel priemyselný dizajnér Jung-Hoon Kimhasskvelá myšlienka použitia piezoelektriky na pohon automobilu. Takéto zariadenia, ktoré nabíjajú batérie, prijímajú energiu z vibrácií, ktoré vznikajú pri pohybe automobilu. Táto technológia neprodukuje emisie a nezávisí od fosílnych palív, vďaka čomu je ekologická.
Ďalší priemyselný dizajnér, Paul Frigu,vyvinul mobilný telefón, ktorý sa dá nabíjať sám! Model Zeri využíva termoelektrické a piezoelektrické systémy. Prvý používa zmeny teploty na generovanie náboja; druhou sú vibrácie vzduchu. Vďaka týmto dvom vlastnostiam je váš smartphone 100% ekologický.
Mexičan Alberto Villarreal vytvoril topánky,ktorá osvetľuje cestu k jeho majiteľovi. Pomocou kinetickej energie chôdze alebo behu môžu elektroluminiscenčné polyméry produkovať svetlo. Tieto efekty budú užitočné pre bežcov.
Ďalšia inovatívna technológia je v tomto sektoretablety. Výhodou spôsobu nabíjania týchto populárnych gadgetov môže byť použitie regeneratívneho vstupu na dotykovej obrazovke. Priemerný človek v priemere (štatisticky) klepne na dotykovú obrazovku 1 000-krát denne. To je viac ako dosť energie na napájanie tabletu.
Nakoniec možno najzaujímavejšiepiezoelektrický gadget - sprcha. Bol navrhnutý fínskymi, mexickými a nemeckými inžiniermi a obsahuje veľa drobných nanodrôtov. Tieto nanodrôty využívajú energiu prechádzajúcej vody na výrobu elektriny, ktorá sa používa na ohrev vody. Zariadenie má tiež dotykové panely, ktoré monitorujú množstvo použitej vody a počítajú čas, ktorý používateľ strávi v sprche. K dispozícii je tiež regulátor, ktorý reguluje tlak vody.
Čítaj viac
Fyzici vytvorili analóg čiernej diery a potvrdili Hawkingovu teóriu. Kadiaľ vedie?
Vedci objavili mýtickú časticu Odderonu
Najtajomnejší prírodný úkaz. Odkiaľ pochádza guľový blesk a v čom je nebezpečný?
Dielektrikum je látka, ktorá je pomerne zlávodivý elektrický prúd. Elektrické vlastnosti dielektrika sú určené ich schopnosťou polarizácie vo vonkajšom elektrickom poli. Termín zaviedol do vedy anglický fyzik M. Faraday. Koncentrácia nosičov bezplatných nábojov v dielektriku nepresahuje 10⁸ cm⁻³.