Пиезоелектрични ефекат је ефекат поларизације диелектрика под утицајем механичког
Са директним пиезоелектричним ефектом, деформацијапиезоелектричног узорка доводи до појаве електричног напона између површина деформабилне чврсте супстанце; у случају инверзног пиезоелектричног ефекта, примена напона на тело узрокује његову деформацију.
Шта су пиезоелектрични материјали?
Пиезоелектрични материјали су материјали који имају способност да генеришу унутрашњи електрични набој услед примењеног механичког напрезања.&нбсп;
Неке природне супстанце показују пиезоелектрични ефекат. Ови укључују:
- Боне,
- Кристали,
- Одређена керамика,
- ДНК,
- Емајл,
- Свила,
- Дентин и више.
Материјали који демонстрирајупиезоелектрични ефекат такође показује инверзни пиезоелектрични ефекат (такође се назива инверзни или инверзни пиезоелектрични ефекат). Инверзни пиезоелектрични ефекат је унутрашње стварање механичког напрезања као одговор на примењено електрично поље.
Историја пиезоелектричних материјала
Кристали су први употребљени материјалу раним експериментима са пиезоелектричношћу. Браћа Цурие, Пиерре и Јацкуес, први пут су доказали директни пиезоелектрични ефекат 1880. године. Научници су проширили своје практично знање о кристалним структурама и пироелектричним материјалима (материјали који генеришу електрични набој као одговор на промене температуре).
Измерили су површинске наелектрисања следећих специфичних кристала, и то:
- Шећер од шећерне трске
- Турмалин,
- Кварц,
- Топаз,
- Роцхелле-ова сол (натријум-калијум со винске киселине),
Као резултат, кварц и Роцхелле-ова сол показали су највише пиезоелектричне ефекте.
Међутим, браћа Цурие нису предвидела другачије.пиезоелектрични ефекат. Математички га је извео Габриел Липпманн 1881. године. Цурие је затим потврдио ефекат и пружио квантитативне доказе о реверзибилности електричних, еластичних и механичких деформација у пиезоелектричним кристалима.
До 1910. постојало је 20 класа природних кристала, уу којима се примећује пиезоелектрични ефекат су у потпуности утврђени и објављени у Лехрбуцх Дер Кристаллпхисик - «Тектбоок оф Цристал Пхисицс». Али остала је мало позната и високотехнолошка област физике без очигледних технолошких или комерцијалних примена.
Док није дошао рат.
Светски рат
&нбсп;Прва технолошка применапиезоелектрични материјал је коришћен као ултразвучни детектор за подморнице. Пластични детектор је направљен од претварача (уређаја који претвара једну врсту енергије у другу) и хидрофона. Трансдуктор је направљен од танких кристала кварца залепљених између две челичне плоче.
Огроман успех ултразвучног детектораподморнице током рата подстакле су интензиван технолошки развој пиезоелектричних уређаја. После Првог светског рата у фонографским кертриџима коришћена је пиезоелектрична керамика.
Други светски рат
Употреба пиезоелектричних материјала значајно је напредовала током Другог светског рата захваљујући независним истраживањима Јапана, СССР-а и Сједињених Држава.
Конкретно, напредак у разумевању односаизмеђу кристалне структуре и електромеханичке активности, заједно са другим напретком истраживања, потпуно су променили приступ пиезоелектричној технологији. По први пут инжењери су успели да манипулишу пиезоелектричним материјалима за одређену примену уређаја, уместо да посматрају својства материјала и затим траже одговарајућу употребу посматраних својстава.
Овај развој је омогућио стварање многихратне примене пиезоелектричних материјала као што су ултра осетљиви микрофони, сонарни уређаји велике снаге, плутаче сонара (мале плутаче са способношћу преслушавања хидрофона и радио преноса ради праћења кретања океанских бродова) и пиезо системи паљења за једноцилиндрично паљење.
Пиезоелектрични кристали - шта су они?
Испод је непотпуна листапиезоелектрични кристали са неким кратким описима њихове употребе. О неким специфичним применама најчешће коришћених пиезоелектричних материјала разговараћемо касније.
Кристали који се јављају у природи:
- Кварц је стабилни кристал који се користи у кристалима сата и референтним кристалима фреквенције за радио предајнике,
- Сахароза (стони шећер)
- Сол Роцхелле - ствара велику напетост компресијом; користи се у микрофонима са раним кристалима.
- Топаз,
- Турмалин,
- Берлинит (АлПО₄.) —&нбсп; редак фосфатни минерал структурно идентичан кварцу.
Техногени кристали- Галијум ортофосфат (ГаПО₄), аналог кварца и лангасита, аналог кварца.
Пиезоелектрична керамика:
- Баријев титанат (БаТиО₃). Откривена је прва пиезоелектрична керамика.
- Оловни титанат (ПбТиО₃)
- Оловни цирконат-титанат (ПЗТ)
- Калијум ниобат (КНбО₃)
- Литијум-ниобат (ЛиНбО₃)
- Литијум танталат (ЛиТаО₃)
- Натријум-волфрам (На₂ВО₄)
Безоловна пиезо керамика:
Следећи материјали су развијени као одговор на забринутост због штетних ефеката олова на животну средину.
- Натријум калијум ниобат (НаКНб). Овај материјал има својства слична ПЗТ-у.
- Бизмут-ферит (БиФеО₃)
- Натријум ниобат (НаНбО₃)
Биолошки пиезоелектрични материјали:
- Тетива
- Дрво
- Свила
- Цаклина
- Дентин
- Колаген
Примене пиезоелектричних материјала
Пиезоелектрични материјали се користе у многим индустријама, укључујући:
- Производња
- Медицинска опрема
- Телекомуникације
- Аутомобилска индустрија
- Информациона технологија (ИТ)
Високонапонски извори напајања:
- Електрични упаљачи.Када притиснете дугме на упаљачу, дугме узрокује да мали чекић са опругом удари у пиезоелектрични кристал, стварајући струју високог напона која протиче кроз зазор да би се загревала и запалила гас.
- Плински роштиљи или шпорети и горионици на гас. Раде на исти начин као упаљачи, али у већем обиму.
- Пиезоелектрични претварач. Користи се као мултипликатор наизменичног напона у флуоресцентним лампама са хладном катодом.
Пиезоелектрични сензори
Ултразвучни претварачи се користе усвакодневно медицинско снимање. Претварач је пиезоелектрични уређај који делује и као сензор и као покретач. Ултразвучни претварачи садрже пиезоелектрични елемент који претвара електрични сигнал у механичке вибрације (начин преноса или компоненте погона), а механичке вибрације у електрични сигнал (режим пријема или компонента сензора).
Пиезоелектрични елемент се обично пресече на 1/2 жељене таласне дужине ултразвучног претварача.
Остале врсте пиезоелектричних сензора укључују:
- Пиезоелектрични микрофони.
- Пиезоелектрични пицкупи за електро-акустичне гитаре.
- Сонарни таласи. Звучне таласе генерише и прима пиезоелектрични елемент.
- Електронски бубњеви. Елементи откривају утицај штапова бубњара на подлоге.
- Медицинска акцелеромиографија.Ово се користи када је особа под анестезијом и убризгава мишићне релаксансе. Пиезоелектрични елемент у акцелеромиографу одређује силу која се јавља у мишићу након стимулације нерва.
Пиезоелектрични актуатори
Једна од предности пиезоелектричних актуатораје да високи напон електричног поља одговара сићушним промјенама микрометра у ширини пиезоелектричног кристала. Ове микро масе чине пиезоелектричне кристале корисним као покретачи када је потребно прецизно позиционирање ситних објеката, на пример у следећим уређајима:
- Звучници
- Пиезоелектрични мотори
- Ласерска електроника
- Инкјет штампачи (кристали контролишу ослобађање мастила са главе за штампање на папир)
- Дизел мотори
- Рендген ролетне
Паметни материјали
Паметни материјали су широка класа материјала,чија се својства могу контролисано мењати спољним утицајима као што су пХ, температура, хемикалије, примењено магнетно или електрично поље или напон.
Пиезоелектрични материјали су у складу са овимдефиниција, јер примењени напон ствара напон у пиезоелектричном материјалу, и обрнуто, примена спољног напона такође производи електричну енергију у материјалу.
Додатни интелектуални материјалиукључују легуре за памћење облика, халохромне материјале, магнетокалоричне материјале, термосензитивне полимере, фотонапонске материјале и многе друге.
Шта будућност носи са пиезоелектричним материјалима?
Дакле, шта је следеће за пиезоелектричне материјале?будућност? Узбудљива је идеја да се пиезоелектрични материјали од нановлакна могу комерцијално користити као извор енергије. Они се ослањају на механичку силу да генеришу електричну енергију. Стога, ако их поставите, на пример, на екран осетљив на додир, они могу деловати као пуњач уређаја. Наравно, део створене снаге иде ка извођењу радње на екрану осетљивом на додир. Али постоји опција за креирање додатних ресурса.
Два најпопуларнија материјала која се користе за наногенераторе су полимер&нбсп;поливинилиден флуорид(ПВДФ)и керамичке&нбсп;Оловни цирконат титанат (ПЗТ). ПВДФ показује вишепиезоелектрична својства од других полимера. То је због његове поларне кристалне структуре. ПЗТ, с друге стране, такође има кристалну структуру и способан је да генерише много веће напоне од других материјала за прикупљање пиезоелектричне енергије. Такође је механички јачи, посебно у облику нано жице.
Индустријски дизајнер Јунг-Хоон Кимхас је смислиосјајна идеја о коришћењу пиезоелектричне енергије за погон аутомобила. Такви уређаји, који пуне батерије, примају енергију од вибрација које настају при кретању аутомобила. Ова технологија не производи емисије и не зависи од фосилних горива, што је чини еколошки прихватљивом.
Још један индустријски дизајнер, Паул Фригу,развио мобилни телефон који се може пунити сам! Зери модел користи термоелектричне и пиезоелектричне системе. Први користи промене температуре за генерисање набоја; друго су вибрације ваздуха. Ове две карактеристике чине ваш паметни телефон 100% еколошки прихватљивим.
Мексиканац Алберто Вилларреал створио је пар ципела,која осветљава пут свом власнику. Користећи кинетичку енергију ходања или трчања, електролуминисцентни полимери могу произвести светлост. Ови ефекти ће бити корисни за тркаче.
Следећа иновативна технологија је у овом секторутаблете. Коришћење регенеративног уноса на екрану осетљивом на додир може бити преферирани начин пуњења ових популарних справица. У просеку (статистички) просечна особа додирне екран осетљив на додир 1.000 пута дневно. Ово је више него довољно снаге за напајање таблета.
Коначно, можда и најзанимљивијепиезоелектрични гаџет - туш. Дизајнирани од стране финских, мексичких и немачких инжењера, садржи многе мале наножице. Ове наножице користе енергију воде која пролази за производњу електричне енергије, која се користи за загревање воде. Уређај такође има додирне плоче које прате количину потрошене воде и броје време које корисник проведе под тушем. Ту је и регулатор који контролише притисак воде.
Опширније
Физичари су створили аналог црне рупе и потврдили Хокингову теорију. Куда води?
Научници су открили митску честицу Оддерон
Најмистериознији природни феномен. Одакле лоптаста муња и како је опасна?
Диелектрик је супстанца која је релативно лошапроводна електрична струја. Електрична својства диелектрика одређена су њиховом способношћу поларизације у спољашњем електричном пољу. Термин је у науку увео енглески физичар М. Фарадаи. Концентрација слободних носача набоја у диелектрику не прелази 10⁸ цм⁻³.