Piezoelektrisk effekt är effekten av polarisering av en dielektrikum under påverkan av mekanisk
Med den direkta piezoelektriska effekten, deformationav ett piezoelektriskt prov leder till uppkomsten av en elektrisk spänning mellan ytorna på en deformerbar fast substans; i fallet med den inversa piezoelektriska effekten orsakar appliceringen av en spänning på kroppen dess deformation.
Vad är piezoelektriska material?
Piezoelektriska material är material som har förmågan att generera en inre elektrisk laddning från pålagd mekanisk påfrestning.
Vissa naturligt förekommande ämnen uppvisar en piezoelektrisk effekt. Dessa inkluderar:
- Ben,
- Kristaller,
- Viss keramik,
- DNA,
- Emalj,
- Silke,
- Dentin och mer.
Material som demonstrerarden piezoelektriska effekten uppvisar också den inversa piezoelektriska effekten (även kallad invers eller invers piezoelektrisk effekt). Den inversa piezoelektriska effekten är den inre genereringen av mekanisk spänning som svar på ett applicerat elektriskt fält.
Historia av piezoelektriska material
Kristaller var det första materialet som användesi tidiga experiment med piezoelektricitet. Bröderna Curie, Pierre och Jacques, bevisade först den direkta piezoelektriska effekten 1880. Forskare har utökat sin praktiska kunskap om kristallstrukturer och pyroelektriska material (material som genererar en elektrisk laddning som svar på temperaturförändringar).
De mätte ytladdningarna för följande specifika kristaller, nämligen:
- Rörsocker
- Turmalin,
- Kvarts,
- Topas,
- Rochelles salt (natrium-kaliumsalt av vinsyra),
Som ett resultat var det kvarts och Rochelles salt som visade de högsta piezoelektriska effekterna.
Men Curie-bröderna förutspådde inte något annat.piezoelektrisk effekt. Det härrörde matematiskt av Gabriel Lippmann 1881. Curie bekräftade sedan effekten och gav kvantitativa bevis för reversibiliteten av elektriska, elastiska och mekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller.
År 1910 fanns det 20 klasser av naturliga kristaller, idär den piezoelektriska effekten observeras fastställdes fullständigt och publicerades i Lehrbuch Der Kristallphysik - «Textbook of Crystal Physics». Men det förblev ett föga känt och högteknologiskt nischområde inom fysik utan uppenbara tekniska eller kommersiella tillämpningar.
Fram till kriget kom.
Världskrig
Första tekniska applikationenpiezoelektriskt material användes som en ubåtsdetektor med ultraljud. Plastdetektorn är gjord av en givare (en enhet som omvandlar en typ av energi till en annan) och en hydrofon. Givaren är gjord av tunna kvartskristaller limmade mellan två stålplåtar.
Ultraljudsdetektorns enorma framgångubåtar under kriget stimulerade den intensiva tekniska utvecklingen av piezoelektriska enheter. Efter första världskriget användes piezoelektrisk keramik i fonografpatroner.
Andra världskriget
Användningen av piezoelektriska material avancerade avsevärt under andra världskriget på grund av oberoende forskning från Japan, Sovjetunionen och USA.
I synnerhet framsteg när det gäller att förstå förhållandetmellan kristallstruktur och elektromekanisk aktivitet, tillsammans med andra framsteg inom forskning, har helt förändrat tillvägagångssättet för piezoelektrisk teknik. För första gången kunde ingenjörer manipulera piezoelektriska material för en specifik enhetsapplikation istället för att observera materialens egenskaper och sedan leta efter lämpliga användningsområden för de observerade egenskaperna.
Denna utveckling möjliggjorde skapandet av mångakrigsrelaterade applikationer av piezoelektriska material som ultrakänsliga mikrofoner, högeffektiva ekolodsenheter, ekolodsbojar (små bojar med förmågan att lyssna på en hydrofon och radioöverföring för att övervaka rörelsen hos havsgående fartyg) och piezotändningssystem för encylindrig tändning.
Piezoelektriska kristaller - vad är de?
Nedan följer en ofullständig listapiezoelektriska kristaller med några korta beskrivningar av deras användning. Vi kommer att diskutera några specifika tillämpningar av de mest använda piezoelektriska materialen senare.
Naturligt förekommande kristaller:
- Kvarts är en stabil kristall som används i klockkristaller och frekvensreferenskristaller för radiosändare,
- Sackaros (bordssocker)
- Rochelle salt - producerar mycket spänning med kompression; används i tidiga kristallmikrofoner.
- Topas,
- Turmalin,
- Berlinite (AlPO₄.) — ett sällsynt fosfatmineral strukturellt identiskt med kvarts.
Teknogena kristaller- Galliumortofosfat (GaPO₄), en analog av kvarts och langasit, en analog av kvarts.
Piezoelektrisk keramik:
- Bariumtitanat (BaTi02). Den första piezoelektriska keramiken upptäcks.
- Blytitanat (PbTiO₃)
- Bly zirkonat titanat (PZT)
- Kaliumniobat (KNbO₃)
- Litiumniobat (LiNbO2)
- Litiumtantalat (LiTaO2)
- Natriumvolframat (Na2WO2)
Blyfri piezokeramik:
Följande material utvecklades som svar på oro över de skadliga effekterna av bly på miljön.
- Natriumkaliumniobat (NaKNb). Detta material har egenskaper som liknar PZT.
- Vismutferrit (BiFeO₃)
- Natriumniobat (NaNb02)
Biologiska piezoelektriska material:
- Sena
- Trä
- Silke
- Emalj
- Tandben
- Kollagen
Tillämpningar av piezoelektriska material
Piezoelektriska material används i många branscher, inklusive:
- Produktion
- Medicinsk utrustning
- Telekommunikation
- Bilindustrin
- IT (IT)
Högspänningsaggregat:
- Elektriska tändare.När du trycker på knappen på tändaren orsakar knappen att en liten, fjäderbelastad hammare träffar den piezoelektriska kristallen, vilket skapar en högspänningsström som strömmar genom gapet för att värma upp och antända gasen.
- Gasgrillar eller spisar och gasbrännare. De fungerar på samma sätt som tändare, men i större skala.
- Piezoelektrisk omvandlare. Den används som en växelströmsmultiplikator i lysrör med kall katod.
Piezoelektriska sensorer
Ultraljudsgivare används idaglig medicinsk bildbehandling. Omvandlaren är en piezoelektrisk anordning som fungerar som både en sensor och ett manöverdon. Ultraljudsgivare innehåller ett piezoelektriskt element som omvandlar en elektrisk signal till mekanisk vibration (överföringsläge eller drivkomponenter) och mekanisk vibration till en elektrisk signal (mottagningsläge eller sensorkomponent).
Det piezoelektriska elementet skärs vanligtvis till 1/2 av den önskade våglängden för ultraljudsgivaren.
Andra typer av piezoelektriska sensorer inkluderar:
- Piezoelektriska mikrofoner.
- Piezo pickups för elektroakustiska gitarrer.
- Ekolodsvågor. Ljudvågor genereras och tas emot av ett piezoelektriskt element.
- Elektroniska trumkuddar. Elementen upptäcker inverkan av trummisar på padsna.
- Medicinsk acceleromyografi.Detta används när en person är i narkos och injiceras med muskelavslappnande medel. Det piezoelektriska elementet i acceleromyografen bestämmer den kraft som uppstår i muskeln efter nervstimulering.
Piezoelektriska ställdon
En av fördelarna med piezoelektriska ställdonär att det elektriska fältets högspänning motsvarar små mikrometerförändringar i den piezoelektriska kristallens bredd. Dessa mikromassor gör piezoelektriska kristaller användbara som manöverdon när exakt positionering av små föremål krävs, såsom i följande enheter:
- Högtalare
- Piezoelektriska motorer
- Laserelektronik
- Bläckstråleskrivare (kristaller kontrollerar att bläck släpps från skrivhuvudet på papperet)
- Dieselmotorer
- Röntgenluckor
Smarta material
Smarta material är en bred klass av material,vars egenskaper kan ändras på ett kontrollerat sätt av yttre påverkan såsom pH, temperatur, kemikalier, applicerat magnetiskt eller elektriskt fält eller spänning.
Piezoelektriska material uppfyller dettadefinition, eftersom en applicerad spänning skapar en spänning i det piezoelektriska materialet, och omvänt, appliceringen av en extern spänning producerar också elektricitet i materialet.
Ytterligare intellektuella materialinkluderar formminneslegeringar, halokroma material, magnetokaloriska material, värmekänsliga polymerer, solcellsmaterial och många andra.
Hur ser framtiden ut för piezoelektriska material?
Så vad är nästa steg för piezoelektriska material?framtida? Det är en spännande idé att piezoelektriska nanofibermaterial skulle kunna användas kommersiellt som energikälla. De är beroende av mekanisk kraft för att generera elektricitet. Därför, om du placerar dem, till exempel på en pekskärm, kan de fungera som en enhetsladdare. Naturligtvis går en del av kraften som skapas till att utföra handlingen på pekskärmen. Men det finns ett alternativ att skapa ytterligare resurser.
De två mest populära materialen som används för nanogeneratorer är polymer polyvinylidenfluorid(PVDF)och keramik Bly zirkonat titanat (PZT). PVDF visar högrepiezoelektriska egenskaper än andra polymerer. Detta beror på dess polära kristallstruktur. PZT, å andra sidan, har också en kristallin struktur och kan generera mycket högre spänningar än andra piezoelektriska energiskördande material. Den är också mekaniskt starkare, speciellt i nanotrådsform.
Industridesignern Jung-Hoon Kimhas kom medden lysande idén att använda piezoelektricitet för att driva en bil. Sådana enheter, som laddar batterier, får energi från vibrationer som uppstår när bilen rör sig. Denna teknik producerar inte utsläpp och är inte beroende av fossila bränslen, vilket gör den miljövänlig.
En annan industridesigner, Paul Frigu,utvecklat en mobiltelefon som kan laddas av sig själv! Zeri-modellen använder termoelektriska och piezoelektriska system. Den första använder temperaturförändringar för att generera laddning; den andra är luftvibrationer. Dessa två funktioner gör din smartphone 100% miljövänlig.
Mexikanen Alberto Villarreal skapade ett par skor,som belyser vägen till dess ägare. Med hjälp av den kinetiska energin att gå eller springa kan elektroluminiscerande polymerer producera ljus. Dessa effekter kommer att vara användbara för löpare.
Nästa innovativa teknik finns inom sektorntabletter. Att använda regenerativ pekskärmsingång kan mycket väl vara det bästa sättet att ladda dessa populära prylar. I genomsnitt (statistiskt) trycker den genomsnittliga personen på pekskärmen 1000 gånger om dagen. Detta är mer än tillräckligt med kraft för att driva surfplattan.
Slutligen kanske det mest intressantapiezoelektrisk gadget - dusch. Designad av finska, mexikanska och tyska ingenjörer, den innehåller många små nanotrådar. Dessa nanotrådar använder energin från att leda vatten för att generera elektricitet, som används för att värma upp vattnet. Enheten har också pekskärmar som övervakar mängden vatten som används och räknar den tid användaren tillbringar i duschen. Det finns också en regulator som styr vattentrycket.
Läs mer
Fysiker har skapat en analog av ett svart hål och bekräftat Hawkings teori. Vart leder det?
Forskare har upptäckt Odderons mytiska partikel
Det mest mystiska naturfenomenet. Varifrån kommer kulblixten och hur är det farligt?
Dielektrisk är ett ämne som är relativt dåligtledande elektrisk ström. De elektriska egenskaperna hos dielektrikum bestäms av deras förmåga att polarisera i ett externt elektriskt fält. Termen introducerades i vetenskapen av den engelska fysikern M. Faraday. Koncentrationen av fria laddningsbärare i dielektrikumet överstiger inte 10⁸ cm3.