เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกคือผลของโพลาไรเซชันของอิเล็กทริกภายใต้อิทธิพลของกลไก
ด้วยผลกระทบโดยตรงเพียโซอิเล็กทริกการเสียรูปของตัวอย่างเพียโซอิเล็กทริกนำไปสู่ลักษณะของแรงดันไฟฟ้าระหว่างพื้นผิวของของแข็งที่เปลี่ยนรูปได้ในกรณีของผลกระทบเพียโซอิเล็กทริกผกผันการใช้แรงดันไฟฟ้ากับร่างกายทำให้เกิดการเสียรูป
วัสดุเพียโซอิเล็กทริกคืออะไร?
วัสดุเพียโซอิเล็กทริกคือวัสดุที่มีความสามารถในการสร้างประจุไฟฟ้าภายในจากความเค้นเชิงกลที่ใช้
สารที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติบางชนิดมีผลต่อเพียโซอิเล็กทริก สิ่งเหล่านี้ ได้แก่ :
- กระดูก,
- คริสตัล
- เซรามิกบางชนิด
- ดีเอ็นเอ,
- เคลือบฟัน
- ผ้าไหม
- เดนตินและอื่น ๆ
วัสดุที่แสดงให้เห็นผลกระทบของเพียโซอิเล็กทริกยังแสดงผลเพียโซอิเล็กทริกผกผัน (เรียกอีกอย่างว่าผลเพียโซอิเล็กทริกผกผันหรือผกผัน) ผลกระทบของเพียโซอิเล็กทริกผกผันคือการสร้างความเครียดเชิงกลภายในเพื่อตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าที่ใช้
ประวัติของวัสดุเพียโซอิเล็กทริก
คริสตัลเป็นวัสดุแรกที่ใช้ในการทดลองระยะแรกกับเพียโซอิเล็กทริก พี่น้องคูรี Pierre และ Jacques ได้พิสูจน์ผลกระทบของเพียโซอิเล็กทริกโดยตรงในปีพ. ศ. 2423 นักวิทยาศาสตร์ได้ขยายความรู้เชิงปฏิบัติเกี่ยวกับโครงสร้างคริสตัลและวัสดุไพโรอิเล็กทริก (วัสดุที่สร้างประจุไฟฟ้าเพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ)
พวกเขาวัดค่าพื้นผิวของผลึกเฉพาะดังต่อไปนี้ ได้แก่ :
- น้ำตาลอ้อย
- ทัวร์มาลีน
- ควอตซ์
- บุษราคัม,
- เกลือของ Rochelle (เกลือโซเดียมโพแทสเซียมของกรดทาร์ทาริก)
ผลที่ได้คือควอตซ์และเกลือของ Rochelle ที่แสดงให้เห็นถึงผลกระทบของเพียโซอิเล็กทริกสูงสุด
อย่างไรก็ตามพี่น้อง Curie ไม่ได้ทำนายเป็นอย่างอื่นผล piezoelectric Gabriel Lippmann ได้รับมาทางคณิตศาสตร์ในปีพ. ศ. 2424 จากนั้น Curie ได้ยืนยันผลกระทบและให้หลักฐานเชิงปริมาณสำหรับความสามารถในการย้อนกลับของการเปลี่ยนรูปไฟฟ้ายืดหยุ่นและเชิงกลในผลึกเพียโซอิเล็กทริก
ในปี 1910 มีคริสตัลธรรมชาติอยู่ 20 ชั้นซึ่งผลเพียโซอิเล็กทริกถูกตรวจพบอย่างสมบูรณ์และตีพิมพ์ใน Lehrbuch Der Kristallphysik - «ตำราเรียนฟิสิกส์คริสตัล» แต่มันยังคงเป็นพื้นที่เฉพาะทางฟิสิกส์ที่ไม่ค่อยมีใครรู้จักและมีเทคโนโลยีสูงโดยไม่มีการใช้งานทางเทคโนโลยีหรือเชิงพาณิชย์ที่ชัดเจน
จนกระทั่งสงครามมา
สงครามโลก
การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีครั้งแรกวัสดุเพียโซอิเล็กทริกถูกใช้เป็นเครื่องตรวจจับใต้น้ำแบบอัลตราโซนิก เครื่องตรวจจับพลาสติกประกอบด้วยทรานสดิวเซอร์ (อุปกรณ์ที่แปลงพลังงานประเภทหนึ่งเป็นอีกประเภทหนึ่ง) และไฮโดรโฟน ทรานสดิวเซอร์ทำจากคริสตัลควอตซ์บางๆ ที่ติดอยู่ระหว่างแผ่นเหล็กสองแผ่น
ความสำเร็จอย่างมากของเครื่องตรวจจับอัลตราโซนิกเรือดำน้ำในช่วงสงครามกระตุ้นการพัฒนาเทคโนโลยีอย่างเข้มข้นของอุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริก หลังสงครามโลกครั้งที่ 1 เซรามิกเพียโซอิเล็กทริกถูกนำมาใช้ในตลับแผ่นเสียง
สงครามโลกครั้งที่สอง
การใช้วัสดุเพียโซอิเล็กทริกก้าวหน้าอย่างมากในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองเนื่องจากการวิจัยอิสระของญี่ปุ่นสหภาพโซเวียตและสหรัฐอเมริกา
โดยเฉพาะอย่างยิ่งความก้าวหน้าในการทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างผลึกและกิจกรรมทางกลไฟฟ้าพร้อมกับความก้าวหน้าอื่น ๆ ในการวิจัยได้เปลี่ยนแนวทางไปสู่เทคโนโลยีเพียโซอิเล็กทริกโดยสิ้นเชิง เป็นครั้งแรกที่วิศวกรสามารถจัดการกับวัสดุเพียโซอิเล็กทริกสำหรับการใช้งานอุปกรณ์เฉพาะแทนที่จะสังเกตคุณสมบัติของวัสดุแล้วมองหาการใช้คุณสมบัติที่สังเกตได้อย่างเหมาะสม
การพัฒนานี้อนุญาตให้สร้างหลาย ๆการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับสงครามของวัสดุเพียโซอิเล็กทริกเช่นไมโครโฟนที่ไวต่อแสงพิเศษอุปกรณ์โซนาร์กำลังสูงทุ่นโซนาร์ (ทุ่นขนาดเล็กที่มีความสามารถในการฟังไฮโดรโฟนและการส่งสัญญาณวิทยุเพื่อตรวจสอบการเคลื่อนที่ของเรือเดินทะเล) และระบบจุดระเบิดแบบเพียโซ สำหรับการจุดระเบิดกระบอกสูบเดียว
Piezoelectric Crystals คืออะไร?
ด้านล่างนี้เป็นรายการที่ไม่สมบูรณ์ผลึกเพียโซอิเล็กทริกพร้อมคำอธิบายสั้น ๆ เกี่ยวกับการใช้งาน เราจะพูดถึงการใช้งานเฉพาะบางอย่างของวัสดุเพียโซอิเล็กทริกที่ใช้บ่อยที่สุดในภายหลัง
ผลึกที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ:
- ควอตซ์เป็นคริสตัลที่เสถียรที่ใช้ในคริสตัลนาฬิกาและคริสตัลอ้างอิงความถี่สำหรับเครื่องส่งสัญญาณวิทยุ
- ซูโครส (น้ำตาลทราย)
- Rochelle salt - สร้างความตึงเครียดอย่างมากด้วยการบีบอัด ใช้ในไมโครโฟนคริสตัลรุ่นแรก ๆ
- บุษราคัม,
- ทัวร์มาลีน
- เบอร์ลินไนต์ (AlPO₄.) — แร่ฟอสเฟตหายากซึ่งมีโครงสร้างเหมือนกับควอตซ์
คริสตัลเทคโนโลยี- แกลเลียมออร์โธฟอสเฟต (GaPO₄) อะนาล็อกของควอตซ์และแลงกาไซต์ซึ่งเป็นอะนาล็อกของควอตซ์
เซรามิก Piezoelectric:
- แบเรียมไททาเนต (BaTiO₃) มีการค้นพบเซรามิกเพียโซอิเล็กทริกชิ้นแรก
- ตะกั่วไททาเนต (PbTiO₃)
- ตะกั่วเพทายไททาเนต (PZT)
- โพแทสเซียมไนโอเบต (KNbO₃)
- ลิเธียมไนโอเบต (LiNbO₃)
- ลิเธียมแทนทาเลต (LiTaO₃)
- โซเดียม tungstate (Na₂WO₄)
เซรามิกเพียโซไร้สารตะกั่ว:
วัสดุต่อไปนี้ได้รับการพัฒนาเพื่อตอบสนองต่อความกังวลเกี่ยวกับผลกระทบที่เป็นอันตรายของสารตะกั่วต่อสิ่งแวดล้อม
- โซเดียมโพแทสเซียมไนโอเบต (NaKNb) สารนี้มีคุณสมบัติคล้ายกับ PZT
- บิสมัทเฟอร์ไรต์ (BiFeO₃)
- โซเดียมไนโอเบต (NaNbO₃)
วัสดุเพียโซอิเล็กทริกทางชีวภาพ:
- เอ็น
- ไม้
- ผ้าไหม
- เคลือบฟัน
- เดนทีน
- คอลลาเจน
การใช้วัสดุเพียโซอิเล็กทริก
วัสดุเพียโซอิเล็กทริกถูกใช้ในหลายอุตสาหกรรม ได้แก่ :
- การผลิต
- อุปกรณ์ทางการแพทย์
- โทรคมนาคม
- อุตสาหกรรมยานยนต์
- เทคโนโลยีสารสนเทศ (IT)
อุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูง:
- ไฟแช็คไฟฟ้า.เมื่อคุณกดปุ่มบนไฟแช็คปุ่มดังกล่าวจะทำให้ค้อนขนาดเล็กที่มีสปริงกระแทกเข้ากับคริสตัลเพียโซอิเล็กทริกสร้างกระแสไฟฟ้าแรงสูงที่ไหลผ่านช่องว่างเพื่อให้ความร้อนและจุดแก๊ส
- เตาแก๊สหรือเตาและเตาแก๊ส. พวกเขาทำงานในลักษณะเดียวกับไฟแช็ค แต่มีขนาดใหญ่กว่า
- ตัวแปลงสัญญาณ Piezoelectric ใช้เป็นตัวคูณแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับในหลอดฟลูออเรสเซนต์แคโทดเย็น
เซ็นเซอร์ Piezoelectric
ใช้ทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกในการถ่ายภาพทางการแพทย์ในชีวิตประจำวัน ทรานสดิวเซอร์เป็นอุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริกที่ทำหน้าที่เป็นทั้งเซ็นเซอร์และตัวกระตุ้น ทรานสดิวเซอร์อัลตราโซนิกประกอบด้วยองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกที่แปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นการสั่นสะเทือนทางกล (โหมดการส่งผ่านหรือส่วนประกอบของไดรฟ์) และการสั่นสะเทือนทางกลเป็นสัญญาณไฟฟ้า (โหมดรับหรือส่วนประกอบเซ็นเซอร์)
โดยปกติองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกจะถูกตัดให้เหลือ 1/2 ของความยาวคลื่นที่ต้องการของตัวแปลงสัญญาณอัลตราโซนิก
เซ็นเซอร์เพียโซอิเล็กทริกประเภทอื่น ๆ ได้แก่ :
- ไมโครโฟน Piezoelectric
- ปิ๊กอัพ Piezo สำหรับกีต้าร์ไฟฟ้า - อะคูสติก
- คลื่นโซนาร์ คลื่นเสียงถูกสร้างและรับโดยองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก
- แผ่นกลองอิเล็กทรอนิกส์ องค์ประกอบตรวจจับผลกระทบของไม้ตีกลองบนแผ่นอิเล็กโทรด
- acceleromyography ทางการแพทย์ใช้เมื่อบุคคลอยู่ภายใต้การดมยาสลบและฉีดยาคลายกล้ามเนื้อ องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกใน acceleromyograph กำหนดแรงที่เกิดขึ้นในกล้ามเนื้อหลังการกระตุ้นเส้นประสาท
ตัวกระตุ้น Piezoelectric
ข้อดีอย่างหนึ่งของตัวกระตุ้นแบบเพียโซอิเล็กทริกคือแรงดันไฟฟ้าสูงของสนามไฟฟ้าสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของไมโครมิเตอร์เล็ก ๆ ในความกว้างของคริสตัลเพียโซอิเล็กทริก มวลขนาดเล็กเหล่านี้ทำให้ผลึกเพียโซอิเล็กทริกมีประโยชน์ในฐานะตัวกระตุ้นเมื่อต้องการตำแหน่งที่แม่นยำของวัตถุขนาดเล็กเช่นในอุปกรณ์ต่อไปนี้:
- ลำโพง
- มอเตอร์เพียโซอิเล็กทริก
- เลเซอร์อิเล็กทรอนิกส์
- เครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ท (คริสตัลควบคุมการปล่อยหมึกจากหัวพิมพ์ลงบนกระดาษ)
- เครื่องยนต์ดีเซล
- บานเกล็ดเอ็กซเรย์
วัสดุอัจฉริยะ
วัสดุอัจฉริยะเป็นวัสดุหลากหลายประเภทซึ่งคุณสมบัติสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในลักษณะควบคุมโดยอิทธิพลภายนอกเช่น pH อุณหภูมิสารเคมีสนามแม่เหล็กหรือไฟฟ้าที่ใช้หรือแรงดันไฟฟ้า
วัสดุเพียโซอิเล็กทริกเป็นไปตามนี้คำจำกัดความเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่ใช้จะสร้างแรงดันไฟฟ้าในวัสดุเพียโซอิเล็กทริกและในทางกลับกันการใช้แรงดันไฟฟ้าภายนอกก็ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในวัสดุ
สื่อทางปัญญาเพิ่มเติมรวมถึงโลหะผสมหน่วยความจำรูปร่างวัสดุฮาโลโครมิกวัสดุแม่เหล็กไฟฟ้าโพลีเมอร์ที่ไวต่อความร้อนวัสดุโซลาร์เซลล์และอื่น ๆ อีกมากมาย
อนาคตของวัสดุเพียโซอิเล็กทริกจะเป็นอย่างไร?
แล้วจะเกิดอะไรขึ้นต่อไปสำหรับวัสดุเพียโซอิเล็กทริก?อนาคต? เป็นแนวคิดที่น่าตื่นเต้นที่วัสดุนาโนไฟเบอร์แบบเพียโซอิเล็กทริกสามารถนำมาใช้เป็นแหล่งพลังงานในเชิงพาณิชย์ได้ พวกเขาอาศัยแรงกลเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า ดังนั้น หากคุณวางไว้บนหน้าจอสัมผัส สิ่งเหล่านี้ก็สามารถทำหน้าที่เป็นที่ชาร์จอุปกรณ์ได้ แน่นอนว่าพลังบางส่วนที่สร้างขึ้นนั้นมุ่งไปสู่การดำเนินการบนหน้าจอสัมผัส แต่มีตัวเลือกในการสร้างทรัพยากรเพิ่มเติม
วัสดุที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสองชนิดที่ใช้สำหรับเครื่องกำเนิดนาโนคือโพลีเมอร์ โพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์(PVDF)และเซรามิก ตะกั่วเพทายไททาเนต (PZT). PVDF แสดงให้เห็นสูงกว่าคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกมากกว่าโพลีเมอร์ชนิดอื่น นี่เป็นเพราะโครงสร้างผลึกขั้วโลก ในทางกลับกัน PZT ยังมีโครงสร้างผลึกและสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าได้สูงกว่าวัสดุเก็บพลังงานเพียโซอิเล็กทริกอื่นๆ มาก นอกจากนี้ยังมีความแข็งแกร่งทางกลไกอีกด้วย โดยเฉพาะในรูปแบบลวดนาโน
Jung-Hoon Kimhas นักออกแบบอุตสาหกรรมมาด้วยแนวคิดที่ยอดเยี่ยมในการใช้เพียโซอิเล็กทริกเพื่อขับเคลื่อนรถยนต์ อุปกรณ์ดังกล่าวซึ่งชาร์จแบตเตอรี่ได้รับพลังงานจากการสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นเมื่อรถเคลื่อนที่ เทคโนโลยีนี้ไม่ก่อให้เกิดการปล่อยมลพิษและไม่ขึ้นอยู่กับเชื้อเพลิงฟอสซิลซึ่งทำให้เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม
Paul Frigu นักออกแบบอุตสาหกรรมอีกคนพัฒนามือถือที่ชาร์จได้เอง! แบบจำลอง Zeri ใช้ระบบเทอร์โมอิเล็กทริกและเพียโซอิเล็กทริก ครั้งแรกใช้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเพื่อสร้างประจุ ประการที่สองคือการสั่นสะเทือนของอากาศ คุณสมบัติทั้งสองนี้ทำให้สมาร์ทโฟนของคุณเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม 100%
Alberto Villarreal ชาวเม็กซิกันสร้างรองเท้าคู่หนึ่งซึ่งให้แสงสว่างแก่เจ้าของ การใช้พลังงานจลน์ในการเดินหรือวิ่งโพลีเมอร์อิเล็กโตรลูมิเนสเซนท์สามารถผลิตแสงได้ ผลกระทบเหล่านี้จะเป็นประโยชน์สำหรับนักวิ่ง
เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมต่อไปอยู่ในภาคแท็บเล็ต การใช้อินพุตหน้าจอสัมผัสที่สร้างใหม่อาจเป็นวิธีที่ดีกว่าในการชาร์จแกดเจ็ตยอดนิยมเหล่านี้ โดยเฉลี่ย (ทางสถิติ) คนทั่วไปแตะหน้าจอสัมผัส 1,000 ครั้งต่อวัน นี่เป็นพลังงานที่มากเกินพอที่จะจ่ายไฟให้กับแท็บเล็ต
สุดท้ายอาจจะน่าสนใจที่สุดอุปกรณ์ piezoelectric - ฝักบัว ออกแบบโดยวิศวกรชาวฟินแลนด์ชาวเม็กซิกันและเยอรมันประกอบด้วยเส้นใยนาโนขนาดเล็กจำนวนมาก สายนาโนเหล่านี้ใช้พลังงานในการส่งผ่านน้ำเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าซึ่งใช้ในการให้ความร้อนแก่น้ำ อุปกรณ์นี้ยังมีแผงสัมผัสที่ตรวจสอบปริมาณน้ำที่ใช้และนับเวลาที่ผู้ใช้ใช้ในการอาบน้ำ นอกจากนี้ยังมี Regulator ที่ควบคุมแรงดันน้ำ
อ่านเพิ่มเติม
นักฟิสิกส์ได้สร้างอะนาล็อกของหลุมดำและยืนยันทฤษฎีของ Hawking นำไปสู่ที่ไหน?
นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบอนุภาคในตำนานของ Odderon
ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่ลึกลับที่สุด Ball Lightning มาจากไหนและอันตรายอย่างไร?
อิเล็กทริกเป็นสารที่ค่อนข้างเลวกระแสไฟฟ้าที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า คุณสมบัติทางไฟฟ้าของไดอิเล็กทริกถูกกำหนดโดยความสามารถในการโพลาไรซ์ในสนามไฟฟ้าภายนอก คำนี้ได้รับการแนะนำให้รู้จักกับวิทยาศาสตร์โดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ M. ความเข้มข้นของตัวพาที่มีประจุไฟฟ้าอิสระในอิเล็กทริกไม่เกิน10⁸ซม.