Piezoelektrik etki, bir dielektrikin mekanik etkisi altında polarizasyonunun etkisidir.
Doğrudan piezoelektrik etkisi ile deformasyonbir piezoelektrik numunenin, deforme olabilen bir katının yüzeyleri arasında bir elektrik voltajının ortaya çıkmasına neden olur; ters piezoelektrik etki durumunda, vücuda bir voltajın uygulanması, deformasyonuna neden olur.
Piezoelektrik malzemeler nelerdir?
Piezoelektrik malzemeler, uygulanan mekanik stresten dahili bir elektrik yükü üretme yeteneğine sahip malzemelerdir.
Bazı doğal olarak oluşan maddeler bir piezoelektrik etki sergiler. Bunlar şunları içerir:
- Kemik,
- Kristaller
- Bazı seramikler,
- DNA,
- Emaye,
- İpek,
- Dentin ve daha fazlası.
Gösteren malzemelerpiezoelektrik etki ayrıca ters piezoelektrik etki (ters veya ters piezoelektrik etki olarak da adlandırılır) sergiler. Ters piezoelektrik etki, uygulanan bir elektrik alanına yanıt olarak dahili mekanik gerilim oluşumudur.
Piezoelektrik malzemelerin tarihçesi
Kristaller kullanılan ilk malzemeydipiezoelektrik ile ilgili erken deneylerde. Curie kardeşler Pierre ve Jacques, ilk olarak 1880'de doğrudan piezoelektrik etkiyi kanıtladılar. Bilim adamları, kristal yapılar ve piroelektrik malzemeler (sıcaklık değişimlerine tepki olarak elektrik yükü oluşturan malzemeler) hakkındaki pratik bilgilerini genişletmişlerdir.
Aşağıdaki belirli kristallerin yüzey yüklerini ölçtüler, yani:
- Şeker kamışı
- Turmalin,
- Kuvars,
- Topaz,
- Rochelle tuzu (tartarik asidin sodyum-potasyum tuzu),
Sonuç olarak, en yüksek piezoelektrik etkileri gösteren kuvars ve Rochelle tuzu oldu.
Ancak Curie kardeşler aksini tahmin etmedi.piezoelektrik etki. Matematiksel olarak 1881'de Gabriel Lippmann tarafından türetildi. Curie daha sonra etkiyi doğruladı ve piezoelektrik kristallerdeki elektriksel, elastik ve mekanik deformasyonların tersine çevrilebilirliği için nicel kanıtlar sağladı.
1910 yılına gelindiğinde doğal kristallerin 20 sınıfı mevcuttu.Piezoelektrik etkinin gözlemlendiği bu olay tam olarak belirlenmiş ve Lehrbuch Der Kristallphysik - 'Textbook of Crystal Physics' kitabında yayınlanmıştır. Ancak görünürde hiçbir teknolojik veya ticari uygulaması olmayan, az bilinen ve yüksek teknolojiye sahip bir fizik alanı olarak kaldı.
Savaş gelene kadar.
Dünya Savaşı
İlk teknolojik uygulamaUltrasonik denizaltı dedektörü olarak piezoelektrik malzeme kullanıldı. Plastik dedektör bir dönüştürücüden (bir enerji türünü diğerine dönüştüren bir cihaz) ve bir hidrofondan oluşur. Dönüştürücü iki çelik plaka arasına yapıştırılmış ince kuvars kristallerinden yapılmıştır.
Ultrasonik dedektörün büyük başarısısavaş sırasında denizaltılar, piezoelektrik cihazların yoğun teknolojik gelişimini teşvik etti. Birinci Dünya Savaşı'ndan sonra fonograf kartuşlarında piezoelektrik seramikler kullanıldı.
İkinci dünya savaşı
Piezoelektrik malzemelerin kullanımı, Japonya, SSCB ve Amerika Birleşik Devletleri tarafından yapılan bağımsız araştırmalar nedeniyle II.Dünya Savaşı sırasında önemli ölçüde ilerlemiştir.
Özellikle, ilişkiyi anlamada ilerlemeAraştırmadaki diğer gelişmelerle birlikte kristal yapı ve elektromekanik aktivite arasındaki ilişki, piezoelektrik teknolojisine olan yaklaşımı tamamen değiştirdi. Mühendisler ilk kez, malzemelerin özelliklerini gözlemlemek ve ardından gözlemlenen özelliklerin uygun kullanımlarını aramak yerine belirli bir cihaz uygulaması için piezoelektrik malzemeleri manipüle edebildiler.
Bu gelişme, birçok kişinin yaratılmasına izin verdiUltra hassas mikrofonlar, yüksek güçlü sonar cihazları, sonar şamandıraları (okyanusa giden gemilerin hareketini izlemek için bir hidrofon ve radyo iletimini dinleme özelliğine sahip küçük şamandıralar) ve piezo ateşleme sistemleri gibi piezoelektrik malzemelerin savaşla ilgili uygulamaları tek silindirli ateşleme için.
Piezoelektrik kristaller - bunlar nedir?
Aşağıda eksik bir liste varpiezoelektrik kristaller ve kullanımları hakkında bazı kısa açıklamalar. En sık kullanılan piezoelektrik malzemelerin bazı özel uygulamalarını daha sonra tartışacağız.
Doğal olarak oluşan kristaller:
- Kuvars, saat kristallerinde ve radyo vericileri için frekans referans kristallerinde kullanılan kararlı bir kristaldir,
- Sakkaroz (sofra şekeri)
- Rochelle tuzu - sıkıştırma ile çok fazla gerginlik üretir; erken kristal mikrofonlarda kullanılır.
- Topaz,
- Turmalin,
- Berlinit (AlPO₄.) — yapısal olarak kuvarsla aynı olan nadir bir fosfat minerali.
Teknojenik kristaller- Galyum ortofosfat (GaPO₄), bir kuvars ve langazit analogu, bir kuvars analoğu.
Piezoelektrik seramikler:
- Baryum titanat (BaTiO₃). İlk piezoelektrik seramik keşfedildi.
- Kurşun titanat (PbTiO₃)
- Kurşun Zirkonat Titanat (PZT)
- Potasyum niyobat (KNbO₃)
- Lityum niyobat (LiNbO₃)
- Lityum tantalat (LiTaO₃)
- Sodyum tungstat (Na₂WO₄)
Kurşunsuz piezo seramikler:
Aşağıdaki malzemeler, kurşunun çevre üzerindeki zararlı etkileri konusundaki endişelere yanıt olarak geliştirilmiştir.
- Sodyum potasyum niyobat (NaKNb). Bu malzeme, PZT'ye benzer özelliklere sahiptir.
- Bizmut ferrit (BiFeO₃)
- Sodyum niyobat (NaNbO₃)
Biyolojik piezoelektrik malzemeler:
- Tendon
- Odun
- İpek
- Emaye
- Dentin
- Kolajen
Piezoelektrik malzemelerin uygulamaları
Piezoelektrik malzemeler, aşağıdakiler dahil birçok endüstride kullanılmaktadır:
- Üretim
- Tıbbi malzeme
- Telekomünikasyon
- Otomotiv endüstrisi
- Bilgi Teknolojisi (BT)
Yüksek voltajlı güç kaynakları:
- Elektrikli çakmaklar.Çakmağın üzerindeki düğmeye bastığınızda, düğme küçük, yaylı bir çekicin piezoelektrik kristale çarpmasına neden olarak, gazı ısıtmak ve ateşlemek için boşluktan akan yüksek voltajlı bir akım yaratır.
- Gazlı ızgaralar veya sobalar ve gaz brülörleri. Çakmaklarla aynı şekilde ama daha büyük ölçekte çalışırlar.
- Piezoelektrik dönüştürücü. Soğuk katotlu floresan lambalarda AC voltaj çarpanı olarak kullanılır.
Piezoelektrik sensörler
Ultrasonik dönüştürücüler,günlük tıbbi görüntüleme. Dönüştürücü, hem sensör hem de aktüatör olarak işlev gören bir piezoelektrik cihazdır. Ultrasonik dönüştürücüler, bir elektrik sinyalini mekanik titreşime (iletim modu veya tahrik bileşenleri) ve mekanik titreşimi bir elektrik sinyaline (alım modu veya sensör bileşeni) dönüştüren bir piezoelektrik eleman içerir.
Piezoelektrik eleman tipik olarak ultrasonik dönüştürücünün istenen dalga boyunun 1 / 2'sine kesilir.
Diğer piezoelektrik sensör türleri şunları içerir:
- Piezoelektrik mikrofonlar.
- Elektro-akustik gitarlar için piezoelektrik manyetikler.
- Sonar dalgaları. Ses dalgaları bir piezoelektrik eleman tarafından üretilir ve alınır.
- Elektronik davul pedleri. Öğeler, davulcuların çubuklarının pedler üzerindeki etkisini algılar.
- Tıbbi akseleromiyografi.Bu, bir kişi anestezi altındayken ve kas gevşetici maddeler enjekte edildiğinde kullanılır. Akseleromiyograftaki piezoelektrik eleman, sinir stimülasyonundan sonra kasta oluşan kuvveti belirler.
Piezoelektrik Aktüatörler
Piezoelektrik aktüatörlerin avantajlarından birielektrik alanın yüksek voltajının piezoelektrik kristalin genişliğindeki küçük mikrometre değişikliklerine karşılık gelmesidir. Bu mikro kütleler, piezoelektrik kristalleri, aşağıdaki cihazlarda olduğu gibi küçük nesnelerin hassas konumlandırılması gerektiğinde harekete geçirici olarak kullanışlı hale getirir:
- Hoparlörler
- Piezoelektrik motorlar
- Lazer elektroniği
- Mürekkep püskürtmeli yazıcılar (kristaller, mürekkebin baskı kafasından kağıda salınmasını kontrol eder)
- Dizel Motorlar
- Röntgen panjurları
Akıllı malzemeler
Akıllı malzemeler geniş bir malzeme sınıfıdır,özellikleri pH, sıcaklık, kimyasallar, uygulanan manyetik veya elektrik alan veya voltaj gibi dış etkiler tarafından kontrollü bir şekilde değiştirilebilir.
Piezoelektrik malzemeler buna uygundurtanım, çünkü uygulanan bir voltaj piezoelektrik malzemede bir voltaj yaratır ve tersine, bir harici voltajın uygulanması da malzemede elektrik üretir.
Ek entelektüel materyallerşekil hafızalı alaşımları, halokromik malzemeleri, manyetokalorik malzemeleri, ısıya duyarlı polimerleri, fotovoltaik malzemeleri ve diğerlerini içerir.
Piezoelektrik malzemeler için gelecekte neler var?
Peki piezoelektrik malzemeler için sırada ne var?gelecek? Piezoelektrik nanofiber malzemelerin ticari olarak enerji kaynağı olarak kullanılabilmesi heyecan verici bir fikir. Elektrik üretmek için mekanik güce güveniyorlar. Bu nedenle, bunları örneğin bir dokunmatik ekrana yerleştirirseniz, cihaz şarj cihazı görevi görebilirler. Elbette, yaratılan gücün bir kısmı dokunmatik ekranda eylemin gerçekleştirilmesine harcanıyor. Ancak ek kaynaklar oluşturma seçeneği de var.
Nanojeneratörler için kullanılan en popüler iki malzeme polimerdir.poliviniliden florür(PVDF)ve seramik Kurşun Zirkonat Titanat (PZT). PVDF daha yüksek gösteriyorPiezoelektrik özellikleri diğer polimerlere göre daha fazladır. Bunun nedeni polar kristal yapısından kaynaklanmaktadır. Öte yandan PZT de kristal bir yapıya sahip ve diğer piezoelektrik enerji hasat malzemelerine göre çok daha yüksek voltaj üretme kapasitesine sahip. Ayrıca özellikle nanotel formunda mekanik olarak daha güçlüdür.
Endüstriyel tasarımcı Jung-Hoon Kimhas ile geldibir arabaya güç sağlamak için piezoelektrik kullanma fikri. Pilleri şarj eden bu cihazlar, araç hareket halindeyken oluşan titreşimlerden enerji alır. Bu teknoloji emisyon üretmez ve fosil yakıtlara bağlı değildir, bu da onu çevre dostu yapar.
Başka bir endüstriyel tasarımcı Paul Frigu,kendi kendine şarj edilebilen bir cep telefonu geliştirdi! Zeri modeli termoelektrik ve piezoelektrik sistemleri kullanır. İlki, şarj oluşturmak için sıcaklık değişikliklerini kullanır; ikincisi hava titreşimleridir. Bu iki özellik, akıllı telefonunuzu% 100 çevre dostu yapar.
Meksikalı Alberto Villarreal bir çift ayakkabı yarattı,sahibine giden yolu aydınlatan. Elektrikli ışıldayan polimerler yürüme veya koşmanın kinetik enerjisini kullanarak ışık üretebilir. Bu etkiler koşucular için faydalı olacaktır.
Bir sonraki yenilikçi teknoloji sektördetabletler. Yenileyici dokunmatik ekran girişini kullanmak, bu popüler cihazları şarj etmenin tercih edilen yolu olabilir. Ortalama olarak (istatistiksel olarak) ortalama bir kişi dokunmatik ekrana günde 1.000 kez dokunur. Bu, tablete güç sağlamak için fazlasıyla yeterli güçtür.
Son olarak, belki de en ilginç olanıpiezoelektrik aygıtı - duş. Finlandiyalı, Meksikalı ve Alman mühendisler tarafından tasarlanmış, çok sayıda küçük nanotel içerir. Bu nanoteller, suyu ısıtmak için kullanılan elektrik üretmek için geçen suyun enerjisini kullanır. Cihaz ayrıca, kullanılan su miktarını izleyen ve kullanıcının duşta geçirdiği zamanı sayan dokunmatik panellere sahiptir. Su basıncını kontrol eden bir regülatör de bulunmaktadır.
Daha fazla oku
Fizikçiler bir kara deliğin benzerini yarattılar ve Hawking'in teorisini doğruladılar. Nereye götürür?
Bilim adamları, Odderon'un efsanevi parçacığını keşfettiler
En gizemli doğal fenomen. Yıldırım topu nereden geliyor ve ne kadar tehlikelidir?
Dielektrik, nispeten kötü olan bir maddediriletken elektrik akımı. Dielektriklerin elektriksel özellikleri, harici bir elektrik alanında polarize olma yetenekleriyle belirlenir. Terim, İngiliz fizikçi M. Faraday tarafından bilime tanıtıldı. Dielektrikteki serbest yük taşıyıcılarının konsantrasyonu 10⁸ cm⁻³'ü geçmez.