П'єзоелектричний ефект - ефект виникнення поляризації діелектрика під дією механічних
При прямому п'єзоефекті деформаціяп'єзоелектричного зразка призводить до виникнення електричної напруги між поверхнями деформованого твердого тіла, при зворотному п'єзоефекті додаток напруги до тіла викликає його деформацію.
Що таке п'єзоелектричні матеріали?
П'єзоелектричні матеріали являють собою матеріали, які мають здатність генерувати внутрішній електричний заряд від прикладеної механічної напруги.
Деякі речовини, що зустрічаються в природі в природі, демонструють п'єзоелектричний ефект. До них відносяться:
- Кость,
- кристали,
- Певна кераміка,
- ДНК,
- емаль,
- шовк,
- Дентин і багато іншого.
Матеріали, які демонструютьп'єзоелектричний ефект, також демонструють зворотний п'єзоелектричний ефект (також званий зворотним або зворотним п'єзоелектричним ефектом). Зворотний п'єзоелектричний ефект є внутрішня генерація механічної напруги в відповідь на прикладена електричне поле.
Історія п'єзоелектричних матеріалів
Кристали були першим матеріалом, використанимв ранніх експериментах з П'єзоелектрика. Брати Кюрі, П'єр і Жак вперше довели прямий п'єзоелектричний ефект в 1880 році. Вчені розширили свої практичні знання про кристалічних структурах і піроелектричних матеріалах (матеріалах, які генерують електричний заряд у відповідь на зміну температури).
Вони виміряли поверхневі заряди наступних конкретних кристалів, а саме:
- Тростинного цукру,
- турмаліну,
- кварцу,
- топазу,
- сіль Рошеля (натрій-калієва сіль винної кислоти),
У підсумку, саме кварц і сіль Рошеля продемонстрували найвищі п'єзоелектричні ефекти.
Однак брати Кюрі не пророкували зворотнийп'єзоелектричний ефект. Він математично виведений Габріелем Липпманом в 1881 році. Потім Кюрі підтвердили ефект і надали кількісне доказ оборотності електричних, пружних і механічних деформацій в п'єзоелектричних кристалах.
До 1910 року в 20 класах природних кристалів,яких спостерігається п'єзоелектричний ефект були повністю визначені і опубліковані в Lehrbuch Der Kristallphysik - "Підручник фізики кристалів". Але це залишалося маловідомою та високотехнологічною нішевою областю фізики без будь-яких видимих технологічних чи комерційних застосувань.
Поки не наступила війна.
Світова війна
Перше технологічне застосуванняп'єзоелектричного матеріалу було як ультразвуковий детектор підводного човна. Пластика-детектор зроблена з перетворювача (пристрою, що переводить один вид енергії в інший) та гідрофон. Перетворювач виготовлений із тонких кристалів кварцу, вклеєних між двома сталевими пластинами.
Величезний успіх ультразвукового детекторапідводних човнів під час війни стимулював інтенсивне технологічний розвиток п'єзоелектричних пристроїв. Після Першої світової війни п'єзокераміка використовувалася в картриджах фонографів.
Друга світова війна
Застосування п'єзоелектричних матеріалів значно просунулося під час Другої світової війни через незалежних досліджень Японії, СРСР і США.
Зокрема, досягнення в розумінні взаємозв'язкуміж кристалічною структурою і електромеханічної активністю поряд з іншими досягненнями в дослідженнях повністю змінили підхід до п'єзоелектричної технології. Вперше інженери змогли маніпулювати п'єзоелектричними матеріалами для конкретного застосування пристрою, замість того, щоб спостерігати властивості матеріалів і потім шукати відповідні застосування спостережуваних властивостей.
Ця розробка дозволила створити безлічпов'язаних з війною застосувань п'єзоелектричних матеріалів, таких як надчутливі мікрофони, потужні гідроакустичні пристрої, гідроакустичні буї (невеликі буї з можливістю прослуховування гідрофону і радіопередачею для моніторингу руху океанських суден) і системи пьезозажіганія для одноциліндрового запалювання.
П'єзоелектричні кристали - які вони?
Нижче наводиться неповний списокп'єзоелектричних кристалів з деякими короткими описами їх використання. Пізніше ми обговоримо деякі конкретні застосування найбільш часто використовуваних п'єзоелектричних матеріалів.
Зустрічаються в природі кристали:
- Кварц - стабільний кристал, який використовується в кристалах годин і кристалах еталона частоти для радіопередавачів,
- Сахароза (столовий цукор),
- Рошельская сіль - видає велику напругу зі стисненням; використовувався в ранніх кристальних мікрофонах.
- Топаз,
- турмалін,
- Берлініт (AlPO₄.) - рідкісний фосфатний мінерал, що структурно ідентичний кварцу.
Техногенні кристали- ортофосфати галію (GaPO₄), аналог кварцу і лангасіт, аналог кварцу.
П'єзоелектричні кераміки:
- Титанат барію (BaTiO₃). Виявлена перша п'єзоелектричний кераміка.
- Титанат свинцю (PbTiO₃)
- Цирконат-титанат свинцю (PZT)
- Ніобат калію (KNbO₃)
- Ніобат літію (LiNbO₃)
- Танталат літію (LiTaO₃)
- Вольфрамат натрію (Na₂WO₄)
Безсвинцеві пьезокераміки:
Наступні нижче матеріали були розроблені у відповідь на побоювання з приводу шкідливого впливу свинцю на навколишнє середовище.
- Ніобат натрію-калію (NaKNb). Цей матеріал має властивості, аналогічні PZT.
- Ферит вісмуту (BiFeO₃)
- Ніобат натрію (NaNbO₃)
Біологічні п'єзоелектричні матеріали:
- сухожилля
- дерево
- шовк
- емаль
- дентин
- колаген
Застосування п'єзоелектричних матеріалів
П'єзоелектричні матеріали використовуються в багатьох галузях промисловості, в тому числі:
- виробництво
- Медичне обладнання
- Телекомунікації
- Автомобільна промисловість
- Інформаційні технології (IT)
Високовольтні джерела живлення:
- Електричні запальнички.Коли ви натискаєте кнопку на запальничці, кнопка змушує невеликий підпружинений молоток ударяти по п'єзоелектричного кристалу, створюючи струм високої напруги, який тече через зазор для нагріву і займання газу.
- Газові грилі або плити і газові пальники. Вони працюють так само, як і запальнички, але в більшому масштабі.
- П'єзоелектричний перетворювач. Він використовується в якості помножувача змінної напруги в люмінесцентних лампах з холодним катодом.
п'єзоелектричні датчики
Ультразвукові перетворювачі використовуються вповсякденній медичній візуалізації. Перетворювач являє собою п'єзоелектричний пристрій, який діє і як датчик і виконавчий механізм. Ультразвукові перетворювачі містять п'єзоелектричний елемент, який перетворює електричний сигнал в механічну вібрацію (режим передачі або компоненти приводу) і механічну вібрацію в електричний сигнал (режим або компонент датчика прийому).
П'єзоелектричний елемент зазвичай розрізають на 1/2 бажаної довжини хвилі ультразвукового перетворювача.
До інших типів п'єзоелектричних датчиків відносяться:
- П'єзоелектричні мікрофони.
- П'єзоелектричні звукознімачі для електроакустичних гітар.
- Сонарним хвилі. Звукові хвилі генеруються і сприймаються п'єзоелектричним елементом.
- Електронні барабанні педи. Елементи виявляють удар палиць барабанщиків про педи.
- Медична акселероміографія.Це використовується, коли людина перебуває під наркозом і йому вводять міорелаксанти. П'єзоелектричний елемент в акселероміографе визначає силу, що виникає в м'язі після нервової стимуляції.
п'єзоелектричні приводи
Одна з переваг п'єзоелектричних приводівполягає в тому, що висока напруга електричного поля відповідає крихітним мікрометрового змін ширини п'єзоелектричного кристала. Ці мікромасси роблять п'єзоелектричні кристали корисними в якості виконавчих механізмів, коли потрібно точне позиціонування крихітних об'єктів, наприклад, в наступних пристроях:
- Музичні колонки
- п'єзоелектричні двигуни
- лазерна електроніка
- Струменеві принтери (кристали керують викидом чорнила з друкуючої головки на папір)
- дизельні двигуни
- рентгенівські віконниці
розумні матеріали
Розумні матеріали - це широкий клас матеріалів,властивості яких можуть бути змінені контрольованим методом під впливом зовнішнього впливу, такого як pH, температура, хімічні речовини, прикладена магнітне або електричне поле або напруга.
П'єзоелектричні матеріали відповідають цьомувизначенню, тому що прикладена напруга створює напругу в п'єзоелектричному матеріалі, і, навпаки, додаток зовнішнього напруги також виробляє електрику в матеріалі.
Додаткові інтелектуальні матеріаливключають сплави з пам'яттю форми, галохромние матеріали, магнітокалоричний матеріали, термочутливі полімери, фотоелектричні матеріали і багато інших.
Що чекає п'єзоелектричні матеріали майбутньому?
Так що ж чекає на п'єзоелектричні матеріали вмайбутньому? Виникає захоплююча ідея, що п'єзоматеріали з нановолокна можуть бути комерційно використані як джерело енергії. Вони покладаються на механічне зусилля на вироблення електрики. Тому, якщо розташувати їх, наприклад, на сенсорному екрані, вони можуть виступити як підзарядки пристрою. Звичайно, частина створеної потужності йде на виконання дії на сенсорному екрані. Але є варіант створення додаткових ресурсів.
Два найпопулярніші матеріали, що використовуються для наногенераторів, - це полімер.полівініліденфторид(ПВДФ)та керамічний цирконат-титанат свинцю (PZT). ПВДФ демонструє вищіп'єзоелектричні властивості, ніж інші полімери. Це з його полярної кристалічної структурою. У свою чергу, PZT також має кристалічну структуру і здатний генерувати набагато вищі напруги, ніж інші п'єзоелектричні матеріали для збору енергії. Він також механічно міцніший, особливо у формі нанодроту.
Промисловий дизайнер Чон-Хун Кімхас придумавблискучу ідею використання п'єзоелектрики для харчування автомобіля. Такі пристрої, які заряджають акумулятори, отримують енергію від вібрацій, що виникають при русі машини. Ця технологія не виробляє викидів і не залежить від викопного палива, що робить її екологічно чистою.
Інший промисловий дизайнер, Пол Фрігії,розробив мобільний телефон, який може заряджатися сам! Модель Zeri використовує термоелектричні і п'єзоелектричні системи. Перший використовує зміни температури для генерації заряду; другий - коливання повітря. Ці дві функції роблять смартфон на 100% екологічно чистим.
Мексиканець Альберто Вільярреал створив пару взуття,яка освітлює шлях її власнику. Використовуючи кінетичну енергію ходьби або бігу, електролюмінісцентні полімери можуть виробляти світло. Ці ефекти буду корисні для бігунів.
Наступна інноваційна технологія - в секторіпланшетів. Використання регенеративного введення на сенсорному екрані цілком може стати кращим способом зарядки цих популярних гаджетів. В середньому (статистично) середня людина натискає на сенсорний екран 1000 разів в день. Цього більш ніж достатньо для живлення планшета.
Наостанок, мабуть, найцікавішийп'єзоелектричний гаджет - душ. Розроблений фінськими, мексиканськими і німецькими інженерами, він містить безліч крихітних нанопроволок. Ці нанопроводи використовують енергію проходить води для виробництва електрики, яке використовується для нагріву води. Пристрій також має сенсорні панелі, які контролюють кількість використаної води і підраховують час, проведений користувачем в душі. Також є регулятор, який контролює тиск води.
Читати далі
Фізики створили аналог чорної діри і підтвердили теорію Хокінга. До чого це призведе?
Вчені виявили міфічну частку Оддерона
Саме таємниче природне явище. Звідки береться кульова блискавка і чим вона небезпечна?
Діелектрик - речовина, щодо поганопроводить електричний струм. Електричні властивості діелектриків визначаються їх здатністю до поляризації в зовнішньому електричному полі. Термін введений в науку англійським фізиком М. Фарадеєм. Концентрація вільних носіїв заряду в діелектрику не перевищує 10⁸ см⁻³.