Пиезоелектрични материјали постоје од касних 80-их и отворили су пут многим изумима који мењају игре. Служење у облику САН у светском рату ови материјали су сада запели за око проналазачима мистичне карактеристике . Бежичне сензорске мреже , Интернет Ствари влада техничком ером 21. века. Да би ове новине биле активне, највећи је изазов постао потреба за снагом. Лов на одрживог, поузданог, обновљива енергија извор је натерало истраживаче да наиђу на заслепљујуће комбајне - тхе пиезоелектрични материјали . Кренимо на путовање да истражимо ово ново доба комбајни.
Шта је пиезоелектрични материјал?
Да бих знао шта а пиезоелектрични материјал да ли треба знати шта значи појам пиезоелектрични ?. У ПИЕЗОЕЛЕКТРИЧНОСТ израз „пиезо“ означава притисак или стрес. Тако пиезоелектричност се дефинише као „Електрична енергија генерисана применом механичког напрезања или напетости“, а материјали који показују ово својство спадају у категорију пиезоелектрични материјали . Заслуге за откриће ових материјала припадају Сир Јацкуес Цурие (1856–1941) и Пјер Кири (1859–1906) . Током експериментисања са одређеним кристалним минералима попут кварца, шећера од трске итд., Открили су да је примена силе или напетости на овим материјалима генерисала напоне супротних поларитета, величине пропозициониране оптерећењу. Ова појава је названа као Директан Пиезоеффецт .
Следеће године, Липпман открио је обрнути ефекат наводећи да се један од ових кристала који стварају напон, када су изложени електричном пољу, продужио или скратио у складу са поларитетом примењеног поља. Пиезоелектрични материјали препознали су се њиховом улогом у Првом светском рату када је кварц коришћен као резонатор у СОНАР-у. Током периода Другог светског рата откривен је синтетички пиезоелектрични материјал, што је касније довело до интензивног развоја пиезоелектрични уређаји . Пре употребе пиезоелектричног материјала мора се знати које карактеристике чине ове материјале пиезоелектричним.
Својства пиезоелектричног материјала и како он функционише?
Тајна пиезоелектричних материјала лежи у њиховој јединственој атомској структури. Пиезоелектрични материјали су јонски везани и садрже позитивне и негативне јоне у облику парова који се називају јединичне ћелије. Ови материјали су у природи доступни као анизотропни диелектрик са нецентросиметрична кристална решетка тј. немају никаквих слободних електричних наелектрисања, а јони немају центар симетрије.
Директни пиезоелектрични ефекат
Када се на ове материјале примени механичко напрезање или трење, геометрија атомске структуре кристала се мења услед међусобног кретања позитивних и негативних јона у односу једни на друге, што резултира електрични дипол или Поларизација . Тако кристал прелази из диелектрика у наелектрисани материјал. Количина генерисаног напона је директно пропорционална количини напрезања или напетости која се примењује на кристал.
Директни пиезоелектрични ефекат
Цонверсе Пиезоелецтриц Еффецт
Када електрична енергија примењује се на ове кристале појављују се електрични диполи, формирајући диполно кретање које узрокује деформацију кристала, што доводи до конверзије пиезоелектрични ефекат као што је приказано на слици.
Цонверсе Пиезоелецтриц Еффецт
Синтетички пиезоелектрични материјали
Манмаде пиезоелектрични материјали као пиезоелектрична керамика показују спонтану поларизацију (фероелектрично својство) тј. дипол постоји у њиховој структури чак и када се не примењује електрично поље. Овде је износ од пиезоелектрични ефекат произведени снажно зависе од њихове атомске структуре. Диполи присутни у структури чине домене-регионе где суседни диполи имају исто поравнање. У почетку су ови домени насумично оријентисани и не узрокују поларизацију мреже.
Кристална структура перовскита изнад и испод Цурие тачке
Применом јаког једносмерног електричног поља на ову керамику када пролазе кроз њихову Цурие тачку домени се поравнају у смеру примењеног електричног поља. Овај процес се назива анкета . Након хлађења на собну температуру и уклањања примењеног електричног поља, сви домени задржавају оријентацију. По завршетку овог процеса, керамика излаже пиезоелектрични ефекат . Природни постојећи пиезоелектрични материјали попут кварца се не приказују фероелектрично понашање .
Пиезоелектрична једначина
Пиезоелектрични ефекат се може описати на следећи начин Једначине пиезоелектричне спреге
Директни пиезоелектрични ефекат: С = сЕ .Т + д. Е.
Конверзни пиезоелектрични ефекат: Д = д.Т + εТ.Е
Где,
Д = вектор електричног померања
Т = вектор напона
сЕ = матрица еластичних коефицијената при константној јачини електричног поља,
С = вектор напрезања
εТ = диелектрична матрица при константном механичком напрезању
Е = вектор електричног поља
д = директни или обратни пиезоелектрични ефекат
Електрично поље примењено у различитим правцима ствара различите количине напона у пиезоелектричним материјалима. Дакле, конвенционални знакови се користе заједно са коефицијентима да би се знао смер примењеног поља. Да би се одредио правац, осе 1, 2, 3 се користе аналогно Кс, И, З. Полирање се увек примењује у смеру 3. Коефицијент са двоструким индексима односи се на електричне и механичке карактеристике са првим индексом који описује смер правца електрично поље у складу са напоном примењеним или произведеним набојем. Други индекс даје правац механичког напрезања.
Електромеханички коефицијент спреге јавља се у два облика. Први је термин активирања д, а други је сензор термин г. Пиезоелектрични коефицијенти заједно са њиховим ознакама могу се објаснити са д33
Где,
д наводи да је примењено напрезање у 3. смеру.
3 наводи да су електроде окомите на 3. осу.
3 одређује пиезоелектричну константу.
Како дјелује пиезоелектрични материјал?
Као што је горе објашњено, пиезоелектрични материјали могу радити два начина :
- Директни пиезоелектрични ефекат
- Конверзни пиезоелектрични ефекат
Узмимо пример за свако како би разумели примену ових начина.
Хеал-Стрике Генератор помоћу директног пиезоелектричног ефекта:
ДАРПА је развио овај уређај за опремање војника преносним генератором електричне енергије. Пиезоелектрични материјал уграђен у ципеле доживљава механички стрес када војник хода. Због директних пиезоелектрично својство , материјал производи електрични набој због овог механичког напрезања. Ова наплата се чува у кондензатор или батерије који се на тај начин могу користити за пуњење њихових електронских уређаја у покрету.
Хеал Стрике Генератор
Кварцни кристални осцилатор у сатовима који користи Цонверсе Пиезоелецтриц Еффецт
Сатови садрже а кварцни кристал . Када се електрична енергија из батерије примени на овај кристал кроз коло, јавља се обрнути пиезоелектрични ефекат. Због овог ефекта при примени електричног наелектрисања кристал почиње да осцилира фреквенцијом од 32768 пута у секунди. Микрочип присутан у колу броји ове осцилације и генерише редовни импулс у секунди који окреће друге казаљке сата.
Цонверсе Пиезо ефекат који се користи у сатовима
Употреба пиезоелектричних материјала
Због своје јединствене карактеристике, пиезоелектрични материјали стекли су важну улогу у разним технолошким проналасцима.
Употреба директног пиезо ефекта
- На јапанским железничким станицама концепт „ гомила фарме “Је тестиран тамо где кораци пешака на пиезоелектричним плочицама уграђеним на путу могу да генеришу електричну енергију.
- 2008. ноћни клуб у Лондону гради први еколошки под који се састоји од пиезоелектричног материјала који може да произведе електричну енергију за покретање сијалица када људи плешу на њему.
- Пиезоелектрични ефекат налази корисну примену као механички филтри фреквенције, уређаји за површински акустични талас , уређаји за акустичне таласе, итд ...
- Звучни и ултразвучни микрофони и звучници, ултразвучно сликање , хидрофони.
- Пиезоелектрични пицкупи за гитаре, биосензори за укључивање пејсмејкера.
- Пиезоелектрични елементи се такође користе у откривању и стварању сонарних таласа, једноосних и двоосних сензор нагиба .
Пиезоелектрични ефекат са путева
Употребе Цонверсе Пиезоелецтриц Еффецт
- Актуатори и мотори
- Постављање микро-прецизности и подешавања микро-прецизности у сочивима за микроскопе.
- Игле драјвер у штампачима, минијатурни мотори, биморфни актуатори.
- Вишеслојни актуатори за фино позиционирање у оптици
- Системи убризгавања у вентиле за аутомобилско гориво итд ...
Пиезо електрични ефекат као микро подешавање у камери
Спајањем електричних и механичких поља:
- За испитивање атомистичке структуре материјала.
- Да надгледа структурни интегритет и открива кварове у раним фазама у цивилним, индустријским и ваздухопловним структурама.
Предности и ограничења пиезоелектричних материјала
Предности и ограничења пиезоелектричних материјала укључују следеће.
Предности
- Пиезоелектрични материјали могу радити у било којим температурним условима.
- Имају ниске емисија угљен-диоксида и осталих компоненти базираних на угљенику што их чини најбољом алтернативом за фосилно гориво.
- Карактеристике ових материјала чине их најбољим берачима енергије.
- Неискоришћена енергија изгубљена у облику вибрација може се искористити за стварање зелене енергије.
- Ови материјали се могу поново користити.
Ограничења
- Док раде са вибрацијама, ови уређаји су склони и хватању нежељених вибрација.
- Отпор и трајност примењују ограничења на уређаје када се користе за избацивање енергије са колника и путева.
- Неусклађеност крутости пиезоелектричног материјала и коловозног материјала.
- Мање познати детаљи ових уређаја и обим истраживања обављених до данас нису довољни да би се искористила пуна употреба ових уређаја.
Као што се каже „Нужност је мајка изума“, наша потреба за без ужурбаности уређајем за сакупљање енергије са ниским угљеником пиезоелектрични материјали поново у центар пажње. Како ови материјали могу превазићи своја ограничења? Да ли се крећемо ка будућности у којој бисмо се, уместо да бринемо о количини горива која се троши за путовање, питали само о количини енергије коју је произвео наш аутомобил? Шта мислиш? Ево питања за вас, који је најбољи пиезоелектрични материјал?
