Materiały piezoelektryczne istnieją od późnych lat 80-tych i utorowały drogę dla wielu przełomowych wynalazków. Doręczanie w formie MARZENIE podczas wojny światowej materiały te przyciągnęły wzrok wynalazców mistyczne cechy . Bezprzewodowe sieci sensorowe , Internet przedmiotów rządzi techniczną erą XXI wieku. Aby te nowości działały nieprzerwanie, największym wyzwaniem stało się zapotrzebowanie na moc. Poluj na zrównoważony, niezawodny, energia odnawialna źródło spowodował, że naukowcy natknęli się na pionierskie kombajny - the materiały piezoelektryczne . Wyruszmy w podróż, aby poznać nową erę kombajny zbożowe.
Co to jest materiał piezoelektryczny?
Aby wiedzieć, co materiał piezoelektryczny czy trzeba wiedzieć, co oznacza termin piezoelektryczny? W PIEZOELEKTRYCZNOŚĆ termin „piezo” oznacza ciśnienie lub stres. A zatem piezoelektryczność jest zdefiniowana jako „Energia elektryczna wytwarzana przez zastosowanie naprężeń mechanicznych lub rozciągania”, a materiały, które wykazują tę właściwość, należą do kategorii materiały piezoelektryczne . To zasługa odkrycia tych materiałów Sir Jacques Curie (1856–1941) i Pierre Curie (1859–1906) . Podczas eksperymentów z niektórymi minerałami krystalicznymi, takimi jak kwarc, cukier trzcinowy itp., Odkryli, że przyłożenie siły lub napięcia do tych materiałów generuje napięcia o przeciwnych polaryzacjach o wielkościach proporcjonalnych do przyłożonego obciążenia. Zjawisko to zostało nazwane Bezpośredni Efekt piezoelektryczny .
W następnym roku Lippman odkryli efekt Converse, stwierdzający, że jeden z tych kryształów generujących napięcie, po wystawieniu na działanie pola elektrycznego, wydłużał się lub skracał zgodnie z biegunowością przyłożonego pola. Materiały piezoelektryczne zyskały uznanie dzięki ich roli w I wojnie światowej, kiedy kwarc był używany jako rezonatory w SONAR. W okresie II wojny światowej odkryto syntetyczny materiał piezoelektryczny, co później doprowadziło do intensywnego rozwoju urządzenia piezoelektryczne . Przed użyciem materiału piezoelektrycznego należy wiedzieć, jakie cechy sprawiają, że materiały te są piezoelektryczne.
Właściwości materiału piezoelektrycznego i jak to działa?
Sekret materiałów piezoelektrycznych tkwi w ich unikalnej strukturze atomowej. Materiały piezoelektryczne są połączone jonowo i zawierają jony dodatnie i ujemne w postaci par zwanych komórkami elementarnymi. Materiały te są dostępne w naturze jako anizotropowy dielektryk z niecentrosymetryczna sieć krystaliczna tj. nie mają żadnych wolnych ładunków elektrycznych, a jony nie mają środka symetrii.
Bezpośredni efekt piezoelektryczny
Kiedy na te materiały przykłada się naprężenie mechaniczne lub tarcie, geometria struktury atomowej kryształu zmienia się w wyniku ruchu netto jonów dodatnich i ujemnych względem siebie, powodując Dipole elektryczne lub Polaryzacja . W ten sposób kryształ zmienia się z dielektryka w naładowany materiał. Ilość generowanego napięcia jest wprost proporcjonalna do wielkości naprężenia lub napięcia przyłożonego do kryształu.
Bezpośredni efekt piezoelektryczny
Converse Piezoelectric Effect
Gdy Elektryczność przyłożona do tych kryształów pojawiają się elektryczne dipole, tworząc ruch dipolowy, który powoduje deformację kryształu, powodując tym samym odwrotność efekt piezoelektryczny jak pokazano na rysunku.
Converse Piezoelectric Effect
Syntetyczne materiały piezoelektryczne
Stworzone przez człowieka materiały piezoelektryczne lubić ceramika piezoelektryczna wykazują spontaniczną polaryzację (właściwość ferroelektryczna), tzn. dipol występuje w ich strukturze nawet wtedy, gdy nie jest przyłożone pole elektryczne. Tutaj kwota efekt piezoelektryczny produkowane silnie zależy od ich struktury atomowej. Dipole obecne w strukturze tworzą domeny-regiony, w których sąsiednie dipole mają takie samo ustawienie. Początkowo domeny te są zorientowane losowo, co powoduje brak polaryzacji sieci.
Struktura kryształów perowskitu powyżej i poniżej punktu Curie
Poprzez przyłożenie silnego pola elektrycznego prądu stałego do tej ceramiki, kiedy przechodzą przez punkt Curie, domeny są wyrównane w kierunku przyłożonego pola elektrycznego. Ten proces nazywa się głosowanie . Po schłodzeniu do temperatury pokojowej i usunięciu przyłożonego pola elektrycznego wszystkie domeny zachowują swoją orientację. Po zakończeniu tego procesu ceramika eksponuje efekt piezoelektryczny . Naturalne istniejące materiały piezoelektryczne, takie jak kwarc, nie wyświetlają się zachowanie ferroelektryczne .
Równanie piezoelektryczne
Efekt piezoelektryczny można opisać następująco Równania sprzężenia piezoelektrycznego
Bezpośredni efekt piezoelektryczny: S = sE .T + d. mi
Converse efekt piezoelektryczny: D = d.T + εT.E
Gdzie,
D = wektor przemieszczenia elektrycznego
T = wektor naprężeń
sE = macierz współczynników sprężystości przy stałym natężeniu pola elektrycznego,
S = wektor odkształcenia
εT = matryca dielektryczna przy stałym odkształceniu mechanicznym
E = wektor pola elektrycznego
d = bezpośredni lub odwrotny efekt piezoelektryczny
Pole elektryczne przyłożone w różnych kierunkach generuje różne naprężenia w materiałach piezoelektrycznych. Tak więc konwencje znakowe są używane wraz ze współczynnikami, aby poznać kierunek zastosowanego pola. Do wyznaczenia kierunku służą osie 1, 2, 3 analogicznie do X, Y, Z. Biegunowanie jest zawsze stosowane w kierunku 3. Współczynnik z podwójnymi indeksami odnosi się do charakterystyk elektrycznych i mechanicznych, a pierwszy indeks dolny opisuje kierunek pole elektryczne zgodnie z przyłożonym napięciem lub wytworzonym ładunkiem. Drugi indeks dolny podaje kierunek naprężeń mechanicznych.
Współczynnik sprzężenia elektromechanicznego występuje w dwóch postaciach. Pierwszy to termin aktywacji d, a drugi to czujnik termin g. Współczynniki piezoelektryczne wraz z ich zapisami można wyjaśnić za pomocą d33
Gdzie,
d określa zastosowane naprężenie w trzecim kierunku.
3 określa, że elektrody są prostopadłe do trzeciej osi.
3 określa stałą piezoelektryczną.
Jak działa materiał piezoelektryczny?
Jak wyjaśniono powyżej, mogą pracować materiały piezoelektryczne dwa tryby :
- Bezpośredni efekt piezoelektryczny
- Converse efekt piezoelektryczny
Weźmy przykład dla każdego, aby zrozumieć zastosowanie tych trybów.
Generator Heal-Strike wykorzystujący bezpośredni efekt piezoelektryczny:
DARPA opracował to urządzenie, aby wyposażyć żołnierzy w przenośny generator prądu. Materiał piezoelektryczny wszczepiony do butów podlega naprężeniom mechanicznym, gdy żołnierz chodzi. Z powodu bezpośredniego własność piezoelektryczna materiał wytwarza ładunek elektryczny w wyniku tego mechanicznego naprężenia. Ta opłata jest przechowywana w kondensator lub baterie które dzięki temu mogą być używane do ładowania ich urządzeń elektronicznych w podróży.
Generator Uderzeń Leczenia
Oscylator kwarcowy w zegarkach wykorzystujących efekt piezoelektryczny Converse
Zegarki zawierają kryształ kwarcu . Kiedy energia elektryczna z baterii jest doprowadzana do tego kryształu przez obwód, następuje odwrotny efekt piezoelektryczny. W wyniku tego efektu po przyłożeniu ładunku elektrycznego kryształ zaczyna oscylować z częstotliwością 32768 razy na sekundę. Mikrochip obecny w obwodzie zlicza te oscylacje i generuje regularny impuls na sekundę, który obraca drugą wskazówką zegarka.
Efekt Converse Piezo stosowany w zegarkach
Zastosowania materiałów piezoelektrycznych
Ze względu na swój wyjątkowy charakterystyka, materiały piezoelektryczne odegrały ważną rolę w różnych wynalazkach technologicznych.
Użycie bezpośredniego efektu piezo
- Na japońskich dworcach kolejowych pojęcie „ farma tłumu ”Została przetestowana, w której ślady pieszych na płytkach piezoelektrycznych osadzonych na drodze mogą generować prąd.
- W 2008 roku klub nocny w Londynie buduje pierwszą ekologiczną podłogę wykonaną z materiału piezoelektrycznego, który może wytwarzać energię elektryczną do zasilania żarówek, gdy ludzie na niej tańczą.
- Efekt piezoelektryczny znajduje przydatne zastosowanie jako mechaniczne filtry częstotliwości, urządzenia wykorzystujące powierzchniowe fale akustyczne , zbiorcze urządzenia wykorzystujące fale akustyczne itp.
- Mikrofony i głośniki dźwiękowe i ultradźwiękowe, obrazowanie ultradźwiękowe , hydrofony.
- Przetworniki piezoelektryczne do gitar, biosensory do zasilania rozrusznika.
- Elementy piezoelektryczne są również wykorzystywane do wykrywania i generowania fal sonarowych jednoosiowych i dwuosiowych wykrywanie pochylenia .
Efekt piezoelektryczny z dróg
Zastosowania Converse Piezoelectric Effect
- Siłowniki i Motoryzacja
- Mikroprecyzyjne umieszczanie i mikroprecyzyjna regulacja soczewek do mikroskopów.
- Sterownik igłowy w drukarkach, silniki zminiaturyzowane, napędy bimorficzne.
- Wielowarstwowe siłowniki do precyzyjnego pozycjonowania w optyce
- Układy wtryskowe w samochodowych zaworach paliwowych itp.…
Efekt piezoelektryczny jako mikro regulacja w aparacie
Poprzez połączenie pól elektrycznych i mechanicznych:
- Do badania atomistycznej budowy materiałów.
- Monitorowanie integralności strukturalnej i wykrywanie usterek na wczesnych etapach w konstrukcjach cywilnych, przemysłowych i lotniczych.
Zalety i ograniczenia materiałów piezoelektrycznych
Zalety i ograniczenia materiałów piezoelektrycznych są następujące.
Zalety
- Materiały piezoelektryczne mogą pracować w każdych warunkach temperaturowych.
- Mają niskie ślad węglowy co czyni je najlepszą alternatywą dla paliw kopalnych.
- Charakterystyka tych materiałów czyni je najlepszymi kombajnami energii.
- Niewykorzystana energia utracona w postaci wibracji może zostać wykorzystana do wytworzenia zielonej energii.
- Materiały te można ponownie wykorzystać.
Ograniczenia
- Podczas pracy z wibracjami urządzenia te są również podatne na odbieranie niepożądanych wibracji.
- Opór i trwałość nakładają ograniczenia na urządzenia używane do pobierania energii z chodników i dróg.
- Niedopasowanie sztywności materiału piezoelektrycznego i materiału nawierzchni.
- Mniej znane szczegóły tych urządzeń oraz ilość badań przeprowadzonych do tej pory nie są wystarczające do pełnego wykorzystania tych urządzeń.
Jak mówi się „Potrzeba matką wynalazku”, nasza potrzeba stworzenia bezproblemowego, niskowęglowego urządzenia do zbierania energii przyniosła materiały piezoelektryczne ponownie w centrum uwagi. Jak te materiały mogą przezwyciężyć swoje ograniczenia? Czy zmierzamy w stronę przyszłości, w której zamiast martwić się ilością paliwa zużywanego na podróż, zastanawialiśmy się tylko nad ilością mocy generowanej przez nasz samochód? Co myślisz? Oto pytanie do Ciebie, jaki jest najlepszy materiał piezoelektryczny?
