Piezoelektrični materiali obstajajo že od poznih 80-ih in utirajo pot številnim izumom, ki spreminjajo igre. Vročanje v obliki SANJE v svetovni vojni so ti materiali izumiteljem zdaj padli v oči mistične značilnosti . Brezžična senzorska omrežja , Internet stvari ureja tehnično dobo 21. stoletja. Če želite, da te novosti delujejo, je največji izziv postala poraba energije. Lov na trajnostno, zanesljivo, obnovljiva energija vir povzročil, da so raziskovalci naleteli na močne kombajne - the piezoelektrični materiali . Odpravimo se na pot, da raziščemo te nove dobe kombajni.
Kaj je piezoelektrični material?
Če želite vedeti, kaj a piezoelektrični material je treba vedeti, kaj pomeni izraz piezoelektrični ?. V PIEZOELEKTRIČNOST izraz 'piezo' pomeni pritisk ali stres. Tako piezoelektričnost je opredeljena kot 'Električna energija, ki nastane zaradi mehanskih napetosti ali napetosti', materiali, ki kažejo to lastnost, pa spadajo v kategorijo piezoelektrični materiali . Zasluge za odkritje teh materialov imajo Sir Jacques Curie (1856–1941) in Pierre Curie (1859–1906) . Med eksperimentiranjem z nekaterimi kristalnimi minerali, kot so kremen, trsni sladkor itd., So ugotovili, da uporaba sile ali napetosti na teh materialih ustvarja napetosti nasprotnih polaritet z velikostmi, ki ustrezajo uporabljeni obremenitvi. Ta pojav je bil imenovan Neposredno Piezoefekt .
V naslednjem letu Lippman odkril učinek Converse, ki navaja, da se je eden od teh kristalov, ki ustvarjajo napetost, kadar je bil izpostavljen električnemu polju, podaljšal ali skrajšal glede na polarnost uporabljenega polja. Piezoelektrični materiali so se prepoznali z njihovo vlogo v 1. svetovni vojni, ko so Quartz uporabljali kot resonatorje v programu SONAR. V obdobju 2. svetovne vojne je bil odkrit sintetični piezoelektrični material, ki je kasneje privedel do intenzivnega razvoja Ljubljane piezoelektrične naprave . Pred uporabo piezoelektričnega materiala moramo vedeti, zaradi katerih lastnosti so ti materiali piezoelektrični.
Lastnosti piezoelektričnega materiala in kako deluje?
Skrivnost piezoelektričnih materialov je v njihovi edinstveni atomski strukturi. Piezoelektrični materiali so ionsko vezani in vsebujejo pozitivne in negativne ione v obliki parov, imenovanih enotne celice. Ti materiali so v naravi na voljo kot anizotropni dielektrik s necentrosimetrična kristalna mreža nimajo nobenih prostih električnih nabojev in ioni nimajo središča simetrije.
Neposredni piezoelektrični učinek
Ko se na te materiale uporabi mehanska napetost ali trenje, se geometrija atomske strukture kristala spremeni zaradi neto gibanja pozitivnih in negativnih ionov med seboj, kar povzroči električni dipol ali Polarizacija . Tako se kristal spremeni iz dielektrika v nabit material. Količina ustvarjene napetosti je neposredno sorazmerna s količino napetosti ali napetosti, ki deluje na kristal.
Neposredni piezoelektrični učinek
Converse Piezoelectric Effect
Kdaj elektrika Na te kristale se nanesejo električni dipoli, ki tvorijo dipolno gibanje, ki povzroči deformacijo kristala in tako povzroči piezoelektrični učinek kot je prikazano na sliki.
Converse Piezoelectric Effect
Sintetični piezoelektrični materiali
Umetno piezoelektrični materiali všeč piezoelektrična keramika kažejo spontano polarizacijo (feroelektrična lastnost), tj. dipol obstaja v njihovi strukturi, tudi če ni uporabljeno električno polje. Tu je znesek piezoelektrični učinek močno odvisna od njihove atomske strukture. Dipoli, prisotni v strukturi, tvorijo domene-regije, kjer imajo sosednji dipoli enako poravnavo. Sprva so te domene naključno usmerjene in tako ne povzročajo neto polarizacije.
Kristalna struktura Perovskite zgoraj in pod točko Curie
Z uporabo močnega enosmernega električnega polja na te keramike, ko gredo skozi Curiejevo točko, se domene poravnajo v smeri uporabljenega električnega polja. Ta postopek se imenuje anketa . Po ohladitvi na sobno temperaturo in odstranitvi uporabljenega električnega polja vse domene ohranijo svojo usmerjenost. Po zaključku tega postopka keramika razstavlja piezoelektrični učinek . Naravni obstoječi piezoelektrični materiali, kot je kremen, se ne prikažejo feroelektrično vedenje .
Piezoelektrična enačba
Piezoelektrični učinek lahko opišemo z naslednjim Piezoelektrične sklopitvene enačbe
Neposredni piezoelektrični učinek: S = sE .T + d. E
Konverzni piezoelektrični učinek: D = d.T + εT.E
Kje,
D = vektor električnega premika
T = vektor napetosti
sE = matrika elastičnih koeficientov pri konstantni napetosti električnega polja,
S = vektor deformacije
εT = dielektrična matrica pri stalnih mehanskih obremenitvah
E = vektor električnega polja
d = neposredni ali obratni piezoelektrični učinek
Električno polje, ki deluje v različnih smereh, ustvarja različne količine napetosti v piezoelektričnih materialih. Tako se uporabljajo znakovne konvencije skupaj s koeficienti, da se pozna smer uporabljenega polja. Za določitev smeri se osi 1, 2, 3 uporabljajo analogno X, Y, Z. Poling se vedno uporablja v smeri 3. Koeficient z dvojnimi indeksi povezuje električne in mehanske lastnosti s prvim indeksom, ki opisuje smer električno polje v skladu z napetostjo, ki je uporabljena ali proizvedeno polnjenje. Drugi podpis prikazuje smer mehanskih napetosti.
Elektromehanski koeficient spenjanja se pojavlja v dveh oblikah. Prvi je pogonski izraz d, drugi pa senzor izraz g. Piezoelektrične koeficiente in njihove zapise lahko razložimo z d33
Kje,
d določa, da je obremenitev v 3. smeri.
3 določa, da so elektrode pravokotne na 3. os.
3 določa piezoelektrično konstanto.
Kako deluje piezoelektrični material?
Kot je razloženo zgoraj, lahko piezoelektrični materiali delujejo dva načina :
- Neposredni piezoelektrični učinek
- Konverzni piezoelektrični učinek
Vzemimo primer za vsakega, ki bo razumel uporabo teh načinov.
Generator Heal-Strike z neposrednim piezoelektričnim učinkom:
DARPA je razvil to napravo za opremljanje vojakov s prenosnim generatorjem električne energije. Piezoelektrični material, ki je implantiran v čevlje, doživlja mehanske obremenitve, ko vojak hodi. Zaradi neposrednega piezoelektrična lastnost , material zaradi teh mehanskih obremenitev proizvaja električni naboj. Ta naboj je shranjen v kondenzator ali baterije s katerimi se lahko na poti polnijo njihove elektronske naprave.
Heal Strike Generator
Kvarčni kristalni oscilator v urah z uporabo Converse Piezoelectric Effect
Ure vsebujejo a kremenov kristal . Ko električna energija iz akumulatorja na ta kristal pride skozi vezje, se pojavi obratni piezoelektrični učinek. Zaradi tega učinka ob uporabi električnega naboja začne kristal nihati s frekvenco 32768-krat na sekundo. Mikročip, prisoten v vezju, šteje ta nihanja in generira pravilen impulz na sekundo, ki zavrti druge kazalce ure.
Converse Piezo Effect, uporabljen v urah
Uporaba piezoelektričnih materialov
Zaradi svoje edinstvene značilnosti, piezoelektrični materiali so pridobili pomembno vlogo v različnih tehnoloških izumih.
Uporaba neposrednega piezo učinka
- Na japonskih železniških postajah koncept „ množična kmetija 'Je bil preizkušen tam, kjer lahko stopnice pešcev na piezoelektričnih ploščicah, vgrajenih na cesto, proizvajajo elektriko.
- Leta 2008 nočni klub v Londonu zgradi prvo okolju prijazno nadstropje, sestavljeno iz piezoelektričnega materiala, ki lahko proizvaja elektriko za napajanje žarnic, ko ljudje plešejo na njem.
- Piezoelektrični učinek se uporablja kot mehanski frekvenčni filtri, naprave za površinski zvočni val , naprave za zvočne valove v razsutem stanju itd.
- Zvočni in ultrazvočni mikrofoni in zvočniki, ultrazvočno slikanje , hidrofoni.
- Piezoelektrični pickupi za kitare, biosenzorji za vklop srčnega spodbujevalnika.
- Piezoelektrični elementi se uporabljajo tudi pri zaznavanju in ustvarjanju sonarnih valov, enosmernih in dvoosnih zaznavanje nagiba .
Piezoelektrični učinek s cestnih poti
Uporabe Converse Piezoelectric Effect
- Pogoni in motorji
- Mikro-natančna namestitev in prilagoditve mikro-natančnosti v lečah za mikroskope.
- Igelni gonilnik v tiskalnikih, miniaturni motorji, bimorfni pogoni.
- Večplastni pogoni za fino pozicioniranje v optiki
- Vbrizgovalni sistemi v avtomobilskih ventilih itd.
Piezo električni učinek kot mikro prilagoditev v kameri
S spajanjem električnih in mehanskih polj:
- Za raziskovanje atomistične strukture materialov.
- Spremljanje strukturne celovitosti in odkrivanje napak v zgodnjih fazah v civilnih, industrijskih in letalskih konstrukcijah.
Prednosti in omejitve piezoelektričnih materialov
Prednosti in omejitve piezoelektričnih materialov vključujejo naslednje.
Prednosti
- Piezoelektrični materiali lahko delujejo pri vseh temperaturnih pogojih.
- Imajo nizko ogljični odtis zaradi česar so najboljša alternativa za fosilno gorivo.
- Zaradi lastnosti teh materialov so najboljši kombajni za energijo.
- Neuporabljeno energijo, izgubljeno v obliki vibracij, lahko izkoristimo za ustvarjanje zelene energije.
- Te materiale je mogoče ponovno uporabiti.
Omejitve
- Med delom z vibracijami so te naprave nagnjene tudi k zaznavanju neželenih vibracij.
- Odpornost in trajnost veljata za naprave, kadar se uporabljata za odvajanje energije s pločnikov in cest.
- Neujemanje med togostjo piezoelektričnega materiala in materiala za pločnik.
- Manj znane podrobnosti o teh napravah in obseg opravljenih raziskav do danes ne zadostujejo za popolno uporabo teh naprav.
Kot rečeno 'Nujnost je mati izuma', je naša potreba po hitrem in nizkoogljičnem odtisu naprave za pridobivanje energije prinesla piezoelektrični materiali spet v središču pozornosti. Kako lahko ti materiali premagajo svoje omejitve? Ali se premikamo v prihodnost, kjer bi se, namesto da bi skrbeli za količino porabljenega goriva za potovanje, spraševali le o količini energije, ki jo ustvari naš avto? Kaj misliš? Tukaj je vprašanje za vas, kateri je najboljši piezoelektrični material?
