Piezoelektriske materialer har eksisteret siden slutningen af 80'erne og banet vej for mange spilændrende opfindelser. Servering i form af DRØM i verdenskrig har disse materialer nu fanget opfindernes øjne for deres mystiske egenskaber . Trådløse sensornetværk , Tingenes internet styrer den tekniske æra i det 21. århundrede. For at holde disse nyheder i gang er strømbehov blevet den største udfordring. Jagt på en bæredygtig, pålidelig, vedvarende energi kilde fik forskere til at snuble over banebrydende kraftoptagere - piezoelektriske materialer . Lad os tage på en rejse for at udforske denne nye tidsalder høstmaskiner.
Hvad er piezoelektrisk materiale?
At vide hvad en piezoelektrisk materiale er man nødt til at vide, hvad betyder udtrykket piezoelektrisk ?. I PIEZOELECTRICITY udtrykket ”piezo” står for tryk eller stress. Dermed piezoelektricitet er defineret som 'Elektricitet genereret ved anvendelse af mekanisk spænding eller spænding', og de materialer, der udviser denne egenskab, hører under kategorien piezoelektriske materialer . Kreditten for opdagelsen af disse materialer går til Sir Jacques Curie (1856–1941) og Pierre Curie (1859-1906) . Mens man eksperimenterede med visse krystallinske mineraler som kvarts, rørsukker osv ... fandt de, at anvendelse af kraft eller spænding på disse materialer genererede spændinger med modsatte polariteter med størrelser, der var propositionelle for den påførte belastning. Dette fænomen blev navngivet som Direkte Piezoeffekt .
I det følgende år Lippman opdagede den omvendte effekt om, at en af disse spændingsgenererende krystaller, når de blev udsat for et elektrisk felt, blev forlænget eller forkortet i henhold til polariteten på det anvendte felt. Piezoelektriske materialer kom til anerkendelse med deres rolle i WW1, da kvarts blev brugt som resonatorer i SONAR. I løbet af WW2 blev syntetisk piezoelektrisk materiale opdaget, hvilket senere førte til den intense udvikling af piezoelektriske enheder . Før man bruger et piezoelektrisk materiale, skal man vide, hvilke egenskaber der gør disse materialer piezoelektriske.
Egenskaber ved piezoelektrisk materiale, og hvordan fungerer det?
Hemmeligheden bag piezoelektriske materialer ligger i deres unikke atomstruktur. Piezoelektriske materialer er ionbundet og indeholder positive og negative ioner i form af par kaldet enhedsceller. Disse materialer er tilgængelige i naturen som et anisotropisk dielektrikum med ikke-centrosymmetrisk krystalgitter dvs. de har ingen gratis elektriske ladninger, og ionerne mangler et symmetricenter.
Direkte piezoelektrisk effekt
Når der påføres mekanisk spænding eller friktion på disse materialer, ændres geometrien af krystalens atomare struktur på grund af nettobevægelse af positive og negative ioner i forhold til hinanden, hvilket resulterer i elektrisk dipol eller Polarisering . Således skifter krystallen fra et dielektrikum til et ladet materiale. Mængden af genereret spænding er direkte proportional med mængden af stress eller spænding, der påføres krystallen.
Direkte piezoelektrisk effekt
Omvendt piezoelektrisk effekt
Hvornår elektricitet påføres på disse krystaller, vises elektriske dipoler, der danner dipolbevægelsen, der forårsager deformation af krystallen, hvilket giver anledning til samtale piezoelektrisk effekt som vist i figuren.
Omvendt piezoelektrisk effekt
Syntetiske piezoelektriske materialer
Menneskeskabte piezoelektriske materialer synes godt om piezoelektrisk keramik udviser spontan polarisering (ferroelektrisk egenskab), dvs. dipol findes i deres struktur, selv når der ikke anvendes noget elektrisk felt. Her er mængden af piezoelektrisk effekt produceret afhænger stærkt af deres atomstruktur. De dipoler, der er til stede i strukturen, danner domæneregioner, hvor de nærliggende dipoler har samme justering. Oprindeligt er disse domæner tilfældigt orienteret og forårsager således ingen nettopolarisering.
Perovskite krystalstruktur over og under Curie Point
Ved at anvende et stærkt jævnstrømsfelt på disse keramikker, når de passerer gennem deres Curie-punkt, bliver domænerne justeret i retning af det anvendte elektriske felt. Denne proces kaldes afstemning . Efter afkøling til stuetemperatur og fjernelse af det anvendte elektriske felt opretholder alle domæner deres orientering. Efter afslutningen af denne proces udstiller keramikken den piezoelektriske effekt . Naturlige eksisterende piezoelektriske materialer som kvarts vises ikke ferroelektrisk adfærd .
Piezoelektrisk ligning
Piezoelektrisk effekt kan beskrives med det følgende Piezoelektriske koblingsligninger
Direkte piezoelektrisk effekt: S = sE. T + d. E
Omvendt piezoelektrisk effekt: D = d.T + εT.E
Hvor,
D = elektrisk forskydningsvektor
T = stressvektoren
sE = matrix af elastiske koefficienter ved konstant elektrisk feltstyrke,
S = stammevektor
εT = dielektrisk matrix ved konstant mekanisk belastning
E = elektrisk feltvektor
d = direkte eller omvendt piezoelektrisk effekt
Det elektriske felt, der påføres i forskellige retninger, genererer forskellige mængder stress i piezoelektriske materialer. Så tegnkonventioner bruges sammen med koefficienter til at kende retningen på det anvendte felt. For at bestemme retningen anvendes akser 1, 2, 3 analogt med X, Y, Z. Poling anvendes altid i retning af 3. Koefficienten med dobbelt abonnement vedrører elektriske og mekaniske egenskaber med det første abonnement, der beskriver retningen af elektrisk felt i overensstemmelse med den spænding, der tilføres eller produceres. Det andet abonnement giver retningen af mekanisk spænding.
Elektromekanisk koblingskoefficient forekommer i to former. Den første er aktiveringsbetegnelsen d, og den anden er sensoren sigt g. De piezoelektriske koefficienter sammen med deres notationer kan forklares med d33
Hvor,
d angiver anvendt spænding er i 3. retning.
3 angiver, at elektroder er vinkelrette på 3. akse.
3 angiver piezoelektrisk konstant.
Hvordan fungerer piezoelektrisk materiale?
Som forklaret ovenfor kan piezoelektriske materialer arbejde i to tilstande :
- Den direkte piezoelektriske effekt
- Omvendt piezoelektrisk effekt
Lad os tage et eksempel for hver for at forstå anvendelsen af disse tilstande.
Heal-Strike Generator ved hjælp af direkte piezoelektrisk effekt:
DARPA har udviklet denne enhed til at udstyre soldater med en bærbar strømgenerator. Det piezoelektriske materiale, der er implanteret i skoene, oplever mekanisk stress, når soldaten går. På grund af direkte piezoelektrisk ejendom , producerer materialet elektrisk ladning på grund af denne mekaniske belastning. Denne afgift er gemt i kondensatoren eller batterier som derved kan bruges til at oplade deres elektroniske enheder på farten.
Heal Strike Generator
Quartz Crystal Oscillator i ure ved hjælp af Converse Piezoelectric Effect
Ure indeholder en kvarts krystal . Når der tilføres strøm fra batteriet til denne krystal gennem et kredsløb, opstår der en piezoelektrisk effekt. På grund af denne effekt ved anvendelse af elektrisk ladning begynder krystallen at svinge med en frekvens på 32768 gange pr. Sekund. Mikrochippen til stede i kredsløbet tæller disse svingninger og genererer en regelmæssig puls pr. Sekund, der drejer urets anden hænder.
Converse Piezo-effekt brugt i ure
Anvendelse af piezoelektriske materialer
På grund af dets unikke egenskaber, piezoelektriske materialer har fået en vigtig rolle i forskellige teknologiske opfindelser.
Brug af direkte Piezo-effekt
- I Japans togstationer begrebet ' crowd gård ”Blev testet, hvor fodgængernes fodspor på de piezoelektriske fliser indlejret på vejen kan generere elektricitet.
- I 2008 bygger en natklub i London det første miljøvenlige gulv bestående af piezoelektrisk materiale, der kan generere elektricitet til at tænde lyspærer, når folk danser på det.
- Piezoelektrisk effekt finder anvendelse som mekaniske frekvensfiltre, overflade akustiske bølgeenheder , akustiske bølgeformede enheder osv.…
- Lyd og ultralyd mikrofoner og højttalere, ultralydsbilleddannelse , hydrofoner.
- Piezoelektriske pickupper til guitarer, biosensorer at tænde for pacemaker.
- Piezoelektriske elementer bruges også til påvisning og generering af ekkolodsbølger, enkeltakse og dobbeltakse tilt sensing .
Piezoelektrisk effekt fra vejveje
Anvendelse af omvendt piezoelektrisk effekt
- Aktuatorer og motorer
- Placering af mikropræcision og justering af mikropræcision i objektiver til mikroskoper.
- Nåledriver i printere, miniaturiserede motorer, bimorfe aktuatorer.
- Flerlags aktuatorer til fin positionering i optik
- Injektionssystemer i brændstofventiler til biler osv ...
Piezo elektrisk effekt som mikrojustering i kameraet
Ved sammenkobling af elektriske og mekaniske felter:
- Til undersøgelse af materialernes atomistiske struktur.
- At overvåge strukturel integritet og opdage fejl på tidlige stadier i civile, industrielle og luftfartsstrukturer.
Fordele og begrænsninger af piezoelektriske materialer
Fordelene og begrænsningerne ved piezoelektriske materialer inkluderer følgende.
Fordele
- Piezoelektriske materialer kan fungere under alle temperaturforhold.
- De har lave carbonspor hvilket gør dem til det bedste alternativ til fossilt brændsel.
- Disse materialers egenskaber gør dem til de bedste energihøstere.
- Ubrugt energi tabt i form af vibrationer kan tappes for at generere grøn energi.
- Disse materialer kan genbruges.
Begrænsninger
- Mens du arbejder med vibrationer, er disse enheder også tilbøjelige til at opfange uønskede vibrationer.
- Modstand og holdbarhed gælder grænser for enheder, når de bruges til at tappe energi fra fortove og veje.
- Misforholdet mellem stivhed af piezoelektrisk materiale og fortovsmateriale.
- Mindre kendte detaljer om disse enheder og mængden af forskning, der er foretaget indtil dato, er ikke tilstrækkelige til at udnytte fuld brug af disse enheder.
Som det siges 'Nødvendighed er opfindelsens moder', har vores nødvendighed af en trængselfri høstindretning med lavt kulstofindhold energi bragt piezoelektriske materialer ind i rampelyset igen. Hvordan kan disse materialer overvinde deres begrænsninger? Bevæger vi os mod en fremtid, hvor vi i stedet for at bekymre os om mængden af brændstof, der bruges op til at rejse, kun undrer sig over mængden af kraft, vores bil genererede? Hvad synes du? Her er et spørgsmål til dig, hvad er det bedste piezoelektriske materiale?
