Piesoelektrilised materjalid on olnud olemas juba 80ndate lõpust ja sillutanud teed paljudele mängu muutvatele leiutistele. Serveeritakse kujul UNISTUS maailmasõjas on need materjalid nüüd leiutajatele silma hakanud müstilised omadused . Traadita andurite võrgud , Asjade Internet valitseb 21. sajandi tehniline ajastu. Nende uuenduste üleval hoidmiseks on suurimaks väljakutseks saanud võimsuse vajadus. Jaht jätkusuutliku, usaldusväärse, taastuv energia allikas põhjustas teadlaste komistamise teerajajate jõuallikatega - piesoelektrilised materjalid . Alustame reisi, et neid uusi ajastu uurida võimsuskombainid.
Mis on piesoelektriline materjal?
Et teada saada, mida a piesoelektriline materjal kas peab teadma, mida tähendab termin piesoelektriline? Sisse PIEZOELEKTRILISUS termin piezo tähistab survet või pinget. Seega piesoelektrilisus on määratletud kui 'mehaanilise pinge või pinge mõjul tekkiv elekter' ja selle omadusega materjalid kuuluvad kategooriasse piesoelektrilised materjalid . Nende materjalide avastamise au kuulub Sir Jacques Curie (1856–1941) ja Pierre Curie (1859–1906) . Teatud kristalsete mineraalidega nagu kvarts, roosuhkur jms katsetades leidsid nad, et jõu või pinge rakendamine nendele materjalidele tekitas vastupidise polaarsusega pingeid, mille suurus oleks proportsionaalne rakendatud koormusele. Seda nähtust nimetati Otsene Piesoefekt .
Järgmisel aastal Lippman avastas Converse-efekti, öeldes, et üks nendest pinget genereerivatest kristallidest, kui see puutub kokku elektriväljaga, pikeneb või lüheneb vastavalt rakendatava välja polaarsusele. Piesoelektrilised materjalid tunnustati oma rolliga I maailmasõjas, kui kvartsi kasutati SONARis resonaatoritena. Teise maailmasõja perioodil avastati sünteetiline piesoelektriline materjal, mis viis hiljem piesoelektrilised seadmed . Enne piesoelektrilise materjali kasutamist peate teadma, millised omadused muudavad need materjalid piesoelektriliseks.
Piesoelektrilise materjali omadused ja kuidas see töötab?
Piesoelektriliste materjalide saladus peitub nende ainulaadses aatomi struktuuris. Piesoelektrilised materjalid on iooniliselt seotud ja sisaldavad positiivseid ja negatiivseid ioone paaridena, mida nimetatakse ühikrakkudeks. Need materjalid on looduses saadaval kui anisotroopne dielektrik koos mitte-tsentrosümmeetriline kristallvõre st neil pole ühtegi vaba elektrilaengut ja ioonidel puudub sümmeetriakeskus.
Otsene piesoelektriline efekt
Nendele materjalidele mehaanilise pinge või hõõrdumise korral muutub kristalli aatomi struktuuri geomeetria positiivsete ja negatiivsete ioonide netoliikumise tõttu üksteise suhtes, mille tulemuseks on elektriline dipool või Polarisatsioon . Seega muutub kristall dielektrikust laetud materjaliks. Tekitatud pinge suurus on otseselt proportsionaalne kristallile rakendatava pinge või pinge suurusega.
Otsene piesoelektriline efekt
Konverteerige piesoelektriline efekt
Millal elekter Nendele kristallidele kantakse elektrilisi dipoole, mis moodustavad dipooli liikumise, mis põhjustab kristalli deformatsiooni, põhjustades seega vestlust piesoelektriline efekt nagu joonisel näidatud.
Konverteerige piesoelektriline efekt
Sünteetilised piesoelektrilised materjalid
Tehtud piesoelektrilised materjalid meeldib piesoelektriline keraamika ilmneb spontaanne polarisatsioon (ferroelektriline omadus), st nende struktuuris on dipool olemas ka siis, kui elektrivälja ei rakendata. Siin summa piesoelektriline efekt toodetud sõltub tugevalt nende aatomistruktuurist. Struktuuris esinevad dipoolid moodustavad domeenid-piirkonnad, kus naaberdipoolidel on sama joondus. Esialgu on need domeenid juhuslikult orienteeritud, põhjustamata seega võrgupolariseerumist.
Perovskiidi kristallstruktuur Curie-punkti kohal ja all
Rakendades nendele keraamikatele tugeva alalisvoolu elektrivälja, kui nad läbivad oma Curie-punkti, saavad domeenid joondatud rakendatava elektrivälja suunas. Seda protsessi nimetatakse küsitlus . Pärast toatemperatuurini jahutamist ja rakendatud elektrivälja eemaldamist säilitavad kõik domeenid oma orientatsiooni. Pärast selle protsessi lõppu eksponeeritakse keraamikat piesoelektriline efekt . Looduslikke olemasolevaid piesoelektrilisi materjale, nagu kvarts, ei kuvata ferroelektriline käitumine .
Piesoelektriline võrrand
Piesoelektrilist efekti saab kirjeldada järgmiselt Piesoelektrilised sidestusvõrrandid
Otsene piesoelektriline efekt: S = sE. T + d. E
Vastupidine piesoelektriline efekt: D = d.T + εT.E
Kus
D = elektriline nihkevektor
T = pingevektor
sE = elastse koefitsiendi maatriks konstantsel elektrivälja tugevusel,
S = tüvevektor
εT = dielektriline maatriks pideva mehaanilise pinge korral
E = elektrivälja vektor
d = piesoelektriline otsene või vastupidine efekt
Erinevates suundades rakendatav elektriväli tekitab piesoelektrilistes materjalides erinevat pinget. Nii kasutatakse rakendatud välja suuna tundmiseks märkide konventsioone koos koefitsientidega. Suuna määramiseks kasutatakse telgi 1, 2, 3 analoogselt X, Y, Z-ga. Polingit rakendatakse alati suunas 3. Topeltindeksitega koefitsient seob elektrilisi ja mehaanilisi omadusi esimese alaindeksiga, mis kirjeldab suuna suunda. elektriväli vastavalt rakendatud pingele või tekitatud laengule. Teine alaindeks annab mehaanilise pinge suuna.
Elektromehaaniline sidestustegur esineb kahel kujul. Esimene on käivitustermin d ja teine on andur termin g. Piesoelektrilisi koefitsiente koos nende tähistustega saab seletada d33
Kus
d täpsustab, et rakendatav stress on 3. suunas.
3 on täpsustatud, et elektroodid on 3. teljega risti.
3 kirjeldab piesoelektrilist konstanti.
Kuidas töötab piesoelektriline materjal?
Nagu eespool selgitatud, võivad piesoelektrilised materjalid töötada kaks režiimi :
- Otsene piesoelektriline efekt
- Vastupidine piesoelektriline efekt
Nende režiimide rakendamise mõistmiseks võtame igaühe jaoks näite.
Heal-Strike generaator, kasutades otsest piesoelektrilist efekti:
DARPA on selle seadme välja töötanud, et varustada sõdureid kaasaskantava elektrigeneraatoriga. Kingadesse implanteeritud piesoelektriline materjal kogeb sõduri kõndimisel mehaanilist pinget. Otsese tõttu piesoelektriline omadus , tekitab materjal selle mehaanilise pinge tõttu elektrilaengu. See laeng on salvestatud kondensaator või patareid mida saab seeläbi kasutada nende elektrooniliste seadmete laadimiseks liikvel olles.
Heal Strike Generator
Kvartskristall-ostsillaator kellades Converse piesoelektrilise efekti abil
Kellad sisaldavad a kvarts kristall . Kui patareist saadav elektrienergia suunatakse sellele kristallile vooluahela kaudu, tekib vastupidine piesoelektriline efekt. Selle mõju tõttu elektrilaengu rakendamisel hakkab kristall võnkuma sagedusega 32768 korda sekundis. Ahelas olev mikrokiip loeb need võnked üles ja tekitab sekundis korrapärase impulsi, mis pöörleb kella teisi käsi.
Kellades kasutatav Converse Piezo efekt
Piesoelektriliste materjalide kasutamine
Tänu oma ainulaadsele omadused, piesoelektrilised materjalid on omandanud olulise rolli erinevates tehnoloogilistes leiutistes.
Otsese piesoefekti kasutamine
- Jaapani rongijaamades mõiste “ rahvatalu ”Katsetati seal, kus jalakäijate sammud teele kinnitatud piesoelektrilistel plaatidel võivad elektrit toota.
- 2008. aastal ehitab Londoni ööklubi esimese keskkonnasõbraliku põranda, mis koosneb piesoelektrilisest materjalist ja mis suudab elektrienergiat elektripirnide sisselülitamiseks, kui inimesed sellel tantsivad.
- Piesoelektriline efekt on kasulik rakendus mehaaniliste sagedusfiltritena, pinna akustiliste lainete seadmed , lahtised akustiliste lainete seadmed jne.
- Heli- ja ultrahelimikrofonid ja kõlarid, ultraheli pildistamine , hüdrofonid.
- Kitarride piesoelektrilised pickupid, biosensorid südamestimulaatori sisselülitamiseks.
- Piesoelektrilisi elemente kasutatakse ka hüdrolokaallainete, ühe- ja kaheteljeliste lainete tuvastamisel ja genereerimisel kallutamise tajumine .
Piesoelektriline mõju teedelt
Converse piesoelektrilise efekti kasutusalad
- Täiturid ja mootorid
- Mikroskoopide läätsede mikrotäpsus ja mikrotäpsuse reguleerimine.
- Nõeladraiver printerites, miniatuursed mootorid, bimorfi ajamid.
- Mitmekihilised ajamid optika peeneks positsioneerimiseks
- Autode kütuseklappide jms sissepritsesüsteemid
Piezo elektriline efekt kui kaamera mikroreguleerimine
Ühendades elektrilised ja mehaanilised väljad:
- Materjalide aatomi struktuuri uurimiseks.
- Struktuuri terviklikkuse jälgimiseks ja rikete avastamiseks varajases staadiumis tsiviil-, tööstus- ja lennunduskonstruktsioonides.
Piesoelektriliste materjalide eelised ja piirangud
Piesoelektriliste materjalide eelised ja piirangud hõlmavad järgmist.
Eelised
- Piesoelektrilised materjalid võivad töötada mis tahes temperatuuritingimustes.
- Neil on madal süsiniku jalajälg muutes need fossiilkütuse jaoks parimaks alternatiiviks.
- Nende materjalide omadused teevad neist parimad energiakombainid.
- Vibratsiooni kujul kaotatud kasutamata energiat saab kasutada rohelise energia saamiseks.
- Neid materjale saab uuesti kasutada.
Piirangud
- Vibratsiooniga töötades on need seadmed altid ka soovimatutele vibratsioonidele.
- Vastupidavus ja vastupidavus rakendavad seadmetele piiranguid, kui neid kasutatakse kõnniteedelt ja teedelt energia saamiseks.
- Piesoelektrilise materjali ja kõnniteematerjali jäikuse mittevastavus.
- Nende seadmete täieliku kasutamise ärakasutamiseks ei piisa nende seadmete vähem teadaolevatest üksikasjadest ja kuupäevani tehtud uuringute mahust.
Nagu öeldakse: „Vajadus on leiutise ema“, on meie vajadus tõrgeteta, madala süsinikusisaldusega jalajäljega energia kogumise seadme järele piesoelektrilised materjalid jälle rambivalgusesse. Kuidas saavad need materjalid oma piirangutest üle saada? Kas liigume tuleviku poole, kus selle asemel, et muretseda reisimiseks kuluva kütusekoguse pärast, imestaksime vaid auto tekitatud võimsuse üle? Mida sa arvad? Siin on teile küsimus, mis on parim piesoelektriline materjal?
