Piezoelektromos anyagok a 80-as évek vége óta léteznek, és számos játékot megváltoztató találmány számára utat nyitottak. Tálalás formájában ÁLOM világháborúban ezek az anyagok mára felkeltették a feltalálók figyelmét misztikus jellemzők . Vezeték nélküli érzékelő hálózatok , A tárgyak internete század technikai korszakát uralja. Ezen újdonságok működésének fenntartása érdekében az áramigény vált a legnagyobb kihívássá. A fenntartható, megbízható, megújuló energia forrás késztette a kutatókat az úttörő erőgépek betakarítására - a piezoelektromos anyagok . Induljunk útnak ezen új kor felfedezésére erőgépek.
Mi az a piezoelektromos anyag?
Tudni, mi a piezoelektromos anyag tudnia kell, mit jelent a piezoelektromos kifejezés? Ban ben PIEZOELektromosság a „piezo” kifejezés nyomást vagy feszültséget jelent. És így piezoelektromosság a 'mechanikai igénybevétel vagy feszültség hatására keletkező villamos energia' meghatározása, és az ezt a tulajdonságot mutató anyagok a piezoelektromos anyagok . Ezeknek az anyagoknak a felfedezése a hitel Sir Jacques Curie (1856–1941) és Pierre Curie (1859–1906) . Miközben kísérleteztek bizonyos kristályos ásványi anyagokkal, például kvarccal, nádcukorral stb ..., azt tapasztalták, hogy erő vagy feszültség alkalmazása ezeken az anyagokon ellentétes polaritású feszültségeket eredményez, amelyek nagysága az alkalmazott terhelésre utal. Ezt a jelenséget úgy nevezték el Közvetlen Piezoeffect .
A következő évben Lippman felfedezte a Converse hatást, kijelentve, hogy ezek a feszültséget létrehozó kristályok, ha elektromos mezőnek vannak kitéve, meghosszabbodnak vagy lerövidülnek az alkalmazott tér polaritásának megfelelően. Piezoelektromos anyagok az első világháborúban betöltött szerepükkel ismertté vált, amikor a kvarcot rezonátorként alkalmazták a SONAR-ban. A második világháború időszakában szintetikus piezoelektromos anyagokat fedeztek fel, amelyek később a piezoelektromos eszközök . A piezoelektromos anyag használata előtt meg kell tudni, hogy milyen jellemzők teszik ezeket az anyagokat piezoelektromossá.
A piezoelektromos anyag tulajdonságai és hogyan működik?
A piezoelektromos anyagok titka egyedi atomszerkezetükben rejlik. A piezoelektromos anyagok ionosan kötődnek, és pozitív és negatív ionokat tartalmaznak, az egységsejteknek nevezett párok formájában. Ezek az anyagok a természetben mint anizotróp dielektrikum val vel nem centroszimmetrikus kristályrács azaz nincsenek szabad elektromos töltéseik, és az ionokból hiányzik a szimmetria központja.
Közvetlen piezoelektromos effektus
Ha ezekre az anyagokra mechanikai igénybevételt vagy súrlódást alkalmazunk, a kristály atomszerkezetének geometriája megváltozik a pozitív és negatív ionok egymáshoz viszonyított nettó mozgása miatt, ami elektromos dipólus vagy Polarizáció . Így a kristály dielektrikumról töltett anyaggá változik. A keletkező feszültség mennyisége egyenesen arányos a kristályra kifejtett feszültség vagy feszültség mértékével.
Közvetlen piezoelektromos effektus
Converse piezoelektromos effektus
Amikor elektromosság ezekre a kristályokra elektromos dipólusok jelennek meg, amelyek képezik a dipólus mozgását, amely a kristály deformációját okozza, és így beszélgetést eredményez piezoelektromos hatás ahogy az ábra mutatja.
Converse piezoelektromos effektus
Szintetikus piezoelektromos anyagok
Mesterséges piezoelektromos anyagok tetszik piezoelektromos kerámia spontán polarizációt mutat (ferroelektromos tulajdonság), azaz a dipólus akkor is létezik a szerkezetükben, ha nincs elektromos tér. Itt az összeg piezoelektromos hatás termelődik erősen függ az atom szerkezetüktől. A struktúrában jelen lévő dipólusok domének-régiókat képeznek, ahol a szomszédos dipólusok azonos vonalban vannak. Kezdetben ezek a domének véletlenszerűen vannak orientálva, így nem okoznak nettó polarizációt.
A perovszkit kristályszerkezete a Curie-pont felett és alatt
Erős egyenáramú elektromos teret alkalmazva ezekre a kerámiákra, amikor áthaladnak Curie-pontjukon, a domének az alkalmazott elektromos tér irányába kerülnek. Ezt a folyamatot hívják közvélemény kutatás . Szobahőmérsékletre történő lehűlés és az alkalmazott elektromos tér eltávolítása után az összes tartomány megtartja tájékozódását. A folyamat befejezése után a kerámia kiáll a piezoelektromos hatást . A létező természetes piezoelektromos anyagok, például a kvarc, nem jelennek meg ferroelektromos viselkedés .
Piezoelektromos egyenlet
A piezoelektromos hatást a következőkkel írhatjuk le Piezoelektromos kapcsolási egyenletek
Közvetlen piezoelektromos hatás: S = sE .T + d. E
Konverz piezoelektromos hatás: D = d.T + εT.E
Hol,
D = elektromos elmozdulásvektor
T = a feszültségvektor
sE = a rugalmas együtthatók mátrixa állandó elektromos térerősség mellett,
S = törzsvektor
εT = dielektromos mátrix állandó mechanikai igénybevétel mellett
E = elektromos mező vektor
d = közvetlen vagy fordított piezoelektromos hatás
A különböző irányokban alkalmazott elektromos tér különböző mennyiségű feszültséget generál a piezoelektromos anyagokban. Tehát az előjel konvenciókat együtthatókkal együtt használják az alkalmazott mező irányának megismerésére. Az irány meghatározásához az 1, 2, 3 tengelyeket az X, Y, Z analógiákhoz hasonlóan kell használni. A polírozást mindig a 3 irányába kell alkalmazni. az elektromos tér az alkalmazott feszültségnek vagy az előállított töltésnek megfelelően. A második alindex megadja a mechanikai igénybevétel irányát.
Az elektromechanikus kapcsolási együttható kétféle formában fordul elő. Az első a d működtetési kifejezés, a második pedig az érzékelő kifejezés g. A piezoelektromos együtthatók és azok jelölései azzal magyarázhatók d33
Hol,
d meghatározza, hogy az alkalmazott stressz a 3. irányba mutat.
A 3. ábra meghatározza, hogy az elektródák merőlegesek a 3. tengelyre.
A 3. ábra a piezoelektromos állandót határozza meg.
Hogyan működik a piezoelektromos anyag?
A fentiekben kifejtettek szerint a piezoelektromos anyagok működhetnek két mód :
- A közvetlen piezoelektromos hatás
- Converse piezoelektromos hatás
Vegyünk egy példát mindegyiknek, hogy megértsük ezeknek a módoknak az alkalmazását.
Közvetlen piezoelektromos effektust használó Heal-Strike generátor:
DARPA azért fejlesztette ki ezt az eszközt, hogy a katonákat hordozható áramgenerátorral szerelje fel. A cipőbe beültetett piezoelektromos anyag mechanikai igénybevételt okoz, amikor a katona jár. A közvetlen miatt piezoelektromos tulajdonság , az anyag ennek a mechanikai igénybevételnek köszönhetően elektromos töltést produkál. Ez a töltés tárolva van a kondenzátor vagy elemeket amelyek ezáltal felhasználhatók elektronikus eszközök töltésére útközben.
Heal Strike Generator
Kvarc-kristály oszcillátor órákban, Converse piezoelektromos effektus használatával
Az órák tartalmazzák a kvarckristály . Ha az akkumulátorból származó áramot egy áramkörön keresztül juttatjuk erre a kristályra, akkor fordított piezoelektromos hatás lép fel. Ennek eredményeként az elektromos töltés hatására a kristály másodpercenként 32768-szoros frekvenciával ingadozni kezd. Az áramkörben lévő mikrochip megszámolja ezeket a rezgéseket, és másodpercenként szabályos impulzust generál, amely megpörgeti az óra második kezét.
Converse Piezo Effect Használt Órák
A piezoelektromos anyagok felhasználása
Egyediségének köszönhetően jellemzők, piezoelektromos anyagok fontos szerepet szereztek a különféle technológiai találmányokban.
A közvetlen piezo effektus használata
- Japán vasútállomásain a „ tömeggazdaság ”Tesztelték, ahol a gyalogosok lépései az útra ágyazott piezoelektromos csempéken képesek áramot termelni.
- 2008-ban egy londoni szórakozóhely első környezetbarát padlót épít piezoelektromos anyagokból, amelyek villamos energiát termelhetnek az izzók bekapcsolására, amikor az emberek táncolnak rajta.
- A piezoelektromos effektus mechanikus frekvenciaszűrőként használható, felületi akusztikus hullám eszközök , ömlesztett akusztikus hullámok stb.
- Hang- és ultrahangos mikrofonok és hangszórók, ultrahangos képalkotás , hidrofonok.
- Piezoelektromos hangszedők gitárokhoz, bioszenzorok a pacemaker bekapcsolására.
- A piezoelektromos elemeket szonárhullámok, egy- és kéttengelyes detektálásához és előállításához is használják dőlésérzékelés .
A piezoelektromos hatás az utakról
A Converse piezoelektromos effektus felhasználása
- Működtetők és motorok
- Mikroprecíziós elhelyezés és mikroprecíziós beállítások mikroszkópok lencséiben.
- Tűmeghajtó a nyomtatókban, miniatürizált motorok, bimorf működtetők.
- Többrétegű működtetők az optika finom pozícionálásához
- Befecskendező rendszerek autóipari üzemanyag-szelepekben stb.
Piezo elektromos effektus mikrokorrekcióként a kamerában
Elektromos és mechanikus mezők összekapcsolásával:
- Az anyagok atomszerkezetének vizsgálatához.
- A szerkezeti integritás figyelemmel kísérése és a hibák korai szakaszában történő felderítése a polgári, ipari és repülőgép-szerkezetekben.
A piezoelektromos anyagok előnyei és korlátai
A piezoelektromos anyagok előnyei és korlátai a következők.
Előnyök
- A piezoelektromos anyagok bármilyen hőmérsékleti körülmények között működhetnek.
- Alacsonyak ökológiai lábnyom ezzel a fosszilis üzemanyagok legjobb alternatívája.
- Ezen anyagok jellemzői teszik őket a legjobb energiaszedőkké.
- A rezgések formájában elveszett fel nem használt energia felhasználható a zöld energia előállításához.
- Ezek az anyagok újrafelhasználhatók.
Korlátozások
- Miközben rezgésekkel dolgoznak, ezek az eszközök hajlamosak felvenni a nem kívánt rezgéseket is.
- Az ellenállás és a tartósság korlátozza az eszközöket, ha azokat burkolatokból és utakból származó energia kiaknázására használják.
- A piezoelektromos anyag és a járda anyag merevsége közötti eltérés.
- Ezen eszközök kevésbé ismert részletei és a dátumig végzett kutatások mennyisége nem elegendő ezen eszközök teljes kihasználásához.
Amint azt mondják: „A szükség a találmány anyja”, szükségünk van egy nyüzsgésmentes, alacsony szén-dioxid-kibocsátású energia-gyűjtő eszközre piezoelektromos anyagok ismét a reflektorfénybe. Hogyan tudják ezek az anyagok legyőzni korlátjaikat? Olyan jövő felé haladunk, ahol ahelyett, hogy aggódnánk az utazáshoz felhasznált üzemanyag mennyisége miatt, csak arra lennénk kíváncsi, hogy mekkora energiát generál az autónk? Mit gondolsz? Itt van egy kérdés az Ön számára mi a legjobb piezoelektromos anyag?
