Piezoelektrické materiály existujú už od konca 80. rokov a vydláždili cestu mnohým vynálezom, ktoré menia hru. Podávame vo forme SNY vo svetovej vojne tieto materiály teraz zaujali vynálezcov pre svoje mystické vlastnosti . Bezdrôtové senzorové siete , Internet vecí vládne technickej ére 21. storočia. Aby boli tieto novinky v prevádzke, stala sa najväčšou výzvou požiadavka na napájanie. Lov na udržateľný, spoľahlivý, obnoviteľná energia zdroj spôsobil, že vedci narazili na priekopnícke kombajny piezoelektrické materiály . Poďme na cestu, aby sme preskúmali tento nový vek silové kombajny.
Čo je to piezoelektrický materiál?
Vedieť, čo a piezoelektrický materiál je potrebné vedieť, čo znamená výraz piezoelektrický? V PIEZOELECTRICITA pojem „piezo“ znamená tlak alebo stres. Teda piezoelektrika je definované ako „elektrina generovaná pôsobením mechanického napätia alebo napätia“ a materiály, ktoré vykazujú túto vlastnosť, patria do kategórie piezoelektrické materiály . Zásluhu na objavení týchto materiálov má zásluha Sir Jacques Curie (1856–1941) a Pierre Curie (1859 - 1906) . Pri experimentovaní s určitými kryštalickými minerálmi, ako je kremeň, trstinový cukor atď., Zistili, že pôsobenie sily alebo napätia na tieto materiály generuje napätie s opačnou polaritou s veľkosťou odporúčanou pre aplikovanú záťaž. Tento jav bol pomenovaný ako Priamy Piezoefekt .
V nasledujúcom roku Lippman objavili konverzný efekt, ktorý uviedol, že jeden z týchto kryštálov generujúcich napätie sa po vystavení elektrickému poľu predĺži alebo skráti podľa polarity použitého poľa. Piezoelektrické materiály sa im dostalo uznania vďaka ich úlohe v prvej svetovej vojne, keď sa kremeň používal ako rezonátory v sonare SONAR. Počas obdobia druhej svetovej vojny bol objavený syntetický piezoelektrický materiál, ktorý neskôr viedol k intenzívnemu rozvoju piezoelektrické prístroje . Pred použitím piezoelektrického materiálu musíte vedieť, aké vlastnosti robia tieto materiály piezoelektrickými.
Vlastnosti piezoelektrického materiálu a ako to funguje?
Tajomstvo piezoelektrických materiálov spočíva v ich jedinečnej atómovej štruktúre. Piezoelektrické materiály sú iónovo viazané a obsahujú kladné a záporné ióny vo forme párov, ktoré sa nazývajú jednotkové bunky. Tieto materiály sú dostupné v prírode ako anizotropné dielektrikum s necentrosymetrická kryštálová mriežka tj. nemajú žiadne bezplatné elektrické náboje a iónom chýba stred symetrie.
Priamy piezoelektrický efekt
Pri pôsobení mechanického napätia alebo trenia na tieto materiály sa geometria atómovej štruktúry kryštálu mení v dôsledku sieťového pohybu pozitívnych a negatívnych iónov voči sebe navzájom, čo vedie k elektrický dipól alebo Polarizácia . Kryštál sa teda mení z dielektrika na nabitý materiál. Množstvo generovaného napätia je priamo úmerné veľkosti napätia alebo napätia pôsobiaceho na kryštál.
Priamy piezoelektrický efekt
Konverzný piezoelektrický efekt
Kedy elektrina sa na tieto kryštály aplikujú elektrické dipóly, ktoré tvoria pohyb dipólu, ktorý spôsobuje deformáciu kryštálu, čo vedie k konverzácii piezoelektrický jav ako je to znázornené na obrázku.
Konverzný piezoelektrický efekt
Syntetické piezoelektrické materiály
Vyrobené človekom piezoelektrické materiály Páči sa mi to piezoelektrická keramika vykazujú spontánnu polarizáciu (feroelektrická vlastnosť), tj. v ich štruktúre existuje dipól, aj keď nie je použité žiadne elektrické pole. Tu množstvo piezoelektrický jav vyrobené silne závisí od ich atómovej štruktúry. Dipóly prítomné v štruktúre tvoria domény-oblasti, kde majú susedné dipóly rovnaké usporiadanie. Spočiatku sú tieto domény náhodne orientované, čo nespôsobuje žiadnu polarizáciu siete.
Štruktúra perovskitových kryštálov nad a pod bodom Curie
Aplikáciou silného jednosmerného elektrického poľa na túto keramiku sa pri prechode bodom Curie domény zarovnajú v smere aplikovaného elektrického poľa. Tento proces sa nazýva anketa . Po ochladení na teplotu miestnosti a odstránení aplikovaného elektrického poľa si všetky domény zachovajú svoju orientáciu. Po ukončení tohto procesu sa keramika vystaví piezoelektrický jav . Prirodzené existujúce piezoelektrické materiály ako kremeň sa nezobrazia feroelektrické správanie .
Piezoelektrická rovnica
Piezoelektrický efekt je možné opísať nasledujúcim spôsobom Piezoelektrické väzbové rovnice
Priamy piezoelektrický jav: S = sE .T + d. E
Konverzný piezoelektrický efekt: D = d.T + εT.E
Kde,
D = vektor elektrického posunu
T = vektor stresu
sE = matica elastických koeficientov pri konštantnej intenzite elektrického poľa,
S = vektor napätia
εT = dielektrická matica pri konštantnom mechanickom namáhaní
E = vektor elektrického poľa
d = priamy alebo konverzný piezoelektrický jav
Elektrické pole aplikované v rôznych smeroch vytvára rôzne množstvo napätia v piezoelektrických materiáloch. Používajú sa teda znakové konvencie spolu s koeficientmi na poznanie smeru použitého poľa. Na určenie smeru sa osi 1, 2, 3 používajú analogicky k X, Y, Z. Poling sa vždy aplikuje v smere 3. Koeficient s dvojitými dolnými indexmi súvisí s elektrickými a mechanickými charakteristikami s prvým dolným indexom popisujúcim smer elektrické pole v súlade s aplikovaným napätím alebo vyprodukovaným nábojom. Druhý dolný index udáva smer mechanického namáhania.
Elektromechanický koeficient väzby sa vyskytuje v dvoch formách. Prvý je aktivačný člen d a druhý je snímač termín g. Piezoelektrické koeficienty spolu s ich notáciami možno vysvetliť pomocou d33
Kde,
d určuje, že aplikované napätie je v 3. smere.
3 určuje, že elektródy sú kolmé na 3. os.
3 určuje piezoelektrickú konštantu.
Ako funguje piezoelektrický materiál?
Ako je vysvetlené vyššie, piezoelektrické materiály môžu pracovať dva režimy :
- Priamy piezoelektrický jav
- Konverzný piezoelektrický efekt
Vezmime si príklad pre každého, aby pochopil použitie týchto režimov.
Generátor Heal-Strike využívajúci priamy piezoelektrický efekt:
DARPA vyvinula toto zariadenie na vybavenie vojakov prenosným generátorom energie. Piezoelektrický materiál implantovaný do topánok zažíva pri chôdzi vojaka mechanické namáhanie. Kvôli priamej piezoelektrický majetok , materiál vďaka tomuto mechanickému namáhaniu vytvára elektrický náboj. Tento poplatok je uložený v priečinku kondenzátor alebo batérie ktoré tak môžu byť použité na nabíjanie ich elektronických zariadení na cestách.
Liečte generátor úderov
Kremenný oscilátor v hodinkách využívajúcich konverzný piezoelektrický efekt
Hodinky obsahujú a kremenný kryštál . Keď sa na tento kryštál privádza elektrina z batérie pomocou obvodu, dôjde k opačnému piezoelektrickému javu. Vďaka tomuto efektu po aplikácii elektrického náboja začne kryštál oscilovať s frekvenciou 32 768 krát za sekundu. Mikročip prítomný v obvode počíta tieto kmity a generuje pravidelný pulz za sekundu, ktorý roztáča druhé ručičky hodiniek.
Converse Piezo efekt používaný v hodinkách
Využitie piezoelektrických materiálov
Vďaka svojej jedinečnosti charakteristiky, piezoelektrické materiály získali dôležitú úlohu v rôznych technologických vynálezoch.
Použitie priameho piezoelektrického efektu
- Na japonských vlakových staniciach sa koncept „ davová farma ”Bolo testované tam, kde kroky chodcov na piezoelektrických dlaždiciach zabudovaných na ceste môžu vyrábať elektrinu.
- V roku 2008 nočný klub v Londýne postavil prvú ekologickú podlahu vyrobenú z piezoelektrického materiálu, ktorá môže vyrábať elektrinu na napájanie žiaroviek, keď sa na nich tancuje.
- Piezoelektrický efekt nachádza užitočné použitie ako mechanické frekvenčné filtre, zariadenia s povrchovou akustickou vlnou , zariadenia na hromadnú akustickú vlnu atď.
- Zvukové a ultrazvukové mikrofóny a reproduktory, ultrazvukové zobrazovanie , hydrofóny.
- Piezoelektrické snímače pre gitary, biosenzory na zapnutie kardiostimulátora.
- Piezoelektrické prvky sa používajú aj na detekciu a generovanie sonarových vĺn, jednoosových a dvojosových snímanie náklonu .
Piezoelektrický efekt od RoadWays
Využitie konverzného piezoelektrického efektu
- Aktuátory a motory
- Mikropresné umiestnenie a mikropresné úpravy v šošovkách pre mikroskopy.
- Ovládač ihiel v tlačiarňach, miniaturizované motory, bimorfné akčné členy.
- Viacvrstvové akčné členy pre jemné polohovanie v optike
- Vstrekovacie systémy v palivových ventiloch automobilov atď.
Piezoelektrický efekt ako mikroúprava vo fotoaparáte
Prepojením elektrických a mechanických polí:
- Na skúmanie atomistickej štruktúry materiálov.
- Monitorovať celistvosť konštrukcie a včasné zisťovanie porúch v civilných, priemyselných a leteckých konštrukciách.
Výhody a obmedzenia piezoelektrických materiálov
Výhody a obmedzenia piezoelektrických materiálov zahŕňajú nasledujúce.
Výhody
- Piezoelektrické materiály môžu pracovať za akýchkoľvek teplotných podmienok.
- Majú nízke uhlíková stopa čo z nich robí najlepšiu alternatívu k fosílnym palivám.
- Vlastnosti týchto materiálov z nich robia najlepšie zberače energie.
- Nevyužitá energia stratená vo forme vibrácií môže byť využitá na výrobu zelenej energie.
- Tieto materiály je možné opätovne použiť.
Obmedzenia
- Pri práci s vibráciami sú tieto zariadenia náchylné tiež zachytávať nežiaduce vibrácie.
- Odolnosť a trvanlivosť platia pre zariadenia limity, keď sa používajú na odber energie z chodníkov a ciest.
- Nesúlad medzi tuhosťou piezoelektrického materiálu a materiálu vozovky.
- Menej známe podrobnosti o týchto zariadeniach a množstvo výskumov vykonaných do dnešného dňa nestačí na úplné využitie týchto zariadení.
Ako už bolo povedané „Nutnosť je matkou vynálezu“, naša potreba zariadenia na zber energie s nízkou uhlíkovou stopou a bez zhonu priniesla piezoelektrické materiály opäť na výslnie. Ako môžu tieto materiály prekonať svoje obmedzenia? Ideme do budúcnosti, kde by sme sa namiesto obáv z množstva paliva spotrebovaného na cestu iba čudovali nad množstvom energie, ktorú naše auto vyrobilo? Co si myslis? Tu je otázka pre vás, aký je najlepší piezoelektrický materiál?
