Pjezoelektrinės medžiagos egzistavo nuo 80-ųjų pabaigos ir atvėrė kelią daugeliui žaidimus keičiančių išradimų. Patiekiama kaip SAPNAS pasauliniame kare šios medžiagos dabar atkreipė išradėjų dėmesį į jas mistinės savybės . Belaidžių jutiklių tinklai , Daiktų internetas valdo XXI amžiaus techninę erą. Norint išlaikyti ir atnaujinti šias naujoves, energijos poreikis tapo didžiausiu iššūkiu. Medžiok tvarų, patikimą, atsinaujinanti energija šaltinis privertė tyrėjus suklupti ant varomų kombainų pjezoelektrinės medžiagos . Leiskimės į kelionę tyrinėti šių naujųjų laikų galios kombainai.
Kas yra pjezoelektrinė medžiaga?
Norėdami žinoti, ką a pjezoelektrinė medžiaga ar reikia žinoti, ką reiškia terminas pjezoelektrinis? Į PIEZOELEKTROS terminas „pjezo“ reiškia spaudimą ar įtampą. Taigi pjezoelektrinis apibrėžiama kaip „elektra, gaunama taikant mechaninį įtempimą ar įtempimą“, o medžiagos, turinčios šią savybę, priskiriamos pjezoelektrinės medžiagos . Šių medžiagų atradimo nuopelnas tenka Seras Jacques'as Curie (1856–1941) ir Pierre Curie (1859–1906) . Eksperimentuodami su tam tikrais kristaliniais mineralais, tokiais kaip kvarcas, cukranendrių cukrus ir kt., Jie nustatė, kad jėga ar įtampa šioms medžiagoms sukuria priešingo poliškumo įtampą, kurios dydis yra proporcingas taikomai apkrovai. Šis reiškinys buvo pavadintas Tiesioginis Pjezoefektas .
Kitais metais Lippmanas atrado „Converse“ efektą, teigdamas, kad vienas iš šių įtampą generuojančių kristalų, veikiamas elektrinio lauko, pailgėja arba sutrumpėja pagal taikomo lauko poliškumą. Pjezoelektrinės medžiagos pripažino savo vaidmeniu Pirmojo pasaulinio karo metais, kai kvarcas buvo naudojamas kaip rezonatorius SONAR. Antrojo pasaulinio karo laikotarpiu buvo atrasta sintetinė pjezoelektrinė medžiaga, kuri vėliau paskatino intensyviai vystytis pjezoelektriniai įtaisai . Prieš naudojant pjezoelektrinę medžiagą, reikia žinoti, kokios savybės daro šias medžiagas pjezoelektrines.
Pjezoelektrinės medžiagos savybės ir kaip ji veikia?
Pjezoelektrinių medžiagų paslaptis slypi jų unikalioje atominėje struktūroje. Pjezoelektrinės medžiagos yra sujungtos jonais ir jose yra teigiamų ir neigiamų jonų porų, vadinamų vienetinėmis ląstelėmis, pavidalu. Šios medžiagos yra gamtoje kaip anizotropinis dielektrikas su ne centrosimetrinis kristalinis gardelis y., jie neturi jokių laisvų elektros krūvių, o jonams trūksta simetrijos centro.
Tiesioginis pjezoelektrinis efektas
Kai šioms medžiagoms taikomas mechaninis įtempis arba trintis, dėl teigiamų ir neigiamų jonų grynojo judėjimo vienas kito atžvilgiu pasikeičia kristalo atomo struktūros geometrija. elektrinis dipolis arba Poliarizacija . Taigi kristalas iš dielektriko keičiasi į krūvį turinčią medžiagą. Sukurtos įtampos dydis yra tiesiogiai proporcingas kristalui tenkančio įtempio ar įtampos dydžiui.
Tiesioginis pjezoelektrinis efektas
Konversiškas pjezoelektrinis efektas
Kada elektros šiems kristalams yra elektrinių dipolių, formuojančių dipolio judėjimą, kuris sukelia kristalo deformaciją, taip sukeldamas pjezoelektrinis efektas kaip parodyta paveiksle.
Konversiškas pjezoelektrinis efektas
Sintetinės pjezoelektrinės medžiagos
Manumade pjezoelektrinės medžiagos Kaip pjezoelektrinė keramika pasireiškia savaiminė poliarizacija (feroelektrinė savybė), ty dipolis jų struktūroje egzistuoja net tada, kai nėra taikomas elektrinis laukas. Čia suma pjezoelektrinis efektas pagaminta labai priklauso nuo jų atominės struktūros. Struktūroje esantys dipoliai formuoja domenus-regionus, kur kaimyniniai dipoliai turi tą patį išsidėstymą. Iš pradžių šios sritys yra atsitiktinai orientuotos, todėl nesukelia grynosios poliarizacijos.
Perovskito kristalų struktūra aukščiau ir žemiau Kiuri taško
Šioms keramikoms pritaikius stiprų nuolatinės srovės elektrinį lauką, kai jie praeina per savo Curie tašką, domenai susilygina taikomo elektrinio lauko kryptimi. Šis procesas vadinamas apklausa . Atvėsus iki kambario temperatūros ir pašalinus taikomą elektrinį lauką, visi domenai išlaiko savo orientaciją. Užbaigus šį procesą, keramikos eksponatai pjezoelektrinis efektas . Natūralios esamos pjezoelektrinės medžiagos, tokios kaip kvarcas, nerodomos feroelektrinis elgesys .
Pjezoelektrinė lygtis
Pjezoelektrinį efektą galima apibūdinti taip Pjezoelektrinės sukabinimo lygtys
Tiesioginis pjezoelektrinis efektas: S = sE. T + d. E
Konversiškas pjezoelektrinis efektas: D = d.T + εT.E
Kur,
D = elektrinis poslinkio vektorius
T = įtempių vektorius
sE = elastingumo koeficientų matrica esant pastoviam elektrinio lauko stiprumui,
S = deformacijos vektorius
εT = dielektrinė matrica esant pastoviam mechaniniam įtempimui
E = elektrinio lauko vektorius
d = tiesioginis arba atvirkštinis pjezoelektrinis efektas
Skirtingomis kryptimis veikiantis elektrinis laukas pjezoelektrinėse medžiagose sukuria skirtingą įtampą. Taigi, norint žinoti taikomo lauko kryptį, naudojami ženklų susitarimai ir koeficientai. Norint nustatyti kryptį, 1, 2, 3 ašys naudojamos analogiškai kaip X, Y, Z. Poliavimas visada taikomas 3 kryptimi. Koeficientas su dvigubais abonementais susieja elektrines ir mechanines charakteristikas su pirmuoju indeksu, apibūdinančiu krypties kryptį. elektrinis laukas pagal taikomą įtampą ar sukurtą krūvį. Antrasis indeksas nurodo mechaninio įtempimo kryptį.
Elektromechaninis sukabinimo koeficientas yra dviejų formų. Pirmasis yra veikimo terminas d, o antrasis yra jutiklis terminas g. Pjezoelektrinius koeficientus kartu su jų žymėjimais galima paaiškinti d33
Kur,
d nurodo, kad taikomas stresas yra 3 kryptimi.
3 nurodoma, kad elektrodai yra statmeni 3-ajai ašiai.
3 nurodoma pjezoelektrinė konstanta.
Kaip veikia pjezoelektrinė medžiaga?
Kaip paaiškinta aukščiau, pjezoelektrinės medžiagos gali veikti du režimai :
- Tiesioginis pjezoelektrinis efektas
- Konversiškas pjezoelektrinis efektas
Paimkime pavyzdį kiekvienam, kad suprastumėte šių režimų taikymą.
„Heal-Strike“ generatorius, naudojant tiesioginį pjezoelektrinį efektą:
DARPA sukūrė šį prietaisą, kad kariai būtų aprūpinti nešiojamuoju energijos generatoriumi. Į batus implantuota pjezoelektrinė medžiaga kareiviui einant patiria mechaninį įtempimą. Dėl tiesioginio pjezoelektrinė savybė , medžiaga sukuria elektrinį krūvį dėl šio mechaninio įtempio. Šis mokestis saugomas kondensatorius arba baterijos kuriuos tokiu būdu galima įkrauti savo elektroninius prietaisus kelyje.
„Heal Strike Generator“
Kvarcinis kristalų osciliatorius laikrodžiuose, naudojant „Converse“ pjezoelektrinį efektą
Laikrodžiuose yra a kvarco kristalas . Kai elektros energija iš akumuliatoriaus per grandinę patenka į šį kristalą, atsiranda atvirkštinis pjezoelektrinis efektas. Dėl šio efekto, naudojant elektrinį krūvį, kristalas pradeda svyruoti 32768 kartų per sekundę dažniu. Mikroschema, esanti grandinėje, suskaičiuoja šiuos svyravimus ir generuoja reguliarų impulsą per sekundę, sukantį antrąsias laikrodžio rankas.
„Converse“ pjezo efektas, naudojamas laikrodžiuose
Pjezoelektrinių medžiagų naudojimas
Dėl savo unikalumo charakteristikos, pjezoelektrinės medžiagos įgijo svarbų vaidmenį įvairiuose technologiniuose išradimuose.
Tiesioginio pjezo efekto naudojimas
- Japonijos traukinių stotyse sąvoka „ minios ūkis “Buvo išbandytas ten, kur pėsčiųjų žingsniai ant pjezoelektrinių plytelių, įdėtų į kelią, gali gaminti elektrą.
- 2008 m. Naktinis klubas Londone pastatė pirmąsias ekologiškas grindis, sudarytas iš pjezoelektrinės medžiagos, galinčios gaminti elektrą elektros lemputėms įjungti, kai žmonės šoka.
- Pjezoelektrinis efektas yra naudingas kaip mechaniniai dažnio filtrai, paviršiaus akustinių bangų įtaisai , tūriniai akustinių bangų įtaisai ir kt.
- Garso ir ultragarso mikrofonai bei garsiakalbiai, ultragarsinis vaizdavimas , hidrofonai.
- Pjezoelektriniai gitarų paėmėjai, biosensoriai įjungti širdies stimuliatorių.
- Pjezoelektriniai elementai taip pat naudojami nustatant ir generuojant sonaro bangas, vienos ašies ir dviejų ašių pasvirimo jutimas .
Pjezoelektrinis poveikis iš kelių
Konversinio pjezoelektrinio efekto panaudojimas
- Pavaros ir varikliai
- Mikroskopų lęšių mikrotikslumas ir jų tikslumas.
- Adatų tvarkyklė spausdintuvuose, miniatiūriniai varikliai, bimorfo pavaros.
- Daugiasluoksnės pavaros, skirtos gerai išdėstyti optikoje
- Įpurškimo sistemos automobilių degalų vožtuvuose ir kt.
Pjezo elektrinis efektas kaip mikrokoregavimas fotoaparate
Sujungdami elektrinius ir mechaninius laukus:
- Medžiagų atominės struktūros tyrimams.
- Stebėti konstrukcijos vientisumą ir nustatyti gedimus ankstyvose civilinių, pramoninių ir aviacijos konstrukcijų stadijose.
Pjezoelektrinių medžiagų pranašumai ir apribojimai
Pjezoelektrinių medžiagų privalumai ir apribojimai apima šiuos dalykus.
Privalumai
- Pjezoelektrinės medžiagos gali veikti bet kokiomis temperatūros sąlygomis.
- Jie turi mažai Anglies pėdsakas tai yra geriausia iškastinio kuro alternatyva.
- Šių medžiagų savybės daro juos geriausiais energijos rinkėjais.
- Nepanaudotą energiją, prarastą vibracijų pavidalu, galima panaudoti žaliosios energijos generavimui.
- Šias medžiagas galima pakartotinai naudoti.
Apribojimai
- Dirbdami su vibracija, šie prietaisai taip pat linkę pakelti nepageidaujamą vibraciją.
- Atsparumas ir ilgaamžiškumas riboja prietaisus, kai jie naudojami dangos ir kelių energijai išgauti.
- Pjezoelektrinės medžiagos ir grindinio medžiagos standumo neatitikimas.
- Mažiau žinomos šių prietaisų detalės ir iki šiol atliktų tyrimų kiekio nepakanka norint išnaudoti visišką šių įrenginių naudojimą.
Kaip sakoma „Būtinybė yra išradimo motina“, mūsų poreikis sukurti be rūpesčių, mažai anglies dioksido išmetantį energijos rinkimo įrenginį pjezoelektrinės medžiagos vėl į dėmesio centrą. Kaip šios medžiagos gali įveikti savo ribotumą? Ar mes einame į ateitį, kurioje, užuot jaudinęsi dėl kelionėms sunaudoto kuro kiekio, mes tik stebėtumėmės, kiek energijos sukuria mūsų automobilis? Ką tu manai? Štai jums klausimas, kokia yra geriausia pjezoelektrinė medžiaga?
