Piezoelektrični materijali postoje od kasnih 80-ih i otvorili su put mnogim izumima koji mijenjaju igre. Posluživanje u obliku SAN u svjetskom ratu ti su materijali sada zapeli za oko izumiteljima mistične karakteristike . Bežične senzorske mreže , Internet stvari vlada tehničkom erom 21. stoljeća. Da bi se ove novine održale i postale aktivne, najveći je izazov potreba za snagom. Lov na održivu, pouzdanu, obnovljiva energija izvor natjerao istraživače da se spotaknu o traktorske zasilne kombajne - the piezoelektrični materijali . Krenimo na putovanje da istražimo ovo novo doba kombajni za pogon.
Što je piezoelektrični materijal?
Da znam što piezoelektrični materijal je li treba znati što znači pojam piezoelektrični ?. U PIEZOELEKTRIČNOST izraz 'piezo' označava pritisak ili stres. Tako piezoelektričnost definira se kao 'Električna energija generirana mehaničkim naprezanjem ili zatezanjem', a materijali koji pokazuju ovo svojstvo spadaju u kategoriju piezoelektrični materijali . Zasluge za otkriće ovih materijala pripadaju Sir Jacques Curie (1856–1941) i Pierre Curie (1859–1906) . Tijekom eksperimentiranja s određenim kristalnim mineralima poput kvarca, šećera od šećerne trske itd., Otkrili su da je primjenom sile ili napetosti na tim materijalima stvoren napon suprotnih polariteta s veličinama propozicijskim na opterećenje. Taj je fenomen nazvan Direktno Piezoefekt .
Sljedeće godine, Lippman otkrio je obrnuti efekt navodeći da se jedan od ovih kristala koji stvaraju napon, kada su izloženi električnom polju, produžio ili skratio u skladu s polaritetom primijenjenog polja. Piezoelektrični materijali prepoznali su se ulogom u Prvom svjetskom ratu kada je Quartz korišten kao rezonator u SONAR-u. Tijekom razdoblja Drugog svjetskog rata otkriven je sintetički piezoelektrični materijal, što je kasnije dovelo do intenzivnog razvoja piezoelektrični uređaji . Prije upotrebe piezoelektričnog materijala mora se znati koje karakteristike čine ove materijale piezoelektričnim.
Svojstva piezoelektričnog materijala i kako on djeluje?
Tajna piezoelektričnih materijala leži u njihovoj jedinstvenoj atomskoj strukturi. Piezoelektrični materijali su ionski povezani i sadrže pozitivne i negativne ione u obliku parova koji se nazivaju jedinične stanice. Ti su materijali u prirodi dostupni kao anizotropni dielektrik s necentrosimetrična kristalna rešetka tj. nemaju nikakvih slobodnih električnih naboja, a ionima nedostaje središte simetrije.
Izravni piezoelektrični efekt
Kada se na ove materijale primijeni mehaničko naprezanje ili trenje, geometrija atomske strukture kristala mijenja se uslijed međusobnog kretanja pozitivnih i negativnih iona u odnosu jedni na druge, što rezultira električni dipol ili Polarizacija . Tako se kristal mijenja iz dielektrika u nabijeni materijal. Količina generiranog napona izravno je proporcionalna količini naprezanja ili napetosti koja se primjenjuje na kristal.
Izravni piezoelektrični efekt
Converse Piezoelectric Effect
Kada struja primjenjuje se na te kristale pojavljuju se električni dipoli koji tvore dipolno kretanje što uzrokuje deformaciju kristala, što dovodi do konverzije piezoelektrični efekt kako je prikazano na slici.
Converse Piezoelectric Effect
Sintetički piezoelektrični materijali
Umjetnost piezoelektrični materijali Kao piezoelektrična keramika pokazuju spontanu polarizaciju (feroelektrično svojstvo) tj. dipol postoji u njihovoj strukturi čak i kada nije primijenjeno električno polje. Ovdje je iznos od piezoelektrični efekt proizvedeni jako ovise o njihovoj atomskoj strukturi. Dipoli prisutni u strukturi tvore domene-regije u kojima susjedni dipoli imaju isto poravnanje. U početku su te domene nasumično orijentirane i ne uzrokuju polarizaciju mreže.
Kristalna struktura Perovskite iznad i ispod Curie točke
Primjenom jakog istosmjernog električnog polja na ovu keramiku kada prolaze kroz njihovu Curie točku domene se poravnaju u smjeru primijenjenog električnog polja. Taj se proces naziva anketa . Nakon hlađenja na sobnu temperaturu i uklanjanja primijenjenog električnog polja, sve domene zadržavaju orijentaciju. Nakon završetka ovog postupka, keramika izlaže piezoelektrični efekt . Prirodni postojeći piezoelektrični materijali poput kvarca ne prikazuju se feroelektrično ponašanje .
Piezoelektrična jednadžba
Piezoelektrični efekt može se opisati na sljedeći način Jednadžbe piezoelektrične sprege
Izravni piezoelektrični efekt: S = sE .T + d. E
Konverzni piezoelektrični efekt: D = d.T + εT.E
Gdje,
D = vektor električnog pomaka
T = vektor naprezanja
sE = matrica elastičnih koeficijenata pri konstantnoj jačini električnog polja,
S = vektor deformacije
εT = dielektrična matrica pri stalnim mehaničkim naprezanjima
E = vektor električnog polja
d = izravni ili obratni piezoelektrični efekt
Električno polje primijenjeno u različitim smjerovima stvara različite količine naprezanja u piezoelektričnim materijalima. Dakle, konvencijski znakovi se koriste zajedno s koeficijentima da bi se znao smjer primijenjenog polja. Da bi se odredio smjer, osi 1, 2, 3 koriste se analogno X, Y, Z. Poliranje se uvijek primjenjuje u smjeru 3. Koeficijent s dvostrukim indeksima odnosi se na električne i mehaničke karakteristike s prvim indeksom koji opisuje smjer električno polje u skladu s naponom primijenjenim ili proizvedenim nabojem. Drugi indeks daje smjer mehaničkog naprezanja.
Elektromehanički koeficijent sprezanja javlja se u dva oblika. Prvi je termin aktiviranja d, a drugi je senzor pojam g. Piezoelektrični koeficijenti zajedno s njihovim oznakama mogu se objasniti s d33
Gdje,
d navodi da je primijenjeno naprezanje u 3. smjeru.
3 navodi da su elektrode okomite na 3. os.
3 specificira piezoelektričnu konstantu.
Kako djeluje piezoelektrični materijal?
Kao što je gore objašnjeno, piezoelektrični materijali mogu raditi u dva načina :
- Izravni piezoelektrični efekt
- Konverzni piezoelektrični efekt
Uzmimo primjer za svako kako bi razumjeli primjenu ovih načina.
Heal-Strike Generator pomoću izravnog piezoelektričnog efekta:
DARPA je razvio ovaj uređaj za opremanje vojnika prijenosnim generatorom energije. Piezoelektrični materijal ugrađen u cipele doživljava mehaničko naprezanje kad vojnik hoda. Zbog izravnih piezoelektrično svojstvo , materijal proizvodi električni naboj zbog ovog mehaničkog naprezanja. Naplata je pohranjena u kondenzator ili baterije koji se na taj način mogu koristiti za punjenje njihovih elektroničkih uređaja u pokretu.
Heal Strike Generator
Kvarcni kristalni oscilator u satovima koji koristi Converse Piezoelectric Effect
Satovi sadrže a kvarcni kristal . Kada se električna energija iz akumulatora primijeni na ovaj kristal kroz krug, dolazi do obratnog piezoelektričnog efekta. Zbog ovog učinka pri primjeni električnog naboja kristal počinje oscilirati s frekvencijom od 32768 puta u sekundi. Mikročip prisutan u krugu broji ove oscilacije i generira redoviti impuls u sekundi koji okreće druge kazaljke sata.
Converse Piezo efekt korišten u satovima
Upotreba piezoelektričnih materijala
Zbog svoje jedinstvene karakteristike, piezoelektrični materijali stekli su važnu ulogu u raznim tehnološkim izumima.
Upotreba izravnog piezo efekta
- Na japanskim željezničkim postajama koncept ' farma mnoštva ”Testirano je tamo gdje koraci pješaka na piezoelektričnim pločicama ugrađenim u cestu mogu proizvoditi električnu energiju.
- 2008. noćni klub u Londonu gradi prvi ekološki prihvatni pod koji se sastoji od piezoelektričnog materijala koji može generirati električnu energiju za pokretanje žarulja kad ljudi plešu na njemu.
- Piezoelektrični efekt nalazi korisnu primjenu kao mehanički filtri frekvencije, uređaji za površinski akustični val , uređaji za akustičke valove, itd.…
- Zvučni i ultrazvučni mikrofoni i zvučnici, ultrazvučno slikanje , hidrofoni.
- Piezoelektrični pickupi za gitare, biosenzori za uključivanje elektrostimulatora srca.
- Piezoelektrični elementi također se koriste u otkrivanju i stvaranju sonarnih valova, jednoosnih i dvoosnih osjetnik nagiba .
Piezoelektrični efekt s putova
Upotrebe Converse piezoelektričnog efekta
- Pokretači i motori
- Postavljanje mikro preciznosti i podešavanja mikro preciznosti u lećama za mikroskope.
- Pogonitelj igle u pisačima, minijaturni motori, bimorfni aktuatori.
- Višeslojni aktuatori za fino pozicioniranje u optici
- Sustavi ubrizgavanja u ventile za automobilsko gorivo itd.…
Piezo električni efekt kao mikro prilagodba u kameri
Spajanjem električnih i mehaničkih polja:
- Za ispitivanje atomističke strukture materijala.
- Praćenje cjelovitosti konstrukcije i otkrivanje kvarova u ranim fazama u civilnim, industrijskim i zrakoplovnim strukturama.
Prednosti i ograničenja piezoelektričnih materijala
Prednosti i ograničenja piezoelektričnih materijala uključuju sljedeće.
Prednosti
- Piezoelektrični materijali mogu raditi u bilo kojim temperaturnim uvjetima.
- Imaju niske Ugljični otisak što ih čini najboljom alternativom za fosilno gorivo.
- Karakteristike ovih materijala čine ih najboljim sakupljačima energije.
- Neiskorištena energija izgubljena u obliku vibracija može se iskoristiti za stvaranje zelene energije.
- Ovi se materijali mogu ponovno upotrijebiti.
Ograničenja
- Dok rade s vibracijama, ovi su uređaji također skloni neželjenim vibracijama.
- Otpor i trajnost primjenjuju ograničenja na uređaje kada se koriste za izbacivanje energije s kolnika i cesta.
- Neusklađenost krutosti piezoelektričnog materijala i materijala za kolnike.
- Manje poznati detalji ovih uređaja i količina do danas obavljenog istraživanja nisu dovoljni za iskorištavanje pune upotrebe ovih uređaja.
Kao što se kaže „Nužnost je majka izuma“, naša potreba za bez užurbanosti uređajem za sakupljanje energije s niskim udjelom ugljika donijela je piezoelektrični materijali opet u središte pozornosti. Kako ovi materijali mogu prevladati svoja ograničenja? Krećemo li se prema budućnosti u kojoj bismo se, umjesto da se brinemo o količini goriva koja se troši za putovanje, pitali samo o količini energije koju je proizveo naš automobil? Što misliš? Evo pitanja za vas, koji je najbolji piezoelektrični materijal?
