Pjezoelektriskie materiāli ir bijuši jau kopš 80. gadu beigām un ļāva izveidot daudzus izgudrojumus, kas maina spēli. Pasniedz formā SAPNIS pasaules karā šie materiāli tagad ir piesaistījuši izgudrotāju uzmanību mistiskas īpašības . Bezvadu sensoru tīkli , Lietu internets pārvalda 21. gadsimta tehnisko laikmetu. Lai šie jaunumi darbotos un darbotos, jaudas prasība ir kļuvusi par lielāko izaicinājumu. Meklējiet ilgtspējīgu, uzticamu, atjaunojamā enerģija avots izraisīja pētniekus, lai pakluptu uz priekšu spraužamajiem kombainiem- pjezoelektriskie materiāli . Sāksim braucienu, lai izpētītu šo jauno laikmetu jaudas kombaini.
Kas ir pjezoelektriskais materiāls?
Lai uzzinātu, kas a pjezoelektriskais materiāls vai ir jāzina, ko nozīmē termins pjezoelektriskais? In PIEZOELektroenerģija termins “pjezo” apzīmē spiedienu vai stresu. Tādējādi pjezoelektrība ir definēta kā “Elektroenerģija, ko rada mehāniskā sprieguma vai spriedzes iedarbība”, un materiāli, kuriem piemīt šī īpašība, ietilpst pjezoelektriskie materiāli . Kredīts par šo materiālu atklāšanu ir Sers Žaks Kirī (1856–1941) un Pjērs Kirī (1859–1906) . Eksperimentējot ar noteiktiem kristāliskiem minerāliem, piemēram, kvarcu, niedru cukuru utt., Viņi atklāja, ka spēka vai spriedzes iedarbība uz šiem materiāliem rada pretējas polaritātes spriegumus ar lielumiem, kas proporcionāli pieliek slodzi. Šī parādība tika nosaukta kā Tieša Pjezoefekts .
Nākamajā gadā Lipmans atklāja Converse efektu, norādot, ka viens no šiem spriegumu ģenerējošajiem kristāliem, pakļaujoties elektriskajam laukam, pagarinās vai saīsinās atbilstoši pielietotā lauka polaritātei. Pjezoelektriskie materiāli tika atzīti ar savu lomu 1. pasaules karā, kad kvarcu SONAR izmantoja kā rezonatorus. Otrā pasaules kara laikā tika atklāts sintētisks pjezoelektriskais materiāls, kas vēlāk izraisīja intensīvu pjezoelektriskās ierīces . Pirms pjezoelektriskā materiāla izmantošanas jāzina, kādas īpašības padara šos pjezoelektriskos.
Pjezoelektriskā materiāla īpašības un kā tas darbojas?
Pjezoelektrisko materiālu noslēpums slēpjas to unikālajā atomu struktūrā. Pjezoelektriskie materiāli ir jonu savienojumi un satur pozitīvos un negatīvos jonus pāru veidā, ko sauc par vienības šūnām. Šie materiāli dabā ir pieejami kā anizotropais dielektrisks ar necentrosimetriska kristāla režģis i., viņiem nav brīvu elektrisko lādiņu, un joniem trūkst simetrijas centra.
Tiešais pjezoelektriskais efekts
Ja šiem materiāliem tiek piemērots mehāniskais spriegums vai berze, kristāla atomu struktūras ģeometrija mainās pozitīvo un negatīvo jonu neto kustības dēļ attiecībā pret otru, kā rezultātā elektriskais dipols vai Polarizācija . Tādējādi kristāls no dielektrikas mainās uz lādētu materiālu. Radītā sprieguma daudzums ir tieši proporcionāls kristālam uzliktā stresa vai spriedzes lielumam.
Tiešais pjezoelektriskais efekts
Pārvērst pjezoelektrisko efektu
Kad elektrība Šiem kristāliem tiek uzklāti elektriski dipoli, veidojot dipola kustību, kas izraisa kristāla deformāciju, tādējādi radot sarunu pjezoelektriskais efekts kā parādīts attēlā.
Pārvērst pjezoelektrisko efektu
Sintētiskie pjezoelektriskie materiāli
Manmade pjezoelektriskie materiāli patīk pjezoelektriskā keramika piemīt spontāna polarizācija (feroelektriskā īpašība), t.i., dipols to struktūrā pastāv pat tad, ja netiek izmantots elektriskais lauks. Šeit summa pjezoelektriskais efekts ražošana ir ļoti atkarīga no to atomu struktūras. Struktūrā esošie dipoli veido domēnus-reģionus, kur kaimiņu dipoliem ir vienāda izlīdzināšanās. Sākotnēji šie domēni ir nejauši orientēti, tādējādi neradot neto polarizāciju.
Perovskīta kristāla struktūra virs un zem Kirī punkta
Pielietojot šai keramikai spēcīgu līdzstrāvas elektrisko lauku, kad tās šķērso Kirī punktu, domēni tiek izlīdzināti pielietotā elektriskā lauka virzienā. Šo procesu sauc aptauja . Pēc atdzesēšanas līdz istabas temperatūrai un pielietotā elektriskā lauka noņemšanas visi domēni saglabā savu orientāciju. Pēc šī procesa pabeigšanas keramikas eksponāti pjezoelektriskais efekts . Dabiski esošie pjezoelektriskie materiāli, piemēram, kvarcs, netiek parādīti feroelektriskā uzvedība .
Pjezoelektriskais vienādojums
Pjezoelektrisko efektu var aprakstīt šādi Pjezoelektriskie sakabes vienādojumi
Tiešais pjezoelektriskais efekts: S = sE. T + d. E
Pārvērst pjezoelektrisko efektu: D = d.T + εT.E
Kur,
D = elektriskā pārvietojuma vektors
T = sprieguma vektors
sE = elastīgo koeficientu matrica pie nemainīga elektriskā lauka intensitātes,
S = celma vektors
εT = dielektriskā matrica pie nemainīgas mehāniskās slodzes
E = elektriskā lauka vektors
d = tiešs vai pretējs pjezoelektriskais efekts
Dažādos virzienos pielietotais elektriskais lauks pjezoelektriskajos materiālos rada dažādu spriegumu. Tātad apzīmējumu konvencijas tiek izmantotas kopā ar koeficientiem, lai uzzinātu pielietotā lauka virzienu. Lai noteiktu virzienu, 1., 2., 3. asis tiek izmantotas analoģiski X, Y, Z. Poling vienmēr tiek izmantots virzienā 3. Koeficients ar dubulto abonementu attiecas elektriskās un mehāniskās īpašības ar pirmo apakšindeksu, kas apraksta virziena virzienu. elektriskais lauks atbilstoši pielietotajam spriegumam vai radītajam lādiņam. Otrais indekss norāda mehāniskā sprieguma virzienu.
Elektromehāniskais sakabes koeficients notiek divos veidos. Pirmais ir iedarbināšanas termins d, un otrais ir sensoru termins g. Pjezoelektriskos koeficientus kopā ar to apzīmējumiem var izskaidrot ar d33
Kur,
d norāda, ka pielietotais spriegums ir 3. virzienā.
3 norāda, ka elektrodi ir perpendikulāri 3. asij.
3 norāda pjezoelektrisko konstanti.
Kā darbojas pjezoelektriskais materiāls?
Kā paskaidrots iepriekš, pjezoelektriskie materiāli var darboties divi režīmi :
- Tiešais pjezoelektriskais efekts
- Pārvērst pjezoelektrisko efektu
Ņemiet katram piemēru, lai izprastu šo režīmu pielietojumu.
Heal-Strike ģenerators, izmantojot tiešo pjezoelektrisko efektu:
DARPA ir izstrādājis šo ierīci, lai aprīkotu karavīrus ar pārnēsājamu enerģijas ģeneratoru. Apavos implantētais pjezoelektriskais materiāls piedzīvo mehānisku spriedzi, kad karavīrs staigā. Sakarā ar tiešo pjezoelektriskā īpašība , materiāls rada elektrisko lādiņu šī mehāniskā sprieguma dēļ. Šī maksa tiek glabāta mapē kondensators vai baterijas ko tādējādi var izmantot, lai uzlādētu viņu elektroniskās ierīces, atrodoties ceļā.
Dziedēt streiku ģenerators
Kvarca kristāla oscilators pulksteņos, izmantojot Converse pjezoelektrisko efektu
Pulksteņos ir a kvarca kristāls . Kad elektrība no akumulatora tiek piegādāta šim kristālam caur ķēdi, rodas pretējs pjezoelektriskais efekts. Sakarā ar šo efektu, pielietojot elektrisko lādiņu, kristāls sāk svārstīties ar frekvenci 32768 reizes sekundē. Mikroshēma, kas atrodas ķēdē, saskaita šīs svārstības un ģenerē regulāru impulsu sekundē, kas griež pulksteņa otrās rokas.
Converse Pjezoefekts, ko izmanto pulksteņos
Pjezoelektrisko materiālu izmantošana
Pateicoties tā unikālajam raksturlielumi, pjezoelektriskie materiāli ir ieguvuši nozīmīgu lomu dažādos tehnoloģiskos izgudrojumos.
Tiešā pjezo efekta izmantošana
- Japānas dzelzceļa stacijās jēdziens “ pūļa saimniecība ”Tika pārbaudīts, kur gājēju pēdas uz pjezoelektriskajām flīzēm, kas iestrādātas uz ceļa, var radīt elektrību.
- 2008. gada naktsklubs Londonā uzbūvē pirmo videi draudzīgo grīdu, kas sastāv no pjezoelektriskā materiāla, kas var radīt elektrību, lai ieslēgtu spuldzes, kad cilvēki uz tās dejo.
- Pjezoelektriskais efekts ir noderīgs kā mehāniski frekvences filtri, virsmas akustisko viļņu ierīces , lielapjoma akustisko viļņu ierīces utt.
- Skaņas un ultraskaņas mikrofoni un skaļruņi, ultraskaņas attēlveidošana , hidrofoni.
- Pjezoelektriskie ģitāru uztvērēji, biosensori ieslēgt elektrokardiostimulatoru.
- Pjezoelektriskos elementus izmanto arī hidrolokatoru viļņu, vienas un divasu noteikšanai un ģenerēšanai slīpuma uztveršana .
Pjezoelektriskā ietekme no ceļa
Converse pjezoelektriskā efekta izmantošana
- Piedziņas un motori
- Mikroskopu lēcu mikroprecizitāte un mikroprecizitātes pielāgošana.
- Adatu draiveris printeros, miniaturizēti motori, bimorfa izpildmehānismi.
- Daudzslāņu izpildmehānismi smalkai pozicionēšanai optikā
- Iesmidzināšanas sistēmas automobiļu degvielas vārstos utt.
Pjezo elektriskais efekts kā mikropielāgošana kamerā
Savienojot elektriskos un mehāniskos laukus:
- Materiālu atomistiskās struktūras izpētei.
- Lai uzraudzītu strukturālo integritāti un atklātu defektus agrīnās stadijās civilajās, rūpnieciskajās un aviācijas konstrukcijās.
Pjezoelektrisko materiālu priekšrocības un ierobežojumi
Pjezoelektrisko materiālu priekšrocības un ierobežojumi ietver sekojošo.
Priekšrocības
- Pjezoelektriskie materiāli var darboties jebkuros temperatūras apstākļos.
- Viņiem ir zems oglekļa nospiedums padarot tos par labāko alternatīvu fosilajai degvielai.
- Šo materiālu īpašības padara tos par labākajiem enerģijas novācējiem.
- Neizmantoto enerģiju, kas zaudēta vibrāciju veidā, var izmantot, lai radītu zaļo enerģiju.
- Šos materiālus var izmantot atkārtoti.
Ierobežojumi
- Strādājot ar vibrācijām, šīs ierīces ir pakļautas arī nevēlamu vibrāciju uztveršanai.
- Izturība un izturība piemēro ierobežojumus ierīcēm, ja tās izmanto, lai izmantotu enerģiju no ietvēm un ceļiem.
- Neatbilstība starp pjezoelektriskā materiāla un seguma materiāla stingrību.
- Mazāk zināma šo ierīču informācija un līdz datumam veikto pētījumu apjoms nav pietiekams, lai izmantotu šo ierīču pilnīgu izmantošanu.
Kā teikts “Vajadzība ir izgudrojuma māte”, mūsu nepieciešamība pēc enerģijas ieguves bez grūstīšanās un zemas oglekļa emisijas enerģijas novākšanas ierīces pjezoelektriskie materiāli atkal uzmanības centrā. Kā šie materiāli var pārvarēt savus ierobežojumus? Vai mēs virzāmies uz nākotni, kurā tā vietā, lai uztrauktos par ceļošanai patērēto degvielas daudzumu, mēs tikai brīnītos par mūsu automašīnas radīto enerģijas daudzumu? Ko tu domā? Šeit ir jautājums jums, kāds ir labākais pjezoelektriskais materiāls?
