Какво е пиезоелектричен материал? Работа, предимства и ограничения

Какво е пиезоелектричен материал? Работа, предимства и ограничения

Пиезоелектрични материали съществуват от края на 80-те и са проправили път към много променящи играта изобретения. Сервиране под формата на МЕЧТА по време на световната война тези материали сега привлякоха погледите на изобретателите мистични характеристики . Безжични сензорни мрежи , Интернет на нещата управлява техническата ера на 21 век. За да поддържат тези новости актуални, изискването за захранване се превърна в най-голямото предизвикателство. Търсете устойчив, надежден, възобновима енергия източник накара изследователите да се натъкнат на първокласните комбайни - the пиезоелектрични материали . Нека тръгнем на пътешествие, за да изследваме тази нова епоха комбайни.



Какво представлява пиезоелектричният материал?

Да знаеш какво пиезоелектричен материал трябва да се знае какво означава терминът пиезоелектрик ?. В ПИЕЗОЕЛЕКТРИЧНОСТ терминът 'пиезо' означава налягане или стрес. Поради това пиезоелектричност се определя като „Електричество, генерирано от механично напрежение или опън“ и материалите, които проявяват това свойство, попадат в категорията на пиезоелектрични материали . Заслугата за откриването на тези материали е на Сър Жак Кюри (1856–1941) и Пиер Кюри (1859–1906) . Докато експериментираха с някои кристални минерали като кварц, тръстикова захар и др ... те откриха, че прилагането на сила или напрежение върху тези материали генерира напрежения с противоположни полярности с величини, предполагащи приложеното натоварване. Това явление беше наречено Директен Пиезоефект .


През следващата година, Липман открива обратния ефект, заявявайки, че един от тези кристали, генериращи напрежение, когато е изложен на електрическо поле, се удължава или съкращава според полярността на приложеното поле. Пиезоелектрични материали дойдоха до признание с ролята им в Първата световна война, когато кварцът беше използван като резонатор в SONAR. По време на Втората световна война е открит синтетичен пиезоелектричен материал, който по-късно води до интензивното развитие на пиезоелектрически устройства . Преди да използвате пиезоелектричен материал, трябва да знаете какви характеристики правят тези материали пиезоелектрични.





Свойства на пиезоелектричния материал и как работи?

Тайната на пиезоелектричните материали се крие в тяхната уникална атомна структура. Пиезоелектричните материали са йонно свързани и съдържат положителни и отрицателни йони под формата на двойки, наречени единични клетки. Тези материали се предлагат в природата като анизотропен диелектрик с нецентросиметрична кристална решетка т.е. нямат никакви свободни електрически заряди и йоните нямат център на симетрия.

Директен пиезоелектричен ефект

Когато се прилага механично напрежение или триене върху тези материали, геометрията на атомната структура на кристала се променя поради нетното движение на положителни и отрицателни йони по отношение един на друг, което води до електрически дипол или Поляризация . Така кристалът преминава от диелектрик в зареден материал. Количеството на генерираното напрежение е право пропорционално на напрежението или напрежението, приложено към кристала.



Директен пиезоелектричен ефект

Директен пиезоелектричен ефект

Конверс пиезоелектричен ефект

Кога електричество се прилага към тези кристали се появяват електрически диполи, образуващи диполното движение, което причинява деформация на кристала, като по този начин се получава обратна връзка пиезоелектричен ефект както е показано на фигурата.


Converse Piezioelectric Effect

Конверс пиезоелектричен ефект

Синтетични пиезоелектрични материали

Изкуствени пиезоелектрични материали като пиезоелектрична керамика проявяват спонтанна поляризация (фероелектрично свойство), т.е. дипол съществува в тяхната структура, дори когато не се прилага електрическо поле. Тук сумата от пиезоелектричен ефект произведени силно зависи от тяхната атомна структура. Диполите, присъстващи в структурата, образуват области-области, където съседните диполи имат еднакво подравняване. Първоначално тези домейни са произволно ориентирани, като по този начин не причиняват нетна поляризация.

Кристална структура на Перовските над и под точка Кюри

Кристална структура на Перовските над и под точка Кюри

Чрез прилагане на силно постояннотоково електрическо поле към тази керамика, когато преминават през точката им на Кюри, домейните се подравняват по посока на приложеното електрическо поле. Този процес се нарича анкета . След охлаждане до стайна температура и премахване на приложеното електрическо поле, всички домейни запазват своята ориентация. След приключване на този процес керамичните експонати пиезоелектричният ефект . Натуралните пиезоелектрични материали като кварц не се показват фероелектрично поведение .

Пиезоелектрично уравнение

Пиезоелектричният ефект може да бъде описан със следното Пиезоелектрични уравнения за свързване

Директен пиезоелектричен ефект: S = sE .T + d. Е
Обратен пиезоелектричен ефект: D = d.T + εT.E

Където,

D = вектор на електрическо изместване

T = векторът на напрежението

sE = матрица на еластичните коефициенти при постоянна сила на електрическото поле,

S = вектор на деформация

εT = диелектрична матрица при постоянно механично натоварване

E = вектор на електрическото поле

d = директен или обратен пиезоелектричен ефект

Електрическото поле, приложено в различни посоки, генерира различни количества напрежение в пиезоелектрическите материали. Така че знаковите конвенции се използват заедно с коефициентите, за да се знае посоката на приложеното поле. За да се определи посоката, оси 1, 2, 3 се използват аналогично на X, Y, Z. Полирането винаги се прилага в посока 3. Коефициентът с двойни индекси свързва електрически и механични характеристики с първия индекс, описващ посоката на електрическо поле в съответствие с приложеното напрежение или произведеното зареждане. Вторият индекс дава посоката на механичното напрежение.

Коефициентът на електромеханично свързване се среща в две форми. Първият е задействащият член d, а вторият е сензора термин ж. Пиезоелектричните коефициенти заедно с техните обозначения могат да бъдат обяснени с d33

Където,

d посочва, че приложеното напрежение е в 3-та посока.

3 посочва електродите са перпендикулярни на 3-та ос.

3 определя пиезоелектричната константа.

Как работи пиезоелектричният материал?

Както е обяснено по-горе, пиезоелектрическите материали могат да работят два режима :

    • Директният пиезоелектричен ефект
    • Обратен пиезоелектричен ефект

Нека вземем пример за всеки, за да разберем приложението на тези режими.

Heal-Strike Generator, използващ директен пиезоелектричен ефект:

DARPA разработи това устройство, за да оборудва войниците с преносим генератор на енергия. Пиезоелектричният материал, имплантиран в обувките, изпитва механично напрежение, когато войникът ходи. Поради директна пиезоелектрично свойство , материалът произвежда електрически заряд поради това механично напрежение. Тази такса се съхранява в кондензатора или батерии които по този начин могат да се използват за зареждане на техните електронни устройства в движение.

Heal Knit Generator

Heal Strike Generator

Кварцов кристален осцилатор в часовници с помощта на Converse Piezoelectric Effect

Часовниците съдържат a кварцов кристал . Когато електричеството от батерията се прилага към този кристал чрез верига, се получава обратен пиезоелектричен ефект. Поради този ефект при прилагане на електрически заряд кристалът започва да трепти с честота 32768 пъти в секунда. Микрочипът, присъстващ във веригата, отчита тези трептения и генерира редовен импулс в секунда, който завърта вторите стрелки на часовника.

Ефект Converse Piezo, използван в часовници

Ефект Converse Piezo, използван в часовници

Използване на пиезоелектрически материали

Поради своята уникална характеристики, пиезоелектрични материали са придобили важна роля в различни технологични изобретения.

Използване на Direct Piezo Effect

    • В гарите на Япония концепцията за „ тълпа ферма ”Беше тестван там, където стъпките на пешеходците върху вградените в пътя пиезоелектрически плочки могат да генерират електричество.
    • През 2008 г. нощен клуб в Лондон изгражда първи екологичен под, съставен от пиезоелектрически материал, който може да генерира електричество за захранване на крушки, когато хората танцуват върху него.
    • Пиезоелектричният ефект намира полезно приложение като механични честотни филтри, устройства за повърхностна акустична вълна , устройства за акустична вълна и т.н. ...
    • Звукови и ултразвукови микрофони и високоговорители, ултразвуково изображение , хидрофони.
    • Пиезоелектрични пикапи за китари, биосензори за включване на пейсмейкъра.
    • Пиезоелектричните елементи също се използват при откриване и генериране на сонарни вълни, едноосни и двуосни засичане на наклон .
Пизоелектричен ефект от пътищата

Пиезоелектричен ефект от пътищата

Използване на Converse Piezoelectric Effect

  • Задвижващи механизми и двигатели
  • Микропрецизно поставяне и микропрецизионни настройки в лещи за микроскопи.
  • Драйвер за игла в принтери, миниатюризирани двигатели, биморфни задвижващи механизми.
  • Многослойни изпълнителни механизми за фино позициониране в оптиката
  • Инжекционни системи в автомобилни горивни клапани и т.н. ...

    PieElectric Effect като микро настройка в камерата

    Пиезо електрически ефект като микро настройка в камерата

Чрез свързване на електрическо и механично поле:

    • За изследване на атомистичната структура на материалите.
    • За наблюдение на структурната цялост и откриване на дефекти на ранните етапи в граждански, промишлени и космически структури.

Предимства и ограничения на пиезоелектрическите материали

Предимствата и ограниченията на пиезоелектрическите материали включват следното.

Предимства

    • Пиезоелектричните материали могат да работят при всякакви температурни условия.
    • Те имат ниски въглероден отпечатък което ги прави най-добрата алтернатива за изкопаеми горива.
    • Характеристиките на тези материали ги правят най-добрите комбайни за енергия.
    • Неизползваната енергия, загубена под формата на вибрации, може да се използва за генериране на зелена енергия.
    • Тези материали могат да бъдат използвани повторно.

Ограничения

    • Докато работят с вибрации, тези устройства са склонни да улавят и нежелани вибрации.
    • Устойчивостта и издръжливостта прилагат ограничения за устройства, когато се използват за извличане на енергия от настилки и пътища.
    • Несъответствието между твърдостта на пиезоелектричния материал и настилката.
    • По-малко известни подробности за тези устройства и обемът на изследванията, извършени до момента, не са достатъчни, за да се използва пълноценното използване на тези устройства.

Както се казва „Необходимостта е майката на изобретението“, нашата необходимост от устройство за събиране на енергия с нисък въглероден отпечатък донесе пиезоелектрични материали отново в светлината на прожекторите. Как тези материали могат да преодолеят своите ограничения? Продължаваме ли към бъдеще, където вместо да се тревожим за количеството гориво, използвано за пътуване, ще се чудим само за количеството енергия, генерирана от нашата кола? Какво мислиш? Ето въпрос към вас, кой е най-добрият пиезоелектричен материал?