Piezoelektriske materialer har eksistert siden slutten av 80-tallet og banet vei for mange spillendrende oppfinnelser. Servering i form av DRØM i verdenskrig har disse materialene nå fått oppfinnerens blikk for deres mystiske egenskaper . Trådløse sensornettverk , Internett av ting styrer den tekniske æra av det 21. århundre. For å holde disse nyhetene i gang, har kraftbehov blitt den største utfordringen. Jakten på en bærekraftig, pålitelig, fornybar energi kilde fikk forskere til å snuble over banebrytende høstmaskiner - den piezoelektriske materialer . La oss reise på en reise for å utforske denne nye tidsalderen kraftopptakere.
Hva er piezoelektrisk materiale?
Å vite hva en piezoelektrisk materiale må man vite hva betyr begrepet piezoelektrisk ?. I PIEZOELECTRICITY begrepet 'piezo' står for trykk eller stress. Dermed piezoelektrisitet er definert som 'Elektrisitet generert ved påføring av mekanisk spenning eller spenning' og materialene som utviser denne egenskapen faller under kategorien piezoelektriske materialer . Æren for oppdagelsen av disse materialene går til Sir Jacques Curie (1856–1941) og Pierre Curie (1859–1906) . Mens de eksperimenterte med visse krystallinske mineraler som kvarts, rørsukker osv., Fant de ut at kraft eller spenning på disse materialene genererte spenninger med motsatte polariteter med størrelser som var proposisjonelle for den påførte belastningen. Dette fenomenet ble kalt Direkte Piezoeffekt .
Året etter, Lippman oppdaget Converse-effekten som sa at en av disse spenningsgenererende krystallene, når de ble utsatt for et elektrisk felt, forlenget eller forkortet i henhold til polariteten til det påførte feltet. Piezoelektriske materialer kom til anerkjennelse med sin rolle i WW1 da kvarts ble brukt som resonatorer i SONAR. I løpet av andre verdenskrig ble det oppdaget syntetisk piezoelektrisk materiale, som senere førte til den intense utviklingen av piezoelektriske enheter . Før du bruker et piezoelektrisk materiale, må du vite hvilke egenskaper som gjør disse materialene piezoelektriske.
Egenskaper ved piezoelektrisk materiale og hvordan fungerer det?
Hemmeligheten bak piezoelektriske materialer ligger i deres unike atomstruktur. Piezoelektriske materialer er ionisk bundet og inneholder positive og negative ioner i form av par som kalles enhetsceller. Disse materialene er tilgjengelige i naturen som et anisotropisk dielektrikum med ikke-sentrosymmetrisk krystallgitter dvs. de har ingen gratis elektriske ladninger, og ionene mangler et symmetrisenter.
Direkte piezoelektrisk effekt
Når mekanisk spenning eller friksjon påføres disse materialene, endres geometrien til atomstrukturen til krystallet på grunn av nettobevegelse av positive og negative ioner i forhold til hverandre, noe som resulterer i elektrisk dipol eller Polarisering . Dermed skifter krystallet fra et dielektrikum til et ladet materiale. Mengden generert spenning er direkte proporsjonal med mengden stress eller spenning som påføres krystallet.
Direkte piezoelektrisk effekt
Omvendt piezoelektrisk effekt
Når elektrisitet påføres på disse krystallene elektriske dipoler vises, og danner dipolbevegelsen som forårsaker deformasjon av krystallet, og gir dermed anledning til å snakke piezoelektrisk effekt som vist på figuren.
Omvendt piezoelektrisk effekt
Syntetiske piezoelektriske materialer
Menneskeskapt piezoelektriske materialer som piezoelektrisk keramikk utviser spontan polarisering (ferroelektrisk egenskap) dvs. dipol eksisterer i strukturen deres selv når det ikke påføres noe elektrisk felt. Her mengden av piezoelektrisk effekt produsert avhenger sterkt av deres atomstruktur. Dipolene som er tilstede i strukturen danner domeneregioner der de nærliggende dipolene har samme innretting. I utgangspunktet er disse domenene tilfeldig orientert og forårsaker ingen nettopolarisering.
Perovskite Crystal Structure over og under Curie Point
Ved å bruke et sterkt likestrømsfelt på disse keramikkene når de passerer gjennom Curie-punktet, blir domenene justert i retning av påført elektrisk felt. Denne prosessen kalles avstemming . Etter avkjøling til romtemperatur og fjerning av det påførte elektriske feltet, opprettholder alle domenene sin orientering. Etter at denne prosessen er fullført, utstiller keramikken den piezoelektriske effekten . Naturlige eksisterende piezoelektriske materialer som kvarts vises ikke ferroelektrisk oppførsel .
Piezoelektrisk ligning
Piezoelektrisk effekt kan beskrives med det følgende Piezoelektriske koblingsligninger
Direkte piezoelektrisk effekt: S = sE. T + d. E
Omvendt piezoelektrisk effekt: D = d.T + εT.E
Hvor,
D = elektrisk forskyvningsvektor
T = stressvektoren
sE = matrise av elastiske koeffisienter ved konstant elektrisk feltstyrke,
S = stammevektor
εT = dielektrisk matrise ved konstant mekanisk belastning
E = elektrisk feltvektor
d = direkte eller omvendt piezoelektrisk effekt
Det elektriske feltet som påføres i forskjellige retninger genererer forskjellige mengder stress i piezoelektriske materialer. Så tegnkonvensjoner brukes sammen med koeffisienter for å vite retningen på anvendt felt. For å bestemme retningen blir aksene 1, 2, 3 brukt analogt med X, Y, Z. Poling påføres alltid i retning av 3. Koeffisienten med doble abonnementer relaterer til elektriske og mekaniske egenskaper med det første tegnet som beskriver retningen til elektrisk felt i samsvar med den produserte spenningen eller ladningen. Det andre tegnet gir retning for mekanisk spenning.
Elektromekanisk koblingskoeffisient forekommer i to former. Den første er aktiveringsperioden d, og den andre er sensoren begrep g. De piezoelektriske koeffisientene sammen med deres notasjoner kan forklares med d33
Hvor,
d spesifiserer anvendt spenning er i 3. retning.
3 angir at elektrodene er vinkelrette på 3. akse.
3 spesifiserer piezoelektrisk konstant.
Hvordan fungerer piezoelektrisk materiale?
Som forklart ovenfor kan piezoelektriske materialer fungere i to moduser :
- Den direkte piezoelektriske effekten
- Omvendt piezoelektrisk effekt
La oss ta et eksempel for hver for å forstå anvendelsen av disse modusene.
Heal-Strike-generator ved bruk av direkte piezoelektrisk effekt:
DARPA har utviklet denne enheten for å utstyre soldater med en bærbar kraftgenerator. Det piezoelektriske materialet som er implantert i skoene, opplever mekanisk stress når soldaten går. På grunn av direkte piezoelektrisk eiendom produserer materialet elektrisk ladning på grunn av denne mekaniske spenningen. Denne ladingen lagres i kondensatoren eller batterier som derved kan brukes til å lade elektroniske enheter på farten.
Heal Strike Generator
Quartz Crystal Oscillator i klokker ved bruk av Converse Piezoelectric Effect
Klokker inneholder en kvartskrystall . Når elektrisitet fra batteriet påføres denne krystallen gjennom en krets, oppstår en omvendt piezoelektrisk effekt. På grunn av denne effekten ved påføring av elektrisk ladning begynner krystallet å svinge med en frekvens på 32768 ganger per sekund. Mikrochipet som er til stede i kretsen teller disse svingningene og genererer en vanlig puls per sekund som snur andrehender på klokken.
Converse Piezo-effekt brukt i klokker
Bruk av piezoelektriske materialer
På grunn av sin unike egenskaper, piezoelektriske materialer har fått en viktig rolle i ulike teknologiske oppfinnelser.
Bruk av Direct Piezo Effect
- I Japans togstasjoner begrepet ' publikum gård ”Ble testet der fotgjengernes fotspor på de piezoelektriske flisene som er innebygd på veien kan generere strøm.
- I 2008 bygde en nattklubb i London det første miljøvennlige gulvet som består av piezoelektrisk materiale som kan generere strøm for å få opp lyspærer når folk danser på det.
- Piezoelektrisk effekt finner nyttig anvendelse som mekaniske frekvensfiltre, overflate akustiske bølgenheter , bulk akustiske bølgenheter, osv ...
- Lyd- og ultralydmikrofoner og høyttalere, ultralydsavbildning , hydrofoner.
- Piezoelektriske pickups for gitarer, biosensorer for å slå på pacemakeren.
- Piezoelektriske elementer brukes også til påvisning og generering av ekkoloddbølger, enkeltakse og dobbeltakse tilt sensing .
Piezoelektrisk effekt fra veier
Bruk av Converse Piezoelectric Effect
- Aktuatorer og motorer
- Mikro-presisjon plassering og mikro-presisjon justeringer i linser for mikroskop.
- Nåledriver i skrivere, miniatyriserte motorer, bimorfe aktuatorer.
- Flerlagsaktuatorer for fin posisjonering i optikk
- Injeksjonssystemer i drivstoffventiler til biler osv.
Piezo elektrisk effekt som mikrojustering i kameraet
Ved å koble elektriske og mekaniske felt:
- For undersøkelse av den atomistiske strukturen til materialer.
- Å overvåke strukturell integritet og oppdage feil i tidlige stadier i sivile, industrielle og romfartstrukturer.
Fordeler og begrensninger av piezoelektriske materialer
Fordelene og begrensningene med piezoelektriske materialer inkluderer følgende.
Fordeler
- Piezoelektriske materialer kan fungere ved alle temperaturforhold.
- De har lave karbonutslipp gjør dem til det beste alternativet for fossilt brensel.
- Kjennetegn ved disse materialene gjør dem til de beste energihøstere.
- Ubrukt energi tapt i form av vibrasjoner kan tappes for å generere grønn energi.
- Disse materialene kan brukes på nytt.
Begrensninger
- Mens du arbeider med vibrasjoner, er disse enhetene utsatt for å ta opp uønskede vibrasjoner også.
- Motstand og holdbarhet gjelder grenser for enheter når de brukes til å tappe energi fra fortau og veier.
- Misforholdet mellom stivhet av piezoelektrisk materiale og fortau.
- Mindre kjente detaljer om disse enhetene og hvor mye forskning som er gjort til dags dato er ikke tilstrekkelig til å utnytte full bruk av disse enhetene.
Som det blir sagt 'Nødvendighet er mor til oppfinnelsen', har vår nødvendighet for en kjasleløs høstingsinnretning med lavt karbonavtrykk gitt piezoelektriske materialer inn i rampelyset igjen. Hvordan kan disse materialene overvinne sine begrensninger? Flytter vi oss mot en fremtid der vi i stedet for å bekymre oss for hvor mye drivstoff som brukes opp til å reise, bare lurer på hvor mye kraft bilen vår genererte? Hva tror du? Her er et spørsmål til deg, hva er det beste piezoelektriske materialet?
