Пьезоэлектрические материалы существуют с конца 80-х и проложили путь для многих революционных изобретений. Обслуживание в виде МЕЧТАТЬ во время мировой войны эти материалы привлекли внимание изобретателей за их мистические характеристики . Беспроводные сенсорные сети , Интернет вещей правит технической эпохой 21 века. Чтобы эти новинки оставались в рабочем состоянии, требовалось большое количество энергии. Ищите экологически безопасные, надежные, Возобновляемая энергия источник заставили исследователей наткнуться на новаторские комбайны - пьезоэлектрические материалы . Давайте отправимся в путешествие, чтобы исследовать эту новую эпоху комбайны силовые.
Что такое пьезоэлектрический материал?
Чтобы знать, что такое пьезоэлектрический материал нужно знать, что означает термин пьезоэлектрический ?. В ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО термин «пьезо» означает давление или напряжение. Таким образом пьезоэлектричество определяется как «Электроэнергия, генерируемая приложением механического напряжения или напряжения», и материалы, демонстрирующие это свойство, подпадают под категорию пьезоэлектрические материалы . Заслуга за открытие этих материалов принадлежит Сэр Жак Кюри (1856–1941) и Пьер Кюри (1859–1906) . Экспериментируя с некоторыми кристаллическими минералами, такими как кварц, тростниковый сахар и т. Д., Они обнаружили, что приложение силы или напряжения к этим материалам генерирует напряжения противоположной полярности с величинами, соответствующими приложенной нагрузке. Это явление было названо Прямой Пьезоэффект .
В следующем году Липпман обнаружил обратный эффект, заявив, что один из этих кристаллов, генерирующих напряжение, при воздействии электрического поля удлиняется или укорачивается в зависимости от полярности приложенного поля. Пьезоэлектрические материалы стали известны своей ролью в Первой мировой войне, когда кварц использовался в качестве резонаторов в SONAR. В период Второй мировой войны был открыт синтетический пьезоэлектрический материал, что впоследствии привело к интенсивному развитию пьезоэлектрические устройства . Прежде чем использовать пьезоэлектрический материал, необходимо знать, какие характеристики делают эти материалы пьезоэлектрическими.
Свойства пьезоэлектрического материала и как он работает?
Секрет пьезоэлектрических материалов заключается в их уникальной атомной структуре. Пьезоэлектрические материалы связаны ионами и содержат положительные и отрицательные ионы в форме пар, называемых элементарными ячейками. Эти материалы доступны в природе как анизотропный диэлектрик с нецентросимметричная кристаллическая решетка то есть у них нет свободных электрических зарядов и у ионов отсутствует центр симметрии.
Прямой пьезоэлектрический эффект
Когда к этим материалам прикладывается механическое напряжение или трение, геометрия атомной структуры кристалла изменяется из-за чистого движения положительных и отрицательных ионов относительно друг друга, что приводит к электрический диполь или же Поляризация . Таким образом кристалл превращается из диэлектрика в заряженный материал. Количество генерируемого напряжения прямо пропорционально величине напряжения или напряжения, приложенного к кристаллу.
Прямой пьезоэлектрический эффект
Converse пьезоэлектрический эффект
Когда электричество Применяется к этим кристаллам, появляются электрические диполи, образующие движение диполя, которое вызывает деформацию кристалла, тем самым вызывая обратное пьезоэлектрический эффект как показано на рисунке.
Converse пьезоэлектрический эффект
Синтетические пьезоэлектрические материалы
Рукотворный пьезоэлектрические материалы подобно пьезокерамика проявляют спонтанную поляризацию (сегнетоэлектрические свойства), то есть диполь существует в их структуре, даже когда электрическое поле не применяется. Здесь количество пьезоэлектрический эффект производимые сильно зависят от их атомной структуры. Диполи, присутствующие в структуре, образуют домены-области, в которых соседние диполи имеют одинаковую ориентацию. Первоначально эти домены ориентированы случайным образом, что не вызывает чистой поляризации.
Кристаллическая структура перовскита выше и ниже точки Кюри
При приложении сильного электрического поля постоянного тока к этой керамике, когда они проходят через точку Кюри, домены выравниваются в направлении приложенного электрического поля. Этот процесс называется опрос . После охлаждения до комнатной температуры и снятия приложенного электрического поля все домены сохраняют свою ориентацию. После завершения этого процесса керамические экспонаты пьезоэлектрический эффект . Существующие природные пьезоэлектрические материалы, такие как кварц, не отображаются сегнетоэлектрическое поведение .
Пьезоэлектрическое уравнение
Пьезоэлектрический эффект можно описать следующим образом. Уравнения пьезоэлектрической связи
Прямой пьезоэлектрический эффект: S = sE .T + d. E
Обратный пьезоэлектрический эффект: D = d.T + εT.E
Где,
D = вектор электрического смещения
T = вектор напряжения
sE = матрица упругих коэффициентов при постоянной напряженности электрического поля,
S = вектор деформации
εT = диэлектрическая матрица при постоянной механической деформации
E = вектор электрического поля
d = прямой или обратный пьезоэлектрический эффект
Электрическое поле, приложенное в разных направлениях, создает разное напряжение в пьезоэлектрических материалах. Таким образом, знаковые соглашения используются вместе с коэффициентами, чтобы знать направление приложенного поля. Для определения направления используются оси 1, 2, 3 аналогично X, Y, Z. Полинг всегда применяется в направлении 3. Коэффициент с двойными индексами связывает электрические и механические характеристики с первым индексом, описывающим направление движения. электрическое поле в соответствии с приложенным напряжением или произведенным зарядом. Второй индекс указывает направление механического напряжения.
Коэффициент электромеханической связи бывает двух видов. Первый - это член срабатывания d, а второй - датчик срок г. Пьезоэлектрические коэффициенты вместе с их обозначениями можно объяснить с помощью d33
Где,
d указывает приложенное напряжение в 3-м направлении.
3 указывает, что электроды перпендикулярны 3-й оси.
3 указывает пьезоэлектрическую постоянную.
Как работает пьезоэлектрический материал?
Как объяснялось выше, пьезоэлектрические материалы могут работать в два режима :
- Прямой пьезоэлектрический эффект
- Converse пьезоэлектрический эффект
Давайте рассмотрим пример для каждого, чтобы понять применение этих режимов.
Генератор лечебных ударов с использованием прямого пьезоэлектрического эффекта:
DARPA разработал это устройство для оснащения солдат портативным генератором энергии. Пьезоэлектрический материал, имплантированный в обувь, испытывает механическое напряжение, когда солдат ходит. Из-за прямого пьезоэлектрическое свойство , материал производит электрический заряд из-за этого механического напряжения. Этот заряд хранится в конденсатор или же батареи которые, таким образом, можно использовать для зарядки своих электронных устройств на ходу.
Генератор лечебных ударов
Кварцевый кварцевый генератор в часах с пьезоэлектрическим эффектом Converse
Часы содержат Кристалл кварца . Когда электричество от батареи подается на этот кристалл через цепь, происходит обратный пьезоэлектрический эффект. Благодаря этому эффекту при приложении электрического заряда кристалл начинает колебаться с частотой 32768 раз в секунду. Микрочип, присутствующий в схеме, считает эти колебания и генерирует регулярный импульс в секунду, который вращает секундные стрелки часов.
Converse Piezo Effect в часах
Использование пьезоэлектрических материалов
Благодаря уникальному характеристики, пьезоэлектрические материалы приобрели важную роль в различных технологических изобретениях.
Использование прямого пьезоэффекта
- На вокзалах Японии концепция ' толпа ферма »Был протестирован, когда шаги пешеходов по пьезоэлектрической плитке, встроенной в дорогу, могут генерировать электричество.
- В 2008 году в ночном клубе в Лондоне был построен первый экологически чистый пол из пьезоэлектрического материала, который может генерировать электричество для зажигания лампочек, когда люди танцуют на нем.
- Пьезоэлектрический эффект находит применение в качестве механических частотных фильтров, устройства на поверхностных акустических волнах , устройства объемных акустических волн и т. д.
- Звуковые и ультразвуковые микрофоны и динамики, ультразвуковая визуализация , гидрофоны.
- Пьезоэлектрические звукосниматели для гитар, биосенсоры для включения кардиостимулятора.
- Пьезоэлектрические элементы также используются для обнаружения и генерации сонарных волн, одноосных и двухосных. определение наклона .
Пьезоэлектрический эффект от проезжей части
Использование пьезоэффекта Converse
- Приводы и моторы
- Микропрецизионное размещение и микроточная регулировка линз для микроскопов.
- Драйвер иглы в принтерах, миниатюрные двигатели, биморфные приводы.
- Многослойные актуаторы для точного позиционирования в оптике
- Системы впрыска в автомобильных топливных клапанах и т. Д.
Пьезоэлектрический эффект как микрорегулировка в камере
Путем объединения электрических и механических полей:
- Для исследования атомистической структуры материалов.
- Для контроля структурной целостности и обнаружения неисправностей на ранних стадиях в гражданских, промышленных и аэрокосмических конструкциях.
Преимущества и ограничения пьезоэлектрических материалов
Преимущества и недостатки пьезоэлектрических материалов включают следующее.
Преимущества
- Пьезоэлектрические материалы могут работать при любых температурных условиях.
- У них низкий углеродный след что делает их лучшей альтернативой ископаемому топливу.
- Характеристики этих материалов делают их лучшими комбайнами для сбора энергии.
- Неиспользованная энергия, теряемая в виде вибраций, может использоваться для производства зеленой энергии.
- Эти материалы можно использовать повторно.
Ограничения
- При работе с вибрациями эти устройства также склонны улавливать нежелательные вибрации.
- Сопротивление и долговечность накладывают ограничения на устройства, когда они используются для отвода энергии от тротуаров и дорог.
- Несоответствие жесткости пьезоэлектрического материала и материала дорожного покрытия.
- Менее известные подробности об этих устройствах и объем исследований, проведенных на сегодняшний день, недостаточны для полноценного использования этих устройств.
Как говорится: «Необходимость - мать изобретений», наша потребность в беззаботном устройстве для сбора энергии с низким уровнем выбросов углерода принесла пьезоэлектрические материалы снова в центре внимания. Как эти материалы могут преодолеть свои ограничения? Идем ли мы к будущему, в котором вместо того, чтобы беспокоиться о количестве топлива, израсходованном на поездку, мы будем интересоваться только количеством энергии, производимой нашей машиной? Что вы думаете? Вот вам вопрос, какой пьезоэлектрический материал лучший?
