Pietsosähköiset materiaalit ovat olleet olemassa 80-luvun lopusta lähtien ja avanneet tietä monille peliä muuttaville keksinnöille. Tarjoillaan muodossa UNELMA maailmansodassa nämä materiaalit ovat nyt kiinnittäneet keksijöiden huomion mystiset ominaisuudet . Langattomat anturiverkot , Esineiden internet hallitsee 2000-luvun teknistä aikakautta. Jotta nämä uutuudet pysyisivät toiminnassa, tehontarpeesta on tullut suurin haaste. Etsi kestävää, luotettavaa, uusiutuva energia lähde sai tutkijat kompastumaan polttomoottorikäyttöisiin harvesteriin - pietsosähköiset materiaalit . Lähdetään matkalle tutkimaan näitä uusia aikoja koneet.
Mikä on pietsosähköinen materiaali?
Tietää mitä a pietsosähköinen materiaali onko tiedettävä, mitä termi pietsosähköinen tarkoittaa ?. Sisään PIEZOVALTISUUS termi ”piezo” tarkoittaa painetta tai stressiä. Täten pietsosähkö on määritelty 'mekaanisen rasituksen tai jännityksen avulla tuotetuksi sähköksi' ja materiaalit, joilla on tämä ominaisuus, kuuluvat luokkaan pietsosähköiset materiaalit . Kiitos näiden materiaalien löytämisestä on Sir Jacques Curie (1856–1941) ja Pierre Curie (1859–1906) . Kokeilemalla tiettyjä kiteisiä mineraaleja, kuten kvartsia, ruokosokeria jne., He havaitsivat, että voiman tai jännityksen kohdistaminen näihin materiaaleihin tuotti vastakkaisen polaarisuuden jännitteitä, joiden suuruusluokitukset olivat suhteessa käytettyyn kuormitukseen. Tämä ilmiö nimettiin nimellä Suoraan Pietsoefekti .
Seuraavana vuonna Lippman löysi Converse-ilmiön, jonka mukaan yksi näistä jännitettä tuottavista kiteistä, kun se altistetaan sähkökentälle, pidentyy tai lyhenee käytetyn kentän napaisuuden mukaan. Pietsosähköiset materiaalit tulivat tunnetuksi roolistaan ensimmäisessä maailmansodassa, kun Kvartsiä käytettiin resonaattoreina SONARissa. Toisen maailmansodan aikana löydettiin synteettistä pietsosähköistä materiaalia, joka myöhemmin johti pietsosähköiset laitteet . Ennen pietsosähköisen materiaalin käyttöä on tiedettävä, mitkä ominaisuudet tekevät näistä materiaaleista pietsosähköisiä.
Pietsosähköisen materiaalin ominaisuudet ja miten se toimii?
Pietsosähköisten materiaalien salaisuus on niiden ainutlaatuisessa atomirakenteessa. Pietsosähköiset materiaalit ovat ionisidottuja ja sisältävät positiivisia ja negatiivisia ioneja pareittain, joita kutsutaan yksikkö soluiksi. Näitä materiaaleja on saatavana luonnossa nimellä anisotrooppinen dielektrinen kanssa ei-sentrosymmetrinen kidehila ts. heillä ei ole vapaita sähkövaroja ja ioneilta puuttuu symmetriakeskus.
Suora pietsosähköinen vaikutus
Kun näille materiaaleille kohdistetaan mekaanista rasitusta tai kitkaa, kiteen atomirakenteen geometria muuttuu positiivisten ja negatiivisten ionien nettoliikkeen vuoksi toisiinsa nähden, jolloin sähköinen dipoli tai Polarisaatio . Siten kide muuttuu dielektrisestä varautuneeksi materiaaliksi. Syntyvän jännitteen määrä on suoraan verrannollinen kiteeseen kohdistetun jännityksen tai jännityksen määrään.
Suora pietsosähköinen vaikutus
Converse pietsosähköinen vaikutus
Kun sähköä Näihin kiteisiin levitetään sähköisiä dipoleja, jotka muodostavat dipoliliikkeen, joka aiheuttaa kiteen muodonmuutoksen, mikä johtaa keskusteluun pietsosähköinen vaikutus kuten kuvassa on esitetty.
Converse pietsosähköinen vaikutus
Synteettiset pietsosähköiset materiaalit
Manmade pietsosähköiset materiaalit Kuten pietsosähköinen keramiikka niillä on spontaani polarisaatio (ferrosähköinen ominaisuus), ts. niiden rakenteessa on dipolia, vaikka sähkökenttää ei käytettäisikään. Tässä määrä pietsosähköinen vaikutus tuotettu riippuu voimakkaasti niiden atomirakenteesta. Rakenteessa läsnä olevat dipolit muodostavat domeeneja-alueita, joissa vierekkäisillä dipoleilla on sama kohdistus. Aluksi nämä domeenit on suunnattu satunnaisesti, mikä ei aiheuta nettopolarisaatiota.
Perovskite-kristallirakenne Curie-pisteen ylä- ja alapuolella
Soveltamalla voimakasta DC-sähkökenttää näihin keramiikkaan, kun ne kulkevat Curie-pisteen läpi, domeenit kohdistuvat kohdistetun sähkökentän suuntaan. Tätä prosessia kutsutaan kysely . Jäähtymisen jälkeen huoneenlämpötilaan ja levitetyn sähkökentän poistamisen kaikki domeenit säilyttävät suuntautumisensa. Tämän prosessin päätyttyä keraamiset esineet pietsosähköinen vaikutus . Luonnolliset pietsosähköiset materiaalit, kuten kvartsi, eivät näy ferrosähköinen käyttäytyminen .
Pietsosähköinen yhtälö
Pietsosähköinen vaikutus voidaan kuvata seuraavalla tavalla Pietsosähköiset kytkentäyhtälöt
Suora pietsosähköinen vaikutus: S = sE. T + d. E
Käänteinen pietsosähköinen vaikutus: D = d.T + εT.E
Missä,
D = sähköinen siirtymävektori
T = jännitysvektori
sE = joustavien kertoimien matriisi vakiolla sähkökentän voimakkuudella,
S = kantovektori
εT = dielektrinen matriisi jatkuvalla mekaanisella rasituksella
E = sähkökentän vektori
d = suora tai käänteinen pietsosähköinen vaikutus
Eri suuntiin kohdistettu sähkökenttä tuottaa erilaisia määriä jännitystä pietsosähköisissä materiaaleissa. Joten merkkien käytäntöjä käytetään yhdessä kertoimien kanssa tietämään sovelletun kentän suunta. Suunnan määrittämiseksi käytetään akseleita 1, 2, 3 analogisesti X: n, Y: n ja Z: n kanssa. Napausta käytetään aina suuntaan 3. Kaksoisindeksiin perustuva kerroin yhdistää sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet ensimmäisen alaindeksin kanssa, joka kuvaa suunnan suunnan. sähkökenttä käytetyn jännitteen tai tuotetun varauksen mukaan. Toinen alaindeksi antaa mekaanisen rasituksen suunnan.
Sähkömekaaninen kytkentäkerroin esiintyy kahdessa muodossa. Ensimmäinen on aktivointitermi d ja toinen on anturi termi g. Pietsosähköiset kertoimet yhdessä niiden merkintöjen kanssa voidaan selittää d33
Missä,
d määrittää, että käytetty jännitys on 3. suuntaan.
Kuvassa 3 määritetään, että elektrodit ovat kohtisuorassa 3. akseliin nähden.
Kuvassa 3 määritetään pietsosähköinen vakio.
Kuinka pietsosähköinen materiaali toimii?
Kuten yllä selitettiin, pietsosähköiset materiaalit voivat toimia kaksi tilaa :
- Suora pietsosähköinen vaikutus
- Käänteinen pietsosähköinen vaikutus
Otetaan jokaiselle esimerkki näiden tilojen soveltamisen ymmärtämiseksi.
Suoraa pietsosähköistä vaikutusta käyttävä Heal-Strike-generaattori:
DARPA on kehittänyt tämän laitteen varustamaan sotilaat kannettavalla virtalähteellä. Kenkiin istutettu pietsosähköinen materiaali kokee mekaanisen rasituksen, kun sotilas kävelee. Suoran vuoksi pietsosähköinen ominaisuus , materiaali tuottaa sähkövarausta tämän mekaanisen rasituksen vuoksi. Tämä maksu on tallennettu kondensaattori tai paristot joita voidaan näin käyttää heidän elektronisten laitteidensa lataamiseen tien päällä.
Heal Strike Generator
Kvartsi-kristallioskillaattori kelloissa, joissa käytetään Converse Pietsosähköistä Efektiä
Kellot sisältävät a kvartsikide . Kun akusta tuleva sähkö syötetään tälle kiteelle piirin kautta, tapahtuu päinvastoin pietsosähköinen vaikutus. Tämän vaikutuksen vuoksi sähkövarausta käytettäessä kide alkaa värähtelytaajuudella 32768 kertaa sekunnissa. Piirissä oleva mikrosiru laskee nämä värähtelyt ja tuottaa säännöllisen pulssin sekunnissa, joka pyörii kellon toisia käsiä.
Converse Piezo -efekti, jota käytetään kelloissa
Pietsosähköisten materiaalien käyttö
Ainutlaatuisen ansiosta ominaisuudet, pietsosähköiset materiaalit ovat saaneet tärkeän roolin erilaisissa tekniikan keksinnöissä.
Suoran pietsoefektin käyttö
- Japanin rautatieasemilla käsite ' väkijoukon maatila ”Testattiin, missä tielle upotettujen pietsosähköisten laattojen jalankulkijoiden jalanjäljet voivat tuottaa sähköä.
- Vuonna 2008 Lontoon yökerho rakentaa ensimmäisen ympäristöystävällisen kerroksen, joka koostuu pietsosähköisestä materiaalista, joka voi tuottaa sähköä sytyttääkseen hehkulamppuja, kun ihmiset tanssivat siinä.
- Pietsosähköinen vaikutus on hyödyllinen sovellus mekaanisina taajuussuodattimina, pinta-akustiset aaltolaitteet , akustiset aaltolaitteet jne.
- Ääni- ja ultraäänimikrofonit ja kaiuttimet, ultraäänikuvaus , hydrofonit.
- Pietsosähköiset mikit kitaroille, biosensorit käynnistää tahdistin.
- Pietsosähköisiä elementtejä käytetään myös kaikuluotaimien, yksi- ja kaksiakselisten havaitsemiseen ja tuottamiseen kallistustunnistus .
Pietsosähköinen vaikutus tieliikenteestä
Converse Piezoelectric Effectin käyttö
- Toimilaitteet ja moottorit
- Mikrotarkka sijoitus ja mikrotarkkuuden säätö mikroskooppilinsseissä.
- Neulaohjain tulostimissa, miniatyyrimoottorit, bimorfiset toimilaitteet.
- Monikerroksiset toimilaitteet optisen hienosäätöön
- Ruiskutusjärjestelmät autojen polttoaineventtiileissä jne.
Piezo-sähkötehoste kameran mikrosäädönä
Yhdistämällä sähköiset ja mekaaniset kentät:
- Materiaalien atomirakenteen tutkimiseen.
- Rakenteen eheyden seuraaminen ja vikojen havaitseminen varhaisessa vaiheessa siviili-, teollisuus- ja avaruusteollisuuden rakenteissa.
Pietsosähköisten materiaalien edut ja rajoitukset
Pietsosähköisten materiaalien etuja ja rajoituksia ovat seuraavat.
Edut
- Pietsosähköiset materiaalit voivat toimia kaikissa lämpötiloissa.
- Heillä on vähän hiilijalanjälki mikä tekee niistä parhaan vaihtoehdon fossiiliselle polttoaineelle.
- Näiden materiaalien ominaisuudet tekevät niistä parhaan energiankorjuukoneen.
- Tärinän muodossa menetetty käyttämätön energia voidaan hyödyntää vihreän energian tuottamiseksi.
- Näitä materiaaleja voidaan käyttää uudelleen.
Rajoitukset
- Nämä laitteet ovat alttiita tärinää työskennellessään myös ei-toivotuille tärinöille.
- Kestävyys ja kestävyys rajoittavat laitteita, kun niitä käytetään päällysteiden ja teiden energian hyödyntämiseen.
- Pietsosähköisen materiaalin jäykkyyden ja päällystemateriaalin välinen ristiriita.
- Näiden laitteiden vähemmän tunnetut yksityiskohdat ja tähän päivään mennessä tehdyn tutkimuksen määrä eivät riitä hyödyntämään näiden laitteiden täysimääräistä käyttöä.
Kuten sanotaan 'Tarpeellisuus on keksintö', tarvitsemme hälinätön, vähän hiilidioksidipäästöjä tuottava energiankorjuulaite on tuonut mukanaan pietsosähköiset materiaalit jälleen parrasvaloihin. Kuinka nämä materiaalit voivat voittaa rajoituksensa? Etsimmekö tulevaisuutta, jossa sen sijaan, että olisimme huolissamme matkustamiseen kuluvasta polttoaineen määrästä, ihmettelisimme vain automme tuottaman tehon määrän? Mitä mieltä sinä olet? Tässä on kysymys sinulle, mikä on paras pietsosähköinen materiaali?
