Piezoelektriska material har funnits sedan slutet av 80-talet och banat väg för många spelförändrande uppfinningar. Serverar i form av DRÖM i världskriget har dessa material nu fått uppfinnarnas ögon för deras mystiska egenskaper . Trådlösa sensornätverk , Sakernas internet styr den tekniska eran under 2000-talet. För att hålla dessa nyheter igång har kraftbehov blivit den största utmaningen. Jakten på en hållbar, pålitlig, förnybar energi källa orsakade forskare att snubbla över banbrytande kraftverk - den piezoelektriska material . Låt oss åka på en resa för att utforska dessa nya tidsåldrar kraft skördare.
Vad är piezoelektriskt material?
Att veta vad en piezoelektriskt material måste man veta vad betyder termen piezoelektriskt ?. I PIEZOELECTRICITY termen ”piezo” står för tryck eller stress. Således piezoelektricitet definieras som 'Elektricitet genererad genom applicering av mekanisk spänning eller spänning' och material som uppvisar denna egenskap faller under kategorin piezoelektriska material . Tack för upptäckten av dessa material går till Sir Jacques Curie (1856–1941) och Pierre Curie (1859–1906) . När man experimenterade med vissa kristallina mineraler som kvarts, sockerrör, etc ... fann de att applicering av kraft eller spänning på dessa material genererade spänningar med motsatta polariteter med storheter som föreslås för den applicerade belastningen. Detta fenomen namngavs som Direkt Piezoeffekt .
Följande år Lippman upptäckte Converse-effekten och uppgav att en av dessa spänningsgenererande kristaller, när de exponerades för ett elektriskt fält, förlängdes eller förkortades enligt polariteten hos det applicerade fältet. Piezoelektriska material blev erkänt med sin roll i WW1 när kvarts användes som resonatorer i SONAR. Under andra världskriget upptäcktes syntetiskt piezoelektriskt material, vilket senare ledde till en intensiv utveckling av piezoelektriska enheter . Innan man använder ett piezoelektriskt material måste man veta vilka egenskaper som gör dessa material piezoelektriska.
Egenskaper hos piezoelektriskt material och hur fungerar det?
Hemligheten med piezoelektriska material ligger i deras unika atomstruktur. Piezoelektriska material är jonbundet och innehåller positiva och negativa joner i form av par som kallas enhetsceller. Dessa material finns i naturen som en anisotropisk dielektrikum med icke-centrosymmetriskt kristallgitter dvs de har inga gratis elektriska laddningar och jonerna saknar ett centrum för symmetri.
Direkt piezoelektrisk effekt
När mekanisk spänning eller friktion appliceras på dessa material förändras geometrin hos kristallens atomstruktur på grund av nettorörelse av positiva och negativa joner i förhållande till varandra, vilket resulterar i elektrisk dipol eller Polarisering . Således ändras kristallen från ett dielektrikum till ett laddat material. Mängden genererad spänning är direkt proportionell mot mängden spänning eller spänning som appliceras på kristallen.
Direkt piezoelektrisk effekt
Converse Piezoelectric Effect
När elektricitet appliceras på dessa kristaller uppträder elektriska dipoler och bildar dipolrörelsen som orsakar deformation av kristallen, vilket ger upphov till konversation piezoelektrisk effekt som visas i figuren.
Converse Piezoelectric Effect
Syntetiska piezoelektriska material
Konstgjorda piezoelektriska material tycka om piezoelektrisk keramik uppvisar spontan polarisation (ferroelektrisk egenskap) dvs dipol finns i deras struktur även när inget elektriskt fält appliceras. Här är mängden piezoelektrisk effekt beror starkt på deras atomstruktur. De dipoler som finns i strukturen bildar domänregioner där närliggande dipoler har samma inriktning. Ursprungligen är dessa domäner slumpmässigt orienterade och orsakar ingen nettopolarisering.
Perovskite Crystal Structure ovanför och nedanför Curie Point
Genom att applicera ett starkt likströmsfält på dessa keramer när de passerar genom sin Curie-punkt anpassas domänerna i riktning mot det applicerade elektriska fältet. Denna process kallas opinionsundersökning . Efter att ha svalnat till rumstemperatur och tagit bort det applicerade elektriska fältet behåller alla domäner sin orientering. Efter avslutad process uppvisar keramiken den piezoelektriska effekten . Naturliga befintliga piezoelektriska material som kvarts visas inte ferroelektriskt beteende .
Piezoelektrisk ekvation
Piezoelektrisk effekt kan beskrivas med följande Piezoelektriska kopplingsekvationer
Direkt piezoelektrisk effekt: S = sE. T + d. E
Konversera piezoelektrisk effekt: D = d.T + εT.E
Var,
D = elektrisk förskjutningsvektor
T = stressvektorn
sE = matris av elastiska koefficienter vid konstant elektrisk fältstyrka,
S = stamvektor
εT = dielektrisk matris vid konstant mekanisk töjning
E = vektor för elektrisk fält
d = direkt eller konverserad piezoelektrisk effekt
Det elektriska fältet som appliceras i olika riktningar genererar olika mängder stress i piezoelektriska material. Så teckenkonventioner används tillsammans med koefficienter för att känna till riktningen för det tillämpade fältet. För att bestämma riktningen används axlarna 1, 2, 3 analogt med X, Y, Z. Poling appliceras alltid i riktningen 3. Koefficienten med dubbla abonnemang hänför sig till elektriska och mekaniska egenskaper med det första abonnemanget som beskriver riktningen för elektriska fält i enlighet med den spänning som appliceras eller produceras. Det andra abonnemanget ger riktningen för mekanisk spänning.
Elektromekanisk kopplingskoefficient förekommer i två former. Den första är aktiveringsperioden d och den andra är sensorn term g. De piezoelektriska koefficienterna tillsammans med deras noteringar kan förklaras med d33
Var,
d anger applicerad spänning är i 3: e riktningen.
3 anger att elektroderna är vinkelräta mot den 3: e axeln.
3 anger piezoelektrisk konstant.
Hur fungerar piezoelektriskt material?
Som förklarats ovan kan piezoelektriska material fungera två lägen :
- Den direkta piezoelektriska effekten
- Konversera piezoelektrisk effekt
Låt oss ta ett exempel för var och en för att förstå tillämpningen av dessa lägen.
Heal-Strike Generator med direkt piezoelektrisk effekt:
DARPA har utvecklat denna enhet för att utrusta soldater med en bärbar kraftgenerator. Det piezoelektriska materialet som är implanterat i skorna upplever mekanisk stress när soldaten går. På grund av direkt piezoelektrisk egendom , producerar materialet elektrisk laddning på grund av denna mekaniska spänning. Denna avgift lagras i kondensatorn eller batterier som därmed kan användas för att ladda sina elektroniska enheter på språng.
Heal Strike Generator
Quartz Crystal Oscillator i klockor med Converse Piezoelectric Effect
Klockor innehåller en kvartskristall . När elektricitet från batteriet appliceras på denna kristall genom en krets uppstår en omvänd piezoelektrisk effekt. På grund av denna effekt vid applicering av elektrisk laddning börjar kristallen svänga med en frekvens på 32768 gånger per sekund. Mikrochipet i kretsen räknar dessa svängningar och genererar en regelbunden puls per sekund som snurrar klockans andra händer.
Converse Piezo-effekt som används i klockor
Användning av piezoelektriska material
På grund av dess unika egenskaper, piezoelektriska material har fått en viktig roll i olika tekniska uppfinningar.
Användning av direkt Piezo-effekt
- På Japans tågstationer begreppet ” folkmassagård ”Testades där fotgängarnas fotspår på de piezoelektriska plattorna som är inbäddade på vägen kan generera elektricitet.
- 2008 byggde en nattklubb i London första miljövänliga golv som består av piezoelektriskt material som kan generera el för att tända glödlampor när folk dansar på det.
- Piezoelektrisk effekt är användbar som mekaniska frekvensfilter, ytan akustiska våg enheter , akustiska vågapparater i bulk, etc ...
- Ljud- och ultraljudsmikrofoner och högtalare, ultraljudsavbildning , hydrofoner.
- Piezoelektriska pickups för gitarrer, biosensorer för att starta pacemaker.
- Piezoelektriska element används också för detektering och alstring av ekolodsvågor, enkelaxel och dubbelaxel lutningsavkänning .
Piezoelektrisk effekt från vägar
Användning av Converse Piezoelectric Effect
- Ställdon och motorer
- Mikroprecisionsplacering och mikroprecisionsjusteringar i linser för mikroskop.
- Nålförare i skrivare, miniatyriserade motorer, bimorf ställdon.
- Flerskiktade ställdon för finpositionering i optik
- Insprutningssystem i fordonsbränsleventiler mm ...
Piezo elektrisk effekt som mikrojustering i kameran
Genom att koppla samman elektriska och mekaniska fält:
- För undersökning av materialens atomistiska struktur.
- Att övervaka strukturell integritet och upptäcka fel i tidiga skeden i civila, industriella och rymdkonstruktioner.
Fördelar och begränsningar av piezoelektriska material
Fördelarna och begränsningarna med piezoelektriska material inkluderar följande.
Fördelar
- Piezoelektriska material kan fungera vid alla temperaturförhållanden.
- De har lågt koldioxidavtryck vilket gör dem till det bästa alternativet för fossila bränslen.
- Egenskaperna hos dessa material gör dem till de bästa energiskördarna.
- Oanvänd energi som går förlorad i form av vibrationer kan utnyttjas för att generera grön energi.
- Dessa material kan återanvändas.
Begränsningar
- När du arbetar med vibrationer är dessa enheter benägna att ta upp oönskade vibrationer också.
- Motstånd och hållbarhet gäller gränser för enheter när de används för att tappa energi från trottoarer och vägar.
- Skillnaden mellan styvhet av piezoelektriskt material och trottoarmaterial.
- Mindre kända detaljer om dessa enheter och mängden forskning som hittills gjorts räcker inte för att utnyttja den fulla användningen av dessa enheter.
Som sagt 'Nödvändighet är uppfinnarens moder' har vår nödvändighet för en problemfri skördeanordning med lågt koldioxidavtryck piezoelektriska material in i rampljuset igen. Hur kan dessa material övervinna sina begränsningar? Går vi mot en framtid där vi istället för att oroa oss för mängden bränsle som används för att resa, bara undrar över mängden kraft som vår bil genererade? Vad tror du? Här är en fråga till dig, vad är det bästa piezoelektriska materialet?
