Πιεζοηλεκτρικά υλικά έχουν περάσει από τα τέλη της δεκαετίας του '80 και άνοιξαν τον δρόμο για πολλές εφευρέσεις που αλλάζουν παιχνίδια. Εξυπηρέτηση με τη μορφή ΟΝΕΙΡΟ Στον παγκόσμιο πόλεμο αυτά τα υλικά έχουν πιάσει τα μάτια των εφευρετών για τους μυστικιστικά χαρακτηριστικά . Δίκτυα ασύρματων αισθητήρων , το διαδίκτυο των πραγμάτων κυβερνά την τεχνική εποχή του 21ου αιώνα. Για να διατηρήσουν αυτές τις καινοτομίες σε λειτουργία, η απαίτηση ισχύος έχει γίνει η μεγαλύτερη πρόκληση. Κυνήγι για βιώσιμο, αξιόπιστο, ανανεώσιμη ενέργεια πηγή προκάλεσε τους ερευνητές να σκοντάψουν τους θεριστές ισχύος - το πιεζοηλεκτρικά υλικά . Ας ξεκινήσουμε ένα ταξίδι για να εξερευνήσουμε αυτές τις νέες εποχές θεριστές ενέργειας.
Τι είναι το πιεζοηλεκτρικό υλικό;
Για να ξέρετε τι α πιεζοηλεκτρικό υλικό πρέπει κανείς να ξέρει τι σημαίνει ο όρος πιεζοηλεκτρικό ;. Σε ΠΙΕΖΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΤΗΤΑ ο όρος «πιεζο» σημαίνει πίεση ή άγχος. Ετσι πιεζοηλεκτρική ενέργεια ορίζεται ως «Ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται με εφαρμογή μηχανικής τάσης ή τάσης» και τα υλικά που εμφανίζουν αυτήν την ιδιότητα υπάγονται στην κατηγορία πιεζοηλεκτρικά υλικά . Η πίστωση για την ανακάλυψη αυτών των υλικών πηγαίνει Σερ Ζακ Κούρι (1856–1941) και Πιέρ Κούρι (1859–1906) . Ενώ πειραματίζονταν με ορισμένα κρυσταλλικά ορυκτά όπως ο χαλαζίας, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο, κλπ… διαπίστωσαν ότι η εφαρμογή δύναμης ή τάσης σε αυτά τα υλικά δημιούργησε τάσεις αντίθετων πόλων με μεγέθη προαιρετικά στο εφαρμοζόμενο φορτίο. Αυτό το φαινόμενο ονομάστηκε ως Απευθείας Piezoeffect .
Το επόμενο έτος, Λίπμαν ανακάλυψε το αντίστροφο αποτέλεσμα δηλώνοντας ότι ένας από αυτούς τους κρυστάλλους που παράγουν τάση, όταν εκτίθεται σε ηλεκτρικό πεδίο, επιμηκύνθηκε ή συντομεύθηκε σύμφωνα με την πολικότητα του εφαρμοζόμενου πεδίου. Πιεζοηλεκτρικά υλικά ήρθε σε αναγνώριση με το ρόλο τους στο WW1 όταν ο Quartz χρησιμοποιήθηκε ως αντηχείο στο SONAR. Κατά την περίοδο του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου, ανακαλύφθηκε συνθετικό πιεζοηλεκτρικό υλικό, το οποίο αργότερα οδήγησε στην έντονη ανάπτυξη του πιεζοηλεκτρικές συσκευές . Πριν χρησιμοποιήσετε ένα πιεζοηλεκτρικό υλικό πρέπει να γνωρίζετε ποια χαρακτηριστικά κάνουν αυτά τα υλικά πιεζοηλεκτρικά.
Ιδιότητες του πιεζοηλεκτρικού υλικού και πώς λειτουργεί;
Το μυστικό των πιεζοηλεκτρικών υλικών έγκειται στη μοναδική ατομική τους δομή. Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά συνδέονται ιοντικά και περιέχουν θετικά και αρνητικά ιόντα με τη μορφή ζευγών που ονομάζονται μονάδες κυττάρων. Αυτά τα υλικά είναι διαθέσιμα στη φύση ως ένα ανισότροπο διηλεκτρικό με μη κεντροσυμμετρικό κρυσταλλικό πλέγμα δηλ. δεν έχουν δωρεάν ηλεκτρικά φορτία και τα ιόντα δεν έχουν κέντρο συμμετρίας.
Άμεση πιεζοηλεκτρική επίδραση
Όταν εφαρμόζεται μηχανική τάση ή τριβή σε αυτά τα υλικά, η γεωμετρία της ατομικής δομής του κρυστάλλου αλλάζει λόγω της καθαρής κίνησης θετικών και αρνητικών ιόντων το ένα με το άλλο, με αποτέλεσμα ηλεκτρικό δίπολο ή Πόλωση . Έτσι, ο κρύσταλλος αλλάζει από διηλεκτρικό σε φορτισμένο υλικό. Η ποσότητα της παραγόμενης τάσης είναι άμεσα ανάλογη με την ποσότητα τάσης ή τάσης που εφαρμόζεται στον κρύσταλλο.
Άμεση πιεζοηλεκτρική επίδραση
Αντίστροφη πιεζοηλεκτρική επίδραση
Πότε ηλεκτρική ενέργεια εφαρμόζεται σε αυτούς τους κρυστάλλους εμφανίζονται ηλεκτρικά δίπολα, σχηματίζοντας τη διπολική κίνηση που προκαλεί παραμόρφωση του κρυστάλλου, προκαλώντας έτσι αντίστροφη πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα όπως φαίνεται στο σχήμα.
Αντίστροφη πιεζοηλεκτρική επίδραση
Συνθετικά πιεζοηλεκτρικά υλικά
Χειροποίητο πιεζοηλεκτρικά υλικά αρέσει πιεζοηλεκτρικά κεραμικά εμφανίζουν αυθόρμητη πόλωση (σιδηροηλεκτρική ιδιότητα) δηλ. υπάρχει δίπολο στη δομή τους ακόμη και όταν δεν εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο. Εδώ το ποσό των πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα που παράγεται εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ατομική τους δομή. Τα δίπολα που υπάρχουν στη δομή σχηματίζουν περιοχές-περιοχές όπου τα γειτονικά δίπολα έχουν την ίδια ευθυγράμμιση. Αρχικά, αυτοί οι τομείς είναι τυχαία προσανατολισμένοι και δεν προκαλούν καθαρές πόλωση.
Κρυστάλλινη δομή Perovskite Πάνω και κάτω από το σημείο Curie
Εφαρμόζοντας ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο DC σε αυτά τα κεραμικά όταν περνούν από το σημείο Curie, οι τομείς ευθυγραμμίζονται προς την κατεύθυνση του εφαρμοσμένου ηλεκτρικού πεδίου. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται ψηφοφορία . Μετά από ψύξη σε θερμοκρασία δωματίου και αφαίρεση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου, όλοι οι τομείς διατηρούν τον προσανατολισμό τους. Μετά την ολοκλήρωση αυτής της διαδικασίας, τα κεραμικά εκθέματα το πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα . Φυσικά υπάρχοντα πιεζοηλεκτρικά υλικά όπως ο χαλαζίας δεν εμφανίζονται σιδηροηλεκτρική συμπεριφορά .
Πιεζοηλεκτρική εξίσωση
Το πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα μπορεί να περιγραφεί με τα ακόλουθα Πιεζοηλεκτρικές εξισώσεις ζεύξης
Άμεση πιεζοηλεκτρική επίδραση: S = sE. T + d. μι
Αντίστροφη πιεζοηλεκτρική επίδραση: D = d.T + εT.E
Που,
D = ηλεκτρικό φορέα μετατόπισης
T = το διάνυσμα στρες
sE = μήτρα ελαστικών συντελεστών σε σταθερή ισχύ ηλεκτρικού πεδίου,
S = διάνυσμα στελέχους
εT = διηλεκτρική μήτρα σε σταθερή μηχανική καταπόνηση
E = διάνυσμα ηλεκτρικού πεδίου
d = άμεση ή αντίστροφη πιεζοηλεκτρική επίδραση
Το ηλεκτρικό πεδίο που εφαρμόζεται σε διαφορετικές κατευθύνσεις δημιουργεί διαφορετικές ποσότητες τάσης στα πιεζοηλεκτρικά υλικά. Έτσι, οι συμβάσεις σημείων χρησιμοποιούνται μαζί με συντελεστές για να γνωρίζουν την κατεύθυνση του εφαρμοσμένου πεδίου. Για τον προσδιορισμό της κατεύθυνσης, οι άξονες 1, 2, 3 χρησιμοποιούνται αναλογικά με τα Χ, Υ, Ζ. Η poling εφαρμόζεται πάντα προς την κατεύθυνση του 3. Ο συντελεστής με διπλούς δείκτες σχετίζεται με ηλεκτρικά και μηχανικά χαρακτηριστικά με τον πρώτο δείκτη που περιγράφει την κατεύθυνση του ηλεκτρικό πεδίο σύμφωνα με την τάση που εφαρμόζεται ή το παραγόμενο φορτίο. Η δεύτερη συνδρομή δίνει την κατεύθυνση του μηχανικού στρες.
Ο συντελεστής ηλεκτρομηχανικής ζεύξης εμφανίζεται σε δύο μορφές. Ο πρώτος είναι ο όρος ενεργοποίησης d και ο δεύτερος είναι ο αισθητήρας όρος g. Οι πιεζοηλεκτρικοί συντελεστές μαζί με τους συμβολισμούς τους μπορούν να εξηγηθούν με δ33
Που,
d ορίζει ότι η εφαρμοζόμενη τάση είναι στην 3η κατεύθυνση.
3 καθορίζει ότι τα ηλεκτρόδια είναι κάθετα στον 3ο άξονα.
3 καθορίζει την πιεζοηλεκτρική σταθερά.
Πώς λειτουργεί το πιεζοηλεκτρικό υλικό;
Όπως εξηγήθηκε παραπάνω, τα πιεζοηλεκτρικά υλικά μπορούν να λειτουργήσουν δύο τρόποι :
- Το άμεσο πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα
- Αντίστροφη πιεζοηλεκτρική επίδραση
Ας πάρουμε ένα παράδειγμα για να κατανοήσει ο καθένας την εφαρμογή αυτών των τρόπων.
Heal-Strike Generator χρησιμοποιώντας Direct Piezoelectric Effect:
ΝΤΑΡΠΑ έχει αναπτύξει αυτήν τη συσκευή για να εξοπλίσει τους στρατιώτες με μια φορητή γεννήτρια ισχύος. Το πιεζοηλεκτρικό υλικό που εμφυτεύεται στα παπούτσια αντιμετωπίζει μηχανικό στρες όταν ο στρατιώτης περπατά. Λόγω άμεσης πιεζοηλεκτρική ιδιότητα , το υλικό παράγει ηλεκτρικό φορτίο λόγω αυτής της μηχανικής τάσης. Αυτή η χρέωση αποθηκεύεται σε ο πυκνωτής ή μπαταρίες το οποίο μπορεί έτσι να χρησιμοποιηθεί για τη φόρτιση των ηλεκτρονικών συσκευών τους εν κινήσει.
Heal Strike Generator
Quartz Crystal Oscillator στα Ρολόγια χρησιμοποιώντας το Converse Piezoelectric Effect
Τα ρολόγια περιέχουν ένα κρύσταλλος χαλαζία . Όταν η ηλεκτρική ενέργεια από την μπαταρία εφαρμόζεται σε αυτόν τον κρύσταλλο μέσω ενός κυκλώματος συμβαίνει αντίστροφη πιεζοηλεκτρική επίδραση. Λόγω αυτού του αποτελέσματος κατά την εφαρμογή ηλεκτρικού φορτίου, ο κρύσταλλος αρχίζει να ταλαντεύεται με συχνότητα 32768 φορές ανά δευτερόλεπτο. Το μικροτσίπ που υπάρχει στο κύκλωμα μετρά αυτές τις ταλαντώσεις και παράγει έναν κανονικό παλμό ανά δευτερόλεπτο που περιστρέφει τα δεύτερα χέρια του ρολογιού.
Converse Piezo Effect που χρησιμοποιείται στα ρολόγια
Χρήσεις των πιεζοηλεκτρικών υλικών
Λόγω του μοναδικού του χαρακτηριστικά, πιεζοηλεκτρικά υλικά έχουν αποκτήσει σημαντικό ρόλο σε διάφορες τεχνολογικές εφευρέσεις.
Χρήση του Direct Piezo Effect
- Στους σιδηροδρομικούς σταθμούς της Ιαπωνίας η έννοια του « αγρόκτημα πλήθους «Δοκιμάστηκε όπου τα βήματα των πεζών στα πιεζοηλεκτρικά πλακάκια που είναι ενσωματωμένα στο δρόμο μπορούν να παράγουν ηλεκτρισμό.
- Το 2008 ένα νυχτερινό κέντρο διασκέδασης στο Λονδίνο χτίζει το πρώτο φιλικό προς το περιβάλλον δάπεδο που αποτελείται από πιεζοηλεκτρικό υλικό που μπορεί να παράγει ηλεκτρισμό για να τροφοδοτήσει λαμπτήρες όταν οι άνθρωποι χορεύουν σε αυτό.
- Το πιεζοηλεκτρικό εφέ βρίσκει χρήσιμη εφαρμογή ως μηχανικά φίλτρα συχνότητας, συσκευές επιφανειακών ακουστικών κυμάτων , συσκευές χύδην ακουστικών κυμάτων, κ.λπ…
- Μικρόφωνα ήχου και υπερήχων και ηχεία, υπερηχητική απεικόνιση , υδρόφωνα.
- Πιεζοηλεκτρικές παραλαβές για κιθάρες, βιοαισθητήρες για να ενεργοποιήσετε τον βηματοδότη.
- Τα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία χρησιμοποιούνται επίσης για την ανίχνευση και τη δημιουργία κυμάτων σόναρ, ενός άξονα και διπλού άξονα αίσθηση κλίσης .
Πιεζοηλεκτρική επίδραση από τους δρόμους
Χρήσεις του αντίστροφου πιεζοηλεκτρικού αποτελέσματος
- Ενεργοποιητές και κινητήρες
- Τοποθέτηση μικρο-ακρίβειας και ρυθμίσεις μικρο-ακρίβειας στους φακούς μικροσκοπίων.
- Πρόγραμμα οδήγησης βελόνας σε εκτυπωτές, μικροσκοπικοί κινητήρες, διμορφικοί ενεργοποιητές.
- Πολυστρωματικοί ενεργοποιητές για λεπτή τοποθέτηση στα οπτικά
- Συστήματα έγχυσης σε βαλβίδες καυσίμου αυτοκινήτων κ.λπ.
Piezo Electric Effect ως μικρορύθμιση στην κάμερα
Με σύζευξη ηλεκτρικών και μηχανικών πεδίων:
- Για διερεύνηση της ατομικής δομής των υλικών.
- Για την παρακολούθηση της δομικής ακεραιότητας και τον εντοπισμό σφαλμάτων σε αρχικά στάδια σε αστικές, βιομηχανικές και αεροδιαστημικές δομές.
Πλεονεκτήματα και περιορισμοί των πιεζοηλεκτρικών υλικών
Τα πλεονεκτήματα και οι περιορισμοί των πιεζοηλεκτρικών υλικών περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.
Πλεονεκτήματα
- Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά μπορούν να λειτουργήσουν σε οποιεσδήποτε συνθήκες θερμοκρασίας.
- Έχουν χαμηλά αποτύπωμα άνθρακα καθιστώντας τους την καλύτερη εναλλακτική λύση για τα ορυκτά καύσιμα.
- Τα χαρακτηριστικά αυτών των υλικών τα καθιστούν τους καλύτερους θεριστές ενέργειας.
- Η αχρησιμοποίητη ενέργεια που χάνεται με τη μορφή δονήσεων μπορεί να αξιοποιηθεί για την παραγωγή πράσινης ενέργειας.
- Αυτά τα υλικά μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν.
Περιορισμοί
- Ενώ εργάζεστε με δονήσεις, αυτές οι συσκευές είναι επιρρεπείς να λαμβάνουν επίσης ανεπιθύμητες δονήσεις.
- Η αντίσταση και η ανθεκτικότητα εφαρμόζουν όρια στις συσκευές όταν χρησιμοποιούνται για τη χρήση ενέργειας από πεζοδρόμια και δρόμους.
- Η αναντιστοιχία μεταξύ ακαμψίας πιεζοηλεκτρικού υλικού και υλικού πεζοδρομίου.
- Λιγότερο γνωστές λεπτομέρειες αυτών των συσκευών και ο όγκος της έρευνας που έχει γίνει μέχρι σήμερα δεν επαρκούν για την πλήρη εκμετάλλευση αυτών των συσκευών.
Καθώς λέγεται «Η αναγκαιότητα είναι η μητέρα της εφεύρεσης» η ανάγκη μας για μια συσκευή συλλογής ενέργειας αποτύπωσης χαμηλού άνθρακα χωρίς φασαρία έχει φέρει πιεζοηλεκτρικά υλικά στο προσκήνιο ξανά. Πώς μπορούν αυτά τα υλικά να ξεπεράσουν τους περιορισμούς τους; Προχωρούμε προς ένα μέλλον όπου, αντί να ανησυχούμε για την ποσότητα καυσίμου που καταναλώνεται για ταξίδια, θα αναρωτιόμαστε μόνο για την ποσότητα ισχύος που παράγει το αυτοκίνητό μας; Τι νομίζετε; Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, ποιο είναι το καλύτερο πιεζοηλεκτρικό υλικό;
