Piezoelektrické materiály jsou tu od konce 80. let a připravují cestu pro mnoho vynálezů měnících hru. Slouží ve formě SEN ve světové válce tyto materiály nyní upoutaly pozornost vynálezců pro jejich mystické vlastnosti . Bezdrátové senzorové sítě , Internet věcí vládne technické éře 21. století. Abychom udrželi tyto novinky v provozu, stalo se největším problémem požadavek na výkon. Lov na udržitelný, spolehlivý, obnovitelná energie zdroj způsobil, že vědci narazili na průkopnické sklízeče energie - piezoelektrické materiály . Vydáme se na cestu, abychom prozkoumali tento nový věk silové kombajny.
Co je piezoelektrický materiál?
Vědět, co a piezoelektrický materiál je třeba vědět, co znamená termín piezoelektrický? v PIEZOELECTRICITA termín „piezo“ znamená tlak nebo stres. Tím pádem piezoelektřina je definována jako „Elektřina generovaná působením mechanického napětí nebo tahu“ a materiály, které vykazují tuto vlastnost, spadají do kategorie piezoelektrické materiály . Kredit za objev těchto materiálů patří Sir Jacques Curie (1856–1941) a Pierre Curie (1859–1906) . Při experimentování s určitými krystalickými minerály, jako je křemen, třtinový cukr atd., Zjistili, že aplikace síly nebo napětí na tyto materiály generuje napětí opačné polarity s velikostí propozicí aplikovaného zatížení. Tento jev byl pojmenován jako Přímo Piezoefekt .
V následujícím roce Lippman objevil Konverzní efekt, který uvedl, že jeden z těchto krystalů generujících napětí, když je vystaven elektrickému poli, se prodlužuje nebo zkracuje podle polarity aplikovaného pole. Piezoelektrické materiály se dočkali uznání díky své roli v 1.sv.v.v.v.v.i., kdy byl v SONARu jako rezonátory použit Quartz. Během období druhé světové války byl objeven syntetický piezoelektrický materiál, který později vedl k intenzivnímu rozvoji piezoelektrická zařízení . Před použitím piezoelektrického materiálu musíte vědět, jaké vlastnosti činí tyto materiály piezoelektrickými.
Vlastnosti piezoelektrického materiálu a jak to funguje?
Tajemství piezoelektrických materiálů spočívá v jejich jedinečné atomové struktuře. Piezoelektrické materiály jsou iontově vázány a obsahují kladné a záporné ionty ve formě párů nazývaných jednotkové buňky. Tyto materiály jsou v přírodě k dispozici jako anizotropní dielektrikum s necentrosymetrická krystalová mříž tj. nemají žádné elektrické náboje zdarma a iontům chybí střed symetrie.
Přímý piezoelektrický efekt
Když je na tyto materiály aplikováno mechanické napětí nebo tření, geometrie atomové struktury krystalu se mění v důsledku čistého pohybu kladných a záporných iontů vůči sobě navzájem, což vede k elektrický dipól nebo Polarizace . Krystal se tedy mění z dielektrika na nabitý materiál. Množství generovaného napětí je přímo úměrné velikosti napětí nebo napětí aplikovaného na krystal.
Přímý piezoelektrický efekt
Konverzní piezoelektrický efekt
Když elektřina Na tyto krystaly se aplikují elektrické dipóly, které vytvářejí pohyb dipólu, který způsobuje deformaci krystalu, což vede ke konverzaci piezoelektrický jev jak je znázorněno na obrázku.
Konverzní piezoelektrický efekt
Syntetické piezoelektrické materiály
Člověkem piezoelektrické materiály jako piezoelektrická keramika vykazují spontánní polarizaci (feroelektrické vlastnosti), tj. dipól existuje v jejich struktuře, i když není aplikováno žádné elektrické pole. Zde množství piezoelektrický jev produkované silně závisí na jejich atomové struktuře. Dipóly přítomné ve struktuře tvoří domény-oblasti, kde mají sousední dipóly stejné zarovnání. Zpočátku jsou tyto domény náhodně orientovány, což nezpůsobuje žádnou polarizaci sítě.
Struktura perovskitových krystalů nad a pod kuriózním bodem
Použitím silného stejnosměrného elektrického pole na tuto keramiku, když procházejí bodem Curie, se domény zarovnají ve směru aplikovaného elektrického pole. Tento proces se nazývá hlasování . Po ochlazení na teplotu místnosti a odstranění aplikovaného elektrického pole si všechny domény udržují svoji orientaci. Po dokončení tohoto procesu se keramika vystavuje piezoelektrický jev . Přírodní existující piezoelektrické materiály, jako je křemen, se nezobrazují feroelektrické chování .
Piezoelektrická rovnice
Piezoelektrický efekt lze popsat následujícím způsobem Piezoelektrické vazební rovnice
Přímý piezoelektrický jev: S = sE .T + d. E
Konverzní piezoelektrický efekt: D = d.T + εT.E
Kde,
D = vektor elektrického posunutí
T = vektor napětí
sE = matice elastických koeficientů při konstantní síle elektrického pole,
S = kmenový vektor
εT = dielektrická matice při konstantním mechanickém namáhání
E = vektor elektrického pole
d = přímý nebo konverzní piezoelektrický jev
Elektrické pole aplikované v různých směrech generuje různé množství napětí v piezoelektrických materiálech. Používají se tedy znaménkové konvence spolu s koeficienty ke zjištění směru aplikovaného pole. Pro určení směru se osy 1, 2, 3 použijí analogicky k X, Y, Z. Poling se vždy použije ve směru 3. Koeficient s dvojitým dolním indexem souvisí s elektrickými a mechanickými charakteristikami s prvním dolním indexem popisujícím směr elektrické pole v souladu s aplikovaným napětím nebo produkovaným nábojem. Druhý dolní index udává směr mechanického namáhání.
Elektromechanický koeficient vazby se vyskytuje ve dvou formách. První je aktivační člen d a druhý je senzor termín g. Piezoelektrické koeficienty spolu s jejich zápisy lze vysvětlit pomocí d33
Kde,
d určuje aplikované napětí ve 3. směru.
3 určuje, že elektrody jsou kolmé na 3. osu.
3 určuje piezoelektrickou konstantu.
Jak funguje piezoelektrický materiál?
Jak je vysvětleno výše, mohou pracovat piezoelektrické materiály dva režimy :
- Přímý piezoelektrický jev
- Konverzní piezoelektrický efekt
Vezměme si příklad pro každého, kdo pochopí použití těchto režimů.
Generátor Heal-Strike využívající přímý piezoelektrický efekt:
DARPA vyvinul toto zařízení k vybavení vojáků přenosným generátorem energie. Piezoelektrický materiál implantovaný do bot zažívá při chůzi vojáka mechanické namáhání. Kvůli přímému piezoelektrická vlastnost , materiál díky tomuto mechanickému namáhání vytváří elektrický náboj. Tento poplatek je uložen v kondenzátor nebo baterie které tak mohou být použity k nabíjení jejich elektronických zařízení na cestách.
Heal Strike Generator
Křemenný oscilátor v hodinkách využívajících konverzní piezoelektrický efekt
Hodinky obsahují a křemenný krystal . Když je elektřina z baterie aplikována na tento krystal přes obvod, dochází k opačnému piezoelektrickému jevu. Díky tomuto jevu po aplikaci elektrického náboje začne krystal kmitat s frekvencí 32768 krát za sekundu. Mikročip přítomný v obvodu počítá tyto oscilace a generuje pravidelný puls za sekundu, který roztočí druhé ručičky hodinek.
Converse Piezo efekt používaný v hodinkách
Použití piezoelektrických materiálů
Díky své jedinečnosti charakteristiky, piezoelektrické materiály získali důležitou roli v různých technologických vynálezech.
Použití přímého piezoefektu
- Na japonských nádražích se koncept „ davová farma “Bylo testováno tam, kde kroky chodců na piezoelektrických dlaždicích zabudovaných na silnici mohou generovat elektřinu.
- V roce 2008 postavil noční klub v Londýně první ekologickou podlahu z piezoelektrického materiálu, který může generovat elektřinu k napájení žárovek, když na ní lidé tančí.
- Piezoelektrický efekt nachází užitečné použití jako mechanické frekvenční filtry, zařízení pro povrchovou akustickou vlnu , objemová zařízení s akustickými vlnami atd.…
- Zvukové a ultrazvukové mikrofony a reproduktory, ultrazvukové zobrazování , hydrofony.
- Piezoelektrické snímače pro kytary, biosenzory k zapnutí kardiostimulátoru.
- Piezoelektrické prvky se také používají při detekci a generování sonarových vln, jednoosých a dvouosých snímání náklonu .
Piezoelektrický efekt od RoadWays
Použití konverzního piezoelektrického efektu
- Pohony a motory
- Mikropřesné umístění a mikropřesné úpravy v čočkách pro mikroskopy.
- Ovladač jehel v tiskárnách, miniaturizované motory, bimorfní akční členy.
- Vícevrstvé akční členy pro jemné polohování v optice
- Vstřikovací systémy v automobilových palivových ventilech atd ...
Piezoelektrický efekt jako mikroúprava ve fotoaparátu
Spojením elektrických a mechanických polí:
- Pro zkoumání atomistické struktury materiálů.
- Monitorovat strukturální integritu a detekovat poruchy v raných fázích v civilních, průmyslových a leteckých konstrukcích.
Výhody a omezení piezoelektrických materiálů
Mezi výhody a omezení piezoelektrických materiálů patří následující.
Výhody
- Piezoelektrické materiály mohou pracovat za jakýchkoli teplotních podmínek.
- Mají nízké uhlíková stopa což z nich dělá nejlepší alternativu pro fosilní paliva.
- Vlastnosti těchto materiálů z nich dělají nejlepší sklízeče energie.
- Nevyužitou energii ztracenou ve formě vibrací lze využít k výrobě zelené energie.
- Tyto materiály lze znovu použít.
Omezení
- Při práci s vibracemi jsou tato zařízení náchylná také zachytit nežádoucí vibrace.
- Odolnost a trvanlivost platí pro zařízení, pokud se používají k odebírání energie z chodníků a silnic.
- Neshoda mezi tuhostí piezoelektrického materiálu a materiálu vozovky.
- Méně známé podrobnosti o těchto zařízeních a množství výzkumu provedeného do dnešního dne nestačí k využití plného využití těchto zařízení.
Jak již bylo řečeno „Nezbytnost je matkou vynálezu“, naše potřeba zařízení pro sklizeň energie s nízkou uhlíkovou stopou bez shonu přinesla piezoelektrické materiály znovu do záře reflektorů. Jak mohou tyto materiály překonat svá omezení? Posouváme se do budoucnosti, kde bychom se místo obav z množství spotřebovaného paliva na cestu jen divili, kolik energie naše auto vyprodukovalo? Co myslíš? Zde je otázka pro vás, jaký je nejlepší piezoelektrický materiál?
