Piezoelektrik malzemeler 80'lerin sonlarından beri ortalıkta dolaşıyor ve oyunun kurallarını değiştiren birçok icatın yolunu açtı. Şeklinde hizmet veriyor RÜYA dünya savaşında bu malzemeler artık mucitlerin dikkatini çekmiştir. mistik özellikler . Kablosuz Sensör Ağları , Nesnelerin interneti 21. yüzyılın teknik çağını yönetiyor. Bu yenilikleri çalışır durumda tutmak için, güç gereksinimi en büyük zorluk haline geldi. Sürdürülebilir, güvenilir, yenilenebilir enerji kaynak araştırmacıların çığır açan güç biçerdöverlerine rastlamalarına neden oldu. piezoelektrik malzemeler . Bu yeni çağı keşfetmek için bir yolculuğa çıkalım güç biçerdöverler.
Piezoelektrik Materyal nedir?
Ne olduğunu bilmek için piezoelektrik malzeme piezoelektrik teriminin ne anlama geldiğini bilmek gerekiyor mu? İçinde PİZOELEKTRİK 'piezo' terimi basınç veya stres anlamına gelir. Böylece piezoelektriklik 'Mekanik gerilme veya gerilme uygulamasıyla üretilen elektrik' olarak tanımlanır ve bu özelliği sergileyen malzemeler kategorisine girer. piezoelektrik malzemeler . Bu materyallerin keşfi için kredi, Sir Jacques Curie (1856–1941) ve Pierre Curie (1859-1906) . Kuvars, şeker kamışı vb. Gibi belirli kristal minerallerle deney yaparken, bu malzemelere kuvvet veya gerilim uygulamasının, uygulanan yüke uygun büyüklüklerde zıt kutuplarda gerilimler ürettiğini buldular. Bu fenomen şöyle adlandırıldı Doğrudan Piezoeffect .
Ertesi yıl, Lippman Bu voltaj üreten kristallerden birinin, bir elektrik alanına maruz kaldığında, uygulanan alanın polaritesine göre uzadığını veya kısaldığını belirten Converse etkisini keşfetti. Piezoelektrik malzemeler Quartz, SONAR'da rezonatör olarak kullanıldığında, WW1'deki rolleriyle tanındı. WW2 döneminde, sentetik piezoelektrik malzeme keşfedildi ve bu daha sonra piezoelektrik cihazlar . Bir piezoelektrik malzeme kullanmadan önce, bu malzemeleri hangi özelliklerin piezoelektrik yaptığını bilmek gerekir.
Piezoelektrik Malzemenin Özellikleri ve Nasıl Çalışır?
Piezoelektrik malzemelerin sırrı, benzersiz atom yapılarında yatmaktadır. Piezoelektrik malzemeler iyonik olarak bağlıdır ve birim hücreler adı verilen çiftler şeklinde pozitif ve negatif iyonlar içerir. Bu malzemeler doğada şu şekilde mevcuttur: anizotropik bir dielektrik ile Merkezsiz kristal kafes yani, serbest elektrik yükleri yoktur ve iyonlar bir simetri merkezinden yoksundur.
Doğrudan Piezoelektrik Etkisi
Bu malzemelere mekanik stres veya sürtünme uygulandığında, kristalin atomik yapısının geometrisi, pozitif ve negatif iyonların birbirlerine göre net hareketine bağlı olarak değişir. elektrik çift kutuplu veya Polarizasyon . Böylece kristal dielektrikten yüklü bir malzemeye değişir. Üretilen gerilim miktarı, kristale uygulanan gerilim veya gerilim miktarı ile doğru orantılıdır.
Doğrudan Piezoelektrik Etkisi
Converse Piezoelektrik Etkisi
Ne zaman elektrik Bu kristallere uygulandığında elektrik dipolleri ortaya çıkar, kristalin deformasyonuna neden olan dipol hareketini oluşturur, böylece tersine neden olur piezoelektrik etki şekilde gösterildiği gibi.
Converse Piezoelektrik Etkisi
Sentetik Piezoelektrik Malzemeler
İnsan yapımı piezoelektrik malzemeler sevmek piezoelektrik seramikler kendiliğinden polarizasyon (ferroelektrik özellik) sergiler, yani elektrik alan uygulanmasa bile yapılarında dipol bulunur. İşte miktarı piezoelektrik etki atomik yapılarına göre kuvvetle üretilir. Yapıda bulunan çift kutuplar, komşu dipollerin aynı hizalamaya sahip olduğu alanlar-bölgeler oluşturur. Başlangıçta, bu alanlar rastgele yönlendirilir, dolayısıyla net bir polarizasyona neden olmaz.
Curie Noktasının Üstünde ve Altında Perovskit Kristal Yapısı
Bu seramiklere Curie noktalarından geçerken güçlü bir DC elektrik alanı uygulayarak, alanlar uygulanan elektrik alan yönünde hizalanır. Bu sürece denir anket . Oda sıcaklığına kadar soğutulduktan ve uygulanan elektrik alanı kaldırıldıktan sonra, tüm alanlar yönlerini korurlar. Bu sürecin tamamlanmasının ardından seramik sergiler piezoelektrik etki . Kuvars gibi doğal mevcut piezoelektrik malzemeler görünmez ferroelektrik davranış .
Piezoelektrik Denklem
Piezoelektrik Etki şu şekilde tarif edilebilir: Piezoelektrik Kaplin Denklemleri
Doğrudan piezoelektrik etki: S = sE .T + d. E
Ters piezoelektrik etki: D = d.T + εT.E
Nerede,
D = elektrik yer değiştirme vektörü
T = stres vektörü
sE = sabit elektrik alan kuvvetinde elastik katsayı matrisi,
S = şekil değiştirme vektörü
εT = sabit mekanik zorlamada dielektrik matris
E = elektrik alan vektörü
d = doğrudan veya ters piezoelektrik etki
Farklı yönlerde uygulanan elektrik alanı, piezoelektrik malzemelerde farklı miktarlarda gerilmeye neden olur. Bu nedenle, uygulanan alanın yönünü bilmek için katsayılarla birlikte işaret kuralları kullanılır. Yönü belirlemek için, eksen 1, 2, 3, X, Y, Z'ye benzer şekilde kullanılır. Poling her zaman 3 yönünde uygulanır. Çift alt simgeli katsayı, elektriksel ve mekanik özellikleri, yönünü tanımlayan ilk alt simge ile ilişkilendirir. uygulanan gerilime veya üretilen yüke göre elektrik alanı. İkinci alt simge, mekanik gerilimin yönünü verir.
Elektromekanik bağlantı katsayısı iki şekilde oluşur. Birincisi çalıştırma terimi d ve ikincisi sensör dönem g. Piezoelektrik katsayıları gösterimleri ile birlikte şu şekilde açıklanabilir: d33
Nerede,
d uygulanan gerilmenin 3. yönde olduğunu belirtir.
3, elektrotların 3. eksene dik olduğunu belirtir.
3 piezoelektrik sabitini belirtir.
Piezoelektrik Malzemesi Nasıl Çalışır?
Yukarıda açıklandığı gibi piezoelektrik malzemeler çalışabilir iki mod :
- Doğrudan piezoelektrik etki
- Converse piezoelektrik etkisi
Bu modların uygulamasını anlamak için her birine bir örnek verelim.
Doğrudan Piezoelektrik Etki Kullanan Heal-Strike Generator:
DARPA bu cihazı, askerleri taşınabilir bir jeneratörle donatmak için geliştirdi. Ayakkabılara implante edilen piezoelektrik malzeme, asker yürürken mekanik stres yaşar. Doğrudan nedeniyle piezoelektrik özellik malzeme bu mekanik gerilim nedeniyle elektrik yükü üretir. Bu ücret şurada saklanır: kapasitör veya piller bu da elektronik cihazlarını hareket halindeyken şarj etmek için kullanılabilir.
Strike Generator'ü iyileştir
Converse Piezoelectric Effect kullanan Saatlerde Kuvars Kristal Osilatör
Saatler şunları içerir: kuvars kristali . Pilden elektrik bu kristale bir devre aracılığıyla uygulandığında, ters piezoelektrik etkisi oluşur. Elektrik yükünün uygulanması üzerine bu etkiden dolayı, kristal saniyede 32768 kez frekansta salınmaya başlar. Devrede bulunan mikroçip, bu salınımları sayar ve saatin ikinci kollarını döndüren saniyede düzenli bir darbe üretir.
Saatlerde Kullanılan Converse Piezo Etkisi
Piezoelektrik Malzemelerin Kullanım Alanları
Eşsiz olması nedeniyle özellikler, piezoelektrik malzemeler çeşitli teknolojik buluşlarda önemli bir rol edinmiştir.
Doğrudan Piezo Etkisinin Kullanımı
- Japonya'nın tren istasyonlarında ' kalabalık çiftliği ”, Yola gömülü piezoelektrik karolar üzerindeki yayaların ayak seslerinin elektrik üretebileceği yerlerde test edildi.
- 2008'de Londra'daki bir gece kulübü, insanlar üzerinde dans ederken ampulleri çalıştırmak için elektrik üretebilen piezoelektrik malzemeden oluşan ilk çevre dostu katı inşa etti.
- Piezoelektrik etkisi, mekanik frekans filtreleri olarak faydalı bir uygulama bulur, yüzey akustik dalga cihazları , toplu akustik dalga cihazları vb.
- Ses ve ultrason mikrofonları ve hoparlörler, ultrasonik görüntüleme , hidrofonlar.
- Gitarlar için piezoelektrik manyetikler, Biyosensörler pacemaker'ı güçlendirmek için.
- Piezoelektrik elemanlar ayrıca sonar dalgalarının, tek eksenli ve çift eksenli algılanması ve oluşturulmasında kullanılır. eğim algılama .
Yollardan Piezoelektrik Etkisi
Converse Piezoelektrik Etkisinin Kullanım Alanları
- Aktüatörler ve motorlar
- Mikroskoplar için lenslerde mikro hassas yerleştirme ve mikro hassas ayarlamalar.
- Yazıcılarda iğne sürücüsü, minyatür motorlar, bimorf aktüatörler.
- Optikte hassas konumlandırma için çok katmanlı aktüatörler
- Otomotiv yakıt valflerindeki enjeksiyon sistemleri vb.
Kamerada Mikro Ayar Olarak Piezo Elektrik Etkisi
Elektrik ve Mekanik Alanları Birleştirerek:
- Malzemelerin atomistik yapısının incelenmesi için.
- İnşaat, sanayi ve havacılık yapılarında yapısal bütünlüğü izlemek ve hataları erken aşamalarda tespit etmek.
Piezoelektrik Malzemelerin Avantajları ve Sınırlamaları
Piezoelektrik malzemelerin avantajları ve sınırlamaları aşağıdakileri içerir.
Avantajlar
- Piezoelektrik malzemeler her sıcaklık koşulunda çalışabilir.
- Düşükler karbon Ayakizi onları fosil yakıt için en iyi alternatif haline getiriyor.
- Bu malzemelerin özellikleri onları en iyi enerji hasat makineleri yapar.
- Yeşil enerji üretmek için titreşim şeklinde kaybedilen kullanılmayan enerji kullanılabilir.
- Bu malzemeler yeniden kullanılabilir.
Sınırlamalar
- Titreşimlerle çalışırken, bu cihazlar istenmeyen titreşimleri de almaya eğilimlidir.
- Direnç ve Dayanıklılık, kaldırımlardan ve yollardan enerji almak için kullanıldığında cihazlara sınırlar uygular.
- Piezoelektrik malzemenin sertliği ile kaplama malzemesi arasındaki uyumsuzluk.
- Bu cihazların daha az bilinen detayları ve bugüne kadar yapılan araştırma miktarı, bu cihazların tam kullanımından yararlanmak için yeterli değildir.
'İhtiyaç, buluşun anasıdır' dendiği gibi, acelesiz, Düşük karbon ayak izine sahip bir enerji toplama cihazına olan ihtiyacımız piezoelektrik malzemeler yeniden ilgi odağı haline geldi. Bu malzemeler sınırlamalarının üstesinden nasıl gelebilir? Yolculuk için kullanılan yakıt miktarı hakkında endişelenmek yerine, yalnızca arabamızın ürettiği güç miktarını merak ettiğimiz bir geleceğe doğru mu gidiyoruz? Sen ne düşünüyorsun? İşte sana bir soru en iyi piezoelektrik malzeme nedir?
