Materiale piezoelectrice au existat de la sfârșitul anilor 80 și au pregătit calea pentru multe invenții care schimbă jocul. Servind sub formă de VIS în războiul mondial, aceste materiale au atras acum ochii inventatorilor pentru propriile lor caracteristici mistice . Rețele de senzori fără fir , internetul Lucrurilor guvernează era tehnică a secolului XXI. Pentru a menține aceste noutăți în funcțiune, necesitatea de putere a devenit cea mai mare provocare. Căutați un mediu durabil, fiabil, energie regenerabila sursă a făcut ca cercetătorii să se împiedice de recoltatorii de forță care aruncau o forță - the materiale piezoelectrice . Să pornim într-o călătorie pentru a explora această nouă eră recoltatoare de putere.
Ce este materialul piezoelectric?
Să știi ce material piezoelectric trebuie să știm ce înseamnă termenul piezoelectric ?. În PIEZOELECTRICITATE termenul „piezo” înseamnă presiune sau stres. Prin urmare piezoelectricitate este definit ca „Electricitate generată prin aplicarea tensiunii sau tensiunii mecanice” și materialele care prezintă această proprietate intră în categoria materiale piezoelectrice . Meritul pentru descoperirea acestor materiale revine Sir Jacques Curie (1856-1941) și Pierre Curie (1859–1906) . În timp ce experimentau anumite minerale cristaline, cum ar fi cuarțul, zahărul din trestie, etc., au descoperit că aplicarea forței sau tensiunii asupra acestor materiale a generat tensiuni de polarități opuse cu mărimi proporționale cu sarcina aplicată. Acest fenomen a fost denumit ca Direct Piezoefect .
În anul următor, Lippman a descoperit efectul Converse afirmând că una dintre aceste cristale generatoare de tensiune, atunci când este expusă unui câmp electric, s-a lungit sau s-a scurtat în funcție de polaritatea câmpului aplicat. Materiale piezoelectrice au devenit recunoscute odată cu rolul lor în primul război mondial când Quartz a fost folosit ca rezonatoare în SONAR. În perioada celui de-al doilea război mondial, a fost descoperit material piezoelectric sintetic, care a dus mai târziu la dezvoltarea intensă a dispozitive piezoelectrice . Înainte de a utiliza un material piezoelectric trebuie să știți ce caracteristici fac ca aceste materiale să fie piezoelectrice.
Proprietățile materialului piezoelectric și cum funcționează?
Secretul materialelor piezoelectrice constă în structura lor atomică unică. Materialele piezoelectrice sunt legate ionic și conțin ioni pozitivi și negativi sub formă de perechi numite celule unitare. Aceste materiale sunt disponibile ca natură un dielectric anizotrop cu rețea de cristal non-centrosimetrică adică nu au încărcări electrice gratuite și ionilor le lipsește un centru de simetrie.
Efect piezoelectric direct
Când se aplică stres mecanic sau frecare pe aceste materiale, geometria structurii atomice a cristalului se schimbă datorită mișcării nete a ionilor pozitivi și negativi unul față de celălalt, rezultând dipol electric sau Polarizare . Astfel, cristalul se schimbă de la un material dielectric la unul încărcat. Cantitatea de tensiune generată este direct proporțională cu cantitatea de stres sau tensiune aplicată cristalului.
Efect piezoelectric direct
Efect Piezoelectric Converse
Când electricitate se aplică acestor cristale apar dipoli electrici, formând mișcarea dipolului care determină deformarea cristalului, dând astfel naștere la conversie efect piezoelectric așa cum se arată în figură.
Efect Piezoelectric Converse
Materiale sintetice piezoelectrice
Făcut de om materiale piezoelectrice ca ceramică piezoelectrică prezintă polarizare spontană (proprietate feroelectrică), adică dipol există în structura lor chiar și atunci când nu se aplică câmp electric. Aici suma de efect piezoelectric produse depinde puternic de structura lor atomică. Dipolii prezenți în structură formează domenii-regiuni în care dipolii vecini au aceeași aliniere. Inițial, aceste domenii sunt orientate aleatoriu, provocând astfel nicio polarizare netă.
Structura cristalină perovskită deasupra și dedesubtul punctului Curie
Prin aplicarea unui câmp electric puternic DC la aceste ceramice atunci când trec prin punctul lor Curie, domeniile se aliniază în direcția câmpului electric aplicat. Acest proces se numește sondaj . După răcirea la temperatura camerei și eliminarea câmpului electric aplicat, toate domeniile își mențin orientarea. După finalizarea acestui proces, ceramica expune efectul piezoelectric . Materialele piezoelectrice naturale existente, cum ar fi cuarțul, nu se afișează comportamentul feroelectric .
Ecuația piezoelectrică
Efectul piezoelectric poate fi descris cu următoarele Ecuații de cuplare piezoelectrice
Efect piezoelectric direct: S = sE .T + d. E
Efect piezoelectric invers: D = d.T + εT.E
Unde,
D = vectorul deplasării electrice
T = vectorul de stres
sE = matricea coeficienților elastici la intensitate constantă a câmpului electric,
S = vectorul de tulpină
εT = matrice dielectrică la solicitare mecanică constantă
E = vectorul câmpului electric
d = efect piezoelectric direct sau invers
Câmpul electric aplicat în direcții diferite generează cantități diferite de stres în materialele piezoelectrice. Deci, convențiile semnelor sunt utilizate împreună cu coeficienții pentru a cunoaște direcția câmpului aplicat. Pentru a determina direcția, axele 1, 2, 3 sunt utilizate în mod similar cu X, Y, Z. Polizarea se aplică întotdeauna în direcția 3. Coeficientul cu indice duble leagă caracteristicile electrice și mecanice cu primul indice care descrie direcția câmp electric în conformitate cu tensiunea aplicată sau sarcina produsă. Al doilea indice dă direcția solicitării mecanice.
Coeficientul de cuplare electromecanică apare în două forme. Primul este termenul de acționare d, iar al doilea este senzorul termenul g. Coeficienții piezoelectrici împreună cu notațiile lor pot fi explicați cu d33
Unde,
d specifică că solicitarea aplicată este în direcția a 3-a.
3 specifică că electrozii sunt perpendiculari pe a 3-a axă.
3 specifică constanta piezoelectrică.
Cum funcționează materialul piezoelectric?
După cum sa explicat mai sus, pot funcționa materiale piezoelectrice două moduri :
- Efectul piezoelectric direct
- Efect piezoelectric invers
Să luăm un exemplu pentru ca fiecare să înțeleagă aplicarea acestor moduri.
Heal-Strike Generator folosind efectul piezoelectric direct:
DARPA a dezvoltat acest dispozitiv pentru a dota soldații cu un generator de energie portabil. Materialul piezoelectric implantat în pantofi prezintă stres mecanic atunci când soldatul merge. Din cauza directă proprietate piezoelectrică , materialul produce sarcină electrică datorită acestei solicitări mecanice. Această taxă este stocată în condensatorul sau baterii care astfel pot fi folosite pentru a-și încărca dispozitivele electronice din mers.
Heal Strike Generator
Oscilator cu cristale de cuarț în ceasuri folosind efectul piezoelectric Converse
Ceasurile conțin o cristal de cuarț . Când electricitatea din baterie este aplicată acestui cristal printr-un circuit, are loc un efect piezoelectric invers. Datorită acestui efect la aplicarea sarcinii electrice, cristalul începe să oscileze cu o frecvență de 32768 ori pe secundă. Microcipul prezent în circuit numără aceste oscilații și generează un impuls regulat pe secundă care învârte mâinile secundare ale ceasului.
Efect Conversie Piezo folosit la ceasuri
Utilizări ale materialelor piezoelectrice
Datorită caracterului său unic caracteristici, materiale piezoelectrice au dobândit un rol important în diferite invenții tehnologice.
Utilizarea efectului Piezo direct
- În gările din Japonia, conceptul de „ fermă de mulțimi ”A fost testat în cazul în care pașii pietonilor de pe plăcile piezoelectrice încorporate pe drum pot genera electricitate.
- În 2008, un club de noapte din Londra construiește primul etaj ecologic format din material piezoelectric care poate genera electricitate pentru a alimenta becurile atunci când oamenii dansează pe el.
- Efectul piezoelectric găsește o aplicație utilă ca filtre mecanice de frecvență, dispozitive cu unde acustice de suprafață , dispozitive cu unde acustice în vrac, etc ...
- Microfoane și difuzoare de sunet și ultrasunete, imagistică cu ultrasunete , hidrofoane.
- Pickup-uri piezoelectrice pentru chitare, biosenzori pentru a porni stimulatorul cardiac.
- Elementele piezoelectrice sunt, de asemenea, utilizate în detectarea și generarea undelor sonare, cu o singură axă și cu două axe detectarea înclinării .
Efect piezoelectric din RoadWays
Utilizări ale efectului piezoelectric Converse
- Actuatoare și motoare
- Amplasare micro-precizie și ajustări de micro-precizie în lentile pentru microscop.
- Driver de ac în imprimante, motoare miniaturizate, servomotoare bimorfe.
- Actuatoare cu mai multe straturi pentru poziționarea fină în optică
- Sisteme de injecție în supape de combustibil auto etc.
Efect electric piezo ca micro reglare în cameră
Prin cuplarea câmpurilor electrice și mecanice:
- Pentru investigarea structurii atomistice a materialelor.
- Pentru a monitoriza integritatea structurală și a detecta defecțiunile în stadii incipiente în structurile civile, industriale și aerospațiale.
Avantajele și limitările materialelor piezoelectrice
Avantajele și limitările materialelor piezoelectrice includ următoarele.
Avantaje
- Materialele piezoelectrice pot funcționa în orice condiții de temperatură.
- Au scăzut amprenta de carbon făcându-i cea mai bună alternativă pentru combustibilii fosili.
- Caracteristicile acestor materiale le fac cele mai bune recoltatoare de energie.
- Energia neutilizată pierdută sub formă de vibrații poate fi exploatată pentru a genera energie verde.
- Aceste materiale pot fi refolosite.
Limitări
- În timp ce lucrați cu vibrații, aceste dispozitive sunt predispuse să preia și vibrații nedorite.
- Rezistența și durabilitatea aplică limite dispozitivelor atunci când sunt utilizate pentru a exploata energia din trotuare și drumuri.
- Discrepanța dintre rigiditatea materialului piezoelectric și a materialului de pavaj.
- Detaliile mai puțin cunoscute ale acestor dispozitive și cantitatea de cercetări făcute până în prezent nu sunt suficiente pentru a exploata utilizarea completă a acestor dispozitive.
După cum s-a spus „Necesitatea este mama invenției”, ne-a adus necesitatea unui dispozitiv de recoltare a energiei cu amprentă redusă a emisiilor de dioxid de carbon. materiale piezoelectrice din nou în lumina reflectoarelor. Cum pot depăși aceste materiale limitările lor? Ne îndreptăm către un viitor în care, în loc să ne îngrijorăm de cantitatea de combustibil consumată pentru a călători, ne-am întreba doar despre cantitatea de energie generată de mașina noastră? Ce crezi? Iată o întrebare pentru tine, care este cel mai bun material piezoelectric?
