Wat is een piëzo-elektrisch materiaal? Werking, voordelen en beperkingen

Piëzo-elektrische materialen bestaan ​​al sinds eind jaren 80 en hebben de weg geëffend voor vele baanbrekende uitvindingen. Dienen in de vorm van DROOM in de wereldoorlog hebben deze materialen nu de aandacht getrokken van de uitvinders voor hun mystieke kenmerken ​ Draadloze sensornetwerken ​ internet van dingen regeert het technische tijdperk van de 21ste eeuw. Om deze nieuwigheden draaiende te houden, is de stroombehoefte de grootste uitdaging geworden. Jaag op een duurzame, betrouwbare, hernieuwbare energie bron zorgde ervoor dat onderzoekers struikelden over baanbrekende energieoogstmachines - de piëzo-elektrische materialen ​Laten we op reis gaan om deze nieuwe tijd te verkennen power oogstmachines.

Wat is piëzo-elektrisch materiaal?

Om te weten wat een piëzo-elektrisch materiaal moet men weten waar de term piëzo-elektrisch voor staat ?. In PIEZOELECTRICITEIT de term 'piëzo' staat voor druk of spanning. Dus piëzo-elektriciteit wordt gedefinieerd als 'Elektriciteit opgewekt door toepassing van mechanische spanning of spanning' en de materialen die deze eigenschap vertonen vallen onder de categorie van piëzo-elektrische materialen ​De eer voor de ontdekking van deze materialen gaat naar Sir Jacques Curie (1856-1941) en Pierre Curie (1859-1906) ​Terwijl ze experimenteerden met bepaalde kristallijne mineralen zoals kwarts, rietsuiker, enz ... ontdekten ze dat het uitoefenen van kracht of spanning op deze materialen spanningen genereerde met tegengestelde polariteiten met een grootte die proportioneel was aan de toegepaste belasting. Dit fenomeen werd genoemd als Direct Piëzo-effect ​

In het volgende jaar Lippman ontdekte het Converse-effect door te stellen dat een van deze spanningsgenererende kristallen bij blootstelling aan een elektrisch veld verlengd of verkort werd volgens de polariteit van het aangelegde veld. Piëzo-elektrische materialen kregen erkenning met hun rol in WW1 toen Quartz werd gebruikt als resonatoren in SONAR. Tijdens de periode van WO II werd synthetisch piëzo-elektrisch materiaal ontdekt, wat later leidde tot de intense ontwikkeling van piëzo-elektrische apparaten ​Voordat een piëzo-elektrisch materiaal wordt gebruikt, moet men weten welke eigenschappen deze materialen piëzo-elektrisch maken.

Eigenschappen van piëzo-elektrisch materiaal en hoe werkt het?

Het geheim van piëzo-elektrische materialen ligt in hun unieke atomaire structuur. Piëzo-elektrische materialen zijn ionisch gebonden en bevatten positieve en negatieve ionen in de vorm van paren die eenheidscellen worden genoemd. Deze materialen zijn in de natuur verkrijgbaar als een anisotroop diëlektricum met niet-centrosymmetrisch kristalrooster d.w.z. ze hebben geen gratis elektrische ladingen en de ionen hebben geen symmetriecentrum.

Direct piëzo-elektrisch effect

Wanneer mechanische spanning of wrijving op deze materialen wordt uitgeoefend, verandert de geometrie van de atomaire structuur van het kristal als gevolg van de netto beweging van positieve en negatieve ionen ten opzichte van elkaar, wat resulteert in elektrische dipool of Polarisatie ​Het kristal verandert dus van een diëlektricum in een geladen materiaal. De hoeveelheid opgewekte spanning is rechtevenredig met de hoeveelheid spanning of spanning die op het kristal wordt uitgeoefend.

Direct piëzo-elektrisch effect

Converse piëzo-elektrisch effect

Wanneer elektriciteit wordt toegepast op deze kristallen elektrische dipolen verschijnen, vormen de dipoolbeweging die vervorming van het kristal veroorzaakt, waardoor het omgekeerde ontstaat piëzo-elektrisch effect zoals weergegeven in de afbeelding.

Converse piëzo-elektrisch effect

Synthetische piëzo-elektrische materialen

Door de mens gemaakt piëzo-elektrische materialen Leuk vinden piëzo-elektrische keramiek vertonen spontane polarisatie (ferro-elektrische eigenschap), d.w.z. dipool bestaat in hun structuur, zelfs als er geen elektrisch veld wordt aangelegd. Hier het bedrag van piëzo-elektrisch effect geproduceerd hangt sterk af van hun atomaire structuur. De dipolen die in de structuur aanwezig zijn, vormen domeinen-gebieden waar de naburige dipolen dezelfde uitlijning hebben. In eerste instantie zijn deze domeinen willekeurig georiënteerd waardoor er geen netto polarisatie ontstaat.

Perovskiet kristalstructuur boven en onder Curie Point

Door een sterk elektrisch DC-veld toe te passen op deze keramiek wanneer ze door hun Curie-punt gaan, worden de domeinen uitgelijnd in de richting van het aangelegde elektrische veld. Dit proces heet poll ​Na afkoeling tot kamertemperatuur en verwijdering van het aangelegde elektrische veld behouden alle domeinen hun oriëntatie. Na voltooiing van dit proces vertoont het keramiek het piëzo-elektrische effect ​Natuurlijke bestaande piëzo-elektrische materialen zoals kwarts worden niet weergegeven ferro-elektrisch gedrag ​

Piëzo-elektrische vergelijking

Piëzo-elektrisch effect kan worden beschreven met het volgende Piëzo-elektrische koppelingsvergelijkingen

Direct piëzo-elektrisch effect: S = sE .T + d. E.
Omgekeerd piëzo-elektrisch effect: D = d.T + εT.E

Waar,

D = elektrische verplaatsingsvector

T = de spanningsvector

sE = matrix van elastische coëfficiënten bij constante elektrische veldsterkte,

S = stamvector

εT = diëlektrische matrix bij constante mechanische spanning

E = elektrisch veld vector

d = direct of omgekeerd piëzo-elektrisch effect

Het elektrische veld dat in verschillende richtingen wordt aangelegd, genereert verschillende hoeveelheden spanning in piëzo-elektrische materialen. Dus tekenconventies worden samen met coëfficiënten gebruikt om de richting van het toegepaste veld te kennen. Om de richting te bepalen, worden assen 1, 2, 3 analoog aan X, Y, Z gebruikt.Polen wordt altijd toegepast in de richting van 3. De coëfficiënt met dubbele subscripten relateert elektrische en mechanische kenmerken met het eerste subscript dat de richting van de elektrisch veld in overeenstemming met de toegepaste spanning of geproduceerde lading. Het tweede subscript geeft de richting van mechanische spanning aan.

Elektromechanische koppelingscoëfficiënt komt voor in twee vormen. De eerste is de activeringsterm d, en de tweede is de sensor term g. De piëzo-elektrische coëfficiënten en hun notaties kunnen worden verklaard met d33

Waar,

d specificeert toegepaste spanning is in 3e richting.

3 specificeert elektroden loodrecht op de 3e as.

3 specificeert piëzo-elektrische constante.

Hoe piëzo-elektrisch materiaal werkt?

Zoals hierboven uitgelegd, kunnen piëzo-elektrische materialen werken twee modi ​

• • Het directe piëzo-elektrische effect
  • Omgekeerd piëzo-elektrisch effect

Laten we voor elk een voorbeeld nemen om de toepassing van deze modi te begrijpen.

Heal-Strike Generator met direct piëzo-elektrisch effect:

DARPA heeft dit apparaat ontwikkeld om soldaten uit te rusten met een draagbare stroomgenerator. Het piëzo-elektrische materiaal dat in de schoenen is geïmplanteerd, ondervindt mechanische belasting wanneer de soldaat loopt. Vanwege direct piëzo-elektrische eigenschap , produceert het materiaal elektrische lading als gevolg van deze mechanische spanning. Deze lading is opgeslagen in de condensator of batterijen die daardoor kunnen worden gebruikt om hun elektronische apparaten onderweg op te laden.

Geneest Strike Generator

Kwartskristaloscillator in horloges met Converse piëzo-elektrisch effect

Horloges bevatten een kwarts kristal ​Wanneer elektriciteit van de batterij via een circuit op dit kristal wordt toegepast, treedt een omgekeerd piëzo-elektrisch effect op. Door dit effect begint het kristal bij het aanleggen van elektrische lading te oscilleren met een frequentie van 32768 keer per seconde. De microchip die in het circuit aanwezig is, telt deze oscillaties en genereert een regelmatige puls per seconde die de tweede wijzers van het horloge laat draaien.

Converse Piezo Effect gebruikt in horloges

Gebruik van piëzo-elektrische materialen

Vanwege zijn uniek kenmerken, piëzo-elektrische materialen hebben een belangrijke rol verworven in verschillende technologische uitvindingen.

Gebruik van direct piëzo-effect

• • In de treinstations van Japan is het concept van ' menigte boerderij 'Werd getest waar de voetstappen van de voetgangers' op de piëzo-elektrische tegels ingebed in de weg elektriciteit kunnen opwekken.

• • In 2008 bouwt een nachtclub in Londen de eerste milieuvriendelijke vloer van piëzo-elektrisch materiaal dat elektriciteit kan opwekken om gloeilampen van stroom te voorzien wanneer mensen erop dansen.

• • Piëzo-elektrisch effect vindt nuttige toepassing als mechanische frequentiefilters, oppervlakte akoestische golf apparaten , bulk akoestische golfapparaten, enz ...

• • Geluids- en ultrasone microfoons en luidsprekers, ultrasone beeldvorming , hydrofoons.

• • Piëzo-elektrische pickups voor gitaren, biosensoren om de pacemaker op te starten.
  • Piëzo-elektrische elementen worden ook gebruikt bij de detectie en generatie van sonargolven, enkelassig en dubbelassig kantelwaarneming ​

Piëzo-elektrisch effect van wegen

Maakt gebruik van Converse piëzo-elektrisch effect

• Actuatoren en motoren
• Micro-precisie plaatsing en micro-precisie aanpassingen in lenzen voor microscopen.
• Naalddriver in printers, geminiaturiseerde motoren, bimorfe actuatoren.
• Meerlagige actuatoren voor fijne positionering in optica
• Injectiesystemen in brandstofkleppen voor auto's, enz ...

  

  Piëzo-elektrisch effect als micro-aanpassing in de camera

Door elektrische en mechanische velden te koppelen:

• • Voor onderzoek naar de atomaire structuur van materialen.
  • Om de structurele integriteit te bewaken en fouten in vroege stadia te detecteren in civiele, industriële en ruimtevaartconstructies.

Voordelen en beperkingen van piëzo-elektrische materialen

De voordelen en beperkingen van piëzo-elektrische materialen omvatten de volgende.

Voordelen

• • Piëzo-elektrische materialen kunnen bij alle temperatuuromstandigheden werken.

• • Ze hebben een lage CO2-voetafdruk waardoor ze het beste alternatief zijn voor fossiele brandstof.

• • De eigenschappen van deze materialen maken ze tot de beste energie-oogstmachines.

• • Ongebruikte energie die verloren gaat in de vorm van trillingen kan worden afgetapt om groene energie op te wekken.
  • Deze materialen kunnen worden hergebruikt.

Beperkingen

• • Tijdens het werken met trillingen kunnen deze apparaten ook ongewenste trillingen oppikken.

• • Weerstand en duurzaamheid zijn van toepassing op apparaten die worden gebruikt om energie van trottoirs en wegen af ​​te tappen.

• • De mismatch tussen stijfheid van piëzo-elektrisch materiaal en bestratingsmateriaal.
  • Minder bekende details van deze apparaten en de hoeveelheid onderzoek die tot nu toe is gedaan, is niet voldoende om het volledige gebruik van deze apparaten te benutten.

Zoals gezegd wordt: 'Noodzaak is de moeder van de uitvinding', heeft onze noodzaak voor een apparaat voor het oogsten van energie met een lage CO2-voetafdruk piëzo-elektrische materialen weer in de schijnwerpers. Hoe kunnen deze materialen hun beperkingen overwinnen? Gaan we naar een toekomst waarin we ons in plaats van ons zorgen te maken over de hoeveelheid brandstof die wordt verbruikt om te reizen, ons alleen afvragen hoeveel stroom onze auto heeft opgewekt? Wat denk je? Hier is een vraag voor jou, wat is het beste piëzo-elektrische materiaal?