Mga materyales sa Piezoelectric ay nasa paligid mula noong huli na 80's at aspaltadong paraan para sa maraming mga imbensyon na nagbabago ng laro. Naghahain sa anyo ng PANGARAP sa giyera ng mundo ang mga materyales na ito ay nahuli ngayon sa mga imbentor para sa kanila mistikong katangian . Mga Wireless Sensor Network , Internet ng Mga Bagay namumuno sa teknikal na panahon ng ika-21 siglo. Upang mapanatili ang pagpapatakbo ng mga novelty na ito, ang kinakailangan sa lakas ay naging pinakamalaking hamon. Manghuli para sa isang napapanatiling, maaasahan, nababagong enerhiya pinagmulan sanhi ng mga mananaliksik na nadapa sa trailblazing power harvesters- ang mga materyal na piezoelectric . Magtakda tayo sa isang paglalayag upang tuklasin ang bagong panahong ito mga nag-aani ng kuryente.
Ano ang Piezoelectric Material?
Para malaman kung ano a materyal na piezoelectric dapat malaman ng isa kung ano ang ibig sabihin ng term na piezoelectric ?. Sa PIEZOELECTRICITY ang term na 'piezo' ay nangangahulugang presyon o stress. Ganito piezoelectricity ay tinukoy bilang 'Elektrisidad na nabuo sa pamamagitan ng aplikasyon ng mekanikal stress o pag-igting' at ang mga materyales na nagpapakita ng pag-aari na ito ay nasa ilalim ng kategorya ng mga materyal na piezoelectric . Ang kredito para sa pagtuklas ng mga materyal na ito ay napupunta Sir Jacques Curie (1856–1941) at Pierre Curie (1859–1906) . Habang nag-eksperimento sa ilang mga mala-kristal na mineral tulad ng kuwarts, asukal sa tubo, atbp ... nalaman nila na ang paglalapat ng puwersa o pag-igting sa mga materyal na ito ay nakabuo ng mga voltages ng kabaligtaran na mga polarity na may magnitude na hudyat sa inilapat na pagkarga. Ang kababalaghang ito ay pinangalanan bilang Direkta Piezoeffect .
Sa susunod na taon, Lippman natuklasan ang Converse effect na nagsasaad na ang isa sa mga kristal na bumubuo ng boltahe, kapag nahantad sa isang electric field, pinahaba o pinaikling ayon sa polarity ng inilapat na patlang. Mga materyales sa Piezoelectric nakilala ang kanilang papel sa WW1 nang ang Quartz ay ginamit bilang resonator sa SONAR. Sa panahon ng WW2, natuklasan ang gawa ng tao na piezoelectric na materyal, na kalaunan ay humantong sa matinding pag-unlad ng mga aparatong piezoelectric . Bago gumamit ng isang materyal na piezoelectric dapat mong malaman kung anong mga katangian ang gumagawa ng mga materyal na piezoelectric.
Mga Katangian ng Piezoelectric Material at Paano ito gumagana?
Ang sikreto ng mga materyal na piezoelectric ay nakasalalay sa kanilang natatanging istraktura ng atom. Ang mga materyal na Piezoelectric ay may kaugnayan sa ioniko at naglalaman ng positibo at negatibong mga ions sa anyo ng mga pares na tinatawag na unit cells. Ang mga materyal na ito ay magagamit sa kalikasan bilang isang anisotropic dielectric kasama di-Centrosymmetric crystal lattice ibig sabihin wala silang anumang mga libreng singil sa kuryente at ang mga ions ay kulang sa isang sentro ng mahusay na proporsyon.
Direktang Piezoelectric Effect
Kapag ang mekanikal na stress o alitan ay inilalapat sa mga materyal na ito ang geometry ng istraktura ng atomiko ng kristal ay nagbabago dahil sa net na paggalaw ng positibo at negatibong mga ion na may paggalang sa bawat isa, na nagreresulta sa electric dipole o Polariseysyon . Sa gayon ang kristal ay nagbabago mula sa isang dielectric patungo sa isang sisingilin na materyal. Ang dami ng nabuo na boltahe ay direktang proporsyonal sa dami ng stress o pag-igting na inilapat sa kristal.
Direktang Piezoelectric Effect
Converse Piezoelectric Effect
Kailan kuryente ay inilapat sa mga kristal na ito ay lumilitaw ang mga dipol na kuryente, na bumubuo sa kilusan ng dipole na nagsasanhi ng pagpapapangit ng kristal, sa gayon ay nagbibigay ng talakayan epekto ng piezoelectric tulad ng ipinakita sa pigura.
Converse Piezoelectric Effect
Mga Synthetic Piezoelectric Material
Ginawa ng tao mga materyal na piezoelectric gusto piezoelectric ceramics nagpapakita ng kusang polariseysyon (ari-arian ng ferroelectric) ibig sabihin, ang dipole ay umiiral sa kanilang istraktura kahit na walang electric field na inilapat. Narito ang halaga ng epekto ng piezoelectric Ang paggawa ay malakas na nakasalalay sa kanilang istraktura ng atom. Ang mga dipole na naroroon sa istraktura ay bumubuo ng mga domain-rehiyon kung saan ang mga kalapit na dipole ay may parehong pagkakahanay. Sa una, ang mga domain na ito ay random na nakatuon sa gayon hindi nagdudulot ng net polariseysyon.
Perovskite Crystal Structure Sa Itaas at Sa Ibabang Curie Point
Sa pamamagitan ng paglalapat ng isang malakas na patlang ng kuryente sa DC sa mga keramika na ito kapag dumaan sila sa kanilang point na Curie ang mga domain ay nakahanay sa direksyon ng inilapat na electric field. Ang prosesong ito ay tinawag botohan . Matapos ang paglamig sa temperatura ng kuwarto at pag-alis ng inilapat na electric field, ang lahat ng mga domain ay nagpapanatili ng kanilang oryentasyon. Matapos makumpleto ang prosesong ito, nagpapakita ng ceramic ang epekto ng piezoelectric . Ang mga likas na mayroon nang mga materyal na piezoelectric tulad ng quartz ay hindi ipinapakita pag-uugali ng ferroelectric .
Equation ng Piezoelectric
Ang Piezoelectric Effect ay maaaring mailarawan sa mga sumusunod Mga Equation ng Piezoelectric Coupling
Direktang epekto ng piezoelectric: S = sE .T + d. E
Epekto ng piezoelectric na epekto: D = d.T + εT.E
Kung saan,
D = vector ng pag-aalis ng kuryente
T = ang stress vector
sE = matrix ng nababanat na mga coefficients sa pare-pareho ang lakas ng electric field,
S = vector ng pilay
εT = dielectric matrix na pare-pareho ang mechanical strain
E = vector ng patlang ng kuryente
d = direkta o salungat na epekto ng piezoelectric
Ang patlang ng elektrisidad na inilapat sa iba't ibang direksyon ay bumubuo ng iba't ibang halaga ng stress sa mga materyal na piezoelectric. Kaya ang mga sign Convention ay ginagamit kasama ang mga coefficients upang malaman ang direksyon ng inilapat na patlang. Upang matukoy ang direksyon, ang mga palakol 1, 2, 3 ay ginagamit nang magkasabay sa X, Y, Z. Ang poling ay palaging inilalapat sa direksyon ng 3. Ang koepisyent na may dobleng mga subscripts ay nauugnay sa mga katangiang elektrikal at mekanikal sa unang subscript na naglalarawan sa direksyon ng electric field alinsunod sa boltahe na inilapat o nagawa na singil. Ang pangalawang subskripsyon ay nagbibigay ng direksyon ng stress sa makina.
Ang koepisyent ng pagkabit ng electromechanical ay nangyayari sa dalawang anyo. Ang una ay ang term na aktibo ng d, at ang pangalawa ay ang sensor kataga g. Ang piezoelectric coefficients kasama ang kanilang mga notasyon ay maaaring ipaliwanag sa d33
Kung saan,
tinutukoy ng d na inilapat ang stress ay nasa ika-3 direksyon.
Tinutukoy ng 3 ang mga electrode ay patayo sa ika-3 axis.
Tinutukoy ng 3 ang pare-pareho ng piezoelectric.
Paano gumagana ang Piezoelectric Material?
Tulad ng ipinaliwanag sa itaas ay maaaring gumana ang mga materyal na piezoelectric dalawang mga mode :
- Ang direktang epekto ng piezoelectric
- Salungat na epekto ng piezoelectric
Hayaan ang kumuha ng isang halimbawa para maunawaan ng bawat isa ang aplikasyon ng mga mode na ito.
Heal-Strike Generator gamit ang Direct Piezoelectric Effect:
DARPA ay bumuo ng aparatong ito upang magbigay ng kasangkapan ang mga sundalo sa isang portable power generator. Ang materyal na piezoelectric na nakatanim sa sapatos ay nakakaranas ng mekanikal na stress kapag lumalakad ang sundalo. Dahil sa pagdidirekta pagmamay-ari ng piezoelectric , ang materyal ay gumagawa ng singil sa kuryente dahil sa mekanikal na stress na ito. Ang singil na ito ay nakaimbak sa ang kapasitor o baterya na kung saan ay maaaring magamit upang singilin ang kanilang mga elektronikong aparato on the go.
Pagalingin ang Tagabuo ng Strike
Quartz Crystal Oscillator sa Mga Relo gamit ang Converse Piezoelectric Effect
Naglalaman ang mga relo a quartz na kristal . Kapag ang kuryente mula sa baterya ay inilalapat sa kristal na ito sa pamamagitan ng isang circuit converse piezoelectric effect ay nangyayari. Dahil sa epektong ito sa pag-apply ng electric charge ang kristal ay nagsisimulang mag-oscillate na may dalas na 32768 beses bawat segundo. Ang microchip na naroroon sa circuit ay binibilang ang mga oscillation na ito at bumubuo ng isang regular na pulso bawat segundo na umiikot sa ikalawang kamay ng relo.
Converse Piezo Effect Ginamit Sa Mga Relo
Mga Gamit ng Mga Materyales ng Piezoelectric
Dahil sa kakaiba nito mga katangian, mga materyal na piezoelectric ay nakakuha ng mahalagang papel sa iba`t ibang mga teknolohikal na imbensyon.
Paggamit ng Direktang Piezo Effect
- Sa mga istasyon ng tren ng Japan ang konsepto ng ' crowd farm ”Ay nasubukan kung saan ang mga yabag ng mga naglalakad sa mga piezoelectric tile na naka-embed sa kalsada ay maaaring makabuo ng elektrisidad.
- Noong 2008 ang isang nightclub sa London ay nagtatayo ng unang eco-friendly na sahig na binubuo ng materyal na piezoelectric na maaaring makabuo ng elektrisidad upang mapagana ang mga ilaw na bombilya kapag sumayaw ang mga tao dito.
- Ang epekto ng Piezoelectric ay nahahanap ang kapaki-pakinabang na application bilang mga filter ng mekanikal na dalas, mga aparatong alon sa ibabaw ng tunog , maramihang mga aparatong alon ng acoustic, atbp…
- Mga mikropono ng tunog at ultrasound at speaker, ultrasonic imaging , mga hydrophone.
- Mga pickup ng Piezoelectric para sa mga gitara, biosensor upang mapagana ang pacemaker.
- Ginagamit din ang mga elemento ng piezoelectric sa pagtuklas at pagbuo ng mga sonar wave, solong-axis at dalawahang-axis ikiling sensing .
Epekto ng Piezoelectric Mula sa Mga RoadWays
Mga Paggamit ng Converse Piezoelectric Effect
- Mga Actuator at mga motor
- Ang paglalagay ng micro-Precision at mga pagsasaayos ng micro-Precision sa mga lente para sa microscope.
- Needle driver sa mga printer, pinaliit na mga motor, bimorph actuator.
- Multilayered actuators para sa pinong pagpoposisyon sa optika
- Mga sistema ng pag-iniksyon sa mga automotive fuel valve atbp…
Piezo Electric Effect Bilang Micro Adjustment Sa Camera
Sa pamamagitan ng Coupling Electrical and Mechanical Fields:
- Para sa pagsisiyasat sa istrukturang atomistic ng mga materyales.
- Upang masubaybayan ang integridad ng istruktura at makita ang mga pagkakamali sa maagang yugto ng mga istrukturang sibil, pang-industriya at aerospace.
Mga kalamangan at Limitasyon ng Mga Materyales ng Piezoelectric
Ang mga kalamangan at limitasyon ng mga materyal na piezoelectric ay kasama ang sumusunod.
Mga kalamangan
- Ang mga materyal na Piezoelectric ay maaaring gumana sa anumang mga kondisyon ng temperatura.
- Mababa ang mga ito bakas ng paa ng carbon ginagawa silang pinakamahusay na kahalili para sa fuel ng fossil.
- Ang mga katangian ng mga materyal na ito ay gumagawa sa kanila ng pinakamahusay na mga aani ng enerhiya.
- Ang hindi nagamit na enerhiya na nawala sa anyo ng mga panginginig ay maaaring i-tap upang makabuo ng berdeng enerhiya.
- Ang mga materyal na ito ay maaaring magamit muli.
Mga limitasyon
- Habang nagtatrabaho kasama ng mga pag-vibrate ang mga aparatong ito ay madaling kapitan ng pagkuha ng mga hindi nais na panginginig din.
- Ang paglaban at tibay ay naglalapat ng mga limitasyon sa mga aparato kapag ginamit upang mag-tap ng enerhiya mula sa mga aspaltado at kalsada.
- Ang hindi pagtutugma sa pagitan ng tigas ng materyal na piezoelectric at materyal na simento.
- Hindi gaanong alam na mga detalye ng mga aparatong ito at ang dami ng pagsasaliksik na ginawa hanggang ngayon ay hindi sapat upang pagsamantalahan ang buong paggamit ng mga aparatong ito.
Tulad ng sinasabi na 'Ang kinakailangan ay ang ina ng pag-imbento' ang aming pangangailangan para sa isang walang pagmamadali, Mababang carbon aparato ng pag-aani ng enerhiya ng bakas ng paa ay nagdala mga materyal na piezoelectric sa limelight ulit. Paano mapagtagumpayan ng mga materyal na ito ang kanilang mga limitasyon? Lumilipat ba tayo patungo sa isang hinaharap kung saan sa halip na mag-alala tungkol sa dami ng gasolina na ginamit upang maglakbay, magtataka lamang tayo tungkol sa dami ng lakas na nabuo ng aming sasakyan? Ano sa tingin mo? Narito ang isang katanungan para sa iyo, ano ang pinakamahusay na materyal na piezoelectric?
