Bahan piezoelektrik telah wujud sejak akhir 80-an dan membuka jalan untuk banyak penemuan yang mengubah permainan. Berkhidmat dalam bentuk IMPIAN dalam perang dunia, bahan-bahan ini telah menarik perhatian para penemu untuk mereka ciri-ciri mistik . Rangkaian Sensor Tanpa Wayar , Internet Perkara memerintah era teknikal abad ke-21. Untuk memastikan kebaruan ini terus berjalan, keperluan tenaga telah menjadi cabaran terbesar. Mencari yang lestari, boleh dipercayai, tenaga yang boleh diperbaharui sumber menyebabkan para penyelidik tersandung pada penuai tenaga yang mengejar- the bahan piezoelektrik . Mari bersiar-siar untuk meneroka zaman baru ini penuai tenaga.
Apakah Bahan Piezoelektrik?
Untuk mengetahui apa a bahan piezoelektrik adakah seseorang harus tahu apa maksud istilah piezoelektrik ?. Dalam PIEZOELEKTRIK istilah 'piezo' bermaksud tekanan atau tekanan. Oleh itu piezoelektrik ditakrifkan sebagai 'Tenaga elektrik yang dihasilkan oleh penggunaan tekanan atau ketegangan mekanikal' dan bahan-bahan yang menunjukkan sifat ini termasuk dalam kategori bahan piezoelektrik . Kredit untuk penemuan bahan-bahan ini diberikan Sir Jacques Curie (1856–1941) dan Pierre Curie (1859–1906) . Semasa bereksperimen dengan mineral kristal tertentu seperti kuarza, gula tebu, dan lain-lain ... mereka mendapati bahawa penggunaan daya atau ketegangan pada bahan-bahan ini menghasilkan voltan polariti bertentangan dengan magnitud yang bersesuaian dengan beban yang dikenakan. Fenomena ini dinamakan sebagai Langsung Piezoeffect .
Pada tahun berikutnya, Lippman menemui kesan Sebaliknya yang menyatakan bahawa salah satu kristal penghasil voltan ini, apabila terkena medan elektrik, dipanjangkan atau dipendekkan mengikut kekutuban medan yang digunakan. Bahan piezoelektrik menjadi terkenal dengan peranan mereka dalam WW1 ketika Quartz digunakan sebagai resonator di SONAR. Selama tempoh WW2, bahan piezoelektrik sintetik ditemui, yang kemudian menyebabkan perkembangan sengit peranti piezoelektrik . Sebelum menggunakan bahan piezoelektrik seseorang mesti mengetahui ciri apa yang menjadikan bahan ini piezoelektrik.
Sifat Bahan Piezoelektrik dan Bagaimana Ia Berfungsi?
Rahsia bahan piezoelektrik terletak pada struktur atomnya yang unik. Bahan piezoelektrik terikat secara ion dan mengandungi ion positif dan negatif dalam bentuk pasangan yang disebut unit sel. Bahan-bahan ini terdapat di alam semula jadi sebagai dielektrik anisotropik dengan kisi kristal bukan Centrosymmetric iaitu tidak mempunyai cas elektrik percuma dan ion tidak mempunyai pusat simetri.
Kesan Piezoelektrik Langsung
Apabila tekanan mekanikal atau geseran digunakan pada bahan-bahan ini, geometri struktur atom kristal berubah kerana pergerakan bersih ion positif dan negatif satu sama lain, mengakibatkan dipol elektrik atau Polarisasi . Oleh itu kristal berubah dari dielektrik ke bahan yang dicas. Jumlah voltan yang dihasilkan berkadar terus dengan jumlah tekanan atau ketegangan yang dikenakan pada kristal.
Kesan Piezoelektrik Langsung
Kesan Piezoelektrik Converse
Bila elektrik digunakan pada kristal ini dipol elektrik muncul, membentuk pergerakan dipol yang menyebabkan ubah bentuk kristal, sehingga menimbulkan percakapan kesan piezoelektrik seperti yang ditunjukkan dalam rajah.
Kesan Piezoelektrik Converse
Bahan Piezoelektrik Sintetik
Buatan Manusia bahan piezoelektrik suka seramik piezoelektrik menunjukkan polarisasi spontan (sifat ferroelektrik) iaitu dipol wujud dalam strukturnya walaupun tidak ada medan elektrik yang digunakan. Di sini jumlahnya kesan piezoelektrik dihasilkan sangat bergantung pada struktur atomnya. Dipol yang terdapat dalam struktur membentuk domain-daerah di mana dipol yang berdekatan mempunyai penjajaran yang sama. Pada mulanya, domain ini berorientasikan secara rawak sehingga tidak menyebabkan polarisasi bersih.
Struktur Kristal Perovskite Di Atas dan Di Bawah Curie Point
Dengan menggunakan medan elektrik DC yang kuat pada seramik ini ketika melewati titik Curie mereka, domain diselaraskan ke arah medan elektrik terpakai. Proses ini dipanggil pengundian . Setelah menyejukkan ke suhu bilik dan mengeluarkan medan elektrik yang digunakan, semua domain mengekalkan orientasinya. Setelah selesai proses ini, keramik mempamerkan kesan piezoelektrik . Bahan piezoelektrik semula jadi seperti kuarza tidak dipaparkan tingkah laku ferroelektrik .
Persamaan Piezoelektrik
Kesan Piezoelektrik dapat dijelaskan dengan yang berikut Persamaan Gandingan Piezoelektrik
Kesan piezoelektrik langsung: S = sE .T + d. E
Kesan piezoelektrik berbalik: D = d.T + εT.E
Di mana,
D = vektor anjakan elektrik
T = vektor tegasan
sE = matriks pekali elastik pada kekuatan medan elektrik berterusan,
S = vektor regangan
εT = matriks dielektrik pada regangan mekanikal berterusan
E = vektor medan elektrik
d = kesan piezoelektrik langsung atau sebaliknya
Medan elektrik yang diterapkan dalam arah yang berbeza menghasilkan tekanan yang berlainan dalam bahan piezoelektrik. Oleh itu, konvensyen tanda digunakan bersama dengan pekali untuk mengetahui arah bidang terpakai. Untuk menentukan arah, paksi 1, 2, 3 digunakan sama dengan X, Y, Z. Poling selalu diterapkan dalam arah 3. Pekali dengan langganan berganda menghubungkan ciri elektrik dan mekanikal dengan subskrip pertama yang menerangkan arah medan elektrik sesuai dengan voltan yang dikenakan atau cas yang dihasilkan. Langganan kedua memberikan arah tekanan mekanikal.
Pekali gandingan elektromekanik berlaku dalam dua bentuk. Yang pertama adalah istilah penggerak d, dan yang kedua adalah sensor istilah g. Pekali piezoelektrik dan notasinya dapat dijelaskan dengan d33
Di mana,
d menyatakan tekanan yang dikenakan berada pada arah ke-3.
3 menyatakan elektrod berserenjang dengan paksi ke-3.
3 menentukan pemalar piezoelektrik.
Bagaimana Bahan Piezoelektrik berfungsi?
Seperti yang dijelaskan di atas, bahan piezoelektrik dapat berfungsi dua mod :
- Kesan piezoelektrik langsung
- Kesan piezoelektrik
Mari ambil contoh untuk masing-masing memahami penerapan mod ini.
Heal-Strike Generator menggunakan Direct Piezoelectric Effect:
DARPA telah mengembangkan peranti ini untuk melengkapkan tentera dengan penjana kuasa mudah alih. Bahan piezoelektrik yang ditanamkan pada kasut mengalami tekanan mekanikal ketika askar itu berjalan. Kerana langsung harta tanah piezoelektrik , bahan menghasilkan cas elektrik kerana tekanan mekanikal ini. Caj ini disimpan di pemuat atau bateri yang boleh digunakan untuk mengecas peranti elektronik mereka semasa dalam perjalanan.
Heal Strike Generator
Quartz Crystal Oscillator di Watches menggunakan Converse Piezoelectric Effect
Jam tangan mengandungi a kristal kuarza . Apabila elektrik dari bateri digunakan pada kristal ini melalui litar berlaku kesan piezoelektrik. Oleh kerana kesan ini pada penggunaan cas elektrik, kristal mula berayun dengan frekuensi 32768 kali sesaat. Chip mikro yang ada di litar mengira ayunan ini dan menghasilkan denyutan sekejap sekejap yang memutar tangan kedua jam tangan.
Kesan Piezo Converse Yang Digunakan Pada Jam Tangan
Kegunaan Bahan Piezoelektrik
Kerana keunikannya ciri, bahan piezoelektrik telah memperoleh peranan penting dalam pelbagai penemuan teknologi.
Penggunaan Kesan Piezo Langsung
- Di stesen kereta api Jepun, konsep “ ladang orang ramai 'Diuji di mana jejak kaki pejalan kaki di jubin piezoelektrik yang tertanam di jalan dapat menjana elektrik.
- Pada tahun 2008 sebuah kelab malam di London membina lantai mesra alam pertama yang terdiri daripada bahan piezoelektrik yang dapat menjana elektrik untuk menyalakan mentol ketika orang menari di atasnya.
- Kesan piezoelektrik mendapati aplikasi berguna sebagai penapis frekuensi mekanikal, peranti gelombang akustik permukaan , peranti gelombang akustik pukal, dll ...
- Mikrofon dan pembesar suara dan ultrasound, pengimejan ultrasonik , hidrofon.
- Pengambilan piezoelektrik untuk gitar, biosensor untuk menghidupkan alat pacu jantung.
- Unsur piezoelektrik juga digunakan dalam pengesanan dan penghasilan gelombang sonar, paksi tunggal dan paksi dwi pendengaran kecondongan .
Kesan Piezoelektrik Dari Jalan Jalan
Penggunaan Kesan Piezoelektrik Converse
- Penggerak dan motor
- Peletakan ketepatan mikro dan penyesuaian ketepatan mikro dalam lensa untuk mikroskop.
- Pemacu jarum dalam pencetak, motor miniatur, penggerak bimorph.
- Penggerak pelbagai lapisan untuk kedudukan halus dalam optik
- Sistem suntikan dalam injap bahan api automotif dan lain-lain ...
Piezo Electric Effect Sebagai Penyesuaian Mikro Dalam Kamera
Dengan Gandingan Bidang Elektrik dan Mekanikal:
- Untuk penyiasatan struktur bahan atomistik.
- Untuk memantau integriti struktur dan mengesan kesalahan pada peringkat awal dalam struktur sivil, perindustrian dan aeroangkasa.
Kelebihan dan Batasan Bahan Piezoelektrik
Kelebihan dan had bahan piezoelektrik merangkumi yang berikut.
Kelebihan
- Bahan piezoelektrik dapat beroperasi pada keadaan suhu apa pun.
- Mereka mempunyai rendah jejak karbon menjadikannya alternatif terbaik untuk bahan bakar fosil.
- Ciri-ciri bahan ini menjadikannya penuai tenaga terbaik.
- Tenaga yang tidak digunakan yang hilang dalam bentuk getaran dapat diketuk untuk menghasilkan tenaga hijau.
- Bahan-bahan ini boleh digunakan semula.
Batasan
- Semasa bekerja dengan getaran, peranti ini juga cenderung mendapat getaran yang tidak diingini.
- Rintangan dan Ketahanan menerapkan had pada peranti apabila digunakan untuk menggunakan tenaga dari turapan dan jalan.
- Ketidaksesuaian antara kekakuan bahan piezoelektrik dan bahan turapan.
- Perincian peranti ini yang kurang diketahui dan jumlah kajian yang dilakukan sehingga kini tidak mencukupi untuk memanfaatkan sepenuhnya penggunaan peranti ini.
Seperti yang dikatakan 'Keperluan adalah ibu penemuan' keperluan kita untuk alat penuaian tenaga jejak karbon rendah tanpa huru-hara telah membawa bahan piezoelektrik menjadi tumpuan lagi. Bagaimana bahan-bahan ini dapat mengatasi batasannya? Adakah kita bergerak menuju masa depan di mana bukannya bimbang dengan jumlah bahan bakar yang digunakan untuk melakukan perjalanan, kita hanya akan bertanya-tanya tentang jumlah kuasa yang dihasilkan oleh kereta kita? Apa pendapat kamu? Inilah soalan untuk anda, apakah bahan piezoelektrik yang terbaik?
