Bot, hout en kwarts zijn allemaal piëzo-elektrische materialen. Maar wat is piëzo-elektriciteit en hoe werkt het? Hier leggen we uit waar deze opmerkelijke eigenschap vandaan komt.
koppeling tussen elektrische en mechanische eigenschappen
piëzo-elektriciteit is een verschijnsel dat betekent dat er een koppeling is tussen de elektrische en de mechanische toestand van het materiaal. Wanneer een stuk piëzo-elektrisch materiaal mechanisch wordt vervormd, bijvoorbeeld gecomprimeerd, zal een stroom stromen en zijn gezichten opladen., en vice versa, het zal worden vervormd wanneer uitgeoefend op een elektrisch veld.het fenomeen werd ontdekt in 1880 door Paul-Jacques Curie en zijn jongere broer Pierre, de echtgenoot van de bekende Marie Curie. Naast de reeds genoemde materialen zijn er nog veel meer materialen die piëzo-elektrische eigenschappen vertonen, zoals sucrose, zijde, Rochelle zout, PVDF en veel Keramiek. Maar waarom vertonen niet alle materialen Deze eigenschap? De reden hiervoor is dat een voor piëzo-elektriciteit te verschijnen, het materiaal moet kristallijn zijn, maar geen symmetrie centrum. Dat zullen we snel zien.,
het piëzo-elektrisch effect vindt zijn oorsprong in de herschikking van de nettoladingen
de manifestatie van de drukgeïnduceerde stroom vindt zijn oorsprong in de herschikking van ladingen binnen het materiaal. In de evenwichtstoestand, wanneer het materiaal wordt gelost, is de opstelling van ladingen binnen het materiaalrooster zodanig dat de eenheidscel niet wordt geladen, Fig.1 A. Echter, wanneer het materiaal mechanisch wordt vervormd, zal er een ladingsherverdeling binnen de eenheidscel zijn., Deze herverdeling zal netto lasten op de vlakken van de eenheidscel veroorzaken en zal leiden tot een netto dipoolmoment, Fig. 1B en 1c.
figuur 1. Een schematische illustratie van hoe piëzo-elektriciteit werkt. A) in evenwicht worden de ladingen van de eenheidscel zodanig verdeeld dat er geen netto dipoolmoment is. B) wanneer gecomprimeerd, ontstaat er een netto dipoolmoment in de verticale richting. C) wanneer uitgerekt, ontstaat er een netto dipoolmoment in de horizontale richting.,
De som van de netto ladingsbijdrage van alle eenheidscellen is een elektrische polarisatie van het stuk materiaal. Dit betekent dat de toegepaste mechanische kracht een spanning over het materiaal heeft veroorzaakt. Om de polarisatie te laten plaatsvinden, moet er echter geen symmetriecentrum zijn, Fig 2. Zoals reeds vermeld, wordt aan deze eis slechts door sommige materialen voldaan.
Figuur 2. Een schematische illustratie van de ladingsverdeling in de eenheidscel van een materiaal met een symmetriecentrum., Zowel in de evenwichtstoestand (A) als bij mechanische vervorming (B, C) is de ladingsverdeling zodanig dat er nooit een netto dipoolmoment ontstaat.
het tegenovergestelde fenomeen, dat wil zeggen dat het materiaal van vorm verandert als er een spanning over de vlakken wordt uitgeoefend, wordt het omgekeerde piëzo-elektrisch effect genoemd, en dit werd pas een jaar later, in 1881, ontdekt.
piëzo-elektriciteit wordt op grote schaal gebruikt en nieuwe toepassingen wachten om de hoek
sinds het piëzo-elektrisch effect meer dan een eeuw geleden werd ontdekt, heeft het zich in verschillende toepassingen verspreid en wordt het nu op grote schaal gebruikt., Gebieden omvatten frequentieregeling, in bijvoorbeeld klokken, luidsprekers om geluid te genereren, en microbalansen, zoals QCM en QCM-D, om massaveranderingen te monitoren. Maar daar houdt het niet op. Nu is piëzoelectricity een kandidaat-bijdrage aan toekomstige duurzame energievoorziening. Licht, wind en warmte zijn lange tijd voor de hand liggende bronnen geweest, en dankzij het piëzo-elektrische effect is trillingen nu toegevoegd aan de lijst. Een manier om trillingsbronnen te gebruiken voor energieopwekking is bijvoorbeeld om menselijke kinetische energie te oogsten via straat-of trottoirtegels. dat wil zeggen om de energie van voetstappen om te zetten in elektriciteit., Op deze manier opgewekte energie kan bijvoorbeeld worden gebruikt voor straatverlichting of andere laagspanningsapparatuur in steden.
slotopmerkingen
piëzo-elektriciteit is een eigenschap van bepaalde materialen die bij mechanische belasting een elektrische stroom induceert. Het wordt gebruikt in bijvoorbeeld frequentiebesturing en stroomgeneratietoepassingen.
Download de tekst als pdf hieronder.
