Kości, drewno i kwarc to wszystkie materiały piezoelektryczne. Ale co to jest piezoelektryczność i jak to działa? Tutaj wyjaśniamy, skąd pochodzi ta niezwykła nieruchomość.
sprzężenie między właściwościami elektrycznymi i mechanicznymi
piezoelektryczność jest zjawiskiem, które oznacza, że istnieje sprzężenie między stanem elektrycznym i mechanicznym materiału. Gdy kawałek materiału piezoelektrycznego jest mechanicznie zdeformowany, np. skompresowany, przepływa prąd i ładuje jego powierzchnie., i odwrotnie, zostanie zdeformowany po wywieraniu na pole elektryczne.
zjawisko zostało odkryte w 1880 roku przez Paula-Jacques 'a Curie i jego młodszego brata, Pierre' a, męża znanej Marii Curie. Oprócz wymienionych już materiałów, istnieje wiele innych materiałów, które wykazują właściwości piezoelektryczne, takich jak sacharoza, jedwab, sól Rochelle, PVDF i wiele ceramiki. Ale dlaczego wszystkie materiały nie wykazują tej własności? Powodem tego jest to, że aby piezoelektryczność się pojawiła, materiał musi być krystaliczny, ale nie ma centrum symetrii. Wkrótce się przekonamy.,
efekt piezoelektryczny pochodzi z przegrupowania ładunków netto
manifestacja prądu indukowanego ciśnieniem ma swój początek w przegrupowaniu ładunków w materiale. W stanie równowagi, gdy materiał jest rozładowany, układ ładunków w siatce materiału jest taki, że ogniwo jednostkowe jest rozładowane, Rys. 1 A. Jednakże, gdy materiał jest mechanicznie zdeformowany, nastąpi redystrybucja ładunku w ogniwie jednostkowym., Ta redystrybucja spowoduje naliczenie opłat netto na powierzchni komórki jednostki i spowoduje powstanie momentu dipolowego netto, rys. 1b i 1C.
Rysunek 1. Schematyczna ilustracja działania piezoelektryczności. A) w równowadze ładunki ogniwa jednostkowego są rozłożone w taki sposób, że nie ma momentu dipolowego netto. B) po ściśnięciu powstaje netto moment dipolowy w kierunku pionowym. C) po rozciągnięciu powstaje moment dipolowy netto w kierunku poziomym.,
suma wkładu ładunku netto ze wszystkich ogniw jednostkowych będzie polaryzacją elektryczną kawałka materiału. Oznacza to, że przyłożona siła mechaniczna wywołała napięcie nad materiałem. Aby jednak doszło do polaryzacji, nie może istnieć centrum symetrii, Rys. 2. Jak już wspomniano, wymóg ten jest spełniony tylko przez niektóre materiały.
Rysunek 2. Schematyczna ilustracja rozkładu ładunku w komórce jednostkowej materiału o środku symetrii., Zarówno w stanie równowagi (A), jak i przy mechanicznym zdeformowaniu (B, C) rozkład ładunku jest taki, że moment dipolowy netto nigdy nie powstaje.
zjawisko odwrotne, tj. w którym materiał zmienia kształt w miarę przyłożenia napięcia na jego powierzchni, nazywa się efektem piezoelektrycznym converse ' a i zostało to odkryte dopiero rok później, w 1881 roku.
piezoelektryczność jest szeroko stosowana, a nowe aplikacje czekają za rogiem
ponieważ efekt piezoelektryczny został odkryty ponad sto lat temu, rozprzestrzenił się na różne aplikacje i jest obecnie szeroko stosowany., Obszary obejmują kontrolę częstotliwości, na przykład Zegary, Głośniki do generowania dźwięku i mikrowagi, takie jak QCM i QCM-D, do monitorowania zmian masy. Ale to nie koniec. Obecnie piezoelektryczność jest kandydatem do udziału w przyszłych zrównoważonych dostawach energii. Światło, wiatr i ciepło od dawna były oczywistymi źródłami, a dzięki efektowi piezoelektrycznemu wibracje zostały teraz dodane do listy. Jednym ze sposobów wykorzystania źródeł wibracyjnych do wytwarzania energii jest na przykład zbieranie ludzkiej energii kinetycznej za pomocą płytek ulicznych lub chodnikowych. tj. do zamiany energii kroków na elektryczność., Energia wytworzona w ten sposób może być wykorzystana do uruchomienia np. oświetlenia ulicznego lub innych urządzeń niskiego napięcia w miastach.
Uwagi końcowe
piezoelektryczność jest właściwością niektórych materiałów, które indukuje prąd elektryczny przy mechanicznym obciążeniu. Jest on stosowany na przykład w aplikacjach kontroli częstotliwości i generowania prądu.
Pobierz tekst w formacie pdf poniżej.
