ben, trä och kvarts är alla piezoelektriska material. Men vad är piezoelektricitet och hur fungerar det? Här förklarar vi var denna anmärkningsvärda egendom kommer ifrån.
koppling mellan elektriska och mekaniska egenskaper
piezoelektricitet är ett fenomen som innebär att det finns en koppling mellan materialets elektriska och mekaniska tillstånd. När ett piezoelektriskt material mekaniskt deformeras, t.ex. komprimeras, kommer en ström att flöda och ladda dess ansikten., och vice versa kommer det att deformeras när det utövas till ett elektriskt fält.
fenomenet upptäcktes 1880 av Paul-Jacques Curie och hans yngre bror Pierre, make till den välkända Marie Curie. Förutom de material som redan nämnts finns det många fler material som uppvisar piezoelektriska egenskaper som sackaros, silke, Rochelle salt, PVDF och många keramik. Men varför uppvisar inte allt material den här egenskapen? Anledningen till det är att A för piezoelektricitet ska visas, materialet måste vara kristallint men inte ha ETT symmetricentrum. Vi får snart se.,
den piezoelektriska effekten har sitt ursprung i omarrangemanget av nettoavgifter
manifestationen av den tryckinducerade strömmen har sitt ursprung i omarrangemanget av laddningar inom materialet. I jämviktsläget, när materialet lossas, är arrangemanget av laddningar inom materialgitteret sådant att enhetscellen är laddad, Fig 1 A. När materialet mekaniskt deformeras kommer det emellertid att finnas en omfördelning av laddningen inom enhetscellen., Denna omfördelning kommer att inducera nettoavgifter på enhetens ansikten och ge upphov till ett nettodipolmoment, Fig 1b och 1C.
Figur 1. En schematisk illustration av hur piezoelektricitet fungerar. A) i jämvikt fördelas laddningarna för enhetscellen på ett sådant sätt att det inte finns något nettodipolmoment. B) när det komprimeras uppstår ett nettodipolmoment i vertikal riktning. C) när det sträcker sig uppstår ett nätdipolmoment i horisontell riktning.,
summan av nettoavgiftsbidraget från alla enhetsceller kommer att vara en elektrisk polarisering av materialet. Detta innebär att den applicerade mekaniska kraften har inducerat en spänning över materialet. För att polariseringen ska ske får det dock inte finnas ett symmetricentrum, Fig 2. Som redan nämnts är detta krav endast uppfyllt av vissa material.
Figur 2. En schematisk illustration av laddfördelningen i enhetscellen av ett material med ett symmetricentrum., Både i jämviktstillståndet (A) och när mekaniskt deformeras (B, C) är laddningsfördelningen sådan att ett nettodipolmoment aldrig uppstår.
det motsatta fenomenet, d. v.s. där materialet ändrar form som en spänning appliceras över dess ansikten, kallas den converse piezoelektriska effekten, och detta upptäcktes inte förrän ett år senare, 1881.
piezoelektricitet används ofta, och nya applikationer väntar runt hörnet
eftersom piezoelektriska effekten upptäcktes för mer än ett sekel sedan, har den spridit sig till olika applikationer och används nu i stor utsträckning., Områden inkluderar frekvenskontroll, till exempel klockor, högtalare för att generera ljud och mikrobalanser, såsom QCM och QCM-D, för att övervaka massförändringar. Men det slutar inte där. Nu piezoelektricitet är en kandidat bidragsgivare till framtida hållbar energiförsörjning. Ljus, vind och värme har länge varit uppenbara källor, och tack vare den piezoelektriska effekten har vibrationer nu lagts till i listan. Ett sätt att använda vibrationskällor för kraftproduktion är till exempel att skörda mänsklig kinetisk energi via gatu-eller trottoarplattor. dvs. att omvandla fotstegens energi till El., Energi som genereras på detta sätt kan användas för att köra till exempel gatubelysning eller annan lågspänningsutrustning i städer.
avslutande anmärkningar
piezoelektricitet är en egenskap hos vissa material som inducerar en elektrisk ström när mekanisk stress. Den används till exempel i frekvensstyrning och aktuella generationstillämpningar.
ladda ner texten som pdf nedan.
