Was ist ein piezoelektrisches Material? Arbeiten, Vorteile und Einschränkungen

Was ist ein piezoelektrisches Material? Arbeiten, Vorteile und Einschränkungen

Piezoelektrische Materialien gibt es seit den späten 80ern und ebnete den Weg für viele bahnbrechende Erfindungen. Servieren in Form von TRAUM Im Weltkrieg haben diese Materialien nun die Erfinder für ihre Aufmerksamkeit erregt mystische Eigenschaften . Drahtlose Sensor Netzwerke , Internet der Dinge regiert das technische Zeitalter des 21. Jahrhunderts. Um diese Neuheiten am Laufen zu halten, ist der Strombedarf zur größten Herausforderung geworden. Jagd nach einem nachhaltigen, zuverlässigen, erneuerbare Energie Quelle Forscher stießen auf bahnbrechende Power Harvester - die piezoelektrische Materialien . Machen wir uns auf eine Reise, um dieses neue Zeitalter zu erkunden Power Harvester.

Was ist piezoelektrisches Material?

Um zu wissen, was a piezoelektrisches Material muss man wissen, wofür der Begriff piezoelektrisch steht? Im PIEZOELEKTRIZITÄT Der Begriff „Piezo“ steht für Druck oder Stress. So Piezoelektrizität ist definiert als 'Elektrizität, die durch Anlegen mechanischer Beanspruchung oder Spannung erzeugt wird', und die Materialien, die diese Eigenschaft aufweisen, fallen unter die Kategorie von piezoelektrische Materialien . Der Verdienst für die Entdeckung dieser Materialien geht an Sir Jacques Curie (1856–1941) und Pierre Curie (1859–1906) . Beim Experimentieren mit bestimmten kristallinen Mineralien wie Quarz, Rohrzucker usw. stellten sie fest, dass durch Anwendung von Kraft oder Spannung auf diese Materialien Spannungen entgegengesetzter Polarität mit Größen erzeugt wurden, die der angelegten Last entsprechen. Dieses Phänomen wurde als benannt Direkte Piezoeffekt .




Im folgenden Jahr Lippman entdeckte den umgekehrten Effekt, der besagt, dass einer dieser spannungserzeugenden Kristalle, wenn er einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, je nach Polarität des angelegten Feldes verlängert oder verkürzt wird. Piezoelektrische Materialien wurde mit ihrer Rolle im Ersten Weltkrieg anerkannt, als Quarz als Resonatoren in SONAR verwendet wurde. Während des Zweiten Weltkriegs wurde synthetisches piezoelektrisches Material entdeckt, das später zu einer intensiven Entwicklung von führte piezoelektrische Geräte . Bevor ein piezoelektrisches Material verwendet wird, muss man wissen, welche Eigenschaften diese Materialien piezoelektrisch machen.



Eigenschaften von piezoelektrischem Material und wie funktioniert es?

Das Geheimnis piezoelektrischer Materialien liegt in ihrer einzigartigen Atomstruktur. Piezoelektrische Materialien sind ionisch gebunden und enthalten positive und negative Ionen in Form von Paaren, die als Einheitszellen bezeichnet werden. Diese Materialien sind in der Natur als erhältlich ein anisotropes Dielektrikum mit nicht zentrosymmetrisches Kristallgitter d.h. sie haben keine freien elektrischen Ladungen und den Ionen fehlt ein Symmetriezentrum.

Direkter piezoelektrischer Effekt

Wenn auf diese Materialien mechanische Beanspruchung oder Reibung ausgeübt wird, ändert sich die Geometrie der Atomstruktur des Kristalls aufgrund der Nettobewegung positiver und negativer Ionen zueinander, was dazu führt Elektrischer Dipol oder Polarisation . Somit ändert sich der Kristall von einem Dielektrikum zu einem geladenen Material. Die erzeugte Spannungsmenge ist direkt proportional zur auf den Kristall ausgeübten Spannung oder Spannung.



Direkter piezoelektrischer Effekt

Direkter piezoelektrischer Effekt

Umgekehrter piezoelektrischer Effekt

Wann Elektrizität wird auf diese Kristalle angewendet, erscheinen elektrische Dipole, die die Dipolbewegung bilden, die eine Verformung des Kristalls verursacht, wodurch eine Umkehrung entsteht piezoelektrischer Effekt wie in der Abbildung gezeigt.


Umgekehrter piezioelektrischer Effekt

Umgekehrter piezoelektrischer Effekt



Synthetische piezoelektrische Materialien

Künstlich gemacht piezoelektrische Materialien mögen piezoelektrische Keramik zeigen spontane Polarisation (ferroelektrische Eigenschaft), d. h. Dipol existiert in ihrer Struktur, selbst wenn kein elektrisches Feld angelegt wird. Hier die Menge von piezoelektrischer Effekt produziert hängt stark von ihrer Atomstruktur ab. Die in der Struktur vorhandenen Dipole bilden Domänenbereiche, in denen die benachbarten Dipole die gleiche Ausrichtung aufweisen. Anfänglich sind diese Domänen zufällig ausgerichtet, wodurch keine Nettopolarisation verursacht wird.

Perowskit-Kristallstruktur über und unter dem Curie-Punkt

Perowskit-Kristallstruktur über und unter dem Curie-Punkt

Durch Anlegen eines starken elektrischen Gleichstromfeldes an diese Keramiken, wenn sie ihren Curie-Punkt passieren, werden die Domänen in Richtung des angelegten elektrischen Feldes ausgerichtet. Dieser Vorgang wird aufgerufen Umfrage . Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur und Entfernen des angelegten elektrischen Feldes behalten alle Domänen ihre Ausrichtung bei. Nach Abschluss dieses Prozesses zeigt die Keramik der piezoelektrische Effekt . Natürliche vorhandene piezoelektrische Materialien wie Quarz werden nicht angezeigt ferroelektrisches Verhalten .

Piezoelektrische Gleichung

Der piezoelektrische Effekt kann wie folgt beschrieben werden Piezoelektrische Kopplungsgleichungen

Direkter piezoelektrischer Effekt: S = sE .T + d. E.
Umgekehrter piezoelektrischer Effekt: D = d.T + εT.E.

Wo,

D = elektrischer Verschiebungsvektor

T = der Spannungsvektor

sE = Matrix der Elastizitätskoeffizienten bei konstanter elektrischer Feldstärke,

S = Stammvektor

εT = dielektrische Matrix bei konstanter mechanischer Dehnung

E = elektrischer Feldvektor

d = direkter oder umgekehrter piezoelektrischer Effekt

Das in verschiedene Richtungen angelegte elektrische Feld erzeugt in piezoelektrischen Materialien unterschiedliche Spannungen. Daher werden Vorzeichenkonventionen zusammen mit Koeffizienten verwendet, um die Richtung des angelegten Feldes zu kennen. Zur Bestimmung der Richtung werden die Achsen 1, 2, 3 analog zu X, Y, Z verwendet. Die Polung wird immer in Richtung 3 angewendet. Der Koeffizient mit doppelten Indizes bezieht elektrische und mechanische Eigenschaften auf den ersten Index, der die Richtung von beschreibt elektrisches Feld entsprechend der angelegten Spannung oder erzeugten Ladung. Der zweite Index gibt die Richtung der mechanischen Beanspruchung an.

Der elektromechanische Kopplungskoeffizient tritt in zwei Formen auf. Der erste ist der Betätigungsterm d und der zweite ist der Sensor Term g. Die piezoelektrischen Koeffizienten mit ihren Notationen können mit erklärt werden d33

Wo,

d gibt an, dass die angelegte Spannung in der 3. Richtung liegt.

3 gibt an, dass die Elektroden senkrecht zur 3. Achse sind.

3 gibt die piezoelektrische Konstante an.

Wie funktioniert piezoelektrisches Material?

Wie oben erläutert, können piezoelektrische Materialien einarbeiten zwei Modi ::

    • Der direkte piezoelektrische Effekt
    • Umgekehrter piezoelektrischer Effekt

Nehmen wir jeweils ein Beispiel, um die Anwendung dieser Modi zu verstehen.

Heal-Strike-Generator mit direktem piezoelektrischen Effekt:

DARPA hat dieses Gerät entwickelt, um Soldaten mit einem tragbaren Stromgenerator auszustatten. Das in die Schuhe implantierte piezoelektrische Material wird beim Gehen des Soldaten mechanisch belastet. Aufgrund direkter piezoelektrische Eigenschaft Das Material erzeugt aufgrund dieser mechanischen Beanspruchung elektrische Ladung. Diese Gebühr wird in gespeichert der Kondensator oder Batterien die damit verwendet werden können, um ihre elektronischen Geräte unterwegs aufzuladen.

Heilstrickgenerator

Heal Strike Generator

Quarzkristalloszillator in Uhren mit umgekehrtem piezoelektrischen Effekt

Uhren enthalten a Quartz Kristall . Wenn Elektrizität von der Batterie über einen Stromkreis an diesen Kristall angelegt wird, tritt ein umgekehrter piezoelektrischer Effekt auf. Aufgrund dieses Effekts beginnt der Kristall beim Anlegen elektrischer Ladung mit einer Frequenz von 32768 Mal pro Sekunde zu schwingen. Der in der Schaltung vorhandene Mikrochip zählt diese Schwingungen und erzeugt einen regelmäßigen Impuls pro Sekunde, der die Sekundenzeiger der Uhr dreht.

Converse Piezo-Effekt für Uhren

Converse Piezo-Effekt für Uhren

Verwendung von piezoelektrischen Materialien

Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften, piezoelektrische Materialien haben eine wichtige Rolle bei verschiedenen technologischen Erfindungen erworben.

Verwendung des direkten Piezo-Effekts

    • In Japans Bahnhöfen ist das Konzept von „ Crowd Farm Wurde getestet, wo die Schritte der Fußgänger auf den auf der Straße eingebetteten piezoelektrischen Fliesen Strom erzeugen können.
    • Im Jahr 2008 baut ein Nachtclub in London den ersten umweltfreundlichen Boden aus piezoelektrischem Material, der Strom erzeugen kann, um Glühbirnen einzuschalten, wenn Menschen darauf tanzen.
    • Der piezoelektrische Effekt findet nützliche Anwendung als mechanische Frequenzfilter. Oberflächenwellengeräte , Bulk-Schallwellengeräte usw.
    • Ton- und Ultraschallmikrofone und -lautsprecher, Ultraschallbildgebung Hydrophone.
    • Piezoelektrische Tonabnehmer für Gitarren, Biosensoren Herzschrittmacher einschalten.
    • Piezoelektrische Elemente werden auch zur Erfassung und Erzeugung von einachsigen und zweiachsigen Sonarwellen verwendet Neigungserfassung .
Pizoelektrischer Effekt von RoadWays

Piezoelektrischer Effekt von RoadWays

Verwendung des umgekehrten piezoelektrischen Effekts

  • Aktoren und Motoren
  • Mikropräzise Platzierung und Mikropräzisionsanpassungen in Objektiven für Mikroskope.
  • Nadeltreiber in Druckern, miniaturisierte Motoren, Bimorph-Aktuatoren.
  • Mehrschichtige Aktuatoren zur Feinpositionierung in der Optik
  • Einspritzsysteme in Kraftstoffventilen für Kraftfahrzeuge usw.

    PieElectric-Effekt als Mikroeinstellung in der Kamera

    Piezoelektrischer Effekt als Mikroeinstellung in der Kamera

Durch Kopplung elektrischer und mechanischer Felder:

    • Zur Untersuchung der atomistischen Struktur von Materialien.
    • Überwachung der strukturellen Integrität und frühzeitige Erkennung von Fehlern in Bau-, Industrie- und Luftfahrtstrukturen.

Vorteile und Grenzen von piezoelektrischen Materialien

Die Vor- und Nachteile von piezoelektrischen Materialien umfassen Folgendes.

Vorteile

    • Piezoelektrische Materialien können bei jeder Temperatur betrieben werden.
    • Sie haben niedrig CO2-Fußabdruck Damit sind sie die beste Alternative für fossile Brennstoffe.
    • Die Eigenschaften dieser Materialien machen sie zu den besten Energy Harvestern.
    • Nicht genutzte Energie, die in Form von Vibrationen verloren geht, kann genutzt werden, um grüne Energie zu erzeugen.
    • Diese Materialien können wiederverwendet werden.

Einschränkungen

    • Während der Arbeit mit Vibrationen können diese Geräte auch unerwünschte Vibrationen aufnehmen.
    • Widerstand und Haltbarkeit begrenzen Geräte, wenn sie Energie aus Gehwegen und Straßen beziehen.
    • Die Nichtübereinstimmung zwischen der Steifheit von piezoelektrischem Material und Fahrbahnmaterial.
    • Weniger bekannte Details dieser Geräte und der bisherige Forschungsaufwand reichen nicht aus, um die volle Nutzung dieser Geräte zu nutzen.

Wie gesagt wird 'Notwendigkeit ist die Mutter der Erfindung', hat unsere Notwendigkeit für ein hektisches, energiesparendes Energiegewinnungsgerät mit geringem CO2-Ausstoß mit sich gebracht piezoelektrische Materialien wieder ins Rampenlicht. Wie können diese Materialien ihre Grenzen überwinden? Bewegen wir uns in eine Zukunft, in der wir uns nicht um die Menge an Kraftstoff sorgen müssen, die für das Reisen verbraucht wird, sondern uns nur über die Menge an Strom wundern würden, die unser Auto erzeugt? Was denken Sie? Hier ist eine Frage an Sie, Was ist das beste piezoelektrische Material?