วัสดุเพียโซอิเล็กทริก มีมาตั้งแต่ช่วงปลายยุค 80 และปูทางไปสู่สิ่งประดิษฐ์ที่เปลี่ยนแปลงเกมมากมาย ให้บริการในรูปแบบของ ฝัน ในช่วงสงครามโลกวัสดุเหล่านี้เป็นที่จับตามองของนักประดิษฐ์สำหรับพวกเขา ลักษณะลึกลับ . เครือข่ายเซนเซอร์ไร้สาย , อินเทอร์เน็ตของสิ่งต่างๆ กฎของยุคเทคนิคในศตวรรษที่ 21 เพื่อให้สิ่งใหม่ ๆ เหล่านี้ดำเนินต่อไปความต้องการพลังงานกลายเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุด ค้นหาความยั่งยืนและเชื่อถือได้ พลังงานหมุนเวียน แหล่งที่มา ทำให้นักวิจัยสะดุดกับเครื่องเกี่ยวนวดไฟฟ้า วัสดุเพียโซอิเล็กทริก . มาเริ่มต้นการเดินทางเพื่อสำรวจยุคใหม่เหล่านี้ เครื่องเก็บเกี่ยวไฟฟ้า
วัสดุ Piezoelectric คืออะไร?
เพื่อให้ทราบว่าก วัสดุเพียโซอิเล็กทริก เราต้องรู้ว่าคำว่าเพียโซอิเล็กทริกหมายถึงอะไร?. ใน PIEZOELECTRICITY คำว่า 'piezo' หมายถึงความกดดันหรือความเครียด ด้วยประการฉะนี้ piezoelectricity ถูกกำหนดให้เป็น 'ไฟฟ้าที่เกิดจากการใช้ความเค้นเชิงกลหรือความตึงเครียด' และวัสดุที่แสดงคุณสมบัตินี้อยู่ในประเภทของ วัสดุเพียโซอิเล็กทริก . เครดิตสำหรับการค้นพบวัสดุเหล่านี้ตกเป็นของ เซอร์ Jacques Curie (2399-2484) และ ปิแอร์กูรี (1859–1906) . ในขณะที่ทดลองกับแร่ผลึกบางชนิดเช่นควอตซ์น้ำตาลอ้อย ฯลฯ ... พวกเขาพบว่าการใช้แรงหรือแรงดึงบนวัสดุเหล่านี้ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าของขั้วตรงข้ามที่มีขนาดเชิงประพจน์กับภาระที่ใช้ ปรากฏการณ์นี้ได้รับการขนานนามว่าเป็น โดยตรง Piezoeffect .
ในปีถัดไป ลิปป์แมน ค้นพบเอฟเฟกต์ Converse ที่ระบุว่าหนึ่งในคริสตัลที่สร้างแรงดันไฟฟ้าเหล่านี้เมื่อสัมผัสกับสนามไฟฟ้าจะยาวขึ้นหรือสั้นลงตามขั้วของสนามที่ใช้ วัสดุเพียโซอิเล็กทริก ได้รับการยอมรับจากบทบาทของพวกเขาใน WW1 เมื่อ Quartz ถูกใช้เป็นตัวสะท้อนเสียงใน SONAR ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 มีการค้นพบวัสดุเพียโซอิเล็กทริกสังเคราะห์ซึ่งต่อมานำไปสู่การพัฒนาที่เข้มข้นของ อุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริก . ก่อนที่จะใช้วัสดุเพียโซอิเล็กทริกเราต้องรู้ว่าลักษณะใดที่ทำให้วัสดุเหล่านี้เป็นเพียโซอิเล็กทริก
คุณสมบัติของวัสดุเพียโซอิเล็กทริกและทำงานอย่างไร?
ความลับของวัสดุเพียโซอิเล็กทริกอยู่ที่โครงสร้างอะตอมที่เป็นเอกลักษณ์ วัสดุเพียโซอิเล็กทริกมีพันธะไอออนิกและมีไอออนบวกและลบในรูปของคู่ที่เรียกว่าเซลล์หน่วย วัสดุเหล่านี้มีอยู่ในธรรมชาติเช่น อิเล็กทริก anisotropic ด้วย ตาข่ายคริสตัลที่ไม่เป็นศูนย์กลาง นั่นคือพวกมันไม่มีประจุไฟฟ้าฟรีและไอออนไม่มีจุดศูนย์กลางสมมาตร
โดยตรง Piezoelectric Effect
เมื่อความเค้นเชิงกลหรือแรงเสียดทานถูกนำไปใช้กับวัสดุเหล่านี้รูปทรงเรขาคณิตของโครงสร้างอะตอมของคริสตัลจะเปลี่ยนไปเนื่องจากการเคลื่อนที่สุทธิของไอออนบวกและลบที่สัมพันธ์กันส่งผลให้ ไดโพลไฟฟ้า หรือ โพลาไรซ์ . ดังนั้นคริสตัลจึงเปลี่ยนจากอิเล็กทริกเป็นวัสดุที่มีประจุไฟฟ้า ปริมาณแรงดันไฟฟ้าที่สร้างขึ้นเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณความเค้นหรือความตึงที่กระทำกับคริสตัล
โดยตรง Piezoelectric Effect
Converse Piezoelectric Effect
เมื่อไหร่ ไฟฟ้า ถูกนำไปใช้กับไดโพลไฟฟ้าของผลึกเหล่านี้จะปรากฏขึ้นทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของไดโพลซึ่งทำให้เกิดการเสียรูปของคริสตัลจึงก่อให้เกิดการสนทนา ผล piezoelectric ดังแสดงในรูป
Converse Piezoelectric Effect
วัสดุเพียโซอิเล็กทริกสังเคราะห์
ที่มนุษย์สร้างขึ้น วัสดุเพียโซอิเล็กทริก ชอบ เซรามิก piezoelectric แสดงโพลาไรเซชันที่เกิดขึ้นเอง (คุณสมบัติเฟอร์โรอิเล็กทริก) นั่นคือไดโพลมีอยู่ในโครงสร้างแม้ว่าจะไม่มีการใช้สนามไฟฟ้าก็ตาม นี่คือจำนวน ผล piezoelectric ผลิตขึ้นอย่างมากขึ้นอยู่กับโครงสร้างอะตอมของพวกมัน ไดโพลที่มีอยู่ในโครงสร้างจะสร้างโดเมน - ขอบเขตที่ไดโพลใกล้เคียงมีการจัดแนวเดียวกัน ในขั้นต้นโดเมนเหล่านี้จะเน้นแบบสุ่มจึงทำให้ไม่มีโพลาไรซ์สุทธิ
โครงสร้างคริสตัล Perovskite ด้านบนและด้านล่าง Curie Point
ด้วยการใช้สนามไฟฟ้ากระแสตรงที่แข็งแกร่งกับเซรามิกเหล่านี้เมื่อพวกเขาผ่านจุด Curie โดเมนจะได้รับการจัดแนวตามทิศทางของสนามไฟฟ้าที่ใช้ กระบวนการนี้เรียกว่า แบบสำรวจ . หลังจากทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิห้องและลบสนามไฟฟ้าที่ใช้แล้วโดเมนทั้งหมดจะยังคงวางแนวไว้ หลังจากเสร็จสิ้นกระบวนการนี้จะมีการจัดแสดงเซรามิก ผลเพียโซอิเล็กทริก . ไม่แสดงวัสดุเพียโซอิเล็กทริกตามธรรมชาติเช่นควอตซ์ พฤติกรรมเฟอร์โรอิเล็กทริก .
สมการเพียโซอิเล็กทริก
Piezoelectric Effect สามารถอธิบายได้ดังต่อไปนี้ Piezoelectric Coupling สมการ
ผลกระทบโดยตรง piezoelectric: S = sE .T + d จ
Converse piezoelectric effect: D = d.T + εT.E
ที่ไหน
D = เวกเตอร์การกระจัดไฟฟ้า
T = เวกเตอร์ความเค้น
sE = เมทริกซ์ของสัมประสิทธิ์ยืดหยุ่นที่ความแรงของสนามไฟฟ้าคงที่
S = เวกเตอร์ความเครียด
εT = เมทริกซ์อิเล็กทริกที่ความเครียดเชิงกลคงที่
E = เวกเตอร์สนามไฟฟ้า
d = เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรงหรือสนทนา
สนามไฟฟ้าที่ใช้ในทิศทางที่ต่างกันจะสร้างความเค้นในปริมาณที่แตกต่างกันในวัสดุเพียโซอิเล็กทริก ดังนั้นจึงใช้อนุสัญญาเซ็นร่วมกับสัมประสิทธิ์เพื่อทราบทิศทางของฟิลด์ที่ใช้ ในการกำหนดทิศทางแกน 1, 2, 3 จะใช้แบบอะนาล็อกกับ X, Y, Z การ Poling จะถูกนำไปใช้ในทิศทางของ 3 เสมอค่าสัมประสิทธิ์ที่มีตัวห้อยคู่เกี่ยวข้องกับลักษณะทางไฟฟ้าและทางกลโดยตัวห้อยแรกที่อธิบายทิศทางของ สนามไฟฟ้าตามแรงดันไฟฟ้าที่ใช้หรือประจุที่ผลิต ตัวห้อยที่สองให้ทิศทางของความเค้นเชิงกล
สัมประสิทธิ์การมีเพศสัมพันธ์ทางกลไฟฟ้าเกิดขึ้นในสองรูปแบบ ประการแรกคือระยะการดำเนินการ d และที่สองคือ เซ็นเซอร์ ระยะ g. สามารถอธิบายค่าสัมประสิทธิ์เพียโซอิเล็กทริกพร้อมกับสัญกรณ์ได้ด้วย ง 33
ที่ไหน
d ระบุความเครียดที่ใช้อยู่ในทิศทางที่ 3
3 ระบุว่าอิเล็กโทรดตั้งฉากกับแกนที่ 3
3 ระบุค่าคงที่ของเพียโซอิเล็กทริก
วัสดุ Piezoelectric ทำงานอย่างไร?
ตามที่อธิบายไว้ข้างต้นวัสดุเพียโซอิเล็กทริกสามารถทำงานได้ สองโหมด :
- ผลของเพียโซอิเล็กทริกโดยตรง
- Converse piezoelectric effect
ลองยกตัวอย่างเพื่อให้แต่ละคนเข้าใจการใช้งานโหมดเหล่านี้
Heal-Strike Generator โดยใช้ Direct Piezoelectric Effect:
ดาร์ปา ได้พัฒนาอุปกรณ์นี้เพื่อให้ทหารมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบพกพา วัสดุเพียโซอิเล็กทริกที่ฝังอยู่ในรองเท้าจะเกิดความเครียดเชิงกลเมื่อทหารเดิน เนื่องจากทางตรง คุณสมบัติ piezoelectric วัสดุก่อให้เกิดประจุไฟฟ้าเนื่องจากความเค้นเชิงกลนี้ ค่าใช้จ่ายนี้จะถูกเก็บไว้ใน ตัวเก็บประจุ หรือ แบตเตอรี่ ซึ่งสามารถใช้เพื่อชาร์จอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ทุกที่
Heal Strike Generator
Quartz Crystal Oscillator ในนาฬิกาที่ใช้ Converse Piezoelectric Effect
นาฬิกาประกอบด้วย โป่งข่าม . เมื่อกระแสไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ถูกนำไปใช้กับคริสตัลนี้ผ่านวงจรผลกระทบของเพียโซอิเล็กทริกที่เกิดขึ้น เนื่องจากผลกระทบนี้เมื่อใช้ประจุไฟฟ้าคริสตัลจึงเริ่มสั่นด้วยความถี่ 32768 ครั้งต่อวินาที ไมโครชิปที่อยู่ในวงจรจะนับการสั่นเหล่านี้และสร้างพัลส์ปกติต่อวินาทีที่หมุนเข็มวินาทีของนาฬิกา
Converse Piezo Effect ที่ใช้ในนาฬิกา
การใช้วัสดุเพียโซอิเล็กทริก
เนื่องจากมีเอกลักษณ์ ลักษณะเฉพาะวัสดุเพียโซอิเล็กทริก ได้รับบทบาทสำคัญในสิ่งประดิษฐ์ทางเทคโนโลยีต่างๆ
การใช้ผลโดยตรง Piezo
- ในสถานีรถไฟของญี่ปุ่นมีแนวคิด“ ฟาร์มฝูงชน ” ได้รับการทดสอบโดยที่รอยเท้าของคนเดินเท้าบนกระเบื้องเพียโซอิเล็กทริกที่ฝังอยู่บนถนนสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้
- ในปี 2008 ไนต์คลับแห่งหนึ่งในลอนดอนได้สร้างพื้นที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมแห่งแรกซึ่งประกอบด้วยวัสดุเพียโซอิเล็กทริกที่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าเพื่อเปิดหลอดไฟเมื่อมีคนเต้นรำ
- Piezoelectric effect พบแอปพลิเคชั่นที่มีประโยชน์เป็นตัวกรองความถี่เชิงกล อุปกรณ์คลื่นเสียงพื้นผิว อุปกรณ์คลื่นเสียงจำนวนมาก ฯลฯ ...
- ไมโครโฟนและลำโพงเสียงและอัลตร้าซาวด์ การถ่ายภาพอัลตราโซนิก , ไฮโดรโฟน.
- Piezoelectric ปิ๊กอัพสำหรับกีต้าร์ ไบโอเซนเซอร์ เพื่อเปิดเครื่องกระตุ้นหัวใจ
- องค์ประกอบ Piezoelectric ยังใช้ในการตรวจจับและสร้างคลื่นโซนาร์แกนเดี่ยวและแกนคู่ การตรวจจับการเอียง .
Piezoelectric Effect จาก RoadWays
การใช้ Converse Piezoelectric Effect
- ตัวกระตุ้น และ มอเตอร์
- ตำแหน่งที่มีความแม่นยำระดับไมโครและการปรับความแม่นยำระดับไมโครในเลนส์สำหรับกล้องจุลทรรศน์
- ไดรเวอร์เข็มในเครื่องพิมพ์ มอเตอร์จิ๋วตัวกระตุ้น bimorph
- แอคชูเอเตอร์หลายชั้นสำหรับการกำหนดตำแหน่งที่ดีในออปติก
- ระบบหัวฉีดในวาล์วเชื้อเพลิงรถยนต์ ฯลฯ ...
Piezo Electric Effect เป็นการปรับขนาดเล็กในกล้อง
โดยการเชื่อมต่อสาขาไฟฟ้าและเครื่องกล:
- สำหรับการตรวจสอบโครงสร้างอะตอมของวัสดุ
- เพื่อตรวจสอบความสมบูรณ์ของโครงสร้างและตรวจจับความผิดพลาดในระยะแรกในโครงสร้างโยธาอุตสาหกรรมและอวกาศ
ข้อดีและข้อ จำกัด ของวัสดุเพียโซอิเล็กทริก
ข้อดีและข้อ จำกัด ของวัสดุเพียโซอิเล็กทริกมีดังต่อไปนี้
ข้อดี
- วัสดุเพียโซอิเล็กทริกสามารถทำงานได้ในทุกสภาวะอุณหภูมิ
- พวกเขามีต่ำ รอยเท้าคาร์บอน ทำให้เป็นทางเลือกที่ดีที่สุดสำหรับเชื้อเพลิงฟอสซิล
- ลักษณะเฉพาะของวัสดุเหล่านี้ทำให้เป็นเครื่องเก็บเกี่ยวพลังงานที่ดีที่สุด
- พลังงานที่ไม่ได้ใช้ที่สูญเสียไปในรูปแบบของการสั่นสะเทือนสามารถแตะเพื่อสร้างพลังงานสีเขียวได้
- วัสดุเหล่านี้สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้
ข้อ จำกัด
- ในขณะที่ทำงานกับการสั่นอุปกรณ์เหล่านี้มีแนวโน้มที่จะรับการสั่นสะเทือนที่ไม่ต้องการได้เช่นกัน
- ความต้านทานและความทนทานใช้ขีด จำกัด กับอุปกรณ์เมื่อใช้เพื่อแตะพลังงานจากทางเท้าและถนน
- ความไม่ตรงกันระหว่างความแข็งของวัสดุเพียโซอิเล็กทริกและวัสดุทางเท้า
- รายละเอียดที่เป็นที่รู้จักน้อยของอุปกรณ์เหล่านี้และจำนวนงานวิจัยที่ทำจนถึงปัจจุบันไม่เพียงพอที่จะใช้ประโยชน์จากการใช้งานอุปกรณ์เหล่านี้อย่างเต็มที่
ตามที่กล่าวกันว่า“ ความจำเป็นคือแม่ของการประดิษฐ์” ความจำเป็นของเราสำหรับอุปกรณ์เก็บเกี่ยวพลังงานคาร์บอนต่ำที่ไม่เร่งรีบได้นำมา วัสดุเพียโซอิเล็กทริก เป็นประเด็นอีกครั้ง วัสดุเหล่านี้สามารถเอาชนะข้อ จำกัด ได้อย่างไร? เรากำลังก้าวไปสู่อนาคตที่แทนที่จะกังวลเกี่ยวกับปริมาณเชื้อเพลิงที่ใช้ในการเดินทางเราเพียง แต่สงสัยเกี่ยวกับปริมาณพลังงานที่รถของเราสร้างขึ้น? คุณคิดอย่างไร? นี่คือคำถามสำหรับคุณ วัสดุเพียโซอิเล็กทริกที่ดีที่สุดคืออะไร?
