חומרים פיזואלקטריים קיימים מאז סוף שנות השמונים וסללו דרך להמצאות רבות שמשנות את המשחק. מגישים בצורה של חולם במלחמת העולם חומרים אלה תפסו כעת את עיניהם של הממציאים מאפיינים מיסטיים . רשתות חיישנים אלחוטיות , האינטרנט של הדברים שולט בעידן הטכני של המאה ה -21. כדי לשמור על חידושים אלה, דרישת החשמל הפכה לאתגר הגדול ביותר. לחפש אחר בר קיימא, אמין, אנרגיה מתחדשת מָקוֹר גרם לחוקרים להיתקל במבצרי כוח מהלכים- חומרים פיזואלקטריים . בואו נצא למסע לחקור את העידן החדש הזה קצירני כוח.
מהו חומר פיזואלקטרי?
לדעת מה א חומר פיזואלקטרי האם צריך לדעת מה פירוש המונח פיזואלקטרי ?. ב פיזואלקטריות המונח 'piezo' מייצג לחץ או לחץ. לכן פיזואלקטריה מוגדר כ'חשמל שנוצר על ידי לחץ של מתח או מתח מכני 'והחומרים המציגים נכס זה נכללים בקטגוריה חומרים פיזואלקטריים . הקרדיט על גילוי החומרים הללו מגיע סר ז'אק קירי (1856–1941) ו פייר קירי (1859–1906) . תוך כדי ניסויים במינרלים גבישיים מסוימים כמו קוורץ, סוכר קנים וכו '... הם גילו כי הפעלת כוח או מתח על חומרים אלה מייצרים מתחים בקוטביות הפוכים בסדרי גודל העומסים המופעלים. תופעה זו נקראה בשם ישיר Piezoeffect .
בשנה שלאחר מכן, ליפמן גילה את אפקט ה- Converse שקבע כי אחד מהגבישים המייצרים מתח זה, כאשר הוא נחשף לשדה חשמלי, מתארך או מתקצר בהתאם לקוטביות השדה המיושם. חומרים פיזואלקטריים נכנסו להכרה עם תפקידם במלחמת העולם הראשונה כאשר קוורץ שימש כמהדהד ב- SONAR. בתקופת מלחמת העולם השנייה התגלה חומר פיזואלקטרי סינטטי, שהוביל מאוחר יותר להתפתחות אינטנסיבית של מכשירים פיזואלקטריים . לפני השימוש בחומר פיזואלקטרי חייבים לדעת אילו מאפיינים הופכים חומרים אלו לפיזואלקטריים.
מאפיינים של חומר פיזואלקטרי וכיצד הוא עובד?
סוד החומרים הפיזואלקטריים טמון במבנה האטומי הייחודי שלהם. חומרים פיזואלקטריים קשורים באופן יוני ומכילים יונים חיוביים ושליליים בצורת זוגות הנקראים תאי יחידה. חומרים אלה זמינים בטבע כמו דיאלקטרי אניזוטרופי עם סריג קריסטל לא סנטימטרי כלומר אין להם מטענים חשמליים בחינם והיונים חסרים מרכז סימטריה.
אפקט פיזואלקטרי ישיר
כאשר מפעילים לחץ או חיכוך מכני על חומרים אלה הגיאומטריה של המבנה האטומי של הגביש משתנה עקב תנועה נטו של יונים חיוביים ושליליים ביחס זה לזה, וכתוצאה מכך דיפול חשמלי אוֹ קיטוב . כך הגביש משתנה מחומר דיאלקטרי לחומר טעון. כמות המתח שנוצרת עומדת ביחס ישר לכמות המתח או המתח המופעלים על הגביש.
אפקט פיזואלקטרי ישיר
אפקט פיזואלקטרי משוחח
מתי חַשְׁמַל מוחל על גבישי גבישים אלה מופיעים דיפולות חשמליות, ויוצרות את תנועת הדיפול הגורמת לעיוות של הגביש, וכך נוצרת שיחה אפקט פיזואלקטרי כפי שמוצג באיור.
אפקט פיזואלקטרי משוחח
חומרים פיזואלקטריים סינתטיים
מעשה ידי אדם חומרים פיזואלקטריים כמו קרמיקה פיזואלקטרית מציגים קיטוב ספונטני (תכונה פרואלקטרית) כלומר דיפול קיים במבנה שלהם גם כאשר לא מוחל שדה חשמלי. הנה הסכום של אפקט פיזואלקטרי המיוצר תלוי מאוד במבנה האטומי שלהם. הדיפולות הקיימות במבנה יוצרות אזורים תחומים בהם הדיפולות הסמוכות בעלות אותה יישור. בתחילה, תחומים אלה מכוונים באופן אקראי ובכך אינם גורמים לקיטוב נטו.
מבנה קריסטל פרובסקיט מעל נקודת הקירי ומתחת
על ידי יישום שדה חשמלי DC חזק לקרמיקה זו כאשר הם עוברים דרך נקודת הקורי שלהם התחומים מתיישרים לכיוון השדה החשמלי המיושם. תהליך זה נקרא מִשׁאָל . לאחר קירור לטמפרטורת החדר והסרת השדה החשמלי המופעל, כל התחומים שומרים על כיוונם. לאחר סיום תהליך זה, תערוכות הקרמיקה האפקט הפיזואלקטרי . חומרים פיזואלקטריים קיימים טבעיים כמו קוורץ אינם מוצגים התנהגות ferroelectric .
משוואה פיזואלקטרית
ניתן לתאר את ההשפעה הפיזואלקטרית באמצעות הדברים הבאים משוואות צימוד פיזואלקטריות
אפקט פיזואלקטרי ישיר: S = sE. T + d. ה
אפקט פיזואלקטרי משוחח: D = d.T + εT.E
איפה,
D = וקטור תזוזה חשמלי
T = וקטור הלחץ
sE = מטריצה של מקדמים אלסטיים בחוזק שדה חשמלי קבוע,
S = וקטור זן
εT = מטריצה דיאלקטרית במתח מכני קבוע
E = וקטור שדה חשמלי
d = אפקט פיזואלקטרי ישיר או משוחח
השדה החשמלי המופעל לכיוונים שונים מייצר כמויות שונות של מתח בחומרים פיזואלקטריים. אז משתמשים במוסכמות שלטים יחד עם מקדמים כדי לדעת את כיוון השדה המיושם. כדי לקבוע את הכיוון, משתמשים בצירים 1, 2, 3 באופן אנלוגי ל- X, Y, Z. קוטב מוחל תמיד בכיוון 3. המקדם עם מנויים כפולים מתייחס למאפיינים חשמליים ומכניים כאשר המכתב הראשון מתאר את כיוון שדה חשמלי בהתאם למתח המופעל או מטען המופק. המנוי השני נותן את הכיוון של לחץ מכני.
מקדם צימוד אלקטרומכני מופיע בשתי צורות. הראשון הוא מונח ההפעלה d, והשני הוא את החיישן מונח ז. ניתן להסביר את המקדמים הפיזואלקטריים יחד עם הסימנים שלהם d33
איפה,
d מציין כי לחץ מיושם הוא בכיוון השלישי.
3 מציין אלקטרודות מאונכות לציר השלישי.
3 מציין קבוע פיזואלקטרי.
איך עובד חומר פיזואלקטרי?
כפי שהוסבר לעיל חומרים פיזואלקטריים יכולים לעבוד שני מצבים :
- האפקט הפיזואלקטרי הישיר
- אפקט פיזואלקטרי משוחח
בואו ניקח דוגמא לכל אחד מהם כדי להבין את היישום של מצבים אלה.
מחולל החלמת שבץ באמצעות אפקט פיזואלקטרי ישיר:
DARPA פיתחה מכשיר זה לאבזור חיילים בגנרטור כוח נייד. החומר הפיזואלקטרי המושתל בנעליים חווה לחץ מכני כאשר החייל הולך. בגלל ישיר נכס פיזואלקטרי , החומר מייצר מטען חשמלי בגלל לחץ מכני זה. חיוב זה נשמר ב הקבל אוֹ סוללות אשר באמצעותם ניתן לטעון את המכשירים האלקטרוניים שלהם בדרכים.
מחולל החלמת שביתה
מתנד קריסטל קוורץ בשעונים באמצעות אפקט פיזואלקטרי קונברס
שעונים מכילים א קריסטל קוורץ . כאשר החשמל מהסוללה מוחל על הגביש הזה באמצעות מעגל מתרחש אפקט פיזואלקטרי הפוך. בשל השפעה זו על יישום מטען חשמלי הגביש מתחיל להתנודד בתדירות של 32768 פעמים בשנייה. המיקרו-שבב הקיים במעגל סופר את התנודות הללו ויוצר דופק רגיל לשנייה שמסובב את היד השנייה של השעון.
אפקט פיאזו משוחח המשמש בשעונים
שימושים בחומרים פיזואלקטריים
בשל ייחודה מאפיינים, חומרים פיזואלקטריים רכשו תפקיד חשוב בהמצאות טכנולוגיות שונות.
שימוש באפקט פיזו ישיר
- בתחנות הרכבת של יפן המושג ' חוות הקהל 'נבדק היכן שצעדיהם של הולכי הרגל על האריחים הפיזואלקטריים המוטבעים בכביש יכולים לייצר חשמל.
- בשנת 2008 מועדון לילה בלונדון בונה קומה ראשונה ידידותית לסביבה המורכבת מחומר פיזואלקטרי שיכול לייצר חשמל להפעלת נורות כשאנשים רוקדים עליה.
- אפקט פיזואלקטרי מוצא יישום שימושי כמסנני תדרים מכניים, התקני גל אקוסטיים עיליים , מכשירי גל אקוסטיים בתפזורת וכו '...
- מיקרופונים ורמקולים קוליים ואולטרסאונד, הדמיה קולי , הידרופונים.
- טנדרים פיזואלקטריים לגיטרות, חיישני ביו להפעלת קוצב לב.
- אלמנטים פיזואלקטריים משמשים גם לגילוי וייצור גלי סונאר, ציר יחיד וציר כפול חישה הטיה .
השפעה פיזואלקטרית מכבישים
שימושים באפקט פיזואלקטרי משוחח
- מפעילים ו מנועים
- מיקום מיקרו-דיוק והתאמות מיקרו-דיוק בעדשות למיקרוסקופים.
- מנהל התקן מחט במדפסות, מנועים ממוזערים, מפעילי בימורף.
- מפעילים רב-שכבתיים למיקום עדין באופטיקה
- מערכות הזרקה בשסתומי דלק לרכב וכו '...
אפקט חשמלי של פיזו כמתאמת מיקרו במצלמה
על ידי צימוד שדות חשמל ומכניים:
- לחקירת המבנה האטומי של החומרים.
- כדי לפקח על תקינות המבנה ולאתר תקלות בשלבים הראשונים במבנים אזרחיים, תעשייתיים וחלליים.
יתרונות ומגבלות של חומרים פיזואלקטריים
היתרונות והמגבלות של חומרים פיזואלקטריים כוללים את הדברים הבאים.
יתרונות
- חומרים פיזואלקטריים יכולים לפעול בכל תנאי טמפרטורה.
- יש להם נמוך טביעת רגל פחמנית מה שהופך אותם לחלופה הטובה ביותר לדלק מאובנים.
- מאפייני החומרים הללו הופכים אותם למסבירי האנרגיה הטובים ביותר.
- ניתן להקיש על אנרגיה שאינה מנוצלת בצורת רעידות כדי לייצר אנרגיה ירוקה.
- ניתן לעשות שימוש חוזר בחומרים אלה.
מגבלות
- תוך כדי עבודה עם ויברציות מכשירים אלה נוטים להרים גם רעידות לא רצויות.
- עמידות ועמידות מחילות מגבלות על מכשירים כאשר משתמשים בהן לברז אנרגיה ממדרכות וכבישים.
- חוסר ההתאמה בין נוקשות של חומר פיזואלקטרי לחומר מדרכה.
- פרטים פחות ידועים על מכשירים אלה וכמות המחקר שנעשתה עד כה אינם מספיקים כדי לנצל את השימוש המלא בהתקנים אלה.
כפי שנאמר 'הצורך הוא אם ההמצאה' הצורך שלנו במכשיר קצירת אנרגיה עם טביעת רגל נמוכה ללא דאגה הביא חומרים פיזואלקטריים שוב לאור הזרקורים. כיצד יכולים חומרים אלה להתגבר על מגבלותיהם? האם אנו מתקדמים לעבר עתיד שבמקום לדאוג לכמות הדלק המנוצל לנסיעה, היינו רק תוהים לגבי כמות הכוח שהמכונית שלנו ייצרה? מה אתה חושב? הנה שאלה בשבילך, מהו החומר הפיזואלקטרי הטוב ביותר?
