Mamy określone materiały, które nadają się do zastosowań piezoelektrycznych, ale jak dokładnie działa ten proces?Z efektem piezoelektrycznym.Najbardziej unikalną cechą tego efektu jest to, że działa on na dwa sposoby.Możesz zastosować energię mechaniczną lub energię elektryczną do tego samego materiału piezoelektrycznego i uzyskać odwrotny wynik.
Przykładanie energii mechanicznej do kryształu nazywa się bezpośrednim efektem piezoelektrycznym i działa w następujący sposób:
-
Kryształ piezoelektryczny jest umieszczony pomiędzy dwiema metalowymi płytkami.W tym momencie materiał jest w idealnej równowadze i nie przewodzi prądu elektrycznego.
-
Nacisk mechaniczny jest następnie wywierany na materiał przez metalowe płytki, co powoduje utratę równowagi ładunków elektrycznych w krysztale.Nadmiar ładunków ujemnych i dodatnich pojawia się po przeciwnych stronach kryształu.
-
Metalowa płytka zbiera te ładunki, które można wykorzystać do wytworzenia napięcia i przesłania prądu elektrycznego przez obwód.
-
To wszystko, proste zastosowanie nacisku mechanicznego, ściśnięcie kryształu i nagle masz prąd elektryczny.Można też zrobić coś przeciwnego, przykładając sygnał elektryczny do materiału jako odwrotny efekt piezoelektryczny.To działa tak:
-
W takiej samej sytuacji, jak w powyższym przykładzie, mamy kryształ piezoelektryczny umieszczony między dwiema metalowymi płytkami.Struktura kryształu jest w idealnej równowadze.
-
Energia elektryczna jest następnie przykładana do kryształu, który kurczy się i rozszerza strukturę kryształu.
-
Gdy struktura kryształu rozszerza się i kurczy, przekształca otrzymaną energię elektryczną i uwalnia energię mechaniczną w postaci fali dźwiękowej.
-
Odwrotny efekt piezoelektryczny jest używany w różnych zastosowaniach.Weźmy na przykład głośnik, który przykłada napięcie do ceramiki piezoelektrycznej, powodując, że materiał wibruje powietrze jako fale dźwiękowe.
Odkrycie piezoelektryczności
Piezoelektryczność została po raz pierwszy odkryta w 1880 roku przez dwóch braci i francuskich naukowców, Jacquesa i Pierre'a Curie.Eksperymentując z różnymi kryształami, odkryli, że wywieranie nacisku mechanicznego na określone kryształy, takie jak kwarc, uwalnia ładunek elektryczny.Nazwali to efektem piezoelektrycznym.
Przez następne 30 lat piezoelektryczność była zarezerwowana głównie do eksperymentów laboratoryjnych i dalszego udoskonalania.Dopiero podczas I wojny światowej piezoelektryczność została wykorzystana do praktycznych zastosowań w sonarze.Sonar działa poprzez podłączenie napięcia do nadajnika piezoelektrycznego.Jest to odwrotny efekt piezoelektryczny w działaniu, który przekształca energię elektryczną w mechaniczne fale dźwiękowe.
Fale dźwiękowe przemieszczają się przez wodę, aż dotrą do obiektu.Następnie wracają z powrotem do odbiornika źródłowego.Ten odbiornik wykorzystuje bezpośredni efekt piezoelektryczny do przekształcania fal dźwiękowych w napięcie elektryczne, które może być następnie przetwarzane przez urządzenie przetwarzające sygnał.Korzystając z czasu między odejściem sygnału a jego powrotem, można łatwo obliczyć odległość obiektu pod wodą.
Po sukcesie sonaru piezoelektryczność zyskała zainteresowanie wojska.II wojna światowa jeszcze bardziej rozwinęła technologię, ponieważ naukowcy ze Stanów Zjednoczonych, Rosji i Japonii pracowali nad stworzeniem nowych sztucznych materiałów piezoelektrycznych zwanych ferroelektrykami.Badania te doprowadziły do powstania dwóch sztucznych materiałów, które są stosowane obok naturalnego kryształu kwarcu, tytanianu baru i tytanianu cyrkonianu ołowiu.
Piezoelektryczność dzisiaj
W dzisiejszym świecie elektroniki piezoelektryczność jest stosowana wszędzie.Pytanie do Google o drogę do nowej restauracji wykorzystuje piezoelektryczność w mikrofonie.W Tokio jest nawet metro, które wykorzystuje moc ludzkich kroków do zasilania struktur piezoelektrycznych w ziemi.W tych aplikacjach elektronicznych można znaleźć piezoelektryczność:
Siłowniki
Siłowniki wykorzystują piezoelektryczność do zasilania urządzeń takich jak maszyny dziewiarskie i brajlowskie, kamery wideo i smartfony.W tym systemie metalowa płytka i urządzenie uruchamiające są umieszczone razem z materiałem piezoelektrycznym.Napięcie jest następnie przykładane do materiału piezoelektrycznego, który rozszerza się i kurczy.Ten ruch powoduje również ruch siłownika.
Głośniki i brzęczyki
Głośniki wykorzystują piezoelektryczność do zasilania urządzeń, takich jak budziki i inne małe urządzenia mechaniczne, które wymagają wysokiej jakości dźwięku.Systemy te wykorzystują odwrotny efekt piezoelektryczny, przekształcając sygnał napięciowy audio w energię mechaniczną w postaci fal dźwiękowych.
Kierowcy
Sterowniki przetwarzają akumulator niskiego napięcia na wyższe napięcie, które może być następnie wykorzystane do napędzania urządzenia piezoelektrycznego.Ten proces wzmacniania rozpoczyna się od oscylatora, który generuje mniejsze fale sinusoidalne.Te fale sinusoidalne są następnie wzmacniane za pomocą wzmacniacza piezoelektrycznego.
Czujniki
Czujniki są używane w różnych zastosowaniach, takich jak mikrofony, gitary ze wzmacniaczem i sprzęt do obrazowania medycznego.Mikrofon piezoelektryczny jest używany w tych urządzeniach do wykrywania zmian ciśnienia w falach dźwiękowych, które następnie można przekształcić w sygnał elektryczny do przetworzenia.
Moc
Jednym z najprostszych zastosowań piezoelektryczności jest zapalniczka elektryczna.Naciśnięcie przycisku zapalniczki zwalnia sprężynowy młotek w kryształ piezoelektryczny.Powoduje to wytwarzanie prądu elektrycznego, który przechodzi przez iskiernik w celu ogrzania i zapalenia gazu.Ten sam piezoelektryczny system zasilania jest używany w większych palnikach gazowych i piekarnikach.
Motoryzacja
Kryształy piezoelektryczne są idealne do zastosowań wymagających precyzyjnej dokładności, takich jak ruch silnika.W tych urządzeniach materiał piezoelektryczny otrzymuje sygnał elektryczny, który jest następnie przekształcany w energię mechaniczną w celu wymuszenia ruchu płytki ceramicznej.
Piezoelektryczność i przyszłość
Jaka przyszłość czeka piezoelektryczność?Możliwości jest mnóstwo.Jednym z popularnych pomysłów, które rzucają wynalazcy, jest wykorzystanie piezoelektryczności do zbierania energii.Wyobraź sobie urządzenia piezoelektryczne w smartfonie, które można aktywować prostym ruchem ciała, aby je naładować.
Myśląc nieco szerzej, można również osadzić system piezoelektryczny pod nawierzchnią autostrady, który może być aktywowany przez koła jadących samochodów.Energię tę można by następnie wykorzystać do oświetlenia świateł i innych pobliskich urządzeń.Połącz to z drogą wypełnioną samochodami elektrycznymi, a znajdziesz się w sytuacji dodatniej energii netto.
