ما هي مواد كهرضغطية؟

إذا سبق لك استخدام ولاعة سجائر أو اختبار الموجات فوق الصوتية الطبية في عيادة الطبيب أو تشغيل موقد غاز ، فقد استخدمت الكهرباء الانضغاطية.

​المواد الكهرضغطية هي المواد التي لديها القدرة على توليد شحنة كهربائية داخلية من الضغط الميكانيكي المطبق.على المدىبيزوهي كلمة يونانية تعني "push".

تظهر العديد من المواد الطبيعية في الطبيعة تأثير كهرضغطية. وتشمل هذه:

• عظم
• بلورات
• سيراميك معين
• الحمض النووي
• المينا
• الحرير
• دنتين ، وغيرها الكثير.

تُظهر المواد التي تُظهر التأثير الكهرضغطية أيضًا التأثير الكهروضغطي العكسي (يُطلق عليه أيضًا التأثير الكهرضغطية العكسي أو العكس). التأثير كهرضغطية معكوسهو الجيل الداخلي من الإجهاد الميكانيكي استجابة لمجال كهربائي مطبق.

كانت البلورات هي أول مادة تستخدم في التجارب المبكرة للكهرباء الانضغاطية. أثبت الأخوان كوري ، بيير وجاك ، التأثير الكهروضغطي المباشر لأول مرة في عام 1880. وسع الأخوان معرفتهم العملية بالتركيبات البلورية والمواد الكهروحرارية (المواد التي تولد شحنة كهربائية استجابة لتغير في درجة الحرارة).

قاموا بقياس الشحنات السطحية للبلورات المحددة التالية:

• علبة سكر
  
• التورمالين
• كوارتز
• توباز
• ملح روشيل (طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم رباعي هيدرات)

أظهر ملح الكوارتز وروشيل أعلى تأثيرات كهرضغطية.

ومع ذلك ، لم يتنبأ الأخوان كوري بالتأثير الكهروضغطي العكسي. تم استنتاج التأثير الكهروضغطي العكسي رياضيًا بواسطة غابرييل ليبمان في عام 1881. ثم أكدت كوريس التأثير وقدمت دليلاً كميًا على انعكاس التشوهات الكهربائية والمرنة والميكانيكية في البلورات الكهرضغطية.

بحلول عام 1910 ، تم تحديد 20 فئة بلورية طبيعية تحدث فيها الكهرباء الانضغاطية بالكامل ونشرها في Woldemar Voigt’sLehrbuch Der Kristallphysik. لكنها ظلت مجالًا متخصصًا غامضًا وعالي التقنية للفيزياء دون أي تطبيقات تكنولوجية أو تجارية مرئية.

​الحرب العالمية الأولى:كان أول تطبيق تكنولوجي لمادة كهرضغطية هو كاشف الغواصة فوق الصوتي الذي تم إنشاؤه خلال الحرب العالمية الأولى. صُنعت لوحة الكاشف من محول (جهاز يتحول من نوع واحد من الطاقة إلى نوع آخر) ونوع من الكاشف يُدعى مسدّس الماء. تم تصنيع محول الطاقة من بلورات الكوارتز الرقيقة الملصقة بين لوحين فولاذيين.

حفز النجاح الباهر لكاشف الغواصة بالموجات فوق الصوتية خلال الحرب التطور التكنولوجي المكثف للأجهزة الكهروضغطية. بعد الحرب العالمية الأولى ، تم استخدام السيراميك الكهرضغطية في خراطيش الفونوغراف.

​الحرب العالمية الثانية:تقدمت تطبيقات المواد الكهروضغطية بشكل ملحوظ خلال الحرب العالمية الثانية بسبب البحث المستقل الذي أجرته اليابان والاتحاد السوفيتي والولايات المتحدة.

على وجه الخصوص ، التطورات في فهم العلاقة بين التركيب البلوري و أدى النشاط الكهروميكانيكي جنبًا إلى جنب مع التطورات الأخرى في البحث إلى تحويل النهج نحو كهرضغطية التكنولوجيا بالكامل. لأول مرة ، تمكن المهندسون من معالجة المواد الكهرضغطية لتطبيق جهاز معين ، بدلاً من مراقبة خصائص المواد ثم البحث عن التطبيقات المناسبة للملاحظة الخصائص.

أدى هذا التطور إلى إنشاء العديد من التطبيقات المتعلقة بالحرب للمواد الكهرضغطية مثل الميكروفونات فائقة الحساسية وأجهزة السونار القوية وعوامات الصوت (الصغيرة). عوامات مزودة بقدرات الاستماع بالميكروفون والإرسال اللاسلكي لمراقبة حركة سفن المحيطات) وأنظمة الإشعال بيزو لأسطوانة واحدة اشتعال.

كما ذكرنا سابقًا ، الكهرباء الانضغاطية هي خاصية لمادة لتوليد الكهرباء إذا تم تطبيق إجهاد مثل الضغط أو الانحناء أو الالتواء عليها.

عند وضعها تحت الضغط ، تنتج البلورة الكهرضغطية استقطابًا ،ص، بما يتناسب مع الضغط الذي أنتجها.

الالمعادلة الرئيسية للكهرباء الانضغاطية هي​

أيندهو المعامل الكهرضغطية ، وهو عامل فريد لكل نوع من المواد الكهرضغطية. معامل كهرضغطية للكوارتز هو 3 × 10^-12. المعامل الكهروإجهادي لتيتانات زركونات الرصاص (PZT) هو 3 × 10^-10.

تخلق عمليات النزوح الصغيرة للأيونات في الشبكة البلورية الاستقطاب الذي لوحظ في الكهرباء الانضغاطية. يحدث هذا فقط في البلورات التي لا تحتوي على مركز تناظر.

فيما يلي قائمة غير شاملة بالبلورات الكهروضغطية مع بعض الأوصاف الموجزة لاستخدامها. سنناقش بعض التطبيقات المحددة للمواد الكهرضغطية الأكثر استخدامًا في وقت لاحق.

​بلورات طبيعية:​

• كوارتز. بلورة مستقرة تستخدم في بلورات الساعة وبلورات مرجع التردد لأجهزة الإرسال اللاسلكية.
• السكروز (سكر المائدة)
• ملح روشيل. ينتج جهدًا كبيرًا مع الضغط ؛ المستخدمة في الميكروفونات البلورية في وقت مبكر.
• توباز
• التورمالين
• البرلينية (AlPO₄). معدن فوسفات نادر مطابق هيكلياً للكوارتز.

​بلورات من صنع الإنسان:​

• جاليوم أورثوفوسفات (GaPO₄) ، التناظرية الكوارتز.
• لانغاسايت (لا₃جا₅SiO₁₄) ، التناظرية الكوارتز.

​سيراميك كهرضغطية:​

• تيتانات الباريوم (BaTiO₃). تم اكتشاف أول سيراميك كهرضغطية.
• تيتانات الرصاص (PbTiO₃)
• الرصاص تيتانات الزركونات (PZT). حاليا الأكثر استخداما السيراميك كهرضغطية.
• نيوبات البوتاسيوم (KNbO₃)
• نيوبات الليثيوم (LiNbO₃)
• تانتالات الليثيوم (LiTaO₃)
• تنغستات الصوديوم (Na₂WO₄)

​سيراميك بيزوكيراميك خالي من الرصاص:​

تم تطوير المواد التالية استجابةً للمخاوف المتعلقة بالتعرض البيئي الضار للرصاص.

• نيوبات الصوديوم والبوتاسيوم (NaKNb). هذه المادة لها خصائص مشابهة لـ PZT.
• الفريت البزموت (BiFeO₃)
• نيوبات الصوديوم (NaNbO₃)

​المواد البيولوجية الكهروضغطية:​

• وتر
• خشب
• الحرير
• المينا
• الاسنان
• الكولاجين

​بوليمرات كهرضغطية:البوليمرات البيزينية خفيفة الوزن وصغيرة الحجم ، وبالتالي تزداد شعبيتها في التطبيقات التكنولوجية.

يوضح فلوريد البوليفينيليدين (PVDF) الكهروضغطية التي تكون أكبر بعدة مرات من الكوارتز. غالبًا ما يستخدم في المجال الطبي مثل الخياطة الطبية والمنسوجات الطبية.

تُستخدم المواد الكهرضغطية في صناعات متعددة ، بما في ذلك:

• تصنيع
• أجهزة طبية
• الإتصالات
• السيارات
• تكنولوجيا المعلومات (IT)

​مصادر الطاقة عالية الجهد:​

• ولاعات السجائر الكهربائية. عندما تضغط على الزر الموجود على ولاعة ، يتسبب الزر في إصابة مطرقة صغيرة محملة بنابض بلورة كهرضغطية ، تنتج تيارًا عالي الجهد يتدفق عبر فجوة لتسخينه وإشعاله غاز.
• شوايات الغاز أو المواقد وحراقات الغاز. هذه تعمل بشكل مشابه للولاعة ، ولكن على نطاق أوسع.
• محول كهرضغطية. يستخدم هذا كمضاعف جهد التيار المتردد في مصابيح الفلورسنت الكاثود الباردة.

تستخدم محولات الموجات فوق الصوتية في التصوير الطبي الروتيني. أمحولهو جهاز كهرضغطية يعمل كمستشعر ومشغل.محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتيةتحتوي على عنصر كهرضغطية يحول الإشارة الكهربائية إلى اهتزاز ميكانيكي (إرسال الوضع أو مكون المشغل) والاهتزاز الميكانيكي في إشارة كهربائية (وضع الاستقبال أو المستشعر مكون).

عادة ما يتم قطع العنصر الكهرضغطية إلى 1/2 الطول الموجي المطلوب لمحول طاقة الموجات فوق الصوتية.

تشمل الأنواع الأخرى من أجهزة الاستشعار الكهرضغطية ما يلي:

• الميكروفونات الكهرضغطية.
• التقاطات كهرضغطية للقيثارات الصوتية الكهربائية.
• موجات السونار. يتم إنشاء واستشعار الموجات الصوتية بواسطة عنصر كهرضغطية.
• وسادات طبلة إلكترونية. تكشف العناصر تأثير عصي الطبال على الوسادات.
• التسارع الطبي. يستخدم هذا عندما يكون الشخص تحت التخدير ويتم إعطاؤه مرخيات للعضلات. يكتشف العنصر الكهربي الانضغاطي في مقياس التسارع العضلي القوة الناتجة في العضلات بعد تحفيز العصب.

واحدة من المرافق العظيمة لمشغلات كهرضغطية هي أن الفولتية العالية للمجال الكهربائي تتوافق مع تغيرات ميكرومتر صغيرة في عرض البلورة الكهرضغطية. هذه المسافات الدقيقة تجعل البلورات الكهروإجهادية مفيدة كمشغلات عندما تكون هناك حاجة إلى تحديد موقع دقيق ودقيق للأجسام ، كما هو الحال في الأجهزة التالية:

• مكبرات الصوت
• محركات كهرضغطية
• إلكترونيات الليزر
• طابعات نفث الحبر (تعمل البلورات على إخراج الحبر من رأس الطباعة إلى الورق)
• محركات الديزل
• مصاريع الأشعة السينية

المواد الذكية هي فئة واسعة من المواد التي يمكن تغيير خصائصها بطريقة خاضعة للرقابة محفز خارجي مثل درجة الحموضة أو درجة الحرارة أو المواد الكيميائية أو مجال مغناطيسي أو كهربائي مطبق ، أو ضغط عصبى.تسمى المواد الذكية أيضًا بالمواد الوظيفية الذكية.​

تتوافق المواد الكهروإجهادية مع هذا التعريف لأن الجهد المطبق ينتج إجهادًا في أ المواد الكهرضغطية ، وعلى العكس من ذلك ، فإن تطبيق الإجهاد الخارجي ينتج أيضًا الكهرباء في المادة.

تشمل المواد الذكية الإضافية سبائك ذاكرة الشكل ، والمواد الهالوكرومية ، والمواد المغنطيسية ، والبوليمرات المستجيبة لدرجة الحرارة ، والمواد الكهروضوئية وغيرها الكثير.