Co jsou piezoelektrické materiály?

Pokud jste někdy používali zapalovač cigaret, zažili jste lékařský ultrazvuk v ordinaci lékaře nebo jste zapnuli plynový hořák, použili jste piezoelektriku.

​Piezoelektrické materiály jsou materiály, které mají schopnost generovat vnitřní elektrický náboj z aplikovaného mechanického napětí.Termínpiezoje řečtina pro „push“.

Několik přirozeně se vyskytujících látek v přírodě demonstruje piezoelektrický účinek. Tyto zahrnují:

• Kost
• Krystaly
• Určité keramiky
• DNA
• Smalt
• Hedvábí
• Dentin a mnoho dalších.

Materiály, které vykazují piezoelektrický efekt, také demonstrují inverzní piezoelektrický efekt (nazývaný také reverzní nebo konverzní piezoelektrický efekt). Theinverzní piezoelektrický jevje vnitřní generování mechanického napětí v reakci na aplikované elektrické pole.

Krystaly byly prvním materiálem použitým v raných experimentech s piezoelektricitou. Bratři Curie, Pierre a Jacques, poprvé prokázali přímý piezoelektrický efekt v roce 1880. Bratři rozšířili své pracovní znalosti o krystalických strukturách a pyroelektrických materiálech (materiálech, které generují elektrický náboj v reakci na změnu teploty).

Měřili povrchové náboje následujících specifických krystalů:

• Třtinový cukr
  
• Turmalín
• Křemen
• Topas
• Rochellova sůl (tetrahydrát vinanu sodnodraselného)

Křemen a Rochelleova sůl vykazovaly nejvyšší piezoelektrické účinky.

Bratři Curieovi však nepředpovídali inverzní piezoelektrický jev. Inverzní piezoelektrický jev matematicky odvodil Gabriel Lippmann v roce 1881. Curieové poté účinek potvrdili a poskytli kvantitativní důkaz reverzibility elektrických, elastických a mechanických deformací v piezoelektrických krystalech.

Do roku 1910 bylo 20 definovaných tříd přírodních krystalů, ve kterých se vyskytuje piezoelektřina, zcela definováno a publikováno ve Woldemar VoigtLehrbuch Der Kristallphysik. Zůstala však temnou a vysoce technickou oblastí fyziky bez viditelných technologických nebo komerčních aplikací.

​První světová válka:První technologickou aplikací piezoelektrického materiálu byl ultrazvukový ponorkový detektor vytvořený během první světové války. Deska detektoru byla vyrobena ze snímače (zařízení, které transformuje z jednoho typu energie na jiný) a typu detektoru, který se nazývá hydrofon. Převodník byl vyroben z tenkých krystalů křemene přilepených mezi dvěma ocelovými deskami.

Zvukový úspěch ponorkového detektoru ponorek během války podnítil intenzivní technologický rozvoj piezoelektrických zařízení. Po první světové válce se v kazetách gramofonů používala piezoelektrická keramika.

​Druhá světová válka:Aplikace piezoelektrických materiálů během druhé světové války významně pokročily díky nezávislému výzkumu Japonska, SSSR a Spojených států.

Zejména pokrok v porozumění vztahu mezi krystalovou strukturou a elektromechanická aktivita spolu s dalším vývojem ve výzkumu posunula přístup k piezoelektrickému technologie úplně. Poprvé byli inženýři schopni manipulovat s piezoelektrickými materiály pro konkrétní aplikaci zařízení, spíše než pozorovat vlastnosti materiálů a pak hledat vhodné aplikace pozorovaných vlastnosti.

Tento vývoj vytvořil mnoho válečných aplikací piezoelektrických materiálů, jako jsou supercitlivé mikrofony, výkonná sonarová zařízení, sonobuoys (malé bóje s možností poslechu hydrofonu a rádiového přenosu pro sledování pohybu oceánských plavidel) a piezo zapalovací systémy pro jednoválcový zapalování.

Jak již bylo zmíněno výše, piezoelektřina je vlastnost látky generovat elektřinu, pokud na ni působí napětí, jako je mačkání, ohýbání nebo kroucení.

Když je piezoelektrický krystal vystaven stresu, vytváří polarizaci,P, úměrný stresu, který jej vytvořil.

Thehlavní rovnice piezoelektřiny je​

kdedje piezoelektrický koeficient, faktor jedinečný pro každý typ piezoelektrického materiálu. Piezoelektrický koeficient pro křemen je 3 × 10^-12. Piezoelektrický koeficient pro zirkoničitan titaničitan olovnatý (PZT) je 3 × 10^-10.

Malé posuny iontů v krystalové mřížce vytvářejí polarizaci pozorovanou v piezoelektřině. K tomu dochází pouze u krystalů, které nemají střed symetrie.

Následuje neúplný seznam piezoelektrických krystalů s několika krátkými popisy jejich použití. O konkrétních aplikacích nejčastěji používaných piezoelektrických materiálů se budeme bavit později.

​Přirozeně se vyskytující krystaly:​

• Křemen. Stabilní krystal používaný v krystalech hodinek a referenčních krystalech frekvence pro rádiové vysílače.
• Sacharóza (stolní cukr)
• Rochellova sůl. S kompresí vytváří velké napětí; používané v časných krystalových mikrofonech.
• Topas
• Turmalín
• Berlinit (AlPO₄). Vzácný fosfátový minerál strukturálně shodný s křemenem.

​Umělé krystaly:​

• Galium ortofosfát (GaPO₄), křemenný analog.
• Langasite (La₃Ga₅SiO₁₄), křemenný analog.

​Piezoelektrická keramika:​

• Titaničnan barnatý (BaTiO₃). Objevena první piezoelektrická keramika.
• Titaničitan olovnatý (PbTiO₃)
• Olovo zirkoničitan titaničitý (PZT). V současné době nejčastěji používaná piezoelektrická keramika.
• Niobát draselný (KNbO₃)
• Lithium niobát (LiNbO₃)
• Lithium tantalát (LiTaO₃)
• Wolframan sodný (Na₂WO₄)

​Bezolovnatá piezokeramika:​

Následující materiály byly vyvinuty v reakci na obavy ze škodlivého působení olova na životní prostředí.

• Niobát sodný draselný (NaKNb). Tento materiál má vlastnosti podobné PZT.
• Vizmutový ferit (BiFeO₃)
• Niobát sodný (NaNbO₃)

​Biologické piezoelektrické materiály:​

• Šlacha
• Dřevo
• Hedvábí
• Smalt
• Dentin
• Kolagen

​Piezoelektrické polymery:Piezopolymery jsou lehké a malé velikosti, a proto rostou v popularitě pro technologické aplikace.

Polyvinylidenfluorid (PVDF) vykazuje piezoelektrinu, která je několikrát větší než křemen. Často se používá v oblasti medicíny, jako je lékařské šití a lékařské textilie.

Piezoelektrické materiály se používají v různých průmyslových odvětvích, včetně:

• Výrobní
• Lékařské přístroje
• Telekomunikace
• Automobilový průmysl
• Informační technologie (IT)

​Zdroje vysokého napětí:​

• Elektrické zapalovače cigaret. Když stisknete tlačítko na zapalovači, tlačítko způsobí, že malé pružinové kladivo zasáhne a piezoelektrický krystal, produkující vysokonapěťový proud, který protéká mezerou, aby zahřál a zapálil plyn.
• Plynové grily nebo sporáky a plynové hořáky. Fungují podobně jako zapalovač, ale ve větším měřítku.
• Piezoelektrický transformátor. Toto se používá jako multiplikátor střídavého napětí ve zářivkách se studenou katodou.

Ultrazvukové měniče se používají při běžném lékařském zobrazování. Apřevodníkje piezoelektrické zařízení, které funguje jako senzor i akční člen.Ultrazvukové měničeobsahují piezoelektrický prvek, který převádí elektrický signál na mechanické vibrace (přenos komponenta pohonu) a mechanické vibrace do elektrického signálu (režim příjmu nebo snímač součástka).

Piezoelektrický prvek je obvykle snížen na 1/2 požadované vlnové délky ultrazvukového měniče.

Mezi další typy piezoelektrických senzorů patří:

• Piezoelektrické mikrofony.
• Piezoelektrické snímače pro akusticko-elektrické kytary.
• Sonarové vlny. Zvukové vlny jsou generovány a snímány piezoelektrickým prvkem.
• Elektronické bicí pads. Prvky detekují dopad holí bubeníků na podložky.
• Lékařská akceleromografie. Používá se, když je člověk v anestezii a byla mu podána svalová relaxancia. Piezoelektrický prvek v akcelerometru detekuje sílu produkovanou ve svalu po nervové stimulaci.

Jednou z velkých funkcí piezoelektrických akčních členů je to, že vysoké napětí elektrického pole odpovídá malým, mikrometrickým změnám v šířce piezoelektrického krystalu. Díky těmto mikro-vzdálenostem jsou piezoelektrické krystaly užitečné jako akční členy, když je zapotřebí malé a přesné umístění předmětů, například v následujících zařízeních:

• Reproduktory
• Piezoelektrické motory
• Laserová elektronika
• Inkoustové tiskárny (krystaly řídí vytlačování inkoustu z tiskové hlavy na papír)
• Dieselové motory
• Rentgenové clony

Inteligentní materiály jsou široká třída materiálů, jejichž vlastnosti lze měnit kontrolovanou metodou pomocí vnější podnět, jako je pH, teplota, chemikálie, aplikované magnetické nebo elektrické pole, nebo stres.Inteligentní materiály se také nazývají inteligentní funkční materiály.​

Piezoelektrické materiály odpovídají této definici, protože aplikované napětí vytváří napětí v a piezoelektrický materiál a naopak aplikace vnějšího napětí také produkuje elektřinu materiál.

Mezi další inteligentní materiály patří slitiny s tvarovou pamětí, halochromní materiály, magnetokalorické materiály, polymery reagující na teplotu, fotovoltaické materiály a mnoho dalších.