Mitä ovat pietsosähköiset materiaalit?

Jos olet joskus käyttänyt tupakansytytintä, kokenut lääkärin ultraäänen lääkärin vastaanotolla tai käynnistänyt kaasupolttimen, olet käyttänyt pietsosähköä.

​Pietsosähköiset materiaalit ovat materiaaleja, joilla on kyky tuottaa sisäinen sähkövaraus käytetystä mekaanisesta rasituksesta.Termipietsoon kreikka "push".

Useat luonnossa luonnossa esiintyvät aineet osoittavat pietsosähköisen vaikutuksen. Nämä sisältävät:

• Luu
• Kiteet
• Tietty keramiikka
• DNA
• Emali
• Silkki
• Dentin ja monet muut.

Pietsosähköisen vaikutuksen omaavat materiaalit osoittavat myös käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen (kutsutaan myös käänteiseksi tai käänteiseksi pietsosähköiseksi vaikutukseksi).käänteinen pietsosähköinen vaikutuson mekaanisen rasituksen sisäinen muodostuminen vasteena käytetylle sähkökentälle.

Kiteet olivat ensimmäinen materiaali, jota käytettiin varhaisessa kokeessa pietsosähkön kanssa. Curie-veljet Pierre ja Jacques todistivat ensimmäisen kerran suoran pietsosähköisen vaikutuksen vuonna 1880. Veljet laajensivat työtuntemustaan ​​kiteisistä rakenteista ja pyroelektrisistä materiaaleista (materiaaleista, jotka tuottavat sähkövarauksen lämpötilan muutoksena).

He mittaivat seuraavien spesifisten kiteiden pintavaraukset:

• Ruokosokeri
  
• Turmaliini
• Kvartsi
• Topaasi
• Rochellen suola (natriumkaliumtartraattitetrahydraatti)

Kvartsi- ja Rochelle-suolalla oli korkeimmat pietsosähköiset vaikutukset.

Curie-veljet eivät kuitenkaan ennustaneet käänteistä pietsosähköistä vaikutusta. Käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen johti matemaattisesti Gabriel Lippmann vuonna 1881. Curies vahvisti sitten vaikutuksen ja toimitti kvantitatiivisen todisteen pietsosähköisten kiteiden sähköisten, elastisten ja mekaanisten muodonmuutosten palautuvuudesta.

Vuoteen 1910 mennessä 20 luonnollista kristalliluokkaa, joissa pietsosähköä esiintyy, määriteltiin kokonaan ja julkaistiin Woldemar Voigtin julkaisussaLehrbuch Der Kristallphysik. Mutta se pysyi hämäränä ja erittäin teknisenä markkinarakona fysiikassa ilman näkyviä teknisiä tai kaupallisia sovelluksia.

​Ensimmäinen maailmansota:Ensimmäinen pietsosähköisen materiaalin tekninen sovellus oli ensimmäisen maailmansodan aikana luotu ultraääni-sukellusvenetunnistin. Ilmaisinlevy tehtiin anturista (laite, joka muuntuu yhdestä energian tyypistä toiseen) ja detektorityypistä, jota kutsutaan hydrofoniksi. Muunnin valmistettiin ohuista kvartsikiteistä, jotka oli liimattu kahden teräslevyn väliin.

Ultraääni-sukellusvenetunnistimen uskomaton menestys sodan aikana stimuloi pietsosähköisten laitteiden voimakasta teknistä kehitystä. Ensimmäisen maailmansodan jälkeen piezoelektristä keramiikkaa käytettiin äänitteiden patruunoissa.

​Toinen maailmansota:Pietsosähköisten materiaalien sovellukset edistyivät merkittävästi toisen maailmansodan aikana Japanin, Neuvostoliiton ja Yhdysvaltojen itsenäisen tutkimuksen ansiosta.

Erityisesti edistysaskeleet kristallirakenteen ja sähkömekaaninen aktiivisuus yhdessä muun tutkimuksen kehityksen kanssa muutti lähestymistapaa pietsosähköiseen tekniikkaa kokonaan. Ensimmäistä kertaa insinöörit pystyivät käsittelemään pietsosähköisiä materiaaleja tiettyä laitesovellusta varten, sen sijaan, että tarkkailtaisiin materiaalien ominaisuuksia ja etsitään sitten havaittujen sovellusten sopivia sovelluksia ominaisuudet.

Tämä kehitys loi monia sotaan liittyviä pietsosähköisten materiaalien sovelluksia, kuten superherkät mikrofonit, tehokkaat kaikuluotainlaitteet, sonopoijut (pienet poijut, joissa on hydrofonien kuuntelu- ja radiolähetysominaisuudet merialusten liikkumisen seuraamiseksi) ja pietsosytytysjärjestelmät yksisylinterisille sytytykset.

Kuten edellä mainittiin, pietsosähkö on aineen ominaisuus tuottaa sähköä, jos siihen kohdistetaan jännitystä, kuten puristamista, taipumista tai kiertymistä.

Kun se on rasituksessa, pietsosähköinen kide tuottaa polarisaation,P, verrannollinen sitä aiheuttaneeseen stressiin.

pietsosähköisyyden pääyhtälö on​

missädon pietsosähköinen kerroin, tekijä, joka on ainutlaatuinen jokaiselle pietsosähköisen materiaalin tyypille. Kvartsin pietsosähköinen kerroin on 3 × 10^-12. Lyijysirkonaattititanaatin (PZT) pietsosähköinen kerroin on 3 × 10^-10.

Pienet ionien siirtymät kideverkossa muodostavat pietsosähköisyydessä havaitun polarisaation. Tätä tapahtuu vain kiteillä, joilla ei ole symmetriakeskusta.

Seuraava on ei-kattava luettelo pietsosähköisistä kiteistä, joissa on lyhyt kuvaus niiden käytöstä. Keskustelemme myöhemmin yleisimmin käytettyjen pietsosähköisten materiaalien tietyistä sovelluksista.

​Luonnossa esiintyvät kiteet:​

• Kvartsi. Vakaa kide, jota käytetään kellokiteissä ja radiolähettimien taajuuksien vertailukiteissä.
• Sakkaroosi (pöytäsokeri)
• Rochellen suola. Tuottaa suuren jännitteen puristuksella; käytetään varhaiskristallimikrofoneissa.
• Topaasi
• Turmaliini
• Berliini (AlPO₄). Harvinainen fosfaattimineraali, joka on rakenteellisesti identtinen kvartsin kanssa.

​Ihmisen tekemät kiteet:​

• Galliumortofosfaatti (GaPO₄), kvartsianalogi.
• Langasite (La₃Ga₅SiO₁₄), kvartsianalogi.

​Pietsosähköinen keramiikka:​

• Bariumtitanaatti (BaTiO₃). Ensimmäinen löydetty pietsosähköinen keramiikka.
• Lyijytitanaatti (PbTiO₃)
• Lyijysirkonaattititraatti (PZT). Tällä hetkellä yleisimmin käytetty pietsosähköinen keramiikka.
• Kaliumniobaatti (KNbO₃)
• Litiumniobaatti (LiNbO₃)
• Litiumtantalaatti (LiTaO₃)
• Natriumvolframaatti (Na₂WO₄)

​Lyijytön piezokeramiikka:​

Seuraavat materiaalit on kehitetty vastauksena haitalliseen ympäristöaltistukseen lyijylle.

• Natriumkaliumniobaatti (NaKNb). Tällä materiaalilla on samanlaiset ominaisuudet kuin PZT: llä.
• Vismuttiferriitti (BiFeO₃)
• Natriumnibaatti (NaNbO₃)

​Biologiset pietsosähköiset materiaalit:​

• Jänne
• Puu
• Silkki
• Emali
• Dentin
• Kollageeni

​Pietsosähköiset polymeerit:Pietropolymeerit ovat kevyitä ja pienikokoisia, joten niiden suosio teknologisen sovelluksen suhteen kasvaa.

Polyvinylideenifluoridi (PVDF) osoittaa pietsosähköisyyttä, joka on useita kertoja suurempi kuin kvartsi. Sitä käytetään usein lääketieteen alalla, kuten lääketieteellisessä ompelussa ja lääketieteellisissä tekstiileissä.

Pietsosähköisiä materiaaleja käytetään useilla teollisuudenaloilla, mukaan lukien:

• Valmistus
• Lääketieteelliset laitteet
• Televiestintä
• Autoteollisuus
• Tietotekniikka (IT)

​Suurjännitelähteet:​

• Sähkötupakansytyttimet. Kun painat sytyttimen painiketta, painike aiheuttaa pienen jousitetun vasaran osuman a pietsosähköinen kide, joka tuottaa suurjännitevirran, joka virtaa aukon yli lämmittämään ja sytyttämään kaasu.
• Kaasugrillit tai uunit ja kaasupolttimet. Nämä toimivat samalla tavoin kuin kevyemmät, mutta suuremmassa mittakaavassa.
• Pietsosähköinen muuntaja. Tätä käytetään vaihtojännitekertoimena kylmäkatodilampuissa.

Ultraääniantureita käytetään rutiininomaisessa lääketieteellisessä kuvantamisessa. Aanturion pietsosähköinen laite, joka toimii sekä anturina että toimilaitteena.Ultraäänianturitsisältää pietsosähköisen elementin, joka muuntaa sähköisen signaalin mekaaniseksi tärinäksi (lähetys tila tai toimilaitteen osa) ja mekaaninen tärinä sähköiseksi signaaliksi (vastaanottotila tai anturi komponentti).

Pietsosähköinen elementti leikataan yleensä puoleen ultraäänianturin halutusta aallonpituudesta.

Muita pietsosähköisiä antureita ovat:

• Pietsosähköiset mikrofonit.
• Pietsosähköiset mikit akustisille sähkökitaroille.
• Luotain aallot. Pietsosähköinen elementti sekä tuottaa että tunnistaa ääniaallot.
• Elektroniset rumputyynyt. Elementit havaitsevat rumpalien tikkujen vaikutuksen tyynyihin.
• Lääketieteellinen kiihdytys. Tätä käytetään, kun henkilö on anestesiassa ja hänelle on annettu lihasrelaksantteja. Kiihtyvyyselementin pietsosähköinen elementti havaitsee lihaksessa tuotetun voiman hermostimulaation jälkeen.

Yksi pietsosähköisten toimilaitteiden suurista hyötyistä on, että korkeat sähkökenttäjännitteet vastaavat pieniä, mikrometrisiä muutoksia pietsosähköisen kiteen leveydessä. Nämä mikroetäisyydet tekevät pietsosähköisistä kiteistä käyttökelpoisia toimilaitteina, kun esineiden pieni, tarkka sijoittelu on tarpeen, esimerkiksi seuraavissa laitteissa:

• Kaiuttimet
• Pietsosähköiset moottorit
• Laserelektroniikka
• Mustesuihkutulostimet (kiteet ohjaavat musteen poistumista tulostuspäästä paperille)
• Dieselmoottorit
• Röntgensäteikkäiset ikkunaluukut

Älykkäät materiaalit ovat laaja materiaali, jonka ominaisuuksia voidaan muuttaa hallitulla menetelmällä - ulkoinen ärsyke, kuten pH, lämpötila, kemikaalit, käytetty magneettikenttä tai sähkökenttä tai stressi.Älykkäitä materiaaleja kutsutaan myös älykkäiksi toiminnallisiksi materiaaleiksi.​

Pietsosähköiset materiaalit sopivat tähän määritelmään, koska käytetty jännite tuottaa jännitteen a: ssa pietsosähköinen materiaali, ja päinvastoin, ulkoisen rasituksen soveltaminen tuottaa myös sähköä sisään materiaali.

Muita älykkäitä materiaaleja ovat muotomuistiseokset, halokromiset materiaalit, magnetokaloriset materiaalit, lämpötilaan reagoivat polymeerit, aurinkosähkömateriaalit ja monet, monet muut.