पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री क्या हैं?

यदि आपने कभी सिगरेट लाइटर का उपयोग किया है, डॉक्टर के कार्यालय में मेडिकल अल्ट्रासाउंड का अनुभव किया है या गैस बर्नर चालू किया है, तो आपने पीजोइलेक्ट्रिकिटी का उपयोग किया है।

​पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री ऐसी सामग्री है जो लागू यांत्रिक तनाव से आंतरिक विद्युत आवेश उत्पन्न करने की क्षमता रखती है।अवधिपीजो"पुश" के लिए ग्रीक है।

प्रकृति में प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले कई पदार्थ पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव प्रदर्शित करते हैं। इसमे शामिल है:

• हड्डी
• क्रिस्टल
• कुछ चीनी मिट्टी की चीज़ें
• डीएनए
• तामचीनी
• रेशम
• डेंटिन, और भी बहुत कुछ।

पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव प्रदर्शित करने वाली सामग्री भी व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव (जिसे रिवर्स या कॉनवर्स पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव भी कहा जाता है) प्रदर्शित करती है।उलटा पीजोइलेक्ट्रिक प्रभावएक लागू विद्युत क्षेत्र के जवाब में यांत्रिक तनाव की आंतरिक पीढ़ी है।

पीजोइलेक्ट्रिकिटी के साथ शुरुआती प्रयोग में क्रिस्टल पहली सामग्री थी। क्यूरी भाइयों, पियरे और जैक्स ने पहली बार 1880 में प्रत्यक्ष पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव साबित किया। भाइयों ने क्रिस्टलीय संरचनाओं और पायरोइलेक्ट्रिक सामग्री (तापमान परिवर्तन के जवाब में विद्युत चार्ज उत्पन्न करने वाली सामग्री) के अपने कामकाजी ज्ञान पर विस्तार किया।

उन्होंने निम्नलिखित विशिष्ट क्रिस्टल के सतह आवेशों को मापा:

• गन्ना की चीनी
  
• टूमलाइन
• क्वार्ट्ज
• टोपाज़
• रोशेल नमक (सोडियम पोटेशियम टार्ट्रेट टेट्राहाइड्रेट)

क्वार्ट्ज और रोशेल नमक ने उच्चतम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव का प्रदर्शन किया।

हालांकि, क्यूरी बंधुओं ने व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव की भविष्यवाणी नहीं की थी। व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव को गेब्रियल लिपमैन द्वारा 1881 में गणितीय रूप से घटाया गया था। क्यूरीज़ ने तब प्रभाव की पुष्टि की और पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल में विद्युत, लोचदार और यांत्रिक विकृतियों की उत्क्रमणीयता का मात्रात्मक प्रमाण प्रदान किया।

1910 तक, 20 प्राकृतिक क्रिस्टल वर्ग जिनमें पीजोइलेक्ट्रिकिटी होती है, को पूरी तरह से परिभाषित किया गया और वोल्डेमर वोइग्ट में प्रकाशित किया गया।लेहरबुच डेर क्रिस्टलफिजिक. लेकिन यह बिना किसी दृश्य तकनीकी या व्यावसायिक अनुप्रयोगों के भौतिकी का एक अस्पष्ट और उच्च तकनीकी विशिष्ट क्षेत्र बना रहा।

​प्रथम विश्व युद्ध:पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का पहला तकनीकी अनुप्रयोग प्रथम विश्व युद्ध के दौरान बनाया गया अल्ट्रासोनिक पनडुब्बी डिटेक्टर था। डिटेक्टर प्लेट एक ट्रांसड्यूसर (एक उपकरण जो एक प्रकार की ऊर्जा से दूसरे में परिवर्तित होती है) और एक प्रकार का डिटेक्टर जिसे हाइड्रोफोन कहा जाता है, से बनाया गया था। ट्रांसड्यूसर दो स्टील प्लेटों के बीच चिपके पतले क्वार्ट्ज क्रिस्टल से बना था।

युद्ध के दौरान अल्ट्रासोनिक पनडुब्बी डिटेक्टर की शानदार सफलता ने पीजोइलेक्ट्रिक उपकरणों के गहन तकनीकी विकास को प्रेरित किया। प्रथम विश्व युद्ध के बाद, फोनोग्राफ के कारतूस में पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का इस्तेमाल किया गया था।

​द्वितीय विश्व युद्ध:जापान, यूएसएसआर और संयुक्त राज्य अमेरिका द्वारा स्वतंत्र शोध के कारण द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के अनुप्रयोग काफी उन्नत हुए।

विशेष रूप से, क्रिस्टल संरचना और के बीच संबंधों की समझ में प्रगति अनुसंधान में अन्य विकासों के साथ विद्युत यांत्रिक गतिविधि ने पीजोइलेक्ट्रिक की ओर दृष्टिकोण को स्थानांतरित कर दिया प्रौद्योगिकी पूरी तरह से। पहली बार, इंजीनियर एक विशिष्ट उपकरण अनुप्रयोग के लिए पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री में हेरफेर करने में सक्षम थे, सामग्री के गुणों का अवलोकन करने और फिर प्रेक्षित के उपयुक्त अनुप्रयोगों की खोज करने के बजाय गुण।

इस विकास ने पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री जैसे सुपर-सेंसिटिव माइक्रोफोन, शक्तिशाली सोनार डिवाइस, सोनोबॉय (छोटे) के कई युद्ध-संबंधित अनुप्रयोगों का निर्माण किया। समुद्र के जहाजों की आवाजाही की निगरानी के लिए हाइड्रोफोन सुनने और रेडियो-संचारण क्षमताओं के साथ प्लव) और एकल सिलेंडर के लिए पीजो इग्निशन सिस्टम प्रज्वलन।

जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, पीजोइलेक्ट्रिकिटी बिजली उत्पन्न करने के लिए किसी पदार्थ की संपत्ति है यदि उस पर निचोड़ने, झुकने या घुमाने जैसे तनाव को लागू किया जाता है।

जब तनाव में रखा जाता है, तो पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल एक ध्रुवीकरण पैदा करता है,पी, उस तनाव के समानुपाती जिसने इसे उत्पन्न किया।

पीजोइलेक्ट्रिसिटी का मुख्य समीकरण है​

कहां हैघपीजोइलेक्ट्रिक गुणांक है, जो प्रत्येक प्रकार की पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के लिए अद्वितीय कारक है। क्वार्ट्ज के लिए पीजोइलेक्ट्रिक गुणांक 3 × 10. है^-12. लेड जिरकोनेट टाइटेनेट (PZT) के लिए पीजोइलेक्ट्रिक गुणांक 3 × 10. है^-10.

क्रिस्टल जाली में आयनों के छोटे विस्थापन पीजोइलेक्ट्रिकिटी में देखे गए ध्रुवीकरण का निर्माण करते हैं। यह केवल उन क्रिस्टल में होता है जिनमें समरूपता का केंद्र नहीं होता है।

निम्नलिखित उनके उपयोग के कुछ संक्षिप्त विवरण के साथ पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल की एक गैर-व्यापक सूची है। हम बाद में सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के कुछ विशिष्ट अनुप्रयोगों पर चर्चा करेंगे।

​प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले क्रिस्टल:​

• क्वार्ट्ज। रेडियो ट्रांसमीटर के लिए घड़ी क्रिस्टल और आवृत्ति संदर्भ क्रिस्टल में उपयोग किया जाने वाला एक स्थिर क्रिस्टल।
• सुक्रोज (टेबल शुगर)
• रोशेल नमक। संपीड़न के साथ एक बड़ा वोल्टेज पैदा करता है; प्रारंभिक क्रिस्टल माइक्रोफोन में उपयोग किया जाता है।
• टोपाज़
• टूमलाइन
• बर्लिनाइट (AlPO₄). एक दुर्लभ फॉस्फेट खनिज संरचनात्मक रूप से क्वार्ट्ज के समान है।

​मानव निर्मित क्रिस्टल:​

• गैलियम ऑर्थोफॉस्फेट (GaPO .)₄), एक क्वार्ट्ज एनालॉग।
• लैंगासाइट (ला)₃गा₅सिओ₁₄), एक क्वार्ट्ज एनालॉग।

​पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक:​

• बेरियम टाइटेनेट (BaTiO .)₃). पहला पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक खोजा गया।
• लेड टाइटेनेट (PbTiO)₃)
• लेड जिरकोनेट टाइटेनेट (PZT)। वर्तमान में सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक।
• पोटेशियम नाइओबेट (KNbO)₃)
• लिथियम नाइओबेट (LiNbO)₃)
• लिथियम टैंटलेट (LiTaO .)₃)
• सोडियम टंगस्टेट (Na₂WO₄)

​सीसा रहित पीज़ोसिरेमिक:​

सीसा के हानिकारक पर्यावरणीय जोखिम के बारे में चिंताओं के जवाब में निम्नलिखित सामग्री विकसित की गई थी।

• सोडियम पोटेशियम नाइओबेट (NaKNb)। इस सामग्री में PZT के समान गुण हैं।
• बिस्मथ फेराइट (BiFeO .)₃)
• सोडियम नाइओबेट (NaNbO)₃)

​जैविक पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री:​

• पट्टा
• लकड़ी
• रेशम
• तामचीनी
• दंतधातु
• कोलेजन

​पीजोइलेक्ट्रिक पॉलिमर:पाइज़ोपॉलीमर हल्के और आकार में छोटे होते हैं, इस प्रकार तकनीकी अनुप्रयोग के लिए लोकप्रियता में बढ़ रहे हैं।

पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड (पीवीडीएफ) पीजोइलेक्ट्रिकिटी को प्रदर्शित करता है जो क्वार्ट्ज से कई गुना बड़ा है। इसका उपयोग अक्सर चिकित्सा क्षेत्र में किया जाता है जैसे कि चिकित्सा टांके और चिकित्सा वस्त्रों में।

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री का उपयोग कई उद्योगों में किया जाता है, जिनमें शामिल हैं:

• विनिर्माण
• चिकित्सा उपकरण
• दूरसंचार
• मोटर वाहन
• सूचना प्रौद्योगिकी (आईटी)

​उच्च वोल्टेज बिजली स्रोत:​

• इलेक्ट्रिक सिगरेट लाइटर। जब आप लाइटर पर बटन दबाते हैं, तो बटन एक छोटे स्प्रिंग-लोडेड हथौड़े को हिट करने का कारण बनता है पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल, एक उच्च-वोल्टेज करंट का उत्पादन करता है जो गर्मी के लिए एक अंतराल में बहता है और प्रज्वलित करता है गैस।
• गैस ग्रिल या स्टोव और गैस बर्नर। ये लाइटर की तरह ही काम करते हैं, लेकिन बड़े पैमाने पर।
• पीजोइलेक्ट्रिक ट्रांसफार्मर। इसका उपयोग ठंडे कैथोड फ्लोरोसेंट लैंप में एसी वोल्टेज गुणक के रूप में किया जाता है।

नियमित चिकित्सा इमेजिंग में अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर का उपयोग किया जाता है। एट्रांसड्यूसरएक पीजोइलेक्ट्रिक उपकरण है जो सेंसर और एक्चुएटर दोनों के रूप में कार्य करता है।अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसरएक पीजोइलेक्ट्रिक तत्व होता है जो विद्युत संकेत को यांत्रिक कंपन में परिवर्तित करता है मोड या एक्चुएटर घटक) और विद्युत संकेत में यांत्रिक कंपन (मोड या सेंसर प्राप्त करें) घटक)।

पीजोइलेक्ट्रिक तत्व को आमतौर पर अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर के वांछित तरंग दैर्ध्य के 1/2 तक काट दिया जाता है।

अन्य प्रकार के पीजोइलेक्ट्रिक सेंसर में शामिल हैं:

• पीजोइलेक्ट्रिक माइक्रोफोन।
• ध्वनिक-इलेक्ट्रिक गिटार के लिए पीजोइलेक्ट्रिक पिकअप।
• सोनार लहरें। ध्वनि तरंगें पीजोइलेक्ट्रिक तत्व द्वारा उत्पन्न और महसूस की जाती हैं।
• इलेक्ट्रॉनिक ड्रम पैड। तत्व पैड पर ड्रमर की छड़ियों के प्रभाव का पता लगाते हैं।
• मेडिकल एक्सेलेरमोग्राफी। इसका उपयोग तब किया जाता है जब कोई व्यक्ति एनेस्थीसिया के अधीन होता है और उसे मांसपेशियों को आराम देने वाली दवा दी जाती है। एक्सेलेरोमोग्राफ में पीजोइलेक्ट्रिक तत्व तंत्रिका उत्तेजना के बाद मांसपेशियों में उत्पन्न बल का पता लगाता है।

पीजोइलेक्ट्रिक एक्ट्यूएटर्स की महान उपयोगिताओं में से एक यह है कि उच्च विद्युत क्षेत्र वोल्टेज पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल की चौड़ाई में छोटे, माइक्रोमीटर परिवर्तनों के अनुरूप होते हैं। ये सूक्ष्म दूरियां पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल को एक्चुएटर के रूप में उपयोगी बनाती हैं जब वस्तुओं की छोटी, सटीक स्थिति की आवश्यकता होती है, जैसे कि निम्नलिखित उपकरणों में:

• लाउडस्पीकरों
• पीजोइलेक्ट्रिक मोटर्स
• लेजर इलेक्ट्रॉनिक्स
• इंकजेट प्रिंटर (क्रिस्टल प्रिंट हेड से कागज तक स्याही को बाहर निकालते हैं)
• डीजल इंजन
• एक्स-रे शटर

स्मार्ट सामग्री सामग्री का एक व्यापक वर्ग है जिसके गुणों को नियंत्रित तरीके से बदला जा सकता है एक बाहरी उत्तेजना जैसे पीएच, तापमान, रसायन, एक अनुप्रयुक्त चुंबकीय या विद्युत क्षेत्र, या तनाव।स्मार्ट सामग्री को बुद्धिमान कार्यात्मक सामग्री भी कहा जाता है।​

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री इस परिभाषा में फिट होती है क्योंकि एक लागू वोल्टेज एक तनाव पैदा करता है a पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री, और इसके विपरीत, बाहरी तनाव के आवेदन से भी बिजली पैदा होती है सामग्री।

अतिरिक्त स्मार्ट सामग्रियों में आकार स्मृति मिश्र धातु, हेलोक्रोमिक सामग्री, मैग्नेटोकैलोरिक सामग्री, तापमान-उत्तरदायी पॉलिमर, फोटोवोल्टिक सामग्री और कई शामिल हैं।