Što su piezoelektrični materijali?

Ako ste ikada koristili upaljač za cigarete, doživjeli medicinski ultrazvuk u liječničkoj ordinaciji ili uključili plinski plamenik, koristili ste piezoelektričnost.

​Piezoelektrični materijali su materijali koji imaju sposobnost stvaranja unutarnjeg električnog naboja od primijenjenih mehaničkih naprezanja.Uvjetpiezoje grčki za "guranje".

Nekoliko prirodnih tvari u prirodi pokazuje piezoelektrični učinak. To uključuje:

• Kost
• Kristali
• Određena keramika
• DNK
• Emajl
• Svila
• Dentin i mnogi drugi.

Materijali koji pokazuju piezoelektrični efekt pokazuju i inverzni piezoelektrični efekt (koji se naziva i obrnuti ili obratni piezoelektrični efekt). Theinverzni piezoelektrični efektje unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja kao odgovor na primijenjeno električno polje.

Kristali su prvi materijal korišten u ranim eksperimentima s piezoelektričnošću. Braća Curie, Pierre i Jacques, prvi su put dokazali izravan piezoelektrični efekt 1880. godine. Braća su proširila svoje radno znanje o kristalnim strukturama i piroelektričnim materijalima (materijali koji stvaraju električni naboj kao odgovor na promjenu temperature).

Izmjerili su površinske naboje sljedećih specifičnih kristala:

• Šećerna trska
  
• Turmalin
• Kvarcni
• Topaz
• Rochelle sol (natrijev kalijev tartrat tetrahidrat)

Kvarcna i Rochelleova sol pokazale su najviše piezoelektrične učinke.

Međutim, braća Curie nisu predvidjeli inverzni piezoelektrični efekt. Obrnuti piezoelektrični efekt matematički je utvrdio Gabriel Lippmann 1881. godine. Tada je Cury potvrdio učinak i pružio kvantitativni dokaz o reverzibilnosti električnih, elastičnih i mehaničkih deformacija u piezoelektričnim kristalima.

Do 1910. godine 20 klasa prirodnih kristala u kojima se javlja piezoelektričnost potpuno je definirano i objavljeno u Woldemaru VoigtuLehrbuch Der Kristallphysik. Ali ostalo je opskurno i visokotehničko područje fizike bez ikakvih vidljivih tehnoloških ili komercijalnih primjena.

​Prvi svjetski rat:Prva tehnološka primjena piezoelektričnog materijala bio je ultrazvučni detektor podmornica stvoren tijekom I. svjetskog rata. Ploča detektora izrađena je od pretvarača (uređaja koji transformira iz jedne vrste energije u drugu) i vrste detektora koji se naziva hidrofon. Pretvornik je izrađen od tankih kristala kvarca zalijepljenih između dvije čelične ploče.

Zvučni uspjeh ultrazvučnog podmorskog detektora tijekom rata potaknuo je intenzivan tehnološki razvoj piezoelektričnih uređaja. Nakon Prvog svjetskog rata piezoelektrična keramika koristila se u ulozima fonografa.

​Drugi Svjetski rat:Primjene piezoelektričnih materijala značajno su napredovale tijekom Drugog svjetskog rata zahvaljujući neovisnim istraživanjima Japana, SSSR-a i Sjedinjenih Država.

Konkretno, napredak u razumijevanju odnosa između kristalne strukture i elektromehanička aktivnost, zajedno s ostalim razvojnim dostignućima, preusmjerila je pristup prema piezoelektričnoj tehnologija u cijelosti. Po prvi su put inženjeri uspjeli manipulirati piezoelektričnim materijalima za određenu primjenu uređaja, umjesto promatranja svojstava materijala i zatim traženja prikladnih primjena opaženog Svojstva.

Ovaj razvoj stvorio je mnoge aplikacije povezane s ratom piezoelektričnih materijala poput superosjetljivih mikrofona, moćnih sonarnih uređaja, sonobuva (mali plutače s mogućnostima slušanja i radio-odašiljanja hidrofona za praćenje kretanja oceanskih brodova) i piezo sustav paljenja za jednocilindrične paljenja.

Kao što je gore spomenuto, piezoelektričnost je svojstvo tvari da stvara električnu energiju ako se na nju primijeni stres poput stiskanja, savijanja ili uvijanja.

Kada je izložen naponu, piezoelektrični kristal stvara polarizaciju,Str, proporcionalno stresu koji ga je stvorio.

Theglavna jednadžba piezoelektričnosti je​

gdjedje piezoelektrični koeficijent, faktor jedinstven za svaku vrstu piezoelektričnog materijala. Piezoelektrični koeficijent za kvarc je 3 × 10^-12. Piezoelektrični koeficijent za olovni cirkonat titanat (PZT) je 3 × 10^-10.

Mali pomaci iona u kristalnoj rešetci stvaraju polarizaciju uočenu u piezoelektričnosti. To se događa samo u kristalima koji nemaju središte simetrije.

Slijedi nepotpuni popis piezoelektričnih kristala s nekoliko kratkih opisa njihove uporabe. O nekim specifičnim primjenama najčešće korištenih piezoelektričnih materijala razgovarat ćemo kasnije.

​Kristali u prirodi:​

• Kvarcni. Stabilni kristal koji se koristi u kristalima satova i referentnim kristalima frekvencije za radio odašiljače.
• Saharoza (stolni šećer)
• Sol Rochelle. Stvara veliki napon kompresijom; koristi se u mikrofonima s ranim kristalima.
• Topaz
• Turmalin
• Berlinit (AlPO₄). Rijedak mineral fosfata strukturno identičan kvarcu.

​Umjetni kristali:​

• Galij ortofosfat (GaPO₄), kvarcni analog.
• Langasit (La₃Ga₅SiO₁₄), kvarcni analog.

​Piezoelektrična keramika:​

• Barijev titanat (BaTiO₃). Prva otkrivena piezoelektrična keramika.
• Olovni titanat (PbTiO₃)
• Olovni cirkonat titanat (PZT). Trenutno najčešće korištena piezoelektrična keramika.
• Kalijev niobat (KNbO₃)
• Litij-niobat (LiNbO₃)
• Litijev tantalat (LiTaO₃)
• Natrijev volfram (Na₂WO₄)

​Piezokeramika bez olova:​

Sljedeći su materijali razvijeni kao odgovor na zabrinutost zbog štetne izloženosti olova u okolišu.

• Natrijev kalij niobat (NaKNb). Ovaj materijal ima svojstva slična PZT-u.
• Bizmut-ferit (BiFeO₃)
• Natrijev niobat (NaNbO₃)

​Biološki piezoelektrični materijali:​

• Tetiva
• Drvo
• Svila
• Emajl
• Dentin
• Kolagen

​Piezoelektrični polimeri:Piezopolimeri su lagani i male veličine, čime rastu popularnost za tehnološku primjenu.

Poliviniliden fluorid (PVDF) pokazuje piezoelektričnost koja je nekoliko puta veća od kvarca. Često se koristi u medicinskom području kao što je medicinsko šivanje i medicinski tekstil.

Piezoelektrični materijali koriste se u više industrija, uključujući:

• Proizvodnja
• Medicinski uređaji
• Telekomunikacija
• Automobilski
• Informacijska tehnologija (IT)

​Visokonaponski izvori napajanja:​

• Električni upaljači. Kad pritisnete gumb na upaljaču, gumb uzrokuje udarac malog čekića s oprugom piezoelektrični kristal, proizvodeći visokonaponsku struju koja teče kroz razmak da zagrije i zapali plin.
• Plinski roštilji ili štednjaci i plinski plamenici. Oni djeluju slično kao upaljači, ali u većem opsegu.
• Piezoelektrični transformator. To se koristi kao multiplikator izmjeničnog napona u fluorescentnim žaruljama s hladnom katodom.

Ultrazvučni pretvarači koriste se u rutinskim medicinskim snimanjima. Apretvaračje piezoelektrični uređaj koji djeluje i kao senzor i kao pokretač.Ultrazvučni pretvaračisadrže piezoelektrični element koji pretvara električni signal u mehaničke vibracije (prijenos način rada ili komponenta aktuatora) i mehaničke vibracije u električni signal (način primanja ili senzor komponenta).

Piezoelektrični element obično se reže na 1/2 željene valne duljine ultrazvučnog pretvarača.

Ostale vrste piezoelektričnih senzora uključuju:

• Piezoelektrični mikrofoni.
• Piezoelektrični pickupi za akustično-električne gitare.
• Sonarni valovi. Piezoelektrični element generira i osjeća zvučne valove.
• Elektronički jastučići za bubanj. Elementi otkrivaju udar palica bubnjara o jastučiće.
• Medicinska akceleromiografija. To se koristi kada je osoba pod anestezijom i kada su joj davani relaksanti mišića. Piezoelektrični element u akceleromiografu otkriva silu koja nastaje u mišiću nakon stimulacije živca.

Jedna od velikih korisnosti piezoelektričnih aktuatora je da visoki naponi električnog polja odgovaraju malim, mikrometarskim promjenama u širini piezoelektričnog kristala. Te mikro-udaljenosti čine piezoelektrične kristale korisnima kao pokretače kada je potrebno sićušno, precizno pozicioniranje predmeta, kao na primjer u sljedećim uređajima:

• Zvučnici
• Piezoelektrični motori
• Laserska elektronika
• Inkjet pisači (kristali potiču izbacivanje tinte iz glave za ispis na papir)
• Dizel motori
• Rendgenske rolete

Pametni materijali široka su klasa materijala čija se svojstva kontroliranom metodom mogu mijenjati vanjski podražaj kao što su pH, temperatura, kemikalije, primijenjeno magnetsko ili električno polje ili stres.Pametni materijali nazivaju se i inteligentnim funkcionalnim materijalima.​

Piezoelektrični materijali odgovaraju ovoj definiciji jer primijenjeni napon stvara naprezanje u a piezoelektričnog materijala, i obratno, primjena vanjskog naprezanja također proizvodi električnu energiju u materijal.

Dodatni pametni materijali uključuju legure s memorijom oblika, halokromni materijali, magnetokalorični materijali, polimeri koji reagiraju na temperaturu, fotonaponski materijali i mnogi, mnogi drugi.