Mik azok a piezoelektromos anyagok?

Ha valaha is használt szivargyújtót, orvosi ultrahangot tapasztalt az orvosi rendelőben vagy bekapcsolta a gázégőt, akkor piezoelektromos áramot használt.

​A piezoelektromos anyagok olyan anyagok, amelyek képesek belső elektromos töltést létrehozni az alkalmazott mechanikai igénybevételből.A kifejezéspiezógörögül "tolásra".

A természetben számos természetben előforduló anyag bizonyítja a piezoelektromos hatást. Ezek tartalmazzák:

• Csont
• Kristályok
• Bizonyos kerámiák
• DNS
• Zománc
• Selyem
• Dentin, és még sok más.

A piezoelektromos hatást mutató anyagok az inverz piezoelektromos hatást is mutatják (fordított vagy fordított piezoelektromos hatásnak is nevezik). Ainverz piezoelektromos hatása mechanikai igénybevétel belső generálása az alkalmazott elektromos mezőre adott válaszként.

A piezoelektromosság korai kísérletezésében a kristályok voltak az első anyagok. A Curie testvérek, Pierre és Jacques, 1880-ban bizonyították először a közvetlen piezoelektromos hatást. A testvérek bővítették a kristályos szerkezetek és a piroelektromos anyagok (olyan anyagok, amelyek hőmérsékleti változásra reagálva elektromos töltést generálnak) ismereteiket.

Megmérték a következő kristályok felületi töltését:

• Nádcukor
  
• Turmalin
• Kvarc
• Topáz
• Rochelle-só (nátrium-kálium-tartarát-tetrahidrát)

A kvarc- és a Rochelle-só mutatta a legnagyobb piezoelektromos hatást.

A Curie testvérek azonban nem jósolták meg az inverz piezoelektromos hatást. Az inverz piezoelektromos hatást matematikailag Gabriel Lippmann vezette le 1881-ben. A Curies ezt követően megerősítette a hatást, és kvantitatív bizonyítékot szolgáltatott a piezoelektromos kristályok elektromos, elasztikus és mechanikus alakváltozásainak reverzibilitására.

1910-re a 20 természetes kristályosztályt, amelyben a piezoelektromosság bekövetkezik, teljesen meghatározták és közzétették Woldemar VoigtLehrbuch Der Kristallphysik. De a fizika homályos és rendkívül technikai résszel rendelkezett, látható technológiai vagy kereskedelmi alkalmazások nélkül.

​Első Világháború:A piezoelektromos anyag első technológiai alkalmazása az I. világháború alatt létrehozott ultrahangos tengeralattjáró-detektor volt. Az érzékelőlemez egy átalakítóból (egy típusú energiából a másikba átalakuló eszköz) és egy hidrofon nevű detektorból készült. Az átalakító két acéllemez közé ragasztott vékony kvarckristályokból készült.

Az ultrahangos tengeralattjáró-detektor nagy sikere a háború alatt ösztönözte a piezoelektromos eszközök intenzív technológiai fejlődését. Az első világháború után piezoelektromos kerámiát használtak a fonográfok patronjaiban.

​Második világháború:A piezoelektromos anyagok alkalmazása jelentősen előrehaladt a második világháború alatt Japán, a Szovjetunió és az Egyesült Államok független kutatásainak köszönhetően.

Különösen a kristályszerkezet és a az elektromechanikus tevékenység a kutatás egyéb fejleményeivel együtt elmozdította a megközelítést a piezoelektromos irányába technológia teljes egészében. A mérnökök először tudtak manipulálni a piezoelektromos anyagokat egy adott eszköz alkalmazásához, ahelyett, hogy megfigyelnék az anyagok tulajdonságait, majd keresnék a megfigyeltek megfelelő alkalmazási lehetőségeit tulajdonságait.

Ez a fejlődés számos háborúval kapcsolatos alkalmazást hozott létre piezoelektromos anyagokból, például szuperérzékeny mikrofonokból, nagy teljesítményű szonáreszközökből, szonobólikból (kicsi bóják hidrofon hallgatási és rádióadási képességekkel az óceánjáró hajók mozgásának nyomon követésére) és piezo gyújtású rendszerek egyhengereshez gyújtások.

Mint fent említettük, a piezoelektromosság az anyag azon tulajdonsága, hogy villamos energiát termeljen, ha olyan feszültséget fejt ki, mint például összenyomódás, hajlítás vagy csavarodás.

Stressz hatására a piezoelektromos kristály polarizációt vált ki,P, arányos az azt előidéző ​​stresszel.

Aa piezoelektromosság fő egyenlete az​

holda piezoelektromos együttható, amely a piezoelektromos anyagok egyes típusainál egyedi tényező. A kvarc piezoelektromos együtthatója 3 × 10^-12. Az ólom-cirkonát-titanát (PZT) piezoelektromos együtthatója 3 × 10^-10.

A kristályrácsban lévő ionok kis elmozdulásai hozzák létre a piezoelektromosságban megfigyelt polarizációt. Ez csak olyan kristályokban fordul elő, amelyek nem rendelkeznek szimmetriaközponttal.

Az alábbiakban felsoroljuk a piezoelektromos kristályok nem átfogó felsorolását, néhány használatuk rövid leírásával. A későbbiekben a leggyakrabban használt piezoelektromos anyagok néhány speciális alkalmazását tárgyaljuk.

​Természetesen előforduló kristályok:​

• Kvarc. Stabil kristály, amelyet órakristályokban használnak, és rádióadók frekvencia referencia kristályai.
• Szacharóz (asztali cukor)
• Rochelle só. Nagy feszültséget produkál kompresszióval; korai kristályos mikrofonokban használják.
• Topáz
• Turmalin
• Berlini (AlPO₄). Ritka foszfát-ásvány, szerkezetileg azonos a kvarccal.

​Mesterséges kristályok:​

• Gallium-ortofoszfát (GaPO₄), kvarc analóg.
• Langasite (La₃Ga₅SiO₁₄), kvarc analóg.

​Piezoelektromos kerámia:​

• Bárium-titanát (BaTiO₃). Az első piezoelektromos kerámia felfedezett.
• Ólomtitanát (PbTiO₃)
• Ólom-cirkonát-titanát (PZT). Jelenleg a leggyakrabban alkalmazott piezoelektromos kerámia.
• Kálium-niobát (KNbO₃)
• Lítium-niobát (LiNbO₃)
• Lítium-tantalát (LiTaO₃)
• Nátrium-volframát (Na₂WO₄)

​Ólommentes piezokerámia:​

A következő anyagokat az ólom káros környezeti kitettségével kapcsolatos aggodalmakra fejlesztették ki.

• Nátrium-kálium-niobát (NaKNb). Ennek az anyagnak a PZT-hez hasonló tulajdonságai vannak.
• Bizmut-ferrit (BiFeO₃)
• Nátrium-niobát (NaNbO₃)

​Biológiai piezoelektromos anyagok:​

• Ín
• Faipari
• Selyem
• Zománc
• Dentin
• Kollagén

​Piezoelektromos polimerek:A piezopolimerek könnyűek és kis méretűek, így egyre népszerűbb a technológiai alkalmazás.

A polivinilidén-fluorid (PVDF) piezoelektromossága többszörösen nagyobb, mint a kvarcé. Gyakran használják az orvosi területen, például orvosi varrásban és orvosi textíliákban.

A piezoelektromos anyagokat több iparágban használják, többek között:

• Gyártás
• Orvosi eszközök
• Távközlés
• Autóipari
• Informatika (IT)

​Nagyfeszültségű áramforrások:​

• Elektromos öngyújtók. Amikor lenyomja az öngyújtó gombját, a gomb hatására egy kis rugós kalapács elüt a piezoelektromos kristály, amely egy résen át áramló nagyfeszültségű áramot termel és meggyújtja gáz.
• Gázrácsok vagy kályhák és gázégők. Ezek az öngyújtókhoz hasonlóan, de nagyobb léptékben működnek.
• Piezoelektromos transzformátor. Ezt váltakozó feszültség-szorzóként használják hideg katódos fénycsövekben.

Az ultrahangos jelátalakítókat a rutin orvosi képalkotásban használják. Atranszduktoregy piezoelektromos eszköz, amely érzékelőként és működtetőként egyaránt működik.Ultrahangos jelátalakítóktartalmaznak piezoelektromos elemet, amely az elektromos jelet mechanikus rezgéssé alakítja (továbbítja vagy működtető alkatrész) és a mechanikai rezgés elektromos jellé (vételi mód vagy érzékelő összetevő).

A piezoelektromos elemet általában az ultrahang-átalakító kívánt hullámhosszának felére vágják.

A piezoelektromos érzékelők egyéb típusai a következők:

• Piezoelektromos mikrofonok.
• Piezoelektromos hangszedők akusztikus-elektromos gitárokhoz.
• Szonár integet. A hanghullámokat a piezoelektromos elem egyaránt generálja és érzékeli.
• Elektronikus dobpárnák. Az elemek érzékelik a dobos botok ütközését a párnákra.
• Orvosi gyorsulásvizsgálat. Ezt akkor alkalmazzák, amikor az ember érzéstelenítés alatt áll, és izomrelaxánsokat kapott. Az akseleromiográf piezoelektromos eleme detektálja az izomban az idegstimuláció után keletkező erőt.

A piezoelektromos működtetők egyik legnagyobb hasznossága, hogy a magas elektromos térfeszültség a pici, mikrométeres változásoknak felel meg a piezoelektromos kristály szélességében. Ezek a mikrotávolságok teszik a piezoelektromos kristályokat működtetőként hasznosnak, ha a tárgyak apró, pontos elhelyezésére van szükség, például a következő eszközökben:

• Hangszórók
• Piezoelektromos motorok
• Lézer elektronika
• Tintasugaras nyomtatók (kristályok vezetik a tinta kidobását a nyomtatófejtől a papírig)
• Dízelmotorok
• Röntgen redőnyök

Az intelligens anyagok az anyagok tág osztálya, amelyek tulajdonságai ellenőrzött módszerrel megváltoztathatók a - külső inger, például pH, hőmérséklet, vegyi anyagok, alkalmazott mágneses vagy elektromos mező, vagy feszültség.Az intelligens anyagokat intelligens funkcionális anyagoknak is nevezik.​

A piezoelektromos anyagok megfelelnek ennek a meghatározásnak, mert egy alkalmazott feszültség feszültséget eredményez a piezoelektromos anyag, és fordítva, egy külső feszültség alkalmazása villamos energiát is termel az anyag.

További intelligens anyagok: alakmemória ötvözetek, halokróm anyagok, magnetokaloros anyagok, hőmérsékletre reagáló polimerek, fotovoltaikus anyagok és még sok más.