מהם חומרים פיזואלקטריים?

אם אי פעם השתמשת במצת סיגריות, חווית אולטרסאונד רפואי במשרד רופא או הפעלת מבער גז, השתמשת בפיוזואלקטריה.

​חומרים פיזואלקטריים הם חומרים בעלי יכולת לייצר מטען חשמלי פנימי ממתח מכני שהופעל.התנאיפייזוהוא יווני ל"דחיפה ".

כמה חומרים טבעיים המופיעים בטבע מדגימים את האפקט הפיזואלקטרי. אלו כוללים:

• עֶצֶם
• גבישים
• קרמיקה מסוימת
• DNA
• אֵימָל
• משי
• דנטין, ורבים אחרים.

חומרים המציגים את האפקט הפיזואלקטרי מדגימים גם את האפקט הפיזואלקטרי ההפוך (נקרא גם אפקט פיזואלקטרי הפוך או הפוך). האפקט פיזואלקטרי הפוךהוא הדור הפנימי של זן מכני בתגובה לשדה חשמלי מיושם.

גבישים היו החומר הראשון ששימש לניסויים מוקדמים עם פיזואלקטריה. האחים קירי, פייר וז'אק, הוכיחו לראשונה את האפקט הפיזואלקטרי הישיר בשנת 1880. האחים הרחיבו את הידע בעבודה שלהם על מבנים גבישיים וחומרים פירו-חשמליים (חומרים המייצרים מטען חשמלי בתגובה לשינוי טמפרטורה).

הם מדדו את מטעני השטח של הגבישים הספציפיים הבאים:

• קנה סוכר
  
• טורמלין
• קְוָרץ
• טוֹפָּז
• מלח רושל (טרטרט אשלגן נתרן טטרהידראט)

מלח קוורץ ורושל הדגים את ההשפעות הפיזואלקטריות הגבוהות ביותר.

עם זאת, האחים קירי לא ניבאו את האפקט הפיזואלקטרי ההפוך. ההשפעה הפיזואלקטרית ההפוכה גזרה מתמטית על ידי גבריאל ליפמן בשנת 1881. לאחר מכן אישרו הקורים את ההשפעה וסיפקו הוכחה כמותית להפיכותם של דפורמציות חשמליות, אלסטיות ומכניות בגבישים פיזואלקטריים.

בשנת 1910 הוגדרו לחלוטין 20 כיתות הגבישים הטבעיות בהן מתרחש פיזואלקטריה ופורסמו ב- Woldemar Voigtלרבוך דר קריסטלפיסיק. אבל זה נשאר אזור נישה לא ברור וטכני ביותר בפיזיקה ללא שום יישומים טכנולוגיים או מסחריים גלויים.

​מלחמת העולם הראשונה:היישום הטכנולוגי הראשון של חומר פיזואלקטרי היה גלאי הצוללות הקולי שנוצר במהלך מלחמת העולם הראשונה. לוח הגלאי היה עשוי מתמר (מכשיר שהופך מסוג אנרגיה אחד לסוג אחר) וסוג גלאי הנקרא הידרופון. המתמר היה עשוי גבישי קוורץ דקים המודבקים בין שתי לוחות פלדה.

ההצלחה המדהימה של גלאי הצוללות הקולי במהלך המלחמה עוררה התפתחות טכנולוגית אינטנסיבית של מכשירים פיזואלקטריים. לאחר מלחמת העולם הראשונה נעשה שימוש בקרמיקה הפיזואלקטרית במחסניות של פונוגרפיות.

​מלחמת העולם השנייה:יישומים של חומרים פיזואלקטריים התקדמו משמעותית במהלך מלחמת העולם השנייה עקב מחקר עצמאי של יפן, ברית המועצות וארצות הברית.

בפרט, התקדמות בהבנת הקשר בין מבנה גביש לבין פעילות אלקטרומכנית יחד עם התפתחויות אחרות במחקר העבירו את הגישה לכיוון פיזואלקטרית טכנולוגיה לחלוטין. לראשונה, מהנדסים הצליחו לתפעל חומרים פיזואלקטריים ליישום מכשיר ספציפי, במקום להתבונן בתכונות של החומרים ואז לחפש יישומים מתאימים של הנצפים נכסים.

התפתחות זו יצרה יישומים רבים הקשורים למלחמה של חומרים פיזואלקטריים כגון מיקרופונים רגישים במיוחד, מכשירי סונאר חזקים, סוני-בויס (קטנים מצופים עם יכולות האזנה והידור רדיו לניטור תנועת כלי האוקיינוס) ומערכות הצתה של פייזו לגליל יחיד הצתה.

כאמור לעיל, פיזואלקטריות היא הקניין של חומר לייצר חשמל אם מוחל עליו מתח כמו סחיטה, כיפוף או פיתול.

כאשר הוא נתון במתח, הגביש הפיזואלקטרי מייצר קיטוב,פ, פרופורציונאלי ללחץ שהפיק אותו.

ההמשוואה העיקרית של פיזואלקטריה היא​

איפהדהוא המקדם הפיזואלקטרי, גורם ייחודי לכל סוג של חומר פיזואלקטרי. המקדם הפיזואלקטרי לקוורץ הוא 3 × 10^-12. המקדם הפיזואלקטרי לטיטנאט עופרת זירקונאט (PZT) הוא 3 × 10^-10.

תזוזות קטנות של יונים בסריג הקריסטל יוצרות את הקיטוב שנצפה בפיוזואלקטריות. זה קורה רק בגבישים שאין להם מרכז סימטריה.

להלן רשימה לא מקיפה של גבישים פיזואלקטריים עם כמה תיאורים קצרים על השימוש בהם. בהמשך נדון בכמה יישומים ספציפיים של החומרים הפיזואלקטריים הנפוצים ביותר.

​גבישים המופיעים באופן טבעי:​

• קְוָרץ. גביש יציב המשמש בגבישי שעון ובגבישים התייחסות לתדרים למשדרי רדיו.
• סוכרוז (סוכר לשולחן)
• מלח רושל. מייצר מתח גדול עם דחיסה; משמש במיקרופוני קריסטל מוקדמים.
• טוֹפָּז
• טורמלין
• ברלינאי (AlPO₄). מינרל פוספט נדיר זהה מבחינה קוורץ.

​גבישים מעשה ידי אדם:​

• גליום אורתופוספט (GaPO₄), אנלוגי קוורץ.
• Langasite (La₃גא₅SiO₁₄), אנלוגי קוורץ.

​קרמיקה פיזואלקטרית:​

• בריום טיטנאט (BaTiO₃). הקרמיקה הפיזואלקטרית הראשונה שהתגלתה.
• עופרת טיטנאט (PbTiO₃)
• עופרת זירקונט טיטנאט (PZT). כיום הקרמיקה הפיזואלקטרית הנפוצה ביותר.
• אשלגן ניובט (KNbO₃)
• ליתיום ניובאט (LiNbO₃)
• טנטלט ליתיום (LiTaO₃)
• נתרן טונגסטט (Na₂WO₄)

​פיוזוקרמיקה ללא עופרת:​

החומרים הבאים פותחו בתגובה לחששות מפני חשיפה סביבתית מזיקה לעופרת.

• נתרן אשלגן אשלגן (NaKNb). לחומר זה תכונות דומות ל- PZT.
• פריט ביסמוט (BiFeO₃)
• נתרן ניובט (NaNbO₃)

​חומרים פיזואלקטריים ביולוגיים:​

• גִיד
• עץ
• משי
• אֵימָל
• דנטין
• קולגן

​פולימרים פיזואלקטריים:פייזומופולימרים הם קלים ומשקלם קטן, ובכך גוברים הפופולריות שלהם ליישום טכנולוגי.

פלואוריד פוליווינידידן (PVDF) מדגים פיזואלקטריות הגדולה פי כמה מקוורץ. זה משמש לעתים קרובות בתחום הרפואי כגון תפירה רפואית וטקסטיל רפואי.

חומרים פיזואלקטריים משמשים במספר תעשיות, כולל:

• ייצור
• מכשירים רפואיים
• טלקומוניקציה
• רכב
• טכנולוגיית מידע (IT)

​מקורות חשמל במתח גבוה:​

• מצתים סיגריות חשמליים. כאשר אתה לוחץ על הכפתור על המצית, הכפתור גורם לפטיש קפיצי קטן לפגוע ב- גביש פיזואלקטרי, המייצר זרם מתח גבוה שזורם על פני פער כדי לחמם ולהצית את גַז.
• גרילי גז או כיריים ומבערי גז. אלה פועלים באופן דומה למצית, אך בקנה מידה גדול יותר.
• שנאי פיזואלקטרי. זה משמש כמכפיל מתח AC במנורות פלואורסצנטיות קתודות קרות.

מתמרים אולטרסאונד משמשים להדמיה רפואית שגרתית. אמַתמֵרהוא מכשיר פיזואלקטרי הפועל גם כחיישן וגם כמפעיל.מתמרים אולטרסאונדמכילים אלמנט פיזואלקטרי הממיר אות חשמלי לרטט מכני (שידור מצב או רכיב מפעיל) ורטט מכני לאות חשמלי (מצב קבלה או חיישן רְכִיב).

את האלמנט הפיזואלקטרי בדרך כלל חותכים ל- 1/2 מאורך הגל הרצוי של מתמר האולטראסאונד.

סוגים אחרים של חיישנים פיזואלקטריים כוללים:

• מיקרופונים פיזואלקטריים.
• טנדרים פיזואלקטריים לגיטרות אקוסטיות-חשמליות.
• גלי סונאר. גלי הקול נוצרים ומרגישים על ידי היסוד הפיזואלקטרי.
• רפידות תוף אלקטרוניות. האלמנטים מזהים את ההשפעה של מקלות המתופפים על הרפידות.
• תאוצה רפואית. זה משמש כאשר אדם נמצא בהרדמה וניתנו לו הרפיית שרירים. היסוד הפיזואלקטרי באקסלומוגרף מגלה כוח המיוצר בשריר לאחר גירוי עצבי.

אחד השירותים הגדולים של מפעילים פיזואלקטריים הוא שמתחי שדה חשמליים גבוהים תואמים שינויים זעירים ומיקרומטר ברוחב הקריסטל הפיזואלקטרי. מרחקים מיקרו אלה הופכים גבישים פיזואלקטריים שימושיים כמפעילים כאשר יש צורך במיקום זעיר ומדויק של עצמים, כמו למשל במכשירים הבאים:

• רמקולים
• מנועים פיזואלקטריים
• אלקטרוניקה בלייזר
• מדפסות הזרקת דיו (גבישים מניעים את פליטת הדיו מראש ההדפסה לנייר)
• מנוע דיזל
• תריסי רנטגן

חומרים חכמים הם סוג רחב של חומרים שאת תכונותיהם ניתן לשנות בשיטה מבוקרת על ידי גירוי חיצוני כגון pH, טמפרטורה, כימיקלים, שדה מגנטי או חשמלי מיושם, או לחץ.חומרים חכמים נקראים גם חומרים פונקציונליים חכמים.​

חומרים פיזואלקטריים מתאימים להגדרה זו מכיוון שמתח יישומי מייצר מתח ב- a חומר פיזואלקטרי, ולהפך, הפעלת לחץ חיצוני מייצרת גם חשמל החומר.

חומרים חכמים נוספים כוללים סגסוגות זיכרון צורות, חומרים הלוכרומיים, חומרים מגנטוקלוריים, פולימרים המגיבים לטמפרטורה, חומרים פוטו-וולטאיים ועוד רבים ורבים.