რა არის პიეზოელექტრული მასალები?

თუ თქვენ ოდესმე იყენებდით სიგარეტის სანთებელს, ექიმის კაბინეტში გქონდათ სამედიცინო ექოსკოპია ან ჩართავდით გაზზე მომუშავე სანთებელა, თქვენ გამოიყენეთ პიეზოელექტროენერგია.

​პიეზოელექტრული მასალები არის მასალები, რომლებსაც აქვთ შესაძლებლობა წარმოქმნან შიდა ელექტრული მუხტი გამოყენებული მექანიკური სტრესისგან.Ტერმინიპიეზოარის ბერძნული "ბიძგი".

ბუნებაში არსებული რამდენიმე ბუნებრივი ნივთიერება ახდენს პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირებას. Ესენი მოიცავს:

• ძვალი
• კრისტალები
• გარკვეული კერამიკა
• დნმ
• მინანქარი
• აბრეშუმი
• დენტინი და მრავალი სხვა.

მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრულ ეფექტს, ასევე ავლენენ შებრუნებული პიეზოელექტრული ეფექტის (ასევე მოუწოდებენ უკუ ან უკუპროპესიულ პიზეოელექტრულ ეფექტს).შებრუნებული პიეზოელექტრული ეფექტიარის მექანიკური დაძაბულობის შიდა წარმოება გამოყენებული ელექტრული ველის საპასუხოდ.

კრისტალები იყო პირველი მასალა, რომელსაც იყენებდნენ პიეზოელექტროენერგიის ადრეული ექსპერიმენტების დროს. ძმებმა კიურიმ, პიერმა და ჟაკმა, პირველად დაადასტურეს პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტი 1880 წელს. ძმებმა გააუმჯობესეს ცოდნა კრისტალური სტრუქტურებისა და პიროელექტრული მასალების შესახებ (მასალები, რომლებიც წარმოქმნიან ელექტრო მუხტს ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ).

მათ გაზომეს შემდეგი სპეციფიკური კრისტალების ზედაპირული მუხტები:

• ლერწმის შაქარი
  
• ტურმალინი
• კვარცი
• ტოპაზი
• როშელის მარილი (ნატრიუმის კალიუმის ტარტრატი ტეტრაჰიდრატი)

კვარცისა და როშელის მარილმა აჩვენა ყველაზე მაღალი პიეზოელექტრული ეფექტები.

ამასთან, კიური ძმებმა არ იწინასწარმეტყველეს უკუგანვითარებული პიეზოელექტრული ეფექტი. შებრუნებული პიეზოელექტრული ეფექტი გაბრიელ ლიპმანმა მათემატიკურად გამოიტანა 1881 წელს. კურიემ შემდეგ დაადასტურა ეფექტი და უზრუნველყო პიეზოელექტრული კრისტალების ელექტრული, ელასტიური და მექანიკური დეფორმაციების შექცევადობის რაოდენობრივი მტკიცებულება.

1910 წლისთვის 20 ბუნებრივი ბროლის კლასი, რომელშიც ხდება პიეზოელექტრონულობა, მთლიანად განისაზღვრა და გამოქვეყნდა ვოლდემარ ვოიგტისLehrbuch Der Kristallphysik. მაგრამ იგი ფიზიკის ბუნდოვან და მაღალტექნიკურ სფეროდ რჩებოდა, ყოველგვარი თვალსაჩინო ტექნოლოგიური და კომერციული პროგრამების გარეშე.

​Პირველი მსოფლიო ომი:პიეზოელექტრული მასალის პირველი ტექნოლოგიური გამოყენება იყო პირველი მსოფლიო ომის დროს შექმნილი ულტრაბგერითი წყალქვეშა დეტექტორი. დეტექტორის ფირფიტა დამზადებულია გადამცემისგან (მოწყობილობა, რომელიც ერთი ტიპის ენერგიიდან მეორეში გარდაიქმნება) და დეტექტორის ტიპისა, რომელსაც ჰიდროფონი ეწოდება. გამტარებელი დამზადებულია კვარცის თხელი კრისტალებისგან, რომლებიც გაერთიანებულია ორ ფოლადის ფირფიტას შორის.

ულტრაბგერითი წყალქვეშა დეტექტორის საოცარმა წარმატებამ ომის დროს პიეზოელექტრული მოწყობილობების ინტენსიური ტექნოლოგიური განვითარება გამოიწვია. პირველი მსოფლიო ომის შემდეგ, პიეზოელექტრული კერამიკა გამოიყენებოდა ფონოგრამების ვაზნებში.

​Მეორე მსოფლიო ომი:მეორე მსოფლიო ომის დროს პიეზოელექტრული მასალების გამოყენება მნიშვნელოვნად დაწინაურდა იაპონიის, სსრკ-ს და შეერთებული შტატების დამოუკიდებელი გამოკვლევების შედეგად.

კერძოდ, მიღწევები კრისტალის სტრუქტურასა და ელექტრომექანიკურმა აქტივობამ კვლევის სხვა განვითარებებთან ერთად მიდგომა შეიტანა პიეზოელექტრული მიმართულებისკენ მთლიანად ტექნოლოგია. პირველად ინჟინრებმა შეძლეს პიეზოელექტრული მასალებით მანიპულირება კონკრეტული მოწყობილობის გამოყენებისათვის, ვიდრე მასალების თვისებებზე დაკვირვება და შემდეგ დაკვირვებული შესაფერისი პროგრამების ძებნა თვისებები.

ამ განვითარებამ შექმნა პიეზოელექტრული მასალების მრავალი პროგრამა, როგორიცაა სუპერმგრძნობიარე მიკროფონები, მძლავრი სონარის მოწყობილობები, სონობუოები (მცირე წყალსადენები ჰიდროფონის მოსმენისა და რადიომაუწყებლობის საშუალებით ოკეანეების გემების მოძრაობის მონიტორინგისთვის) და პიეზო ანთების სისტემები ერთი ცილინდრისთვის ანთებები.

როგორც ზემოთ აღვნიშნეთ, პიეზოელექტროენერგია არის ნივთიერების თვისება ელექტროენერგიის წარმოსაქმნელად, თუ მასზე აქვს ისეთი სტრესი, როგორიცაა შეკუმშვა, მოხრა ან დახვევა.

სტრესის ქვეშ მოხვედრისას პიეზოელექტრული კრისტალი წარმოქმნის პოლარიზაციას,პ, სტრესის პროპორციული, რამაც გამოიწვია იგი.

პიეზოელექტროენერგიის მთავარი განტოლებაა​

სადდარის პიეზოელექტრული კოეფიციენტი, ფაქტორი, რომელიც უნიკალურია თითოეული ტიპის პიეზოელექტრული მასალისთვის. კვარცის პიეზოელექტრული კოეფიციენტია 3 × 10^-12. პიეზოელექტრული კოეფიციენტი ტყვიის ცირკონატის ტიტანატისთვის (PZT) არის 3 × 10^-10.

იონების მცირე გადაადგილება კრისტალურ ქსელში ქმნის პოლარიზაციას, რომელიც შეიმჩნევა პიეზოელექტრონიკაში. ეს მხოლოდ კრისტალებში ხდება, რომლებსაც სიმეტრიის ცენტრი არ აქვთ.

ქვემოთ მოცემულია პიეზოელექტრული კრისტალების არა ყოვლისმომცველი ჩამონათვალი, მათი გამოყენების ზოგიერთი მოკლე აღწერილობით. მოგვიანებით ჩვენ განვიხილავთ ყველაზე ხშირად გამოყენებული პიეზოელექტრული მასალების რამდენიმე სპეციფიკურ გამოყენებას.

​ბუნებრივი კრისტალები:​

• კვარცი. სტაბილური კრისტალი, რომელიც გამოიყენება საათის კრისტალებში და სიხშირეზე მითითების კრისტალებში რადიო გადამცემებისთვის.
• საქაროზა (სუფრის შაქარი)
• როშელის მარილი. აწარმოებს დიდ ძაბვას შეკუმშვით; ადრეულ ბროლის მიკროფონებში გამოიყენება.
• ტოპაზი
• ტურმალინი
• ბერლინიტი (AlPO)₄). იშვიათი ფოსფატის მინერალური სტრუქტურა, კვარცის იდენტურია.

​ხელოვნური კრისტალები:​

• გალიუმის ორთოფოსფატი (GaPO)₄), კვარცის ანალოგი.
• ლანგასიტი (ლა₃გა₅SiO₁₄), კვარცის ანალოგი.

​პიეზოელექტრული კერამიკა:​

• ბარიუმის ტიტანიტი (BaTiO)₃). აღმოჩენილია პირველი პიეზოელექტრული კერამიკა.
• ტყვიის ტიტანიტი (PbTiO)₃)
• ტყვიის ცირკონატის ტიტანიტი (PZT). ამჟამად ყველაზე ხშირად გამოიყენება პიეზოელექტრული კერამიკა.
• კალიუმის ნიობატი (KNbO)₃)
• ლითიუმის ნიობატი (LiNbO)₃)
• ლითიუმის ტანტალატი (LiTaO)₃)
• ნატრიუმის ვოლფრამი (Na₂WO₄)

​ტყვიისგან თავისუფალი პიოზეკერამიკა:​

შემდეგი მასალები შემუშავდა ტყვიის მავნე ზემოქმედების შესახებ შეშფოთების საპასუხოდ.

• ნატრიუმის კალიუმის ნიობატი (NaKNb). ამ მასალს აქვს PZT– ს მსგავსი თვისებები.
• ბისმუტის ფერიტი (BiFeO)₃)
• ნატრიუმის ნიობატი (NaNbO)₃)

​ბიოლოგიური პიეზოელექტრული მასალები:​

• ტენდონი
• Ტყე
• აბრეშუმი
• მინანქარი
• დენტინი
• კოლაგენი

​პიეზოელექტრული პოლიმერები:პიეზოპოლიმერები არის მსუბუქი და მცირე ზომის, ამით იზრდება პოპულარობა ტექნოლოგიური გამოყენებისათვის.

პოლივინილიდინის ფტორი (PVDF) აჩვენებს პიეზოელექტრონულობას, რომელიც რამდენჯერმე აღემატება კვარცს. იგი ხშირად გამოიყენება სამედიცინო სფეროში, როგორიცაა სამედიცინო ნაკერების და სამედიცინო ქსოვილების დროს.

პიეზოელექტრული მასალები გამოიყენება მრავალ ინდუსტრიაში, მათ შორის:

• წარმოება
• Სამედიცინო მოწყობილობები
• ტელეკომუნიკაციები
• ავტომობილები
• ინფორმაციული ტექნოლოგია (IT)

​მაღალი ძაბვის ენერგიის წყაროები:​

• ელექტრო სიგარეტის ასანთები. სანთებელის ღილაკზე დაჭერისას, ღილაკი იწვევს პატარა ზამბარით დატვირთულ ჩაქუჩს ა პიეზოელექტრული კრისტალი, წარმოქმნის მაღალი ძაბვის დენას, რომელიც მიედინება უფსკრულით, რომ გახურდეს და აალდეს გაზი
• გაზქურები ან ღუმელები და გაზქურები. ეს მუშაობს ასანთის ანალოგიურად, მაგრამ უფრო ფართო მასშტაბით.
• პიეზოელექტრული ტრანსფორმატორი. ეს გამოიყენება როგორც AC ძაბვის გამრავლება ცივ კათოდურ ფლუორესცენტულ ნათურებში.

ულტრაბგერითი გადამყვანები გამოიყენება რუტინული სამედიცინო გამოსახულების დროს. აგადამყვანიარის პიეზოელექტრული მოწყობილობა, რომელიც მოქმედებს როგორც სენსორი, ასევე მამოძრავებელი.ულტრაბგერითი გადამყვანებიშეიცავს პიეზოელექტრულ ელემენტს, რომელიც გარდაქმნის ელექტრულ სიგნალს მექანიკურ ვიბრაციაში (გადაცემა) რეჟიმი ან ამოქმედების კომპონენტი) და მექანიკური ვიბრაცია ელექტრულ სიგნალად (მიიღეთ რეჟიმი ან სენსორი) კომპონენტი).

პიეზოელექტრული ელემენტი ჩვეულებრივ იჭრება ულტრაბგერითი გადამცემის სასურველი ტალღის სიგრძის 1/2-მდე.

პიეზოელექტრული სენსორების სხვა ტიპები მოიცავს:

• პიეზოელექტრული მიკროფონები.
• პიეზოელექტრული პიკაპები აკუსტიკურ-ელექტრო გიტარისთვის.
• სონარის ტალღები. ბგერითი ტალღები წარმოიქმნება და იგრძნობა პიეზოელექტრული ელემენტის მიერ.
• ელექტრონული დრამის ბალიშები. ელემენტები აფიქსირებენ დრამერების ჩხირების გავლენას ბალიშებზე.
• სამედიცინო აქსელერომიოგრაფია. ეს გამოიყენება მაშინ, როდესაც ადამიანი ანესთეზიის ქვეშ იმყოფება და მას კუნთების რელაქსანტები აქვთ მიღებული. აქსელერომიოგრაფიაში პიეზოელექტრული ელემენტი აფიქსირებს კუნთში წარმოქმნილ ძალას ნერვის სტიმულაციის შემდეგ.

პიეზოელექტრული მამოძრავებლის ერთ-ერთი საუკეთესო პროგრამაა ის, რომ მაღალი ელექტრული ძაბვა შეესაბამება პიეზოელექტრული ბროლის სიგანეზე მიკრომეტრის მცირე ცვლილებებს. ეს მიკრო დისტანციები პიეზოელექტრულ კრისტალებს მამოძრავებლად აყენებს, როდესაც საჭიროა პატარა, ზუსტი განლაგების ობიექტი, მაგალითად შემდეგ მოწყობილობებში:

• დინამიკები
• პიეზოელექტრული ძრავები
• ლაზერული ელექტრონიკა
• ჭავლური პრინტერები (კრისტალები ამოძრავებენ მელნის გამოდევნას ბეჭდვითი თავიდან ქაღალდზე)
• დიზელის ძრავები
• რენტგენის საკეტებით

ჭკვიანი მასალები არის ფართო კლასის მასალები, რომელთა თვისებების შეცვლა შესაძლებელია კონტროლირებადი მეთოდით გარე სტიმული, როგორიცაა pH, ტემპერატურა, ქიმიკატები, გამოყენებული მაგნიტური ან ელექტრული ველი, ან სტრესი.ჭკვიან მასალებს ინტელექტუალურ ფუნქციურ მასალებსაც უწოდებენ.​

პიეზოელექტრული მასალები შეესაბამება ამ განმარტებას, რადგან გამოყენებული ძაბვა წარმოქმნის სტრესს ა პიეზოელექტრული მასალა და პირიქით, გარე სტრესის გამოყენება ასევე წარმოქმნის ელექტროენერგიას მასალა.

დამატებითი ჭკვიანი მასალები მოიცავს ფორმის მეხსიერების შენადნობებს, ჰალოქრომულ მასალებს, მაგნიტოკალორიულ მასალებს, ტემპერატურაზე რეაგირებულ პოლიმერებს, ფოტოელექტრო მასალებს და მრავალი სხვა.