Kas yra pjezoelektrinės medžiagos?

Jei kada nors naudojatės cigarečių žiebtuvėliu, patyrėte medicinos ultragarsą gydytojo kabinete ar įjungėte dujų degiklį, naudojote pjezoelektrą.

​Pjezoelektrinės medžiagos yra medžiagos, turinčios galimybę sukurti vidinį elektros krūvį iš taikomo mechaninio įtempio.Terminaspjezoyra graikų kalba „stumti“.

Kelios natūraliai gamtoje esančios medžiagos demonstruoja pjezoelektrinį poveikį. Jie apima:

• Kaulas
• Kristalai
• Tam tikra keramika
• DNR
• Emalis
• Šilkas
• Dentinas ir daug daugiau.

Medžiagos, turinčios pjezoelektrinį efektą, taip pat demonstruoja atvirkštinį pjezoelektrinį efektą (dar vadinamą atvirkštiniu arba atvirkštiniu pjezoelektriniu efektu).atvirkštinis pjezoelektrinis efektasyra vidinė mechaninio įtempio generacija, reaguojant į taikomą elektrinį lauką.

Kristalai buvo pirmoji medžiaga, naudojama ankstyvuose eksperimentuose su pjezoelektrine. Broliai Curie, Pierre'as ir Jacques'as, tiesioginį pjezoelektrinį efektą pirmą kartą įrodė 1880 m. Broliai įgijo daugiau žinių apie kristalines struktūras ir piroelektrines medžiagas (medžiagas, kurios sukuria elektrinį krūvį reaguodamos į temperatūros pokyčius).

Jie matavo šių specifinių kristalų paviršiaus krūvius:

• Cukranendrių cukrus
  
• Turmalinas
• Kvarcas
• Topazas
• Rošelės druska (natrio kalio tartrato tetrahidratas)

Didžiausią pjezoelektrinį poveikį parodė kvarco ir Rochelle druska.

Tačiau broliai Curie nenumatė atvirkštinio pjezoelektrinio efekto. Atvirkštinį pjezoelektrinį efektą matematiškai padarė Gabrielis Lippmannas 1881 m. Tada Curies patvirtino efektą ir pateikė kiekybinį elektrinių, elastinių ir mechaninių deformacijų grįžtamumo įrodymą pjezoelektriniuose kristaluose.

Iki 1910 m. 20 natūralių kristalų klasių, kuriose vyksta pjezoelektriniai elementai, buvo visiškai apibrėžtos ir paskelbtos Woldemaro VoigtoLehrbuch Der Kristallphysik. Bet tai liko neaiški ir labai techniška nišos fizikos sritis be jokių matomų technologinių ar komercinių pritaikymų.

​Pirmasis Pasaulinis Karas:Pirmasis technologinis pjezoelektrinės medžiagos panaudojimas buvo ultragarso povandeninių laivų detektorius, sukurtas per I pasaulinį karą. Detektoriaus plokštė buvo pagaminta iš daviklio (prietaiso, kuris transformuojasi iš vienos energijos rūšies į kitą) ir detektoriaus tipo, vadinamo hidrofonu. Daviklis buvo pagamintas iš plonų kvarcinių kristalų, įklijuotų tarp dviejų plieninių plokščių.

Didžiulė ultragarso povandeninių detektorių sėkmė karo metu paskatino intensyvią pjezoelektrinių įrenginių technologinę plėtrą. Po I pasaulinio karo fonografų kasetėse buvo naudojama pjezoelektrinė keramika.

​Antrasis Pasaulinis Karas:Dėl nepriklausomų Japonijos, SSRS ir Jungtinių Valstijų tyrimų pjezoelektrinių medžiagų taikymas per Antrąjį pasaulinį karą gerokai pasistūmėjo į priekį.

Visų pirma pažanga suprantant santykį tarp kristalų struktūros ir elektromechaninė veikla kartu su kitomis tyrimų raidomis pakeitė požiūrį į pjezoelektrinį technologijos. Pirmą kartą inžinieriai galėjo manipuliuoti pjezoelektrinėmis medžiagomis tam tikram prietaisui, užuot stebėjęs medžiagų savybes ir ieškodamas tinkamų pastebėtų pritaikymų savybės.

Ši plėtra sukūrė daug su karu susijusių pjezoelektrinių medžiagų, tokių kaip ypač jautrūs mikrofonai, galingi sonaro įtaisai, sonarai (maži plūdurai su hidrofonų klausymo ir radijo perdavimo galimybėmis vandenyno laivų judėjimui stebėti) ir vieno cilindro pjezo uždegimo sistemos uždegimai.

Kaip minėta pirmiau, pjezoelektrika yra medžiagos savybė gaminti elektrą, jei jai taikomas toks įtempimas kaip suspaudimas, lenkimas ar sukimas.

Įtemptas pjezoelektrinis kristalas sukelia poliarizaciją,P, proporcingas jį sukėlusiam stresui.

pagrindinė pjezoelektrinio lygtis yra​

kurdyra pjezoelektrinis koeficientas, koeficientas, būdingas kiekvienam pjezoelektrinės medžiagos tipui. Kvarco pjezoelektrinis koeficientas yra 3 × 10^-12. Švino cirkonato titanato (PZT) pjezoelektrinis koeficientas yra 3 × 10^-10.

Maži jonų poslinkiai kristalinėje gardelėje sukuria pjezoelektrinėje stebimą poliarizaciją. Tai atsitinka tik kristaluose, neturinčiuose simetrijos centro.

Toliau pateikiamas neišsamus pjezoelektrinių kristalų sąrašas su trumpais jų naudojimo aprašymais. Vėliau aptarsime keletą konkrečių dažniausiai naudojamų pjezoelektrinių medžiagų pritaikymo būdų.

​Natūraliai randami kristalai:​

• Kvarcas. Stabilus kristalas, naudojamas laikrodžio kristaluose ir radijo siųstuvų dažnio etaloniniuose kristaluose.
• Sacharozė (stalo cukrus)
• Rochelle druska. Sukuria didelę įtampą su suspaudimu; naudojamas ankstyvųjų kristalų mikrofonuose.
• Topazas
• Turmalinas
• Berlynas (AlPO₄). Retas fosfato mineralas, struktūriškai identiškas kvarcui.

​Žmogaus sukurti kristalai:​

• Galio ortofosfatas (GaPO₄), kvarco analogas.
• Langazitas (La₃Ga₅SiO₁₄), kvarco analogas.

​Pjezoelektrinė keramika:​

• Bario titanatas (BaTiO₃). Pirmoji atrasta pjezoelektrinė keramika.
• Švino titanatas (PbTiO₃)
• Švino cirkonato titanatas (PZT). Šiuo metu dažniausiai naudojama pjezoelektrinė keramika.
• Kalio niobatas (KNbO₃)
• Ličio niobatas (LiNbO₃)
• Ličio tantalatas (LiTaO₃)
• Natrio volframatas (Na₂WO₄)

​Be švino pjezokeramika:​

Šios medžiagos buvo sukurtos reaguojant į susirūpinimą dėl žalingo švino poveikio aplinkai.

• Natrio kalio niobatas (NaKNb). Šios medžiagos savybės panašios į PZT.
• Bismuto feritas (BiFeO₃)
• Natrio niobatas (NaNbO₃)

​Biologinės pjezoelektrinės medžiagos:​

• Sausgyslė
• Mediena
• Šilkas
• Emalis
• Dentinas
• Kolagenas

​Pjezoelektriniai polimerai:Pjezopolimerai yra lengvi ir nedideli, todėl populiarėja technologiškai.

Polivinilideno fluoras (PVDF) demonstruoja pjezoelektrą, kuris yra kelis kartus didesnis už kvarcą. Jis dažnai naudojamas medicinos srityje, tokiose kaip medicinos siuvimas ir medicininė tekstilė.

Pjezoelektrinės medžiagos naudojamos įvairiose pramonės šakose, įskaitant:

• Gamyba
• Medicininiai prietaisai
• Telekomunikacijos
• Automobiliai
• Informacinės technologijos (IT)

​Aukštos įtampos maitinimo šaltiniai:​

• Elektriniai žiebtuvėliai. Kai paspausite žiebtuvėlio mygtuką, mygtukas palies mažą spyruoklinį plaktuką pjezoelektriniai kristalai, gaminantys aukštos įtampos srovę, kuri teka per tarpą, kad šildytų ir uždegtų dujos.
• Dujinės grotelės arba krosnys ir dujų degikliai. Šie veikia panašiai kaip žiebtuvėliai, tačiau didesniu mastu.
• Pjezoelektrinis transformatorius. Tai naudojama kaip kintamosios srovės įtampos daugiklis šaltojo katodo liuminescencinėse lempose.

Ultragarso keitikliai naudojami įprastiniame medicininiame vaizde. Adaviklisyra pjezoelektrinis įtaisas, kuris veikia ir kaip jutiklis, ir kaip pavara.Ultragarso keitikliaiyra pjezoelektrinis elementas, paverčiantis elektrinį signalą į mechaninę vibraciją (perduoti režimas arba pavaros komponentas) ir mechaninė vibracija į elektrinį signalą (priėmimo režimas arba jutiklis komponentas).

Pjezoelektrinis elementas paprastai supjaustomas iki 1/2 norimo ultragarso keitiklio bangos ilgio.

Kiti pjezoelektrinių jutiklių tipai:

• Pjezoelektriniai mikrofonai.
• Pjezoelektriniai akustinių-elektrinių gitarų pikapai.
• Sonaras banguoja. Garso bangas generuoja ir junta pjezoelektrinis elementas.
• Elektroniniai būgnų pagalvėlės. Elementai nustato būgnininkų lazdų poveikį trinkelėms.
• Medicininė akseleromografija. Tai naudojama, kai žmogui taikoma narkozė ir jam buvo paskirti raumenis atpalaiduojantys vaistai. Akseleromiografo pjezoelektrinis elementas nustato nervo stimuliacijos metu raumenyje atsirandančią jėgą.

Vienas iš puikių pjezoelektrinių pavarų įrankių yra tas, kad aukšta elektrinio lauko įtampa atitinka mažus, mikrometrinius pjezoelektrinių kristalų pločio pokyčius. Dėl šių mikro atstumų pjezoelektriniai kristalai yra naudingi kaip pavaros, kai reikalingas nedidelis ir tikslus objektų išdėstymas, pavyzdžiui, šiuose įtaisuose:

• Garsiakalbiai
• Pjezoelektriniai varikliai
• Lazerio elektronika
• Rašaliniai spausdintuvai (kristalai išstumia rašalą iš spausdinimo galvutės į popierių)
• Dyzeliniai varikliai
• Rentgeno langinės

Išmaniosios medžiagos yra plati medžiagų klasė, kurios savybes galima pakeisti kontroliuojamu būdu išorinis dirgiklis, pvz., pH, temperatūra, chemikalai, pritaikytas magnetinis ar elektrinis laukas arba stresas.Išmaniosios medžiagos dar vadinamos intelektualiomis funkcinėmis medžiagomis.​

Pjezoelektrinės medžiagos atitinka šį apibrėžimą, nes pritaikyta įtampa sukelia įtampą a pjezoelektrinė medžiaga, ir atvirkščiai, naudojant išorinį įtempį, gaminama ir elektra medžiaga.

Tarp papildomų išmaniųjų medžiagų yra formos atminties lydiniai, halochrominės medžiagos, magnetokalorinės medžiagos, į temperatūrą reaguojantys polimerai, fotoelektrinės medžiagos ir daugelis kitų.