Ce sunt materialele piezoelectrice?

Dacă ați folosit vreodată o brichetă, ați experimentat o ecografie medicală în cabinetul unui medic sau ați pornit un arzător cu gaz, ați folosit piezoelectricitatea.

​Materialele piezoelectrice sunt materiale care au capacitatea de a genera sarcină electrică internă din solicitările mecanice aplicate.Termenulpiezoeste în greacă pentru „împinge”.

Mai multe substanțe naturale, în natură, demonstrează efectul piezoelectric. Acestea includ:

• Os
• Cristale
• Anumite ceramice
• ADN
• Smalț
• Mătase
• Dentină și multe altele.

Materialele care prezintă efectul piezoelectric demonstrează, de asemenea, efectul piezoelectric invers (numit și efect piezoelectric invers sau invers).efect piezoelectric inverseste generarea internă a tensiunii mecanice ca răspuns la un câmp electric aplicat.

Cristalele au fost primul material utilizat în experimentarea timpurie cu piezoelectricitate. Frații Curie, Pierre și Jacques, au dovedit pentru prima dată efectul piezoelectric direct în 1880. Frații și-au extins cunoștințele de lucru despre structurile cristaline și materialele piroelectrice (materiale care generează o sarcină electrică ca răspuns la o schimbare de temperatură).

Au măsurat încărcăturile de suprafață ale următoarelor cristale specifice:

• Trestie de zahăr
  
• Turmalină
• Cuarţ
• Topaz
• Sare Rochelle (tartrat de sodiu potasiu tetrahidrat)

Sarea de cuarț și Rochelle a demonstrat cele mai mari efecte piezoelectrice.

Cu toate acestea, frații Curie nu au prezis efectul piezoelectric invers. Efectul piezoelectric invers a fost dedus matematic de Gabriel Lippmann în 1881. Curie a confirmat apoi efectul și a furnizat dovezi cantitative ale reversibilității deformărilor electrice, elastice și mecanice în cristalele piezoelectrice.

Până în 1910, cele 20 de clase de cristale naturale în care apare piezoelectricitatea erau complet definite și publicate în Woldemar Voigt’sLehrbuch Der Kristallphysik. Dar a rămas o zonă de nișă obscură și extrem de tehnică a fizicii, fără aplicații tehnologice sau comerciale vizibile.

​Primul Război Mondial:Prima aplicație tehnologică a unui material piezoelectric a fost detectorul submarin cu ultrasunete creat în timpul Primului Război Mondial. Placa detector a fost realizată dintr-un traductor (un dispozitiv care se transformă dintr-un tip de energie în altul) și un tip de detector numit hidrofon. Traductorul a fost realizat din cristale subțiri de cuarț lipite între două plăci de oțel.

Succesul răsunător al detectorului cu ultrasunete submarin din timpul războiului a stimulat dezvoltarea tehnologică intensă a dispozitivelor piezoelectrice. După primul război mondial, ceramica piezoelectrică a fost folosită în cartușele fonografelor.

​Al doilea război mondial:Aplicațiile materialelor piezoelectrice au avansat semnificativ în timpul celui de-al doilea război mondial datorită cercetărilor independente efectuate de Japonia, URSS și Statele Unite.

În special, progresele în înțelegerea relației dintre structura cristalină și activitatea electromecanică, împreună cu alte evoluții în cercetare, au schimbat abordarea către piezoelectric tehnologie în întregime. Pentru prima dată, inginerii au reușit să manipuleze materiale piezoelectrice pentru o anumită aplicație de dispozitiv, mai degrabă decât să observe proprietățile materialelor și apoi să caute aplicații adecvate ale celor observate proprietăți.

Această dezvoltare a creat multe aplicații legate de război ale materialelor piezoelectrice, cum ar fi microfoane super-sensibile, dispozitive sonare puternice, sonoboye (mici geamanduri cu ascultare hidrofonă și capacități de transmisie radio pentru monitorizarea mișcării navelor oceanice) și sisteme de aprindere piezo pentru monocilindru aprinderi.

După cum s-a menționat mai sus, piezoelectricitatea este proprietatea unei substanțe de a genera electricitate dacă i se aplică o solicitare, cum ar fi stoarcere, îndoire sau răsucire.

Când este pus sub tensiune, cristalul piezoelectric produce o polarizare,P, proporțional cu stresul care l-a produs.

ecuația principală a piezoelectricității este​

Undedeste coeficientul piezoelectric, un factor unic pentru fiecare tip de material piezoelectric. Coeficientul piezoelectric pentru cuarț este de 3 × 10^-12. Coeficientul piezoelectric pentru titanatul de zirconat de plumb (PZT) este de 3 × 10^-10.

Micile deplasări ale ionilor din rețeaua cristalină creează polarizarea observată în piezoelectricitate. Acest lucru se întâmplă numai în cristalele care nu au un centru de simetrie.

Următoarea este o listă non-cuprinzătoare de cristale piezoelectrice cu câteva scurte descrieri ale utilizării lor. Vom discuta câteva aplicații specifice ale celor mai frecvent utilizate materiale piezoelectrice mai târziu.

​Cristale naturale:​

• Cuarţ. Un cristal stabil utilizat în cristale de ceas și cristale de referință de frecvență pentru emițătoare radio.
• Zaharoză (zahăr de masă)
• Sare Rochelle. Produce o tensiune mare cu compresie; utilizat în microfoanele cu cristale timpurii.
• Topaz
• Turmalină
• Berlinită (AlPO₄). Un mineral fosfat rar structural identic cu cuarțului.

​Cristale artificiale:​

• Ortofosfat de galiu (GaPO₄), un analog de cuarț.
• Langasite (La₃Ga₅SiO₁₄), un analog de cuarț.

​Ceramica piezoelectrică:​

• Titanat de bariu (BaTiO₃). Prima ceramică piezoelectrică descoperită.
• Titanat de plumb (PbTiO₃)
• Titanat de zirconat de plumb (PZT). În prezent, cea mai frecvent utilizată ceramică piezoelectrică.
• Niobatul de potasiu (KNbO₃)
• Niobat de litiu (LiNbO₃)
• Tantalatul de litiu (LiTaO₃)
• Tungstatul de sodiu (Na₂WO₄)

​Piezoceramice fără plumb:​

Următoarele materiale au fost elaborate ca răspuns la îngrijorările cu privire la expunerea nocivă la plumb a mediului.

• Niobat de sodiu și potasiu (NaKNb). Acest material are proprietăți similare cu PZT.
• Ferita de bismut (BiFeO₃)
• Niobat de sodiu (NaNbO₃)

​Materiale piezoelectrice biologice:​

• Tendon
• Lemn
• Mătase
• Smalț
• Dentină
• Colagen

​Polimeri piezoelectrici:Piezopolimerii sunt ușori și de dimensiuni mici, crescând astfel în popularitate pentru aplicații tehnologice.

Fluorura de poliviniliden (PVDF) demonstrează piezoelectricitatea care este de câteva ori mai mare decât cuarțul. Este adesea folosit în domeniul medical, cum ar fi sutura medicală și textilele medicale.

Materialele piezoelectrice sunt utilizate în mai multe industrii, inclusiv:

• de fabricație
• Dispozitive medicale
• Telecomunicații
• Automobile
• Tehnologia informației (IT)

​Surse de energie de înaltă tensiune:​

• Brichete electrice. Când apăsați butonul de pe o brichetă, butonul face ca un ciocan mic cu arc să lovească un cristal piezoelectric, producând un curent de înaltă tensiune care curge peste un decalaj pentru a încălzi și a aprinde gaz.
• Grătare sau sobe cu gaz și arzătoare cu gaz. Acestea funcționează similar cu bricheta, dar la o scară mai mare.
• Transformator piezoelectric. Acesta este utilizat ca multiplicator de tensiune alternativă în lămpile fluorescente cu catod rece.

Traductoarele cu ultrasunete sunt utilizate în imagistica medicală de rutină. Atraductoreste un dispozitiv piezoelectric care acționează atât ca senzor, cât și ca actuator.Traductoare cu ultrasuneteconțin un element piezoelectric care transformă un semnal electric în vibrații mecanice (transmite modul sau componenta actuatorului) și vibrațiile mecanice în semnal electric (modul de recepție sau senzor componentă).

Elementul piezoelectric este de obicei tăiat la 1/2 din lungimea de undă dorită a traductorului cu ultrasunete.

Alte tipuri de senzori piezoelectrici includ:

• Microfoane piezoelectrice.
• Pickup-uri piezoelectrice pentru chitare acustico-electrice.
• Valuri sonare. Undele sonore sunt generate și detectate de elementul piezoelectric.
• Tampoane electronice pentru tobe. Elementele detectează impactul bețelor bateristilor asupra tampoanelor.
• Acceleromiografie medicală. Acesta este utilizat atunci când o persoană este sub anestezie și i s-au administrat relaxante musculare. Elementul piezoelectric din acceleromiograf detectează forța produsă într-un mușchi după stimularea nervului.

Unul dintre utilitățile mari ale actuatoarelor piezoelectrice este că tensiunile ridicate ale câmpului electric corespund unor mici modificări micrometrice ale lățimii cristalului piezoelectric. Aceste micro-distanțe fac ca cristalele piezoelectrice să fie utile ca actuatoare atunci când este necesară o poziționare mică și precisă a obiectelor, cum ar fi în următoarele dispozitive:

• Difuzoare
• Motoare piezoelectrice
• Electronică laser
• Imprimante cu jet de cerneală (cristalele conduc ejectarea cernelii de la capul de imprimare la hârtie)
• Motoare diesel
• Jaluzele cu raze X

Materialele inteligente sunt o clasă largă de materiale ale căror proprietăți pot fi modificate printr-o metodă controlată de un stimul extern, cum ar fi pH-ul, temperatura, substanțele chimice, un câmp magnetic sau electric aplicat sau stres.Materialele inteligente sunt numite și materiale funcționale inteligente.​

Materialele piezoelectrice se potrivesc acestei definiții deoarece o tensiune aplicată produce o tensiune într-un material piezoelectric și, dimpotrivă, aplicarea unei tensiuni externe produce, de asemenea, energie electrică materialul.

Materialele inteligente suplimentare includ aliaje cu memorie de formă, materiale halocromice, materiale magnetocalorice, polimeri sensibili la temperatură, materiale fotovoltaice și multe altele.