Έχουμε συγκεκριμένα υλικά που είναι κατάλληλα για εφαρμογές πιεζοηλεκτρισμού, αλλά πώς ακριβώς λειτουργεί η διαδικασία;Με το Πιεζοηλεκτρικό Φαινόμενο.Το πιο μοναδικό χαρακτηριστικό αυτού του εφέ είναι ότι λειτουργεί με δύο τρόπους.Μπορείτε να εφαρμόσετε μηχανική ενέργεια ή ηλεκτρική ενέργεια στο ίδιο πιεζοηλεκτρικό υλικό και να έχετε αντίθετο αποτέλεσμα.
Η εφαρμογή μηχανικής ενέργειας σε έναν κρύσταλλο ονομάζεται άμεσο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και λειτουργεί ως εξής:
-
Ένας πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος τοποθετείται ανάμεσα σε δύο μεταλλικές πλάκες.Σε αυτό το σημείο το υλικό βρίσκεται σε τέλεια ισορροπία και δεν μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα.
-
Στη συνέχεια, ασκείται μηχανική πίεση στο υλικό από τις μεταλλικές πλάκες, οι οποίες αναγκάζουν τα ηλεκτρικά φορτία μέσα στον κρύσταλλο να μην ισορροπούν.Υπερβολικά αρνητικά και θετικά φορτία εμφανίζονται στις αντίθετες πλευρές της κρυσταλλικής επιφάνειας.
-
Η μεταλλική πλάκα συλλέγει αυτά τα φορτία, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή τάσης και την αποστολή ηλεκτρικού ρεύματος μέσω ενός κυκλώματος.
-
Αυτό είναι, μια απλή εφαρμογή μηχανικής πίεσης, το στύψιμο ενός κρυστάλλου και ξαφνικά έχεις ηλεκτρικό ρεύμα.Μπορείτε επίσης να κάνετε το αντίθετο, εφαρμόζοντας ένα ηλεκτρικό σήμα σε ένα υλικό ως αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.Δουλεύει κάπως έτσι:
-
Στην ίδια κατάσταση με το παραπάνω παράδειγμα, έχουμε έναν πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο τοποθετημένο ανάμεσα σε δύο μεταλλικές πλάκες.Η δομή του κρυστάλλου βρίσκεται σε τέλεια ισορροπία.
-
Στη συνέχεια εφαρμόζεται ηλεκτρική ενέργεια στον κρύσταλλο, ο οποίος συρρικνώνεται και διευρύνει τη δομή του κρυστάλλου.
-
Καθώς η δομή του κρυστάλλου διαστέλλεται και συστέλλεται, μετατρέπει τη λαμβανόμενη ηλεκτρική ενέργεια και απελευθερώνει μηχανική ενέργεια με τη μορφή ηχητικού κύματος.
-
Το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο χρησιμοποιείται σε ποικίλες εφαρμογές.Πάρτε για παράδειγμα ένα ηχείο, το οποίο εφαρμόζει μια τάση σε ένα πιεζοηλεκτρικό κεραμικό, προκαλώντας το υλικό να δονείται τον αέρα ως ηχητικά κύματα.
Η ανακάλυψη του πιεζοηλεκτρισμού
Ο πιεζοηλεκτρισμός ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1880 από δύο αδέρφια και Γάλλους επιστήμονες, τον Ζακ και τον Πιερ Κιουρί.Ενώ πειραματίζονταν με μια ποικιλία κρυστάλλων, ανακάλυψαν ότι η εφαρμογή μηχανικής πίεσης σε συγκεκριμένους κρυστάλλους όπως ο χαλαζίας απελευθέρωσε ένα ηλεκτρικό φορτίο.Αυτό το ονόμασαν πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.
Τα επόμενα 30 χρόνια ο πιεζοηλεκτρισμός προορίζεται κυρίως για εργαστηριακά πειράματα και περαιτέρω βελτίωση.Μέχρι τον Πρώτο Παγκόσμιο Πόλεμο χρησιμοποιήθηκε ο πιεζοηλεκτρισμός για πρακτικές εφαρμογές στο σόναρ.Το σόναρ λειτουργεί συνδέοντας μια τάση σε έναν πιεζοηλεκτρικό πομπό.Αυτό είναι το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο σε δράση, το οποίο μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανικά ηχητικά κύματα.
Τα ηχητικά κύματα ταξιδεύουν μέσα στο νερό μέχρι να χτυπήσουν ένα αντικείμενο.Στη συνέχεια επιστρέφουν σε έναν δέκτη πηγής.Αυτός ο δέκτης χρησιμοποιεί το άμεσο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο για να μετατρέψει τα ηχητικά κύματα σε ηλεκτρική τάση, η οποία στη συνέχεια μπορεί να υποβληθεί σε επεξεργασία από μια συσκευή επεξεργασίας σήματος.Χρησιμοποιώντας το χρόνο μεταξύ της αποχώρησης του σήματος και της επιστροφής του, η απόσταση ενός αντικειμένου μπορεί εύκολα να υπολογιστεί υποβρύχια.
Με το σόναρ επιτυχία, ο πιεζοηλεκτρισμός κέρδισε τα πρόθυμα μάτια του στρατού.Ο Δεύτερος Παγκόσμιος Πόλεμος προώθησε την τεχνολογία ακόμη περισσότερο καθώς ερευνητές από τις Ηνωμένες Πολιτείες, τη Ρωσία και την Ιαπωνία εργάστηκαν για τη δημιουργία νέων τεχνητών πιεζοηλεκτρικών υλικών που ονομάζονται σιδηροηλεκτρικά.Αυτή η έρευνα οδήγησε σε δύο τεχνητά υλικά που χρησιμοποιούνται μαζί με φυσικό κρύσταλλο χαλαζία, τιτανικό βάριο και τιτανικό ζιρκονικό μόλυβδο.
Πιεζοηλεκτρισμός Σήμερα
Στον σημερινό κόσμο των ηλεκτρονικών, ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται παντού.Ζητώντας από την Google οδηγίες για ένα νέο εστιατόριο, χρησιμοποιείται πιεζοηλεκτρική ενέργεια στο μικρόφωνο.Υπάρχει ακόμη και ένα μετρό στο Τόκιο που χρησιμοποιεί τη δύναμη των ανθρώπινων βημάτων για να τροφοδοτήσει πιεζοηλεκτρικές δομές στο έδαφος.Θα βρείτε ότι ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται σε αυτές τις ηλεκτρονικές εφαρμογές:
Ενεργοποιητές
Οι ενεργοποιητές χρησιμοποιούν πιεζοηλεκτρικό ρεύμα για να τροφοδοτούν συσκευές όπως μηχανήματα πλεξίματος και μπράιγ, βιντεοκάμερες και smartphone.Σε αυτό το σύστημα, μια μεταλλική πλάκα και μια συσκευή ενεργοποιητή συνδυάζουν ένα πιεζοηλεκτρικό υλικό.Στη συνέχεια εφαρμόζεται τάση στο πιεζοηλεκτρικό υλικό, το οποίο το διαστέλλει και το συστέλλει.Αυτή η κίνηση προκαλεί την κίνηση και του ενεργοποιητή.
Ηχεία & Βομβητές
Τα ηχεία χρησιμοποιούν πιεζοηλεκτρικό ρεύμα για να τροφοδοτούν συσκευές όπως ξυπνητήρια και άλλες μικρές μηχανικές συσκευές που απαιτούν δυνατότητες ήχου υψηλής ποιότητας.Αυτά τα συστήματα εκμεταλλεύονται το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο μετατρέποντας ένα σήμα τάσης ήχου σε μηχανική ενέργεια ως ηχητικά κύματα.
Οδηγοί
Οι οδηγοί μετατρέπουν μια μπαταρία χαμηλής τάσης σε υψηλότερη τάση, η οποία στη συνέχεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση μιας πιεζοηλεκτρικής συσκευής.Αυτή η διαδικασία ενίσχυσης ξεκινά με έναν ταλαντωτή που εξάγει μικρότερα ημιτονοειδή κύματα.Αυτά τα ημιτονοειδή κύματα στη συνέχεια ενισχύονται με έναν πιεζοηλεκτρικό ενισχυτή.
Αισθητήρες
Οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται σε ποικίλες εφαρμογές όπως μικρόφωνα, ενισχυμένες κιθάρες και εξοπλισμό ιατρικής απεικόνισης.Ένα πιεζοηλεκτρικό μικρόφωνο χρησιμοποιείται σε αυτές τις συσκευές για την ανίχνευση διακυμάνσεων της πίεσης στα ηχητικά κύματα, τα οποία μπορούν στη συνέχεια να μετατραπούν σε ηλεκτρικό σήμα για επεξεργασία.
Εξουσία
Μία από τις απλούστερες εφαρμογές πιεζοηλεκτρισμού είναι ο ηλεκτρικός αναπτήρας τσιγάρων.Πατώντας το κουμπί του αναπτήρα απελευθερώνεται ένα σφυρί με ελατήριο σε έναν πιεζοηλεκτρικό κρύσταλλο.Αυτό παράγει ένα ηλεκτρικό ρεύμα που διασχίζει ένα διάκενο σπινθήρα για να θερμάνει και να αναφλέξει αέριο.Αυτό το ίδιο πιεζοηλεκτρικό σύστημα ισχύος χρησιμοποιείται σε μεγαλύτερους καυστήρες αερίου και σειρές φούρνων.
Κινητήρες
Οι πιεζοηλεκτρικοί κρύσταλλοι είναι τέλειοι για εφαρμογές που απαιτούν ακριβή ακρίβεια, όπως η κίνηση ενός κινητήρα.Σε αυτές τις συσκευές, το πιεζοηλεκτρικό υλικό λαμβάνει ένα ηλεκτρικό σήμα, το οποίο στη συνέχεια μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια για να αναγκάσει μια κεραμική πλάκα να κινηθεί.
Ο πιεζοηλεκτρισμός και το μέλλον
Τι επιφυλάσσει το μέλλον για την πιεζοηλεκτρική ενέργεια;Οι δυνατότητες είναι πολλές.Μια δημοφιλής ιδέα που κάνουν οι εφευρέτες είναι η χρήση πιεζοηλεκτρισμού για τη συλλογή ενέργειας.Φανταστείτε να έχετε στο smartphone σας πιεζοηλεκτρικές συσκευές που θα μπορούσαν να ενεργοποιηθούν από την απλή κίνηση του σώματός σας για να διατηρηθούν φορτισμένες.
Σκεφτόμενοι λίγο μεγαλύτεροι, θα μπορούσατε επίσης να ενσωματώσετε ένα πιεζοηλεκτρικό σύστημα κάτω από το πεζοδρόμιο του αυτοκινητόδρομου που μπορεί να ενεργοποιηθεί από τους τροχούς των ταξιδιωτικών αυτοκινήτων.Αυτή η ενέργεια θα μπορούσε στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί ελαφριά φώτα στάσης και άλλες κοντινές συσκευές.Συνδυάστε το με έναν δρόμο γεμάτο με ηλεκτρικά αυτοκίνητα και θα βρεθείτε σε κατάσταση καθαρής θετικής ενέργειας.
