 |
pobierz ten artykuł w .Format PDF Ten typ pliku zawiera grafikę i schematy w wysokiej rozdzielczości, jeśli dotyczy. |
piezoelektryczność została odkryta przez dwóch braci francuskich naukowców, Jacques' a i Pierre ' a Curie, w 1880 roku., Dowiedzieli się o piezoelektryczności po pierwszym zdaniu sobie sprawy, że ciśnienie przyłożone do kwarcu lub nawet niektórych kryształów tworzy ładunek elektryczny w tym pewnym materiale.1 później określili to dziwne i naukowe zjawisko jako efekt piezoelektryczny.
bracia Curie wkrótce odkryli odwrotny efekt piezoelektryczny. To było po sprawdzeniu, że gdy pole elektryczne zostało wymuszone na przewodach krystalicznych, doprowadziło to do deformacji lub zaburzenia do Kryształowego ołowiu-teraz zwanego odwrotnym efektem piezoelektrycznym.,
termin piezoelektryczność pochodzi od greckiego słowa piezo oznaczającego ściskanie lub prasowanie. Co ciekawe, elektryczny po grecku oznacza bursztyn. Bursztyn był również źródłem ładunku elektrycznego.2
wiele urządzeń elektronicznych wykorzystuje dziś piezoelektryczność. Na przykład, gdy używasz jakiegoś rodzaju oprogramowania do rozpoznawania głosu, a nawet Siri na smartfonie, mikrofon, do którego mówisz, prawdopodobnie korzysta z piezoelektryczności. Ten kryształ piezoelektryczny zamienia energię dźwiękową w twoim głosie i zmienia ją w sygnały elektryczne do komputera lub telefonu do interpretacji.,3 że wszystko staje się możliwe dzięki piezoelektryczności.
powstanie różnych bardziej zaawansowanych technologii można przypisać odkryciu piezoelektryczności. Na przykład, potężny sonar „sonobuoy” małe czułe Mikrofony i ceramiczny przetwornik dźwięku, były możliwe dzięki piezoelektryczności. Obecnie obserwujemy rozwój coraz większej liczby materiałów i urządzeń piezoelektrycznych.
bezpośredni efekt piezoelektryczny
jak stwierdzono, kompresja materiału piezoelektrycznego wytwarza energię elektryczną (piezoelektryczność). Rysunek 1 wyjaśnia tę koncepcję.
1., Efekt piezoelektryczny występuje poprzez kompresję materiału piezoelektrycznego.
materiał Piezoceramiczny-nieprzewodząca piezoelektryczna ceramika lub kryształ-jest umieszczony między dwiema metalowymi płytami. Aby uzyskać piezoelektryczność, potrzebny jest materiał do ściśnięcia lub ściśnięcia. Naprężenia mechaniczne stosowane do piezoelektrycznego materiału ceramicznego generują energię elektryczną.
Jak pokazano na Rys. 1, istnieje potencjał napięcia w całym materiale. Dwie metalowe płyty przekładają kryształ piezoelektryczny. Blaszki zbierają ładunki, które tworzą / wytwarzają napięcie (symbol pioruna), tj.,, piezoelektryczność. W ten sposób efekt piezoelektryczny działa jak Miniaturowa bateria, ponieważ wytwarza energię elektryczną. Jest to bezpośredni efekt piezoelektryczny. Urządzenia wykorzystujące bezpośredni efekt piezoelektryczny obejmują mikrofony, czujniki ciśnienia, hydrofony i wiele innych urządzeń wykrywających.
odwrotny efekt piezoelektryczny
efekt piezoelektryczny można odwrócić, co jest określane jako odwrotny efekt piezoelektryczny. Powstaje to poprzez zastosowanie napięcia elektrycznego, aby kryształ piezoelektryczny kurczył się lub rozszerzał (rys. 2)., Odwrotny efekt piezoelektryczny przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną.
2. Odwrócenie efektu piezoelektrycznego, zwanego odwrotnym efektem piezoelektrycznym, następuje, gdy napięcie jest przyłożone do kurczenia lub rozszerzania kryształu piezoelektrycznego.
wykorzystanie odwrotnego efektu piezoelektrycznego może pomóc w opracowaniu urządzeń, które generują i wytwarzają akustyczne fale dźwiękowe. Przykładami piezoelektrycznych urządzeń akustycznych są głośniki (powszechnie spotykane w urządzeniach przenośnych) lub brzęczyki., Zaletą posiadania takich głośników jest to, że są bardzo cienkie, co czyni je przydatnymi w wielu telefonach. Nawet Medyczne przetworniki ultradźwiękowe i sonarowe wykorzystują odwrotny efekt piezoelektryczny. Nieakustyczne odwrotne urządzenia piezoelektryczne obejmują silniki i siłowniki.
materiały piezoelektryczne
materiały piezoelektryczne to materiały, które mogą wytwarzać energię elektryczną z powodu naprężeń mechanicznych, takich jak ściskanie. Materiały te mogą również odkształcać się, gdy napięcie (elektryczność) jest stosowany.
wszystkie materiały piezoelektryczne są nieprzewodzące, aby efekt piezoelektryczny wystąpił i działał., Można je podzielić na dwie grupy: kryształy i ceramikę.4
niektóre przykłady materiałów piezoelektrycznych to PZT (znany również jako tytanian cyrkonu ołowiu), tytanian baru i nioban litu. Te materiały wykonane przez człowieka mają bardziej wyraźny efekt (lepszy materiał w użyciu) niż kwarc i inne naturalne materiały piezoelektryczne.
Porównaj PZT z quartz. PZT może wytworzyć więcej napięcia dla tej samej ilości przyłożonego naprężenia mechanicznego. Odwrotnie, zastosowanie napięcia do PZT zamiast kwarcu zapewnia większy ruch., Kwarc, dobrze znany materiał piezoelektryczny, jest również pierwszym znanym materiałem piezoelektrycznym.
PZT jest tworzony i wytwarzany (w wysokich temperaturach) z dwóch pierwiastków chemicznych—ołowiu i cyrkonu—i łączony ze związkiem chemicznym zwanym tytanianem. Wzór chemiczny PZT to (PbO3). Jest powszechnie stosowany do produkcji przetworników ultradźwięków, kondensatorów ceramicznych i innych czujników i siłowników. Wyróżnia się również specjalną gamą różnych właściwości. W 1952 PZT został wyprodukowany przez Tokyo Institute of Technology.,5
tytanian Baru jest ferroelektrycznym materiałem ceramicznym o właściwościach piezoelektrycznych.6 z tego powodu tytanian baru był używany jako materiał piezoelektryczny dłużej niż większość innych. Jego wzór chemiczny to BaTiO3. Tytanian baru został odkryty w 1941 roku podczas II Wojny Światowej.7
Nioban litu jest związkiem łączącym tlen, LIT i niob. Jego wzór chemiczny to LiNbO3. 8 również ferroelektryczny materiał ceramiczny, podobnie jak tytanian baru, ponieważ ma również właściwości piezoelektryczne.,9
urządzenia piezoelektryczne
Sonar
Sonar, który przybył w 1900 roku, został wynaleziony przez Lewisa Nixona. Początkowo opracował sonar do wykrywania gór lodowych. Zainteresowanie sonarem wzrosło jednak podczas I wojny światowej, aby pomóc zlokalizować podwodne okręty podwodne. Oczywiście sonar ma dziś wiele celów i zastosowań, od lokalizowania ryb po nawigację podwodną i tak dalej.
3. Dzięki sonarowi piezoelektrycznemu Nadajnik wykorzystujący odwrotny efekt piezoelektryczny wysyła falę dźwiękową w celu poszukiwania obiektów przed siebie.,
na rysunku 3 sonar wysyła za pośrednictwem nadajnika falę dźwiękową (sygnał) w celu poszukiwania obiektów przed nami. Nadajnik wykorzystuje odwrotny efekt piezoelektryczny, który polega na tym, że nadajnik użyje napięcia, aby pomóc mu wysłać falę dźwiękową. Gdy fala dźwiękowa uderzy w obiekt, odbije się. Odbita fala dźwiękowa zostanie wykryta przez odbiornik.
Odbiornik, W przeciwieństwie do nadajnika, wykorzystuje bezpośredni efekt piezoelektryczny. Urządzenie piezoelektryczne odbiornika jest kompresowane przez powracającą falę dźwiękową., Wysyła sygnał (napięcie) do elektroniki przetwarzającej sygnał, która odbierze tę odbijaną falę dźwiękową i zacznie ją przetwarzać. Określi odległość obiektu, obliczając sygnały czasowe z nadajnika i odbiornika.
Siłowniki piezoelektryczne
Rysunek 4 pokazuje działanie siłownika piezoelektrycznego. Podstawa pozostaje nieruchoma i działa jak metalowa płyta, która kanapki środkowy materiał piezoelektryczny. Następnie napięcie jest przykładane do materiału, który rozszerza się i kurczy z przyłożonego pola elektrycznego napięcia., Kryształ piezoelektryczny porusza się bardzo niewiele, zarówno do przodu, jak i do tyłu. Gdy materiał piezoelektryczny lub kryształ się poruszy, powoli popycha i ciągnie siłownik.
4. W piezoelektrycznym siłowniku napięcie jest przykładane do materiału piezoelektrycznego, powodując ekspansję i skurcz.
siłownik piezoelektryczny ma wiele zastosowań i zastosowań. Na przykład maszyny dziewiarskie i maszyny braille ' a używają tych siłowników, ponieważ mają tak małą ilość ruchomych części i bardzo prostą konstrukcję., Można je nawet znaleźć w kamerach wideo i telefonach komórkowych, ponieważ są one sprawdzone jako mechanizm automatycznego ustawiania ostrości.10
piezoelektryczne głośniki i brzęczyki
piezoelektryczne głośniki i brzęczyki wykorzystują odwrotny efekt piezoelektryczny do generowania i wytwarzania dźwięku. Gdy napięcie jest przyłożone do głośników i brzęczyków, tworzy fale dźwiękowe (rys. 2, ponownie). Sygnał napięcia audio przyłożony do piezoelektrycznej ceramiki głośników lub brzęczyków spowoduje, że materiał wibruje powietrze. Ta wibracja wytwarza fale dźwiękowe, które wychodzą z głośnika.,
Głośniki piezoelektryczne są powszechnie stosowane w budzikach lub innych małych urządzeniach mechanicznych do generowania prostych, wysokiej jakości dźwięków audio. To dlatego, że są one ograniczone do niewielkiej ilości pasma przenoszenia.11
sterowniki Piezo
sterowniki Piezo mogą konwertować niskie napięcie akumulatora na wysokie napięcie w celu zasilania urządzeń piezoelektrycznych. Przetworniki piezoelektryczne są bardzo ważne, ponieważ pomagają inżynierom wytwarzać więcej napięcia, aby stworzyć większe fale sinusoidalne.
5., Przetwornik piezoelektryczny konwertuje niskie napięcie akumulatora na wyższe napięcie, które służy do zasilania wzmacniacza, który napędza urządzenie. Oscylator wprowadza małe fale sinusoidalne, które wzmacniacz zamienia w większe fale sinusoidalne.
Rysunek 5 jest schematem blokowym, który ilustruje pracę piezoelektryczną. Sterowniki Piezo pobierają niskie napięcie akumulatora i używają wzmacniacza, aby przekształcić je w wyższe napięcie. Wyższe napięcie jest następnie wykorzystywane do zasilania wzmacniacza. Oscylator wprowadzi małe fale sinusoidalne, które wzmacniacz zmieni na większe fale sinusoidalne. Wzmacniacz napędza urządzenie piezo.,
The table below lists of several different companies that sell and produce various kinds of piezo drivers.
1. http://www.piezo.com/tech4history.html
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricity
3. http://www.explainthatstuff.com/piezoelectricity.html
4. http://www.piezomaterials.com/
5. https://www.americanpiezo.com/piezo-theory/pzt.html
6. https://en.wikipedia.org/wiki/Barium_titanate
7. http://ceramics.org/wp-content/uploads/2009/03/elec_division_member_papers1.pdf
8. https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_niobate
9. http://www.inradoptics.com/products/non-linear-crystals/lithium-niobate-linbo3
10. https://www.americanpiezo.com/piezo-theory/actuators.html
11., http://www.edisontechcenter.org/speakers.html#sound