Laden Sie diesen Artikel .PDF-Format Dieser Dateityp enthält hochauflösende Grafiken und Schaltpläne, falls zutreffend.
Die Piezoelektrizität wurde 1880 von den Brüdern zweier französischer Wissenschaftler, Jacques und Pierre Curie, entdeckt., Sie erfuhren von der Piezoelektrizität, nachdem sie zuerst erkannt hatten, dass der auf Quarz oder sogar einige bestimmte Kristalle ausgeübte Druck eine elektrische Ladung in diesem bestimmten Material erzeugt.1 Sie bezeichneten später dieses seltsame und wissenschaftliche Phänomen als piezoelektrischen Effekt.
Die Curie-Brüder entdeckten bald den inversen piezoelektrischen Effekt. Es war, nachdem sie überprüft, dass, wenn ein elektrisches Feld auf Kristallleitungen erzwungen wurde, es führte zu der Fehlbildung oder Störung der Kristallleitung-jetzt die inverse piezoelektrischen Effekt genannt.,
Der Begriff Piezoelektrizität kommt vom griechischen Wort Piezo, was Quetschen oder Drücken bedeutet. Interessanterweise bedeutet Elektrisch auf Griechisch Bernstein. Bernstein war auch zufällig eine Quelle elektrischer Ladung.2
Viele elektronische Geräte verwenden heute Piezoelektrizität. Wenn Sie beispielsweise eine Art Spracherkennungssoftware oder sogar Siri auf Ihrem Smartphone verwenden, verwendet das Mikrofon, in das Sie sprechen, wahrscheinlich Piezoelektrizität. Dieser Piezokristall verwandelt die Schallenergie in Ihrer Stimme und wandelt sie in elektrische Signale um, die Ihr Computer oder Ihr Telefon interpretieren kann.,3 Dass alles mit Piezoelektrizität möglich wird.
Die Schaffung verschiedener fortgeschrittener Technologien kann auf die Entdeckung der Piezoelektrizität zurückgeführt werden. Zum Beispiel wurden das leistungsstarke Sonar „sonobuoy“ kleine empfindliche Mikrofone und der keramische Audiotonwandler durch Piezoelektrizität ermöglicht. Heute sehen wir die Entwicklung von immer mehr piezoelektrischen Materialien und Geräten.
Direkter piezoelektrischer Effekt
Wie angegeben, erzeugt das Komprimieren eines piezoelektrischen Materials Elektrizität (Piezoelektrizität). Abbildung 1 erklärt das Konzept.
1., Der piezoelektrische Effekt tritt durch Kompression eines piezoelektrischen Materials auf.
Piezozeramisches Material—nicht leitende piezoelektrische Keramik oder Kristall-wird zwischen die beiden Metallplatten gelegt. Damit Piezoelektrizität erzeugt werden kann, muss dieses Material komprimiert oder gequetscht werden. Mechanische Beanspruchung auf piezoelektrisches Keramikmaterial erzeugt Strom.
Wie in Abb. 1, gibt es ein Spannungspotential über das Material. Die beiden Metallplatten umhüllen den Piezokristall. Die Metallplatten sammeln die Ladungen, die Spannung erzeugt/erzeugt (Blitzsymbol), d.h.,, Piezoelektrizität. Auf diese Weise wirkt der piezoelektrische Effekt wie eine Miniaturbatterie, da er Strom erzeugt. Dies ist der direkte piezoelektrische Effekt. Geräte, die den direkten piezoelektrischen Effekt verwenden, umfassen Mikrofone, Drucksensoren, Hydrophone und viele andere Sensortypen von Geräten.
Inverser piezoelektrischer Effekt
Der piezoelektrische Effekt kann umgekehrt werden, was als inverser piezoelektrischer Effekt bezeichnet wird. Dies wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung erzeugt, um einen piezoelektrischen Kristall schrumpfen oder ausdehnen zu lassen (Abb. 2)., Der inverse piezoelektrische Effekt wandelt elektrische Energie in mechanische Energie.
2. Die Umkehrung des piezoelektrischen Effekts, der als inverser piezoelektrischer Effekt bezeichnet wird, erfolgt, wenn Spannung angelegt wird, um einen piezoelektrischen Kristall zu schrumpfen oder zu erweitern.
Die Verwendung des inversen piezoelektrischen Effekts kann dazu beitragen, Geräte zu entwickeln, die akustische Schallwellen erzeugen und erzeugen. Beispiele für piezoelektrische akustische Geräte sind Lautsprecher (häufig in Handheld-Geräten zu finden) oder Summer., Der Vorteil solcher Lautsprecher ist, dass sie sehr dünn sind, was sie in einer Reihe von Telefonen nützlich macht. Sogar medizinische Ultraschall-und Sonarwandler verwenden einen umgekehrten piezoelektrischen Effekt. Nicht-akustische inverse piezoelektrische Geräte umfassen Motoren und Aktoren.
Piezoelektrische Materialien
Piezoelektrische Materialien sind Materialien, die aufgrund mechanischer Beanspruchung, wie z. B. Kompression, Elektrizität erzeugen können. Diese Materialien können sich auch verformen, wenn Spannung (Strom) angelegt wird.
Alle piezoelektrischen Materialien sind nicht leitfähig, damit der piezoelektrische Effekt auftritt und funktioniert., Sie können in zwei Gruppen unterteilt werden: Kristalle und Keramik.4
Einige Beispiele für piezoelektrische Materialien sind PZT (auch bekannt als Bleizirconattitanat), Bariumtitanat und Lithiumniobat. Diese künstlichen Materialien haben eine ausgeprägtere Wirkung (besseres Material) als Quarz und andere natürliche piezoelektrische Materialien.
Vergleichen Sie PZT mit Quarz. PZT kann mehr Spannung für die gleiche Menge an angelegter mechanischer Belastung erzeugen. Umgekehrt sorgt das Anlegen von Spannung an PZT anstelle von Quarz für mehr Bewegung., Quarz, ein bekanntes piezoelektrisches Material, ist auch das erste bekannte piezoelektrische Material.
PZT wird (unter hohen Temperaturen) mit zwei chemischen Elementen—Blei und Zirkonium—hergestellt und hergestellt und mit einer chemischen Verbindung namens Titanat kombiniert. Die chemische Formel von PZT ist (PbO3). Es wird häufig verwendet, um Ultraschallwandler, Keramikkondensatoren und andere Sensoren und Aktoren herzustellen. Es evinces auch eine spezielle Palette von verschiedenen Eigenschaften. Im Jahr 1952 wurde PZT vom Tokyo Institute of Technology hergestellt.,5
Bariumtitanat ist ein ferroelektrisches keramisches Material mit piezoelektrischen Eigenschaften.6 Aus diesem Grund wurde Bariumtitanat länger als die meisten anderen als piezoelektrisches Material verwendet. Seine Chemische Formel ist BaTiO3. Bariumtitanat wurde 1941 während des Zweiten Weltkriegs entdeckt.7
Lithiumniobat ist eine Verbindung, die Sauerstoff, Lithium und Niob kombiniert. Seine chemische Formel ist LiNbO3. 8 Auch ein ferroelektrisches keramisches Material es ist genau wie Bariumtitanat, da es auch piezoelektrische Eigenschaften hat.,9
Piezoelektrische Geräte
Sonar
Sonar, das in den 1900er Jahren ankam, wurde von Lewis Nixon erfunden. Er entwickelte zunächst Sonar zur Erkennung von Eisbergen. Das Interesse an Sonar stieg jedoch während des Ersten Weltkriegs, um U-Boote unter Wasser zu lokalisieren. Natürlich hat Sonar heute viele Zwecke und Verwendungen, von der Lokalisierung von Fischen bis zur Unterwassernavigation und so weiter.
3. Mit piezoelektrischem Sonar sendet ein Sender, der den inversen piezoelektrischen Effekt verwendet, eine Schallwelle aus, um nach vorausgehenden Objekten zu suchen.,
In Abbildung 3 sendet Sonar über den Sender eine Schallwelle (Signal) aus, um nach vorausgehenden Objekten zu suchen. Der Sender verwendet einen inversen piezoelektrischen Effekt, bei dem der Sender Spannung verwendet, um eine Schallwelle auszusenden. Sobald die Schallwelle auf ein Objekt trifft, springt sie zurück. Die zurückprallende Schallwelle wird vom Empfänger erkannt.
Der Empfänger verwendet im Gegensatz zum Sender den direkten piezoelektrischen Effekt. Das piezoelektrische Gerät des Empfängers wird durch die zurückkehrende Schallwelle komprimiert., Es sendet das Signal (Spannung) an die Signalverarbeitungselektronik, die diese zurückgeprallte Schallwelle nimmt und mit der Verarbeitung beginnt. Es bestimmt die Entfernung des Objekts, indem es die Zeitsignale vom Sender und Empfänger berechnet.
Piezoelektrische Aktuatoren
Abbildung 4 zeigt den Betrieb eines piezoelektrischen Aktuators. Die Basis bleibt still und wirkt wie die Metallplatte, die das mittlere piezoelektrische Material Sandwiches. Dann wird Spannung an das Material angelegt, das sich aus dem elektrischen Feld der angelegten Spannung ausdehnt und zusammenzieht., Der Piezokristall bewegt sich sehr wenig, ob vorwärts oder rückwärts. Sobald sich das Piezomaterial oder der Kristall bewegt, drückt und zieht es langsam den Aktuator.
4. In einem piezoelektrischen Aktor wird Spannung an das piezoelektrische Material angelegt, was zu Expansion und Kontraktion führt.
Der piezoelektrische Aktuator hat viele Anwendungen und Anwendungen. Beispielsweise verwenden Strickmaschinen und Braille-Maschinen diese Aktuatoren, da sie eine so geringe Menge an beweglichen Teilen und eine sehr einfache Konstruktion aufweisen., Sie können sogar in Videokameras und Mobiltelefonen gefunden werden, da sie sich als Autofokus-Mechanismus am besten eignen.10
Piezoelektrische Lautsprecher und Summer
Piezoelektrische Lautsprecher und Summer nutzen den inversen piezoelektrischen Effekt, um Schall zu erzeugen und zu erzeugen. Wenn an Lautsprecher und Summer Spannung angelegt wird, entstehen Schallwellen (Abb. 2, wieder). Ein Audiospannungssignal, das an die piezoelektrische Keramik von Lautsprechern oder Summer angelegt wird, bewirkt, dass das Material die Luft vibriert. Diese Vibration erzeugt Schallwellen, die aus dem Lautsprecher kommen.,
Piezoelektrische lautsprecher werden häufig in wecker oder andere kleine mechanische geräte zu erzeugen einfache, hochwertige audio sounds. Das liegt daran, dass sie auf einen kleinen Frequenzgang beschränkt sind.11
Piezotreiber
Piezotreiber können niedrige Batteriespannung in Hochspannung umwandeln, um piezoelektrische Geräte mit Strom zu versorgen. Piezotreiber sind sehr wichtig, weil sie Ingenieuren helfen, mehr Spannung zu erzeugen, um größere Sinuswellen zu erzeugen.
5., Ein Piezotreiber wandelt niedrige Batteriespannung in höhere Spannung um, die zur Stromversorgung eines Verstärkers verwendet wird, der das Gerät antreibt. Ein Oszillator gibt kleine Sinuswellen ein, die der Verstärker in größere Sinuswellen umwandelt.
Abbildung 5 ist ein Blockdiagramm, das den Piezotreiber-Betrieb veranschaulicht. Piezotreiber nehmen niedrige Batteriespannung und verwenden einen Booster, um sie in höhere Spannung umzuwandeln. Die höhere Spannung wird dann zur Stromversorgung des Verstärkers verwendet. Der Oszillator gibt kleine Sinuswellen ein, die der Verstärker in größere Spannungssinuswellen umwandelt. Der Verstärker treibt das Piezo-Gerät an.,
The table below lists of several different companies that sell and produce various kinds of piezo drivers.
