Оглавление
- 1 Пьезоэлектричество
- 1.1 Определение и происхождение
- 1.2 Механизм пьезоэлектрического эффекта
- 1.3 История открытия и ранние исследования
- 1.4 Первая мировая война и межвоенные годы
- 1.5 Вторая мировая война и послевоенное время
- 1.6 Механизм пьезоэлектрического эффекта
- 1.7 Пьезоэлектрический эффект
- 1.8 Математическое описание
- 1.9 Классы кристаллов
- 1.10 Материалы
- 1.11 Пьезокерамика без свинца
- 1.12 Вредное воздействие и меры минимизации
- 1.13 Пьезокерамика и её свойства
- 1.14 Полупроводники III–V и II–VI
- 1.15 Полимеры и их свойства
- 1.16 Другие материалы и их применение
- 1.17 Применение пьезоэлектричества
- 1.18 Датчики и их применение
- 1.19 Применение пьезоэлектрических материалов
- 1.20 Пьезоэлектрические преобразователи
- 1.21 Приводы
- 1.22 Громкоговорители и ультразвуковая очистка
- 1.23 Атомно-силовые микроскопы и струйные принтеры
- 1.24 Дизельные двигатели и рентгеновские ставни
- 1.25 Кристаллические наушники и высокоинтенсивный ультразвук
- 1.26 Пьезоэлектрические приводы и стандарт частоты
- 1.27 Пьезоэлектрические двигатели
- 1.28 Снижение вибраций и шума
- 1.29 Лечение бесплодия и хирургия
- 1.30 Потенциальные области применения
- 1.31 Потенциал получения энергии
- 1.32 Пьезоэлектрические материалы в Израиле
- 1.33 Разработка шины Goodyear
- 1.34 Повышение эффективности фотоэлектрических элементов
- 1.35 Взаимодействие электронов и нанотрубок
- 1.36 Дополнительные материалы и ссылки
- 1.37 Полный текст статьи:
- 2 Пьезоэлектричество
Пьезоэлектричество
-
Определение и происхождение
- Пьезоэлектричество — это электрический заряд, накапливаемый в твердых материалах под воздействием механического напряжения.
- Слово “пьезоэлектричество” происходит от древнегреческих слов “сжимать” и “янтарь”.
- Немецкая форма слова была введена в 1881 году, английская — в 1883 году.
-
Механизм пьезоэлектрического эффекта
- Пьезоэлектрический эффект возникает из-за линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями в кристаллических материалах.
- Эффект обратим: материалы могут генерировать механическое напряжение при приложении электрического поля.
-
История открытия и ранние исследования
- Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Кюри.
- В 1881 году Габриэль Липпман математически вывел обратный пьезоэлектрический эффект.
- В течение нескольких десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторным любопытством.
-
Первая мировая война и межвоенные годы
- Пьезоэлектрические устройства использовались в гидролокаторах и подводных детекторах.
- Пьезоэлектрические устройства применялись в фонографах, ультразвуковых преобразователях и рефлектометрах.
-
Вторая мировая война и послевоенное время
- Во время Второй мировой войны были открыты сегнетоэлектрики с высокими пьезоэлектрическими постоянными.
- В США и Японии велись интенсивные исследования по разработке новых материалов и устройств.
- Японские производители создали новые пьезокерамические материалы и устройства.
-
Механизм пьезоэлектрического эффекта
- Пьезоэлектрический эффект связан с возникновением электрических дипольных моментов в твердых телах.
- Изменение поляризации при приложении механического напряжения вызывает пьезоэлектрический эффект.
-
Пьезоэлектрический эффект
- Изменение электрического поля между гранями кристалла при изменении плотности диполей.
- Обратный пьезоэлектрический эффект: приложение электрического поля вызывает механическую деформацию.
-
Математическое описание
- Линейное пьезоэлектричество: комбинированное электрическое и механическое поведение.
- Закон Гука для линейно-упругих материалов.
- Связанные уравнения: напряжение от заряда.
-
Классы кристаллов
- 21 класс кристаллов нецентросимметричен, 20 обладают прямым пьезоэлектричеством.
- 10 классов полярных кристаллов: спонтанная поляризация без механического напряжения.
- 10 классов пьезоэлектрических кристаллов: поляризация достигается при приложении механической нагрузки.
-
Материалы
- Лангазит, ортофосфат галлия, ниобат лития, танталат лития, кварц, берлинит, рошеллевая соль, топаз, титан свинца, керамика.
- PZT, ниобат калия, вольфраматат натрия, Ba2NaNb5O5, Pb2KNb5O15, ZnO.
-
Пьезокерамика без свинца
- Ниобат натрия и калия (NKN), феррит висмута, ниобат натрия, титан бария, титан висмута, титан висмута натрия.
- Проблемы с экологией: снижение токсичности, но вред окружающей среде.
- KNN более вреден для окружающей среды по сравнению с PZT.
-
Вредное воздействие и меры минимизации
- Вредное воздействие сосредоточено на ранних стадиях добычи Nb2O5.
- Восстановление земель и замена запасов грунта помогают минимизировать воздействие.
- Моделирование необходимо для полного понимания методов смягчения.
-
Пьезокерамика и её свойства
- Пьезокерамика без свинца не достигла значительных масштабов.
- Важно сохранять эксплуатационные характеристики и стабильность.
- Создание “морфотропных границ раздела фаз” улучшает пьезоэлектрические свойства.
-
Полупроводники III–V и II–VI
- Пьезоэлектрический потенциал создается в полупроводниках с нецентральной симметрией.
- Вюрцит имеет три независимых пьезоэлектрических коэффициента.
- GaN, InN, AlN и ZnO обладают сильным пьезоэлектричеством.
-
Полимеры и их свойства
- Пьезочувствительность полимеров ниже, чем у керамики.
- Полимеры обладают гибкостью, биосовместимостью и низкой стоимостью.
- Пьезоэлектрические полимеры делятся на объемные, пустотелые заряженные и полимерные композиты.
-
Другие материалы и их применение
- Большинство материалов обладают слабыми пьезоэлектрическими откликами.
- Примеры включают сахарозу, ДНК, вирусные белки и целлюлозные волокна.
- Ячеистый полипропилен используется в музыкальных клавиатурах, микрофонах и системах эхолокации.
-
Применение пьезоэлектричества
- Пьезоэлектричество используется в электрических прикуривателях и зажигалках.
- DARPA исследует использование пьезоэлектрических генераторов в солдатских ботинках.
- Пьезоэлектрические трансформаторы могут повышать напряжение до 1000:1.
-
Датчики и их применение
- Пьезоэлектрические датчики преобразуют физические измерения в силу.
- Пьезоэлектрические микрофоны и звукосниматели используются в акустических и электрических гитарах.
- Пьезоэлектрические преобразователи применяются в медицинской визуализации и промышленном неразрушающем контроле.
-
Применение пьезоэлектрических материалов
- Измерение наклона по одной и двум осям
- Мониторинг энергопотребления в системах с высокой мощностью
- Пьезоэлектрические микровесы для химических и биологических датчиков
- Пьезорезистивный эффектный элемент в тензометрических датчиках
-
Пьезоэлектрические преобразователи
- В приборах penetrometer и электронных барабанных подушечках
- В системах управления автомобильным двигателем для обнаружения детонации
- В системах впрыска топлива для измерения давления в коллекторе
- В ультразвуковых расходомерах временного действия
-
Приводы
- Пьезоэлектрические кристаллы используются для точного позиционирования объектов
- Многослойная керамика для высоких электрических полей
- Пьезоприводы и усиленные пьезоэлектрические приводы
-
Громкоговорители и ультразвуковая очистка
- Пьезоэлектрические элементы создают звуковые волны в жидкости
- Пьезоэлектрические двигатели для точного позиционирования
-
Атомно-силовые микроскопы и струйные принтеры
- Пьезоэлектричество для удержания иглы близко к образцу
- Пьезоэлектрические кристаллы в струйных принтерах для управления выбросом чернил
-
Дизельные двигатели и рентгеновские ставни
- Пьезоэлектрические топливные форсунки в дизельных двигателях
- Пьезоэлектрические приводы для точного перемещения пациента в КТ- и МРТ-сканерах
-
Кристаллические наушники и высокоинтенсивный ультразвук
- Пьезоэлектрические кристаллы в старых радиоприемниках
- Высокоинтенсивный сфокусированный ультразвук для локального нагрева
-
Пьезоэлектрические приводы и стандарт частоты
- Пьезоэлектрические свойства кварца для эталона частоты
- Кварцевые часы и радиопередатчики используют пьезоэлектричество для стабилизации частоты
-
Пьезоэлектрические двигатели
- Ультразвуковой двигатель для автоматической фокусировки
- Червячные и прямоугольные четырехквадрантные двигатели
- Шаговый пьезомотор для точного позиционирования
-
Снижение вибраций и шума
- Пьезоэлементы для снижения вибраций в материалах
- Пьезоэлектрическое керамическое волокно для демпфирования в теннисных ракетках
-
Лечение бесплодия и хирургия
- Пьезоэлектрическая активация яйцеклеток для улучшения результатов оплодотворения
- Пьезохирургия для удаления ткани с минимальным повреждением соседних тканей
-
Потенциальные области применения
- Пьезоэлектрические материалы как эффективные резонаторы и излучатели
- Пьезоэлектрическая технология для получения кинетической энергии от пешеходов
-
Потенциал получения энергии
- Оптимизированная модель плиточного покрытия может вырабатывать 1,1 МВтч/год энергии.
- Это достаточно для удовлетворения 0,5% годовых потребностей здания в энергии.
-
Пьезоэлектрические материалы в Израиле
- Компания установила пьезоэлектрические материалы под оживленным шоссе.
- Вырабатываемой энергии достаточно для питания уличных фонарей, рекламных щитов и вывесок.
-
Разработка шины Goodyear
- Шинная компания Goodyear планирует разработать шину с внутренней облицовкой из пьезоэлектрического материала.
- При движении шины вырабатывается электричество.
-
Повышение эффективности фотоэлектрических элементов
- Эффективность гибридного фотоэлектрического элемента можно повысить, разместив его вблизи источника шума или вибрации.
- Уровень шума в 75 децибел повышает эффективность до 50%.
- Эффективность достигает пика при 10 кГц, резонансной частоте нанотрубок.
-
Взаимодействие электронов и нанотрубок
- Электрическое поле, создаваемое вибрирующими нанотрубками, взаимодействует с электронами.
- Это снижает вероятность рекомбинации электронов.
-
Дополнительные материалы и ссылки
- Пьезоэлектрические свойства керамических материалов и компонентов.
- Стандартные определения и методы измерений для пьезоэлектрических вибраторов.
- Пьезоэлектрические ячеистые полимерные пленки и их применение.
- Пьезоэлемент в медицинском дизайне.
- Видеодемонстрация пьезоэлектричества.
- Учебно-методический комплекс DoITPoMS по пьезоэлектрическим материалам.
- PiezoMat.org – Онлайн-база данных по пьезоэлектрическим материалам.