Пьезоэлектричество

Оглавление1 Пьезоэлектричество1.1 Определение и происхождение1.2 Механизм пьезоэлектрического эффекта1.3 История открытия и ранние исследования1.4 Первая мировая война и межвоенные годы1.5 Вторая […]

Оглавление

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.  

Полный текст статьи:

Пьезоэлектричество

Оставьте комментарий

Прокрутить вверх