Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο ανακαλύφθηκε στα τέλη του 19ου αιώνα από τους Γάλλους αδελφούς Κιουρί. Εκείνη την εποχή, ήταν ακόμη πολύ νωρίς για να μιλήσουμε για την πρακτική εφαρμογή του φαινομένου που ανακαλύφθηκε, αλλά σήμερα τα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία χρησιμοποιούνται ευρέως τόσο στην τεχνολογία όσο και στην καθημερινή ζωή.
Περιεχόμενα
Ουσία του φαινομένου piezo
Γνωστοί φυσικοί ανακάλυψαν ότι όταν ορισμένοι κρύσταλλοι (ο πετρώδης κρύσταλλος, ο τουρμαλίνης κ.λπ.) παραμορφώνονται στις όψεις τους δημιουργούνται ηλεκτρικά φορτία. Η διαφορά δυναμικού ήταν ωστόσο μικρή, αλλά ήταν σαφώς ανιχνεύσιμη με τα τότε διαθέσιμα όργανα και συνδέοντας τις περιοχές με αντίθετα πολικά φορτία μέσω αγωγών μπορούσε κανείς να λάβει ηλεκτρικό ρεύμα. Το φαινόμενο καταγράφηκε μόνο στη δυναμική, τη στιγμή της συστολής ή του τεντώματος. Η στατική παραμόρφωση δεν παρήγαγε το πιεζοειδές φαινόμενο.
Σύντομα το αντίθετο αποτέλεσμα δικαιολογήθηκε θεωρητικά και ανακαλύφθηκε στην πράξη - ο κρύσταλλος παραμορφωνόταν όταν εφαρμοζόταν τάση. Αποδείχθηκε ότι τα δύο φαινόμενα είναι αλληλένδετα - εάν μια ουσία παρουσιάζει άμεσο πιεζοειδές φαινόμενο, παρουσιάζει επίσης αντίστροφο φαινόμενο και το αντίστροφο.
Το φαινόμενο παρατηρείται σε ουσίες με ανισότροπο κρυσταλλικό πλέγμα (που έχουν διαφορετικές φυσικές ιδιότητες ανάλογα με την κατεύθυνση) με επαρκή ασυμμετρία, καθώς και σε ορισμένες πολυκρυσταλλικές δομές.
Σε οποιοδήποτε στερεό, οι εφαρμοζόμενες εξωτερικές δυνάμεις παράγουν παραμόρφωση και μηχανικές τάσεις, και σε ουσίες με το πιεζοειδές φαινόμενο την πόλωση των φορτίων, όπου η πόλωση εξαρτάται από την κατεύθυνση της εφαρμοζόμενης δύναμης. Όταν η κατεύθυνση της δράσης αντιστρέφεται, αλλάζει τόσο η κατεύθυνση πόλωσης όσο και η πολικότητα των φορτίων. Η εξάρτηση της πόλωσης από τη μηχανική τάση είναι γραμμική και περιγράφεται από την έκφραση P=dt, όπου t είναι η μηχανική τάση και d είναι ένας συντελεστής που ονομάζεται πιεζοηλεκτρικό μέτρο (πιεζομόριο).
Ένα παρόμοιο φαινόμενο συμβαίνει με το αντίστροφο πιεζοειδές φαινόμενο. Όταν αλλάζει η κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου ηλεκτρικού πεδίου, αλλάζει και η κατεύθυνση της παραμόρφωσης. Εδώ η εξάρτηση είναι επίσης γραμμική: r=dE, όπου E είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και r η τάση. Ο συντελεστής d είναι ο ίδιος για το εμπρόσθιο και το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο σε όλες τις ουσίες.
Οι εξισώσεις αυτές είναι στην πραγματικότητα μόνο εκτιμήσεις. Οι πραγματικές συσχετίσεις είναι πολύ πιο πολύπλοκες και καθορίζονται από την κατεύθυνση των δυνάμεων σε σχέση με τους κρυσταλλικούς άξονες.
Ουσίες με το φαινόμενο piezo
Το φαινόμενο του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά σε κρυστάλλους πετρωτού κρυστάλλου (χαλαζία). Σήμερα το υλικό αυτό είναι πολύ διαδεδομένο στην κατασκευή πιεζοηλεκτρικών στοιχείων, αλλά δεν χρησιμοποιούνται μόνο φυσικά υλικά στην παραγωγή.
Πολλά πιεζοηλεκτρικά στοιχεία βασίζονται σε υλικά με τον τύπο ABO3τύπου, όπως BaTiO3, PbTiO3. Τα υλικά αυτά έχουν πολυκρυσταλλική δομή (που αποτελείται από πολλούς κρυστάλλους) και πρέπει να πολωθούν από ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο για να αποκτήσουν την ικανότητα να παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.
Υπάρχουν διαθέσιμες τεχνολογίες για την παραγωγή πιεζοηλεκτρικών ταινιών (φθοριούχο πολυβινυλίδιο κ.λπ.). Για να αποκτήσουν τις απαραίτητες ιδιότητες, πρέπει επίσης να πολωθούν σε ηλεκτρικό πεδίο για μεγάλο χρονικό διάστημα. Το πλεονέκτημα αυτών των υλικών είναι το πολύ χαμηλό πάχος τους.
Ιδιότητες και χαρακτηριστικά υλικών με πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο
Καθώς η πόλωση λαμβάνει χώρα μόνο κατά την ελαστική παραμόρφωση, ένα σημαντικό χαρακτηριστικό των πιεζοϋλικών είναι η ικανότητά τους να αλλάζουν σχήμα υπό την επίδραση εξωτερικών δυνάμεων. Η τιμή αυτής της ικανότητας καθορίζεται από την ελαστική συμμόρφωση (ή ελαστική δυσκαμψία).
Οι κρύσταλλοι με το φαινόμενο του πιεζό είναι ιδιαίτερα ελαστικοί - όταν η δύναμη (ή η εξωτερική τάση) απομακρύνεται, επιστρέφουν στο αρχικό τους σχήμα.
Οι πιεζοκρύσταλλοι έχουν επίσης μια εγγενή συχνότητα μηχανικού συντονισμού. Εάν ο κρύσταλλος αναγκαστεί να δονηθεί σε αυτή τη συχνότητα, το πλάτος είναι ιδιαίτερα μεγάλο.
Δεδομένου ότι όχι μόνο ολόκληροι κρύσταλλοι παρουσιάζουν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο αλλά και πιεζοηλεκτρικές πλάκες που κόβονται υπό ορισμένες συνθήκες, είναι δυνατόν να παραχθούν πιεζοηλεκτρικά κομμάτια με συντονισμό σε διαφορετικές συχνότητες - ανάλογα με τις γεωμετρικές διαστάσεις και την κατεύθυνση κοπής.
Οι δονητικές ιδιότητες των πιεζοηλεκτρικών υλικών χαρακτηρίζονται επίσης από τον μηχανικό συντελεστή ποιότητας. Αυτό δείχνει κατά πόσες φορές αυξάνεται το πλάτος της δόνησης στη συχνότητα συντονισμού για μια ίση εφαρμοζόμενη δύναμη.
Υπάρχει σαφής εξάρτηση των πιεζοηλεκτρικών ιδιοτήτων από τη θερμοκρασία, η οποία πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τη χρήση κρυστάλλων. Η εξάρτηση αυτή χαρακτηρίζεται από συντελεστές:
- ο θερμοκρασιακός συντελεστής της συχνότητας συντονισμού δείχνει πόσο ο συντονισμός εξαφανίζεται όταν ο κρύσταλλος θερμαίνεται/ψύχεται,
- Ο θερμοκρασιακός συντελεστής διαστολής δείχνει πόσο μεταβάλλονται οι γραμμικές διαστάσεις της πιεζοειδούς πλάκας με τη θερμοκρασία.
Σε μια ορισμένη θερμοκρασία ο πιεζοκρύσταλλος χάνει τις ιδιότητές του. Το όριο αυτό ονομάζεται θερμοκρασία Curie. Το όριο αυτό είναι ατομικό για κάθε υλικό. Για τον χαλαζία, για παράδειγμα, είναι +573 °C.
Πρακτική εφαρμογή του φαινομένου του πιεζό
Η πιο γνωστή εφαρμογή των πιεζοκυψελών είναι ως στοιχείο ανάφλεξης. Το φαινόμενο πιεζό χρησιμοποιείται σε αναπτήρες τσέπης ή σε αναφλεκτήρες κουζίνας για κουζίνες αερίου. Όταν ο κρύσταλλος πιέζεται, δημιουργείται διαφορά δυναμικού και εμφανίζεται σπινθήρας στο διάκενο αέρα.
Αυτό δεν εξαντλεί το πεδίο εφαρμογής των πιεζοηλεκτρικών κυψελών. Κρύσταλλοι με το ίδιο αποτέλεσμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μετρητές τάσης, αλλά αυτή η εφαρμογή περιορίζεται από την ιδιότητα του πιεζοειδούς αποτελέσματος να είναι δυναμικό - εάν η αλλαγή έχει σταματήσει, το σήμα δεν παράγεται πλέον.
Οι πιεζο-κρύσταλλοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μικρόφωνο - ηλεκτρικά σήματα παράγονται όταν εφαρμόζονται ακουστικά κύματα. Το αντίστροφο φαινόμενο πιεζό επιτρέπει επίσης (μερικές φορές ταυτόχρονα) τη χρήση τέτοιων στοιχείων ως ηχητικών πομπών. Όταν ένα ηλεκτρικό σήμα εφαρμόζεται στον κρύσταλλο, το πιεζο στοιχείο θα αρχίσει να παράγει ακουστικά κύματα.
Τέτοιοι πομποί χρησιμοποιούνται ευρέως για την παραγωγή υπερηχητικών κυμάτων, ιδίως στην ιατρική τεχνολογία. Στο στο μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν οι ιδιότητες συντονισμού της πλάκας. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ακουστικό φίλτρο που εκπέμπει μόνο τα κύματα της δικής του συχνότητας. Μια άλλη επιλογή είναι η χρήση ενός πιεζοειδούς στοιχείου σε μια γεννήτρια ήχου (σειρήνα, ανιχνευτής κ.λπ.) τόσο ως στοιχείο διατήρησης συχνότητας όσο και ως στοιχείο εκπομπής ήχου. Σε αυτή την περίπτωση ο ήχος θα παράγεται πάντα στη συχνότητα συντονισμού και η μέγιστη ένταση μπορεί να επιτευχθεί με μικρή εισροή ενέργειας.
Οι ιδιότητες συντονισμού χρησιμοποιούνται για τη σταθεροποίηση των συχνοτήτων των ταλαντωτών που λειτουργούν στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων. Οι πλάκες χαλαζία λειτουργούν ως ιδιαίτερα σταθερά και υψηλής ποιότητας κυκλώματα ταλάντωσης σε κυκλώματα διατήρησης συχνότητας.
Μέχρι στιγμής, υπάρχουν φανταστικά σχέδια για τη μετατροπή της ενέργειας της ελαστικής παραμόρφωσης σε ηλεκτρική ενέργεια σε βιομηχανική κλίμακα. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την παραμόρφωση των πεζοδρομίων από το βάρος των πεζών ή των αυτοκινήτων, για παράδειγμα, για να φωτίσετε τμήματα αυτοκινητοδρόμων. Η ενέργεια παραμόρφωσης των φτερών του αεροπλάνου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία του δικτύου του αεροπλάνου. Η χρήση αυτή περιορίζεται από την ανεπαρκή απόδοση των πιεζοκυψελών, αλλά έχουν ήδη κατασκευαστεί πρωτότυπες εγκαταστάσεις που υπόσχονται περαιτέρω βελτίωση.
Σχετικά άρθρα:
