પીઝો તત્વ કેવી રીતે કાર્ય કરે છે અને પીઝો અસર શું છે

પીઝોઇલેક્ટ્રિક અસર ફ્રેન્ચ વૈજ્ઞાનિકો, ક્યુરી ભાઈઓએ 19મી સદીના અંતમાં શોધી કાઢી હતી. તે સમયે, શોધાયેલ ઘટનાના વ્યવહારુ ઉપયોગ વિશે વાત કરવી ખૂબ જ વહેલું હતું, પરંતુ આજે પીઝોઇલેક્ટ્રિક તત્વોનો ઉપયોગ ઇજનેરી અને રોજિંદા જીવનમાં બંનેમાં વ્યાપકપણે થાય છે.

પીઝો અસરનો સાર

જાણીતા ભૌતિકશાસ્ત્રીઓએ શોધી કાઢ્યું છે કે જ્યારે અમુક સ્ફટિકો (રોક ક્રિસ્ટલ, ટુરમાલાઇન, વગેરે) તેમના પાસાઓ પર વિકૃત થાય છે ત્યારે વિદ્યુત ચાર્જ થાય છે. સંભવિત તફાવત નજીવો હતો, પરંતુ તે સમયે અસ્તિત્વમાં છે તે ઉપકરણોએ તેને ઠીક કર્યો, અને કંડક્ટરની મદદથી વિપરીત ચાર્જ સાથે ભાગોને કનેક્ટ કરીને તે પ્રાપ્ત કરવાનું શક્ય હતું. ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહ.. કમ્પ્રેશન અથવા સ્ટ્રેચિંગની ક્ષણે, ઘટના માત્ર ગતિશીલતામાં રેકોર્ડ કરવામાં આવી હતી. સ્થિર વિરૂપતા પીઝો અસરનું કારણ નથી.

ટૂંક સમયમાં જ વિપરીત અસર સૈદ્ધાંતિક રીતે સાબિત થઈ અને વ્યવહારમાં શોધી કાઢવામાં આવી - જ્યારે વોલ્ટેજ લાગુ કરવામાં આવ્યું, ત્યારે સ્ફટિક વિકૃત થઈ ગયું. તે બહાર આવ્યું છે કે બે ઘટનાઓ એકબીજા સાથે સંકળાયેલી છે - જો કોઈ પદાર્થ સીધી પીઝો અસર દર્શાવે છે, તો તે વિપરીત અસર પણ દર્શાવે છે, અને ઊલટું.

આ ઘટના એનિસોટ્રોપિક સ્ફટિક જાળીવાળા પદાર્થોમાં જોવા મળે છે (જે દિશાને આધારે વિવિધ ભૌતિક ગુણધર્મો ધરાવે છે) પર્યાપ્ત અસમપ્રમાણતા સાથે, તેમજ કેટલીક પોલીક્રિસ્ટલાઇન રચનાઓ.

કોઈપણ નક્કર શરીરમાં, લાગુ બાહ્ય બળો વિકૃતિ અને યાંત્રિક તાણનું કારણ બને છે, અને પીઝો અસર ધરાવતા પદાર્થોમાં પણ ચાર્જનું ધ્રુવીકરણ થાય છે, અને ધ્રુવીકરણ લાગુ બળની દિશા પર આધાર રાખે છે. જ્યારે પ્રભાવની દિશા બદલાય છે, ત્યારે ધ્રુવીકરણની દિશા અને શુલ્કની ધ્રુવીયતા બંને બદલાય છે. મિકેનિકલ વોલ્ટેજ પર ધ્રુવીકરણની અવલંબન રેખીય છે અને P=dt અભિવ્યક્તિ દ્વારા વર્ણવવામાં આવે છે, જ્યાં t એ યાંત્રિક વોલ્ટેજ છે અને d એ પીઝોઇલેક્ટ્રિક મોડ્યુલસ (પીઝોમોડ્યુલસ) તરીકે ઓળખાતા ગુણાંક છે.

વિપરીત પીઝો અસર સાથે સમાન ઘટના જોવા મળે છે. જ્યારે લાગુ ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રની દિશા બદલાય છે, ત્યારે વિરૂપતાની દિશા બદલાય છે. અહીં અવલંબન પણ રેખીય છે: r=dE, જ્યાં E એ વિદ્યુત ક્ષેત્રની તાકાત છે અને r એ તાણ છે. તમામ પદાર્થોમાં ડાયરેક્ટ અને રિવર્સ પીઝો ઇફેક્ટ માટે ગુણાંક d સમાન છે.

હકીકતમાં, આ સમીકરણો માત્ર અંદાજો છે. વાસ્તવિક અવલંબન વધુ જટિલ છે અને તે ક્રિસ્ટલ અક્ષોને લગતા દળોની દિશા દ્વારા પણ નક્કી કરવામાં આવે છે.

પીઝો અસર સાથે પદાર્થો

પીઝો અસર સૌપ્રથમ રોક ક્રિસ્ટલ (ક્વાર્ટઝ) ના સ્ફટિકોમાં જોવા મળી હતી. આજની તારીખે આ સામગ્રી પીઝોઇલેક્ટ્રિક તત્વોના ઉત્પાદનમાં ખૂબ જ સામાન્ય છે, પરંતુ ઉત્પાદનમાં માત્ર કુદરતી સામગ્રીનો ઉપયોગ થતો નથી.

ઘણા પીઝોઇલેક્ટ્રિક તત્વો ABO સૂત્ર સાથેની સામગ્રી પર આધારિત છે₃ફોર્મ્યુલા, જેમ કે BaTiO₃, PbTiO₃. આ સામગ્રીઓમાં પોલીક્રિસ્ટલાઇન (ઘણા સ્ફટિકોનો સમાવેશ થાય છે) માળખું હોય છે, અને તેમને પીઝો અસર પ્રદર્શિત કરવાની ક્ષમતા આપવા માટે તેઓ બાહ્ય ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ દ્વારા ધ્રુવીકરણને આધિન હોવા જોઈએ.

એવી તકનીકો છે જે ફિલ્મ પીઝોઇલેક્ટ્રિક્સ (પોલીવિનાઇલિડેન ફ્લોરાઇડ, વગેરે) મેળવવાનું શક્ય બનાવે છે. તેમને જરૂરી ગુણધર્મો આપવા માટે, તેઓને લાંબા સમય સુધી ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડમાં ધ્રુવીકરણ પણ કરવું આવશ્યક છે. આવી સામગ્રીનો ફાયદો એ તેમની ખૂબ નાની જાડાઈ છે.

પીઝો અસર સાથેના પદાર્થોના ગુણધર્મો અને લાક્ષણિકતાઓ

કારણ કે ધ્રુવીકરણ માત્ર સ્થિતિસ્થાપક વિકૃતિ દરમિયાન થાય છે, પાઈઝોમેટરીયલની એક મહત્વપૂર્ણ લાક્ષણિકતા એ બાહ્ય દળોની ક્રિયા હેઠળ આકાર બદલવાની ક્ષમતા છે. આ ક્ષમતાનું મૂલ્ય સ્થિતિસ્થાપક અનુપાલન (અથવા સ્થિતિસ્થાપક જડતા) દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે.

પીઝો અસરવાળા સ્ફટિકોમાં ઉચ્ચ સ્થિતિસ્થાપકતા હોય છે - જ્યારે બળ (અથવા બાહ્ય તાણ) દૂર કરવામાં આવે છે, ત્યારે તેઓ તેમના મૂળ આકારમાં પાછા ફરે છે.

પીઝો સ્ફટિકોમાં પણ આંતરિક યાંત્રિક રેઝોનન્સ આવર્તન હોય છે. જો ક્રિસ્ટલને આ આવર્તન પર ઓસીલેટ કરવાની ફરજ પાડવામાં આવે છે, તો કંપનવિસ્તાર ખાસ કરીને મોટું હશે.

 

માત્ર આખા સ્ફટિકો જ પીઝોની અસર દર્શાવે છે પરંતુ તેમની પ્લેટો પણ અમુક ચોક્કસ પરિસ્થિતિઓમાં કાપવામાં આવતી હોવાથી, ભૌમિતિક પરિમાણો અને કટની દિશાના આધારે - વિવિધ ફ્રીક્વન્સીઝ પર પડઘો સાથે પીઝોઇલેક્ટ્રિક સામગ્રીના ટુકડાઓ મેળવવાનું શક્ય છે.

યાંત્રિક ગુણવત્તા પરિબળ પીઝોઇલેક્ટ્રિક સામગ્રીના કંપનશીલ ગુણધર્મોને પણ દર્શાવે છે. તે સમાન લાગુ બળ માટે રેઝોનન્ટ આવર્તન પર સ્પંદન કંપનવિસ્તાર કેટલી વખત વધે છે તે દર્શાવે છે.

તાપમાન પર પીઝોઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મોની સ્પષ્ટ અવલંબન છે, જે સ્ફટિકોનો ઉપયોગ કરતી વખતે ધ્યાનમાં લેવી આવશ્યક છે. આ અવલંબન ગુણાંક દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે:

• રેઝોનન્ટ આવર્તનનું તાપમાન ગુણાંક દર્શાવે છે કે જ્યારે સ્ફટિકને ગરમ/ઠંડુ કરવામાં આવે ત્યારે રેઝોનન્સ કેટલો દૂર જાય છે;
• વિસ્તરણનું તાપમાન ગુણાંક નક્કી કરે છે કે પીઝો વેફરના રેખીય પરિમાણો તાપમાન સાથે કેટલા બદલાય છે.

ચોક્કસ તાપમાને, પીઝોક્રિસ્ટલ તેના ગુણધર્મો ગુમાવે છે.આ મર્યાદાને ક્યુરી તાપમાન કહેવામાં આવે છે. આ મર્યાદા દરેક સામગ્રી માટે વ્યક્તિગત છે. ઉદાહરણ તરીકે, ક્વાર્ટઝ માટે તે +573 °C છે.

પીઝો ઇફેક્ટનો વ્યવહારિક ઉપયોગ

પીઝો કોષોનો સૌથી જાણીતો ઉપયોગ ઇગ્નીશન તત્વ તરીકે થાય છે. પીઝો ઇફેક્ટનો ઉપયોગ પોકેટ લાઇટરમાં અથવા ગેસ સ્ટોવ માટે રસોડામાં ઇગ્નીટરમાં થાય છે. જ્યારે ક્રિસ્ટલ દબાવવામાં આવે છે, ત્યારે સંભવિત તફાવત સર્જાય છે અને હવાના અંતરમાં સ્પાર્ક દેખાય છે.

પીઝોઇલેક્ટ્રિક તત્વોના ઉપયોગના ક્ષેત્રનો આ અંત નથી. સમાન અસરવાળા ક્રિસ્ટલ્સનો ઉપયોગ સ્ટ્રેઈન સેન્સર તરીકે થઈ શકે છે, પરંતુ એપ્લિકેશનનું આ ક્ષેત્ર પીઝો ઈફેક્ટના ગુણધર્મ દ્વારા માત્ર ડાયનેમિક્સમાં જ દેખાઈ શકે તે માટે મર્યાદિત છે - જો ફેરફારો બંધ થઈ ગયા હોય, તો સિગ્નલ જનરેટ થવાનું બંધ થઈ જાય છે.

પીઝો ક્રિસ્ટલ્સનો ઉપયોગ માઇક્રોફોન તરીકે થઈ શકે છે - જ્યારે એકોસ્ટિક તરંગોના સંપર્કમાં આવે ત્યારે વિદ્યુત સંકેતો ઉત્પન્ન થાય છે. ઇન્વર્સ પીઝો ઇફેક્ટ (ક્યારેક એક સાથે) આવા તત્વોને ધ્વનિ ઉત્સર્જક તરીકે ઉપયોગમાં લેવાની મંજૂરી આપે છે. જ્યારે ક્રિસ્ટલ પર વિદ્યુત સંકેત લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે પીઝો તત્વ એકોસ્ટિક તરંગો ઉત્પન્ન કરવાનું શરૂ કરશે.

આવા ઉત્સર્જકોનો ઉપયોગ અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો બનાવવા માટે થાય છે, ખાસ કરીને તબીબી તકનીકમાં. મુ ખાતે પ્લેટના રેઝોનન્સ પ્રોપર્ટીઝનો પણ ઉપયોગ કરી શકાય છે. તેનો ઉપયોગ એકોસ્ટિક ફિલ્ટર તરીકે થઈ શકે છે જે ફક્ત તેની પોતાની આવર્તનના તરંગો બહાર કાઢે છે. બીજો વિકલ્પ એ છે કે ધ્વનિ જનરેટર (સાઇરન, ડિટેક્ટર, વગેરે) માં પીઝો તત્વનો એકસાથે ફ્રીક્વન્સી ટ્રાન્સડ્યુસર અને ધ્વનિ ઉત્સર્જક તરીકે ઉપયોગ કરવો. આ કિસ્સામાં ધ્વનિ હંમેશા રેઝોનન્ટ આવર્તન પર જનરેટ થશે, અને થોડી ઊર્જા વપરાશ સાથે મહત્તમ વોલ્યુમ મેળવી શકાય છે.

રેઝોનન્સ પ્રોપર્ટીઝનો ઉપયોગ રેડિયો ફ્રીક્વન્સી રેન્જમાં કાર્યરત ઓસિલેટરની ફ્રીક્વન્સીઝને સ્થિર કરવા માટે થાય છે. ક્વાર્ટઝ પ્લેટ્સ આવર્તન જાળવી રાખતા સર્કિટ્સમાં અત્યંત સ્થિર અને ઉચ્ચ ગુણવત્તાની ઓસીલેટીંગ સર્કિટ તરીકે કામ કરે છે.

અત્યાર સુધી, ઔદ્યોગિક સ્કેલ પર સ્થિતિસ્થાપક વિકૃતિની ઊર્જાને વિદ્યુત ઊર્જામાં રૂપાંતરિત કરવા માટેના અદભૂત પ્રોજેક્ટ્સ છે.તમે રાહદારીઓ અથવા કારના ગુરુત્વાકર્ષણ દ્વારા પેવમેન્ટના વિરૂપતાનો ઉપયોગ કરી શકો છો, ઉદાહરણ તરીકે, હાઇવેના ભાગોને પ્રકાશિત કરવા માટે. ઓનબોર્ડ પાવર પ્રદાન કરવા માટે વિમાનની પાંખોની વિકૃતિ ઊર્જાનો ઉપયોગ કરવો શક્ય છે. પીઝો કોશિકાઓની અપૂરતી કાર્યક્ષમતા દ્વારા આવા ઉપયોગને પ્રતિબંધિત કરવામાં આવે છે, પરંતુ પાયલોટ સ્થાપનો પહેલેથી જ બનાવવામાં આવ્યા છે, અને તેઓએ વધુ સુધારણા માટે વચન દર્શાવ્યું છે.

સંબંધિત લેખો: