पीजो तत्व कैसे काम करता है और पीजो प्रभाव क्या है

पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव की खोज 19वीं शताब्दी के अंत में फ्रांसीसी वैज्ञानिकों, क्यूरी बंधुओं ने की थी। उस समय, खोजी गई घटना के व्यावहारिक अनुप्रयोग के बारे में बात करना जल्दबाजी होगी, लेकिन आज पीजोइलेक्ट्रिक तत्वों का व्यापक रूप से इंजीनियरिंग और रोजमर्रा की जिंदगी दोनों में उपयोग किया जाता है।

पीजो प्रभाव का सार

प्रसिद्ध भौतिकविदों ने पाया कि जब कुछ क्रिस्टल (रॉक क्रिस्टल, टूमलाइन, आदि) उनके पहलुओं पर विकृत होते हैं, तो विद्युत आवेश उत्पन्न होते हैं। संभावित अंतर नगण्य था, लेकिन उस समय मौजूद उपकरणों ने इसे ठीक कर दिया, और कंडक्टरों की मदद से भागों को विपरीत चार्ज से जोड़कर प्राप्त करना संभव था एक विद्युत प्रवाह।. घटना केवल गतिकी में, संपीड़न या खिंचाव के समय दर्ज की गई थी। स्थैतिक विरूपण ने पीजो प्रभाव का कारण नहीं बनाया।

जल्द ही विपरीत प्रभाव सैद्धांतिक रूप से सिद्ध हो गया और व्यवहार में खोजा गया - जब वोल्टेज लागू किया गया, तो क्रिस्टल विकृत हो गया। यह पता चला कि दो घटनाएं परस्पर संबंधित हैं - यदि कोई पदार्थ प्रत्यक्ष पीजो प्रभाव प्रदर्शित करता है, तो यह उलटा प्रभाव भी प्रदर्शित करता है, और इसके विपरीत।

घटना पर्याप्त विषमता के साथ-साथ कुछ पॉलीक्रिस्टलाइन संरचनाओं के साथ अनिसोट्रोपिक क्रिस्टल जाली (जिसमें दिशा के आधार पर अलग-अलग भौतिक गुण होते हैं) के साथ पदार्थों में देखी जाती है।

किसी भी ठोस पिंड में, लागू बाहरी बल विरूपण और यांत्रिक तनाव का कारण बनते हैं, और पीजो प्रभाव वाले पदार्थों में भी आवेशों का ध्रुवीकरण होता है, और ध्रुवीकरण लागू बल की दिशा पर निर्भर करता है। जब प्रभाव की दिशा बदलती है, तो ध्रुवीकरण की दिशा और आवेशों की ध्रुवता दोनों बदल जाती हैं। यांत्रिक वोल्टेज पर ध्रुवीकरण की निर्भरता रैखिक है और अभिव्यक्ति पी = डीटी द्वारा वर्णित है, जहां टी यांत्रिक वोल्टेज है और डी एक गुणांक है जिसे पीजोइलेक्ट्रिक मॉड्यूलस (पीज़ोमोडुलस) कहा जाता है।

इसी तरह की घटना व्युत्क्रम पीजो प्रभाव के साथ होती है। जब लागू विद्युत क्षेत्र की दिशा बदलती है, तो विरूपण की दिशा बदल जाती है। यहां निर्भरता भी रैखिक है: आर = डीई, जहां ई विद्युत क्षेत्र की ताकत है और आर तनाव है। गुणांक d सभी पदार्थों में प्रत्यक्ष और विपरीत पीजो प्रभाव के लिए समान है।

वास्तव में, ये समीकरण केवल अनुमान हैं। वास्तविक निर्भरताएं बहुत अधिक जटिल हैं और क्रिस्टल कुल्हाड़ियों के सापेक्ष बलों की दिशा से भी निर्धारित होती हैं।

पीजो प्रभाव वाले पदार्थ

पीजो प्रभाव सबसे पहले रॉक क्रिस्टल (क्वार्ट्ज) के क्रिस्टल में पाया गया था। आज तक यह सामग्री पीजोइलेक्ट्रिक तत्वों के निर्माण में बहुत आम है, लेकिन उत्पादन में न केवल प्राकृतिक सामग्री का उपयोग किया जाता है।

कई पीजोइलेक्ट्रिक तत्व सूत्र ABO . के साथ सामग्री पर आधारित होते हैं₃सूत्र, जैसे BaTiO₃, पीबीटीआईओ₃. इन सामग्रियों में एक पॉलीक्रिस्टलाइन (कई क्रिस्टल से मिलकर) संरचना होती है, और उन्हें पीजो प्रभाव प्रदर्शित करने की क्षमता देने के लिए उन्हें बाहरी विद्युत क्षेत्र के माध्यम से ध्रुवीकरण के अधीन किया जाना चाहिए।

ऐसी प्रौद्योगिकियां हैं जो फिल्म पीजोइलेक्ट्रिक्स (पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड, आदि) प्राप्त करना संभव बनाती हैं। उन्हें आवश्यक गुण देने के लिए, उन्हें लंबे समय तक विद्युत क्षेत्र में ध्रुवीकृत भी किया जाना चाहिए। ऐसी सामग्रियों का लाभ उनकी बहुत छोटी मोटाई है।

पीजो प्रभाव वाले पदार्थों के गुण और विशेषताएं

चूंकि ध्रुवीकरण केवल लोचदार विरूपण के दौरान होता है, एक पीजोमटेरियल की एक महत्वपूर्ण विशेषता बाहरी ताकतों की कार्रवाई के तहत आकार बदलने की क्षमता है। इस क्षमता का मूल्य लोचदार अनुपालन (या लोचदार कठोरता) द्वारा निर्धारित किया जाता है।

पीजो प्रभाव वाले क्रिस्टल में उच्च लोच होता है - जब बल (या बाहरी तनाव) हटा दिया जाता है, तो वे अपने मूल आकार में लौट आते हैं।

पीजो क्रिस्टल में एक आंतरिक यांत्रिक अनुनाद आवृत्ति भी होती है। यदि क्रिस्टल को इस आवृत्ति पर दोलन करने के लिए मजबूर किया जाता है, तो आयाम विशेष रूप से बड़ा होगा।

 

चूंकि न केवल पूरे क्रिस्टल पीजो प्रभाव प्रदर्शित करते हैं, बल्कि उनमें से प्लेटों को भी कुछ शर्तों के तहत काटा जाता है, इसलिए विभिन्न आवृत्तियों पर अनुनाद के साथ पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के टुकड़े प्राप्त करना संभव है - ज्यामितीय आयामों और कट की दिशा के आधार पर।

यांत्रिक गुणवत्ता कारक भी पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के कंपन गुणों की विशेषता है। यह इंगित करता है कि समान लागू बल के लिए अनुनाद आवृत्ति पर कंपन आयाम कितनी बार बढ़ता है।

तापमान पर पीजोइलेक्ट्रिक गुणों की स्पष्ट निर्भरता है, जिसे क्रिस्टल का उपयोग करते समय ध्यान में रखा जाना चाहिए। यह निर्भरता गुणांक द्वारा विशेषता है:

• गुंजयमान आवृत्ति का तापमान गुणांक दर्शाता है कि क्रिस्टल को गर्म/ठंडा करने पर प्रतिध्वनि कितनी दूर जाती है;
• विस्तार का तापमान गुणांक यह निर्धारित करता है कि पीजो वेफर के रैखिक आयाम तापमान के साथ कितना बदलते हैं।

एक निश्चित तापमान पर, पीजोक्रिस्टल अपने गुणों को खो देता है।इस सीमा को क्यूरी तापमान कहते हैं। यह सीमा प्रत्येक सामग्री के लिए अलग-अलग है। उदाहरण के लिए, क्वार्ट्ज के लिए यह +573 डिग्री सेल्सियस है।

पीजो प्रभाव का व्यावहारिक उपयोग

पीजो कोशिकाओं का सबसे अच्छा ज्ञात उपयोग प्रज्वलन तत्व के रूप में है। पीजो इफेक्ट का उपयोग पॉकेट लाइटर में या गैस स्टोव के लिए किचन इग्नाइटर में किया जाता है। जब क्रिस्टल को दबाया जाता है, तो एक संभावित अंतर पैदा होता है और हवा के अंतराल में एक चिंगारी दिखाई देती है।

यह पीजोइलेक्ट्रिक तत्वों के अनुप्रयोग के क्षेत्र का अंत नहीं है। एक समान प्रभाव वाले क्रिस्टल का उपयोग तनाव सेंसर के रूप में किया जा सकता है, लेकिन आवेदन का यह क्षेत्र पीजो प्रभाव की संपत्ति द्वारा केवल गतिशीलता में प्रकट होने के लिए सीमित है - यदि परिवर्तन बंद हो गए हैं, तो संकेत उत्पन्न होना बंद हो जाता है।

पीजो क्रिस्टल का उपयोग माइक्रोफोन के रूप में किया जा सकता है - जब ध्वनिक तरंगों के संपर्क में आते हैं तो विद्युत संकेत उत्पन्न होते हैं। उलटा पीजो प्रभाव भी (कभी-कभी एक साथ) ऐसे तत्वों को ध्वनि उत्सर्जक के रूप में उपयोग करने की अनुमति देता है। जब क्रिस्टल पर एक विद्युत संकेत लगाया जाता है, तो पीजो तत्व ध्वनिक तरंगें उत्पन्न करना शुरू कर देगा।

ऐसे उत्सर्जक व्यापक रूप से अल्ट्रासोनिक तरंगों को बनाने के लिए उपयोग किए जाते हैं, विशेष रूप से चिकित्सा प्रौद्योगिकी में। पर पर प्लेट के अनुनाद गुणों का भी उपयोग किया जा सकता है। इसका उपयोग ध्वनिक फिल्टर के रूप में किया जा सकता है जो केवल अपनी आवृत्ति की तरंगों का उत्सर्जन करता है। एक अन्य विकल्प एक ध्वनि जनरेटर (सायरन, डिटेक्टर, आदि) में एक पीजो तत्व का एक साथ आवृत्ति ट्रांसड्यूसर और एक ध्वनि उत्सर्जक के रूप में उपयोग करना है। इस मामले में ध्वनि हमेशा गुंजयमान आवृत्ति पर उत्पन्न होगी, और कम ऊर्जा खपत के साथ अधिकतम मात्रा प्राप्त की जा सकती है।

रेडियो फ्रीक्वेंसी रेंज में काम कर रहे ऑसिलेटर्स की फ्रीक्वेंसी को स्थिर करने के लिए रेज़ोनेंस प्रॉपर्टीज का इस्तेमाल किया जाता है। क्वार्ट्ज प्लेट्स फ़्रीक्वेंसी-रिटेनिंग सर्किट में अत्यधिक स्थिर और उच्च गुणवत्ता वाले ऑसिलेटिंग सर्किट के रूप में कार्य करते हैं।

अब तक, औद्योगिक पैमाने पर लोचदार विरूपण की ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए शानदार परियोजनाएं हैं।आप पैदल चलने वालों या कारों के गुरुत्वाकर्षण द्वारा फुटपाथ के विरूपण का उपयोग कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, राजमार्गों के प्रकाश वर्गों के लिए। जहाज पर शक्ति प्रदान करने के लिए हवाई जहाज के पंखों की विरूपण ऊर्जा का उपयोग करना संभव है। इस तरह का उपयोग पीजो कोशिकाओं की अपर्याप्त दक्षता से बाधित है, लेकिन पायलट इंस्टॉलेशन पहले ही बनाए जा चुके हैं, और उन्होंने आगे सुधार के लिए वादा दिखाया है।

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