पायझो घटक कसे कार्य करते आणि पायझो प्रभाव काय आहे

19व्या शतकाच्या शेवटी क्युरी बंधूंनी, फ्रेंच शास्त्रज्ञांनी पिझोइलेक्ट्रिक प्रभावाचा शोध लावला. त्या वेळी, शोधलेल्या घटनेच्या व्यावहारिक अनुप्रयोगाबद्दल बोलणे खूप लवकर होते, परंतु आज पायझोइलेक्ट्रिक घटक अभियांत्रिकी आणि दैनंदिन जीवनात मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात.

पायझो प्रभावाचे सार

सुप्रसिद्ध भौतिकशास्त्रज्ञांना असे आढळून आले की जेव्हा विशिष्ट क्रिस्टल्स (रॉक क्रिस्टल, टूमलाइन इ.) त्यांच्या बाजूंवर विकृत होतात तेव्हा विद्युत शुल्क उद्भवते. संभाव्य फरक क्षुल्लक होता, परंतु त्या वेळी अस्तित्वात असलेल्या उपकरणांनी ते निश्चित केले आणि कंडक्टरच्या मदतीने विरुद्ध शुल्कासह भाग जोडून ते प्राप्त करणे शक्य झाले. विद्युत प्रवाह.. इंद्रियगोचर केवळ डायनॅमिक्समध्ये, कॉम्प्रेशन किंवा स्ट्रेचिंगच्या क्षणी रेकॉर्ड केले गेले. स्थिर विकृतीमुळे पायझो परिणाम झाला नाही.

लवकरच उलट परिणाम सैद्धांतिकदृष्ट्या सिद्ध झाला आणि व्यवहारात शोधला गेला - जेव्हा व्होल्टेज लागू केले गेले तेव्हा क्रिस्टल विकृत झाला. असे दिसून आले की दोन घटना एकमेकांशी संबंधित आहेत - जर एखादा पदार्थ थेट पायझो प्रभाव प्रदर्शित करतो, तर तो उलट परिणाम देखील प्रदर्शित करतो आणि उलट.

ही घटना एनिसोट्रॉपिक क्रिस्टल जाळी असलेल्या पदार्थांमध्ये (दिशेनुसार भिन्न भौतिक गुणधर्म असतात) पुरेशी विषमता, तसेच काही पॉलीक्रिस्टलाइन रचनांमध्ये दिसून येते.

कोणत्याही घन शरीरात, लागू केलेल्या बाह्य शक्तींमुळे विकृती आणि यांत्रिक ताण येतो आणि पिझो प्रभाव असलेल्या पदार्थांमध्ये शुल्कांचे ध्रुवीकरण देखील होते आणि ध्रुवीकरण लागू केलेल्या शक्तीच्या दिशेवर अवलंबून असते. जेव्हा प्रभावाची दिशा बदलते तेव्हा ध्रुवीकरणाची दिशा आणि शुल्काची ध्रुवीयता दोन्ही बदलतात. यांत्रिक व्होल्टेजवर ध्रुवीकरणाचे अवलंबन रेषीय असते आणि P=dt या अभिव्यक्तीद्वारे वर्णन केले जाते, जेथे t यांत्रिक व्होल्टेज आहे आणि d हा पायझोइलेक्ट्रिक मॉड्यूलस (पीझोमोड्युलस) नावाचा गुणांक आहे.

उलट पायझो प्रभावासह अशीच घटना घडते. जेव्हा लागू विद्युत क्षेत्राची दिशा बदलते तेव्हा विकृतीची दिशा बदलते. येथे अवलंबन देखील रेखीय आहे: r=dE, जेथे E विद्युत क्षेत्राची ताकद आहे आणि r हा ताण आहे. सर्व पदार्थांमधील डायरेक्ट आणि रिव्हर्स पायझो इफेक्टसाठी गुणांक d समान आहे.

खरे तर ही समीकरणे केवळ अंदाज आहेत. वास्तविक अवलंबित्व अधिक क्लिष्ट आहेत आणि ते क्रिस्टल अक्षांच्या सापेक्ष बलांच्या दिशेने देखील निर्धारित केले जातात.

पायझो प्रभाव असलेले पदार्थ

पायझो प्रभाव प्रथम रॉक क्रिस्टल (क्वार्ट्ज) च्या क्रिस्टल्समध्ये आढळला. आजपर्यंत ही सामग्री पायझोइलेक्ट्रिक घटकांच्या निर्मितीमध्ये खूप सामान्य आहे, परंतु उत्पादनात केवळ नैसर्गिक सामग्री वापरली जात नाही.

अनेक पायझोइलेक्ट्रिक घटक ABO सूत्र असलेल्या सामग्रीवर आधारित असतात₃सूत्र, जसे की BaTiO₃, PbTiO₃. या सामग्रीमध्ये पॉलीक्रिस्टलाइन (अनेक क्रिस्टल्स असलेली) रचना असते आणि त्यांना पायझो प्रभाव प्रदर्शित करण्याची क्षमता देण्यासाठी बाह्य विद्युत क्षेत्राद्वारे त्यांचे ध्रुवीकरण करणे आवश्यक आहे.

अशी तंत्रज्ञाने आहेत जी फिल्म पायझोइलेक्ट्रिक्स (पॉलीव्हिनिलिडेन फ्लोराइड इ.) मिळवणे शक्य करतात. त्यांना आवश्यक गुणधर्म देण्यासाठी, त्यांना बर्याच काळासाठी इलेक्ट्रिक फील्डमध्ये ध्रुवीकरण देखील करणे आवश्यक आहे. अशा सामग्रीचा फायदा म्हणजे त्यांची खूप लहान जाडी.

पिझो इफेक्टसह पदार्थांचे गुणधर्म आणि वैशिष्ट्ये

ध्रुवीकरण केवळ लवचिक विकृती दरम्यान होत असल्याने, पायझोमटेरियलचे एक महत्त्वाचे वैशिष्ट्य म्हणजे बाह्य शक्तींच्या कृती अंतर्गत आकार बदलण्याची क्षमता. या क्षमतेचे मूल्य लवचिक अनुपालन (किंवा लवचिक कडकपणा) द्वारे निर्धारित केले जाते.

पायझो इफेक्टसह क्रिस्टल्समध्ये उच्च लवचिकता असते - जेव्हा शक्ती (किंवा बाह्य ताण) काढून टाकली जाते, तेव्हा ते त्यांच्या मूळ आकारात परत येतात.

पायझो क्रिस्टल्समध्ये आंतरिक यांत्रिक अनुनाद वारंवारता देखील असते. या वारंवारतेवर क्रिस्टलला दोलन करण्यास भाग पाडल्यास, मोठेपणा विशेषतः मोठा असेल.

 

केवळ संपूर्ण क्रिस्टल्सच पिझो इफेक्ट दाखवत नसून त्यातील प्लेट्सही काही विशिष्ट परिस्थितींमध्ये कापल्या जात असल्याने, भौमितिक परिमाण आणि कटची दिशा यावर अवलंबून - वेगवेगळ्या फ्रिक्वेन्सीवर रेझोनान्ससह पायझोइलेक्ट्रिक सामग्रीचे तुकडे मिळवणे शक्य आहे.

यांत्रिक गुणवत्तेचा घटक पायझोइलेक्ट्रिक सामग्रीचे कंपन गुणधर्म देखील दर्शवतो. हे समान लागू केलेल्या बलासाठी रेझोनंट फ्रिक्वेन्सीमध्ये कंपन मोठेपणा किती वेळा वाढते हे दर्शवते.

तापमानावर पायझोइलेक्ट्रिक गुणधर्मांचे स्पष्ट अवलंबन आहे, जे क्रिस्टल्स वापरताना लक्षात घेतले पाहिजे. हे अवलंबित्व गुणांकांद्वारे दर्शविले जाते:

• रेझोनंट फ्रिक्वेन्सीचे तापमान गुणांक क्रिस्टल गरम/थंड केल्यावर अनुनाद किती निघून जातो हे दर्शविते;
• विस्ताराचे तापमान गुणांक तापमानासह पायझो वेफरचे रेषीय परिमाण किती बदलतात हे निर्धारित करते.

विशिष्ट तापमानात, पायझोक्रिस्टल त्याचे गुणधर्म गमावते.या मर्यादेला क्युरी तापमान म्हणतात. ही मर्यादा प्रत्येक सामग्रीसाठी वैयक्तिक आहे. उदाहरणार्थ, क्वार्ट्जसाठी ते +573 °C आहे.

पायझो इफेक्टचा व्यावहारिक वापर

इग्निशन एलिमेंट म्हणून पायझो सेलचा सर्वोत्कृष्ट वापर केला जातो. पायझो इफेक्ट पॉकेट लाइटरमध्ये किंवा गॅस स्टोव्हसाठी किचन इग्निटरमध्ये वापरला जातो. जेव्हा क्रिस्टल दाबला जातो तेव्हा संभाव्य फरक तयार होतो आणि हवेच्या अंतरामध्ये स्पार्क दिसून येतो.

पायझोइलेक्ट्रिक घटकांच्या अनुप्रयोगाच्या क्षेत्राचा हा शेवट नाही. समान प्रभाव असलेल्या क्रिस्टल्सचा वापर स्ट्रेन सेन्सर म्हणून केला जाऊ शकतो, परंतु अनुप्रयोगाचे हे क्षेत्र केवळ डायनॅमिक्समध्ये दिसण्यासाठी पायझो इफेक्टच्या गुणधर्माद्वारे मर्यादित आहे - जर बदल थांबले असतील, तर सिग्नल तयार होणे थांबेल.

पायझो क्रिस्टल्सचा वापर मायक्रोफोन म्हणून केला जाऊ शकतो - जेव्हा ध्वनिक लहरींच्या संपर्कात येतात तेव्हा विद्युत सिग्नल तयार होतात. इनव्हर्स पायझो इफेक्ट अशा घटकांना (कधीकधी एकाच वेळी) ध्वनी उत्सर्जक म्हणून वापरण्याची परवानगी देतो. जेव्हा क्रिस्टलवर इलेक्ट्रिकल सिग्नल लागू केला जातो, तेव्हा पायझो घटक ध्वनिक लहरी निर्माण करण्यास सुरवात करेल.

अशा उत्सर्जकांचा वापर प्रचंड कंपनसंख्या असलेल्या (ध्वनिलहरी) लाटा तयार करण्यासाठी केला जातो, विशेषतः वैद्यकीय तंत्रज्ञानामध्ये. येथे येथे प्लेटचे अनुनाद गुणधर्म देखील वापरले जाऊ शकतात. हे ध्वनिक फिल्टर म्हणून वापरले जाऊ शकते जे केवळ स्वतःच्या वारंवारतेच्या लाटा उत्सर्जित करते. दुसरा पर्याय म्हणजे ध्वनी जनरेटरमध्ये (सायरन, डिटेक्टर, इ.) एक पायझो घटक एकाच वेळी वारंवारता ट्रान्सड्यूसर आणि ध्वनी उत्सर्जक म्हणून वापरणे. या प्रकरणात ध्वनी नेहमी रेझोनंट फ्रिक्वेंसीवर व्युत्पन्न केला जाईल आणि कमी उर्जेच्या वापरासह जास्तीत जास्त व्हॉल्यूम मिळवता येईल.

रेझोनान्स गुणधर्मांचा वापर रेडिओ फ्रिक्वेंसी रेंजमध्ये कार्यरत ऑसिलेटरच्या फ्रिक्वेन्सी स्थिर करण्यासाठी केला जातो. क्वार्ट्ज प्लेट्स फ्रिक्वेंसी-रिटेनिंग सर्किट्समध्ये अत्यंत स्थिर आणि उच्च दर्जाचे ऑसीलेटिंग सर्किट म्हणून काम करतात.

आतापर्यंत, औद्योगिक स्तरावर लवचिक विकृतीची ऊर्जा विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतरित करण्यासाठी विलक्षण प्रकल्प आहेत.आपण पादचारी किंवा कारच्या गुरुत्वाकर्षणाद्वारे फुटपाथच्या विकृतीचा वापर करू शकता, उदाहरणार्थ, महामार्गांच्या भागांना प्रकाश देण्यासाठी. विमानाच्या पंखांची विकृत ऊर्जा वापरून जहाजावरील शक्ती प्रदान करणे शक्य आहे. पायझो सेलच्या अपुर्‍या कार्यक्षमतेमुळे असा वापर प्रतिबंधित आहे, परंतु पायलट स्थापना आधीच तयार केली गेली आहे आणि त्यांनी पुढील सुधारणा करण्याचे आश्वासन दिले आहे.

संबंधित लेख: