పైజో మూలకం ఎలా పని చేస్తుంది మరియు పైజో ప్రభావం ఏమిటి

పైజోఎలెక్ట్రిక్ ప్రభావాన్ని 19వ శతాబ్దం చివరిలో ఫ్రెంచ్ శాస్త్రవేత్తలు, క్యూరీ సోదరులు కనుగొన్నారు. ఆ సమయంలో, కనుగొనబడిన దృగ్విషయం యొక్క ఆచరణాత్మక అనువర్తనం గురించి మాట్లాడటం చాలా తొందరగా ఉంది, కానీ నేడు పైజోఎలెక్ట్రిక్ అంశాలు ఇంజనీరింగ్ మరియు రోజువారీ జీవితంలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి.

పియెజో ప్రభావం యొక్క సారాంశం

సుప్రసిద్ధ భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు కొన్ని స్ఫటికాలు (రాక్ క్రిస్టల్, టూర్మాలిన్ మొదలైనవి) వైకల్యానికి గురైనప్పుడు విద్యుత్ ఛార్జీలు ఉత్పన్నమవుతాయని కనుగొన్నారు. సంభావ్య వ్యత్యాసం చాలా తక్కువగా ఉంది, కానీ ఆ సమయంలో ఉన్న పరికరాలు దానిని పరిష్కరించాయి మరియు కండక్టర్ల సహాయంతో భాగాలను వ్యతిరేక ఛార్జీలతో కనెక్ట్ చేయడం ద్వారా స్వీకరించడం సాధ్యమైంది. ఒక విద్యుత్ ప్రవాహం.. ఈ దృగ్విషయం కుదింపు లేదా సాగదీయడం సమయంలో డైనమిక్స్‌లో మాత్రమే నమోదు చేయబడింది. స్టాటిక్ డిఫార్మేషన్ పైజో ప్రభావాన్ని కలిగించలేదు.

త్వరలో వ్యతిరేక ప్రభావం సిద్ధాంతపరంగా నిరూపించబడింది మరియు ఆచరణలో కనుగొనబడింది - వోల్టేజ్ వర్తించినప్పుడు, క్రిస్టల్ వైకల్యం చెందింది. రెండు దృగ్విషయాలు పరస్పరం సంబంధం కలిగి ఉన్నాయని తేలింది - ఒక పదార్ధం ప్రత్యక్ష పియెజో ప్రభావాన్ని ప్రదర్శిస్తే, అది విలోమ ప్రభావాన్ని కూడా ప్రదర్శిస్తుంది మరియు దీనికి విరుద్ధంగా ఉంటుంది.

ఈ దృగ్విషయం తగినంత అసమానతతో పాటు కొన్ని పాలీక్రిస్టలైన్ నిర్మాణాలతో ఒక అనిసోట్రోపిక్ క్రిస్టల్ లాటిస్ (దిశను బట్టి వివిధ భౌతిక లక్షణాలను కలిగి ఉంటుంది) కలిగిన పదార్ధాలలో గమనించవచ్చు.

ఏదైనా ఘన శరీరంలో, అనువర్తిత బాహ్య శక్తులు వైకల్యం మరియు యాంత్రిక ఒత్తిళ్లకు కారణమవుతాయి మరియు పైజో ప్రభావాన్ని కలిగి ఉన్న పదార్ధాలలో ఛార్జీల ధ్రువణత కూడా ఉంటుంది మరియు ధ్రువణత అనువర్తిత శక్తి యొక్క దిశపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ప్రభావం యొక్క దిశ మారినప్పుడు, ధ్రువణ దిశ మరియు ఛార్జీల ధ్రువణత రెండూ మారుతాయి. మెకానికల్ వోల్టేజ్‌పై ధ్రువణత యొక్క ఆధారపడటం సరళంగా ఉంటుంది మరియు P=dt అనే వ్యక్తీకరణ ద్వారా వివరించబడుతుంది, ఇక్కడ t అనేది యాంత్రిక వోల్టేజ్ మరియు d అనేది పిజోఎలెక్ట్రిక్ మాడ్యులస్ (పైజోమోడ్యులస్) అని పిలువబడే గుణకం.

ఇదే విధమైన దృగ్విషయం విలోమ పియెజో ప్రభావంతో సంభవిస్తుంది. అనువర్తిత విద్యుత్ క్షేత్రం యొక్క దిశ మారినప్పుడు, వైకల్యం యొక్క దిశ మారుతుంది. ఇక్కడ ఆధారపడటం కూడా సరళంగా ఉంటుంది: r=dE, ఇక్కడ E అనేది విద్యుత్ క్షేత్ర బలం మరియు r అనేది స్ట్రెయిన్. అన్ని పదార్ధాలలో ప్రత్యక్ష మరియు రివర్స్ పైజో ప్రభావానికి గుణకం d ఒకే విధంగా ఉంటుంది.

నిజానికి, ఈ సమీకరణాలు అంచనాలు మాత్రమే. వాస్తవ డిపెండెన్సీలు చాలా క్లిష్టంగా ఉంటాయి మరియు క్రిస్టల్ అక్షాలకు సంబంధించి శక్తుల దిశ ద్వారా కూడా నిర్ణయించబడతాయి.

పియెజో ప్రభావంతో పదార్థాలు

పియెజో ప్రభావం మొదట రాక్ క్రిస్టల్ (క్వార్ట్జ్) యొక్క స్ఫటికాలలో కనుగొనబడింది. ఈ రోజు వరకు ఈ పదార్థం పైజోఎలెక్ట్రిక్ మూలకాల తయారీలో చాలా సాధారణం, కానీ ఉత్పత్తిలో సహజ పదార్థాలు మాత్రమే ఉపయోగించబడవు.

అనేక పైజోఎలెక్ట్రిక్ మూలకాలు ABO సూత్రంతో పదార్థాలపై ఆధారపడి ఉంటాయి₃BaTiO వంటి సూత్రం₃, PbTiO₃. ఈ పదార్థాలు పాలీక్రిస్టలైన్ (అనేక స్ఫటికాలను కలిగి ఉంటాయి) నిర్మాణాన్ని కలిగి ఉంటాయి మరియు వాటిని పైజో ప్రభావాన్ని ప్రదర్శించే సామర్థ్యాన్ని అందించడానికి అవి బాహ్య విద్యుత్ క్షేత్రం ద్వారా ధ్రువణానికి లోబడి ఉండాలి.

ఫిల్మ్ పైజోఎలెక్ట్రిక్స్ (పాలీవినైలిడిన్ ఫ్లోరైడ్, మొదలైనవి) పొందడం సాధ్యం చేసే సాంకేతికతలు ఉన్నాయి. వారికి అవసరమైన లక్షణాలను ఇవ్వడానికి, వారు చాలా కాలం పాటు విద్యుత్ క్షేత్రంలో కూడా ధ్రువపరచబడాలి. అటువంటి పదార్థాల ప్రయోజనం వారి చాలా చిన్న మందం.

పైజో ప్రభావంతో పదార్థాల లక్షణాలు మరియు లక్షణాలు

సాగే వైకల్యం సమయంలో మాత్రమే ధ్రువణత సంభవిస్తుంది కాబట్టి, పైజోమెటీరియల్ యొక్క ముఖ్యమైన లక్షణం బాహ్య శక్తుల చర్యలో ఆకారాన్ని మార్చగల సామర్థ్యం. ఈ సామర్థ్యం యొక్క విలువ సాగే సమ్మతి (లేదా సాగే దృఢత్వం) ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది.

పియెజో ప్రభావంతో స్ఫటికాలు అధిక స్థితిస్థాపకతను కలిగి ఉంటాయి - శక్తి (లేదా బాహ్య ఒత్తిడి) తొలగించబడినప్పుడు, అవి వాటి అసలు ఆకృతికి తిరిగి వస్తాయి.

పియెజో స్ఫటికాలు కూడా అంతర్గత మెకానికల్ రెసొనెన్స్ ఫ్రీక్వెన్సీని కలిగి ఉంటాయి. ఈ పౌనఃపున్యం వద్ద స్ఫటికం బలవంతంగా డోలనం చేయబడితే, వ్యాప్తి ముఖ్యంగా పెద్దదిగా ఉంటుంది.

 

మొత్తం స్ఫటికాలు మాత్రమే పైజో ప్రభావాన్ని ప్రదర్శిస్తాయి, కానీ కొన్ని పరిస్థితులలో వాటి ప్లేట్లు కూడా కత్తిరించబడతాయి కాబట్టి, వివిధ పౌనఃపున్యాల వద్ద ప్రతిధ్వనితో పైజోఎలెక్ట్రిక్ పదార్థాల ముక్కలను పొందడం సాధ్యమవుతుంది - రేఖాగణిత కొలతలు మరియు కట్ దిశను బట్టి.

యాంత్రిక నాణ్యత కారకం పైజోఎలెక్ట్రిక్ పదార్థాల వైబ్రేషనల్ లక్షణాలను కూడా వర్ణిస్తుంది. సమాన అనువర్తిత శక్తి కోసం ప్రతిధ్వని పౌనఃపున్యం వద్ద వైబ్రేషన్ వ్యాప్తి ఎన్ని సార్లు పెరుగుతుందో ఇది సూచిస్తుంది.

ఉష్ణోగ్రతపై పైజోఎలెక్ట్రిక్ లక్షణాల యొక్క స్పష్టమైన ఆధారపడటం ఉంది, ఇది స్ఫటికాలను ఉపయోగించినప్పుడు పరిగణనలోకి తీసుకోవాలి. ఈ ఆధారపడటం గుణకాల ద్వారా వర్గీకరించబడుతుంది:

• ప్రతిధ్వని పౌనఃపున్యం యొక్క ఉష్ణోగ్రత గుణకం స్ఫటికాన్ని వేడిచేసినప్పుడు/శీతలీకరించినప్పుడు ప్రతిధ్వని ఎంత దూరం వెళుతుందో చూపిస్తుంది;
• విస్తరణ యొక్క ఉష్ణోగ్రత కోఎఫీషియంట్ ఉష్ణోగ్రతతో పియెజో పొర యొక్క సరళ కొలతలు ఎంత మారుతుందో నిర్ణయిస్తుంది.

ఒక నిర్దిష్ట ఉష్ణోగ్రత వద్ద, పైజోక్రిస్టల్ దాని లక్షణాలను కోల్పోతుంది.ఈ పరిమితిని క్యూరీ ఉష్ణోగ్రత అంటారు. ఈ పరిమితి ప్రతి పదార్థానికి వ్యక్తిగతమైనది. ఉదాహరణకు, క్వార్ట్జ్ కోసం ఇది +573 °C.

పైజో ప్రభావం యొక్క ఆచరణాత్మక ఉపయోగం

పియెజో కణాల యొక్క బాగా తెలిసిన ఉపయోగం జ్వలన మూలకం. పైజో ప్రభావం పాకెట్ లైటర్లలో లేదా గ్యాస్ స్టవ్‌ల కోసం వంటగది ఇగ్నైటర్లలో ఉపయోగించబడుతుంది. క్రిస్టల్ నొక్కినప్పుడు, సంభావ్య వ్యత్యాసం సృష్టించబడుతుంది మరియు గాలి ఖాళీలో స్పార్క్ కనిపిస్తుంది.

ఇది పైజోఎలెక్ట్రిక్ ఎలిమెంట్స్ యొక్క అప్లికేషన్ ఫీల్డ్ యొక్క ముగింపు కాదు. సారూప్య ప్రభావాన్ని కలిగి ఉన్న స్ఫటికాలను స్ట్రెయిన్ సెన్సార్‌లుగా ఉపయోగించవచ్చు, అయితే ఈ అప్లికేషన్ యొక్క ఫీల్డ్ పైజో ప్రభావం యొక్క ఆస్తి ద్వారా డైనమిక్స్‌లో మాత్రమే కనిపించడానికి పరిమితం చేయబడింది - మార్పులు ఆగిపోయినట్లయితే, సిగ్నల్ ఉత్పత్తి చేయబడదు.

పియెజో స్ఫటికాలను మైక్రోఫోన్‌గా ఉపయోగించవచ్చు - ధ్వని తరంగాలకు గురైనప్పుడు విద్యుత్ సంకేతాలు ఉత్పన్నమవుతాయి. విలోమ పియెజో ప్రభావం అటువంటి మూలకాలను ధ్వని ఉద్గారకాలుగా ఉపయోగించడానికి (కొన్నిసార్లు ఏకకాలంలో) అనుమతిస్తుంది. క్రిస్టల్‌కు ఎలక్ట్రికల్ సిగ్నల్ వర్తింపజేసినప్పుడు, పియెజో మూలకం శబ్ద తరంగాలను ఉత్పత్తి చేయడం ప్రారంభిస్తుంది.

ఇటువంటి ఉద్గారకాలు అల్ట్రాసోనిక్ తరంగాలను రూపొందించడానికి, ముఖ్యంగా వైద్య సాంకేతికతలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడతాయి. వద్ద వద్ద ప్లేట్ యొక్క ప్రతిధ్వని లక్షణాలను కూడా ఉపయోగించవచ్చు. ఇది దాని స్వంత ఫ్రీక్వెన్సీ యొక్క తరంగాలను మాత్రమే విడుదల చేసే శబ్ద వడపోతగా ఉపయోగించవచ్చు. సౌండ్ జనరేటర్‌లో (సైరన్, డిటెక్టర్ మొదలైనవి) పియెజో ఎలిమెంట్‌ను ఏకకాలంలో ఫ్రీక్వెన్సీ ట్రాన్స్‌డ్యూసర్‌గా మరియు సౌండ్ ఎమిటర్‌గా ఉపయోగించడం మరొక ఎంపిక. ఈ సందర్భంలో ధ్వని ఎల్లప్పుడూ ప్రతిధ్వని ఫ్రీక్వెన్సీ వద్ద ఉత్పత్తి చేయబడుతుంది మరియు తక్కువ శక్తి వినియోగంతో గరిష్ట వాల్యూమ్ పొందవచ్చు.

రేడియో ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో పనిచేసే ఓసిలేటర్ల ఫ్రీక్వెన్సీలను స్థిరీకరించడానికి ప్రతిధ్వని లక్షణాలు ఉపయోగించబడతాయి. క్వార్ట్జ్ ప్లేట్లు ఫ్రీక్వెన్సీ-నిలుపుకునే సర్క్యూట్‌లలో అత్యంత స్థిరమైన మరియు అధిక నాణ్యత గల ఓసిలేటింగ్ సర్క్యూట్‌లుగా పనిచేస్తాయి.

ఇప్పటివరకు, పారిశ్రామిక స్థాయిలో సాగే వైకల్యం యొక్క శక్తిని విద్యుత్ శక్తిగా మార్చడానికి అద్భుతమైన ప్రాజెక్టులు ఉన్నాయి.మీరు పాదచారులు లేదా కార్ల గురుత్వాకర్షణ ద్వారా పేవ్‌మెంట్ యొక్క వైకల్పనాన్ని ఉపయోగించవచ్చు, ఉదాహరణకు, హైవేల యొక్క లైట్ విభాగాలకు. ఆన్‌బోర్డ్ శక్తిని అందించడానికి విమానం రెక్కల వైకల్య శక్తిని ఉపయోగించడం సాధ్యమవుతుంది. ఇటువంటి ఉపయోగం పియెజో కణాల తగినంత సామర్థ్యంతో పరిమితం చేయబడింది, అయితే పైలట్ ఇన్‌స్టాలేషన్‌లు ఇప్పటికే సృష్టించబడ్డాయి మరియు అవి మరింత మెరుగుపడతాయని వాగ్దానం చేశాయి.

సంబంధిత కథనాలు: