Materiali piezoelettrici esistono dalla fine degli anni '80 e hanno aperto la strada a molte invenzioni rivoluzionarie. Servire sotto forma di SOGNARE nella guerra mondiale questi materiali hanno ora catturato l'attenzione degli inventori per la loro caratteristiche mistiche . Reti di sensori wireless , Internet delle cose governa l'era tecnica del 21 ° secolo. Per mantenere attive e funzionanti queste novità, il fabbisogno energetico è diventato la sfida più grande. Cerca un prodotto sostenibile, affidabile, energia rinnovabile fonte ha indotto i ricercatori a imbattersi in mietitrici pionieristiche - il materiali piezoelettrici . Partiamo per un viaggio alla scoperta di questa nuova era mietitrici.
Cos'è il materiale piezoelettrico?
Per sapere cosa a materiale piezoelettrico bisogna sapere che cosa significa il termine piezoelettrico ?. Nel PIEZOELETTRICITÀ il termine 'piezo' sta per pressione o stress. Così piezoelettricità è definita come 'Elettricità generata dall'applicazione di stress o tensione meccanica' e i materiali che presentano questa proprietà rientrano nella categoria di materiali piezoelettrici . Il merito della scoperta di questi materiali va a Sir Jacques Curie (1856-1941) e Pierre Curie (1859-1906) . Durante la sperimentazione con alcuni minerali cristallini come il quarzo, lo zucchero di canna, ecc ... hanno scoperto che l'applicazione di forza o tensione su questi materiali generava tensioni di polarità opposte con grandezze proporzionali al carico applicato. Questo fenomeno è stato chiamato come Diretto Effetto piezo .
L'anno successivo Lippman ha scoperto l'effetto Converse affermando che uno di questi cristalli generatori di tensione, quando esposto a un campo elettrico, si allunga o si accorcia in base alla polarità del campo applicato. Materiali piezoelettrici è stato riconosciuto con il loro ruolo nella prima guerra mondiale quando il quarzo è stato utilizzato come risonatore in SONAR. Durante il periodo della seconda guerra mondiale, fu scoperto materiale piezoelettrico sintetico, che in seguito portò all'intenso sviluppo di dispositivi piezoelettrici . Prima di utilizzare un materiale piezoelettrico, è necessario sapere quali caratteristiche rendono questi materiali piezoelettrici.
Proprietà del materiale piezoelettrico e come funziona?
Il segreto dei materiali piezoelettrici risiede nella loro struttura atomica unica. I materiali piezoelettrici sono legati ionicamente e contengono ioni positivi e negativi sotto forma di coppie chiamate celle unitarie. Questi materiali sono disponibili in natura come un dielettrico anisotropo con reticolo cristallino non centrosimmetrico cioè non hanno cariche elettriche libere e gli ioni mancano di un centro di simmetria.
Effetto piezoelettrico diretto
Quando lo stress meccanico o l'attrito viene applicato su questi materiali, la geometria della struttura atomica del cristallo cambia a causa del movimento netto di ioni positivi e negativi l'uno rispetto all'altro, risultando in dipolo elettrico o Polarizzazione . Così il cristallo cambia da un materiale dielettrico a un materiale carico. La quantità di tensione generata è direttamente proporzionale alla quantità di stress o tensione applicata al cristallo.
Effetto piezoelettrico diretto
Converse effetto piezoelettrico
quando elettricità a questi cristalli compaiono dei dipoli elettrici, che formano il movimento del dipolo che provoca la deformazione del cristallo, dando così origine a converse effetto piezoelettrico come mostrato in figura.
Converse effetto piezoelettrico
Materiali piezoelettrici sintetici
Artificiale materiali piezoelettrici piace ceramica piezoelettrica mostrano polarizzazione spontanea (proprietà ferroelettrica) cioè il dipolo esiste nella loro struttura anche quando non viene applicato alcun campo elettrico. Qui la quantità di effetto piezoelettrico prodotto dipende fortemente dalla loro struttura atomica. I dipoli presenti nella struttura formano domini-regioni in cui i dipoli vicini hanno lo stesso allineamento. Inizialmente, questi domini sono orientati in modo casuale, quindi non causando polarizzazione netta.
Struttura cristallina di perovskite sopra e sotto il punto di Curie
Applicando un forte campo elettrico CC a queste ceramiche quando passano attraverso il loro punto di Curie, i domini si allineano nella direzione del campo elettrico applicato. Questo processo è chiamato sondaggio . Dopo il raffreddamento a temperatura ambiente e la rimozione del campo elettrico applicato, tutti i domini mantengono il loro orientamento. Dopo il completamento di questo processo, la ceramica si presenta l'effetto piezoelettrico . I materiali piezoelettrici esistenti naturali come il quarzo non vengono visualizzati comportamento ferroelettrico .
Equazione piezoelettrica
L'effetto piezoelettrico può essere descritto con quanto segue Equazioni di accoppiamento piezoelettrico
Effetto piezoelettrico diretto: S = sE .T + d. E
Effetto piezoelettrico Converse: D = d.T + εT.E
Dove,
D = vettore di spostamento elettrico
T = il vettore dello stress
sE = matrice di coefficienti elastici a intensità di campo elettrico costante,
S = vettore di deformazione
εT = matrice dielettrica a deformazione meccanica costante
E = vettore del campo elettrico
d = effetto piezoelettrico diretto o inverso
Il campo elettrico applicato in direzioni diverse genera diverse quantità di stress nei materiali piezoelettrici. Quindi le convenzioni dei segni vengono utilizzate insieme ai coefficienti per conoscere la direzione del campo applicato. Per determinare la direzione, gli assi 1, 2, 3 vengono utilizzati in modo analogo a X, Y, Z. La polarizzazione è sempre applicata nella direzione di 3. Il coefficiente con doppi pedici mette in relazione le caratteristiche elettriche e meccaniche con il primo pedice che descrive la direzione del campo elettrico in funzione della tensione applicata o della carica prodotta. Il secondo pedice dà la direzione dello stress meccanico.
Il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico si presenta in due forme. Il primo è il termine di attivazione d e il secondo è il sensore termine g. I coefficienti piezoelettrici insieme alle loro notazioni possono essere spiegati con d33
Dove,
d specifica che la sollecitazione applicata è nella terza direzione.
3 specifica che gli elettrodi sono perpendicolari al 3 ° asse.
3 specifica la costante piezoelettrica.
Come funziona il materiale piezoelettrico?
Come spiegato sopra, i materiali piezoelettrici possono funzionare due modalità :
- L'effetto piezoelettrico diretto
- Converse effetto piezoelettrico
Facciamo un esempio per ciascuno per comprendere l'applicazione di queste modalità.
Generatore di colpi di guarigione che utilizza l'effetto piezoelettrico diretto:
DARPA ha sviluppato questo dispositivo per dotare i soldati di un generatore di corrente portatile. Il materiale piezoelettrico impiantato nelle scarpe subisce uno stress meccanico quando il soldato cammina. A causa diretta proprietà piezoelettrica , il materiale produce carica elettrica a causa di questo stress meccanico. Questa carica è immagazzinata in il condensatore o batterie che in tal modo possono essere utilizzati per caricare i propri dispositivi elettronici in movimento.
Heal Strike Generator
Oscillatore in cristallo di quarzo negli orologi che utilizza l'effetto piezoelettrico Converse
Gli orologi contengono un file cristallo di quarzo . Quando l'elettricità dalla batteria viene applicata a questo cristallo attraverso un circuito si verifica un effetto piezoelettrico inverso. A causa di questo effetto all'applicazione della carica elettrica, il cristallo inizia ad oscillare con una frequenza di 32768 volte al secondo. Il microchip presente nel circuito conta queste oscillazioni e genera un impulso regolare al secondo che fa girare le lancette dei secondi dell'orologio.
Converse effetto piezo utilizzato negli orologi
Usi dei materiali piezoelettrici
Grazie al suo unico caratteristiche, materiali piezoelettrici hanno acquisito un ruolo importante in varie invenzioni tecnologiche.
Uso dell'effetto piezoelettrico diretto
- Nelle stazioni ferroviarie del Giappone il concetto di ' fattoria della folla 'È stato testato in cui i passi dei pedoni sulle tegole piezoelettriche incorporate nella strada possono generare elettricità.
- Nel 2008 una discoteca di Londra costruisce il primo pavimento ecologico costituito da materiale piezoelettrico in grado di generare elettricità per accendere le lampadine quando si balla.
- L'effetto piezoelettrico trova utile applicazione come filtri di frequenza meccanici, dispositivi ad onde acustiche di superficie , dispositivi ad onde acustiche sfusi, ecc ...
- Microfoni e altoparlanti per suoni e ultrasuoni, imaging ultrasonico , idrofoni.
- Pickup piezoelettrici per chitarre, biosensori per accendere il pacemaker.
- Gli elementi piezoelettrici vengono utilizzati anche nella rilevazione e nella generazione di onde sonar, monoasse e biassiali rilevamento dell'inclinazione .
Effetto piezoelettrico dalle strade
Usi di Converse Piezoelectric Effect
- Attuatori e motori
- Posizionamento di micro precisione e regolazioni di micro precisione nelle lenti per microscopi.
- Driver dell'ago nelle stampanti, motori miniaturizzati, attuatori bimorfi.
- Attuatori multistrato per il posizionamento fine in ottica
- Sistemi di iniezione nelle valvole del carburante per autoveicoli, ecc ...
Effetto piezoelettrico come micro regolazione nella fotocamera
Accoppiando campi elettrici e meccanici:
- Per lo studio della struttura atomistica dei materiali.
- Monitorare l'integrità strutturale e rilevare i guasti nelle prime fasi nelle strutture civili, industriali e aerospaziali.
Vantaggi e limitazioni dei materiali piezoelettrici
I vantaggi e i limiti dei materiali piezoelettrici includono quanto segue.
Vantaggi
- I materiali piezoelettrici possono funzionare a qualsiasi condizione di temperatura.
- Hanno basso impronta ecologica rendendoli la migliore alternativa ai combustibili fossili.
- Le caratteristiche di questi materiali li rendono i migliori raccoglitori di energia.
- L'energia inutilizzata persa sotto forma di vibrazioni può essere sfruttata per generare energia verde.
- Questi materiali possono essere riutilizzati.
Limitazioni
- Mentre lavorano con le vibrazioni, questi dispositivi sono inclini a raccogliere anche vibrazioni indesiderate.
- Resistenza e durata applicano limiti ai dispositivi quando vengono utilizzati per attingere energia da marciapiedi e strade.
- La mancata corrispondenza tra la rigidità del materiale piezoelettrico e il materiale della pavimentazione.
- I dettagli meno noti di questi dispositivi e la quantità di ricerche condotte fino ad oggi non sono sufficienti per sfruttare appieno l'utilizzo di questi dispositivi.
Come si dice 'La necessità è la madre dell'invenzione', la nostra necessità di un dispositivo di raccolta di energia a bassa impronta di carbonio e senza fretta ha portato materiali piezoelettrici di nuovo sotto i riflettori. Come possono questi materiali superare i loro limiti? Ci stiamo muovendo verso un futuro in cui invece di preoccuparci della quantità di carburante utilizzata per viaggiare, ci chiediamo solo la quantità di energia generata dalla nostra auto? Cosa ne pensi? Ecco una domanda per te, qual è il miglior materiale piezoelettrico?
