پیزوالکتریک چگونه کار می کند؟

ما مواد خاصی داریم که برای کاربردهای پیزوالکتریک مناسب هستند، اما این فرآیند دقیقا چگونه کار می کند؟با اثر پیزوالکتریکمنحصر به فردترین ویژگی این اثر این است که دو روش کار می کند.می توانید انرژی مکانیکی یا انرژی الکتریکی را به همان ماده پیزوالکتریک اعمال کنید و نتیجه معکوس بگیرید.

اعمال انرژی مکانیکی به یک کریستال اثر پیزوالکتریک مستقیم نامیده می شود و به این صورت عمل می کند:

1. یک کریستال پیزوالکتریک بین دو صفحه فلزی قرار می گیرد.در این مرحله ماده در تعادل کامل است و جریان الکتریکی را هدایت نمی کند.

2. سپس فشار مکانیکی توسط صفحات فلزی به مواد وارد می شود که باعث می شود بارهای الکتریکی درون کریستال از تعادل خارج شوند.بارهای منفی و مثبت اضافی در دو طرف مقابل کریستال ظاهر می شوند.

3. صفحه فلزی این بارها را جمع آوری می کند که می توان از آنها برای تولید ولتاژ و ارسال جریان الکتریکی از طریق مدار استفاده کرد.

4. 

همین، یک اعمال ساده فشار مکانیکی، فشردن یک کریستال و ناگهان جریان الکتریکی پیدا می کنید.شما همچنین می توانید برعکس عمل کنید، یک سیگنال الکتریکی را به یک ماده به عنوان یک اثر پیزوالکتریک معکوس اعمال کنید.اینطوری کار میکنه:

1. در شرایطی مشابه مثال بالا، یک کریستال پیزوالکتریک داریم که بین دو صفحه فلزی قرار گرفته است.ساختار کریستال در تعادل کامل است.

2. سپس انرژی الکتریکی به کریستال اعمال می شود که ساختار کریستال را منقبض و منبسط می کند.

3. با انبساط و انقباض ساختار کریستال، انرژی الکتریکی دریافتی را تبدیل کرده و انرژی مکانیکی را به شکل موج صوتی آزاد می کند.

4. 

اثر پیزوالکتریک معکوس در کاربردهای مختلفی استفاده می شود.به عنوان مثال یک بلندگو را در نظر بگیرید که ولتاژی را به سرامیک پیزوالکتریک اعمال می‌کند و باعث می‌شود که مواد هوا را به صورت امواج صوتی به لرزه درآورند.

کشف پیزوالکتریک

پیزوالکتریک اولین بار در سال 1880 توسط دو برادر و دانشمند فرانسوی به نام های ژاک و پیر کوری کشف شد.در حین آزمایش بر روی انواع کریستال ها، آنها متوجه شدند که اعمال فشار مکانیکی به کریستال های خاصی مانند کوارتز باعث آزاد شدن بار الکتریکی می شود.آنها این را اثر پیزوالکتریک نامیدند.
در 30 سال بعد، پیزوالکتریک عمدتاً برای آزمایش‌های آزمایشگاهی و پالایش بیشتر ذخیره شد.تا زمان جنگ جهانی اول از پیزوالکتریک برای کاربردهای عملی در سونار استفاده شد.سونار با اتصال ولتاژ به فرستنده پیزوالکتریک کار می کند.این اثر معکوس پیزوالکتریک در عمل است که انرژی الکتریکی را به امواج صوتی مکانیکی تبدیل می کند.

امواج صوتی در آب حرکت می کنند تا زمانی که به یک جسم برخورد کنند.آنها سپس به یک گیرنده منبع باز می گردند.این گیرنده از اثر مستقیم پیزوالکتریک برای تبدیل امواج صوتی به ولتاژ الکتریکی استفاده می کند که سپس می تواند توسط یک دستگاه پردازش سیگنال پردازش شود.با استفاده از زمان بین خروج سیگنال و بازگشت آن، فاصله یک جسم به راحتی در زیر آب محاسبه می شود.

با موفقیت سونار، پیزوالکتریک چشم مشتاق ارتش را به خود جلب کرد.جنگ جهانی دوم این فناوری را حتی بیشتر کرد زیرا محققان از ایالات متحده، روسیه و ژاپن برای تولید مواد جدید پیزوالکتریک مصنوعی به نام فروالکتریک کار کردند.این تحقیق منجر به دو ماده ساخت بشر شد که در کنار کریستال کوارتز طبیعی، تیتانات باریم و تیتانات زیرکونات سرب استفاده می‌شوند.

پیزوالکتریک امروز

در دنیای الکترونیک امروزی از پیزوالکتریک در همه جا استفاده می شود.درخواست راهنمایی از گوگل برای رفتن به یک رستوران جدید از پیزوالکتریک در میکروفون استفاده می کند.حتی مترویی در توکیو وجود دارد که از نیروی قدم های انسان برای تامین انرژی سازه های پیزوالکتریک در زمین استفاده می کند.پیزوالکتریک را خواهید دید که در این برنامه های الکترونیکی استفاده می شود:

عملگرها

فعال‌کننده‌ها از پیزوالکتریک برای تامین انرژی دستگاه‌هایی مانند ماشین‌های بافندگی و بریل، دوربین‌های ویدئویی و گوشی‌های هوشمند استفاده می‌کنند.در این سیستم یک صفحه فلزی و یک دستگاه محرک یک ماده پیزوالکتریک را با هم ساندویچ می کند.سپس ولتاژ به ماده پیزوالکتریک اعمال می شود که آن را منبسط و منقبض می کند.این حرکت باعث می شود که محرک نیز حرکت کند.

بلندگو و زنگ

بلندگوها از پیزوالکتریک برای تامین انرژی دستگاه هایی مانند ساعت زنگ دار و سایر دستگاه های مکانیکی کوچک که به قابلیت های صوتی با کیفیت بالا نیاز دارند، استفاده می کنند.این سیستم ها از اثر پیزوالکتریک معکوس با تبدیل سیگنال ولتاژ صوتی به انرژی مکانیکی به عنوان امواج صوتی بهره می برند.

رانندگان

درایورها یک باتری ولتاژ پایین را به یک ولتاژ بالاتر تبدیل می کنند که سپس می تواند برای راه اندازی یک دستگاه پیزو استفاده شود.این فرآیند تقویت با یک نوسانگر شروع می شود که امواج سینوسی کوچکتری را خروجی می دهد.سپس این امواج سینوسی با تقویت کننده پیزو تقویت می شوند.

حسگرها

سنسورها در کاربردهای مختلفی مانند میکروفون، گیتار تقویت‌شده و تجهیزات تصویربرداری پزشکی استفاده می‌شوند.در این دستگاه ها از یک میکروفون پیزوالکتریک برای تشخیص تغییرات فشار در امواج صوتی استفاده می شود که سپس می تواند به سیگنال الکتریکی برای پردازش تبدیل شود.

قدرت

یکی از ساده ترین کاربردهای پیزوالکتریک، فندک برقی است.با فشار دادن دکمه فندک، چکش فنری در یک کریستال پیزوالکتریک آزاد می شود.این جریان الکتریکی تولید می کند که از یک شکاف جرقه عبور می کند و گاز را گرم و مشتعل می کند.این سیستم قدرت پیزوالکتریک مشابه در مشعل های گازی و محدوده فرهای بزرگتر استفاده می شود.

موتورها

کریستال های پیزوالکتریک برای کاربردهایی که نیاز به دقت دقیق دارند، مانند حرکت موتور، عالی هستند.در این دستگاه ها، ماده پیزوالکتریک یک سیگنال الکتریکی دریافت می کند که سپس به انرژی مکانیکی تبدیل می شود تا صفحه سرامیکی را مجبور به حرکت کند.

پیزوالکتریک و آینده

آینده پیزوالکتریک چه خواهد بود؟امکانات فراوان است.یکی از ایده های رایجی که مخترعان مطرح می کنند استفاده از پیزوالکتریک برای برداشت انرژی است.تصور کنید دستگاه های پیزوالکتریکی در گوشی هوشمند خود دارید که می توانند با حرکت ساده بدن شما فعال شوند تا شارژ نگه دارند.

اگر کمی بزرگ‌تر فکر کنید، می‌توانید یک سیستم پیزوالکتریک را در زیر آسفالت بزرگراه تعبیه کنید که می‌تواند توسط چرخ‌های ماشین‌های مسافرتی فعال شود.سپس می توان از این انرژی از چراغ های خاموش و سایر وسایل نزدیک استفاده کرد.با جاده ای پر از خودروهای برقی همراه شوید و در وضعیت انرژی مثبت خالص قرار خواهید گرفت.