Materials piezoelèctrics han existit des de finals dels anys 80 i han preparat el camí per a moltes invencions que canvien el joc. Servint en forma de SONAR a la guerra mundial, aquests materials ara han cridat l'atenció dels inventors característiques místiques . Xarxes de sensors sense fils , Internet de les coses regeix l’era tècnica del segle XXI. Per mantenir aquestes novetats en funcionament, la necessitat d'energia s'ha convertit en el repte més gran. Busca un sistema sostenible, fiable, energia renovable font va provocar que els investigadors ensopegessin amb els recol·lectors de potència més avançats: el materials piezoelèctrics . Emprenem un viatge per explorar aquesta nova era recol·lectors de potència.
Què és el material piezoelèctric?
Per saber què material piezoelèctric cal saber què significa el terme piezoelèctric ?. En PIEZOELECTRICITAT el terme 'piezo' significa pressió o tensió. Així piezoelectricitat es defineix com 'Electricitat generada per aplicació de tensions o tensions mecàniques' i els materials que presenten aquesta propietat pertanyen a la categoria de materials piezoelèctrics . El mèrit pel descobriment d’aquests materials és per a Sir Jacques Curie (1856-1941) i Pierre Curie (1859-1906) . Mentre experimentaven amb certs minerals cristal·lins com el quars, el sucre de canya, etc., van trobar que l’aplicació de força o tensió sobre aquests materials generava tensions de polaritats oposades amb magnituds proporcionals a la càrrega aplicada. Aquest fenomen va rebre el nom de Directe Piezoefecte .
L’any següent, Lippman va descobrir l’efecte Converse afirmant que un d’aquests cristalls generadors de voltatge, quan s’exposava a un camp elèctric, s’allargava o s’escurçava segons la polaritat del camp aplicat. Materials piezoelèctrics es va reconèixer amb el seu paper a la Primera Guerra Mundial quan Quartz es va utilitzar com a ressonadors a SONAR. Durant el període de la Segona Guerra Mundial, es va descobrir material piezoelèctric sintètic, que va provocar posteriorment un intens desenvolupament de dispositius piezoelèctrics . Abans d’utilitzar un material piezoelèctric s’ha de saber quines característiques fan que aquests materials siguin piezoelèctrics.
Propietats del material piezoelèctric i com funciona?
El secret dels materials piezoelèctrics rau en la seva estructura atòmica única. Els materials piezoelèctrics estan units iònicament i contenen ions positius i negatius en forma de parells anomenats cèl·lules unitats. Aquests materials estan disponibles a la natura com un dielèctric anisotròpic amb gelosia de cristall no centrosimètrica és a dir, no tenen cap càrrega elèctrica gratuïta i els ions no tenen un centre de simetria.
Efecte piezoelèctric directe
Quan s’aplica tensió mecànica o fricció sobre aquests materials, la geometria de l’estructura atòmica del cristall canvia a causa del moviment net dels ions positius i negatius els uns amb els altres, donant lloc a dipol elèctric o bé Polarització . Així, el cristall passa d’un material dielèctric a un material carregat. La quantitat de tensió generada és directament proporcional a la tensió o tensió aplicada al cristall.
Efecte piezoelèctric directe
Efecte Piezoelèctric Converse
Quan electricitat s’aplica a aquests cristalls apareixen dipols elèctrics, que formen el moviment dipol que provoca la deformació del cristall, donant lloc a efecte piezoelèctric tal com es mostra a la figura.
Efecte Piezoelèctric Converse
Materials piezoelèctrics sintètics
Fet per l'home materials piezoelèctrics M'agrada ceràmica piezoelèctrica presenten polarització espontània (propietat ferroelèctrica), és a dir, existeix dipol a la seva estructura fins i tot quan no s’aplica cap camp elèctric. Aquí la quantitat de efecte piezoelèctric produïts depèn fortament de la seva estructura atòmica. Els dipols presents a l’estructura formen dominis-regions on els dipols veïns tenen la mateixa alineació. Inicialment, aquests dominis s’orienten aleatòriament i no provoquen polarització de la xarxa.
Estructura cristal·lina de perovskita per sobre i per sota del punt Curie
En aplicar un fort camp elèctric de CC a aquestes ceràmiques quan passen pel seu punt Curie, els dominis s’alineen en la direcció del camp elèctric aplicat. Aquest procés s’anomena enquesta . Després de refredar-se a temperatura ambient i eliminar el camp elèctric aplicat, tots els dominis mantenen la seva orientació. Un cop finalitzat aquest procés, la ceràmica s’exhibeix l’efecte piezoelèctric . Els materials piezoelèctrics naturals existents com el quars no es mostren comportament ferroelèctric .
Equació piezoelèctrica
L'efecte piezoelèctric es pot descriure amb el següent Equacions d'acoblament piezoelèctric
Efecte piezoelèctric directe: S = sE .T + d. E
Efecte piezoelèctric invers: D = d.T + εT.E
On,
D = vector de desplaçament elèctric
T = el vector d’esforç
sE = matriu de coeficients elàstics a força de camp elèctric constant,
S = vector de deformació
εT = matriu dielèctrica a tensió mecànica constant
E = vector de camp elèctric
d = efecte piezoelèctric directe o invers
El camp elèctric aplicat en diferents direccions genera diferents quantitats d’estrès en materials piezoelèctrics. Per tant, s’utilitzen convencions de signes juntament amb coeficients per conèixer la direcció del camp aplicat. Per determinar la direcció, els eixos 1, 2, 3 s’utilitzen de forma anàloga a X, Y, Z. El pols s’aplica sempre en la direcció de 3. El coeficient amb dobles subíndexs relaciona les característiques elèctriques i mecàniques amb el primer subíndex que descriu la direcció del camp elèctric d’acord amb la tensió aplicada o la càrrega produïda. El segon subíndex dóna la direcció de la tensió mecànica.
El coeficient d’acoblament electromecànic es presenta en dues formes. El primer és el terme d’actuació d, i el segon és el sensor terme g. Els coeficients piezoelèctrics juntament amb les seves notacions es poden explicar amb d33
On,
d especifica que la tensió aplicada està en la 3a direcció.
3 especifica que els elèctrodes són perpendiculars al 3r eix.
3 especifica la constant piezoelèctrica.
Com funciona el material piezoelèctric?
Com s'ha explicat anteriorment, hi poden treballar els materials piezoelèctrics dos modes :
- L’efecte piezoelèctric directe
- Efecte piezoelèctric invers
Prenguem un exemple per entendre cadascun d’ells l’aplicació d’aquests modes.
Generador Heal-Strike que utilitza l'efecte piezoelèctric directe:
DARPA ha desenvolupat aquest dispositiu per equipar els soldats amb un generador d’energia portàtil. El material piezoelèctric implantat a les sabates experimenta tensions mecàniques quan el soldat camina. Degut a directe propietat piezoelèctrica , el material produeix càrrega elèctrica a causa d’aquest esforç mecànic. Aquest càrrec s’emmagatzema a el condensador o bé bateries que es poden utilitzar per carregar els seus dispositius electrònics sobre la marxa.
Heal Strike Generator
Oscil·lador de vidre de quars en rellotges amb efecte Piezoelèctric Converse
Els rellotges contenen un cristall de quars . Quan l’electricitat de la bateria s’aplica a aquest cristall a través d’un circuit es produeix un efecte piezoelèctric invers. A causa d'aquest efecte, en aplicar l'aplicació de càrrega elèctrica, el cristall comença a oscil·lar amb una freqüència de 32768 vegades per segon. El microxip present al circuit compta aquestes oscil·lacions i genera un impuls regular per segon que fa girar les segones agulles del rellotge.
Efecte Piezo Converse utilitzat en rellotges
Usos de materials piezoelèctrics
A causa de la seva singularitat característiques, materials piezoelèctrics han adquirit un paper important en diversos invents tecnològics.
Ús de l'efecte piezoelèctric directe
- A les estacions de tren del Japó, el concepte de ' granja de multitud ”Es va provar on els passos dels vianants sobre les rajoles piezoelèctriques incrustades a la carretera poden generar electricitat.
- El 2008, una discoteca de Londres construeix el primer pis ecològic format per material piezoelèctric que pot generar electricitat per encendre les bombetes quan la gent hi balla.
- L’efecte piezoelèctric té una aplicació útil com a filtres de freqüència mecànics, dispositius d'ona acústica de superfície , dispositius d'ona acústica a granel, etc ...
- Micròfons i altaveus de so i ultrasons, imatges per ultrasons , hidròfons.
- Pastilles piezoelèctriques per a guitarres, biosensors per encendre el marcapassos.
- Els elements piezoelèctrics també s’utilitzen en la detecció i generació d’ones sonars, d’eix simple i de doble eix detecció d’inclinació .
Efecte piezoelèctric de RoadWays
Usos de l’efecte piezoelèctric Converse
- Actuadors i motors
- Col·locació de micro-precisió i ajustos de micro-precisió en lents per a microscopis.
- Controlador d'agulles a les impressores, motors miniaturitzats, actuadors bimorfs.
- Actuadors multicapa per al posicionament fi en òptica
- Sistemes d'injecció en vàlvules de combustible d'automoció, etc.
Efecte elèctric piezoelèctric com a micro ajustament a la càmera
Acoblant camps elèctrics i mecànics:
- Per a la investigació de l'estructura atomística dels materials.
- Supervisar la integritat estructural i detectar falles en fases inicials en estructures civils, industrials i aeroespacials.
Avantatges i limitacions dels materials piezoelèctrics
Els avantatges i limitacions dels materials piezoelèctrics són els següents.
Avantatges
- Els materials piezoelèctrics poden funcionar a qualsevol temperatura.
- Tenen baixa petjada de carboni convertint-los en la millor alternativa per als combustibles fòssils.
- Les característiques d’aquests materials els converteixen en els millors recol·lectors d’energia.
- L’energia no utilitzada perduda en forma de vibracions es pot aprofitar per generar energia verda.
- Aquests materials es poden reutilitzar.
Limitacions
- Mentre treballen amb vibracions, aquests dispositius són propensos a captar també vibracions no desitjades.
- La resistència i la durabilitat apliquen límits als dispositius quan s’utilitzen per aprofitar l’energia dels paviments i les carreteres.
- El desajust entre la rigidesa del material piezoelèctric i el material del paviment.
- Els detalls menys coneguts d’aquests dispositius i la quantitat d’investigacions realitzades fins ara no són suficients per aprofitar l’ús total d’aquests dispositius.
Com es deia: 'La necessitat és la mare de la invenció', la nostra necessitat d'un dispositiu de captura d'energia amb petjada de carboni lliure de presses ha aportat materials piezoelèctrics torna a estar al punt de mira. Com poden aquests materials superar les seves limitacions? Ens dirigim cap a un futur on, en lloc de preocupar-nos per la quantitat de combustible consumida per viatjar, només ens preguntaríem sobre la quantitat d'energia que genera el nostre cotxe? Què penses? Aquí teniu una pregunta, quin és el millor material piezoelèctric?
