اثر پیزوالکتریک توانایی برخی مواد برای تولید یک بار الکتریکی در پاسخ به تنش مکانیکی اعمال شده است. کلمه Piezoelectric از کلمه یونانی piezein گرفته شده است که به معنای فشار دادن است و piezo که در اصطلاح یونانی”فشار” است.
یکی از ویژگی های منحصر به فرد اثر پیزوالکتریک برگشت پذیر بودن آن است، به این معنی که موادی که اثر پیزوالکتریک مستقیم را به نمایش می گذارند (تولید برق هنگام اعمال تنش) نیز اثر پیزوالکتریک معکوس را نشان می دهند (تولید تنش هنگام استفاده از یک میدان الکتریکی).
هنگامی که مواد پیزوالکتریک تحت تنش مکانیکی قرار می گیرند، جا به جایی مراکز بار مثبت و منفی در مواد اتفاق می افتد، که در نتیجه منجر به یک میدان الکتریکی خارجی می شود. در صورت معکوس شدن، یک میدان الکتریکی بیرونی ماده پیزوالکتریک را کشیده یا فشرده می کند.
اثر پیزوالکتریک در بسیاری از برنامه های کاربردی که شامل تولید و تشخیص صدا، تولید ولتاژ بالا، تولید فرکانس الکترونیکی، تعادل میکرو و تمرکز فوق العاده خوب مجموعه های نوری است، بسیار مفید است. این هم چنین پایه تعدادی از تکنیک های ابزاری علمی با وضوح اتمی، مانند میکروسکوپ های کاوشگر اسکن (STM ، AFM و غیره) است. اثر پیزوالکتریک هم چنین در برنامه های پیش پا افتاده تر نیز استفاده می شود، مانند این که به عنوان منبع اشتعال فندک سیگار عمل می کند.
تاریخچه اثر پیزوالکتریک
اثر پیزوالکتریک مستقیم اولین بار در سال 1880 مشاهده شد و توسط برادران پی یر و ژاک کوری آغاز شد. برادران کوری با تلفیق دانش خود در مورد انرژی الکتریکی با درک از ساختار و رفتار بلوری، اولین اثر پیزوالکتریک را با استفاده از بلورهای تورمالین، کوارتز، توپاز، نیشکر و نمک روشه نشان دادند. تظاهرات اولیه آن ها نشان داد که نمک کوارتز و راشل بیش ترین توانایی پیزوالکتریکی را در آن زمان از خود نشان داده اند.
در طی چند دهه آینده، پیزوالکتریک در آزمایشگاه باقی مانده است، زیرا با کار بیش تر برای کشف پتانسیل بزرگ اثر پیزوالکتریک، می توان روی آن آزمایش کرد. وقوع جنگ جهانی اول معرفی اولین کاربرد عملی برای دستگاه های پیزوالکتریک بود که همان دستگاه سونار بود. این استفاده اولیه از پیزوالکتریک در سونار باعث ایجاد علاقه شدید توسعه جهانی در دستگاه های پیزوالکتریک شده است. طی چند دهه آینده، مواد جدید پیزوالکتریک و کاربردهای جدید برای این مواد مورد بررسی و توسعه قرار گرفت.
در طول جنگ جهانی دوم، گروه های تحقیقاتی در ایالات متحده، روسیه و ژاپن کلاس جدیدی از مواد ساخته شده توسط بشر به نام فروالکتریک را کشف کردند که ثابت های پیزوالکتریک را چندین برابر بیش تر از مواد پیزوالکتریک طبیعی به نمایش می گذارد. اگرچه بلورهای کوارتز اولین ماده پیزوالکتریک مورد بهره برداری تجاری بودند و هنوز هم در کاربردهای تشخیص سونار مورد استفاده قرار می گیرند، دانشمندان به جستجوی مواد با کارایی بالاتر ادامه دادند. این تحقیقات شدید منجر به تولید تیتانات باریم و تیتانات زیرکونات سرب، دو ماده ای شد که دارای خواص بسیار خاصی مناسب برای کاربردهای خاص هستند.
چه عواملی باعث ایجاد اثر پیزوالکتریک می شود؟
به یک کریستال فکر کنید و احتمالاً توپ هایی (اتم ها) را که روی میله ها (پیوندهایی که آن ها را به هم می چسباند) سوار شده اند، کمی شبیه یک قاب بالا رفتن تصور می کنید. اکنون، با کریستال، دانشمندان به معنای لزوماً تکه سنگ های جذاب شما در مغازه های هدیه فروشی نیستند: کریستال نام علمی برای هر جامدی است که اتم ها یا مولکول های آن به شکلی بسیار منظم بر اساس تکرارهای بی پایان همان اتمی اساسی قرار گرفته باشند بلوک ساختمان (سلول واحد نامیده می شود). بنابراین یک تکه آهن به اندازه یک تکه کوارتز بلور است. در یک کریستال، آن چه که ما داریم در واقع کم تر به یک قاب کوه نوردی شباهت دارد (که لزوما ساختاری منظم و تکراری ندارد) و بیش تر به کاغذ دیواری سه بعدی و طرح دار شباهت دارد.
در بیش تر بلورها (مانند فلزات)، سلول واحد (واحد تکرار کننده اصلی) متقارن است. در بلورهای پیزوالکتریک این گونه نیست. به طور معمول، کریستال های پیزوالکتریک از نظر الکتریکی خنثی هستند: ممکن است اتم های داخل آن ها به طور متقارن چیده نشوند، اما بارهای الکتریکی آن ها کاملاً متعادل است: یک بار مثبت در یک مکان، بار منفی را در همان نزدیکی لغو می کند. با این وجود، اگر یک کریستال پیزوالکتریک را فشار دهید یا کشش دهید، ساختار آن تغییر شکل می یابد، برخی از اتم ها را به هم نزدیک تر یا از هم دور می کنید، تعادل مثبت و منفی را بر هم می زنید و باعث می شود بارهای الکتریکی خالص ظاهر شوند. این اثر کل ساختار را حمل می کند بنابراین بارهای مثبت و منفی خالص در چهره های بیرونی بلور ظاهر می شوند.
مواد پیزوالکتریک
بسیاری از مواد، طبیعی و ساخته شده توسط بشر وجود دارد که طیف وسیعی از اثرات پیزوالکتریک را از خود نشان می دهند. برخی از مواد موجود در اثر پیزوالکتریک شامل برلینیت (از نظر ساختاری مشابه کوارتز)، شکر نیشکر، کوارتز، نمک روشل، توپاز، تورمالین و استخوان است (استخوان خشک به دلیل کریستال های آپاتیت دارای برخی از خصوصیات پیزوالکتریک است و به طور کلی اثر پیزوالکتریک عمل می کند) به عنوان حسگر نیروی بیولوژیکی). نمونه ای از مواد پیزوالکتریک ساخت بشر شامل تیتانات باریم و تیتانات زیرکونات سرب است.
در سال های اخیر، با توجه به نگرانی زیست محیطی در مورد سمیت در دستگاه های حاوی سرب و بخش نامه RoHS که در اتحادیه اروپا دنبال می شود، فشار بر تولید مواد پیزوالکتریک بدون سرب ایجاد شده است. تاکنون، این ابتکار عمل برای تولید مواد جدید پیزوالکتریک بدون سرب منجر به تولید انواع مختلفی از مواد پیزوالکتریک شده است که از نظر محیط زیست ایمن تر هستند.
برنامه های مناسب برای اثر پیزوالکتریک
با توجه به خصوصیات ذاتی مواد پیزوالکتریک، کاربردهای بی شماری وجود دارد که از استفاده آن ها سود می برند:
منابع ولتاژ و قدرت بالا
یک نمونه از کاربردها در این زمینه فندک سیگار برقی است، جایی که فشار دادن یک دکمه باعث می شود چکش فنری به یک کریستال پیزوالکتریک برخورد کند، در نتیجه ولتاژ کافی تولید می کند که جریان الکتریکی از شکاف جرقه کوچک عبور می کند، باعث گرم شدن و مشتعل شدن گاز می شود. اکثر انواع مشعل ها و دامنه های گاز دارای سیستم های تزریق مبتنی بر پیزو هستند.
حسگرهای پیزوالکتریک
اصل عملکرد یک سنسور پیزوالکتریک این است که یک بعد فیزیکی، به یک نیرو تبدیل شده، روی دو چهره مخالف عنصر حسگر عمل می کند. تشخیص تغییرات فشار به صورت صدا متداول ترین کاربرد حسگر است که در میکروفون های پیزوالکتریک و پیکاپ های پیزوالکتریک برای گیتارهای تقویت شده الکتریکی دیده می شود. به طور خاص از سنسورهای پیزوالکتریک با صدای فرکانس بالا در مبدل های اولتراسونیک برای تصویربرداری پزشکی و آزمایش های غیر مخرب صنعتی استفاده می شود.
موتورهای پیزوالکتریک
از آن جا که ولتاژهای بسیار بالا فقط مربوط به تغییرات جزئی در عرض بلور است، می توان این عرض بلور را با دقت بهتر از میکرومتر دست کاری کرد، و بلورهای پیزو را به ابزاری مهم برای موقعیت یابی اشیا با دقت فوق العاده تبدیل می کند و آن ها را برای استفاده در موتورها عالی می کند. مانند سری مختلف موتور ارائه شده توسط نانوموشن.
در مورد موتورهای پیزوالکتریک، عنصر پیزوالکتریک یک پالس الکتریکی دریافت می کند، و سپس به یک صفحه سرامیکی مخالف نیروی هدایت می دهد و باعث حرکت آن در جهت مورد نظر می شود. حرکت هنگامی ایجاد می شود که عنصر پیزوالکتریک در برابر یک سکوی ایستا حرکت کند (مانند نوارهای سرامیکی).
ویژگی های مواد پیزوالکتریک فناوری کاملی را ارائه داده است که بر اساس آن نانوموشن خطوط مختلف موتورهای پیزوالکتریک منحصر به فرد ما را توسعه داده است. با استفاده از فناوری پیزوالکتریک ثبت اختراع، نانوموشن مجموعه های مختلفی از موتورها را در اندازه های مختلف از یک عنصر (0.4 کیلوگرم نیرو) تا یک موتور هشت عنصر (تأمین کننده 3.2 کیلوگرم نیرو) طراحی کرده است. موتورهای نانوموشن قادر به هدایت هر دو مرحله خطی و دورانی هستند و دارای دامنه دینامیکی وسیعی از سرعت از چندین میکرون در ثانیه تا 250 میلی متر در ثانیه هستند و می توانند به راحتی به مراحل اصطکاک کم سنتی یا سایر دستگاه ها سوار شوند. ویژگی های عملکرد موتورهای نانوموشن ترمز ذاتی و توانایی از بین بردن مبهم شدن فرمان در موقعیت ایستا را فراهم می کند.
اثر پیزوالکتریک برای چه استفاده می شود؟
انواع مختلفی وجود دارد که ما باید انرژی مکانیکی (فشار یا حرکت از نوعی) را به سیگنال های الکتریکی یا بالعکس تبدیل کنیم. اغلب ما می توانیم این کار را با یک مبدل پیزوالکتریک انجام دهیم. مبدل به سادگی دستگاهی است که مقدار کمی انرژی را از نوعی به نوع دیگر تبدیل می کند (به عنوان مثال، تبدیل نور، صدا یا فشار مکانیکی به سیگنال های الکتریکی).
در تجهیزات سونوگرافی، یک مبدل پیزوالکتریک انرژی الکتریکی را به ارتعاشات مکانیکی بسیار سریع تبدیل می کند – در واقع آن قدر سریع که صداهایی ایجاد می کند، اما صداهایی بسیار بلند است که گوش ما نمی تواند آن ها را بشنود. از این ارتعاشات سونوگرافی می توان برای اسکن، تمیز کردن و انواع موارد دیگر استفاده کرد.
در یک میکروفون، ما باید انرژی صدا (امواج فشار را که از طریق هوا عبور می کنند) به انرژی الکتریکی تبدیل کنیم – و این چیزی است که بلورهای پیزوالکتریک می تواند به ما کمک کند. نگران نباشید، قسمت لرزاننده میکروفن را به یک کریستال بچسبانید و با رسیدن امواج فشار از صدای شما، کریستال را به عقب و جلو حرکت می دهد و سیگنال های الکتریکی متناظر تولید می کند. “سوزن” در یک گرامافون (که گاهی اوقات دستگاه ضبط صدا نیز نامیده می شود) برعکس عمل می کند. همان طور که سوزن نوک الماس در امتداد شیار مارپیچی LP شما سوار می شود، بالا و پایین می شود. این ارتعاشات یک کریستال سبک پیزوالکتریک را تحت فشار قرار داده و می کشد و سیگنال های الکتریکی تولید می کند که استریو شما دوباره به صداهای قابل تبدیل، تبدیل می شود.
در ساعت یا ساعت کوارتز از اثر پیزوالکتریک معکوس استفاده می شود تا زمان را بسیار دقیق نگه دارد. انرژی الكتریكی یك باتری به كریستال منتقل می شود تا هزاران بار در ثانیه نوسان كند. سپس ساعت از یک مدار الکترونیکی برای تبدیل آن به ضربان های کندتر و یک بار در ثانیه استفاده می کند که یک موتور کوچک و برخی دنده های دقیق از آن استفاده می کنند تا عقربه های دوم، دقیقه و ساعت را به دور صفحه ساعت هدایت کنند.
از پیزوالکتریک در فندک های مخصوص جرقه برای اجاق گاز و کباب پز نیز بسیار خشن تر استفاده می شود. سوئیچ فندک را فشار دهید و صدای کلیک را خواهید شنید و جرقه ها را ظاهر می کنید. کاری که شما انجام می دهید، هنگامی که سوئیچ را فشار می دهید، فشار دادن یک کریستال پیزوالکتریک، تولید ولتاژ و ایجاد جرقه در یک شکاف کوچک است.
اگر یک چاپگر جوهر افشان روی میز خود گذاشته اید، با استفاده از “سرنگ” های دقیق قطره های جوهر را روی کاغذ می کشد. برخی از جوهر افشان ها با استفاده از بلورهای پیزوالکتریک کنترل شده الکترونیکی، که “پیستون” های خود را به داخل و خارج فشار می دهند، سرنگ های خود را تزریق می کنند.
برداشت انرژی با اثر پیزوالکتریک؟
اگر بتوانید با فشار دادن یک بار کریستال پیزوالکتریک مقدار کمی برق تولید کنید، آیا می توانید با فشار دادن چندین کریستال بارها و بارها مقدار قابل توجهی تولید کنید؟ اگر کریستال ها را زیر خیابان ها و پیاده روهای شهر دفن کنیم تا هنگام عبور اتومبیل ها و مردم از آن انرژی بگیریم؟ این ایده که به برداشت انرژی معروف است، مورد توجه بسیاری از افراد قرار گرفته است. مخترعین انواع ایده ها را برای ذخیره انرژی با دستگاه های پیزوالکتریک پنهان ارائه داده اند، از کفش هایی که حرکات راه رفتن شما را به گرما تبدیل می کنند تا پاهایتان را گرم نگه دارد، و تلفن های همراهی که خود را از حرکات بدن شارژ می کنند، تا جاده هایی که چراغ های خیابان را تأمین می کنند، لنزهای تماسی که شما را شکار می کنند انرژی هنگام پلک زدن و حتی وسایلی که از فشار باران باعث تولید انرژی می شوند.
آیا برداشت انرژی ایده خوبی است؟ در نگاه اول، هر چیزی که باعث اتلاف انرژی و بهینه سازی کارایی شود، کاملاً معقول به نظر می رسد. اگر می توانید از کف یک فروشگاه مواد غذایی برای گرفتن انرژی از پای خریداران عجله ای که گاری های سنگین خود را هل می دهند استفاده کنید و از آن برای تأمین انرژی چراغ های فروشگاه یا کابینت های چیلر آن استفاده کنید، مطمئناً این باید نکته خوبی باشد؟ گاهی اوقات برداشت انرژی در واقع می تواند انرژی مناسب، اگر چه نسبتاً کم را تأمین کند.
با این حال مشکل این است که طرح های جمع آوری انرژی می توانند توجه زیادی را نسبت به ایده های بهتر جلب کنند. به عنوان مثال، مفهوم ساخت خیابان ها با “نوارهای روم” پیزوالکتریک را در نظر بگیرید که انرژی ناشی از عبور ترافیک را می گیرد. اتومبیل ها ماشین های بسیار ناکارآمدی هستند و تنها مقدار کمی (15 درصد یا بیش تر) از انرژی موجود در سوخت شما را به سمت پایین جاده سوق می دهد. فقط کسری از این مقدار برای بازیابی از جاده در دسترس است – و شما نمی توانید تمام آن کسر را با کارایی 100 درصدی بازیابی کنید. بنابراین میزان انرژی که می توانید عملاً بازیابی کنید و بهره وری که برای پولی که خرج کرده اید به دست می آورید بسیار ناچیز خواهد بود. اگر واقعاً می خواهید انرژی خود را از ماشین صرفه جویی کنید، روش منطقی برای این کار این است که ناکارآمدی حمل و نقل ماشین را خیلی زودتر از مراحل حل کنید. به عنوان مثال، با طراحی موتورهای کارآمدتر، تشویق مردم به اشتراک خودرو، تعویض موتورهای بنزینی به اتومبیل های برقی و مواردی از این دست.
این بدان معنا نیست که برداشت انرژی جایی ندارد. این می تواند برای شارژ دستگاه های تلفن همراه با استفاده از انرژی که در غیر این صورت هدر می رود، بسیار مفید باشد. تلفن همراهی را تصور کنید که هر بار مثلاً در جیب شما تکان می خورد، به طور خودکار شارژ می شود. حتی در این صورت، وقتی نوبت به صرفه جویی در مصرف انرژی می رسد، باید همیشه تصویر بزرگ تری را در نظر بگیریم و مطمئن شویم که زمان و هزینه ای که ما سرمایه گذاری می کنیم بهترین نتیجه ممکن را دارد.
ما را در اینستاگرام دنبال کنید.
