كل ما يتعلق بالتأثير الكهروضغطي | المواد والتطبيقات والأنواع

هل سبق لك أن تعجبت من التشغيل السلس لشاشة حساسة للمس أو تأملت في التعقيدات الكامنة وراء عمل بعض الأجهزة الطبية؟ ربما فكرت في التكنولوجيا التي تسمح لبعض مكبرات الصوت بإنتاج الصوت بدقة ملحوظة. تكمن الإجابة على كل هذه الأسئلة المثيرة للاهتمام في ظاهرة تسمى التأثير الكهرضغطية. 

تسمح هذه الخاصية الرائعة، الموجودة في مواد معينة، بتوليد شحنة كهربائية استجابةً للإجهاد الميكانيكي والعكس صحيح. إنها قوة صامتة تضمن التشغيل السلس للمحركات الكهرضغطية والميكروفونات وبعض المشغلات الأخرى في الإلكترونيات الاستهلاكية مثل الطابعات وغيرها. 

دعونا نتعرف على التأثير الكهروضغطي وأسبابه وأنواعه وتطبيقاته والمزيد!

ما هو التأثير الكهروضغطي؟

يُعرف التأثير الكهروضغطي أيضًا باسم الكهرباء الانضغاطية وهو مشتق من الكلمة اليونانية "بيزو"، وتعني الدفع أو الضغط. وهي ظاهرة يؤدي فيها تطبيق الضغط الميكانيكي على بلورة أو مادة كهرضغطية إلى توليد جهد كهربائي على طول جوانبها. 

إذا كان الجسم كهروضغطيًا، فهذا يعني أن لديه القدرة على تغيير الضغط الميكانيكي المطبق عليه إلى كهرباء. ونظراً لهذه الخاصية الفريدة، فإن التأثير الكهرضغطية يجعل من الممكن تنفيذ الطاقة المتجددة والمستدامة في المباني من خلال حصاد الطاقة والاستشعار الذكي المستدام ذاتياً.

تاريخ التأثير الكهروضغطي

في عام 1880، كان الأخوان بيير كوري وجاك كوري يعملان معًا عندما توصلا إلى ظاهرة مدهشة. فقد اكتشفا أن الضغط على الكوارتز - وهو مادة كهرضغطية - يؤدي إلى توليد شحنة كهربائية. هذا التحويل للطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية هو أساس التأثير الكهروضغطي أو التأثير الكهروضغطي المباشر. 

ومع ذلك، لم تتوقف الاكتشافات عند هذا الحد! فقد تنبأ جابرييل ليبمان، في عام 1881، عن طريق الاستنتاج الرياضي من المبادئ الديناميكية الحرارية الأساسية، بتأثير معاكس للتأثير الكهروضغطي المباشر. فقد اكتشف أن تطبيق شحنة كهربائية على مادة ما يؤدي إلى إنتاج إجهاد ميكانيكي. كما قام الأخوان كوري بتطوير ذلك أيضًا. 

أشعلت هذه الاكتشافات التي قام بها جابرييل ليبمان وكوريز اهتمام المجتمع العلمي الأوروبي. أصبحت هذه الظاهرة مجالاً للبحث في الربع الأخير من القرن التاسع عشر، وكان أول تطبيق لهذا التأثير هو السونار. تم تطويره في فرنسا في الحرب العالمية الأولى.

أنواع التأثير الكهرضغطية

ينقسم التأثير الكهروضغطي إلى نوعين متميزين، يتميز كل منهما بخصائص فريدة. إليك تفاصيلهما

التأثير الكهروضغطي المباشر

يحدث التأثير الكهروضغطي المباشر عند تطبيق إجهاد أو ضغط على مادة كهرضغطية مما يولد شحنة كهربائية مع تحرك الشحنات داخل الشبكة البلورية. وتكون النتيجة توزيع شحنات موجبة وسالبة صافية على الشبكة. بشكل أساسي، يرسي التأثير الكهرضغطية المباشر الأساس لتطبيقات مختلفة، حيث يتميز بشكل بارز بتصميم ودمج المستشعرات والمشغلات.

التأثير الكهروضغطي العكسي

وعلى النقيض من التأثير الكهروضغطي المباشر، يستلزم التأثير الكهروضغطي العكسي تطبيق مجال كهربائي على بلورة ما، مما يؤدي إلى تحول في شكلها الميكانيكي. تحدث هذه الظاهرة لأن المجال الكهربائي يدفع الشحنات داخل البلورة إلى التحول، مما يؤدي إلى تعديل في شكل المادة. 

يجد التأثير الكهرضغطية تطبيقات عملية في إنتاج أجهزة مختلفة. وتجدر الإشارة إلى محولات الطاقة الكهرضغطية التي تحول الإشارات الكهربائية إلى اهتزازات أو حركة ميكانيكية.

ما هي المواد الكهروضغطية

تُظهِر المواد الكهرضغطية التأثير الكهرضغطية - فهي تولد شحنة كهربائية ضد الإجهاد أو التشوه الميكانيكي المطبق. وبالإضافة إلى ذلك، تُظهر المواد ذات التأثير الكهرضغطية أيضًا سلوكًا قابلاً للانعكاس - عندما يتم تطبيق تيار كهربائي، فإنها تخضع لتغير طفيف في الشكل، وعادةً ما يصل إلى 4% كحد أقصى.

وولدمار فويغت في كتابه Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب مدرسي عن فيزياء البلورات)، ذكر حوالي 20 فئة من المواد التي يحدث فيها التأثير الكهروضغطي. 

لذا، دعونا نتعرف على المواد الكهرضغطية!

تطبيقات التأثير الكهروضغطي

فيما يلي بعض التطبيقات الشائعة للتأثير الكهرضغطية:

المستشعرات الكهروضغطية في التطبيقات الصناعية

فيما يلي تطبيقات المفاتيح الكهربائية الانضغاطية أو أجهزة الاستشعار في مختلف الصناعات:

مستشعرات الضغط

في البيئات الصناعية، تُستخدم حساسات الضغط لمراقبة العمليات المختلفة وتنظيمها. وهي تلعب دورًا حيويًا في قياس ضغوط السوائل، وضمان التشغيل الأمثل للآلات، والمساهمة في الكفاءة العامة للعمليات الصناعية. ومع ذلك، قد يؤدي استخدام مستشعرات الضغط العادية إلى نتائج غير موثوقة. 

لهذا السبب تعتمد العديد من الصناعات على مستشعرات الضغط الكهرضغطية. تستفيد هذه الحساسات من التأثير الكهروضغطي لتحويل الضغط الميكانيكي إلى إشارات كهربائية، مما يعطي نتائج دقيقة.

مستشعرات طرق المحرك

تلعب الحساسات الكهروضغطية دورًا حاسمًا في الكشف عن طرقات المحرك في قطاعي السيارات والصناعة. تكتشف هذه الحساسات الاهتزازات أو الطرقات في المحرك، والتي قد تشير إلى احتراق غير منتظم. 

من خلال تحويل هذه الاهتزازات الميكانيكية إلى إشارات كهربائية، توفر حساسات الطرق الكهروضغطية تغذية راجعة قيّمة لأنظمة التحكم في المحرك. وتسمح هذه المعلومات بإجراء تعديلات في الوقت الحقيقي، وتحسين أداء المحرك ومنع الأضرار المحتملة.

المحركات الكهروضغطية في التطبيقات الصناعية

بعض التطبيقات الصناعية الشائعة للمشغلات الكهرضغطية هي:

ملفات لولبية سريعة الاستجابة

على النقيض من الملفات اللولبية الكهرومغناطيسية، التي غالبًا ما تعاني من قيود السرعة، تبرز المشغلات الكهرضغطية كمُغيِّر لقواعد اللعبة. تُظهر هذه المشغلات التي يتم تشغيلها بواسطة التأثير الكهروضغطي سرعة ودقة ملحوظة. ويتم الاستفادة من قدرتها على تحويل الإشارات الكهربائية بسرعة إلى حركة ميكانيكية في أنظمة مثل الصمامات عالية السرعة وآليات التوزيع.

التعديل البصري

تتألق المشغلات الكهرضغطية في تطبيقات الضبط البصري. فحركاتها الدقيقة والمضبوطة تجعلها لا تقدر بثمن لضبط المكونات البصرية بدقة لا مثيل لها. تستفيد الكاميرات وأجهزة الليزر والأدوات البصرية المختلفة من عمليات الضبط بمقياس النانومتر التي تيسرها المشغلات الكهرضغطية.

مزايا الأجهزة التي تظهر التأثير الكهروضغطي

دعونا نناقش المزايا العديدة للأجهزة الكهروضغطية:

مساوئ الأجهزة الكهروضغطية 

فيما يلي عيوب الأجهزة الكهروضغطية:

أفضل خيارات التبديل الكهروضغطية بالنسبة لك!

إليك الأفضل مفتاح بيزو خيارات يمكنك تجربتها لمختلف التطبيقات الصناعية أو الطبية:

الأسئلة الشائعة

الخاتمة

التأثير الكهروضغطي مفيد في مختلف الصناعات وله نوعان رئيسيان: التأثير الكهروضغطي المباشر والعكس. وللاستفادة من فوائد التأثير الكهروضغطي الكهربائي، فإن الاستثمار في مكونات عالية الجودة أمر بالغ الأهمية. تبرز شركة Langir كخيار موثوق به لمفاتيح التبديل الكهروضغطية (بيزو)، حيث تقدم تكنولوجيا متقدمة لتعزيز كفاءة وموثوقية أجهزتك. تواصل معنا اليوم واحصل على مفاتيح عالية الجودة لمجموعة واسعة من التطبيقات!

أرسل استفسارك الآن