Alles over Piëzo-elektrisch Effect | Materialen, Toepassingen, Soorten

Alles over Piëzo-elektrische Effectmaterialen Toepassingen Typen

Heb je je ooit verwonderd over de naadloze werking van een aanraakgevoelig scherm of nagedacht over de fijne kneepjes achter de werking van bepaalde medische apparaten? Misschien heb je wel eens nagedacht over de technologie die sommige luidsprekers in staat stelt om geluid te produceren met een opmerkelijke precisie. Het antwoord op al deze intrigerende vragen ligt in een fenomeen dat het piëzo-elektrisch effect wordt genoemd.

Deze opmerkelijke eigenschap, die in specifieke materialen wordt aangetroffen, stelt ze in staat om elektrische lading te genereren als reactie op mechanische spanning en vice versa. Het is een stille kracht die zorgt voor een soepele werking van piëzo-elektrische motoren, microfoons en sommige andere actuatoren in consumentenelektronica zoals printers, enz.

Laten we meer leren over het piëzo-elektrisch effect, de oorzaken, soorten, toepassingen en meer!

Wat is het piëzo-elektrisch effect?

Het piëzo-elektrisch effect staat ook bekend als piëzo-elektriciteit en komt van het Griekse woord "piëzo", wat duwen of druk zetten betekent. Het is een fenomeen waarbij het uitoefenen van mechanische druk op een kristal of piëzo-elektrisch materiaal een spanning opwekt langs de zijkanten.

Als een voorwerp piëzo-elektrisch is, betekent dit dat het de mechanische spanning die erop wordt uitgeoefend kan omzetten in elektriciteit. Door deze unieke eigenschap maakt het piëzo-elektrisch effect het mogelijk om hernieuwbare en duurzame energie in gebouwen te implementeren door middel van energieopwekking en zelfvoorzienende slimme detectie.

Vergelijking voor piëzo-elektrisch effect

De hoofdvergelijking voor piëzo-elektriciteit wordt gegeven door:

P = d x stress

Waarbij d de piëzo-elektrische coëfficiënt is, een materiaalspecifieke factor. Voor kwarts is de piëzo-elektrische coëfficiënt 3 x 10^-12, terwijl deze voor loodzirkonaat titanaat (PZT) 3 x 10^-10 is.

Geschiedenis van het piëzo-elektrisch effect

In 1880 werkten de broers Pierre Curie en Jacques Curie samen toen ze op een verrassend fenomeen stuitten. Ze ontdekten dat het uitoefenen van druk op kwarts - een piëzo-elektrisch materiaal - resulteert in het genereren van elektrische lading. Deze omzetting van mechanische energie in elektrische energie vormt de basis van het piëzo-elektrisch effect of het directe piëzo-elektrisch effect.

Maar daar stopten de ontdekkingen niet! Gabriel Lippman voorspelde in 1881 via wiskundige deductie uit fundamentele thermodynamische principes een effect dat tegengesteld is aan het directe piëzo-elektrische effect. Hij ontdekte dat het aanbrengen van elektrische lading op een materiaal de productie van mechanische spanning veroorzaakt. Dit werd ook verder uitgewerkt door de gebroeders Curie.

Deze ontdekkingen van Gabriel Lippman en Curies wakkerden de interesse van de Europese wetenschappelijke gemeenschap verder aan. Dit fenomeen werd een onderzoeksgebied in het laatste kwart van de 19e eeuw en de eerste toepassing van dit effect was SONAR. Het werd ontwikkeld in Frankrijk tijdens de Eerste Wereldoorlog.

Hoe werkt het piëzo-elektrisch effect

Het piëzo-elektrisch effect lijkt misschien een hele opgave, maar in werkelijkheid is het heel eenvoudig.

Dit is hoe een piëzo-elektrisch effect optreedt in een kristal of vaste stof:

Piëzo-elektrische materialen hebben geen symmetrisch centrum en de positieve ladingen worden omringd door de negatieve. Ze heffen elkaars effect op, waardoor er geen nettolading op het kristal overblijft.
Als je een kracht uitoefent op het kristalrooster, dwing je de ladingen om van positie te veranderen, waardoor ze uit balans raken.
De negatieve ladingen heffen de positieve ladingen niet op. Er verschijnen netto positieve en netto negatieve ladingen op het rooster, waardoor wisselspanning ontstaat. Deze spanningsopwekking door mechanische spanning staat bekend als het piëzo-elektrisch effect of piëzo-elektriciteit.

Contact Langir

Soorten piëzo-elektrisch effect

Het piëzo-elektrisch effect bestaat in twee verschillende types, elk met unieke kenmerken. Dit zijn de details:

Direct piëzo-elektrisch effect

Het directe piëzo-elektrische effect treedt op wanneer je spanning of druk uitoefent op een piëzo-elektrisch materiaal, waardoor een elektrische lading wordt opgewekt doordat ladingen binnen het kristalrooster bewegen. Het resultaat is een netto positieve en negatieve ladingsverdeling op het rooster. In principe legt het directe piëzo-elektrische effect de basis voor verschillende toepassingen, met name voor het ontwerp en de integratie van sensoren en actuatoren.

Omgekeerd piëzo-elektrisch effect

In tegenstelling tot het directe piëzo-elektrische effect, leidt het omgekeerde piëzo-elektrische effect tot de toepassing van een elektrisch veld op een kristal, waardoor de mechanische vorm van het kristal verandert. Dit fenomeen treedt op doordat het elektrische veld ladingen in het kristal doet verschuiven, waardoor de vorm van het materiaal verandert.

Het piëzo-elektrisch effect vindt praktische toepassingen in de productie van verschillende apparaten. Een opvallende vermelding zijn de piëzo-elektrische transducers, die elektrische signalen omzetten in mechanische trillingen of beweging.

Wat zijn piëzo-elektrische materialen

Piëzo-elektrische materialen vertonen het piëzo-elektrisch effect - ze genereren een elektrische lading tegen toegepaste mechanische spanning of vervorming. Daarnaast vertonen piëzo-elektrische materialen ook omkeerbaar gedrag - wanneer er een elektrische stroom wordt toegepast, ondergaan ze een lichte vormverandering, meestal tot een maximum van 4%.

Woldemar Voigt, noemde in zijn Lehrbuch der Kristallphysik (Leerboek Kristalfysica) ongeveer 20 klassen van materialen waarin het piëzo-elektrisch effect optreedt.

Laten we dus meer leren over piëzo-elektrische materialen!

Natuurlijke piëzo-elektrische materialen

Deze materialen komen in de natuur voor en hebben inherente piëzo-elektrische eigenschappen, zoals:

Toermalijn
Topaz
Rochelle zout
Sucrose
Kwarts

Door de mens gemaakte piëzo-elektrische materialen

Deze materialen zijn ontworpen om piëzo-elektrische eigenschappen te bezitten, zoals:

Galliumorthofosfaat (GaPO4) is een kwartsanaloog.
Langasiet (La3Ga5SiO14), een kwartsanaloog.

Biologische piëzo-elektrische materialen

Ze komen voor in biologische entiteiten en veel voorkomende vormen van biologische piëzo-elektrische materialen zijn:

Hout
Dentine
Email
Tendon
Collageen

Piëzo-elektrische keramiek

Sommige piëzo-elektrische keramieken zijn:

Lithiumniobaat (LiNbO3)
Kaliumniobaat (KNbO3)
Loodzirkonaat titanaat (PZT)
Bariumtitanaat (BaTiO3)
Loodtitanaat (PbTiO3)

Toepassingen van piëzo-elektrisch effect

Hier zijn enkele veelvoorkomende toepassingen van het piëzo-elektrisch effect:

Piëzo-elektrische sensoren in industriële toepassingen

Dit zijn de toepassingen van piëzo-elektrische schakelaars of sensoren in verschillende industrieën:

Druksensoren

In industriële omgevingen worden druksensoren gebruikt om verschillende processen te bewaken en te regelen. Ze spelen een essentiële rol bij het meten van vloeistofdrukken, zorgen voor een optimale werking van machines en dragen bij aan de algehele efficiëntie van industriële processen. Gewone druksensoren kunnen echter onbetrouwbare resultaten opleveren.

Daarom vertrouwen veel industrieën op piëzo-elektrische druksensoren. Deze sensoren maken gebruik van het piëzo-elektrisch effect om mechanische druk om te zetten in elektrische signalen, wat nauwkeurige resultaten oplevert.

Motorklopmelders

Piëzo-elektrische sensoren spelen een cruciale rol in de detectie van klopgeluiden in de auto- en industriële sector. Deze sensoren detecteren trillingen of kloppen in een motor, wat kan duiden op een onregelmatige verbranding.

Door deze mechanische trillingen om te zetten in elektrische signalen, geven piëzo-elektrische klopsensoren waardevolle feedback aan motorregelsystemen. Deze informatie maakt real-time aanpassingen mogelijk, waardoor de motorprestaties worden geoptimaliseerd en potentiële schade wordt voorkomen.

Piëzo-elektrische actuatoren in industriële toepassingen

Enkele veelvoorkomende industriële toepassingen van piëzo-elektrische actuatoren zijn:

Solenoïden met snelle respons

In tegenstelling tot elektromagnetische solenoïden, die vaak te kampen hebben met snelheidsbeperkingen, komen piëzo-elektrische actuatoren naar voren als een game-changer. Deze actuatoren, aangedreven door het piëzo-elektrisch effect, vertonen een opmerkelijke snelheid en precisie. Hun vermogen om elektrische signalen snel om te zetten in mechanische bewegingen wordt gebruikt in systemen zoals hogesnelheidskleppen en doseermechanismen.

Optische aanpassing

Piëzo-elektrische actuatoren blinken uit in optische afstellingstoepassingen. Hun minuscule en gecontroleerde bewegingen maken ze van onschatbare waarde voor de fijnafstelling van optische componenten met een ongeëvenaarde nauwkeurigheid. Camera's, lasers en diverse optische instrumenten profiteren van de aanpassingen op nanometerschaal die door piëzo-elektrische actuatoren mogelijk worden gemaakt.

Voordelen van apparaten met piëzo-elektrisch effect

Laten we de vele voordelen van piëzo-elektrische apparaten eens bespreken:

Eenvoudige installatie

Piëzo-elektrische apparaten zijn eenvoudig te installeren en onderscheiden zich daardoor in verschillende toepassingen. Hun lichte gewicht en compacte afmetingen dragen bij aan het integratiegemak in diverse systemen.

Het maakt niet uit of ze worden gebruikt in industriële machines, medische apparatuur of consumentenelektronica; hun eenvoudige installatie vergroot hun veelzijdigheid. Deze eigenschap vergemakkelijkt hun naadloze integratie in bestaande technologieën. Het maakt ook innovatieve en ruimtebesparende ontwerpoplossingen in verschillende industrieën mogelijk.

Geen externe voeding nodig

Een van de grote voordelen van piëzo-elektrische apparaten is dat ze zonder externe energiebron kunnen werken. De reden hiervoor is het vermogen van de materialen om elektrische lading op te wekken tegen mechanische spanning in.

Deze zelfgenererende eigenschap maakt piëzo-elektrische apparaten bijzonder voordelig in toepassingen waar een continue stroomtoevoer een uitdaging kan zijn. Voorbeelden hiervan zijn bepaalde sensoren, actuatoren en energiesystemen.

Zeer flexibel

De integratie van zeer flexibele materialen in piëzo-elektrische apparaten geeft verschillende toepassingen een nieuwe dimensie van aanpasbaarheid. Met deze materialen kunnen apparaten worden gemaakt die zich kunnen aanpassen aan onconventionele vormen en structuren, waardoor hun veelzijdigheid wordt vergroot. Toepassingen zoals zachte robotica, wearables en gezondheidszorg profiteren aanzienlijk van dit aanpassingsvermogen.

Hoge resonantiefrequentie

Piëzo-elektrische apparaten hebben het voordeel dat ze kunnen werken bij hoge resonantiefrequenties. Dankzij de hoge resonantiefrequentie kunnen deze apparaten snel en efficiënt reageren op externe prikkels. Dit is vooral gunstig in toepassingen waar snelle en nauwkeurige reacties cruciaal zijn, zoals ultrasone sensoren en actuatoren.

Nadelen van piëzo-elektrische apparaten

Dit zijn de nadelen van piëzo-elektrische apparaten:

Minimumhoeveelheid elektrische lading

Piëzo-elektrische apparaten produceren een relatief kleine hoeveelheid elektrische lading. Deze beperking maakt het gebruik van kabels met hoge impedantie noodzakelijk bij het aansluiten van deze apparaten op een elektrische interface.

De hoge impedantie is nodig om signaalverlies tijdens de overdracht te minimaliseren. Het zorgt ervoor dat de zwakke elektrische signalen die door piëzo-elektrische materialen worden gegenereerd effectief worden opgevangen en gebruikt.

Milieuomstandigheden beïnvloeden prestaties

Omgevingsfactoren - temperatuur, vochtigheid en externe druk beïnvloeden de betrouwbaarheid en efficiëntie van piëzo-elektrische apparaten. Fluctuerende temperaturen kunnen de materiaaleigenschappen van piëzo-elektrische elementen veranderen, wat invloed heeft op hun gevoeligheid en responsiviteit. Veranderingen in vochtigheidsniveaus kunnen ook de diëlektrische eigenschappen beïnvloeden van de materialen, waardoor de prestaties variëren.

De beste opties voor piëzo-elektrische schakelaars!

Dit zijn de beste Piëzoschakelaar opties die je kunt proberen voor verschillende industriële of medische toepassingen:

30 mm piëzo drukknop

De 30 mm piëzo drukknop is een geavanceerde oplossing die is ontworpen voor veeleisende toepassingen waarbij betrouwbaarheid van het grootste belang is. Deze knop heeft een solid-state uitgang, wat zorgt voor een uitzonderlijk lange levensduur van meer dan 50 miljoen cycli. Ideaal voor veeleisende omgevingen: het vlakke bedieningsoppervlak is volledig omsloten, zodat er geen vloeistoffen of verontreinigingen kunnen binnendringen.

Deze eigenschap maakt de schakelaar bijzonder geschikt voor toepassingen in de medische en voedselverwerkende industrie, waar strenge reinheidsnormen noodzakelijk zijn. De constructie uit één stuk van de schakelaar zorgt voor een hoogwaardige afdichting en een indrukwekkende IP68- en IP69K-classificatie. Dit beschermingsniveau garandeert met name bestendigheid tegen zowel stof als water, waardoor de knop zeer duurzaam is in diverse industriële omgevingen.

Een offerte aanvragen

Kunststof Piezo drukknop elektrische schakelaar

De Kunststof Piezo drukknop elektrische schakelaar is een veelzijdige oplossing voor naadloze integratie in diverse elektronische systemen. Met een actuator met een diameter van 25 mm en een montagegat met een diameter van 22,2 mm biedt deze schakelaar een compact maar functioneel ontwerp dat geschikt is voor een reeks toepassingen. De schakelaar werkt volgens het principe van een normaal open, kortstondige actie en biedt een precieze impulstijd van 125-300 milliseconden.

Dit zorgt voor responsieve en efficiënte prestaties. De verzonken voorkant voegt een extra laag bescherming en esthetische aantrekkingskracht toe. De IP68-afdichting zorgt voor robuuste bescherming tegen het binnendringen van stof en water, waardoor de schakelaar geschikt is voor veeleisende omgevingen. Bovendien is de elektrische schakelaar met kunststof piëzodrukknop verkrijgbaar met 12V en 24V LED's, voor aanpasbare verlichtingsopties.

Een offerte aanvragen

16mm Piëzo Aanraakschakelaar

Eindelijk is de 16 mm piëzo touchschakelaar een geavanceerde oplossing op maat voor gebruiksvriendelijke interacties en duurzame prestaties. Ontworpen met een eenvoudig te reinigen metalen oppervlak, zorgt deze schakelaar niet alleen voor een strak uiterlijk maar vergemakkelijkt hij ook het onderhoud, waardoor hij ideaal is voor toepassingen waar hygiëne cruciaal is.

Met een indrukwekkende levensduur van 50 miljoen cycli garandeert de schakelaar een lange levensduur en betrouwbaarheid. Bovendien heeft het robuuste ontwerp afdichtingsopties van IP68 of IP69K. Dit zorgt voor superieure bescherming tegen stof, water en hogedrukreiniging, waardoor de schakelaar geschikt is voor veeleisende omgevingen.

Een offerte aanvragen

FAQs

Is piëzo-elektrisch wisselstroom of gelijkstroom?

Piëzo-elektriciteit genereert voornamelijk een wisselstroom (AC) wanneer een piëzo-elektrisch materiaal mechanische spanning of drukvariaties ondervindt. Dit fenomeen is het resultaat van de reactie van het kristalrooster op de toegepaste kracht, waardoor een verplaatsing van positieve en negatieve ladingen optreedt.

Waarom is piëzo-elektriciteit belangrijk?

Piëzo-elektriciteit is cruciaal vanwege de rol die het speelt in sensoren, actuatoren en het oogsten van energie. Het maakt de omzetting van mechanische spanning in elektrische signalen mogelijk, waardoor het essentieel is voor verschillende toepassingen. Bekende toepassingen zijn druksensoren, versnellingsmeters en precisiepositioneringssystemen.

Hoeveel volt is piëzo-elektrisch?

Piëzo-elektrische apparaten genereren meestal spanningen variërend van enkele milli-Volts tot tientallen Volts. Piëzo-opnemers die geschikt zijn voor hobbydoeleinden produceren meestal spanningen in het bereik van 10mV tot 100mV. De uitgangsspanning hangt af van factoren zoals het type piëzo-elektrisch materiaal, de toegepaste spanning en het specifieke ontwerp en de toepassing van het apparaat.

Kan een piëzo-elektrisch effect een telefoon opladen?

Piëzo-elektriciteit is niet erg handig voor het opladen van telefoons vanwege het kleine voltage. Je kunt het echter wel gebruiken als er geen alternatieve voedingsbron beschikbaar is.

Conclusie

Het piëzo-elektrisch effect is nuttig in verschillende industrieën en kent twee hoofdtypen: het directe en het omgekeerde piëzo-elektrische effect. Om de voordelen van piëzo-elektriciteit te benutten, is investeren in kwaliteitscomponenten cruciaal. Langir is een betrouwbare keuze voor piëzoschakelaars en biedt geavanceerde technologie om de efficiëntie en betrouwbaarheid van uw apparaten te verbeteren. Neem vandaag nog contact met ons op en pak schakelaars van hoge kwaliteit voor een breed scala aan toepassingen!