Wszystko o efekcie piezoelektrycznym | Materiały, zastosowania, typy

Wszystko o typach zastosowań materiałów z efektem piezoelektrycznym

Czy kiedykolwiek podziwiałeś płynne działanie ekranu dotykowego lub zastanawiałeś się nad zawiłościami funkcjonowania niektórych urządzeń medycznych? Być może zastanawiałeś się nad technologią, która pozwala niektórym głośnikom wytwarzać dźwięk z niezwykłą precyzją. Odpowiedź na wszystkie te intrygujące pytania leży w zjawisku zwanym efektem piezoelektrycznym.

Ta niezwykła właściwość, występująca w określonych materiałach, pozwala im generować ładunek elektryczny w odpowiedzi na naprężenia mechaniczne i odwrotnie. Jest to cicha siła, która zapewnia płynne działanie silników piezoelektrycznych, mikrofonów i niektórych innych siłowników w elektronice użytkowej, takich jak drukarki itp.

Dowiedzmy się więcej o efekcie piezoelektrycznym, jego przyczynach, rodzajach, zastosowaniach i nie tylko!

Czym jest efekt piezoelektryczny?

Efekt piezoelektryczny jest również znany jako piezoelektryczność i pochodzi od greckiego słowa "piezo", oznaczającego naciskać lub wywierać nacisk. Jest to zjawisko, w którym przyłożenie naprężenia mechanicznego do kryształu lub materiału piezoelektrycznego indukuje generowanie napięcia wzdłuż jego boków.

Jeśli obiekt jest piezoelektryczny, oznacza to, że ma zdolność do zamiany przyłożonego do niego naprężenia mechanicznego na energię elektryczną. Ze względu na tę unikalną cechę, efekt piezoelektryczny umożliwia wdrażanie odnawialnej i zrównoważonej energii w budynkach poprzez zbieranie energii i samopodtrzymujące się inteligentne czujniki.

Równanie efektu piezoelektrycznego

Główne równanie rządzące piezoelektrycznością jest określone przez:

P = d x stres

Gdzie d reprezentuje współczynnik piezoelektryczny, współczynnik specyficzny dla materiału. Dla kwarcu współczynnik piezoelektryczny wynosi 3 x 10^-12, podczas gdy dla tytanianu cyrkonianu ołowiu (PZT) wynosi on 3 x 10^-10.

Historia efektu piezoelektrycznego

W 1880 roku bracia Pierre Curie i Jacques Curie pracowali razem, gdy natknęli się na zaskakujące zjawisko. Odkryli, że wywieranie nacisku na kwarc - materiał piezoelektryczny - powoduje generowanie ładunku elektrycznego. Ta zamiana energii mechanicznej w elektryczną jest podstawą efektu piezoelektrycznego lub bezpośredniego efektu piezoelektrycznego.

Na tym jednak odkrycia się nie skończyły! Gabriel Lippman w 1881 roku, poprzez matematyczną dedukcję z podstawowych zasad termodynamiki, przewidział efekt, który jest przeciwieństwem bezpośredniego efektu piezoelektrycznego. Odkrył on, że przyłożenie ładunku elektrycznego do materiału powoduje powstanie naprężeń mechanicznych. Zostało to również rozwinięte przez braci Curie.

Odkrycia Gabriela Lippmana i Curiesa jeszcze bardziej rozbudziły zainteresowanie europejskiej społeczności naukowej. Zjawisko to stało się polem badań w ostatnim ćwierćwieczu XIX wieku, a pierwszym zastosowaniem tego efektu był SONAR. Został on opracowany we Francji podczas I wojny światowej.

Jak działa efekt piezoelektryczny?

Efekt piezoelektryczny może wydawać się trudny do zrozumienia, ale w rzeczywistości jest bardzo prosty.

Oto jak efekt piezoelektryczny występuje w krysztale lub ciele stałym:

Materiały piezoelektryczne nie mają środka symetrii, a ładunki dodatnie są otoczone przez ujemne. Znoszą one wzajemnie swój efekt, nie pozostawiając ładunku netto na krysztale.
Przyłożenie siły do sieci krystalicznej zmusza ładunki do zmiany położenia, zaburzając ich równowagę.
Ładunki ujemne nie znoszą ładunków dodatnich. Na siatce pojawiają się ładunki dodatnie i ujemne netto, wytwarzając napięcie przemienne. To generowanie napięcia z powodu naprężeń mechanicznych jest znane jako efekt piezoelektryczny lub piezoelektryczność.

Kontakt Langir

Rodzaje efektu piezoelektrycznego

Efekt piezoelektryczny występuje w dwóch różnych typach, z których każdy charakteryzuje się unikalnymi właściwościami. Oto ich szczegóły:

Bezpośredni efekt piezoelektryczny

Bezpośredni efekt piezoelektryczny występuje, gdy przykładasz naprężenie lub nacisk do materiału piezoelektrycznego, generując ładunek elektryczny, gdy ładunki poruszają się w sieci krystalicznej. Rezultatem jest dodatni i ujemny rozkład ładunków netto w sieci krystalicznej. Zasadniczo bezpośredni efekt piezoelektryczny stanowi podstawę dla różnych zastosowań, w tym projektowania i integracji czujników i siłowników.

Odwrócony efekt piezoelektryczny

W przeciwieństwie do bezpośredniego efektu piezoelektrycznego, odwrotny efekt piezoelektryczny polega na przyłożeniu pola elektrycznego do kryształu, co prowadzi do transformacji jego formy mechanicznej. Zjawisko to występuje, gdy pole elektryczne powoduje przesunięcie ładunków w krysztale, powodując w ten sposób modyfikację kształtu materiału.

Efekt piezoelektryczny znajduje praktyczne zastosowanie w produkcji różnych urządzeń. Na szczególną uwagę zasługują przetworniki piezoelektryczne, które przekształcają sygnały elektryczne w drgania mechaniczne lub ruch.

Czym są materiały piezoelektryczne

Materiały piezoelektryczne wykazują efekt piezoelektryczny - generują ładunek elektryczny pod wpływem przyłożonego naprężenia mechanicznego lub odkształcenia. Ponadto materiały z efektem piezoelektrycznym wykazują również odwracalne zachowanie - po przyłożeniu prądu elektrycznego ulegają niewielkiej zmianie kształtu, zwykle do maksimum 4%.

Woldemar Voigt, w swoim Lehrbuch der Kristallphysik (Podręcznik fizyki kryształów) wymienił około 20 klas materiałów, w których występuje efekt piezoelektryczny.

Poznajmy zatem materiały piezoelektryczne!

Naturalne materiały piezoelektryczne

Materiały te występują w naturze i wykazują nieodłączne właściwości piezoelektryczne, takie jak:

Turmalin
Topaz
Sól Rochelle
Sacharoza
Kwarc

Materiały piezoelektryczne wykonane przez człowieka

Materiały te są zaprojektowane tak, aby posiadały właściwości piezoelektryczne, takie jak:

Ortofosforan galu (GaPO4) jest analogiem kwarcu.
Langasyt (La3Ga5SiO14), analog kwarcu.

Biologiczne materiały piezoelektryczne

Występują one w organizmach biologicznych, a powszechnymi formami biologicznych materiałów piezoelektrycznych są:

Drewno
Zębina
Emalia
Ścięgno
Kolagen

Ceramika piezoelektryczna

Niektóre ceramiki piezoelektryczne to:

Niobian litu (LiNbO3)
Niobian potasu (KNbO3)
Tytanian cyrkonianu ołowiu (PZT)
Tytanian baru (BaTiO3)
Tytanian ołowiu (PbTiO3)

Zastosowania efektu piezoelektrycznego

Oto kilka typowych zastosowań efektu piezoelektrycznego:

Czujniki piezoelektryczne w zastosowaniach przemysłowych

Oto Zastosowania przełączników piezoelektrycznych lub czujników w różnych branżach:

Czujniki ciśnienia

W warunkach przemysłowych czujniki ciśnienia są wykorzystywane do monitorowania i regulowania różnych procesów. Odgrywają one istotną rolę w pomiarze ciśnienia płynów, zapewniając optymalne działanie maszyn i przyczyniając się do ogólnej wydajności procesów przemysłowych. Jednak korzystanie ze zwykłych czujników ciśnienia może dawać niewiarygodne wyniki.

Dlatego wiele branż polega na piezoelektrycznych czujnikach ciśnienia. Czujniki te wykorzystują efekt piezoelektryczny do przekształcania ciśnienia mechanicznego w sygnały elektryczne, zapewniając dokładne wyniki.

Czujniki spalania stukowego silnika

Czujniki piezoelektryczne odgrywają kluczową rolę w wykrywaniu spalania stukowego w sektorze motoryzacyjnym i przemysłowym. Czujniki te wykrywają wibracje lub stuki w silniku, które mogą wskazywać na nieregularne spalanie.

Przekształcając te drgania mechaniczne w sygnały elektryczne, piezoelektryczne czujniki spalania stukowego dostarczają cennych informacji zwrotnych do systemów sterowania silnikiem. Informacje te pozwalają na regulację w czasie rzeczywistym, optymalizując wydajność silnika i zapobiegając potencjalnym uszkodzeniom.

Siłowniki piezoelektryczne w zastosowaniach przemysłowych

Niektóre typowe zastosowania przemysłowe siłowników piezoelektrycznych to:

Solenoidy o szybkiej reakcji

W przeciwieństwie do elektromagnetycznych solenoidów, które często borykają się z ograniczeniami prędkości, siłowniki piezoelektryczne stają się przełomem. Siłowniki te, napędzane efektem piezoelektrycznym, charakteryzują się niezwykłą szybkością i precyzją. Ich zdolność do szybkiego przekształcania sygnałów elektrycznych w ruch mechaniczny jest wykorzystywana w systemach takich jak szybkie zawory i mechanizmy dozujące.

Regulacja optyczna

Siłowniki piezoelektryczne doskonale sprawdzają się w zastosowaniach związanych z regulacją optyczną. Ich drobne i kontrolowane ruchy sprawiają, że są nieocenione w precyzyjnym dostrajaniu elementów optycznych z niezrównaną dokładnością. Kamery, lasery i różne przyrządy optyczne korzystają z regulacji w skali nanometrowej ułatwianej przez siłowniki piezoelektryczne.

Zalety urządzeń wykazujących efekt piezoelektryczny

Omówmy wiele zalet urządzeń piezoelektrycznych:

Łatwa instalacja

Urządzenia piezoelektryczne charakteryzują się prostotą instalacji, która wyróżnia je w różnych zastosowaniach. Ich lekkość i kompaktowy rozmiar przyczyniają się do łatwości integracji z różnymi systemami.

Nie ma znaczenia, czy są używane w maszynach przemysłowych, urządzeniach medycznych czy elektronice użytkowej; ich prosta instalacja zwiększa ich wszechstronność. Ta cecha ułatwia ich bezproblemową integrację z istniejącymi technologiami. Pozwala również na innowacyjne i zajmujące mało miejsca rozwiązania projektowe w różnych branżach.

Nie jest wymagane zewnętrzne źródło zasilania

Jedną z istotnych zalet urządzeń piezoelektrycznych jest ich zdolność do pracy bez zewnętrznego źródła zasilania. Powodem tego jest zdolność materiałów do generowania ładunku elektrycznego pod wpływem naprężeń mechanicznych.

Ta samogenerująca się cecha sprawia, że urządzenia piezoelektryczne są szczególnie korzystne w zastosowaniach, w których ciągłe zasilanie może być trudne do wdrożenia. Przykłady obejmują niektóre czujniki, siłowniki i systemy pozyskiwania energii.

Wysoka elastyczność

Integracja wysoce elastycznych materiałów w urządzeniach piezoelektrycznych wprowadza nowy wymiar możliwości adaptacji do różnych zastosowań. Materiały te umożliwiają tworzenie urządzeń, które mogą dostosowywać się do niekonwencjonalnych kształtów i struktur, zwiększając ich wszechstronność. Zastosowania takie jak miękka robotyka, urządzenia do noszenia i opieka zdrowotna znacznie zyskują na tej zdolności adaptacyjnej.

Wysoka częstotliwość rezonansowa

Urządzenia piezoelektryczne wykazują znaczną przewagę w ich zdolności do pracy przy wysokich częstotliwościach rezonansowych. Wysoka częstotliwość rezonansowa pozwala tym urządzeniom oferować szybkie i wydajne reakcje na bodźce zewnętrzne. Jest to szczególnie korzystne w zastosowaniach, w których kluczowe znaczenie mają szybkie i precyzyjne reakcje, takich jak czujniki ultradźwiękowe i siłowniki.

Wady urządzeń piezoelektrycznych

Oto wady urządzeń piezoelektrycznych:

Minimalna ilość ładunku elektrycznego

Urządzenia piezoelektryczne wytwarzają stosunkowo niewielką ilość ładunku elektrycznego. Ograniczenie to wymusza stosowanie kabli o wysokiej impedancji podczas podłączania tych urządzeń do interfejsu elektrycznego.

Wysoka impedancja jest wymagana, aby zminimalizować straty sygnału podczas transmisji. Zapewnia to, że słabe sygnały elektryczne generowane przez materiały piezoelektryczne są skutecznie przechwytywane i wykorzystywane.

Warunki środowiskowe wpływają na wydajność

Czynniki środowiskowe - temperatura, wilgotność i ciśnienie zewnętrzne wpływają na niezawodność i wydajność urządzeń piezoelektrycznych. Wahania temperatury mogą zmieniać właściwości materiałowe elementów piezoelektrycznych, wpływając na ich czułość i szybkość reakcji. Zmiany poziomy wilgotności mogą również wpływać na właściwości dielektryczne materiałów, wprowadzając zmienność wydajności.

Najlepsze przełączniki piezoelektryczne dla Ciebie!

Oto najlepsze z nich Przełącznik piezoelektryczny Opcje, które można wypróbować w różnych zastosowaniach przemysłowych lub medycznych:

Przycisk piezoelektryczny 30 mm

The Przycisk piezoelektryczny 30 mm to najnowocześniejsze rozwiązanie przeznaczone do wymagających zastosowań, w których niezawodność jest najważniejsza. Przycisk ten posiada wyjście półprzewodnikowe, zapewniające wyjątkowo długą żywotność wynoszącą ponad 50 milionów cykli. Idealny do rygorystycznych środowisk, płaska powierzchnia uruchamiająca jest całkowicie zamknięta, chroniąc przed wnikaniem cieczy lub zanieczyszczeń.

Ta cecha sprawia, że szczególnie dobrze nadaje się do zastosowań w przemyśle medycznym i spożywczym, gdzie wymagane są rygorystyczne standardy czystości. Jednoczęściowa konstrukcja przełącznika zapewnia wysoką wydajność uszczelnienia, zapewniając imponujący stopień ochrony IP68 i IP69K. Warto zauważyć, że ten poziom ochrony zapewnia odporność zarówno na kurz, jak i wodę, dzięki czemu przycisk jest bardzo trwały w różnych warunkach przemysłowych.

Zapytanie ofertowe

Plastikowy piezoelektryczny przełącznik przyciskowy

The Plastikowy piezoelektryczny przełącznik przyciskowy to wszechstronne rozwiązanie umożliwiające bezproblemową integrację z różnymi systemami elektronicznymi. Dzięki siłownikowi o średnicy 25 mm i otworowi montażowemu o średnicy 22,2 mm, przełącznik ten oferuje kompaktową, ale funkcjonalną konstrukcję odpowiednią do szeregu zastosowań. Działając na zasadzie normalnie otwartego, chwilowego działania, przełącznik zapewnia precyzyjny czas impulsu od 125 do 300 milisekund.

Zapewnia to responsywną i wydajną pracę. Wgłębienie na obudowie zapewnia dodatkową warstwę ochrony i estetyczny wygląd. Uszczelnienie IP68 zapewnia solidną ochronę przed wnikaniem pyłu i wody, dzięki czemu nadaje się do wymagających środowisk. Co więcej, plastikowy piezoelektryczny przełącznik przyciskowy jest dostępny z diodami LED 12 V i 24 V, oferując konfigurowalne opcje podświetlenia.

Zapytanie ofertowe

Piezoelektryczny przełącznik dotykowy 16 mm

Piezoelektryczny przełącznik dotykowy 16 mm to wyrafinowane rozwiązanie dostosowane do przyjaznych dla użytkownika interakcji i trwałej wydajności. Zaprojektowany z łatwą do czyszczenia metalową powierzchnią, przełącznik ten nie tylko zapewnia elegancki wygląd, ale także ułatwia konserwację, dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań, w których higiena ma kluczowe znaczenie.

Dzięki imponującej żywotności wynoszącej 50 milionów cykli, przełącznik gwarantuje długowieczność i niezawodność. Co więcej, jego solidna konstrukcja obejmuje opcje uszczelnienia IP68 lub IP69K. Zapewnia to doskonałą ochronę przed kurzem, wodą i czyszczeniem pod wysokim ciśnieniem, dzięki czemu nadaje się do wymagających środowisk.

Zapytanie ofertowe

Najczęściej zadawane pytania

Piezoelektryczny prąd zmienny czy stały?

Piezoelektryczność generuje przede wszystkim prąd zmienny (AC), gdy materiał piezoelektryczny doświadcza naprężeń mechanicznych lub zmian ciśnienia. Zjawisko to jest wynikiem reakcji sieci krystalicznej na przyłożoną siłę, powodując przemieszczenie ładunków dodatnich i ujemnych.

Dlaczego piezoelektryczność jest ważna?

Piezoelektryczność jest kluczowa ze względu na jej rolę w czujnikach, siłownikach i pozyskiwaniu energii. Umożliwia konwersję naprężeń mechanicznych na sygnały elektryczne, dzięki czemu jest niezbędna w różnych zastosowaniach. Typowe z nich obejmują czujniki ciśnienia, akcelerometry i precyzyjne systemy pozycjonowania.

Ile woltów ma piezoelektryk?

Urządzenia piezoelektryczne zazwyczaj generują napięcia w zakresie od kilku miliwoltów do kilkudziesięciu woltów. Przetworniki piezoelektryczne odpowiednie do celów hobbystycznych zwykle wytwarzają napięcia w zakresie od 10 mV do 100 mV. Napięcie wyjściowe zależy od takich czynników, jak rodzaj materiału piezoelektrycznego, zastosowane naprężenie oraz konkretna konstrukcja i zastosowanie urządzenia.

Czy efekt piezoelektryczny może ładować telefon?

Piezoelektryczność nie jest zbyt przydatna do ładowania telefonów ze względu na niskie napięcie wyjściowe. Można jej jednak użyć, gdy nie ma dostępnego alternatywnego źródła zasilania.

Wnioski

Efekt piezoelektryczny jest przydatny w różnych branżach i ma dwa główne typy: bezpośredni i odwrotny efekt piezoelektryczny. Aby wykorzystać zalety piezoelektryczności, kluczowe jest inwestowanie w wysokiej jakości komponenty. Langir wyróżnia się jako niezawodny wybór dla przełączników piezoelektrycznych, oferując zaawansowaną technologię w celu zwiększenia wydajności i niezawodności urządzeń. Skontaktuj się z nami już dziś i zdobądź wysokiej jakości przełączniki do szerokiego zakresu zastosowań!