Все о пьезоэлектрическом эффекте | Материалы, применение, типы

Все о типах применения материалов с пьезоэлектрическим эффектом

Вы когда-нибудь удивлялись плавной работе сенсорного экрана или размышляли о тонкостях функционирования некоторых медицинских приборов? Возможно, вы задумывались о технологии, позволяющей некоторым динамикам воспроизводить звук с удивительной точностью. Ответ на все эти интригующие вопросы кроется в явлении, называемом пьезоэлектрическим эффектом.

Это удивительное свойство, обнаруженное в определенных материалах, позволяет им генерировать электрический заряд в ответ на механическое напряжение и наоборот. Это бесшумная сила, которая обеспечивает бесперебойную работу пьезоэлектрических двигателей, микрофонов и некоторых других исполнительных механизмов в бытовой электронике, например принтерах и т. д.

Давайте узнаем о пьезоэлектрическом эффекте, его причинах, типах, применении и многом другом!

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектрический эффект также известен как пьезоэлектричество и происходит от греческого слова "пьезо", означающего "толкать" или "давить". Это явление, при котором приложение механического напряжения к кристаллу или пьезоэлектрическому материалу вызывает генерацию напряжения вдоль его граней.

Если объект является пьезоэлектрическим, это означает, что он обладает способностью превращать механическое напряжение, приложенное к нему, в электричество. Благодаря этой уникальной характеристике пьезоэлектрический эффект позволяет реализовать возобновляемую и устойчивую энергию в зданиях за счет сбора энергии и самоподдерживающегося интеллектуального зондирования.

Уравнение пьезоэлектрического эффекта

Основное уравнение, управляющее пьезоэлектричеством, имеет вид:

P = d x стресс

Где d - пьезоэлектрический коэффициент, зависящий от материала. Для кварца пьезоэлектрический коэффициент равен 3 x 10^-12, а для цирконата-титаната свинца (PZT) - 3 x 10^-10.

История пьезоэлектрического эффекта

В 1880 году братья Пьер Кюри и Жак Кюри работали вместе, когда столкнулись с удивительным явлением. Они обнаружили, что при надавливании на кварц - пьезоэлектрический материал - происходит генерация электрического заряда. Этот переход механической энергии в электрическую лежит в основе пьезоэлектрического эффекта или прямого пьезоэлектрического эффекта.

Однако открытия на этом не закончились! Габриэль Липпман в 1881 году путем математического вывода из фундаментальных термодинамических принципов предсказал эффект, противоположный прямому пьезоэлектрическому эффекту. Он обнаружил, что прикладывание электрического заряда к материалу приводит к возникновению механической деформации. Эта идея была также развита братьями Кюри.

Эти открытия Габриэля Липпмана и Кюри еще больше разожгли интерес европейского научного сообщества. Это явление стало областью исследований в последней четверти XIX века, а первым применением этого эффекта стал SONAR. Он был разработан во Франции во время Первой мировой войны.

Как работает пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект может показаться сложным для восприятия, но на самом деле все очень просто.

Вот как возникает пьезоэлектрический эффект в кристалле или твердом теле:

Пьезоэлектрические материалы не имеют центра симметрии, и положительные заряды окружены отрицательными. Они нивелируют действие друг друга, не оставляя чистого заряда на кристалле.
Когда вы прикладываете силу к кристаллической решетке, вы заставляете заряды менять свое положение, разбалансируя их.
Отрицательные заряды не отменяют положительных. На решетке появляются чистые положительные и чистые отрицательные заряды, создающие переменное напряжение. Такая генерация напряжения под действием механического напряжения известна как пьезоэлектрический эффект или пьезоэлектричество.

Связаться с Лангиром

Виды пьезоэлектрического эффекта

Пьезоэлектрический эффект бывает двух разных типов, каждый из которых обладает уникальными характеристиками. Вот их подробное описание:

Прямой пьезоэлектрический эффект

Прямой пьезоэлектрический эффект возникает, когда вы прикладываете напряжение или давление к пьезоэлектрическому материалу, генерируя электрический заряд, поскольку заряды перемещаются в кристаллической решетке. В результате на решетке распределяются чистые положительные и отрицательные заряды. Прямой пьезоэлектрический эффект закладывает основу для различных применений, в частности, для разработки и интеграции датчиков и исполнительных механизмов.

Обратный пьезоэлектрический эффект

В отличие от прямого пьезоэлектрического эффекта, обратный пьезоэлектрический эффект подразумевает приложение электрического поля к кристаллу, что приводит к изменению его механической формы. Это явление происходит потому, что электрическое поле заставляет заряды внутри кристалла смещаться, вызывая тем самым изменение формы материала.

Пьезоэлектрический эффект находит практическое применение в производстве различных устройств. В частности, речь идет о пьезоэлектрических преобразователях, которые преобразуют электрические сигналы в механические колебания или движения.

Что такое пьезоэлектрические материалы

Пьезоэлектрические материалы проявляют пьезоэлектрический эффект - они генерируют электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение или деформацию. Кроме того, материалы с пьезоэлектрическим эффектом демонстрируют обратимое поведение - при подаче электрического тока они претерпевают незначительное изменение формы, как правило, до максимума 4%.

Вольдемар Фойгт, в своем учебнике по физике кристаллов (Lehrbuch der Kristallphysik) назвал около 20 классов материалов, в которых проявляется пьезоэлектрический эффект.

Итак, давайте узнаем о пьезоэлектрических материалах!

Природные пьезоэлектрические материалы

Эти материалы встречаются в природе и обладают присущими им пьезоэлектрическими свойствами, такими как:

Турмалин
Топаз
Соль Рошель
Сахароза
Кварц

Искусственные пьезоэлектрические материалы

Эти материалы обладают такими пьезоэлектрическими характеристиками, как:

Ортофосфат галлия (GaPO4) является аналогом кварца.
Лангасит (La3Ga5SiO14), аналог кварца.

Биологические пьезоэлектрические материалы

Они встречаются в биологических объектах, и распространенными формами биологических пьезоэлектрических материалов являются:

Дерево
Дентин
Эмаль
Сухожилие
Коллаген

Пьезоэлектрическая керамика

Некоторые виды пьезоэлектрической керамики:

Ниобат лития (LiNbO3)
Ниобат калия (KNbO3)
Цирконат-титанат свинца (PZT)
Титанат бария (BaTiO3)
Титанат свинца (PbTiO3)

Применение пьезоэлектрического эффекта

Вот некоторые распространенные области применения пьезоэлектрического эффекта:

Пьезоэлектрические датчики в промышленных приложениях

Вот Применение пьезоэлектрических переключателей или датчиков в различных отраслях промышленности:

Датчики давления

В промышленности датчики давления используются для контроля и регулирования различных процессов. Они играют важную роль в измерении давления жидкостей, обеспечении оптимальной работы оборудования и повышении общей эффективности промышленных процессов. Однако использование обычных датчиков давления может дать ненадежные результаты.

Поэтому во многих отраслях промышленности используются пьезоэлектрические датчики давления. Эти датчики используют пьезоэлектрический эффект для преобразования механического давления в электрические сигналы, что позволяет получать точные результаты.

Датчики стука двигателя

Пьезоэлектрические датчики играют важную роль в обнаружении стука в двигателе в автомобильном и промышленном секторах. Эти датчики обнаруживают вибрации или стуки в двигателе, которые могут свидетельствовать о неравномерном сгорании топлива.

Преобразуя механические колебания в электрические сигналы, пьезоэлектрические датчики стука обеспечивают ценную обратную связь с системами управления двигателем. Эта информация позволяет вносить коррективы в режиме реального времени, оптимизируя работу двигателя и предотвращая возможные повреждения.

Пьезоэлектрические приводы в промышленных приложениях

Некоторые распространенные промышленные применения пьезоэлектрических приводов:

Соленоиды быстрого реагирования

В отличие от электромагнитных соленоидов, которые часто имеют ограничения по скорости, пьезоэлектрические приводы становятся переломным моментом. Эти приводы, работающие на основе пьезоэлектрического эффекта, демонстрируют поразительную скорость и точность. Их способность быстро преобразовывать электрические сигналы в механические движения используется в таких системах, как высокоскоростные клапаны и дозирующие механизмы.

Оптическая регулировка

Пьезоэлектрические актуаторы отлично подходят для оптической настройки. Их мельчайшие и контролируемые движения делают их бесценными для тонкой настройки оптических компонентов с непревзойденной точностью. Камеры, лазеры и различные оптические приборы выигрывают от нанометрической регулировки, которую обеспечивают пьезоэлектрические приводы.

Преимущества устройств, проявляющих пьезоэлектрический эффект

Давайте обсудим многочисленные преимущества пьезоэлектрических устройств:

Простая установка

Пьезоэлектрические устройства отличаются простотой установки, что выгодно отличает их в различных областях применения. Их легкий вес и компактные размеры способствуют простоте интеграции в различные системы.

Неважно, где они используются - в промышленном оборудовании, медицинских приборах или бытовой электронике; простота установки повышает их универсальность. Эта особенность способствует их беспрепятственному внедрению в существующие технологии. Это также позволяет создавать инновационные и компактные дизайнерские решения в различных отраслях.

Внешний источник питания не требуется

Одним из существенных преимуществ пьезоэлектрических устройств является их способность работать без внешнего источника энергии. Причиной этого является способность материалов генерировать электрический заряд под действием механического напряжения.

Эта особенность самогенерирования делает пьезоэлектрические устройства особенно выгодными в тех областях применения, где непрерывный источник питания может быть затруднен. В качестве примера можно привести некоторые датчики, исполнительные механизмы и системы сбора энергии.

Высокая гибкость

Интеграция высокоэластичных материалов в пьезоэлектрические устройства открывает новые возможности для адаптации различных приложений. Эти материалы позволяют создавать устройства нетрадиционной формы и структуры, расширяя их универсальность. Такие области применения, как мягкая робототехника, носимые устройства и здравоохранение, значительно выигрывают от такой адаптивности.

Высокая резонансная частота

Пьезоэлектрические устройства обладают заметным преимуществом - способностью работать на высоких резонансных частотах. Высокая резонансная частота позволяет этим устройствам быстро и эффективно реагировать на внешние раздражители. Это особенно полезно в приложениях, где важна быстрая и точная реакция, например в ультразвуковых датчиках и приводах.

Недостатки пьезоэлектрических устройств

Вот недостатки пьезоэлектрических устройств:

Минимальное количество электрических зарядов

Пьезоэлектрические устройства производят относительно небольшое количество электрического заряда. Это ограничение приводит к необходимости использования высокоимпедансных кабелей при подключении этих устройств к электрическому интерфейсу.

Высокий импеданс необходим для минимизации потерь сигнала при передаче. Он обеспечивает эффективный захват и использование слабых электрических сигналов, генерируемых пьезоэлектрическими материалами.

Условия окружающей среды влияют на производительность

Факторы окружающей среды - температура, влажность и внешнее давление - влияют на надежность и эффективность пьезоэлектрических устройств. Колебания температуры могут изменять свойства материала пьезоэлектрических элементов, влияя на их чувствительность и отзывчивость. Изменения в уровень влажности также может влиять на диэлектрические свойства материалов, что приводит к изменению характеристик.

Лучшие варианты пьезоэлектрических переключателей для вас!

Вот лучшие Пьезопереключатель Варианты, которые вы можете попробовать для различных промышленных или медицинских применений:

Пьезо-кнопка 30 мм

Сайт Пьезо-кнопка 30 мм это передовое решение, разработанное для сложных приложений, где надежность имеет первостепенное значение. Эта кнопка оснащена полупроводниковым выходом, обеспечивающим исключительно долгий срок службы - более 50 миллионов циклов. Идеально подходит для работы в жестких условиях, плоская поверхность срабатывания полностью закрыта, что защищает от проникновения жидкостей или загрязнений.

Эта особенность делает его особенно подходящим для применения в медицинской и пищевой промышленности, где требуются строгие стандарты чистоты. Цельная конструкция переключателя обеспечивает высокоэффективную герметизацию, обеспечивая впечатляющий рейтинг IP68 и IP69K. Такой уровень защиты обеспечивает устойчивость как к пыли, так и к воде, что делает кнопку очень надежной в различных промышленных условиях.

Запрос Цитировать

Пластиковые пьезо кнопка электрический переключатель

Сайт Пластиковые пьезо кнопка электрический переключатель это универсальное решение для беспрепятственной интеграции в различные электронные системы. Имея привод диаметром 25 мм и монтажное отверстие диаметром 22,2 мм, этот переключатель представляет собой компактную, но функциональную конструкцию, подходящую для различных применений. Работающий по принципу нормально разомкнутого мгновенного действия, переключатель обеспечивает точное время импульса 125-300 миллисекунд.

Это обеспечивает отзывчивость и эффективность работы. Утопленная лицевая сторона обеспечивает дополнительный уровень защиты и эстетическую привлекательность. Герметичность по стандарту IP68 обеспечивает надежную защиту от пыли и воды, что делает его пригодным для использования в сложных условиях. Кроме того, пластиковый пьезоэлектрический кнопочный переключатель доступен со светодиодами на 12 и 24 В, предлагая настраиваемые варианты подсветки.

Запрос Цитировать

Сенсорный пьезопереключатель 16 мм

Наконец, 16-миллиметровый сенсорный пьезопереключатель - это изысканное решение, предназначенное для удобного взаимодействия с пользователем и долговечной работы. Разработанный с легко очищаемой металлической поверхностью, этот переключатель не только обеспечивает элегантный внешний вид, но и облегчает обслуживание, что делает его идеальным для приложений, где гигиена имеет решающее значение.

Обладая впечатляющим сроком службы в 50 миллионов циклов, переключатель гарантирует долговечность и надежность. Кроме того, его прочная конструкция включает варианты герметизации IP68 или IP69K. Это обеспечивает превосходную защиту от пыли, воды и очистки под высоким давлением, что делает его пригодным для использования в сложных условиях.

Запрос Цитировать

Вопросы и ответы

Пьезоэлектрический переменный или постоянный ток?

Пьезоэлектричество генерирует переменный ток (AC), когда пьезоэлектрический материал испытывает механическое напряжение или изменение давления. Это явление возникает в результате реакции кристаллической решетки на приложенную силу, вызывающей смещение положительных и отрицательных зарядов.

Почему пьезоэлектричество важно?

Пьезоэлектричество играет важнейшую роль в датчиках, приводах и сборе энергии. Он позволяет преобразовывать механические напряжения в электрические сигналы, что делает его незаменимым для различных приложений. Среди них - датчики давления, акселерометры и системы точного позиционирования.

Сколько вольт в пьезоэлектрике?

Пьезоэлектрические устройства обычно генерируют напряжение в диапазоне от нескольких милливольт до десятков вольт. Пьезопреобразователи, пригодные для хобби, обычно генерируют напряжение в диапазоне от 10 до 100 мВ. Выходное напряжение зависит от таких факторов, как тип пьезоэлектрического материала, приложенное напряжение, а также от особенностей конструкции и применения устройства.

Может ли пьезоэлектрический эффект заряжать телефон?

Пьезоэлектричество не слишком полезно для зарядки телефонов из-за небольшого выходного напряжения. Однако вы можете использовать его, когда нет альтернативного источника питания.

Заключение

Пьезоэлектрический эффект полезен в различных отраслях промышленности и имеет два основных типа: прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Чтобы использовать преимущества пьезоэлектричества, очень важно инвестировать в качественные компоненты. Компания Langir является надежным поставщиком пьезопереключателей, предлагая передовые технологии для повышения эффективности и надежности ваших устройств. Свяжитесь с нами сегодня и получите высококачественные переключатели для широкого спектра применений!