piezoelectric effect ถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส พี่น้อง Curie เมื่อปลายศตวรรษที่ 19 ในขณะนั้นยังเร็วเกินไปที่จะพูดถึงการใช้งานจริงของปรากฏการณ์ที่ค้นพบ แต่ในปัจจุบันองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกมีการใช้กันอย่างแพร่หลายทั้งในด้านเทคโนโลยีและในชีวิตประจำวัน
เนื้อหา
สาระสำคัญของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก
นักฟิสิกส์ชื่อดังได้พิสูจน์แล้วว่าเมื่อคริสตัลบางชนิด (หินคริสตัล ทัวร์มาลีน ฯลฯ) เสียรูป ประจุไฟฟ้าจะเกิดขึ้นที่ใบหน้า ในเวลาเดียวกัน ความต่างศักย์มีน้อย แต่อุปกรณ์ที่มีอยู่ในขณะนั้นได้รับการแก้ไขอย่างมั่นใจ และด้วยการเชื่อมต่อส่วนที่มีประจุตรงข้ามกันโดยใช้ตัวนำทำให้ได้ ไฟฟ้า. ปรากฏการณ์นี้ได้รับการแก้ไขเฉพาะในไดนามิกในขณะที่บีบอัดหรือยืด การเสียรูปในโหมดสแตติกไม่ทำให้เกิดเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก
ในไม่ช้า ผลกระทบที่ตรงกันข้ามก็ได้รับการพิสูจน์ในทางทฤษฎีและค้นพบในทางปฏิบัติ - เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า คริสตัลจะเปลี่ยนรูปปรากฎว่าปรากฏการณ์ทั้งสองเชื่อมต่อถึงกัน - หากสารแสดงผลเพียโซอิเล็กทริกโดยตรงสิ่งที่ตรงกันข้ามก็มีอยู่ในนั้นเช่นกันและในทางกลับกัน
ปรากฏการณ์นี้พบได้ในสารที่มีโครงผลึกชนิดแอนไอโซทรอปิก (ซึ่งคุณสมบัติทางกายภาพแตกต่างกันไปตามทิศทาง) โดยมีความไม่สมดุลเพียงพอ เช่นเดียวกับโครงสร้างผลึกคริสตัลลีนบางชนิด
ในวัตถุที่เป็นของแข็ง แรงภายนอกที่ใช้ทำให้เกิดการเสียรูปและความเค้นทางกล และในสารที่มีผลเพียโซอิเล็กทริก พวกมันยังทำให้เกิดโพลาไรเซชันของประจุด้วย และโพลาไรซ์จะขึ้นอยู่กับทิศทางของแรงที่ใช้ เมื่อเปลี่ยนทิศทางการรับแสง ทั้งทิศทางของโพลาไรซ์และขั้วของประจุจะเปลี่ยนไป การพึ่งพาโพลาไรซ์บนความเค้นเชิงกลเป็นแบบเส้นตรงและอธิบายโดยนิพจน์ P=dt โดยที่ t คือความเค้นเชิงกล และ d คือสัมประสิทธิ์ที่เรียกว่าโมดูลเพียโซอิเล็กทริก (โมดูลเพียโซอิเล็กทริก)
ปรากฏการณ์ที่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นกับเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับ เมื่อทิศทางของสนามไฟฟ้าที่ใช้เปลี่ยนทิศทางของการเปลี่ยนรูปจะเปลี่ยนไป การพึ่งพาอาศัยกันก็เป็นเชิงเส้นเช่นกัน: r=dE โดยที่ E คือความแรงของสนามไฟฟ้าและ r คือความเครียด ค่าสัมประสิทธิ์ d จะเท่ากันสำหรับเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกโดยตรงและแบบผกผันสำหรับสารทั้งหมด
อันที่จริง สมการข้างต้นเป็นเพียงการประมาณการเท่านั้น การพึ่งพาอาศัยกันที่แท้จริงนั้นซับซ้อนกว่ามากและถูกกำหนดโดยทิศทางของแรงที่สัมพันธ์กับแกนคริสตัลด้วย
สารที่มีผลเพียโซอิเล็กทริก
เป็นครั้งแรกที่มีการค้นพบเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกในผลึกหิน (ควอตซ์) จนถึงทุกวันนี้ วัสดุนี้เป็นเรื่องธรรมดามากในการผลิตองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก แต่ไม่เพียงแต่ใช้วัสดุธรรมชาติในการผลิตเท่านั้น
เพียโซอิเล็กทริกหลายชนิดทำมาจากสารที่มีสูตร ABO3, เช่น BaTiO3, РbTiO3. วัสดุเหล่านี้มีโครงสร้างโพลีคริสตัลไลน์ (ประกอบด้วยคริสตัลจำนวนมาก) และเพื่อให้พวกเขาสามารถแสดงเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกได้ วัสดุเหล่านี้จะต้องถูกโพลาไรซ์โดยใช้สนามไฟฟ้าภายนอก
มีเทคโนโลยีที่ทำให้สามารถรับฟิล์มเพียโซอิเล็กทริกได้ (โพลีไวนิลลิดีนฟลูออไรด์ ฯลฯ ) เพื่อให้มีคุณสมบัติที่จำเป็น พวกเขายังต้องโพลาไรซ์เป็นเวลานานในสนามไฟฟ้า ข้อดีของวัสดุดังกล่าวคือความหนาที่น้อยมาก
คุณสมบัติและลักษณะของสารที่มีผลเพียโซอิเล็กทริก
เนื่องจากโพลาไรเซชันเกิดขึ้นเฉพาะในระหว่างการเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น ลักษณะสำคัญของวัสดุพายโซคือความสามารถในการเปลี่ยนรูปร่างภายใต้การกระทำของแรงภายนอก ค่าของความสามารถนี้ถูกกำหนดโดยการปฏิบัติตามแบบยืดหยุ่น (หรือความแข็งแกร่งแบบยืดหยุ่น)
คริสตัลที่มีเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกนั้นมีความยืดหยุ่นสูง - เมื่อแรง (หรือความเค้นภายนอก) ถูกขจัดออกไป คริสตัลจะกลับคืนสู่รูปร่างเดิม
Piezocrystals ยังมีความถี่เรโซแนนซ์ทางกลของตัวเอง หากคุณทำให้คริสตัลสั่นสะเทือนที่ความถี่นี้ แอมพลิจูดจะมีขนาดใหญ่เป็นพิเศษ
เนื่องจากเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกไม่เพียงแสดงออกมาในคริสตัลทั้งหมด แต่ยังรวมถึงแผ่นที่ถูกตัดภายใต้เงื่อนไขบางประการด้วย จึงเป็นไปได้ที่จะได้ชิ้นส่วนของสารเพียโซอิเล็กทริกที่มีการสั่นพ้องที่ความถี่ต่างกัน ขึ้นอยู่กับขนาดทางเรขาคณิตและทิศทางของการตัด
นอกจากนี้ คุณสมบัติการสั่นของวัสดุเพียโซอิเล็กทริกยังมีลักษณะเฉพาะด้วยปัจจัยด้านคุณภาพทางกล มันแสดงให้เห็นว่าแอมพลิจูดของการแกว่งที่ความถี่เรโซแนนซ์เพิ่มขึ้นกี่ครั้งด้วยแรงที่ใช้เท่ากัน
มีการพึ่งพาคุณสมบัติของ piezoelectric กับอุณหภูมิอย่างชัดเจนซึ่งจะต้องนำมาพิจารณาเมื่อใช้คริสตัล การพึ่งพาอาศัยกันนี้มีลักษณะโดยสัมประสิทธิ์:
- ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความถี่เรโซแนนซ์แสดงให้เห็นว่าการสั่นพ้องหายไปเมื่อคริสตัลถูกทำให้ร้อน / เย็นลง
- ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของอุณหภูมิกำหนดว่าขนาดเชิงเส้นของแผ่นเพียโซอิเล็กทริกเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิเท่าใด
ที่อุณหภูมิหนึ่ง piezocrystal จะสูญเสียคุณสมบัติไป ขีดจำกัดนี้เรียกว่าอุณหภูมิกูรี ขีดจำกัดนี้เป็นรายบุคคลสำหรับวัสดุแต่ละชนิด ตัวอย่างเช่น สำหรับควอตซ์ คือ +573 °C
การใช้งานจริงของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริก
การประยุกต์ใช้องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกที่มีชื่อเสียงที่สุดคือเป็นองค์ประกอบการจุดระเบิด เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกใช้ในไฟแช็คพกพาหรือเครื่องจุดไฟในครัวสำหรับเตาแก๊ส เมื่อกดคริสตัล จะเกิดความต่างศักย์และเกิดประกายไฟขึ้นในช่องอากาศ
การประยุกต์ใช้องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกในส่วนนี้ยังไม่หมด คริสตัลที่มีเอฟเฟกต์คล้ายกันสามารถใช้เป็นสเตรนเกจได้ แต่พื้นที่การใช้งานนี้ถูกจำกัดโดยคุณสมบัติของเอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกที่จะปรากฏเฉพาะในไดนามิก - หากการเปลี่ยนแปลงหยุดลง สัญญาณจะหยุดสร้าง
สามารถใช้เป็นไมโครโฟนได้ - เมื่อสัมผัสกับคลื่นเสียง สัญญาณไฟฟ้าจะเกิดขึ้น เอฟเฟกต์เพียโซอิเล็กทริกแบบย้อนกลับยังช่วยให้ (บางครั้งพร้อมกัน) ใช้องค์ประกอบเช่นตัวส่งสัญญาณเสียง เมื่อสัญญาณไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับคริสตัล องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกจะเริ่มสร้างคลื่นเสียง
ตัวปล่อยดังกล่าวใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างคลื่นอัลตราโซนิกโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเทคโนโลยีทางการแพทย์ ที่ นี้ สามารถใช้คุณสมบัติเรโซแนนซ์ของเพลทได้สามารถใช้เป็นตัวกรองเสียงที่เลือกเฉพาะคลื่นความถี่ธรรมชาติ อีกทางเลือกหนึ่งคือการใช้องค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกในเครื่องกำเนิดเสียง (ไซเรน เครื่องตรวจจับ ฯลฯ) พร้อมกันเป็นองค์ประกอบการตั้งค่าความถี่และการปล่อยเสียง ในกรณีนี้ เสียงจะถูกสร้างขึ้นที่ความถี่เรโซแนนซ์เสมอ และสามารถรับระดับเสียงสูงสุดได้โดยใช้พลังงานเพียงเล็กน้อย
คุณสมบัติเรโซแนนซ์ถูกใช้เพื่อทำให้ความถี่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าคงที่ในช่วงความถี่วิทยุ แผ่นควอตซ์มีบทบาทในวงจรออสซิลเลเตอร์ที่เสถียรและมีคุณภาพสูงในวงจรการตั้งค่าความถี่
ยังมีโครงการที่ยอดเยี่ยมในการแปลงพลังงานของการเสียรูปยืดหยุ่นเป็นพลังงานไฟฟ้าในระดับอุตสาหกรรม คุณสามารถใช้การเสียรูปของทางเท้าภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงของคนเดินถนนหรือรถยนต์ได้ ตัวอย่างเช่น เพื่อให้แสงสว่างในส่วนต่างๆ ของรางรถไฟ คุณสามารถใช้พลังงานการเปลี่ยนรูปของปีกเครื่องบินเพื่อจัดหาเครือข่ายเครื่องบินได้ การใช้งานดังกล่าวถูกจำกัดโดยประสิทธิภาพขององค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริกไม่เพียงพอ แต่โรงงานต้นแบบได้ถูกสร้างขึ้นแล้ว และได้แสดงให้เห็นถึงคำมั่นสัญญาว่าจะปรับปรุงต่อไป
บทความที่คล้ายกัน:
