Как работает пьезоэлектрик:Полное исчерпывающее руководство

Большинство современных устройств используют пьезоэлектричество в качестве компонента своих печатных плат (PCBs). Например, ваши кварцевые часы нуждаются в пьезоэлектричестве для регулирования времени. Кроме того, микрофоны и даже ваша любимая Siri также нуждаются в нем для распознавания голоса. Но как работает пьезоэлектрик? Все пьезоэлектрические материалы обладают уникальными характеристиками. И эти характеристики позволяют им легко интегрироваться с большинством современных технологий, обеспечивая идеальное сочетание. В этой статье мы дадим вам полное руководство о том, как работает пьезоэлектричество в повседневном использовании.

Как работает пьезоэлектрик

Иллюстрация механики пьезоэлектричества.

Источник: https://www.audiowell.com/technology/187.html

Пьезоэлектрический термин был придуман двумя братьями французских ученых, Жаком и Пьером Кюри. После того, как обнаружил, что приложение давления на два кварца (или некоторых кристаллов) создает электрический заряд.

Пьезо происходит от греческого слова «часть в». ,’ что означает Сожмите или нажмите. Следовательно, пьезоэлектричество означает «сжатие электричества». А именно, сжатие двух кристаллов для получения электрической энергии. Пьезокристалл помогает преобразовывать механическую (звуковую энергию) в электрические сигналы, которые может интерпретировать электрическое устройство.

В настоящее время эта технология находится в стадии быстрого развития. И многие компании в настоящее время используют это явление в качестве основы для более передовых технологий. Например, новый керамический преобразователь звукового тона — детище пьезоэлектричества.

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Иллюстрация пьезоэлектрического эффекта.

Пьезоэлектрический эффект — это способность сжимать два определенных материала вместе, чтобы создать электрический ток. Приложение механического напряжения к этим материалам помогает создать на материале чередующийся отрицательный и положительный заряд, создавая активное электрическое поле.

Однако эта уникальная характеристика пьезоэлектричества также обратима. Материалы, обладающие прямым пьезоэлектрическим эффектом, могут проявлять и обратный пьезоэлектрический эффект.

Обратный пьезоэлектрический эффект полезен во многих областях, связанных с производством, обнаружением и распространением звука. Кроме того, он включает в себя микровесы, механику источника зажигания, электронную генерацию частоты, производство высокого напряжения и т. д.

Прямой пьезоэлектрический эффект

Иллюстрация пьезоэлектрического и обратного пьезоэлектрического.

Источник: https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/article/leadfree-piezoceramics-status-and-perspectives/533F8B4F91B57A04C2E70D372D4627E5

Как указывалось ранее, сжатие пьезоэлектрического кристалла производит пьезоэлектричество.

На иллюстрации, когда вы помещаете непроводящий пьезоэлектрический материал между двумя металлическими пластинами и сжимаете или сжимаете их вместе, они производят электрический ток. Металлические пластины действуют как передатчик этого электрического тока.

Произведенный электрический ток создает ток, известный как пьезоэлектрический эффект.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Вы создаете обратный пьезоэлектрик, когда прикладываете постоянное электрическое напряжение, чтобы заставить пьезоэлектрический материал расширяться или сжиматься. Таким образом, создается обратный пьезоэлектрический эффект — преобразование электрической энергии в механическую.

Использование этого метода позволяет создавать устройства, воспроизводящие акустический звук, например, пьезоэлектрические динамики и пьезоэлектрические микрофоны. Такие пьезоэлектрические устройства очень функциональны, так как они тонкие и могут поместиться в различные мелкие бытовые приборы. Аналогичным образом тот же принцип применяется к таким устройствам, как датчики сонара и медицинские ультразвуковые приборы.

https://www.youtube.com/watch?v=P9Kod4q-8XM

Пьезоэлектрические материалы

Различные материалы, как природные, так и искусственные, проявляют пьезоэлектрические эффекты. Когда вы оказываете давление (механическое напряжение) и деформируете, применяя высокое напряжение, они производят электричество.

Как правило, эти материалы являются непроводящими. И только так может возникнуть пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрические материалы делятся на две основные категории:

• Пьезоэлектрический кристалл
• Пьезоэлектрическая керамика

Примерами природных пьезоэлектрических материалов являются берлинит, кварц, сегнетовая соль, турмалин и т. д. Примеры искусственных пьезоэлектрических материалов включают цирконат-титанат свинца (PZT), титанат бария, тростниковый сахар и ниобат лития.

По сравнению с биологическими материалами промышленные материалы более эффективны и имеют лучшее использование материала. Например, цирконат-титанат свинца производит более высокое напряжение, чем кварц, когда вы оказываете такое же давление, и это верно, когда вы подаете ток высокого напряжения на два материала.

Пьезоэлектрические материалы

Приложения

Горелка пьезоэлектрического искрового генератора на горелке газовой плиты

Сегодня пьезоэлектрические преобразователи и датчики используются повсюду. Вероятно, пьезоэлектрический материал есть в каждом устройстве, представленном сегодня на рынке.

Возьмем, к примеру, это метро в Токио. Он использует этот принцип как альтернативный источник энергии.

Вот несколько типичных повседневных применений пьезоэлектрического принципа.

Пьезодатчик

Пьезоэлектрические датчики преобразуют физическое измерение в силу, действующую на две противоположные стороны чувствительного элемента. Проще говоря, датчики обнаруживают изменения давления, вызванные звуком.

Они не требуют внешнего источника напряжения и работают для получения результатов от приложенного давления.

Пьезоэлектрические датчики чувствительны, что делает их идеальными для высокочастотных звуковых устройств, таких как ультразвуковые преобразователи для медицинских изображений и мониторинга промышленных машин.

Пьезоэлектрические датчики имеют следующие основные характеристики;

• Во-первых, высокая прочность и тонкий размер.
• Во-вторых, высокая механическая прочность.
• Затем высокая стабильность и эластичность.
• Кроме того, широкий частотный диапазон
• Кроме того, ударопрочность
• Наконец, выход высокого напряжения.

Высокое напряжение и источники питания

Прикуриватель, использующий пьезоэлектрический принцип

Это самое популярное практическое применение пьезоэлектрического принципа. Лучшими примерами являются газовые грили и электрические зажигалки. Кроме того, все, что вам нужно сделать, это нажать кнопку, и подпружиненный молоточек ударит по пьезоэлектрическому кристаллу. Который затем производит достаточную искру, которая вызывает электрический заряд для воспламенения газа.

Двигатели

Основным преимуществом пьезоэлектрического эффекта является незначительное изменение в соответствии с приложениями высокого напряжения, что делает его идеальным для использования с предельной точностью позиционирования.

Именно поэтому пьезоэлектрические двигатели имеют множество преимуществ по сравнению с обычными электромагнитными двигателями. Кроме того, они обеспечивают большую силу и крутящий момент, несмотря на то, что обычно меньше и компактнее.

Кроме того, электромагнитные поля не влияют на работу пьезоэлектрических устройств, что делает их более удобными для быстрого запуска и остановки.

Пьезоэлектрические приводы

Иллюстрация пьезоэлектрического привода.

Источник: https://www.mdpi.com/1996-1073/13/11/2866

Приводы используют обратный пьезоэлектрический эффект для питания таких устройств, как шрифт Брайля и вязальные машины. Внутри исполнительной системы пьезоэлектрический материал находится между металлической пластиной и исполнительным устройством.

Подача тока высокого напряжения в эту систему заставляет пьезоэлектрический материал периодически расширяться и сжиматься, заставляя привод двигаться ритмично.

Эти приводы полезны, особенно в устройствах, требующих точного позиционирования, таких как зеркала в спутниках. Кроме того, благодаря простой конструкции и минимальному количеству движущихся частей они отлично подходят для миниатюрных устройств, таких как видеокамеры и мобильные телефоны.

Плюсы и минусы пьезоэлектричества

Несмотря на все похвалы, у пьезоэлектричества есть и некоторые ограничения. Вот некоторые из основных плюсов и минусов пьезоэлектричества.

<тд> <тд> <тд>

Преимущества	Недостатки
Способность работать при любой температуре	Чувствительность к вибрации делает их склонными к случайным вибрациям.
Нет эффекта от электромагнитного поля.	Иногда жесткость пьезоэлектрического материала не соответствует материалу применения, например дорожному покрытию.
Низкий углеродный след делает их лучшей альтернативой ископаемому топливу
Материалы многократного использования
Их крошечный отклик на высокие частоты делает их лучшими сборщиками энергии.

Пьезоэлектрические генераторы

В пьезоэлектрическом генераторе (также известном как PEG) используются пьезодатчики для преобразования механической энергии в электрическую без физического вращения, что обычно встречается в традиционных генераторах. Таким образом, пьезоэлектрические генераторы бывают небольшими, компактными и очень удобными в управлении.

В этом поколении пьезоэлектрические генераторы — долгожданный прорыв в производстве электроэнергии. Хотя они еще не реализованы, они способны воплотить в жизнь мечту о беспроводных электронных устройствах с автономным питанием.

До осуществления этой мечты может пройти еще долгий путь; однако пьезоэлектрические генераторы зарекомендовали себя как надежные, стабильные и долговечные источники энергии. Эксперты считают, что скоро пьезоэлектрические генераторы смогут заменить значительную часть наших потребностей в электроэнергии.

Пьезоэлектрические генераторы — преимущества и ограничения

Преимущества

• Во-первых, универсальный размер. Благодаря своим уникальным характеристикам пьезоэлементы имеют очень гибкие размеры и конструкции. Они могут быть настолько плоскими, насколько вам нужно, чтобы поместиться в любое миниатюрное устройство.

Во-вторых, пьезоэлементы собирают энергию, которая в противном случае была бы потрачена впустую. Например, пьезодвигатель, прикрепленный к пешеходному мосту, улавливает вибрацию от опор и преобразует ее в электрическую энергию. Это работает как альтернативный источник энергии и способ уменьшить шум окружающей среды.

Ограничения

• У них ограниченная выходная мощность. Пьезоэлектрический генератор нуждается в постоянных вибрациях, чтобы генерировать постоянную мощность. Следовательно, генерируемая мощность прямо пропорциональна приложенному напряжению. Вы можете увеличить выходную мощность, сложив вместе несколько пьезоэлектрических элементов. Однако после определенного момента отдача уменьшается, поскольку для работы системы потребуется большее давление.

Заключение

Итак, как работает пьезоэлектрик? Таким образом, пьезоэлектрические материалы могут удобно преобразовывать механическую энергию в электрическую. Уникальные характеристики этих материалов делают их очень полезными во многих областях техники. Особенно области, которые требуют точного позиционирования.

Применение пьезоэлектрических технологий безгранично, и есть много возможностей для изучения. Производители техники, такие как WellPCB, находятся на переднем крае интеграции этой технологии в повседневное использование.