Наука пьезоэлектричества: как это работает и почему это важно

Большинство современных устройств используют пьезоэлектричество как компонент своих печатных плат (PCB). 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 пьезоэлектричество? Все пьезоэлектрические материалы имеют уникальные характеристики. И эти характеристики позволяют им бесшовно интегрироваться с большинством современных технологий для обеспечения идеального сочетания. В этой статье мы дадим вам полное руководство о том, как пьезоэлектричество работает для повседневного использования.

Как работает пьезоэлектричество

Иллюстрация механики пьезоэлектричества. 

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

Пьезоэлектричество — термин, введенный двумя братьями-французскими учеными, Жаком и Пьером Кюри. После открытия того, что приложение давления на два кварца (или определенные кристаллы) создает электрический заряд.

Пьезо происходит от греческого слова «piezein», что означает Сжимать или давить. Следовательно, пьезоэлектричество означает «сжатие электричества». А именно, нажимание двух кристаллов для создания электрической энергии. Пьезокристалл помогает превратить механическую (звуковую энергию) в электрические сигналы, которые электрическое устройство может интерпретировать.

Эта технология в настоящее время в быстрой разработке. И многие компании в настоящее время используют это явление как основу для более продвинутых технологий. Например, новый керамический аудио тон-трансдусер — детище пьезоэлектричества.

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Иллюстрация пьезоэлектрического эффекта.  

Пьезоэлектрический эффект — это способность сжимать два специфических материала вместе для создания электрического тока. Приложение механического напряжения к этим материалам помогает создать чередующийся отрицательный и положительный заряд на материале, создавая активное электрическое поле.

Однако эта уникальная характеристика пьезоэлектричества также обратима. Материалы, демонстрирующие прямой пьезоэлектрический эффект, также могут демонстрировать обратный пьезоэлектрический эффект.

Обратный пьезоэлектрический эффект полезен во многих областях, связанных с производством, обнаружением и распределением звука. Также он включает микровзвесы, механику источников зажигания, генерацию электронных частот, производство высоких напряжений и т.д.

Прямой пьезоэлектрический эффект

Иллюстрация пьезоэлектрического и обратного пьезоэлектрического эффектов.

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

Как сказано ранее, сжатие пьезокристалла производит пьезоэлектричество.

В иллюстрации, когда вы помещаете непроводящий пьезоэлектрический материал между двумя металлическими пластинами и сжимаете или компрессируете 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 пьезоэлектрический эффект, когда применяете прямое электрическое напряжение, чтобы заставить пьезоэлектрический материал расшириться или сжаться. Таким образом, это создает обратный пьезоэлектрический эффект — конвертируя электрическую энергию в механическую.

Использование этого метода помогает создавать устройства, производящие акустический звук, например, пьезоэлектрические динамики и пьезоэлектрические микрофоны. Такие пьезоэлектрические устройства очень функциональны, так как они тонкие и могут помещаться в различные мелкие приборы. Точно так же, тот же принцип применяется к устройствам, таким как сонарные трансдукторы и медицинские ультразвуки.

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

Пьезоэлектрические материалы

Различные материалы, как природные, так и искусственные, демонстрируют пьезоэлектрические эффекты. Когда вы применяете давление (механическое напряжение) и деформируете, приложив высокое напряжение, они производят электричество.

Как правило, эти материалы непроводящие. И это единственный способ, которым может произойти пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэлектрические материалы приходят в двух основных категориях: 

• Пьезоэлектрический кристалл
• Пьезоэлектрическая керамика

Примеры природных пьезоэлектрических материалов: берлинит, кварц, соль Ршелля, турмалин и т.д. Примеры искусственных пьезоэлектрических материалов включают цирконат титана свинца (PZT), титанат бария, тростниковый сахар и ниобат лития.

По сравнению с биологическими материалами, искусственные материалы более эффективны и имеют лучшее использование материала. Например, цирконат титана свинца производит более высокое напряжение, чем кварц, когда вы прилагаете то же давление, и это верно, когда вы применяете высоковольтный ток к двум материалам.

Пьезоэлектрические материалы

Применения

Пьезоэлектрический искровой генератор горелки на газовой плите

Сегодня пьезоэлектрические трансдукторы и применения сенсоров повсюду. Вероятно, в каждом устройстве на рынке сегодня есть какой-то пьезоэлектрический материал.

Возьмите этот метро в Токио, например. Он использует принцип как альтернативный источник энергии.

Вот некоторые типичные повседневные применения пьезоэлектрического принципа.

Пьезо датчик 

Пьезоэлектрические датчики конвертируют физический измерение в силу, действующую на две противоположные грани сенсорного элемента. Простыми словами, датчики обнаруживают вариации давления, вызванные звуком.

Им не требуется внешний источник напряжения и они работают для генерации результатов от приложенного давления.

Пьезоэлектрические датчики восприимчивы, делая их идеальными для высокочастотных звуковых устройств, таких как ультразвуковые трансдукторы для медицинской визуализации и промышленного мониторинга машин. 

Пьезоэлектрические датчики имеют следующие основные характеристики;

• Во-первых, высокая прочность и тонкий размер
• Во-вторые, высокая механическая прочность
• Затем, высокая стабильность и эластичная податливость
• Кроме того, широкий частотный диапазон
• Также, ударопрочность 
• Наконец, высокое выходное напряжение

Высокое напряжение и источники питания

Сигаретная зажигалка с использованием пьезоэлектрического принципа

Это самое популярное практическое применение пьезоэлектрического принципа. Лучшие примеры — газовые грили и электрические зажигалки для сигарет. Плюс, все, что вы делаете, это нажимаете кнопку, и пружинный молоток бьет в пьезокристалл. Который затем производит достаточное искру, вызывающую электрический заряд для зажигания газа.

Моторы

Главное преимущество пьезоэлектрического эффекта — крошечное изменение в соответствии с высоковольтными приложениями — делая его идеальным для использования с экстремальной точностью в позиционировании.

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

Кроме того, электромагнитные поля не влияют на производительность пьезоэлектрических устройств, что делает их лучше для быстрого пуска и остановки. 

Пьезоэлектрические актуаторы

Иллюстрация пьезоэлектрического актуатора. 

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

Актуаторы используют обратный пьезоэлектрический эффект для питания устройств, таких как шрифт Брайля и вязальные машины. Внутри системы актуатора пьезоэлектрический материал сидит между металлической пластиной и устройством актуатора. 

Приложение высоковольтного тока в эту систему заставляет пьезоэлектрический материал расширяться и сжиматься на интервалах, заставляя актуатор двигаться ритмично. 

Эти актуаторы полезны, особенно в устройствах, требующих точного позиционирования, как зеркала в спутниках. Также из-за их простого дизайна и минимума движущихся частей, они отлично подходят для миниатюризированных устройств, таких как видеокамеры и мобильные телефоны. 

Плюсы и минусы пьезоэлектричества

Несмотря на всю хвалу, пьезоэлектричество также имеет некоторые ограничения. Вот некоторые основные плюсы и минусы пьезоэлектричества.

Преимущества	Недостатки
Способность работать при любой температуре	Их чувствительность к вибрациям делает их подверженными случайным вибрациям.
Нет влияния от электромагнитного поля.	Иногда жесткость пьезоэлектрического материала не соответствует материалу применения, например, покрытию.
Низкий углеродный след, делая их лучшей альтернативой для ископаемого топлива
Высоко повторно используемые материалы
Их крошечный отклик на высокую частоту делает их лучшими сборщиками энергии.

Пьезоэлектрические генераторы 

Пьезоэлектрический генератор (также известный как PEGs) использует пьезо датчики для конвертации механической энергии в электрическую энергию без какого-либо физического вращения — типично найденного в традиционных генераторах. Как таковые, пьезоэлектрические генераторы приходят в малых, компактных и очень управляемых размерах.

В этом поколении пьезоэлектрические генераторы — очень приветствуемый прорыв в генерации энергии. Хотя еще не достигнуто, они обладают мощью принести мечту само-питающихся беспроводных электронных устройств в реальность.

Может быть, это еще долгий путь, пока мы сможем реализовать эту мечту; однако пьезоэлектрические генераторы доказали себя надежными, стабильными и высоко долговечными источниками питания. Эксперты верят, что не пройдет много времени, пока пьезоэлектрические генераторы смогут заменить большой кусок наших энергетических потребностей.

Пьезоэлектрические генераторы – Преимущества и Ограничения 

Преимущества

• Во-первых, универсальность в размере. Из-за их уникальных характеристик пьезо элементы приходят в высоко гибких размерах и дизайнах. Они могут быть такими плоскими, как вам нужно, чтобы поместиться в любое миниатюрное устройство. 

Во-вторых, пьезо элементы собирают энергию, которая иначе бы ушла впустую. Например, пьезо мотор, прикрепленный к пешеходному мосту, собирает вибрацию от шагов и конвертирует её в электрическую энергию. Это работает как альтернативный источник энергии и способ снизить шум от окружающей среды. 

Ограничения

• У них ограниченная выходная мощность. Пьезоэлектрический генератор нуждается в постоянных вибрациях для генерации постоянной мощности. Следовательно, генерируемая мощность прямо пропорциональна приложенному напряжению. Вы можете увеличить выход, складывая вместе множество пьезоэлектрических элементов. Однако после определенной точки есть убывающие доходности, так как ему понадобится больше давления для работы системы. 

Заключение

Так, как работает пьезоэлектричество? В резюме, пьезоэлектрические материалы могут удобно конвертировать механическую энергию в электрическую энергию. Уникальные характеристики этих материалов делают их высоко полезными во многих областях технологий. Особенно области, нуждающиеся в точном позиционировании.

Применения пьезоэлектрической технологии безграничны, и есть много возможностей для исследования. Технологические производители такие как WellPCB находятся на передовой интеграции этой технологии в повседневное использование.