У нас есть специальные материалы, которые подходят для пьезоэлектричества, но как именно работает этот процесс?С пьезоэлектрическим эффектом.Самая уникальная черта этого эффекта в том, что он работает двумя способами.Вы можете применить механическую или электрическую энергию к одному и тому же пьезоэлектрическому материалу и получить противоположный результат.
Приложение механической энергии к кристаллу называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и работает следующим образом:
-
Пьезоэлектрический кристалл помещен между двумя металлическими пластинами.В этот момент материал находится в идеальном равновесии и не проводит электрический ток.
-
Затем металлические пластины прикладывают к материалу механическое давление, которое выводит электрические заряды внутри кристалла из равновесия.Избыточные отрицательные и положительные заряды появляются на противоположных сторонах грани кристалла.
-
Металлическая пластина собирает эти заряды, которые можно использовать для создания напряжения и подачи электрического тока по цепи.
-
Вот и все, простое приложение механического давления, сжатие кристалла, и вдруг у вас есть электрический ток.Вы также можете сделать обратное, подавая электрический сигнал на материал как обратный пьезоэлектрический эффект.Это работает следующим образом:
-
В той же ситуации, что и в приведенном выше примере, у нас есть пьезоэлектрический кристалл, помещенный между двумя металлическими пластинами.Структура кристалла идеально сбалансирована.
-
Затем к кристаллу прикладывается электрическая энергия, которая сжимает и расширяет структуру кристалла.
-
Когда структура кристалла расширяется и сжимается, он преобразует полученную электрическую энергию и высвобождает механическую энергию в виде звуковой волны.
-
Обратный пьезоэлектрический эффект используется во множестве приложений.Возьмем, к примеру, динамик, который подает напряжение на пьезоэлектрическую керамику, заставляя этот материал вибрировать воздух в виде звуковых волн.
Открытие пьезоэлектричества
Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году двумя братьями и французскими учеными, Жаком и Пьером Кюри.Экспериментируя с различными кристаллами, они обнаружили, что механическое давление на определенные кристаллы, такие как кварц, высвобождает электрический заряд.Они назвали это пьезоэлектрическим эффектом.
В следующие 30 лет пьезоэлектричество было зарезервировано в основном для лабораторных экспериментов и дальнейшего совершенствования.Только во время Первой мировой войны пьезоэлектричество использовалось для практических применений в гидролокаторах.Сонар работает, подключая напряжение к пьезоэлектрическому передатчику.Это обратный пьезоэлектрический эффект в действии, который преобразует электрическую энергию в механические звуковые волны.
Звуковые волны проходят через воду, пока не достигнут объекта.Затем они возвращаются обратно к исходному приемнику.Этот приемник использует прямой пьезоэлектрический эффект для преобразования звуковых волн в электрическое напряжение, которое затем может быть обработано устройством обработки сигналов.Используя время между тем, когда сигнал ушел и когда он вернулся, можно легко рассчитать расстояние до объекта под водой.
После успеха сонара пьезоэлектричество привлекло внимание военных.Вторая мировая война продвинула технологию еще дальше, поскольку исследователи из Соединенных Штатов, России и Японии работали над созданием новых искусственных пьезоэлектрических материалов, называемых сегнетоэлектриками.Это исследование привело к созданию двух искусственных материалов, которые используются наряду с природным кристаллом кварца, титанатом бария и титанатом цирконата свинца.
Пьезоэлектричество сегодня
В современном мире электроники пьезоэлектричество используется повсеместно.Когда вы спрашиваете у Google дорогу к новому ресторану, в микрофоне используется пьезоэлектричество.В Токио даже есть метро, которое использует силу человеческих шагов для питания пьезоэлектрических конструкций в земле.Вы обнаружите, что пьезоэлектричество используется в следующих электронных приложениях:
Приводы
Приводы используют пьезоэлектричество для питания таких устройств, как вязальные и брайлевские машины, видеокамеры и смартфоны.В этой системе металлическая пластина и исполнительное устройство соединяют вместе пьезоэлектрический материал.Затем на пьезоэлектрический материал подается напряжение, которое расширяет и сжимает его.Это движение также приводит к перемещению привода.
Динамики и зуммеры
В динамиках используется пьезоэлектричество для питания таких устройств, как будильники и другие небольшие механические устройства, требующие высококачественного звука.В этих системах используется обратный пьезоэлектрический эффект путем преобразования сигнала звукового напряжения в механическую энергию в виде звуковых волн.
Драйверы
Драйверы преобразуют низковольтную батарею в более высокое напряжение, которое затем можно использовать для управления пьезоустройством.Этот процесс усиления начинается с генератора, который выдает меньшие синусоидальные волны.Затем эти синусоидальные волны усиливаются пьезоусилителем.
Датчики
Датчики используются в различных приложениях, таких как микрофоны, гитары с усилителем и медицинское оборудование для визуализации.В этих устройствах используется пьезоэлектрический микрофон для обнаружения изменений давления в звуковых волнах, которые затем могут быть преобразованы в электрический сигнал для обработки.
Власть
Одним из самых простых применений пьезоэлектричества является электрическая зажигалка.При нажатии на кнопку зажигалки подпружиненный молоточек врезается в пьезоэлектрический кристалл.Это создает электрический ток, который пересекает искровой промежуток, нагревая и воспламеняя газ.Эта же пьезоэлектрическая система питания используется в больших газовых горелках и духовках.
Моторы
Пьезоэлектрические кристаллы идеально подходят для приложений, требующих точной точности, таких как движение двигателя.В этих устройствах пьезоэлектрический материал получает электрический сигнал, который затем преобразуется в механическую энергию, заставляющую двигаться керамическую пластину.
Пьезоэлектричество и будущее
Какое будущее ждет пьезоэлектричество?Возможностей предостаточно.Одна популярная идея, которую разбрасывают изобретатели, заключается в использовании пьезоэлектричества для сбора энергии.Представьте, что в вашем смартфоне есть пьезоэлектрические устройства, которые можно активировать простым движением вашего тела, чтобы держать их заряженными.
Думая немного шире, вы также можете встроить пьезоэлектрическую систему под дорожное покрытие, которая может активироваться колесами движущихся автомобилей.Эта энергия затем может быть использована для освещения светофоров и других близлежащих устройств.Соедините это с дорогой, заполненной электромобилями, и вы окажетесь в чистой положительной энергетической ситуации.
