Hoe piëzo-elektriciteit werkt?

We hebben specifieke materialen die geschikt zijn voor piëzo-elektriciteitstoepassingen, maar hoe werkt het proces precies?Met het piëzo-elektrische effect.De meest unieke eigenschap van dit effect is dat het twee kanten op werkt.U kunt mechanische energie of elektrische energie toepassen op hetzelfde piëzo-elektrische materiaal en een tegengesteld resultaat krijgen.

Het toepassen van mechanische energie op een kristal wordt een direct piëzo-elektrisch effect genoemd en werkt als volgt:

1. Een piëzo-elektrisch kristal wordt tussen twee metalen platen geplaatst.Op dit punt is het materiaal in perfecte balans en geleid het geen elektrische stroom.

2. Mechanische druk wordt vervolgens door de metalen platen op het materiaal uitgeoefend, waardoor de elektrische ladingen in het kristal uit balans raken.Overtollige negatieve en positieve ladingen verschijnen aan weerszijden van het kristalvlak.

3. De metalen plaat verzamelt deze ladingen, die kunnen worden gebruikt om een ​​spanning te produceren en een elektrische stroom door een circuit te sturen.

4. 

Dat is alles, een simpele toepassing van mechanische druk, het knijpen van een kristal en plotseling heb je een elektrische stroom.Je kunt ook het tegenovergestelde doen door een elektrisch signaal op een materiaal aan te brengen als een omgekeerd piëzo-elektrisch effect.Het werkt als volgt:

1. In dezelfde situatie als het bovenstaande voorbeeld hebben we een piëzo-elektrisch kristal geplaatst tussen twee metalen platen.De structuur van het kristal is perfect in balans.

2. Elektrische energie wordt vervolgens toegepast op het kristal, waardoor de structuur van het kristal krimpt en uitzet.

3. Naarmate de structuur van het kristal uitzet en samentrekt, zet het de ontvangen elektrische energie om en geeft het mechanische energie vrij in de vorm van een geluidsgolf.

4. 

Het omgekeerde piëzo-elektrische effect wordt in verschillende toepassingen gebruikt.Neem bijvoorbeeld een luidspreker, die een spanning uitoefent op een piëzo-elektrisch keramiek, waardoor het materiaal de lucht trilt als geluidsgolven.

De ontdekking van piëzo-elektriciteit

Piëzo-elektriciteit werd voor het eerst ontdekt in 1880 door twee broers en Franse wetenschappers, Jacques en Pierre Curie.Terwijl ze experimenteerden met een verscheidenheid aan kristallen, ontdekten ze dat het uitoefenen van mechanische druk op specifieke kristallen zoals kwarts een elektrische lading vrijgeeft.Ze noemden dit het piëzo-elektrisch effect.
In de volgende 30 jaar werd piëzo-elektriciteit grotendeels gereserveerd voor laboratoriumexperimenten en verdere verfijning.Pas in de Eerste Wereldoorlog werd piëzo-elektriciteit gebruikt voor praktische toepassingen in sonar.Sonar werkt door een spanning aan te sluiten op een piëzo-elektrische zender.Dit is het omgekeerde piëzo-elektrische effect in actie, dat elektrische energie omzet in mechanische geluidsgolven.

De geluidsgolven reizen door het water totdat ze een object raken.Ze keren dan terug naar een bronontvanger.Deze ontvanger gebruikt het directe piëzo-elektrische effect om geluidsgolven om te zetten in een elektrische spanning, die vervolgens kan worden verwerkt door een signaalverwerkingsapparaat.Aan de hand van de tijd tussen het moment waarop het signaal vertrok en het terugkwam, kan de afstand van een object eenvoudig onder water worden berekend.

Met sonar een succes, kreeg piëzo-elektriciteit de gretige ogen van het leger.De Tweede Wereldoorlog bracht de technologie nog verder vooruit toen onderzoekers uit de Verenigde Staten, Rusland en Japan werkten aan het maken van nieuwe door de mens gemaakte piëzo-elektrische materialen, ferro-elektrische materialen genaamd.Dit onderzoek leidde tot twee door de mens gemaakte materialen die worden gebruikt naast natuurlijk kwartskristal, bariumtitanaat en loodzirkonaattitanaat.

Piëzo-elektriciteit vandaag

In de huidige wereld van elektronica wordt piëzo-elektriciteit overal gebruikt.Google om een ​​routebeschrijving naar een nieuw restaurant vragen, gebruikt piëzo-elektriciteit in de microfoon.Er is zelfs een metro in Tokio die de kracht van menselijke voetstappen gebruikt om piëzo-elektrische structuren in de grond van stroom te voorzien.U zult zien dat piëzo-elektriciteit wordt gebruikt in deze elektronische toepassingen:

Aandrijvingen

Actuators gebruiken piëzo-elektriciteit om apparaten zoals brei- en braillemachines, videocamera's en smartphones van stroom te voorzien.In dit systeem klemmen een metalen plaat en een actuator een piëzo-elektrisch materiaal samen.Vervolgens wordt spanning aangelegd op het piëzo-elektrische materiaal, waardoor het uitzet en samentrekt.Door deze beweging gaat ook de actuator bewegen.

Luidsprekers en zoemers

Luidsprekers gebruiken piëzo-elektriciteit om apparaten zoals wekkers en andere kleine mechanische apparaten van stroom te voorzien die hoogwaardige audiomogelijkheden vereisen.Deze systemen profiteren van het omgekeerde piëzo-elektrische effect door een audiospanningssignaal om te zetten in mechanische energie als geluidsgolven.

Chauffeurs

Drivers zetten een laagspanningsbatterij om in een hogere spanning die vervolgens kan worden gebruikt om een ​​piëzo-apparaat aan te drijven.Dit versterkingsproces begint met een oscillator die kleinere sinusgolven uitvoert.Deze sinusgolven worden vervolgens versterkt met een piëzoversterker.

Sensoren

Sensoren worden gebruikt in verschillende toepassingen, zoals microfoons, versterkte gitaren en medische beeldvormingsapparatuur.In deze apparaten wordt een piëzo-elektrische microfoon gebruikt om drukvariaties in geluidsgolven te detecteren, die vervolgens kunnen worden omgezet in een elektrisch signaal voor verwerking.

Stroom

Een van de eenvoudigste toepassingen van piëzo-elektriciteit is de elektrische sigarettenaansteker.Door op de knop van de aansteker te drukken, wordt een veerbelaste hamer losgelaten in een piëzo-elektrisch kristal.Dit produceert een elektrische stroom die een vonkbrug oversteekt om gas te verwarmen en te ontsteken.Ditzelfde piëzo-elektrische voedingssysteem wordt gebruikt in grotere gasbranders en ovens.

Motoren

Piëzo-elektrische kristallen zijn perfect voor toepassingen die nauwkeurige nauwkeurigheid vereisen, zoals de beweging van een motor.In deze apparaten ontvangt het piëzo-elektrische materiaal een elektrisch signaal, dat vervolgens wordt omgezet in mechanische energie om een ​​keramische plaat te dwingen te bewegen.

Piëzo-elektriciteit en de toekomst

Wat heeft de toekomst in petto voor piëzo-elektriciteit?De mogelijkheden zijn er in overvloed.Een populair idee dat uitvinders gebruiken, is het gebruik van piëzo-elektriciteit voor het oogsten van energie.Stel je voor dat je piëzo-elektrische apparaten in je smartphone hebt die kunnen worden geactiveerd door een simpele beweging van je lichaam om ze opgeladen te houden.

Als je wat groter denkt, zou je ook een piëzo-elektrisch systeem onder de stoep van de snelweg kunnen inbouwen dat kan worden geactiveerd door de wielen van reizende auto's.Deze energie kan vervolgens worden gebruikt voor stoplichten en andere apparaten in de buurt.Koppel dat aan een weg vol met elektrische auto's en je zou jezelf in een netto positieve energiesituatie bevinden.