خاصیت پیزوالکتریسیته

آیا شما هم ویدیوهایی از پیاده رو های هوشمند در سراسر دنیا که با استفاده از پیزوالکتریک ها ساخته شده اند دیده اید؟

آیا می دانید چطور ممکن است که الکتریسیته مورد نیاز روشن شدن سیستم روشنایی یک پارک با استفاده از پیاده روی عابران، تامین شود؟

اگر این پدیده جالب خلقت برای شما هم جذاب است و دوست دارید با آن بیشتر آشنا شوید، همراه ما باشید.

1# اثر پیزوالکتریک چیست؟

به بیان ساده می توان گفت اثر پیزوالکتریک، قابلیتی است که برخی مواد دارند که
موجب تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و بالعکس می شود.

در برخی نارسانا ها همچون کوارتز، ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی تحت فشار اثر پیزو الکتریک صورت می گیرد.

هر چه میزان فشار کشش در پتانسیل دو وجه بلور بیشتر باشد، اختلاف پتانسیل خطی یا ولتاژی که تولید می شود نیز بیشتر خواهد بود.

2# تاریخچه اثر پیزوالکتریسیته

با تغییر حرارت در بلور، قطب الکتریکی ایجاد می شود که باعث ایجاد پتانسیل الکتریکی در مواد می شود.

اولین بار اثبات این موضوع در سال 1880 میلادی توسط برادران curie انجام گرفت.

نتایج آزمایشات این دو نفر موجب شد تا اطلاعات زیادی در مورد کریستال هایی همچون کانی شکر، کوارتز، تورمالین، نمک راچل و … به دست بیاید.

در طول دهه های بعدی نیز تحقیقات زیادی در این زمینه انجام گرفت.

“لانگوین ات آل” شخصی بود که در طول جنگ جهانی اول موفق به ساخت مبدل التراسونیک پیزوالکتریکی شد.

این موفقیت او موجب شد تا از مواد پیزوالکتریکی در کاربردهای زیر آبی استفاده شود.

در سال 1925 بود که خاصیت پیزوالکتریک پتاسیم دی هیدروژن فسفات را کشف کردند.

پیزو الکتریک های دی هیدروژن فسفات اولین خانواده پیزوالکتریک و فرو الکتریک بودند که کشف شدند.

در طول جنگ جهانی دوم، کشور های ژاپن، آمریکا و شوروی سابق تحقیقات در زمینه پیزوالکتریک را بسط دادند.

به دلیل محدودیت های موجود در ساخت این مواد از تجاری شدن آن جلوگیری می شد اما
این مشکل نیز با کشف شدن باریم تیتانات و سرب زیر کونات تیتانات برطرف شد.

نکته مهم در مورد سرامیک های پیزوالکتریک تجاری این است اکثریت آن ها ساختاری شبیه به ساختار پرسکیت با فرمول catio3 دارند.

در سال 1965 میلادی بود که تعدادی شرکت ژاپنی تحقیقاتی را در زمینه مواد پیزوالکتریک آغاز کردند و
تمرکزشان را بر روی کاربرد های جدید وسایل پیزوالکتریکی قرار دادند.

در نتیجه این آزمایشات و تحقیقات، دانشمندان ژاپنی به موفقیت هایی دست پیدا کردند که
همین اتفاق موجب شد تا بسیاری از دانشمندان کشور های دیگر نیز فعالیت هایی را در این زمینه آغاز کنند که
موجب پیشرفت زیادی در این زمینه در سرتاسر جهان شد.

3# نحوه عملکرد پیزوالکتریک

این اثر نتیجه حضور دو قطبی های الکتریکی لحظه ای در اجسام جامد است.

در برخی از شبه های کریستالی مثل باریم تیتانات (BaTiO۳) و سرب زیر کونات تیتانات (PZT) سطح خارجی با بار نامتقارن محیطی ممکن است
تحریک شده و یا این بار توسط گروه مولکول ها مثل نیشکر وجود داشته باشد.

چگالی دو قطبی های درون یک ماده در اثر برآیند گیری و برهم نهی تمامی دوقطبی های لحظه ای در واحد حجم سلول محاسبه می شود که
یکای اندازه گیری آن Cm/m۳ است.

از آن جایی که هر دو قطبی به تنهایی یک کمیت برداری است، چگالی دو قطبی هم برداری خواهد بود.

از علوم دوران دبیرستان به خاطر داریم که دو قطبی های نزدیک به هم به یک سمت خاص جهت گیری می کنند و
در صورتی که بتوان کل جهت گیری ها را یکسان کرد در ماده میدان الکتریکی ایجاد خواهد شد.

خاصیت مواد پیزوالکتریک این است که در اثر اعمال فشار مکانیکی، آرایش دو قطبی ها تغییر کرده و
این میدان ایجاد می شود.

4# مواد دارای خاصیت پیزوالکتریک

مواد بسیاری وجود دارند که به صورت طبیعی و ذاتی و یا به دست بشر این خاصیت را دارند که
در زیر چندین نمونه از آن ها را نام خواهیم برد:

1-4# کریستال های ذاتی

• برلینیت (AlPO۴)
• نیشکر
• کوارتز
• نمک راشل
• زبرجد هندی
• مواد معدنی گروه تورمالین

2-4# سایر مواد طبیعی

• استخوان
• تاندون
• ابریشم
• چوب
• مینای دندان
• عاج دندان

3-4# کریستال های دست ساز

• گالیم ارتوفسفاته (GaPO۴)
• لانگاسیت (La3Ga5SiO۱۴)

4-4# سرامیک های دست ساز

• تیتانات باریم (BaTiO۳)
• سرب تیتانات (PbTiO۳)
• تیتانات زیرکونات سرب
• نیوبات پتاسیوم (KNbO۳)
• نیوبات لیتیم (LiNbO۳)
• لیتیم تانتالات (LiTaO۳)
• سدیم تنگستات (Na2WO۳)

5-4# پیزوسرامیک‌های بدون سرب

• نیوبات پتاسیوم سدیم (NaKNb)
• بیسموت فریت (BiFeO۳)
• نیوبات سدیم NaNbO۳

6-4# پلیمر ها

این مواد بعضا خاصیت پیزوالکتریک را بیشتر از کوارتز دارند.

5# اثر پیزو الکتریک مستقیم و معکوس

در صورتی که ماده پیزوالکتریکی تحت تاثیر انبساط یا انقباض قرار گیرد، دارای مقداری بار الکتریکی می شود.

دلیل این اتفاق، نامتقارن بودن سلول یکه واحد کریستال می باشد که
نتیجه آن، تولید میدان الکتریکی و پتانسیل الکتریکی خواهد بود.

به این اتفاق اثر پیزوالکتریک مستقیم می گویند.

اما اگر با به وجود آمدن میدان الکتریکی، تغییرات مکانیکی در سختار سرامیک ایجاد شود نتیجه آن اثر پیزوالکتریک معکوس خواهد بود.

هر دو این اثرها کاربردهای متفاوتی دارند.

6# ارتباط اثر پیزوالکتریک با ساختار مولکولی مواد

این اثر با ساختار مولد ارتباط دارد.

در صورتی که مقداری فاصله میان مرکز بار های مثبت و منفی ماده ایجاد بشود، یک دو قطبی حاصل می شود.

این اتفاق تنها در صورتی ممکن است که ساختار بلوری مواد نامتقارن باشد.

در برخی موارد با گشتاور دو قطبی دائم مواجه می شویم که نشان از عدم تقارن در ساختار بلوری می باشد اما
در موارد دیگر برای ایجاد شرایط دو قطبی نیاز به کرنش مکانیکی می باشد.

7# وابستگی مواد پیزوالکتریک به دما

در موادی که دارای گشتاور دو قطبی دائم می باشند، اثر پیزوالکتریک و فرو الکتریک وجود دارد.

از آن جایی که گشتاور دو قطبی دائم، ممکن است حداقل دارای دو جهت باشد، ممکن است واکنش های داخلی را به حداقل برساند.

موادی که دارای گشتاور دو قطبی دائم می باشند اغلب در دماهایی که دارای ساختار تقارنی بالاتری باشند، گذر می کنند.

نقطه کوری نامی است که برای این دما در نظر گرفته شده است.

با افزایش دما به سمت نقطه کوری، اثر پیزوالکتریک نیز به شدت افزایش می یابد و
با یک دیگر رابطه مستقیم دارند.

در بسیاری از مواد از جمله سرامیک ها، تک بلور ها، مواد مرکب و … پیزو الکتریک مشاهده می شود.

از جمله مواد تک بلوری پیزوالکتریک، کوارتز می باشد که دارای پایداری دمای نسبتا خوبی نیز می باشد.

8# کاربرد پیزوالکتریک

از این قطعات بسیار ویژه در ساخت سنسورهای مختلفی استفاده می شود که کاربردهای بسیار مفید و گسترده ای دارند:

ازجمله این موارد استفاده می توان به سیستم های زیر اشاره کرد:

• هوا و فضا
• بالستیک
• بیومکانیک
• تست موتورها
• مهندسی
• صنعت و کارخانجات