圧電材料 80年代後半から存在し、多くの画期的な発明への道を開いてきました。の形で提供 夢 第一次世界大戦では、これらの資料は発明者の目に留まりました。 神秘的な特徴 。 ワイヤレスセンサーネットワーク 、 モノのインターネット 21世紀の技術時代を支配します。これらのノベルティを稼働させ続けるために、電力要件が最大の課題になっています。持続可能で信頼性の高い、 再生可能エネルギー ソース 研究者は先駆的なパワーハーベスターにつまずきました- 圧電材料 。これらの新しい時代を探検するために航海に出かけましょう パワーハーベスター。
圧電材料とは何ですか？
何を知るために 圧電材料 圧電という用語が何を表すのかを知る必要がありますか？に 圧電性 「ピエゾ」という用語は、圧力または応力を表します。したがって、 圧電性 は「機械的応力または張力の適用によって生成される電気」と定義され、この特性を示す材料は次のカテゴリに分類されます。 圧電材料 。これらの資料の発見の功績は ジャック・キュリー卿（1856–1941） そして ピエール・キュリー（1859–1906） 。水晶、サトウキビなどの特定の結晶性鉱物を実験しているときに、これらの材料に力または張力を加えると、加えられた負荷に比例する大きさの反対の極性の電圧が生成されることがわかりました。この現象は、 直接 ピエゾエフェクト 。
翌年、 リップマン これらの電圧生成結晶の1つが電界にさらされると、印加された電界の極性に応じて長くなったり短くなったりするという逆効果を発見しました。 圧電材料 クォーツがSONARの共振器として使用されたとき、第一次世界大戦での彼らの役割が認められました。第二次世界大戦の期間中に、合成圧電材料が発見され、それは後に激しい開発につながりました 圧電デバイス 。圧電材料を使用する前に、これらの材料を圧電性にする特性を知っておく必要があります。
圧電材料の特性とその仕組み
圧電材料の秘密は、その独特の原子構造にあります。圧電材料はイオン結合しており、ユニットセルと呼ばれるペアの形で正イオンと負イオンを含んでいます。これらの材料は、自然界では次のように入手できます。 異方性誘電体 と 非中心対称結晶格子 つまり、それらには自由電荷がなく、イオンには対称中心がありません。
直接圧電効果
これらの材料に機械的応力または摩擦が加えられると、結晶の原子構造の形状が、正イオンと負イオンの相互の正味の動きによって変化し、その結果、 電気双極子 または 分極 。したがって、結晶は誘電体から帯電した材料に変化します。発生する電圧の量は、結晶に加えられる応力または張力の量に正比例します。
直接圧電効果
逆圧電効果
いつ 電気 これらの結晶に適用されると、電気双極子が現れ、双極子運動を形成して結晶の変形を引き起こし、逆になります 圧電効果 図に示すように。
逆圧電効果
合成圧電材料
人工 圧電材料 お気に入り 圧電セラミック 自発分極（強誘電特性）を示します。つまり、電界が印加されていない場合でも、双極子が構造内に存在します。ここでの量 圧電効果 生成されるものは、それらの原子構造に強く依存します。構造内に存在する双極子はドメインを形成します-隣接する双極子が同じ配列を持つ領域。最初、これらのドメインはランダムに配向されているため、正味の分極は発生しません。
キュリー点の上下のペロブスカイト結晶構造
これらのセラミックがキュリー点を通過するときに強いDC電界を印加することにより、ドメインは印加電界の方向に整列します。このプロセスは 投票 。室温まで冷却し、印加された電界を除去した後、すべてのドメインはそれらの配向を維持します。このプロセスの完了後、セラミックは展示します 圧電効果 。クォーツのような天然の既存の圧電材料は表示されません 強誘電挙動 。
圧電方程式
圧電効果は次のように説明できます 圧電結合方程式
直接圧電効果：S = sE .T + d。 E
逆圧電効果：D = d.T +εT.E
どこ、
D =電気変位ベクトル
T =応力ベクトル
sE =一定の電界強度での弾性係数の行列。
S =ひずみベクトル
εT=一定の機械的ひずみでの誘電体マトリックス
E =電界ベクトル
d =直接または逆圧電効果
異なる方向に印加された電界は、圧電材料に異なる量の応力を生成します。したがって、符号の規則は、適用されるフィールドの方向を知るために係数とともに使用されます。方向を決定するために、軸1、2、3はX、Y、Zと同様に使用されます。ポーリングは常に3の方向に適用されます。二重添え字の係数は、電気的および機械的特性を、最初の添え字が方向を表すものと関連付けます。印加電圧または生成電荷に応じた電界。 2番目の添え字は、機械的応力の方向を示します。
電気機械結合係数は2つの形式で発生します。 1つ目は作動項dで、2つ目は作動項dです。 センサー 用語g。圧電係数とその表記法は、次のように説明できます。 d33
どこ、
dは、加えられた応力が3方向であることを指定します。
3は、電極が3番目の軸に垂直であることを指定します。
3は圧電定数を指定します。
圧電材料はどのように機能しますか？
上で説明したように、圧電材料は 2つのモード ：
- 直接圧電効果
- 逆圧電効果
これらのモードのアプリケーションを理解するために、それぞれの例を見てみましょう。
直接圧電効果を使用したヒールストライクジェネレータ：
DARPA 兵士に携帯用発電機を装備するためにこの装置を開発しました。靴に埋め込まれた圧電材料は、兵士が歩くときに機械的ストレスを受けます。直接のため 圧電特性 、材料はこの機械的応力のために電荷を生成します。この料金はに保存されます コンデンサ または 電池 これにより、外出先で電子機器を充電するために使用できます。
ヒールストライクジェネレーター
逆圧電効果を使用した時計の水晶発振器
時計には 水晶振動子 。バッテリーからの電気が回路を介してこの結晶に適用されると、逆の圧電効果が発生します。電荷を加えるとこの効果により、水晶は毎秒32768回の周波数で振動し始めます。回路に存在するマイクロチップは、これらの振動をカウントし、時計の秒針を回転させる1秒あたりの規則的なパルスを生成します。
時計で使用される逆ピエゾ効果
圧電材料の使用
そのユニークなため 特性、圧電材料 さまざまな技術的発明において重要な役割を果たしてきました。
直接ピエゾ効果の使用
- 日本の駅では、「 クラウドファーム 」は、道路に埋め込まれた圧電タイル上の歩行者の足音が電気を生成できる場所でテストされました。
- 2008年、ロンドンのナイトクラブは、人々が踊るときに電球に電力を供給するために電気を生成できる圧電材料で作られた最初の環境に優しい床を建設しました。
- 圧電効果は、機械的周波数フィルターとして有用な用途があります。 弾性表面波デバイス 、バルク音波装置など…
- 音響および超音波マイクとスピーカー、 超音波イメージング 、ハイドロフォン。
RoadWaysからの圧電効果
逆圧電効果の使用
- アクチュエータ そして モーター
- 顕微鏡用レンズの超精密配置と超精密調整。
- プリンターの持針器、 小型化されたモーター、バイモルフアクチュエータ。
- 光学系の微細な位置決めのための多層アクチュエータ
- 自動車の燃料バルブなどの噴射システム…
カメラの微調整としての圧電効果
電気的および機械的フィールドを結合することによって：
- 材料の原子構造の調査に。
- 構造の完全性を監視し、土木、産業、航空宇宙構造の初期段階で障害を検出します。
圧電材料の利点と制限
圧電材料の利点と制限は次のとおりです。
利点
- 圧電材料は、どのような温度条件でも動作します。
- 彼らは低いです カーボンフットプリント それらを化石燃料の最良の代替物にします。
- これらの材料の特性により、最高の環境発電機になっています。
- 振動の形で失われた未使用のエネルギーを利用して、グリーンエネルギーを生成することができます。
- これらの材料は再利用できます。
制限事項
- 振動を処理している間、これらのデバイスは不要な振動も拾う傾向があります。
- 抵抗と耐久性は、舗装や道路からエネルギーを引き出すために使用される場合、デバイスに制限を適用します。
- 圧電材料と舗装材料の剛性の不一致。
- これらのデバイスのあまり知られていない詳細とこれまでに行われた調査の量は、これらのデバイスの完全な使用法を活用するのに十分ではありません。
「必要性は発明の母」と言われているように、ハッスルフリーで低炭素フットプリントの環境発電装置に対する私たちの必要性は、 圧電材料 再び脚光を浴びる。これらの資料はどのようにして制限を克服できますか？私たちは、旅行に使用される燃料の量を心配する代わりに、私たちの車が生成する電力の量だけを気にする未来に向かっていますか？どう思いますか？ここにあなたへの質問があります、 最高の圧電材料は何ですか？
