Piezoelectricitate

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Piezoelectricitatea (din grecescul πιέζειν , presare, comprimare) este proprietatea unor materiale cristaline de a polariza, generând o diferență de potențial atunci când sunt supuse unei deformări mecanice ( efect piezoelectric direct ) [1] și în același timp de a se deforma în mod elastic când sunt supuși unei tensiuni electrice ( efect piezoelectric invers sau efect Lippmann ). [1] Acest efect piezoelectric apare numai de-a lungul unei anumite direcții, iar deformările asociate acestuia sunt de ordinul nanometrului .

fundal

Descoperirea efectului piezoelectric datează din 1880 de către Pierre Curie și Paul-Jacques Curie care au descoperit mai întâi efectul piezoelectric direct în cuarț și mai târziu, urmând ipoteza lui Gabriel Lippmann , au descoperit efectul piezoelectric invers.

Descriere

Structură cristalină

Structura cristalină a unui material piezoelectric ( plumb-titan zirconat ).

Din punct de vedere al structurii cristaline , materialele piezoelectrice au în mod normal diverse configurații geometrice care sunt echivalente din punct de vedere al energiei, adică al stabilității sistemului, dar orientate diferit. De exemplu, titanatul de bariu (BaTiO 3 ) are o celulă în formă de romboid care se poate întinde de-a lungul oricăreia dintre cele trei axe principale. Pentru a-l dobândi proprietăți piezoelectrice, materialul este încălzit și scufundat într-un câmp electric pentru a-l polariza și a se răci. La sfârșitul procesului, materialul are toate celulele deformate în aceeași direcție.

Principiul de funcționare

Un disc piezoelectric generează o diferență de potențial atunci când este deformat (variația volumetrică este exagerată intenționat în această reprezentare)

Efectul piezoelectric este prezent în aproape toate materialele cristaline care nu au centru de simetrie. [1] Structura acestor cristale este formată din dipoli electrici microscopici. În condiții de liniște , acești dipoli electrici sunt aranjați în așa fel încât fețele cristalului să aibă toate același potențial electric. [1] Când se aplică o forță din exterior, comprimând cristalul, structura cristalului se deformează și se pierde neutralitatea electrică a materialului, astfel încât o față a cristalului este încărcată negativ și fața opusă este încărcată pozitiv. Dacă cristalul este supus tracțiunii, semnul sarcinii electrice a acestor fețe este inversat. [1]

Prin urmare, cristalul se comportă ca un condensator căruia i s-a aplicat o diferență de potențial. Deci, dacă cele două fețe sunt conectate printr-un circuit extern, se generează un curent electric , numit curent piezoelectric .

Dimpotrivă, atunci când o diferență de potențial este aplicată cristalului, acesta se extinde sau se contractă de-a lungul unei axe determinate provocând o vibrație, chiar violentă. Expansiunea volumetrică este ușor de controlat și este strict dependentă de stimularea electrică.

Aplicații

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: traductor piezoelectric .

Efect piezoelectric direct

Caracteristica producerii unei diferențe de potențial după comprimare are mai multe aplicații industriale. Cel mai frecvent se referă la brichetele obișnuite cu gaz din bucătărie, unde un cristal supus presiunii manuale printr-un buton declanșează o scânteie fără a fi nevoie de baterii . Invenția bucătărie piezo-mai ușoară (Flint) datează din 1968 prin opera unui ingenios friulan, Lisio Plozner, [ nevoie de citare ] fondator al BPT .

Materialele piezoelectrice sunt folosite și în construcția elementelor elastice , organe fundamentale ale unor instrumente potrivite pentru măsurarea vibrațiilor mecanice, numite instrumente seismice . Vibrațiile mecanice produc deplasarea, viteza și accelerația unui alt dispozitiv masiv, numit masă seismică . Masa seismică este conectată rigid la elementul elastic. Un instrument de acest tip utilizat pe scară largă este accelerometrul cuarțic piezoelectric : este în esență un traductor care dă o tensiune electrică ca cantitate de ieșire proporțională cu deformarea suferită de elementul elastic, la rândul său proporțional cu accelerația din masa seismică .

Pick-up piezoelectric aplicat la o chitară clasică.

O aplicație similară găsește spațiu în câmpul muzical , unde sunt utilizate așa - numitele pick-up-uri piezoelectrice, dispozitive capabile să detecteze variațiile de presiune exercitate de o coardă vibrantă a unui instrument muzical prin generarea unui semnal electric care este apoi amplificat.

Materialele cu proprietăți piezoelectrice sunt, de asemenea, utilizate în unele detectoare de presiune și pentru a produce oscilatoare de cuarț , cu toate acestea relația dintre compresie și tensiune este în general foarte variabilă și necesită calibrare pentru fiecare dispozitiv.

Alte instrumente în care se utilizează materiale piezoelectrice sunt ceasurile (eroare de eroare piezoelectrică inversă); încă o dată cel mai folosit material este cuarțul: ceasurile cuarț piezoelectrice sunt foarte populare, instrumente în care compresia periodică a materialului determină o variație la fel de periodică a tensiunii. Perioada sau frecvența semnalului de ieșire tratat corespunzător este utilizată ca unitate de bază pentru numărarea timpului; ca să spun adevărul, semnalul electric este trimis la o succesiune de circuite numite divizoare de frecvență, astfel încât să poată alege un semnal de tensiune la frecvența dorită. De fapt, semnalul la ieșirea sistemului de foi de cuarț are o frecvență ridicată, în mod normal pentru ceasuri este egal cu 32768 cicluri pe secundă, care este redus prin utilizarea mai multor circuite divizoare de frecvență în serie. Semnalul electric a cărui frecvență a fost redusă este trimis în cele din urmă către un contor electronic, prin care este posibil să se măsoare intervalul de timp dintre două evenimente (cronometru, măsurarea perioadei) sau utilizat pentru a genera un interval de timp prestabilit în timpul căruia altul contorul va număra evenimentele (contor de frecvență, număr de evenimente). În ambele aplicații descrise, sunt furnizate semnale externe: în primul caz pornirea și oprirea măsurătorii, în al doilea caz impulsurile de numărat care pot fi obținute atât de la un semnal electric a cărui frecvență urmează să fie măsurată, cât și de la senzori cu care se numără evenimente. De exemplu, senzori de numărare a pieselor, contoare de persoane sau contoare de vehicule.

Alte instrumente în care se exploatează efectul piezoelectric sunt microfoanele, dintre care cel mai cunoscut este microfonul cu cuarț, a cărui funcționare se bazează pe detectarea undelor sonore care sunt determinate de succesiunea zonelor de compresie și de rarefacție ale mediului în care se propagă. ; aceste unde de presiune, preluate de microfon, provoacă o variație a potențialului proporțional cu variația capacității (de fapt placa de cuarț se comportă ca un condensator, fiind un izolator care separă sarcinile electrice situate în zone apropiate de suprafețele opuse). Această variație de tensiune este apoi filtrată și amplificată prin intermediul unui lanț de măsurare; opțional, eșantionarea se efectuează pe semnalul astfel purificat pentru a trece de la domeniul analogic la cel digital. Această aplicație se găsește în microfoanele telefoanelor .

Efect piezoelectric invers

Cristale piezoelectrice utilizate pentru generarea sunetului.

Spre deosebire de microfoane, materialele piezoelectrice își găsesc aplicarea ca difuzoare. În vechile radiouri „de cristal” erau frecvente căștile piezoelectrice, care funcționează în sens opus, generând unde sonore în funcție de diferența de potențial aplicată.

Efectul piezoelectric este, de asemenea, utilizat pentru a activa mișcarea uneltelor în procesarea mecanică cu ultrasunete și, recent, în injectoarele directe ale motoarelor cu ardere internă și în capetele imprimantei în care multe duze mici aliniate pulverizează cerneala comprimată de forța pompei lor. .

Aplicații în domeniul medical

  • Sonde cu ultrasunete : cristalele piezoelectrice sunt utilizate ca actuatori și senzori în faza combinată. De fapt, sondele cu ultrasunete funcționează ca niște sonare mici care produc ultrasunetele și apoi le primesc după săritură cu o întârziere în funcție de distanța parcursă. Ecoul sau semnalul de întoarcere este apoi transformat în imagini.
  • Litotriptere : vibrația simultană a sutelor de elemente piezoceramice dispuse pe o suprafață concavă, sau pe straturi concentrice, generează o undă de șoc de putere în funcție de curbura suprafeței și de numărul de elemente utilizate.

Datorită modularității extreme a impulsului care poate fi obținut, unii litotriptori piezoelectrici pot varia, de asemenea, dimensiunea focală permițând selectarea unor volume efective mai potrivite pentru patologia tratată. Prin aranjarea straturilor piezoelectrice concentrice, se obțin densități de energie de peste 1,6 mj / mm2 și valori mult mai mari în litotriptorii piezoelectrici dedicați urologiei. Cristalele de nouă generație asigură o longevitate a generatorului care depășește în mod normal 6.000.000 de fotografii fără a scădea puterea sau a necesita utilizarea unui material consumabil.

Versatilitatea distribuției cristalelor a făcut posibilă obținerea unor volume focale nu numai de dimensiuni diferite, ci și cu morfologii dedicate:

  • Undele focalizate cu volum elipsoidal (tratamente ESWT - ESWL - TPST)
  • Undele concentrate pe volum liniar (tratamente ESWT - Medicină estetică)
  • Valuri focalizate / plane (tratamente ESWT - Ulcere cutanate).
  • Piezochirurgie (piezo-chirurgie): este o aplicație recentă în domeniul medical care permite exploatarea undelor ultrasonice generate de un dispozitiv piezoelectric pentru chirurgia oaselor. Inserțiile speciale permit disecarea sau tăierea țesutului osos, păstrând în același timp țesuturile moi din care sunt făcute unele părți nobile, cum ar fi nervii, arterele sau membranele.

Notă

  1. ^ a b c d și Enciclopedia Treccani, "Piezoelectricitate"

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Thesaurus BNCF 38299 · LCCN (RO) sh85102071 · GND (DE) 4322722-3 · BNF (FR) cb12254070z (data)
Adus din „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Piezoelectricity&oldid=117121181 ”