المواد الكهرضغطية كانت موجودة منذ أواخر الثمانينيات وتمهيد الطريق للعديد من الاختراعات التي غيرت قواعد اللعبة. يخدم في شكل حلم في الحرب العالمية ، جذبت هذه المواد أعين المخترعين بسبب خصائص صوفية . شبكات الاستشعار اللاسلكية و انترنت الأشياء يحكم العصر التقني للقرن الحادي والعشرين. للحفاظ على هذه المستجدات وتشغيلها ، أصبحت متطلبات الطاقة هي التحدي الأكبر. البحث عن وسيلة مستدامة وموثوقة طاقة متجددة مصدر تسبب في تعثر الباحثين في حصادات الطاقة الرائدة- مواد كهرضغطية . دعونا نبدأ رحلة لاستكشاف هذا العصر الجديد حصادات الطاقة.
ما هي المواد الكهرضغطية؟
لمعرفة ما مادة كهرضغطية هل يجب على المرء أن يعرف ما معنى مصطلح كهرضغطية ؟. في الكهربائية الضغطية يشير مصطلح 'بيزو' إلى الضغط أو الإجهاد. هكذا الكهربائية الضغطية يتم تعريفها على أنها 'الكهرباء المولدة عن طريق تطبيق الضغط الميكانيكي أو التوتر' ، وتندرج المواد التي تظهر هذه الخاصية تحت فئة مواد كهرضغطية . يعود الفضل في اكتشاف هذه المواد إلى السير جاك كوري (1856-1941) و بيير كوري (1859–1906) . أثناء تجربة معادن بلورية معينة مثل الكوارتز وسكر القصب وما إلى ذلك ... وجدوا أن تطبيق القوة أو التوتر على هذه المواد يولد جهدًا لأقطاب متقابلة مع مقادير مقترحة للحمل المطبق. سميت هذه الظاهرة باسم مباشر تأثير بيزو .
في السنة التالية، ليبمان اكتشف تأثير كونفيرس مشيرًا إلى أن إحدى هذه البلورات المولدة للجهد ، عند تعرضها لمجال كهربائي ، تطول أو تقصر وفقًا لقطبية المجال المطبق. المواد الكهرضغطية تم الاعتراف بدورهم في الحرب العالمية الأولى عندما تم استخدام الكوارتز كمرنان في سونار. خلال فترة الحرب العالمية الثانية ، تم اكتشاف مادة اصطناعية كهرضغطية ، مما أدى لاحقًا إلى تطور مكثف لـ أجهزة كهرضغطية . قبل استخدام مادة كهرضغطية يجب على المرء أن يعرف الخصائص التي تجعل هذه المواد كهرضغطية.
خصائص المواد الكهرضغطية وكيف تعمل؟
يكمن سر المواد الكهرضغطية في تركيبها الذري الفريد. المواد الكهرضغطية مرتبطة أيونيًا وتحتوي على أيونات موجبة وسالبة في شكل أزواج تسمى خلايا الوحدة. هذه المواد متوفرة في الطبيعة عازل متباين الخواص مع شعرية بلورية غير متناظرة أي ليس لديهم أي شحنات كهربائية مجانية والأيونات تفتقر إلى مركز التناظر.
تأثير كهرضغطية مباشر
عندما يتم تطبيق الضغط الميكانيكي أو الاحتكاك على هذه المواد ، تتغير هندسة التركيب الذري للبلورة بسبب الحركة الصافية للأيونات الموجبة والسالبة فيما يتعلق ببعضها البعض ، مما يؤدي إلى ثنائي القطب الكهربائي أو الاستقطاب . وهكذا تتغير البلورة من مادة عازلة إلى مادة مشحونة. كمية الجهد المتولد تتناسب طرديًا مع مقدار الضغط أو التوتر المطبق على البلورة.
تأثير كهرضغطية مباشر
تأثير كونفيرس كهرضغطية
متي كهرباء يتم تطبيقه على هذه البلورات تظهر ثنائيات الأقطاب الكهربائية ، وتشكل حركة ثنائي القطب التي تسبب تشوهًا في البلورة ، مما يؤدي إلى حدوث العكس. تأثير كهرضغطية كما هو مبين في الشكل.
تأثير كونفيرس كهرضغطية
المواد الاصطناعية الكهرضغطية
من صنع الإنسان مواد كهرضغطية مثل سيراميك كهرضغطية تظهر الاستقطاب العفوي (الخاصية الحديدية الكهربية) أي يوجد ثنائي القطب في هيكلها حتى في حالة عدم تطبيق أي مجال كهربائي. هنا مقدار تأثير كهرضغطية أنتجت تعتمد بشدة على هيكلها الذري. تشكل ثنائيات الأقطاب الموجودة في الهيكل مجالات-مناطق حيث يكون لثنائيات الأقطاب المجاورة نفس المحاذاة. في البداية ، يتم توجيه هذه المجالات بشكل عشوائي وبالتالي لا تسبب أي استقطاب صاف.
هيكل بلوري بيروفسكايت أعلى وأسفل نقطة كوري
من خلال تطبيق مجال كهربائي قوي DC على هذه الخزفيات عندما تمر عبر نقطة Curie الخاصة بها ، تتم محاذاة المجالات في اتجاه المجال الكهربائي المطبق. هذه العملية تسمى تصويت . بعد التبريد إلى درجة حرارة الغرفة وإزالة المجال الكهربائي المطبق ، تحافظ جميع المجالات على اتجاهها. بعد الانتهاء من هذه العملية ، يعرض السيراميك تأثير كهرضغطية . لا يتم عرض المواد الكهرضغطية الطبيعية الموجودة مثل الكوارتز السلوك الفيروكهربائي .
معادلة كهرضغطية
يمكن وصف تأثير كهرضغطية بما يلي معادلات اقتران كهرضغطية
تأثير كهرضغطية مباشر: S = sE .T + d. ه
تأثير كهرضغطية معكوس: D = d.T + εT.E
أين،
D = متجه الإزاحة الكهربائية
T = متجه الإجهاد
sE = مصفوفة من المعاملات المرنة عند شدة المجال الكهربائي الثابتة ،
S = ناقلات الإجهاد
εT = مصفوفة عازلة عند إجهاد ميكانيكي ثابت
E = متجه المجال الكهربائي
د = تأثير كهرضغطية مباشر أو معكوس
يولد المجال الكهربائي المطبق في اتجاهات مختلفة كميات مختلفة من الإجهاد في المواد الكهرضغطية. لذلك يتم استخدام اصطلاحات التوقيع جنبًا إلى جنب مع المعاملات لمعرفة اتجاه المجال المطبق. لتحديد الاتجاه ، يتم استخدام المحاور 1 ، 2 ، 3 بشكل مشابه لـ X ، Y ، Z. يتم تطبيق Poling دائمًا في اتجاه 3. يرتبط المعامل مع الرموز المزدوجة بالخصائص الكهربائية والميكانيكية مع أول خط منخفض يصف اتجاه المجال الكهربائي وفقًا للجهد المطبق أو الشحنة المنتجة. يعطي الرمز الفرعي الثاني اتجاه الضغط الميكانيكي.
معامل الاقتران الكهروميكانيكي يحدث في شكلين. الأول هو مصطلح التشغيل d ، والثاني هو المستشعر مصطلح ز. يمكن تفسير معاملات كهرضغطية جنبًا إلى جنب مع رموزها d33
أين،
d يحدد الضغط المطبق في الاتجاه الثالث.
3 يحدد أن الأقطاب الكهربائية متعامدة مع المحور الثالث.
3 يحدد ثابت كهرضغطية.
كيف تعمل المواد الكهرضغطية؟
كما هو موضح أعلاه ، يمكن أن تعمل المواد الكهرضغطية وضعين :
- التأثير المباشر للكهرباء الانضغاطية
- تأثير كهرضغطية معكوس
لنأخذ مثالاً لكل منها لفهم تطبيق هذه الأوضاع.
مولد Heal-Strike باستخدام التأثير الكهرضغطية المباشر:
داربا طور هذا الجهاز لتزويد الجنود بمولد طاقة محمول. تتعرض المادة الكهروضغطية المزروعة في الحذاء لضغط ميكانيكي عندما يمشي الجندي. بسبب المباشر خاصية كهرضغطية ، تنتج المادة شحنة كهربائية بسبب هذا الضغط الميكانيكي. يتم تخزين هذه الشحنة في المكثف أو البطاريات والتي يمكن بالتالي استخدامها لشحن أجهزتهم الإلكترونية أثناء التنقل.
شفاء مولد ضربة
مذبذب كريستال كوارتز في الساعات باستخدام تأثير الكهرباء الانضغاطية من كونفيرس
الساعات تحتوي على كريستال الكوارتز . عندما يتم تطبيق الكهرباء من البطارية على هذه البلورة من خلال دائرة تأثير كهرضغطية معكوس. بسبب هذا التأثير عند تطبيق الشحنة الكهربائية ، تبدأ البلورة في التذبذب بتردد 32768 مرة في الثانية. تحسب الشريحة الدقيقة الموجودة في الدائرة هذه التذبذبات وتولد نبضًا منتظمًا في الثانية يدور العقارب الثانية للساعة.
تأثير بيزو كونفيرس المستخدم في الساعات
استخدامات المواد الكهرضغطية
نظرا لما لها من فريد الخصائص والمواد الكهروضغطية اكتسبت دورًا مهمًا في الاختراعات التكنولوجية المختلفة.
استخدام تأثير بيزو المباشر
- في محطات القطار في اليابان ، مفهوم ' مزرعة الحشد 'حيث يمكن أن تولد خطى المشاة على بلاطات كهرضغطية مثبتة على الطريق الكهرباء.
- في عام 2008 ، قام ملهى ليلي في لندن ببناء أول أرضية صديقة للبيئة مكونة من مواد كهرضغطية يمكنها توليد الكهرباء لتشغيل المصابيح الكهربائية عندما يرقص الناس عليها.
- يجد التأثير الكهرضغطية تطبيقًا مفيدًا كمرشحات تردد ميكانيكية ، أجهزة الموجات الصوتية السطحية ، أجهزة الموجات الصوتية الجماعية ، إلخ ...
- الميكروفونات ومكبرات الصوت والموجات فوق الصوتية ، التصوير بالموجات فوق الصوتية ، hydrophones.
- التقاطات كهرضغطية للقيثارات ، أجهزة الاستشعار لتشغيل منظم ضربات القلب.
- كما تستخدم العناصر الكهرضغطية في الكشف عن موجات السونار وتوليدها ، والمحور المفرد والمحور المزدوج استشعار الميل .
تأثير كهرضغطية من الطرق
استخدامات تأثير الكهرباء الانضغاطية
- المحركات و المحركات
- وضع دقيق للغاية وتعديلات دقيقة في عدسات المجاهر.
- سائق إبرة في الطابعات ، محركات مصغرة ، مشغلات ثنائية الشكل.
- مشغلات متعددة الطبقات لتحديد المواقع بدقة في البصريات
- أنظمة الحقن في صمامات وقود السيارات إلخ ...
تأثير بيزو الكهربائي كضبط دقيق في الكاميرا
عن طريق اقتران المجالات الكهربائية والميكانيكية:
- للتحقيق في التركيب الذري للمواد.
- لرصد السلامة الهيكلية واكتشاف الأعطال في المراحل المبكرة في الهياكل المدنية والصناعية والفضائية.
مزايا وقيود المواد الكهرضغطية
تشمل مزايا وقيود المواد الكهرضغطية ما يلي.
مزايا
- يمكن أن تعمل المواد الكهرضغطية في أي ظروف درجة حرارة.
- لديهم منخفضة أثار الكربون مما يجعلها أفضل بديل للوقود الأحفوري.
- خصائص هذه المواد تجعلها أفضل حصادات الطاقة.
- يمكن استغلال الطاقة غير المستخدمة المفقودة على شكل اهتزازات لتوليد طاقة خضراء.
- يمكن إعادة استخدام هذه المواد.
محددات
- أثناء العمل مع الاهتزازات ، تكون هذه الأجهزة عرضة لالتقاط الاهتزازات غير المرغوب فيها أيضًا.
- تطبق المقاومة والمتانة حدودًا على الأجهزة عند استخدامها للاستفادة من الطاقة من الأرصفة والطرق.
- عدم التوافق بين صلابة المواد الكهرضغطية ومواد الرصف.
- التفاصيل الأقل شهرة لهذه الأجهزة ومقدار البحث الذي تم إجراؤه حتى الآن لا يكفي لاستغلال الاستخدام الكامل لهذه الأجهزة.
كما يقال 'الضرورة هي أم الاختراع' ، فإن ضرورتنا للحصول على طاقة خالية من الزحام ، وبصمة منخفضة الكربون قد جلبت مواد كهرضغطية في دائرة الضوء مرة أخرى. كيف يمكن لهذه المواد التغلب على قيودها؟ هل نتجه نحو مستقبل حيث بدلاً من القلق بشأن كمية الوقود المستخدمة للسفر ، نتساءل فقط عن مقدار الطاقة التي تولدها سيارتنا؟ ما رأيك؟ هنا سؤال لك، ما هي افضل مادة كهرضغطية؟
