پیزوالکتریک، تحولی در تبدیل انرژی

   پیزوالکتریک بار الکتریکی است که در مواد جامد به خصوصی مانند: کریستال­ ها، سرامیک­ های خاص، و مواد بیولوژیکی از جمله استخوان، DNA و پروتئین های مختلف در پاسخ به فشار مکانیکی اعمال شده، تجمع می یابد. واژه­ پیزوالکتریک به معنی برق ناشی از فشار است . این واژه، از واژه­ یونانی piezo گرفته شده است که معنی فشردن یا فشار می دهد. پیزوالکتریک در سال 1880 توسط فیزیکدانان فرانسوی، ژاک و پیر کوری کشف شد.

   اثر پیزوالکتریک، تعامل الکترومکانیکی خطی بین حالت مکانیکی و وضعیت الکتریکی در مواد کریستالی بدون تقارن وارون است. اثر پیزوالکتریک، یک فرایند برگشت پذیر در مواد دارای اثر پیزوالکتریک مستقیم (تولید داخلی بار الکتریکی ناشی از نیروی مکانیکی اعمال شده) و همچنین اثر پیزوالکتریک معکوس (تولید داخلی  فشار مکانیکی ناشی از یک میدان الکتریکی اعمال شده) نشان می دهد. به عنوان مثال، هنگامی که در ساختار استاتیک کریستال های تیتانات حدود 0.1٪ تغییر شکل ایجاد شود، اثر پیزوالکتریک قابل توجهی تولید می کنند.در مقابل، همین کریستال های مشابه، هنگامی که در معرض یک میدان الکتریکی قرار گیرند، ساختار آن ها حدود 0.1٪ تغییر می کند. اثر پیزوالکتریک معکوس در تولید امواج فراصوت نیز استفاده می شود.

   پیزوالکتریک در کاربردهای مفید ببسیاری مانند تولید و تشخیص صدا، تولید ولتاژهای بالا، تولید فرکانس الکترونیکی، میکروبالانس ها و نازل مافوق صوت دیده می شود .همچنین پیزوالکتریک اساس تعداد بسیاری از تکنیک های علمی ابزاری با وضوح اتمی، کاوشگرهای میکروسکوپی مانند  STM ، AFM، MTA، SNOM، استفاده های روزمره مانند منبع احتراق فندک و ساعت های کوارتز است.

   مواد دارای اثر پیزوالکتریک به دو دسته طبیعی و مصنوعی تقسیم بندی می شوند. براخی از موادی که به طور طبیعی اثر پیزوالکتریک از خود نشان می دهند، عبارتند از: کریستال های کوارتز، برلینیت ( یک فسفات معدنی نادر که بسیار شبیه به کوارتز است)، ساکاروز، نمک راشل، یاقوت زرد. از دیگر مواد طبیعی دارای اثر پیزوالکتریک می توان به تاندون، ابریشم، چوب، مینا و عاج دندان، DNA، پروتیین های حیاتی اشاره کرد. همچنین امروزه بسیاری از مواد ساخته شده مانند کریستال ها و سرامیک های مصنوعی و پلیمرها دارای اثر پیزوالکتریک هستند.

   در حال حاضر بیشترین کاربرد پیزوالکتریک ها در صنعت است. همچنین تقاضای زیادی در زمینه های پزشکی، اطلاعات و ارتباطات وجود دارد. تقاضای جهانی برای دستگاه های پیزوالکتریک در سال 2010 در حدود 14.8 میلیارد دلار گزارش شده است. بزرگترین گروه برای دستگاه های پیزوالکتریک، پیزوکریستال ها و پیزوپلیمرها هستند که در حال رشد سریع به علت وزن کم و اندازه کوچک هستند. اثر پیزوالکتریک مستقیم برخی از مواد، مانند کوارتز، می تواند اختلاف پتانسیل تا هزاران ولت تولید کند.

   شناخته شده ترین کاربرد این مواد فندک های الکتریکی است: فشار دادن دکمه باعث وارد آمدن یک ضربه بر روی کریستال پیزوالکتریک توسط چکش و در نتیجه تولید یک ولتاژ جریان الکتریکی قوی در سراسر یک شکاف کوچک می شود، بلندگوهای قابل حمل مورد استفاده برای روشن کردن اجاق های گاز و بسیاری از جرقه زن های دیگر، بر اساس همین سیستم ساخته شده اند.

   امروزه بسیاری از تحقیقات بر روی پیزوالکتریک ها انجام می شود تا از تمام پتانسیل آن ها استفاده شود. یکی از این تحقیق ها، استفاده از پیزوالکتریک در ابعاد بزرگ برای مهار انرژی جنبشی حاصل از راه رفتن عابر پیاده است. در کف پوش های متروی توکیو و لندن از این سیستم برای تولید برق مورد نیاز برای دستگاه های بلیت و صفحات نمایش استفاده شده است. همچنین از پیزوالکتریک برای تولید برق در سیستم های تصویری و صوتی در این مکان ها استفاده می شود.

 

اطلاعات تکميلي

  • حوزه کاربرد: کاهش هزینه های انرژی