اثر پیزوالکتریک به زبان ساده

(قسمت اول)

تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در برخی بلورهای نارسانا مثل (کوارتز) تحت کشش یا فشار همان اثر پیزوالکتریک است. پلاریته پتانسیل دو وجه بلور در دو حالت تنش و کُرنش هم ارزند و هرچه میزان فشار کشش باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده به صورت خطی بیشتر خواهد شد. اثر معکوس پیزوالکتریک نیز در این معنی، تغییر شکل بلور میزان الکتریکی بین دو وجه روبروی آنها می باشد.

لغت پیزوالکتریک یعنی الکتریسیته‌ی ناشی از فشار که از لغت یونانی به معنای فشردن گرفته شده است. اثر پیزوالکتریک در کریستالها (بلورها)، برخی از سرامیک ها و اجسام زیستی مانند استخوان DNA و پروتئین ها روی می دهد. شرط ضروری برای پیزوالکتریک بودن یک کریستال، عدم وجود تقارن مرکزی در ساختار کریستالی است. ترکیبات سرب-زیرکنات-تیتانات PZT با ساختار پروسکایت، ZnO و کوارتز مثال هایی از مواد پیزوالکتریک هستند.

هنگامی که به بدن شما فشاری وارد می شود این فشار باعث تولید پالس الکتریکی و انتقال آن به مغز می شود. بنابراین شما آن را احساس می کنید. در استخوانها نیز این پدیده مشاهده می شود. مار ماهی نیز می تواند با ایجاد فشار بربدن خویش باعث تولید الکتریسیته ای شود که ولتاژ بالای آن بسیار خطرناک است.

در پیزو الکتریک انرژی ها به هم تبدیل می شوند، به همین خاطر می توانیم از آن به عنوان سنسور (حسگر) بسیار حساس استفاده کنیم. این ویژگی به آن‌ها اجازه می‌دهد به عنوان حسگرهای مکانیکی عمل کنند. به این علت که آن‌ها در پاسخ به فشار مکانیکی جریان الکتریکی تولید می‌کنند.

بنابراین انواع مختلفی از سنسورها به کمک این ویژگی ساخته شده اند که به عنوان نمونه به برخی از آنها اشاره می کنم:

1. حسگر ژیروسکوپ پیزوالکتریک: از این حسگر در تشخیص حرکات دست هنگام فیلمبرداری و عکس برداری توسط دوربین و سنجش سرعت زاویه ای و حرکات دورانی در هواپیماها و انواع سیستم های متحرک استفاده می شود.

2. حسگر شتاب سنج پیزوالکتریک: این حسگر می تواند پارامترهای مکانیکی مانند شتاب، نوسان و لرزش را ثبت کند. حتما شتاب سنج به کار رفته در موبایل را که باعث چرخش صفحه هنگام چرخش موبایل می شود دیده اید.

3. حسگر های صوتی پیزوالکتریک: از مواد پیزوالکتریک برای تولید و آشکارسازی امواج صوتی در هوا (در بلندگوها، میکروفون ها) یا در آب استفاده می ‌شود. در سونارها، ماهی یابها و عمق یابها از تأخیر زمانی بین تولید تپ صوتی در دریافت علامت باز تابیده برای اندازه گیری فاصله تا جسم استفاده می ‌کنند. این روش همچنین با استفاده از امواج فراصوتی با بسامدهای زیاد بیشتر از 20KHz در تصویرگیری پزشکی و بررسی غیر تخریبی مواد در تشخیص شکستگی ها و نقصهای داخلی نیز بکار می ‌رود (در این سنسورها تراکم و انبساطهای موج صوتی تبدیل به کمیت الکتریکی می شود).

تاریخچه اثر پیزوالکتریک

به سبب تلاشهای Jacques Curie و Pierre Curie در 1880 مفهوم پیزوالکتریک بوجود آمد. این فیزیکدانان کشف کردند که کریستال های مشخصی وجود دارند که وقتی که استرس یا کشش مکانیکی بر آنها اعمال می گردد بصورت الکتریکی قطبیده (پولاریزه) می شوند.

بنابر این تمام المان های مکانیکی نظیر استرس، کشش، تراکم (فشردگی) و کشیدگی می توانند ولتاژهایی را در کریستالهایی مشخص تولید کنند. این مقوله بوسیله Jacques و Pierre بنا نهاده شده که وقتی نیروی مکانیکی بر کریستالهایی نظیر  tourmaline، topaz، quartz،  Rochelle salt و Cane sugar اعمال می شود این نیرو منتهی به تولید بارهای الکتریکی متناوب بر وجه های مخالف آن می شود ومتعاقباً آن می تواند برای تولید ولتاژ الکتریکی استفاده شود.

کریستال هایی که وقوع این اثر در آنها مترتب است را کریستالها یا مواد پیزوالکتریک نامند. بنابراین وقتی که استرس بر یک کریستال پیزوالکتریکی اعمال می شود، آن استرس منتهی می شود به تولید ولتاژ در سراسر سطح آن. این کریستال ها می توانند به عنوان خازن هایی که ولتاژی کم بر آنها اعمال شده شناخته شوند. ولتاژ ایجاد شده مشخصاً زیاد نیست، اما می تواند به میزان زیادی با استفاده از تقویت کننده ها تقویت شود.

پس از کشف معمای پیزوالکتریک، اثر معکوس پیزوالکتریک در سال های اخیر در طی تحقیقاتی صحتش اثبات شد. در هر اثر وارون پیزوالکتریک، وقتی ولتاژ خارجی بر کریستالهای پیزوالکتریکی اعمال می شوند، آنها ناهمگونی ریز مقیاسی در شکل و سایز از خود نشان می دهند. الکتریسیته تولید شده در طی فرآیند اثر پیزوالکتریک بعنوان پیزوالکتریک شناخته می شود.

اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس

وقتی ماده پیزوالکتریکی تحت تأثیر مکانیکی (به صورت انبساط یا انقباض) قرار گیرد، مقداری بار الکتریکی در سطح آن ظاهر می شود. این بار الکتریکی در اثر نامتقارن بودن سلول یکه واحد کریستال است که به تولید میدان الکتریکی و پتانسیل الکتریکی منجر می شود. به این اثر پیزوالکتریک مستقیم گویند. حال اگر در پی اعمال میدان الکتریکی با مقادیر گرانش مکانیکی و تغییرات مکانیکی در ساختار سرامیک مواجه شویم به این اثر پیزوالکتریک معکوس گویند. هر دو اثر کاربردهای متفاوت و فراوان دارند.

ارتباط اثر پیزوالکتریک با ساختار مولکولی مواد

اثر پیزوالکتریک با ساختار مولد ارتباط دارد. وقتی مرکز بارهای مثبت ماده اندک از مرکز بارهای منفی فاصله بگیرد، یک دو قطبی حاصل می شود. این پدیده در موادی رخ می دهد که ساختارهای بلوری آنها نامتقارن است. در برخی مواد با گشتاور دو قطبی دائمی روبرو می شویم که نتیجه ای از عدم تقارن ذاتی در ساختار بلوری است.ولی در مواد دیگر برای ایجاد گشتاور دو قطبی باید کرنش مکانیکی پدید آورد. از سی و دو بلور، بیست و یک عدد از آنها فاقد مرکز تقارن هستند، بیست عدد از آنها خاصیت پیزو الکتریک از خود بروز می دهند و ده تای دیگر برای نشان دادن گشتاور دو قطبی نیاز به کرنش مکانیکی دارند.  وقتی فاصله بین بارهای مثبت و منفی بر اثر کرنش مکانیکی تغییر کند، میزان الکتریکی ناشی از دو قطبی تغییر می کند و بار روی الکترود تغییر می کند. این فاصله را همچنین می توان یا اعمال میزان الکتریکی تغییر داده که به پیدایش کرنش مکانیکی منجر می شود. البته این اثر در بلور ها و سرامیک ها و ترکیب های دیگر متفاوت است و هر کدام دارای ویژگی های خاص خود می باشند که در این مختصر نمی گنجد .

       ادامه دارد...

منبع:  prozhe، iran-elmi ، roshd ،  njavan