اثر پیزوالکتریک به زبان ساده

(قسمت دوم)

قسمت اول

زمینه‌ی وسیعی از کاربردهای مواد پیزوالکتریک وجود دارد و با وجود این مسأله که این مواد نزدیک به یک قرن است که مورد مطالعه قرار گرفته اند، ولی هنوز هم پتانسیل استفاده شدن در کاربردها و ابداعات دیگر را دارند.

اساس اثر پیزوالکتریک :

هنگامی که بر مواد پیزوالکتریک،‌ تنش مکانیکی اعمال شود، (ماده تحت کشش یا تنش) این امر موجب ایجاد میدان الکتریکی در این مواد می‌شود. بطورعکس نیز اعمال یک میدان الکتریکی موجب ایجاد فشار مکانیکی (فشردگی یا کشیدگی) در اینگونه مواد می‌شود.

این پدیده در بلورهایی شکل می‌گیرد، که تقارن مرکزی ندارند. اینگونه بلورها دارای مولکول هایی با دو قطب مثبت و منفی بوده بوده و در اصطلاح به اینگونه مولکول‌ها، مولکول‌های دوقطبی گفته می‌شوند. این نتیجه (قطبیت مولکول‌ها) حاصل از نوع اتم‌های تشکیل دهنده‌ی مولکول‌های سازنده اینگونه مواد است. روی این مولکول‌ها محورهایی را فرض می‌کنیم؛ محورهای فرضی که، محور دوقطبی نامیده می‌شوند و مرکز بارها را کنترل می کنند.

در یک بلور یگانه محورهای قطبی، تمام دوقطبی ها در یک راستا قرار می‌گیرند. اینگونه بلورها متقارن‌اند، زیرا اگر شما از هرنقطه ای آنها را قطع کنید، محورهای قطبی منقطع شده نتیجتاً در یک راستا قرار می‌گیرند.

در بلورهای چندتایی که دارای نواحی متفاوتی هستند، محورهای قطبی تقارن ندارند. زیرا در هیچ نقطه ای در اینگونه بلور ها در صورت انقطاع، محورهای قطبی هم‌راستا نیستند.

در شکل زیر جهت‌گیری دو قطبی ها در بلور چندگانه سمت راست و بلور یگانه در سمت چپ را می‌بینید:

پیزوالکتریک تولیده شده و بلور چندگانه بترتیب اثرگذاری، تحت تأثیر دمای ایجاد شده توسط یک میدان الکتریکی قوی هستند. گرمای مجاز برای مولکول‌ها موجب جه به جا شدن آزادانه الکترون‌ها و نیروی میدان الکتریکی دوقطبی های در این بلور و بلورهایی در همان نزدیکی بصورت هم‌راستا می‌شود.

در شکل زیر اعمال میدان الکتریکی در سه حالت مختلف بترتیب از سمت راست: در غیاب میدان - هنگام اعمال میدان و  دوقطبی های کاتوره‌ای در بلور چندگانه را می‌بینید.

شکل زیر اثر پیزوالکتریک را در یک بلور نشان می‌دهد:

شکل a : بلور بدون کشش و یا اعمال میدان الکتریکی.

شکل b:  بلور فشرده شده و سپس ولتاژی بعنوان ولتاژ قطبش بین دو الکترود آن اعمال می‌شود.

شکل c :  بلور مورد کشش قرار می‌گیرد و قطبشی مخالف در آن ظاهر می‌شود.

شکل d : ولتاژی عکس ولتاژ قبل اعمال می‌شود، ماده تغییر شکل می‌دهد. این ولتاژ بعنوان ولتاژ قطبیشی، مخالف با ولتاژ قبل است و سبب فشردگی بلور می‌شود.

شکل e : ولتاژی با همان میزان قطبش سبب فشردگی ماده می‌شود.

شکل f :  اگر ولتاژ متناوب (AC) بر بلور اعمال شود، بلور همان فرکانس آغاز به لرزش می‌کند.

کاربردهای اثر پیزوالکتریک

حوزه‌های زیادی وجود دارد که پدیده‌ی پیزوالکتریک در آنها بطور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. اثر پیزوالکتریک تنها در مواد غیرهادی رخ می‌دهد و بطور گسترده اینگونه بیان می‌گردد که مواد پیزوالکتریک به دو گروه کریستال‌ها و سرامیک‌ها تقسیم می‌شوند.

** فندک‌های الکتریکی از پدیده پیزوالکتریک برای روشن شدن بهره می‌گیرند. وقتی که دکمه فندک الکتریکی را فشار می‌دهید، چکش فنری ضربه‌ای ناگهانی به ماده‌ای پیزوالکتریکی تعبیه شده در فندک زده و یک ولتاژ بالایی تولید می‌کند. در نتیجه گاز را مشتعل می‌نماید.

** هم چنین بسیاری از اجاق‌ها و گریل‌ها با کریستال‌های پیزوالکتریکی درون‌ساخت عرضه می‌شوند.

** سنسورهای پیزوالکتریکی در گیتارهای آکوستیک و دیگر تجهیزات محبوب شده‌اند. گوناگونی‌های موجود در فشار، در فرم صدا به آسانی با استفاده از سنسورهای پیزوالکتریک قابل آشکارسازی است.

** در ترانس دوسرهای اولتراسونیک (مورد استفاده برای عکس‌برداری پزشکی) از ایده‌ی پیزوالکتریکی استفاده می‌شود.

**  کریستال‌های پیزوالکتریک در آشکارسازی و ایجاد امواج صوتی نیز استفاده می‌شوند.

** سونوشیمی، پردازش‌های صنعتی و چندین شاخه از مهندسی فیزیک از کریستال‌های پیزوالکتریک استفاده می‌کنند.

** در محرک‌ها (actuators)، سرامیک‌های پیزوالکتریک استفاده می‌شود چون پهنا و الکتریسیته تولید شده توسط این کریستال‌ها را می‌توان با دقت درستی بسیار بالایی اندازه گرفت.

** بلندگوها، موتورهای پیزوالکتریکی، پرینترهای جوهرافشان تعدادی دیگر از وسایلی هستند که در آنها اثر پیزوالکتریک مورد استفاده است.

** در میکروسکوپ‌ها، بخصوص میکروسکوپ‌های اتمی (که با نیروی اتمی کار می‌کنند) و میکروسکوپ‌های اسکنینگ تونلینگ پدیده‌ی اثر پیزوالکتریک استفاده می‌شود.

خب فهمیدید اثر پیزوالکتریک چیست؟ کاربردهای بالا نگاهی گذرا به اثر پیزوالکتریک بود. در استخوان‌ها نیز این پدیده مشاهده می‌شود. چون استخوان‌ها، DNA و دیگر مواد بیولوژیکالی ذاتاً توانایی اندوختن بارهای الکتریکی را دارند. همچنان که مطالعات در الکترومغناطیس و مکانیک در حال پیشرفت است، چند فیلد دیگر نیز که اثر پیزوالکتریک را به خدمت می‌گیرند به سرعت در حال توسعه‌اند.

    ادامه دارد...

منبع:  prozhe، iran-elmi ، roshd ،  njavan