اثر پیزوالکتریک به زبان ساده

(قسمت سوم)

قسمت قبل

برخی از مواد می توانند در اثر المانهای مکانیکی (مانند نیرو، کشش، تراکم و پیچش) قطبیده شده و با تولید بار الکتریکی روی سطح خود ولتاژهای الکتریکی ایجاد کنند. در حقیقت این مواد می توانند المانهای مکانیکی را تبدیل به کمیت های الکتریکی قابل اندازه گیری کنند. این مواد برعکس نیز عمل کرده و در اثر اعمال میدان الکتریکی ناهمگونی های ریزی در شکل و اندازه آنها (به شکل تراکم، انبساط و پیچش) ایجاد می شود یعنی اصطلاحاً تحت کرنش قرار می گیرند. به این پدیده اثر پیزو الکتریک می گویند. مثلاً اگر بلورهایی مانند کوارتز و یا تورمالین را از دو طرف بکشیم و یا فشار دهیم در جهت عمود بر فشار یا کشش دارای بار الکتریکی مخالف یکدیگر می شوند اگر جهت این فشار یا کشش را عوض کنیم نوع بار الکتریکی تغییر می کند.

انواع موادی که اثرپیزوالکتریک دارند:

الف) کریستال های طبیعی :

1- ALPO4) Berlinite): یک ماده معدنی فسفات و کمیاب است که ساختاری همانند کوارتز دارد .

2- Cane Sugar (نیشکر): کانی شکر می تواند از خود خاصیت پیزو الکتریک بروز دهد . البته این کانی انواع مختلفی دارد.

3- Quartez (کوارتز) .

4- نمک راچل (Rachelle Salt)

5- Topaz یاقوت زرد.

6-  کهربا از گروه کانی ها

ب) مواد طبیعی دیگر :

1- Tendon (تاندون هایبدن): تاندون گروه خشن از بافت لیفی همبند است که معمولاً عضلات را به استخوان مرتبط می کند و قادر به تحمل تنش هستند.

2-  Silk (ابریشم): الیاف ابریشم یک نوع پروتیین است که ساختار میکروسکوپی مثلثی شکل دارد.

3- برخی از چوب ها

4- Enamel (مینای دندان): سخت ترین قسمت دندان مینای دندان است.

5-Dentine (عاج دندان): در زیر مینای دندان عاج دندان قرار دارد که هفتاد درصد از دندان متشکل شده از Hydroxylapatite معدنی و بیست درصد مواد آلی و ده درصد هم آب است.

ج) کریستال های مصنوعی :

1- گالیوم اُرتوفسفات (GaPO4): که به کریستال کوارتز آنالوگ نیز معرف است .

2- لانگاسیت (La3Ga5SiO14): به کریستال کوارتز آنالوگ نیز معروف است .

د) سرامیک های مصنوعی :

این خانواده از سرامیک ها دارای ساختار pervoskite یاtungsten ،bronze  هستند.

1- باریوم تیتانیوم (BaTiO3): که اولین سرامیک کشف شده با اثر پیزو الکتریک بود.

2- تیتانات سرب (PbTiO3)

3-  تیتانات زیرکونات سرب (Pb[ZrxTi1−x]O3 0≤x≤1): که بیشتر به PZT معروف است. و یکی از سرامیک های پرکاربرد امروزی محسوب می شود.

4- نیوبیت پتاسیم (KNbO3)

5-  نیوبیت لیتیوم (LiNbO3)

6- سدیم تنگستات (Na2WO3)

7- Ba2NaNb5O5

8- Pb2KNb5O15

9- سدیم پتاسیم نیوبیت (NaKNb): بررسی دقیق تر نسبت به پیزو سرامیک های سرب در سال 2004 منجر به کشف خواص NaKNb شد که بسیار شبیه به PZT عمل می کند.

10- بیسموت فریت (BiFeO3): این نوع سرامیک بهترین گزینه برای جایگزینی به جای سرامیک های سرب می باشد .

11- سدیم نیوبیت (NaNbO3)

هـ) پلیمرها :

1- پلی واینی لیدین فلوراید (PVDF): مستندات خاصیت پیزو الکتریسیته در این نوع پلی مر چندین با بیشتر از کواتز است. در پلی مرها مولکول های در هم تنیده شده هنگامی که در اثر میدان الکتریکی قرار می گیرند همدیگر را جذب یا دفع می‌کنند. در یک بررسی به این نتیجه رسیدند که طول عمر مواد سرامیکی کمتر از مدار کریستالی تک بلوری است در نتیجه سنسورهایی که با سرامیک ساخته می شود از عمر کمتری برخوردارند و بعد از مدتی از دقت آنها کاسته می شود.

وابستگی مواد پیزو الکتریک به دما

موادی که گشتاور دو قطبی دائمی دارند اثرات پیزو الکتریک (پیدایش بار الکتریکی به اثر گرمایش یکنواخت) و فرو الکتریک (تغییر جهت دو قطبی بر اثر میزان الکتریکی) نیز از خود بروز می دهند. چون گشتاور دو قطبی دائمی ممکن است حداقل دو جهت داشته باشد واکنشهای داخلی با ترکیب این جهت گیری متفاوت ممکن است به حداقل برسد. معمولاً حوزه های ناحیه هایی که در آنها تمام دو قطبی ها در جهت خاصی سمت گیری می کنند یا جهت گیری های دو قطبی متفاوت تشکیل خواهد شد. موادی که گشتار دو قطبی دائمی دارند معمولاً در دماهایی با ساختار تقارنی بالاتر که فاقد گشتاور دو قطبی دائمی است گذر می کنند. این دما را نقطه کوری می نامند.

وقتی دما به طرف نقطه کوری افزایش می یابد، به شدت اثر پیزوالکتریک افزایش می یابد، اثر پیزو الکتریک در انواع بسیاری از مواد، از جمله تک بلورها سرامیک ها و بسپار ها و مواد مرکب دیده می شود. کوارتز یکی از متداول ترین مواد پیزو الکتریک تک بلور است و پایداری دمایی خوبی دارد. ثابت پیزو الکتریک آن و ثابت جفت شدگی آن K=0,1  است.

کاربردهای سرامیک مهندسی برق

بسیاری از دستگاه های الکترونیکی مهمی که امروزه توسط مردم مورد استفاده قرار می گیرند، بدون وجود سرامیک ممکن نخواهد بود. تحقیق جدیدی که در مجله انجمن سرامیک آمریکا چاپ شده است، کاربرد مواد سرامیکی در توسعه دستگاه های تکنولوژیکی مانند ارتباط سیار تصویر برداری فراصوت نشان می دهد.

محققین به رهبری پالت مورالت از موسسه تکنولوژی فدرال سوئیس، محدوده مواد سرامیکی را مرور کرده و نقش حیاتی را که مواد پیزو الکتریک در پیشرفت تکنولوژی باز می کنند، مورد بررسی قرار دارند.

مواد پیزو سرامیک نقش ویژه ای را در ارتباطات سیار و راه دور و تصویر برداری فراصوت بازی می کنند چرا که این قابلیت را دارند که به شکل کارآمدی نوسانات مکانیکی در هر بُعد را به سیگنال های الکتریکی تبدیل نمایند.

این تکنولوژی و اثر در ترکیب با صفحات پیزو الکتریک (پیزو(MEMS-  منجر به کسب مزایای مهمی می شود خاصیت پیزو MEMS- مبتنی بر صفحات AIN که از تحویل ایجاد شده در تکنولوژی تلفن همراه ناشی می شود. امکان ایجاد تلفن های همراه کوچک تر و کاهش شدت تشعشع مایکرو ویو را فراهم می سازد که در این بین PZT نوید بخش استفاده انبوه از این خاصیت در حجم انبوه را خواهد داشت. انتظار می رود کههدهای جوهر افشان پرینتر که دارای کیفیت بسیار بالا می باشند ، گام بزرگ بعدی در پیزو MEMS- باشند.

استفاده از PZT MEMS در سنسورهای حرکتی، سنسورهای لرزشی، و آینه های نوری، درایوهای گرداننده ی ساعت مچی و... را امکان پذیر می سازد. نویسندگان اصلی مقاله می گویند: «کاربردهای بسیار دیگری طی تحقیقات بوجود خواهد آمد، مانند مهار انرژی، سیستم های نوسانی برای ساعت ها، آرایه های آینه ای، و اسکنرها».

منبع: prozhe، iran-elmi ، roshd،  njavan