پیزوالکتریک چیست

پیزوالکتریک:

در پیزوالکتریک (Piezoelectricity) ها  تغییرات فشار باعث تولید ولتاژ و تغییر آن می شود. به عبارت دیگر ضربات وارد شده ناشی از فشار باعث تولید ولتاژ می شوند نمک راشل(Rochelle salt)با نام علمی پتاسیم سدیم تارترات(Potassium sodium tartrate  )که در میکروفن های قدیمی استفاده می شد خاصیت پیزوالکتریک دارد. کوارتسQuartz  و یا  كوارتز كريستالی، در انواع كريستال طبيعی يا كيفيت بالا و حتی تغيير يافته آن، از جمله مهمترين مواد پيزو‌الكتريک مورد دسترس، حساس و پايدار هستند.

سنسور پیزوالکتریک بخاطر دقت بالا کاربرد فراوانی دارد. ویژگی عمده این سنسورها سختی، سایز کوچک، سرعت بالا و عدم نیاز به منبع تغذیه است با بهره گیری از سنسورهای پیزوالکتریک می توان سرعت و تغییرات شتاب را نیز اندازه گرفت. حسگرهای پیزوالکتریک بر پایه اصل پیزوالکتریسیته  بنا شده اند. به این معنی که اگر ماده ای به عنوان مثال یک سرامیک، پیزوالکتریک بود، وقتی تحت فشار قرار می ‌گیرد در سطح آن بار الکتریکی تولید می ‌‌شود و یا وقتی در میدان الکتریکی قرار گرفت تغییر شکل مکانیکی پیدا می کند. میزان بارالکتریکی یا تغییر شکل مکانیکی به ترکیب ماده وابسته است.

در ساختمان این سرامیکهای پیزوالکتریک موادی نظیر: اکسید سرب(PbO) ، تیتانیا(TiO₂)، زیرکونیا (_۲ZrO) و … وجود دارد که با توجه به نوع کاربرد این ماده با نسبت ‌های مختلف با هم مخلوط می ‌شوند. با تغییر ترکیب و ابعاد قطعات پیزو الکتریک سرامیکی ‌ را جهت کاربردهای مختلف طراحی می کنند، از جمله این کاربردها می توان شتاب سنج ، مبدل های کوچک، حس گرهای خودرو، سنسورهای جریان سیالات (flow)  و در بخش های پزشکی در مانیتورینگ قلب جنین، تفنگ  لیزری،پمپ ‌هایIV ‌، پمپ های قلب و… نام برد.

تاریخچه

اثر پیزوالکتریک (تولید پتانسیل الکتریکی در پاسخ به دما) در اواسط قرن هجدهم توسط کارل لینائوس(لینه)[ به فرانسوی  Carl von Linné  و به سوئدی Carl Nilsson Linnæus ]و فرنزآپینوس (Franz Ulrich Theodor Aepinus)   به عنوان یک  تئوری مطرح شده بود با الهام از این تئوری  رنه جاست هاووی René Just Haüy و آنتونی سزار بکورل Antoine César Becquerel دعا کردند بین فشار مکانیکی و بار الکتریکی رابطه ‌ای وجود دارد و بر این اساس مطالعه  و بررسی خود را آغاز کردند. این دو با وجود تلاش فراوان موفق به اثبات عملی این خاصیت در مواد نشدند.

اولین اثبات تجربی اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط برادران پیر کوری Pierre Curie و جکوئیز کوری Curie اJacques نجام شد. آن‌ها با آزمایشات خود و درک ساختار کریستالی  رفتار کریستال های پیزو الکتریک را پیش بینی کردند.

عکس فوق متعلق به برادران کوری و ماری کوری کاشف معروف و همسر پیر است.

بعدها در ادامه برادران کوری در سال ۱۸۹۲ موفق به کشف و اثبات کامل این  خاصیت در مواد شدند و از واژه یونانی Piezin  از مشتقات فشار برای نام گذاری این کشف استفاده کردند. اعمال فشار به برخی کریستال ها مانند کوارتز یا برخی سرامیک ها، الکتریسیته تولید می کند. فشار یا تنش مکانیکی وارد شده به برخی کریستال ها باعث جابه جایی دو قطبی های ایجاد شده و پدید آمدن میدان الکتریکی می شود. آرایش یون های مثبت و منفی، تعیین کننده ایجاد یا عدم ایجاد اثر پیزوالکتریسیته است.

کلمات کلیدی:

Piezoelectricity , پیزوالکتریک , تولید پتانسیل الکتریکی , سراميک , سنسور , فشار سنج پیزوالکتریک , کوارتس , نمک راشل