اثر پیزوالکتریک به زبان ساده

[seyed mehdi hoseyni 27119]

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).

اثر پیزوالکتریک به زبان ساده، قابلیت برخی از مواد و کریستال هاست برای تبدبل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی

 

[h=2]تاریخچه اثر پیزوالکتریک[/h] 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.

[h=2]اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس[/h] 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.

[h=2]ارتباط اثر پیزوالکتریک با ساختار مولکولی مواد[/h] 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 .

[seyed mehdi hoseyni 27119]

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.

[h=2]اساس اثر پیزوالکتریک :[/h] 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 استخوان‌ها نیز این پدیده مشاهده می‌شود. چون استخوان‌ها، DNA و دیگر مواد بیولوژیکالی ذاتاً توانایی اندوختن بارهای الکتریکی را دارند

 

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.

 

[h=2]کاربردهای اثر پیزوالکتریک[/h] 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.