पायझोइलेक्ट्रिक घटक कसे कार्य करते आणि पायझोइलेक्ट्रिक प्रभाव काय आहे

19व्या शतकाच्या शेवटी क्युरी बंधू या फ्रेंच शास्त्रज्ञांनी पायझोइलेक्ट्रिक प्रभावाचा शोध लावला. त्या वेळी, शोधलेल्या घटनेच्या व्यावहारिक अनुप्रयोगाबद्दल बोलणे खूप लवकर होते, परंतु सध्या, पीझोइलेक्ट्रिक घटक तंत्रज्ञान आणि दैनंदिन जीवनात मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात.

पायझोइलेक्ट्रिक प्रभावाचे सार

प्रसिद्ध भौतिकशास्त्रज्ञांनी असे स्थापित केले आहे की जेव्हा काही क्रिस्टल्स (रॉक क्रिस्टल, टूमलाइन इ.) विकृत होतात तेव्हा त्यांच्या चेहऱ्यावर विद्युत शुल्क उद्भवते. त्याच वेळी, संभाव्य फरक लहान होता, परंतु त्या वेळी अस्तित्वात असलेल्या उपकरणांद्वारे ते आत्मविश्वासाने निश्चित केले गेले होते आणि कंडक्टरचा वापर करून विरुद्ध ध्रुवीय शुल्कासह विभागांना जोडून, ​​ते प्राप्त करणे शक्य होते. वीज. कॉम्प्रेशन किंवा स्ट्रेचिंगच्या क्षणी ही घटना केवळ डायनॅमिक्समध्ये निश्चित केली गेली होती. स्थिर मोडमधील विकृतीमुळे पायझोइलेक्ट्रिक प्रभाव झाला नाही.

लवकरच, उलट परिणाम सैद्धांतिकदृष्ट्या न्याय्य ठरला आणि व्यवहारात शोधला गेला - जेव्हा व्होल्टेज लागू केले गेले तेव्हा क्रिस्टल विकृत झाला.असे दिसून आले की दोन्ही घटना एकमेकांशी जोडलेल्या आहेत - जर एखादा पदार्थ थेट पायझोइलेक्ट्रिक प्रभाव दर्शवित असेल तर त्याच्या उलट देखील अंतर्भूत आहे आणि त्याउलट.

ही घटना अॅनिसोट्रॉपिक प्रकारातील क्रिस्टल जाळी (ज्यांचे भौतिक गुणधर्म दिशेनुसार भिन्न असतात) असलेल्या पदार्थांमध्ये पुरेशी विषमता, तसेच काही पॉलीक्रिस्टलाइन रचनांसह आढळतात.

कोणत्याही घन शरीरात, लागू केलेल्या बाह्य शक्तींमुळे विकृती आणि यांत्रिक ताण येतो आणि पिझोइलेक्ट्रिक प्रभाव असलेल्या पदार्थांमध्ये ते शुल्कांचे ध्रुवीकरण देखील करतात आणि ध्रुवीकरण लागू केलेल्या शक्तीच्या दिशेने अवलंबून असते. एक्सपोजरची दिशा बदलताना, ध्रुवीकरणाची दिशा आणि शुल्काची ध्रुवीयता दोन्ही बदलतात. यांत्रिक ताणावरील ध्रुवीकरणाचे अवलंबित्व रेषीय आहे आणि P=dt या अभिव्यक्तीद्वारे वर्णन केले आहे, जेथे t यांत्रिक ताण आहे आणि d हा एक गुणांक आहे ज्याला पायझोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल (पीझोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल) म्हणतात.

रिव्हर्स पीझोइलेक्ट्रिक प्रभावासह अशीच घटना घडते. जेव्हा लागू विद्युत क्षेत्राची दिशा बदलते तेव्हा विकृतीची दिशा बदलते. येथे अवलंबन देखील रेखीय आहे: r=dE, जेथे E विद्युत क्षेत्राची ताकद आहे आणि r हा ताण आहे. गुणांक d सर्व पदार्थांसाठी थेट आणि व्यस्त पायझोइलेक्ट्रिक प्रभावांसाठी समान आहे.

खरं तर, वरील समीकरणे फक्त अंदाज आहेत. वास्तविक अवलंबित्व अधिक क्लिष्ट आहे आणि ते क्रिस्टल अक्षांच्या सापेक्ष शक्तींच्या दिशेने देखील निर्धारित केले जाते.

पिझोइलेक्ट्रिक प्रभाव असलेले पदार्थ

प्रथमच, पायझोइलेक्ट्रिक प्रभाव रॉक क्रिस्टल्स (क्वार्ट्ज) मध्ये आढळला. आजपर्यंत, पिझोइलेक्ट्रिक घटकांच्या उत्पादनात ही सामग्री अतिशय सामान्य आहे, परंतु उत्पादनात केवळ नैसर्गिक सामग्री वापरली जात नाही.

अनेक पायझोइलेक्ट्रिक्स ABO सूत्र असलेल्या पदार्थांपासून बनवले जातात.₃, उदा. BaTiO₃, РbТiO₃. या सामग्रीमध्ये पॉलीक्रिस्टलाइन (अनेक क्रिस्टल्स असलेली) रचना असते आणि त्यांना पायझोइलेक्ट्रिक प्रभाव प्रदर्शित करण्याची क्षमता देण्यासाठी, बाह्य विद्युत क्षेत्राचा वापर करून त्यांचे ध्रुवीकरण करणे आवश्यक आहे.

अशी तंत्रज्ञाने आहेत जी फिल्म पिझोइलेक्ट्रिक्स (पॉलिव्हिनिलिडेन फ्लोराइड इ.) मिळवणे शक्य करतात. त्यांना आवश्यक गुणधर्म देण्यासाठी, त्यांना विद्युत क्षेत्रात दीर्घकाळ ध्रुवीकरण करणे देखील आवश्यक आहे. अशा सामग्रीचा फायदा खूप लहान जाडी आहे.

पिझोइलेक्ट्रिक प्रभावासह पदार्थांचे गुणधर्म आणि वैशिष्ट्ये

ध्रुवीकरण केवळ लवचिक विकृती दरम्यान होत असल्याने, पायझोमटेरियलचे एक महत्त्वाचे वैशिष्ट्य म्हणजे बाह्य शक्तींच्या कृती अंतर्गत आकार बदलण्याची क्षमता. या क्षमतेचे मूल्य लवचिक अनुपालन (किंवा लवचिक कडकपणा) द्वारे निर्धारित केले जाते.

पायझोइलेक्ट्रिक प्रभाव असलेले क्रिस्टल्स अत्यंत लवचिक असतात - जेव्हा शक्ती (किंवा बाह्य ताण) काढून टाकली जाते तेव्हा ते त्यांच्या मूळ आकारात परत येतात.

पायझोक्रिस्टल्सची स्वतःची यांत्रिक रेझोनंट वारंवारता देखील असते. आपण या वारंवारतेवर क्रिस्टल कंपन केल्यास, मोठेपणा विशेषतः मोठा असेल.

 

पायझोइलेक्ट्रिक प्रभाव केवळ संपूर्ण क्रिस्टल्सद्वारेच प्रकट होत नाही तर विशिष्ट परिस्थितीत कापलेल्या प्लेट्सद्वारे देखील प्रकट होत असल्याने, कटच्या भौमितिक परिमाण आणि दिशा यावर अवलंबून, वेगवेगळ्या फ्रिक्वेन्सीवर अनुनाद असलेल्या पायझोइलेक्ट्रिक पदार्थांचे तुकडे मिळवणे शक्य आहे.

तसेच, पायझोइलेक्ट्रिक सामग्रीचे कंपन गुणधर्म यांत्रिक गुणवत्तेच्या घटकाद्वारे दर्शविले जातात. हे रेझोनंट फ्रिक्वेंसीमध्ये दोलनांचे मोठेपणा समान लागू केलेल्या बलाने किती वेळा वाढते हे दर्शविते.

तापमानावर पायझोइलेक्ट्रिकच्या गुणधर्मांचे स्पष्ट अवलंबन आहे, जे क्रिस्टल्स वापरताना लक्षात घेतले पाहिजे. हे अवलंबित्व गुणांकांद्वारे दर्शविले जाते:

• रेझोनंट फ्रिक्वेंसीचे तापमान गुणांक क्रिस्टल गरम / थंड झाल्यावर अनुनाद किती निघून जातो हे दर्शविते;
• तापमान विस्तार गुणांक तापमानासह पायझोइलेक्ट्रिक प्लेटचे रेषीय परिमाण किती बदलतात हे निर्धारित करते.

विशिष्ट तापमानात, पायझोक्रिस्टल त्याचे गुणधर्म गमावते. या मर्यादेला क्युरी तापमान म्हणतात. ही मर्यादा प्रत्येक सामग्रीसाठी वैयक्तिक आहे. उदाहरणार्थ, क्वार्ट्जसाठी ते +573 °C आहे.

पायझोइलेक्ट्रिक प्रभावाचा व्यावहारिक वापर

पायझोइलेक्ट्रिक घटकांचा सर्वात प्रसिद्ध वापर इग्निशन घटक म्हणून आहे. पायझोइलेक्ट्रिक इफेक्ट पॉकेट लाइटर किंवा किचन इग्निटरमध्ये गॅस स्टोव्हसाठी वापरला जातो. जेव्हा क्रिस्टल दाबला जातो तेव्हा संभाव्य फरक उद्भवतो आणि हवेच्या अंतरामध्ये स्पार्क दिसून येतो.

पायझोइलेक्ट्रिक घटकांच्या वापराचे हे क्षेत्र संपलेले नाही. समान प्रभाव असलेल्या क्रिस्टल्सचा वापर स्ट्रेन गेज म्हणून केला जाऊ शकतो, परंतु वापराचे हे क्षेत्र पीझोइलेक्ट्रिक इफेक्टच्या गुणधर्मामुळे केवळ डायनॅमिक्समध्ये दिसण्यासाठी मर्यादित आहे - बदल थांबल्यास, सिग्नल तयार होणे थांबते.

पायझोक्रिस्टल्सचा वापर मायक्रोफोन म्हणून केला जाऊ शकतो - जेव्हा ध्वनिक लहरींच्या संपर्कात येते तेव्हा विद्युत सिग्नल तयार होतात. रिव्हर्स पायझोइलेक्ट्रिक प्रभाव देखील (कधीकधी एकाच वेळी) ध्वनी उत्सर्जक सारख्या घटकांचा वापर करण्यास अनुमती देतो. जेव्हा क्रिस्टलवर इलेक्ट्रिकल सिग्नल लागू केला जातो, तेव्हा पिझोइलेक्ट्रिक घटक ध्वनिक लहरी निर्माण करण्यास सुरवात करेल.

अशा उत्सर्जकांचा वापर प्रचंड कंपनसंख्या असलेल्या (ध्वनिलहरी) लाटा तयार करण्यासाठी केला जातो, विशेषतः वैद्यकीय तंत्रज्ञानामध्ये. येथे हे प्लेटचे रेझोनंट गुणधर्म देखील वापरले जाऊ शकतात.हे ध्वनिक फिल्टर म्हणून वापरले जाऊ शकते जे केवळ नैसर्गिक वारंवारता लहरी निवडते. दुसरा पर्याय म्हणजे ध्वनी जनरेटरमध्ये (सायरन, डिटेक्टर इ.) पिझोइलेक्ट्रिक घटक एकाच वेळी वारंवारता-सेटिंग आणि ध्वनी-उत्सर्जक घटक म्हणून वापरणे. या प्रकरणात, आवाज नेहमी रेझोनंट फ्रिक्वेंसीवर व्युत्पन्न केला जाईल आणि कमी उर्जेच्या वापरासह जास्तीत जास्त व्हॉल्यूम मिळू शकेल.

रेझोनान्स गुणधर्मांचा वापर रेडिओ फ्रिक्वेन्सी रेंजमध्ये कार्यरत जनरेटरच्या फ्रिक्वेन्सी स्थिर करण्यासाठी केला जातो. क्वार्ट्ज प्लेट्स फ्रिक्वेंसी-सेटिंग सर्किट्समध्ये अत्यंत स्थिर आणि उच्च-गुणवत्तेच्या दोलन सर्किटची भूमिका बजावतात.

औद्योगिक स्तरावर लवचिक विकृतीची उर्जा विद्युत उर्जेमध्ये रूपांतरित करण्यासाठी अजूनही विलक्षण प्रकल्प आहेत. आपण पादचारी किंवा कारच्या गुरुत्वाकर्षणाच्या प्रभावाखाली फुटपाथचे विकृत रूप वापरू शकता, उदाहरणार्थ, ट्रॅकचे भाग प्रकाशित करण्यासाठी. विमानाचे नेटवर्क देण्यासाठी तुम्ही विमानाच्या पंखांची विकृती ऊर्जा वापरू शकता. पीझोइलेक्ट्रिक घटकांच्या अपुर्‍या कार्यक्षमतेमुळे असा वापर प्रतिबंधित आहे, परंतु पायलट प्लांट आधीच तयार केले गेले आहेत आणि त्यांनी आणखी सुधारणा करण्याचे वचन दर्शविले आहे.

तत्सम लेख: