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Wie funktioniert Piezoelektrizität?

2023-04-03
Latest company news about Wie funktioniert Piezoelektrizität?

Wir haben spezielle Materialien, die für Piezoelektrizitätsanwendungen geeignet sind, aber wie genau funktioniert der Prozess?Mit dem piezoelektrischen Effekt.Das Einzigartigste an diesem Effekt ist, dass er auf zwei Arten funktioniert.Sie können mechanische oder elektrische Energie auf dasselbe piezoelektrische Material anwenden und das gegenteilige Ergebnis erzielen.

Das Aufbringen mechanischer Energie auf einen Kristall wird als direkter piezoelektrischer Effekt bezeichnet und funktioniert folgendermaßen:

  1. Ein piezoelektrischer Kristall wird zwischen zwei Metallplatten platziert.Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Material im perfekten Gleichgewicht und leitet keinen elektrischen Strom.

  2. Durch die Metallplatten wird dann mechanischer Druck auf das Material ausgeübt, wodurch die elektrischen Ladungen im Kristall aus dem Gleichgewicht geraten.Überschüssige negative und positive Ladungen erscheinen auf gegenüberliegenden Seiten der Kristallfläche.

  3. Die Metallplatte sammelt diese Ladungen, die zur Erzeugung einer Spannung und zum Senden eines elektrischen Stroms durch einen Stromkreis verwendet werden können.

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Das ist alles, eine einfache Anwendung von mechanischem Druck, das Zusammendrücken eines Kristalls und plötzlich haben Sie elektrischen Strom.Sie können auch das Gegenteil tun, indem Sie als umgekehrter piezoelektrischer Effekt ein elektrisches Signal auf ein Material anwenden.Es funktioniert so:

  1. In der gleichen Situation wie im obigen Beispiel haben wir einen piezoelektrischen Kristall zwischen zwei Metallplatten platziert.Die Struktur des Kristalls ist in perfekter Balance.

  2. Anschließend wird dem Kristall elektrische Energie zugeführt, wodurch sich die Struktur des Kristalls schrumpft und ausdehnt.

  3. Wenn sich die Struktur des Kristalls ausdehnt und zusammenzieht, wandelt er die empfangene elektrische Energie um und gibt mechanische Energie in Form einer Schallwelle ab.

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Der inverse piezoelektrische Effekt wird in verschiedenen Anwendungen genutzt.Nehmen wir zum Beispiel einen Lautsprecher, der eine Spannung an eine piezoelektrische Keramik anlegt, wodurch das Material die Luft in Form von Schallwellen vibrieren lässt.

Die Entdeckung der Piezoelektrizität

Die Piezoelektrizität wurde erstmals 1880 von zwei Brüdern und französischen Wissenschaftlern, Jacques und Pierre Curie, entdeckt.Bei Experimenten mit verschiedenen Kristallen stellten sie fest, dass die Anwendung von mechanischem Druck auf bestimmte Kristalle wie Quarz eine elektrische Ladung freisetzte.Sie nannten dies den piezoelektrischen Effekt.
In den nächsten 30 Jahren war die Piezoelektrizität größtenteils Laborexperimenten und der weiteren Verfeinerung vorbehalten.Erst im Ersten Weltkrieg wurde die Piezoelektrizität für praktische Anwendungen im Sonar eingesetzt.Beim Sonar wird eine Spannung an einen piezoelektrischen Sender angelegt.Hierbei handelt es sich um den inversen piezoelektrischen Effekt, der elektrische Energie in mechanische Schallwellen umwandelt.

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Die Schallwellen wandern durch das Wasser, bis sie auf ein Objekt treffen.Anschließend kehren sie zu einem Quellempfänger zurück.Dieser Empfänger nutzt den direkten piezoelektrischen Effekt, um Schallwellen in eine elektrische Spannung umzuwandeln, die dann von einem Signalverarbeitungsgerät verarbeitet werden kann.Anhand der Zeit zwischen dem Verlassen des Signals und seiner Rückkehr kann die Entfernung eines Objekts unter Wasser leicht berechnet werden.

Mit dem Erfolg des Sonars erlangte die Piezoelektrizität die eifrigen Augen des Militärs.Der Zweite Weltkrieg brachte die Technologie noch weiter voran, als Forscher aus den Vereinigten Staaten, Russland und Japan daran arbeiteten, neue künstliche piezoelektrische Materialien, sogenannte Ferroelektrika, herzustellen.Diese Forschung führte zu zwei künstlichen Materialien, die neben natürlichem Quarzkristall verwendet werden: Bariumtitanat und Bleizirkonat-Titanat.

Piezoelektrizität heute

In der heutigen Welt der Elektronik wird Piezoelektrizität überall eingesetzt.Wenn Sie Google nach dem Weg zu einem neuen Restaurant fragen, wird Piezoelektrizität im Mikrofon verwendet.In Tokio gibt es sogar eine U-Bahn, die die Kraft menschlicher Schritte nutzt, um piezoelektrische Strukturen im Boden anzutreiben.In diesen elektronischen Anwendungen kommt Piezoelektrizität zum Einsatz:

Aktuatoren

Aktoren nutzen Piezoelektrizität, um Geräte wie Strick- und Blindenschriftmaschinen, Videokameras und Smartphones anzutreiben.Bei diesem System ist ein piezoelektrisches Material zwischen einer Metallplatte und einer Aktuatorvorrichtung angeordnet.Anschließend wird Spannung an das piezoelektrische Material angelegt, wodurch es sich ausdehnt und zusammenzieht.Diese Bewegung bewirkt, dass sich auch der Aktuator bewegt.

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Lautsprecher und Summer

Lautsprecher nutzen Piezoelektrizität, um Geräte wie Wecker und andere kleine mechanische Geräte mit Strom zu versorgen, die hochwertige Audiofunktionen erfordern.Diese Systeme machen sich den inversen piezoelektrischen Effekt zunutze, indem sie ein Audiospannungssignal in mechanische Energie als Schallwellen umwandeln.

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Treiber

Treiber wandeln eine Niederspannungsbatterie in eine höhere Spannung um, die dann zum Antreiben eines Piezogeräts verwendet werden kann.Dieser Verstärkungsprozess beginnt mit einem Oszillator, der kleinere Sinuswellen ausgibt.Diese Sinuswellen werden dann mit einem Piezoverstärker verstärkt.

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Sensoren

Sensoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Mikrofonen, verstärkten Gitarren und medizinischen Bildgebungsgeräten.In diesen Geräten wird ein piezoelektrisches Mikrofon verwendet, um Druckschwankungen in Schallwellen zu erfassen, die dann zur Verarbeitung in ein elektrisches Signal umgewandelt werden können.

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Leistung

Eine der einfachsten Anwendungen der Piezoelektrizität ist der elektrische Zigarettenanzünder.Durch Drücken des Knopfes des Feuerzeugs wird ein federbelasteter Hammer in einen piezoelektrischen Kristall ausgelöst.Dadurch entsteht ein elektrischer Strom, der eine Funkenstrecke überquert, um Gas zu erhitzen und zu zünden.Das gleiche piezoelektrische Antriebssystem wird in größeren Gasbrennern und Backöfen verwendet.

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Motoren

Piezoelektrische Kristalle eignen sich perfekt für Anwendungen, die eine präzise Genauigkeit erfordern, wie beispielsweise die Bewegung eines Motors.Bei diesen Geräten empfängt das piezoelektrische Material ein elektrisches Signal, das dann in mechanische Energie umgewandelt wird, um eine Keramikplatte in Bewegung zu setzen.

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Piezoelektrizität und die Zukunft

Wie sieht die Zukunft der Piezoelektrizität aus?Die Möglichkeiten sind zahlreich.Eine beliebte Idee von Erfindern ist die Verwendung von Piezoelektrizität zur Energiegewinnung.Stellen Sie sich vor, Sie hätten piezoelektrische Geräte in Ihrem Smartphone, die durch eine einfache Bewegung Ihres Körpers aktiviert werden könnten, um sie aufgeladen zu halten.

Wenn man etwas größer denkt, könnte man auch ein piezoelektrisches System unter dem Straßenbelag einbetten, das durch die Räder fahrender Autos aktiviert werden kann.Diese Energie könnte dann für die Beleuchtung von Bremslichtern und anderen in der Nähe befindlichen Geräten genutzt werden.Kombinieren Sie das mit einer Straße voller Elektroautos, und Sie befinden sich in einer Situation mit positiver Nettoenergie.