لدينا مواد محددة مناسبة لتطبيقات الكهرباء الانضغاطية ، ولكن كيف تعمل العملية بالضبط؟مع تأثير كهرضغطية.الميزة الأكثر تميزًا لهذا التأثير هي أنه يعمل بطريقتين.يمكنك تطبيق الطاقة الميكانيكية أو الطاقة الكهربائية على نفس المادة الكهروإجهادية والحصول على نتيجة معاكسة.
يُطلق على تطبيق الطاقة الميكانيكية على البلورة تأثير كهرضغطية مباشر ويعمل على النحو التالي:
-
يتم وضع بلورة كهرضغطية بين لوحين معدنيين.في هذه المرحلة تكون المادة في حالة توازن مثالي ولا تنقل تيارًا كهربائيًا.
-
ثم يتم تطبيق الضغط الميكانيكي على المادة عن طريق الصفائح المعدنية ، مما يفرض الشحنات الكهربائية داخل البلورة خارج التوازن.تظهر الشحنات السالبة والموجبة الزائدة على جانبي الوجه البلوري.
-
تجمع اللوحة المعدنية هذه الشحنات ، والتي يمكن استخدامها لإنتاج جهد كهربائي وإرسال تيار كهربائي عبر دائرة.
-
هذا كل شيء ، تطبيق بسيط للضغط الميكانيكي ، ضغط بلورة وفجأة يكون لديك تيار كهربائي.يمكنك أيضًا القيام بالعكس ، من خلال تطبيق إشارة كهربائية على مادة ما كتأثير كهرضغطية معكوس.يعمل مثل هذا:
-
في نفس الموقف كما في المثال أعلاه ، لدينا بلورة كهرضغطية موضوعة بين لوحين معدنيين.هيكل الكريستال في توازن مثالي.
-
ثم يتم تطبيق الطاقة الكهربائية على البلورة ، والتي تقلص وتوسع هيكل البلورة.
-
عندما يتمدد هيكل البلورة ويتقلص ، فإنه يحول الطاقة الكهربائية المستلمة ويطلق الطاقة الميكانيكية على شكل موجة صوتية.
-
يتم استخدام التأثير الكهروإجهادي العكسي في مجموعة متنوعة من التطبيقات.خذ مكبر الصوت على سبيل المثال ، والذي يطبق جهدًا على سيراميك كهرضغطية ، مما يجعل المادة تهتز الهواء على شكل موجات صوتية.
اكتشاف الكهرباء الانضغاطية
تم اكتشاف الكهرباء الانضغاطية لأول مرة في عام 1880 من قبل شقيقين وعالمين فرنسيين ، جاك وبيير كوري.أثناء تجربة مجموعة متنوعة من البلورات ، اكتشفوا أن الضغط الميكانيكي على بلورات معينة مثل الكوارتز يطلق شحنة كهربائية.أطلقوا على هذا التأثير الكهرضغطية.
شهدت السنوات الثلاثين التالية كهربيضغطية محجوزة إلى حد كبير للتجارب المعملية والمزيد من الصقل.لم يكن الأمر كذلك حتى الحرب العالمية الأولى عندما تم استخدام الكهرباء الانضغاطية للتطبيقات العملية في السونار.يعمل السونار عن طريق توصيل الجهد بجهاز إرسال كهرضغطية.هذا هو التأثير العكسي الكهرضغطية في العمل ، والذي يحول الطاقة الكهربائية إلى موجات صوتية ميكانيكية.
تنتقل الموجات الصوتية عبر الماء حتى تصطدم بجسم ما.ثم يعودون إلى جهاز استقبال المصدر.يستخدم هذا المستقبل التأثير الكهرضغطية المباشر لتحويل الموجات الصوتية إلى جهد كهربائي ، والذي يمكن معالجته بعد ذلك بواسطة جهاز معالجة الإشارة.باستخدام الوقت بين مغادرة الإشارة وعودتها ، يمكن بسهولة حساب مسافة الجسم تحت الماء.
مع نجاح السونار ، اكتسبت الكهرباء الانضغاطية أعين الجيش المتلهفة.طورت الحرب العالمية الثانية التكنولوجيا إلى أبعد من ذلك حيث عمل باحثون من الولايات المتحدة وروسيا واليابان على تصنيع مواد كهرضغطية جديدة من صنع الإنسان تسمى ferroelectrics.أدى هذا البحث إلى مادتين من صنع الإنسان تستخدمان جنبًا إلى جنب مع بلورات الكوارتز الطبيعية ، والتيتانات الباريوم ، وتيتانات الزركونات الرصاصية.
الكهرباء الانضغاطية اليوم
في عالم الإلكترونيات الكهربائية الانضغاطية تُستخدم في كل مكان.طلب توجيهات لمطعم جديد من Google يستخدم الكهرباء الانضغاطية في الميكروفون.حتى أن هناك مترو أنفاق في طوكيو يستخدم قوة خطى الإنسان لتشغيل الهياكل الكهروضغطية في الأرض.ستجد الكهرباء الانضغاطية المستخدمة في هذه التطبيقات الإلكترونية:
المحركات
تستخدم المحركات الكهربائية الانضغاطية لتشغيل أجهزة مثل آلات الحياكة وطريقة برايل وكاميرات الفيديو والهواتف الذكية.في هذا النظام ، تقوم لوحة معدنية وجهاز مشغل بتجميع مادة كهرضغطية.ثم يتم تطبيق الجهد على المادة الكهرضغطية ، والتي تتوسع وتتقلص.تؤدي هذه الحركة إلى تحريك المشغل أيضًا.
مكبرات الصوت والطنين
تستخدم مكبرات الصوت الكهربائية الانضغاطية لتشغيل الأجهزة مثل المنبهات والأجهزة الميكانيكية الصغيرة الأخرى التي تتطلب قدرات صوتية عالية الجودة.تستفيد هذه الأنظمة من التأثير الكهروضغطي العكسي عن طريق تحويل إشارة الجهد الصوتي إلى طاقة ميكانيكية كموجات صوتية.
السائقين
يقوم السائقون بتحويل بطارية الجهد المنخفض إلى جهد أعلى يمكن استخدامه بعد ذلك لقيادة جهاز بيزو.تبدأ عملية التضخيم هذه بمذبذب ينتج موجات جيبية أصغر.ثم يتم تضخيم هذه الموجات الجيبية بمضخم بيزو.
مجسات
تُستخدم المستشعرات في مجموعة متنوعة من التطبيقات مثل الميكروفونات والقيثارات المضخمة ومعدات التصوير الطبي.يتم استخدام ميكروفون كهرضغطية في هذه الأجهزة لاكتشاف تغيرات الضغط في الموجات الصوتية ، والتي يمكن تحويلها بعد ذلك إلى إشارة كهربائية للمعالجة.
قوة
من أبسط تطبيقات الكهرباء الانضغاطية ولاعة السجائر الكهربائية.يؤدي الضغط على زر الولاعة إلى إطلاق مطرقة بنابض في بلورة كهرضغطية.ينتج عن هذا تيار كهربائي يعبر فجوة شرارة لتسخين الغاز وإشعاله.يتم استخدام نفس نظام الطاقة الكهروإجهادية في مواقد الغاز الكبيرة ونطاقات الفرن.
المحركات
البلورات الكهرضغطية مثالية للتطبيقات التي تتطلب دقة دقيقة ، مثل حركة المحرك.في هذه الأجهزة ، تستقبل المادة الكهرضغطية إشارة كهربائية ، والتي يتم تحويلها بعد ذلك إلى طاقة ميكانيكية لإجبار صفيحة خزفية على التحرك.
الكهرباء الانضغاطية والمستقبل
ماذا يحمل المستقبل للكهرباء الانضغاطية؟الاحتمالات كثيرة.إحدى الأفكار الشائعة التي يطرحها المخترعون هي استخدام الكهرباء الانضغاطية لتجميع الطاقة.تخيل وجود أجهزة كهرضغطية في هاتفك الذكي يمكن تنشيطها من خلال حركة بسيطة لجسمك لإبقائها مشحونة.
بالتفكير بشكل أكبر قليلاً ، يمكنك أيضًا تضمين نظام كهرضغطية أسفل رصيف الطريق السريع يمكن تنشيطه بواسطة عجلات السيارات المتنقلة.يمكن بعد ذلك استخدام هذه الطاقة كشافات ضوئية وأجهزة أخرى قريبة.أضف إلى ذلك طريق مليء بالسيارات الكهربائية وستجد نفسك في حالة طاقة إيجابية.
