دانلود مقاله مواد پيزو الكتريك با فرمت ورد ودر 18 صفحه قابل ویرایش

قسمتی از متن مقاله

چكيده1
مقدمه1
معرفي1
تاريخچه2
جنگ جهاني اول:3
جنگ جهاني دوم و پس از آن:3
اثر پيزوالكتريك4
ساختار5
نحوه ساخت5
فهرست قطعات:6
انواع7
piezo generators7
sensors8
piezo actuators8
transducers8
كاربرد9
حسگرها:9
مبدل اولتراسونيك:11
توليد برق:12
كنترل فعال و غير فعال ارتعاشات به وسيله پيزوالكتريك:13
نتیجه گیری13
منابع13

 قسمتی از متن مقاله

چكيده
مواد هوشمند، موادی هستند که با عملکردی هوشمندانه در مقابل تغییرات محیط می توانند مانند موجودات زنده، خود را با شرایط محیطی منطبق سازند. برخی از این مواد هر نوع خدشه و خرابی در ساختار خود را پیش بینی کرده و نقایص خود را برطرف می سازند. یک یا چند ویژگی این مواد مانند شکل، میزان سختی، فرکانس و رنگ آن‌ها در یک حالت کنترل شده یا تحت اثر محرک نیروی الکتریسیته یا میدان های مغناطیسی به صورت قابل توجهی تغییر می کند. که بهترین گونه شناخته شده این گونه مواد همان پیزوالکتریک ها بلاخص پیزو سرامیک ها هستند. اثر پیزوالکتریک بعنوان یک واکنش خطی – الکترومکانیکی بین دو حالت الکتریکی و مکانیکی در مواد عایق و بلورهایی که تقارن مرکزی ندارند، تعریف می شود. به عبارت دیگر اثر پیزوالکتریک قابلیت بعضی مواد برای تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی و بالعکس، است؛ که اولین بار در ۱۸۱۷ توسط کانی شناس فرانسوی گزارش شد. در این مقاله، به معرفی انواع مواد هوشمند و مواد پیزوالکتریک، ویژگی های آن‌ها و نیز کاربردهایشان می پردازیم و در پایان روابطی که بیانگر اثر پیزوالکتریک مستقیم و معکوس هستند را بیان خواهیم کرد.
مقدمه
امروزه، بحرانهای سیاسی، اقتصادی و مسائلی نظیر محدودیت دوام ذخایر فسیلی، نگرانیهای زیست محیطی، بارانهای اسیدی، گرمایش جهانی و غیره همگی مسائل جهانی هستند که با گستردگی تمام، فکر اندیشمندان را در یافتن راهکارهای مناسب در حل مناسب معضلات انرژی در جهان، به خصوص بحرانهای زیست محیطی، به خود مشغول داشته است. دسترسی کشورهای در حال توسعه به انواع منابع جدید انرژی، برای توسعه اقتصادی آنها اهمیت اساسی دارد و پژوهشهای جدید نشان داده است که بین سطح توسعه یک کشور و میزان مصرف انرژی آن، رابطه مستقیمی برقرار است. با توجه به ذخایر محدود انرژی فسیلی و افزایش سطح مصرف انرژی در جهان فعلی، دیگر نمیتوان به منابع موجود انرژی متکی بود. بیشتر کشورهای جهان به اهمیت و نقش منابع مختلف انرژی، به ویژه انرژیهای تجدید پذیر(نو) و پاک در تأمین نیازهای حال و آینده پیبرده و بهطور گسترده، در توسعه بهرهبرداری از این منابع، تحقیقات وسیع و سرمایهگذاریهای اصولی میکنند. یکی از این انرژی‌های پاک، انرژی الکتریسیته می‌باشد اما مسئله مهم نحوه تامین این انرژی است. یکی از راه‌های تامین این انرژی، استفاده از خاصیت پیزوالکتریک است که در این مقاله سعی شده است تا حدودی به توصیف آن پرداخته شود.
معرفي
پیزوالکتریک بار الكتريكي اي است که در مواد جامد مشخصی به علت فشار مکانیکی انباشته می‌شود (به ویژه در کریستال‌ها، بعضی سرامیک‌ها و مواد آلي مانند استخوان و پروتئين‌هاي مختلف). واژه پیزوالکتریک یعنی الکتریسیته‌ی ناشی از فشار که از لغت یونانی پیزو به معنای فشردن و الکترون به معنی کهربا (اولین مشاهدات مربوط به الکتریسیته مربوط به خاصیت باردار شدن کهربا در اثر مالش با سایر مواد بوده‌است و به همین دلیل مدت‌ها بعد جورج استوني واحد سازنده برق را الکترون نامید.) برگرفته شده‌است.
تاريخچه
اثر پيزوالكتريك در اواسط قرن هجدهم توسط كارل لينائوس و فرنز آپينوس مطالعه شد و با الهام از اين موضوع رنه جاست هاووي و آنتوني سزار بكورل ادعا كردند بين فشار مكانيكي و بار الكتريكي رابطه اي وجود دارد گرچه آزمايش هاي آن‌ها نتيجه‌ي قاطعي نداد.
اثر پيزوالكتريك در اواسط قرن هجدهم توسط كارل لينائوس و فرنز آپينوس مطالعه شد و با الهام از اين موضوع رنه جاست هاووي و آنتوني سزار بكورل ادعا كردند بين فشار مكانيكي و بار الكتريكي رابطه اي وجود دارد گرچه آزمايش هاي آن‌ها نتيجه‌ي قاطعي نداد.
اولین اثبات تجربی اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ توسط برادران پیری کیوری و جکوئیز کیوري انجام شد. آن‌ها دانششان را از پیروالکتریک با درکشان از ساختار کریستالی اساسی ترکیب کردند که منجر به پیش‌بینی رفتار کریستال‌ها شد و اثبات کردند كريستال‌هاي ترمالين، كوارتز، زبرجد هندي، نيشكر و پتاسيم سديم تارترات (نمك راشل) خاصيت پيزوالكتريك دارند. کوارتز و نمک راشل بیش‌ترین پیزوالکتریک را در خود انباشته می‌کنند. کیوری‌ها اثر پیزوالکتریک معکوس را پیش‌بینی نکردند، اثر معکوس با روابط ریاضی توسط گابریل لیپمان در سال ۱۸۸۱ از قوانین ترمودینامیک نتیجه شد. کیوری‌ها بلافاصله وجود اثر معکوس را تأیید کردند و به تحقیقات خود ادامه دادند تا اثبات کامل تغییر شکل الکتریک- الاستیکی- مکانیکی سرامیک‌های پیزوالکتریک را بدست آورد.
در چند دهه ‌ي بعد، پیزوالکتریک یک پدیده‌ي کمیاب آزمایشگاهی باقی ماند. کارهای بیش‌تری برای تعریف ساختار کریستال‌هایی که پیزوالکتریک را در خود ذخیره می‌کنند انجام شد که در سال ۱۹۱۰ با انتشار کتابی با موضوع فیزیک کریستال‌ها به اوج خود رسید که ۲۰ دسته‌ي کریستال طبیعی را که قابلیت ذخیره‌ي پیزوالکتریک داشتند، شرح داد و ثابت‌های پیزوالکتریک را با دقت زیاد توسط تحلیل‌ها و آمارهای کششی بدست آورد.
جنگ جهاني اول:
اولین استفاده‌ي عملي از دستگاه‌های پیزوالکتریک، سونار(دستگاه کاشف زير دريايي به وسیله‌ي امواج صوتی) بود که در جنگ جهانی اول توسعه پیدا کرد. در سال ۱۹۱۷ در فرانسه پائول لانگ وین و همکارانش روی یک آشکارگر ماوراء صوت کار کردند. دستگاه از یک مبدل ساخته شده بود که از کریستال‌های نازک کوارتز که با دقت بین دو صفحه‌ي نازک فولاد متصل شده بودند و یک هیدروفن (دستگاهی که اصوات زیر آب را ثبت می‌کند) برای شناسایی و بازگرداندن انعکاس صوت، تشکیل شده بود. با فرستادن صوت فرکانس بالا از مبدل و اندازه‌گیری مدت زمان رفت و برگشت صدا می‌توان فاصله تا شیء مورد نظر را اندازه‌گیری کرد.
استفاده‌ي موفقیت‌آمیز پیزوالکتریک در سونار موجب شد علاقه‌ي فزاینده‌ای در توسعه‌ي دستگاه‌های پیزوالکتریک ایجاد شود. در چند دهه‌ي بعد، مواد و کاربردهایی جدیدی از پیزوالکتریک کشف شد.
دستگاه‌های پیزوالکتریک در بسیاری از زمینه‌ها جا باز کردند. دستگاه ضبط صدای سرامیکی هم ارزان و هم دقیق بود و آسان‌تر ساخته می‌شد. پیشرفت مبدل‌های ماوراء صوت موجب شد سنجش گران‌روی و کشسانی در مایعات و جامدات آسان‌تر شود که نتیجه‌ي آن پیشرفتی عظیم در مطالعه بر روی مواد بود. بازتاب سنج‌های ماوراء صوت می‌توانستند ترک‌های فلزات را در ریخته‌گری بیابند که موجب افزایش ایمنی ساختار شد.
جنگ جهاني دوم و پس از آن:
در جریان جنگ جهانی دوم گروه‌های غیر مستقل پژوهش در ایالات متحده‌ي آمریکا، روسیه و ژاپن دسته‌ي جدیدی از مواد ساخت بشر را کشف کردند که فروالکتریک نام‌گذاری شد و خیلی بیش‌تر از مواد طبیعی پیزوالکتریک را ذخیره می‌کردند و موجب علاقه‌ای وافر در توسعه‌ي تیتانات باریم و بعدها ZrTiO3 با ویژگی‌هایی منحصربفرد شد.
یک نمونه‌ي مهم کاربرد پیزوالکتریک توسط آزمایشگاه‌های تلفن گراهام بل توسعه یافت. به دنبال جنگ جهانی اول فردریک بر روی تلفن بیسیم در دانشکده‌ي مهندسی مشغول به کار بود که باعث توسعه‌ي کریستال “AT cut” شد. کریستالی که در محدوده‌ي دمایی وسیعی مورد استفاده قرار می‌گرفت. این به لوازم فرعی سنگینی که کریستال قبلی نیاز داشت، نیاز نداشت. نتیجه‌ي آن تسهیل استفاده در صنایع هوایی بود. با استفاده از رادیو در صنعت، هواپیماها می‌توانستند حملات دسته جمعی هماهنگ انجام دهند.
پیشرفت دستگاه‌های پیزوالکتریک و علم مواد منحصراً در داخل کمپانی‌های توسعه دهنده نگهداری شد که بیش از همه به علت شروع جنگ همچنین برای محفوظ داشتن حق امتیاز بود. کریستال‌های کوارتز اولین موادی بودند که از آن‌ها بهره‌برداری شد، اما دانشمندان به دنبال موادی با کارایی عالی بودند. با وجود پیشرفت در علم مواد و کامل شدن فرایند تولید، بازار ایالات متحده به آن سرعت رشد نکرد. بدون بازار مصرف جدید، پیشرفت صنعت پیزوالکتریک ایالات متحده با مشکل جدی مواجه بود.
در مقابل تولیدکننده‌های ژاپنی اطلاعاتشان را به اشتراک گذاشتند و به سرعت، هم از نظر فنی و هم از نظر تولیدی در مسابقه پیروز شدند و بازارهای جدیدی برای محصولات خود به وجود آوردند. تلاش‌های ژاپنی‌ها در علم مواد موجب ساخت مواد پیزوالکتریک جدیدی شد که با ایالات متحده رقابت می‌کرد، اما بدون محدودیت گران حق امتیاز. بیش‌تر پیشرفت‌های ژاپنی‌ها در علم پیزوالکتریک شامل طراحی‌های جدید در صافی‌های پیزوسرامیک برای رادیوها، تلویزیون‌ها، پیزوبوزر‌ها (تولید صدای تیز و تند)، مبدل‌های صدا که می‌توانند مستقیماً به مدارهای الکتریکی متصل شوند و چاشنی‌های پیزوالکتریک که برای سیستم موتورهای کوچک (و بریان‌کن‌ها) جرقه تولید می‌کنند، بود. مبدل‌های ماوراء صوت که امواج را به هوا می‌فرستند مدت زیادی وجود داشتند اما اولین استفاده‌ي تجاری در کنترل‌های تلویزیون بود. امروزه این مبدل‌ها بر روی انواع مختلف ماشین‌ها به عنوان ردیاب کاربرد دارند و به راننده کمک می‌کنند فاصله‌ي عقب ماشین تا اجسامی که در سر راه آن قرار دارد را بفهمد.
اثر پيزوالكتريك
اثر پیزوالکتریک معکوس: همان طور كه بيان شد فشرده کردن یک ماده پیزوالکتریک، الکتریسیته (پیزوالکتریسیته) تولید می‌‌کند.