De wetenschap achter piezo-elektriciteit: Hoe het werkt en waarom het belangrijk is

De meeste moderne apparaten gebruiken piezo-elektriciteit als onderdeel van hun printplaten (PCB's). Je kwarts horloge heeft piezo-elektriciteit nodig voor tijdsregeling. Bovendien hebben microfoons en zelfs je geliefde Siri het nodig voor spraakherkenning. Maar hoe werkt piezo-elektriciteit? Alle piezo-elektrische materialen hebben unieke kenmerken. Deze kenmerken laten ze naadloos integreren met de meeste moderne technologieën voor een perfecte mix. In dit artikel geven we een complete gids over hoe piezo-elektriciteit werkt voor alledaags gebruik.

Hoe werkt piezo-elektriciteit

Piezo-elektriciteit mechanica illustratie.

Bron: https://www.audiowell.com/technology/187.html

Piezo-elektriciteit was een term geprägt door twee Franse wetenschappers, de broers Jacques en Pierre Curie. Na ontdekking dat druk uitoefenen op twee kwarts (of bepaalde kristallen) een elektrische lading creëert.

Piezo komt van het Griekse woord 'piezein', wat 'knijpen' of 'peren' betekent. Piezo-elektriciteit betekent dus 'knijpende elektriciteit'. Namelijk, twee kristallen samenperen om elektrische energie te maken. Het piezo-kristal helpt mechanische (geluids)energie om te zetten in elektriciteitssignalen die het elektriciteitsapparaat kan interpreteren.

Deze technologie is momenteel in snelle ontwikkeling. Veel bedrijven gebruiken dit fenomeen als basis voor geavanceerdere technologie. Bijvoorbeeld, de nieuwe keramische audio toon transducer is het kind van piezo-elektriciteit.

Wat is het piezo-elektrische effect?

Piezo-elektrisch effect illustratie.

Het piezo-elektrische effect is de capaciteit om twee specifieke materialen samen te knijpen om een elektrische stroom te maken. Het toepassen van mechanische spanning op deze materialen helpt een afwisselende negatieve en positieve lading op het materiaal te creëren, wat een actief elektrisch veld creëert.

Deze unieke eigenschap van piezo-elektriciteit is ook omkeerbaar. Materialen die een direct piezo-elektrisch effect tonen, kunnen ook een invers piezo-elektrisch effect vertonen.

Het inverse piezo-elektrische effect is nuttig in veel gebieden die betrokken zijn bij de productie, detectie en distributie van geluid. Ook microbalans, ontstekingsbron mechanica, elektronische frequentiegeneratie, productie van hoge spanningen, etc.

Direct piezo-elektrisch effect

Illustratie van piezo-elektrisch en converse piezo-elektrisch.

Bron:https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/article/leadfree-piezoceramics-status-and-perspectives/533F8B4F91B57A04C2E70D372D4627E5

Zoals eerder gezegd, produceert het samenperen van een piezo-elektrisch kristal piezo-elektriciteit.

In de illustratie, wanneer je een niet-geleidend piezo-elektrisch materiaal tussen twee metalen platen plaatst en ze samenperst of comprimeert, produceren ze een elektrische stroom. De metalen platen fungeren als overdrager van deze elektrische stroom.

De geproduceerde elektrische stroom creëert een stroom – bekend als het piezo-elektrische effect.

Invers piezo-elektrisch effect

Je creëert een invers piezo-elektrisch effect wanneer je een directe elektrische spanning aanlegt om een piezo-elektrisch materiaal te laten uitzetten of inkrimpen. Dit creëert een invers piezo-elektrisch effect – het omzetten van elektrische energie in mechanische energie.

Het benutten van deze methode helpt bij het maken van apparaten die akoestisch geluid produceren, zoals piezo-elektrische luidsprekers en piezo-elektrische microfoons. Dergelijke piezo-elektrische apparaten zijn heel functioneel omdat ze dun zijn en in diverse kleine apparaten passen. Hetzelfde principe geldt voor apparaten zoals sonar-transducers en medische echo's.

https://www.youtube.com/watch?v=P9Kod4q-8XM

Piezo-elektrische materialen

Verschillende materialen, zowel natuurlijke als kunstmatige, vertonen piezo-elektrische effecten. Wanneer je druk (mechanische spanning) uitoefent en deformeert door hoge spanning aan te leggen, produceren ze elektriciteit.

Als regel zijn deze materialen niet-geleidend. Dit is de enige manier waarop het piezo-elektrische effect kan optreden.

De piezo-elektrische materialen komen in twee hoofdcategorieën:

• Piezo-elektrisch kristal
• Piezo-elektrisch keramisch

Voorbeelden van natuurlijk voorkomende piezo-elektrische materialen: berliniet, kwarts, rochelle-zout, turmalijn, etc. Voorbeelden van kunstmatige piezo-elektrische materialen: lood-zirconaat-titaan (PZT), barium-titaan, rietsuiker, en lithium-niobaat.

In vergelijking met biologische materialen, zijn vervaardigde materialen effectiever en hebben een beter materiaalgebruik. Bijvoorbeeld, lood-zirconaat-titaan produceert een hogere spanning dan kwarts wanneer je dezelfde druk uitoefent, en dit geldt ook bij het aanleggen van een hoge stroom aan de twee materialen.

Piezo-elektrische Materialen

Toepassingen

Piezo-elektrische vonk generator brander op een gasfornuis brander

Tegenwoordig zijn piezo-elektrische transducers en sensor toepassingen overal. Er is waarschijnlijk piezo-elektrisch materiaal in elk apparaat op de markt.

Neem deze metro in Tokio, bijvoorbeeld. Het gebruikt het principe als alternatieve energiebron.

Hier zijn enkele typische alledaagse toepassingen van het piezo-elektrische principe.

Piezo Sensor

Piezo-elektrische sensoren converteren een fysieke afmeting in een kracht die werkt op twee tegenoverliggende gezichten van het sensorelement. In eenvoudige termen: de sensoren detecteren de drukvariaties die door geluid worden veroorzaakt.

Ze vereisen geen externe spanningsbron en werken om resultaten te genereren van de toegepaste druk.

Piezo-elektrische sensoren zijn gevoelig, wat ze perfect maakt voor hoge-frequentie geluidsapparaten zoals ultrasonische transducers voor medische imaging en industriële machine monitoring.

Hoofdkenmerken van piezo-elektrische sensoren:

• Eerst, hoge sterkte en dun in afmeting
• Tweedens, hoge mechanische sterkte
• Dan, hoge stabiliteit en elastische naleving
• Daarnaast, wijd frequentiebereik
• Ook, impactweerstand
• Ten slotte, hoge uitgangsspanning

Hoge spanning en energiebronnen

Sigarettenaansteker met het piezo-elektrische principe

Dit is de meest populaire praktische toepassing van het piezo-elektrische principe. De beste voorbeelden zijn gasgrills en elektrische sigarettenaansteekers. Je drukt op een knop, en een veer-gehamer slaat een piezo-elektrisch kristal. Dit produceert een voldoende vonk die een elektrische lading veroorzaakt om het gas te ontbranden.

Motoren

Het hoofdbepaal van het piezo-elektrische effect is de minieme verandering in corresponde met hoge-spannings toepassingen – wat het perfect maakt voor gebruik met extreme nauwkeurigheid in positionering.

Daarom hebben piezo-elektrische motoren veel voordelen ten opzichte van conventionele elektromagnetische motoren. Daarnaast leveren ze grotere kracht en koppel ondanks dat ze doorgaans kleiner en compactder zijn.

Daarnaast beïnvloeden elektromagnetische velden de prestaties van piezo-elektrische apparaten niet, wat ze beter maakt voor snelle start en stop.

Piezo-elektrische actuatoren

Piezo-elektrische actuator illustratie.

Bron: https://www.mdpi.com/1996-1073/13/11/2866

Actuatoren benutten het inverse piezo-elektrische effect om apparaten zoals braille- en breimachines aan te drijven. In het actuatorsysteem zit een piezo-elektrisch materiaal tussen een metalen plaat en een actuatorapparaat.

Het aanleggen van een hoge spanning in dit systeem zorgt ervoor dat het piezo-elektrische materiaal op intervallen uitzet en inkrimpt, wat de actuator ritmisch laat bewegen.

Deze actuatoren zijn nuttig, vooral in apparaten die nauwkeurige positionering vereisen, zoals spiegels in satellieten. Ook, door hun eenvoudige ontwerp en minimale bewegende delen, zijn ze geweldig voor geminiaturiseerde apparaten zoals videocamera's en mobiele telefoons.

Voor- en nadelen van piezo-elektriciteit

Ondanks alle lof, heeft piezo-elektriciteit ook beperkingen. Hier zijn de belangrijkste voor- en nadelen.

Piezo-elektrische generatoren

Een piezo-elektrische generator (ook bekend als PEGs) gebruikt piezo-sensoren om mechanische energie om te zetten in elektrische energie zonder fysieke rotatie – typisch voor traditionele generatoren. Als zodanig komen piezo-elektrische generatoren in kleine, compacte en heel beheersbare formaten.

In deze generatie zijn piezo-elektrische generatoren een welkome doorbraak in energieopwekking. Hoewel nog niet gerealiseerd, bezitten ze de kracht om de droom van zelf-gevoede draadloze elektronische apparaten werkelijkheid te maken.

Het kan nog lang duren voordat we deze droom realiseren; piezo-elektrische generatoren hebben zich echter als betrouwbare, stabiele en hoogst duurzame energiebronnen bewezen. Experts geloven dat het niet lang meer duurt voordat piezo-elektrische generatoren een groot deel van onze energiebehoefte kunnen vervangen.

Piezo-elektrische generatoren – Voordelen en beperkingen

Voordelen

• Allereerst, veelzijdig in formaat. Vanwege hun unieke kenmerken komen piezo-elementen in hoogst flexibele formaten en ontwerpen. Ze kunnen zo plat zijn als je ze nodig hebt om in elk miniatuur apparaat te passen.

Tweedens, piezo-elementen oogsten energie die anders verspild zou gaan. Bijvoorbeeld, een piezo-motor bevestigd aan een voetbrug verzamelt de trillingen van het loopwerk en zet het om in elektrische energie. Dit werkt als alternatieve energiebron en als manier om milieu-lawaai te verminderen.

Beperkingen

• Ze hebben beperkte vermogensuitgang. Een piezo-elektrische generator heeft constante trillingen nodig om constant vermogen te genereren. Het gegenereerde vermogen is direct evenredig met de toegepaste spanning. Je kunt de uitgang verhogen door meerdere piezo-elementen op te stapelen. Na een bepaald punt zijn er echter afnemende opbrengsten, omdat het systeem meer druk nodig heeft om te werken.

Conclusie

Hoe werkt piezo-elektriciteit? Samengevat: piezo-elektrische materialen kunnen gemakkelijk mechanische energie omzetten in elektrische energie. De unieke kenmerken van deze materialen maken ze hoogst nuttig in veel technologiegebieden. Vooral gebieden die nauwkeurige positionering vereisen.

De toepassingen van piezo-elektrische technologie zijn grenzenloos, en er zijn veel mogelijkheden om te verkennen. Tech-fabrikanten zoals WellPCB staan aan de frontlijn van het integreren van deze technologie in alledaags gebruik.