Šajā emuāra ierakstā mēs aplūkosim, kā darbojas pjezoelektriskie materiāli, un to izmantošanas piemērus ikdienas dzīvē, lai saprastu, kāpēc šī tehnoloģija piesaista uzmanību kā nākotnes videi draudzīgs enerģijas avots.

Pjezoelektrisko materiālu pamatprincipi

Zemāk redzamajā fotoattēlā pūš maiga vēsma. Pļavas zāle šūpojas vējā, un starp zāli šūpojas arī unikāls koks. Pie koka ir pievienoti vadi, un šie vadi ir savienoti ar akumulatoru, lai to uzlādētu. Nav spēcīga vēja vai sarežģītu mehānismu, bet no koka tiek ražota elektrība. Šo koku sauc par "pjezo koku". Princips, kāpēc šis pjezo koks ģenerē elektrību, izriet no "pjezoelektrības".
Vārds “pjezoelektrība” ir atvasināts no grieķu vārda “piezein”, kas nozīmē “spiest”. Vārds “elektrība” nozīmē elektrību, tāpēc vārdu “pjezoelektrība” var interpretēt kā “elektrību, kas ražota, presējot”. Citiem vārdiem sakot, pjezoelektrība ir parādība, kad, pieliekot mehānisku spēku vai deformāciju, rodas elektrība, un objektus ar šo īpašību sauc par pjezoelektriskiem materiāliem. Savukārt, kad pjezoelektriskam materiālam tiek pielikta elektrība, notiek mehāniska deformācija, ko sauc par “sekundāro pjezoelektrisko efektu” vai “apgriezto pjezoelektrisko efektu”.

Pjezoelektrisko materiālu atklāšana un vēsture

Pjezoelektrisko efektu pirmo reizi atklāja 1880. gadā Pjērs Kirī un Žaks Kirī. Brāļi eksperimentāli pierādīja, ka dažos materiālos, reaģējot uz temperatūras izmaiņām, rodas elektriskie signāli. Nākamajā gadā, 1881. gadā, Gabriels Lipmans matemātiski secināja šo parādību, un brāļiem Kirī izdevās aritmētiski aprēķināt elektriskās izmaiņas pjezoelektriskajos kristālos.
Līdz 1910. gadam pjezoelektriskie kristāli bija klasificēti aptuveni 20 veidos, pamatojoties uz to materiālu īpašībām, un, pamatojoties uz šo klasifikāciju, tika iegūtas pjezoelektriskās konstantes, lai norādītu materiālu pjezoelektriskā efekta pakāpi.

Pjezoelektriskā efekta princips

Pjezoelektrisko efektu izraisa materiālā esošie elektriskie dipoli. Lielākā daļa materiālu ir elektriski neitrāli, taču dažiem materiāliem ir pozitīvie un negatīvie lādiņi, kas ir nedaudz nepareizi izlīdzināti, veidojot elektriskos dipolus. Kad šie elektriskie dipoli tiek pakļauti mehāniskam spēkam, mainās kristāla struktūra, izraisot elektriskā lauka izmaiņas. Šīs struktūras izmaiņas izraisa pjezoelektrisko efektu.

Pjezoelektrisko materiālu veidi

Materiāli ar pjezoelektriskām īpašībām ir atrodami dažādās jomās, piemēram, metālu, keramikas un polimēru ražošanā. Visplašāk pazīstams ir materiāls, ko sauc par svina cirkonāta titanātu (PZT), kura kristāliskā struktūra sastāv no metāla, skābekļa, cirkonija vai titāna. Kad centrālais atoms pārvietojas ārēja spēka ietekmē, tas veido elektrisko dipolu, kas izraisa pjezoelektrisko efektu.
Starp polimēriem polivinilidēnfluorīdam (PVDF) piemīt arī pjezoelektriskas īpašības. Salīdzinot ar metāliem un keramiku, polimēru materiāli ir viegli un viegli apstrādājami, piedāvājot plašu pielietojumu klāstu. Tomēr tiem ir trūkums – mazāka izturība, un tiek veikti pētījumi, lai to uzlabotu.

Pjezoelektrisko materiālu pielietojumi

Pjezoelektriskie materiāli ir bieži sastopami ikdienas dzīvē. Visraksturīgākais piemērs ir elektriskās šķiltavas. Nospiežot šķiltavas atsperes pogu, neliels āmuriņš iekšpusē ietriecas pjezoelektriskajā materiālā, radot dzirksteli, kas aizdedzina gāzi šķiltavā. Vēl viens piemērs ir sensori. Pjezoelektriskie materiāli var pārveidot skaņas viļņus elektriskos signālos un tiek izmantoti mikrofonos un nesagraujošās testēšanas iekārtās medicīniskiem nolūkiem.

Jauni pētījumi un pjezoelektrisko materiālu potenciālie pielietojumi

Nesen pjezoelektrisko materiālu potenciālie pielietojumi ir paplašinājušies dažādās jomās. Jo īpaši tiek sagaidīts, ka pjezoelektriskajiem materiāliem būs svarīga loma valkājamās ierīcēs un lietu interneta (IoT) ierīcēs. Viedie apģērbi un aksesuāri, kuros izmantoti pjezoelektriski materiāli, var pārveidot lietotāja fizisko aktivitāšu radītās sīkās vibrācijas elektrībā, lai uzlādētu vai darbinātu mazjaudas sensorus un ierīces. Piemēram, tiek izstrādāta tehnoloģija viedpulksteņu un veselības uzraudzības ierīču uzlādēšanai, izmantojot vibrācijas, kas rodas fiziskās slodzes laikā.
Turklāt pjezoelektriskiem materiāliem var būt liela nozīme vides monitoringa sistēmās. Sensori, kas aprīkoti ar pjezoelektriskās enerģijas ražošanas tehnoloģiju, var darboties daļēji pastāvīgi bez ārēja enerģijas avota un tos var izmantot meža ugunsgrēku atklāšanas un gaisa piesārņojuma noteikšanas sensoros. Šādas tehnoloģijas var būt videi draudzīgs risinājums, kas var nepārtraukti darboties apgabalos ar ierobežotiem enerģijas resursiem, kā arī novērst dabas katastrofas.
Pjezoelektrisko materiālu pētījumiem būs svarīga loma ilgtspējības un energoefektivitātes uzlabošanā, un paredzams, ka nākotnē tie parādīs savu potenciālu daudzās citās lietojumprogrammās.

Pjezoelektrisko materiālu ierobežojumi un nākotne

Pjezoelektriskajiem materiāliem ir ierobežojumi, kas padara tos nepiemērotus liela mēroga enerģijas ražošanai, piemēram, saules vai vēja enerģijai. Tomēr tiem ir liels potenciāls tādās jomās kā mazu elektronisko ierīču un sensoru barošanas avoti. Jo īpaši tiek sagaidīts, ka pjezoelektriskie materiāli kļūs par galveno tehnoloģiju viedpilsētām un automatizētām sistēmām.
Pašlaik aktīvi notiek pētījumi, lai izstrādātu somas un apavus, kuros tiek izmantoti pjezoelektriski materiāli viedtālruņu uzlādēšanai ar cilvēka kustību palīdzību, un, tiklīdz šīs tehnoloģijas tiks komercializētas, tās tiks plašāk izmantotas ikdienas dzīvē.