ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет - ასტრონომიული ინტერფერომეტრი
ESO- ს VLT ინტერფერომეტრმა ახალგაზრდა ვარსკვლავის გარშემო არსებული დისკოს პირველი დეტალური გამოსახულება გადაიღო.
ასტრონომიული ინტერფერომეტრი ან ტელესკოპების მასივი არის ცალკეული ტელესკოპების , სარკისებრი სეგმენტების ან რადიოტელესკოპების ანტენების ნაკრები , რომლებიც ერთად მუშაობენ როგორც ერთი ტელესკოპი, რათა ინტერფერომეტრიის საშუალებით უზრუნველყონ ასტრონომიული ობიექტების, როგორიცაა ვარსკვლავები , ნისლეულები და გალაქტიკები, უფრო მაღალი გარჩევადობის გამოსახულებები . ამ ტექნიკის უპირატესობა ის არის, რომ თეორიულად მას შეუძლია შექმნას გამოსახულებები უზარმაზარი ტელესკოპის კუთხური გარჩევადობით , რომლის აპერტურა ტოლია შემადგენელ ტელესკოპებს შორის დაშორების, რომელსაც საბაზისო ხაზი ეწოდება . მთავარი ნაკლი ის არის, რომ ის არ აგროვებს იმდენ სინათლეს, რამდენსაც მთელი ინსტრუმენტის სარკე. ამრიგად, ის ძირითადად სასარგებლოა უფრო კაშკაშა ასტრონომიული ობიექტების, როგორიცაა ახლომდებარე ორმაგი ვარსკვლავები , ზუსტი გარჩევადობისთვის . კიდევ ერთი ნაკლი ის არის, რომ აღმოსაჩენი ემისიის წყაროს მაქსიმალური კუთხური ზომა შემოიფარგლება კოლექტორის მასივში დეტექტორებს შორის მინიმალური უფსკრულით.
ინტერფერომეტრია ყველაზე ფართოდ გამოიყენება რადიოასტრონომიაში , რომლის დროსაც ცალკეული რადიოტელესკოპებიდან მიღებული სიგნალები გაერთიანებულია. მაღალი გარჩევადობის გამოსახულების შესაქმნელად გამოიყენება მათემატიკური სიგნალის დამუშავების ტექნიკა, რომელსაც აპერტურული სინთეზი ეწოდება. ძალიან გრძელი საბაზისო ინტერფერომეტრიის (VLBI) დროს ათასობით კილომეტრით დაშორებული რადიოტელესკოპები გაერთიანებულია რადიოინტერფერომეტრის შესაქმნელად, რომლის გარჩევადობაც ათასობით კილომეტრის დიამეტრის მქონე ჰიპოთეტური ერთი ანტენით იქნებოდა მიღებული. ინფრაწითელ და ოპტიკურ ასტრონომიაში გამოყენებულ უფრო მოკლე ტალღის სიგრძეებზე ცალკეული ტელესკოპებიდან მიღებული სინათლის გაერთიანება უფრო რთულია, რადგან სინათლე უნდა შენარჩუნდეს თანმიმდევრული ტალღის სიგრძის მცირე ნაწილში გრძელი ოპტიკური ტრაექტორიების განმავლობაში, რაც მოითხოვს ძალიან ზუსტ ოპტიკას. პრაქტიკული ინფრაწითელი და ოპტიკური ასტრონომიული ინტერფერომეტრები მხოლოდ ახლახანს შემუშავდა და ასტრონომიული კვლევის სათავეშია. ოპტიკურ ტალღის სიგრძეებზე, აპერტურული სინთეზი საშუალებას იძლევა გადალახოს ატმოსფერული ხედვის გარჩევადობის ზღვარი, რაც საშუალებას აძლევს კუთხურ გარჩევადობას მიაღწიოს ოპტიკის დიფრაქციულ ზღვარს .ასტრონომიულ ინტერფერომეტრებს შეუძლიათ უფრო მაღალი გარჩევადობის ასტრონომიული გამოსახულებების მიღება, ვიდრე ნებისმიერი სხვა ტიპის ტელესკოპი. რადიოტალღის სიგრძეებზე მიღებულია რამდენიმე მიკრორკალწამის ( ათეული პიკორადიანი) გამოსახულების გარჩევადობა, ხოლო ხილულ და ინფრაწითელ ტალღის სიგრძეებზე მიღწეულია ასობით მიკრორკალწამის (რამდენიმე ნანორადიანის) გამოსახულების გარჩევადობა.
ასტრონომიული ინტერფერომეტრის ერთ-ერთი მარტივი განლაგება სარკის ნაწილების პარაბოლური განლაგებაა, რაც ნაწილობრივ სრულყოფილ ამრეკლავ ტელესკოპს იძლევა , მაგრამ „გაფანტული“ ან „განზავებული“ აპერტურით. სინამდვილეში, სარკეების პარაბოლური განლაგება მნიშვნელოვანი არ არის, სანამ ასტრონომიული ობიექტიდან სხივის შემაერთებელამდე (ფოკუსამდე) ოპტიკური გზის სიგრძე იგივეა, რაც სრული სარკის შემთხვევაში იქნებოდა მოცემული. ამის ნაცვლად, არსებული მასივების უმეტესობა ბრტყელ გეომეტრიას იყენებს, ხოლო ლაბერის ჰიპერტელესკოპში სფერული გეომეტრია იქნება გამოყენებული.
ჯონსონმა, ბეცმა და ტაუნსმა (1974) ინფრაწითელ დიაპაზონში და ლაბერიმ (1975) ხილულ დიაპაზონში ოპტიკური/ინფრაწითელი ინტერფერომეტრია გააფართოვეს ცალკეული ტელესკოპების გამოყენებით გაზომვებამდე. 1970-იანი წლების ბოლოს კომპიუტერული დამუშავების გაუმჯობესებამ შესაძლებელი გახადა პირველი „ფრინჯ-თრექინგის“ ინტერფერომეტრის შექმნა, რომელიც საკმარისად სწრაფად მუშაობს ასტრონომიული ხედვის დაბინდვის ეფექტების თვალყურის დევნებისთვის , რამაც განაპირობა ინტერფერომეტრების Mk I, II და III სერიები. მსგავსი ტექნიკა ამჟამად გამოიყენება სხვა ასტრონომიული ტელესკოპების მასივებზე, მათ შორის კეკის ინტერფერომეტრსა და პალომარის სატესტო ინტერფერომეტრზე .
ESO /NAOJ/NRAO ALMA-ს სამშენებლო მოედნის აერო ხედი .
ასტრონომიული ინტერფერომეტრია ძირითადად ტარდება მიკელსონის (და ზოგჯერ სხვა ტიპის) ინტერფერომეტრების გამოყენებით. ამ ტიპის ინსტრუმენტებს იყენებენ ძირითადი ოპერატიული ინტერფერომეტრიული ობსერვატორიები, მათ შორის VLTI , NPOI და CHARA .
საზღვაო ძალების ზუსტი ოპტიკური ინტერფერომეტრი (NPOI) , 437 მა-ზე დაფუძნებული ოპტიკური/ახლო ინფრაწითელი, 6-სხივიანი მიკელსონის ინტერფერომეტრი, რომელიც მდებარეობს 2163 მეტრის სიმაღლეზე ანდერსონ მესაზე, ჩრდილოეთ არიზონაში, აშშ. 2013 წლიდან კიდევ ოთხი 1.8 მეტრიანი ტელესკოპის მონტაჟი იგეგმება.სამი ESO VLT დამხმარე ტელესკოპის მიერ შეგროვებული სინათლე და ინტერფერომეტრიის ტექნიკის გამოყენებით გაერთიანებული.ეს სურათი ასახავს ძალიან დიდი ტელესკოპის ინტერფერომეტრის (VLTI) ვარსკვლავური გამყოფების სახელით ცნობილი დახვეწილი ოპტიკური და მექანიკური სისტემების სერიიდან ერთ-ერთს.
ევროპის სამხრეთული ობსერვატორიის (ESO) ინჟინრებმა ძალიან დიდი ტელესკოპი VLT ისე დააპროექტეს, რომ მისი გამოყენება ინტერფერომეტრადაც იყოს შესაძლებელი. ოთხ 8.2 მეტრიან (320 ინჩი) ერთეულ ტელესკოპთან ერთად, VLT-ის საერთო კონცეფციაში ძალიან დიდი ტელესკოპის ინტერფერომეტრის (VLTI) შესაქმნელად ოთხი მობილური 1.8 მეტრიანი დამხმარე ტელესკოპი (AT) შევიდა. AT-ებს 30 სხვადასხვა სადგურს შორის გადაადგილება შეუძლიათ და ამჟამად, ინტერფერომეტრიისთვის ტელესკოპებს ორი ან სამი ადამიანისგან შემდგარი ჯგუფების შექმნა შეუძლიათ.
ინტერფერომეტრიის გამოყენებისას, სარკეების რთული სისტემა სხვადასხვა ტელესკოპიდან სინათლეს ასტრონომიულ ინსტრუმენტებამდე მიჰყავს, სადაც ის გაერთიანებული და დამუშავებულია. ეს ტექნიკურად მომთხოვნია, რადგან სინათლის ბილიკები რამდენიმე ასეული მეტრის მანძილზე 1/1000 მმ-ის (სინათლის ტალღის სიგრძის იგივე რიგის) ტოლი უნდა იყოს. ერთეული ტელესკოპებისთვის ეს იძლევა 130 მეტრამდე (430 ფუტი) ეკვივალენტურ სარკის დიამეტრს, ხოლო დამხმარე ტელესკოპების გაერთიანებისას შესაძლებელია 200 მეტრამდე (660 ფუტი) ეკვივალენტური სარკის დიამეტრის მიღწევა. ეს 25-ჯერ უკეთესია, ვიდრე ერთი VLT ერთეული ტელესკოპის გარჩევადობა.
VLTI ასტრონომებს საშუალებას აძლევს, ციური ობიექტები უპრეცედენტო დეტალებით შეისწავლონ. შესაძლებელია ვარსკვლავების ზედაპირზე დეტალების დანახვა და შავი ხვრელის მახლობლად გარემოს შესწავლაც კი. 4 მილირკწამის სივრცითი გარჩევადობით, VLTI-მ ასტრონომებს საშუალება მისცა, მიეღოთ ვარსკვლავის ერთ-ერთი ყველაზე მკვეთრი გამოსახულება. ეს ეკვივალენტურია ხრახნის თავის 300 კმ (190 მილი) მანძილზე გარჩევადობისა.
ატაკამის დიდი მილიმეტრიული/სუბმილიმეტრიული მასივის ( ALMA ) ორი 12-მეტრიანი ანტენა ცას უყურებს ობსერვატორიის მასივის ოპერაციების ობიექტზე (AOS), რომელიც ჩილეს ანდებში, 5000 მეტრის სიმაღლეზე, ჩაინანტორის პლატოზე მდებარეობს.
ჩილეს ანდებში, ჩაინანტის პლატოზე, ევროპის სამხრეთული ობსერვატორია (ESO), თავის საერთაშორისო პარტნიორებთან ერთად, აშენებს ALMA-ს, რომელიც შეაგროვებს გამოსხივებას სამყაროს ყველაზე ცივი ობიექტებიდან. ALMA იქნება ახალი დიზაინის ერთიანი ტელესკოპი, რომელიც თავდაპირველად შედგება 66 მაღალი სიზუსტის ანტენისგან და იმუშავებს 0.3-დან 9.6 მმ-მდე ტალღის სიგრძეზე. მის მთავარ 12 მეტრიან მასივს ექნება ორმოცდაათი ანტენა, 12 მეტრი დიამეტრის, რომლებიც ერთად იმოქმედებენ როგორც ერთიანი ტელესკოპი - ინტერფერომეტრი. ამას შეავსებს ოთხი 12 მეტრიანი და თორმეტი 7 მეტრიანი ანტენის დამატებითი კომპაქტური მასივი. ანტენების გაშლა შესაძლებელია უდაბნოს პლატოზე 150 მეტრიდან 16 კილომეტრამდე მანძილზე, რაც ALMA-ს მისცემს ძლიერ ცვლად „ზუმს“. მას შეეძლება სამყაროს შესწავლა მილიმეტრული და სუბმილიმეტრული ტალღის სიგრძეებზე უპრეცედენტო მგრძნობელობითა და გარჩევადობით, ჰაბლის კოსმოსური ტელესკოპის გარჩევადობაზე ათჯერ მეტით და შეავსებს VLT ინტერფერომეტრით გადაღებულ სურათებს.
მარტივი ორელემენტიანი ოპტიკური ინტერფერომეტრი. ორი პატარა ტელესკოპიდან (ნაჩვენებია როგორც ლინზები ) გამომავალი სინათლე გაერთიანებულია სხივის გამყოფების გამოყენებით დეტექტორებზე 1, 2, 3 და 4. ელემენტები, რომლებიც ქმნიან სინათლეში 1/4 ტალღის დაყოვნებას, საშუალებას იძლევა გაიზომოს ინტერფერენციის ხილვადობის ფაზა და ამპლიტუდა , რაც იძლევა ინფორმაციას სინათლის წყაროს ფორმის შესახებ.
ერთი დიდი ტელესკოპი დიაფრაგმის ნიღბით ( ნიღაბით მონიშნული ), რომელიც სინათლეს მხოლოდ ორ პატარა ხვრელში უშვებს. დეტექტორებამდე 1, 2, 3 და 4 ოპტიკური ბილიკები იგივეა, რაც მარცხენა ფიგურაში, ამიტომ ეს განლაგება იდენტურ შედეგებს მოგვცემს. დიაფრაგმის ნიღაბში ხვრელების გადაადგილებით და განმეორებითი გაზომვების მიღებით, შესაძლებელია გამოსახულებების შექმნა დიაფრაგმის სინთეზის გამოყენებით , რომელსაც იგივე ხარისხი ექნება, რასაც მარჯვენა ტელესკოპი დიაფრაგმის ნიღბის გარეშე მიიღებდა . ანალოგიურად, იგივე გამოსახულების ხარისხის მიღწევა შესაძლებელია მარცხენა ფიგურაში პატარა ტელესკოპების გადაადგილებით - ეს არის დიაფრაგმის სინთეზის საფუძველი, რომელიც ფართოდ დაშორებული პატარა ტელესკოპების გამოყენებით გიგანტური ტელესკოპის სიმულირებას ახდენს.
რადიოტალღის სიგრძეებზე, ინტერფერომეტრები, როგორიცაა Very Large Array და MERLIN , მრავალი წელია ფუნქციონირებს. ტელესკოპებს შორის მანძილი, როგორც წესი, 10–100 კმ (6.2–62.1 მილია), თუმცა გაცილებით გრძელი საბაზისო ხაზების მქონე მასივები იყენებენ ძალიან გრძელი საბაზისო ინტერფერომეტრიის ტექნიკას . (სუბ)მილიმეტრულ მასივებში არსებული მასივები მოიცავს სუბმილიმეტრულ მასივს და IRAM Plateau de Bure-ის ობიექტს. ატაკამის დიდი მილიმეტრიული მასივი სრულად ფუნქციონირებს 2013 წლის მარტიდან.
მაქს ტეგმარკმა და მატიას ზალდარიაგამ შემოგვთავაზეს სწრაფი ფურიეს გარდაქმნის ტელესკოპი, რომელიც სტანდარტული ლინზებისა და სარკეების ნაცვლად, კომპიუტერულ სიმძლავრეზე იქნება დამოკიდებული. თუ მურის კანონი გაგრძელდება, ასეთი დიზაინები რამდენიმე წელიწადში შეიძლება პრაქტიკული და იაფი გახდეს.
კვანტური გამოთვლების განვითარებამ შესაძლოა საბოლოოდ ინტერფერომეტრიის უფრო ფართო გამოყენების საშუალება მოგვცეს, როგორც ამას ახალი წინადადებები გვთავაზობს.
იხ.ვიდეო - "ასტრონომია დღეს" - "ასტრონომიული დაკვირვებების თანამედროვე მეთოდები" - თ. შველიძე
პიეზოკრისტალის ხედი შოტლანდიის მუზეუმში, კიურის კომპენსატორის თავზე.
პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის პირველი დემონსტრირება 1880 წელს ძმებმა პიერ კიურიმ და ჟაკ კიურიმ განახორციელეს . [ 13 ] მათ პიროელექტროობის შესახებ ცოდნა გააერთიანეს პიროელექტროობის გამომწვევი ძირითადი კრისტალური სტრუქტურების გაგებასთან, რათა პროგნოზირება მოეხდინათ კრისტალის ქცევას და ეფექტი აჩვენეს ტურმალინის , კვარცის , ტოპაზის , ლერწმის შაქრის და როშელის მარილის (ნატრიუმის კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი) კრისტალების გამოყენებით. კვარცმა და როშელის მარილმა ყველაზე მეტი პიეზოელექტროობა გამოავლინეს.
პიეზოელექტრული დისკი დეფორმაციისას ძაბვას წარმოქმნის (ფორმის ცვლილება მნიშვნელოვნად გაზვიადებულია).
თუმცა, კიურებმა არ იწინასწარმეტყველეს პიეზოელექტრული ეფექტის შებრუნებული ეფექტი. შებრუნებული ეფექტი მათემატიკურად გამოიტანა გაბრიელ ლიპმანმა თერმოდინამიკის ფუნდამენტური პრინციპებიდან 1881 წელს. კიურებმა დაუყოვნებლივ დაადასტურეს შებრუნებული ეფექტის არსებობა და განაგრძეს პიეზოელექტრულ კრისტალებში ელექტროელასტომექანიკური დეფორმაციების სრული შექცევადობის რაოდენობრივი მტკიცებულების მოპოვება.
პიეზოელექტრული მოწყობილობების პირველი პრაქტიკული გამოყენება იყო სონარი , რომელიც პირველად პირველი მსოფლიო ომის დროს შემუშავდა . ულტრაბგერითი სიხშირეებით მომუშავე პიეზოელექტრული მოწყობილობების უმაღლესმა მუშაობამ აჯობა ადრინდელ ფესენდენის ოსცილატორს . 1917 წელს საფრანგეთში პოლ ლანგევენმა და მისმა კოლეგებმა შეიმუშავეს ულტრაბგერითი წყალქვეშა დეტექტორი დეტექტორი შედგებოდა გადამყვანისგან , რომელიც დამზადებული იყო თხელი კვარცის კრისტალებისგან, რომლებიც ფრთხილად იყო მიმაგრებული ორ ფოლადის ფირფიტას შორის, და ჰიდროფონისგან , რომელიც აღმოაჩენდა დაბრუნებულ ექოს . გადამყვანიდან მაღალი სიხშირის იმპულსის გამოსხივებით და ობიექტზე ასაფრენი ბგერითი ტალღებიდან ექოს მოსასმენად საჭირო დროის გაზომვით, შესაძლებელია ამ ობიექტამდე მანძილის გამოთვლა.
პიეზოელექტრული მოწყობილობები მრავალ სფეროში გამოიყენებოდა. კერამიკულმა ფონოგრაფიულმა კარტრიჯებმა გაამარტივა ფლეიერის დიზაინი, იყო იაფი და ზუსტი, ხოლო ფირსაკრავების მოვლა-პატრონობა უფრო იაფი და აწყობა გახადა. ულტრაბგერითი გადამყვანის შემუშავებამ საშუალება მისცა სითხეებსა და მყარ სხეულებში სიბლანტისა და ელასტიურობის გაზომვას, რამაც მასალების კვლევაში უზარმაზარი წინსვლა გამოიწვია. ულტრაბგერითი დროის დომენის რეფლექტომეტრები (რომლებიც მასალაში ულტრაბგერით იმპულსს აგზავნიან და წყვეტებიდან არეკვლას ზომავენ) შეძლებდნენ ჩამოსხმული ლითონისა და ქვის ობიექტებში დეფექტების აღმოჩენას, რაც სტრუქტურულ უსაფრთხოებას აუმჯობესებდა.
მეორე მსოფლიო ომი და ომის შემდგომი პერიოდი
მეორე მსოფლიო ომის დროს , შეერთებულ შტატებში , სსრკ-სა და იაპონიაში დამოუკიდებელმა კვლევითმა ჯგუფებმა აღმოაჩინეს სინთეზური მასალების ახალი კლასი, ფეროელექტრიკები , რომლებიც ბუნებრივ მასალებთან შედარებით მრავალჯერ მაღალ პიეზოელექტრულ მუდმივებს ავლენდნენ. ამან განაპირობა ინტენსიური კვლევა ბარიუმის ტიტანატის , ხოლო მოგვიანებით ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის მასალების შემუშავების მიზნით, რომლებსაც კონკრეტული გამოყენებისთვის სპეციფიკური თვისებები ჰქონდათ.
პიეზოელექტრული კრისტალების გამოყენების ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი მაგალითი Bell Telephone Laboratories- მა შეიმუშავა . პირველი მსოფლიო ომის შემდეგ, საინჟინრო განყოფილებაში რადიოტელეფონიის სფეროში მომუშავე ფრედერიკ რ. ლაკმა შეიმუშავა „AT cut“ კრისტალი, კრისტალი, რომელიც ფართო ტემპერატურულ დიაპაზონში მუშაობდა. ლაკის კრისტალს არ სჭირდებოდა მძიმე აქსესუარები, რომლებიც ადრე გამოიყენებოდა კრისტალში, რაც მის თვითმფრინავებში გამოყენებას აადვილებდა. ამ განვითარებამ მოკავშირეთა საჰაერო ძალებს საშუალება მისცა, საავიაციო რადიოს გამოყენებით კოორდინირებული მასობრივი შეტევები განხორციელებულიყო.
პიეზოელექტრული მოწყობილობებისა და მასალების განვითარება შეერთებულ შტატებში შენარჩუნებული იყო იმ კომპანიების ხელში, რომლებიც ამ სფეროში მუშაობდნენ, ძირითადად ამ სფეროს ომის დროს წარმოშობის და მომგებიანი პატენტების მოპოვების ინტერესებიდან გამომდინარე. ახალი მასალები პირველი შემუშავდა - კვარცის კრისტალები იყო პირველი კომერციულად გამოყენებული პიეზოელექტრული მასალა, მაგრამ მეცნიერები ეძებდნენ უფრო მაღალი ხარისხის მასალებს. მასალების განვითარებისა და წარმოების პროცესების მომწიფების მიუხედავად, შეერთებული შტატების ბაზარი ისე სწრაფად არ გაიზარდა, როგორც იაპონური. ბევრი ახალი გამოყენების გარეშე, შეერთებული შტატების პიეზოელექტრული ინდუსტრიის ზრდა დაზარალდა.
ამის საპირისპიროდ, იაპონელმა მწარმოებლებმა გააზიარეს თავიანთი ინფორმაცია, სწრაფად გადალახეს ტექნიკური და საწარმოო გამოწვევები და შექმნეს ახალი ბაზრები. იაპონიაში, ისააკ კოგამ შეიმუშავა ტემპერატურის სტაბილური ბროლის ჭრა . იაპონელების ძალისხმევით, მასალების კვლევაში შეიქმნა პიეზოკერამიკული მასალები, რომლებიც კონკურენტუნარიანია შეერთებული შტატების მასალებისთვის, მაგრამ თავისუფალია ძვირადღირებული პატენტის შეზღუდვებისგან. იაპონური პიეზოელექტრული განვითარების ძირითადი მიღწევები მოიცავდა რადიოებისა და ტელევიზორებისთვის პიეზოკერამიკული ფილტრების ახალ დიზაინს, პიეზო ზუმერებსა და აუდიო გადამყვანებს, რომლებსაც შეუძლიათ პირდაპირ დაუკავშირდნენ ელექტრონულ წრედებს და პიეზოელექტრულ აალებად , რომელიც წარმოქმნის ნაპერწკლებს მცირე ძრავის ანთების სისტემებისა და გაზის გრილის სანთებელებისთვის, კერამიკული დისკის შეკუმშვით. ულტრაბგერითი გადამყვანები, რომლებიც ჰაერში ხმის ტალღებს გადასცემენ, საკმაოდ დიდი ხნის განმავლობაში არსებობდა, მაგრამ პირველად ფართო კომერციული გამოყენება ჰპოვეს ადრეულ ტელევიზორის დისტანციურ მართვის პულტებში. ეს გადამყვანები ამჟამად დამონტაჟებულია რამდენიმე მანქანის მოდელზე, როგორც ექოლოკაციის მოწყობილობა, რაც ეხმარება მძღოლს განსაზღვროს მანძილი მანქანიდან ნებისმიერ ობიექტამდე, რომელიც შეიძლება მის გზაზე იყოს.
მექანიზმი
პიეზოელექტრული ფირფიტა, რომელიც გამოიყენება აუდიო სიგნალის ბგერით ტალღებად გადასაყვანად
პიეზოელექტრული ეფექტისთვის გადამწყვეტი მნიშვნელობა აქვს პოლარიზაციის P- ის ცვლილებას მექანიკური სტრესის გამოყენებისას . ეს შეიძლება გამოწვეული იყოს დიპოლის გამომწვევი გარემოს რეკონფიგურაციით ან მოლეკულური დიპოლური მომენტების რეორიენტაციით გარე სტრესის გავლენის ქვეშ. პიეზოელექტრობა შემდეგ შეიძლება გამოვლინდეს პოლარიზაციის სიძლიერის, მისი მიმართულების ან ორივეს ვარიაციით, დეტალები კი დამოკიდებულია: 1. P- ის ორიენტაციაზე კრისტალში; 2. კრისტალის სიმეტრიაზე ; და 3. გამოყენებულ მექანიკურ სტრესზე. P- ის ცვლილება ვლინდება, როგორც კრისტალის ზედაპირებზე ზედაპირული მუხტის სიმკვრივის ვარიაცია , ანუ როგორც ზედაპირებს შორის გაშლილი ელექტრული ველის ვარიაცია, რაც გამოწვეულია მასაში დიპოლური სიმკვრივის ცვლილებით. მაგალითად, 1 სმ 3 კვარცის კუბი 2 კნ (500 lbf) სწორად გამოყენებული ძალით შეიძლება წარმოქმნას 12500 ვოლტის ძაბვა .
პიეზოელექტრული მასალები ასევე ავლენენ საპირისპირო ეფექტს, რომელსაც უკუ პიეზოელექტრულ ეფექტს უწოდებენ , სადაც ელექტრული ველის გამოყენება კრისტალში მექანიკურ დეფორმაციას იწვევს.
ერთეული პიეზოელექტრული სხეულის ფიზიკური მდგომარეობები:
არაპოლური პიეზო კორპუსის ერთეულოვანი ზომებია (1,1,1), ხოლო ზომებია (x,y,z) ერთეულები.
პიეზოელექტრული სხეულების ელექტრულად პოლარიზაცია შესაძლებელია თითოეული ღერძის გასწვრივ დადებითი ან უარყოფითი მიმართულების მიხედვით ელექტრული ველის გამოყენებით. ერთპოლარული სხეულის (x,y,z) ზომებით ერთი პოლუსით გაფართოება ან შეკუმშვა ხდება ამპლიტუდისა და პოლარიზაციის ღერძის მიმართულების მიხედვით.
შედეგები მოგვცემს ახალ ერთეულ განზომილებას (+1,+1,+1) ან (-1,-1-1), იმისდა მიხედვით, თუ რომელ ღერძზეა გამოყენებული ელექტრული ველი. პოლირებული PZT შეინარჩუნებს მოცულობას ელექტრული ველის გამოყენებისას და თითოეული ღერძი დეფორმირდება დადებითად ან უარყოფითად, მოლეკულების გასწორებისას. პოლიზაციის განხილვისას მნიშვნელოვანია მხოლოდ ის ღერძი, სადაც მოლეკულები გასწორებულია.
ესენი შეიძლება გაერთიანდეს ე.წ. შეწყვილებულ განტოლებებში , რომელთა დეფორმაცია-მუხტის ფორმაა : [ 23 ]
სადარის პიეზოელექტრული ტენსორი და ზედა ინდექსი t აღნიშნავს მის ტრანსპოზს. სიმეტრიის გამო,.
მატრიცის სახით,
სადაც [ d ] არის პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის მატრიცა და [ dt ] არის შებრუნებული პიეზოელექტრული ეფექტის მატრიცა. ზედა ინდექსი E აღნიშნავს ნულოვან, ანუ მუდმივ, ელექტრულ ველს; ზედა ინდექსი T აღნიშნავს ნულოვან, ანუ მუდმივ, დაძაბულ ველს; ხოლო ზედა ინდექსი t აღნიშნავს მატრიცის ტრანსპოზიციას .
გაითვალისწინეთ, რომ მესამე რიგის ტენსორივექტორებს სიმეტრიულ მატრიცებად ათავსებს. არ არსებობს არატრივიალური ბრუნვის ინვარიანტული ტენზორები, რომლებსაც ეს თვისება აქვთ, სწორედ ამიტომ არ არსებობს იზოტროპული პიეზოელექტრული მასალები.
4 მმ (C4v ) კრისტალური კლასის მასალის (მაგალითად, პოლუსიანი პიეზოელექტრული კერამიკა, როგორიცაა ტეტრაგონალური PZT ან BaTiO3 ) , ასევე 6 მმ კრისტალური კლასის მასალის დეფორმაცია-მუხტი ასევე შეიძლება ჩაიწეროს როგორც (ANSI IEEE 176):
სადაც პირველი განტოლება წარმოადგენს შებრუნებული პიეზოელექტრული ეფექტის დამოკიდებულებას, ხოლო მეორე - პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტისთვის.
მიუხედავად იმისა , რომ ზემოთ მოცემული განტოლებები ლიტერატურაში ყველაზე ხშირად გამოყენებული ფორმაა, აღნიშვნასთან დაკავშირებით გარკვეული კომენტარები აუცილებელია. ზოგადად, D და E ვექტორებია , ანუ 1 რანგის კარტეზიული ტენზორები ; ხოლო დიელექტრიკული შეღწევადობა ε არის 2 რანგის კარტეზიული ტენზორი. დეფორმაცია და დაძაბულობა, პრინციპში, ასევე მე-2 რანგის ტენზორებია . თუმცა, პირობითად, რადგან დეფორმაცია და დაძაბულობა ყველა სიმეტრიული ტენზორია, დეფორმაციისა და დაძაბულობის ინდექსი შეიძლება გადაერქვას შემდეგნაირად: 11 → 1; 22 → 2; 33 → 3; 23 → 4; 13 → 5; 12 → 6. (ლიტერატურაში სხვადასხვა ავტორს შეიძლება სხვადასხვა კონვენცია ჰქონდეს გამოყენებული. მაგალითად, ზოგიერთი იყენებს 12 → 4; 23 → 5; 31 → 6.) სწორედ ამიტომ, როგორც ჩანს, S-სა და T-ს აქვთ ექვსი კომპონენტის „ვექტორული ფორმა“. შესაბამისად, s , როგორც ჩანს, 6-ზე 6 მატრიცაა მე-3 რანგის ტენზორის ნაცვლად. ასეთ გადამისამართებულ ნოტაციას ხშირად ვოიგის ნოტაციას უწოდებენ . ძვრის დეფორმაციის კომპონენტები S4 , S5 , S6 ტენზორული კომპონენტებია თუ საინჟინრო დეფორმაციები , კიდევ ერთი საკითხია. ზემოთ მოცემულ განტოლებაში, ისინი საინჟინრო დეფორმაციები უნდა იყოს, რათა დრეკადობის მატრიცის 6,6 კოეფიციენტი ჩაიწეროს ისე, როგორც ნაჩვენებია, ანუ 2 ( sE 11 − sE 12). საინჟინრო ძვრის დეფორმაციები შესაბამისი ტენზორული ძვრის ორმაგი მნიშვნელობისაა, მაგალითად S 6 = 2 S 12 და ა.შ. ეს ასევე ნიშნავს, რომ s 66 = 1/გ 12 , სადაც G12 არის ძვრის მოდული .
სულ არსებობს ოთხი პიეზოელექტრული კოეფიციენტი, d ij , e ij , g ij და h ij , რომლებიც განისაზღვრება შემდეგნაირად:
სადაც ოთხი წევრის პირველი ნაკრები შეესაბამება პირდაპირ პიეზოელექტრულ ეფექტს, ხოლო ოთხი წევრის მეორე ნაკრები შეესაბამება შებრუნებულ პიეზოელექტრულ ეფექტს. პირდაპირ პიეზოელექტრულ ტენზორსა და შებრუნებული პიეზოელექტრული ტენზორის ტრანსპოზს შორის თანასწორობა თერმოდინამიკის მაქსველის დამოკიდებულებებიდან მომდინარეობს. [ 25 ] იმ პიეზოელექტრული კრისტალებისთვის, რომელთა პოლარიზაცია კრისტალური ველით ინდუცირებული ტიპისაა, შემუშავებულია ფორმალიზმი, რომელიც საშუალებას იძლევა გამოითვალოს პიეზოელექტრული კოეფიციენტები d ij ელექტროსტატიკური ბადის მუდმივებიდან ან უფრო მაღალი რიგის მადელუნგის მუდმივებიდან .
კრისტალების კლასები
ნებისმიერი სივრცით გამოყოფილი მუხტი გამოიწვევს ელექტრულ ველს და, შესაბამისად, ელექტრულ პოტენციალს . აქ ნაჩვენებია კონდენსატორში არსებული სტანდარტული დიელექტრიკი . პიეზოელექტრულ მოწყობილობაში, მასალის ცალკეულ ატომებში მუხტის გამოყოფას იწვევს მექანიკური სტრესი, გარედან გამოყენებული ძაბვის ნაცვლად.
10 პოლარული (პიროელექტრული) კრისტალის კლასი: 1, 2, მ, მმ2, 4, 4 მმ, 3, 3 მ, 6, 6 მმ.
დანარჩენი 10 პიეზოელექტრული კრისტალის კლასი: 222, 4 , 422, 4.2 მ, 32, 6 , 622, 6.2 მ, 23, 4.3 მ.
პოლარული კრისტალებისთვის, რომელთათვისაც P ≠ 0 ძალაშია მექანიკური დატვირთვის გამოყენების გარეშე, პიეზოელექტრული ეფექტი ვლინდება P- ის სიდიდის ან მიმართულების ან ორივეს შეცვლით.
არაპოლარული, მაგრამ პიეზოელექტრული კრისტალებისთვის, მეორე მხრივ, ნულისგან განსხვავებული პოლარიზაცია P მხოლოდ მექანიკური დატვირთვის გამოყენებით მიიღება. მათთვის სტრესი შეიძლება წარმოვიდგინოთ, როგორც მასალა არაპოლარული კრისტალის კლასიდან ( P = 0) პოლარულ კრისტალად გარდაქმნის [ 18 ] , რომლის P ≠ 0-ია.
ტოპაზი – ტოპაზის პიეზოელექტრულობა, სავარაუდოდ, შეიძლება მივაწეროთ (F,OH)-ის მის ბადეში განლაგებას, რომელიც სხვა შემთხვევაში ცენტროსიმეტრიულია: ორთორომბული ბიპირამიდული (მმმ). ტოპაზს აქვს ანომალიური ოპტიკური თვისებები, რომლებიც ასეთ განლაგებას მიეწერება.
ტყვიის ტიტანატი (PbTiO3 ) – მიუხედავად იმისა, რომ ბუნებაში მინერალ მაკედონიტის სახით გვხვდება, [ ის სინთეზირდება კვლევისა და გამოყენებისთვის.
კერამიკა
ტყვიის ტიტანატის ტეტრაგონალური უჯრედი
შემთხვევით ორიენტირებული მარცვლების მქონე კერამიკა პიეზოელექტროობის გამოსავლენად ფეროელექტრული უნდა იყოს. სინთეზირებულ პოლიკრისტალურ პიეზოელექტრულ კერამიკაში მარცვლების ანომალიური ზრდის (AGG) წარმოქმნა უარყოფითად მოქმედებს ასეთ სისტემებში პიეზოელექტრულ მუშაობაზე და თავიდან უნდა იქნას აცილებული, რადგან AGG-ს მქონე პიეზოკერამიკის მიკროსტრუქტურა, როგორც წესი, შედგება რამდენიმე ანომალიურად დიდი წაგრძელებული მარცვლისგან შემთხვევით ორიენტირებული უფრო წვრილი მარცვლების მატრიცაში. მაკროსკოპული პიეზოელექტროობა შესაძლებელია ტექსტურირებულ პოლიკრისტალურ არაფეროელექტრულ პიეზოელექტრულ მასალებში, როგორიცაა AlN და ZnO. პეროვსკიტის , ვოლფრამ - ბრინჯაოს და მასთან დაკავშირებული სტრუქტურების კერამიკის ოჯახები ავლენენ პიეზოელექტროობას:
ტყვიის ცირკონატის ტიტანატი ( Pb [ Zr x Ti 1− x ] O 3 0 ≤ x ≤ 1) – უფრო ფართოდ ცნობილი როგორც PZT, დღეს ყველაზე გავრცელებული პიეზოელექტრული კერამიკაა.
თუთიის ოქსიდი (ZnO) - ვურციტის სტრუქტურა . მიუხედავად იმისა, რომ ZnO-ს მონოკრისტალები პიეზოელექტრული და პიროელექტრულია, შემთხვევით ორიენტირებული მარცვლების მქონე პოლიკრისტალური (კერამიკული) ZnO არც პიეზოელექტრულ და არც პიროელექტრულ ეფექტს არ ავლენს. ვინაიდან ის ფეროელექტრულია, პოლიკრისტალური ZnO არ შეიძლება იყოს პოლარიზებული ბარიუმის ტიტანატის ან PZT-ის მსგავსად. ZnO-ს კერამიკამ და პოლიკრისტალურმა თხელმა ფენებმა შეიძლება აჩვენონ მაკროსკოპული პიეზოელექტრობა და პიროელექტრობა მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ ისინი ტექსტურირებულია (მარცვლები უპირატესად ორიენტირებულია), ისე, რომ ყველა ცალკეული მარცვლის პიეზოელექტრული და პიროელექტრული რეაქციები არ გააუქმებენ ერთმანეთს. ეს ადვილად მიიღწევა პოლიკრისტალურ თხელ ფენებში.
ტყვიის გარეშე პიეზოკერამიკა
ნატრიუმის კალიუმის ნიობატი ((K,Na)NbO 3 ). ეს მასალა ასევე ცნობილია როგორც NKN ან KNN. 2004 წელს, იაპონელი მკვლევარების ჯგუფმა, იასუიოში საიტოს ხელმძღვანელობით, აღმოაჩინეს ნატრიუმის კალიუმის ნიობატის შემადგენლობა, რომლის თვისებებიც ახლოსაა PZT-ის თვისებებთან, მათ შორის მაღალი T C. ამ მასალის გარკვეული შემადგენლობა ინარჩუნებს მაღალ მექანიკურ ხარისხის ფაქტორს ( Q m ≈ 900) ვიბრაციის დონის მატებასთან ერთად, მაშინ როდესაც მყარი PZT-ის მექანიკური ხარისხის ფაქტორი ასეთ პირობებში უარესდება. ეს ფაქტი NKN-ს მაღალი სიმძლავრის რეზონანსული აპლიკაციების, როგორიცაა პიეზოელექტრული ტრანსფორმატორები, პერსპექტიულ შემცვლელად აქცევს.
ტყვიისგან თავისუფალი პიეზოკერამიკის დამზადება მრავალ გამოწვევას წარმოადგენს გარემოსდაცვითი თვალსაზრისით და ტყვიაზე დაფუძნებული ანალოგების თვისებების რეპლიკაციის უნარის თვალსაზრისით. პიეზოკერამიკის ტყვიის კომპონენტის მოცილებით, ადამიანისთვის ტოქსიკურობის რისკი მცირდება, მაგრამ მასალების მოპოვება და მოპოვება შეიძლება საზიანო იყოს გარემოსთვის. [ 35 ] PZT-ის ნატრიუმის კალიუმის ნიობატთან (NKN ან KNN) შედარებით გარემოსდაცვითი პროფილის ანალიზი აჩვენებს, რომ განხილული ოთხი ინდიკატორის მიხედვით (ენერგიის პირველადი მოხმარება, ტოქსიკოლოგიური კვალი, ეკოინდიკატორი 99 და სათბურის გაზების ემისიები), KNN სინამდვილეში უფრო მავნებელია გარემოსთვის. KNN-თან დაკავშირებული პრობლემების უმეტესობა, კერძოდ, მისი Nb 2 O 5 კომპონენტი, მისი სასიცოცხლო ციკლის ადრეულ ფაზაშია, სანამ ის მწარმოებლებამდე მიაღწევს. რადგან მავნე ზემოქმედება ფოკუსირებულია ამ ადრეულ ფაზებზე, შესაძლებელია გარკვეული ქმედებების განხორციელება ეფექტების მინიმიზაციისთვის. Nb 2 O 5 მოპოვების შემდეგ მიწის პირვანდელ ფორმასთან მაქსიმალურად მიახლოება კაშხლის დემონტაჟის ან გამოსაყენებელი ნიადაგის მარაგის შეცვლის გზით ცნობილია, როგორც ნებისმიერი მოპოვების მოვლენის დამხმარე საშუალება. ჰაერის ხარისხზე ზემოქმედების მინიმიზაციისთვის, მოდელირება და სიმულაცია ჯერ კიდევ საჭიროა იმის სრულად გასაგებად, თუ რა შემარბილებელი მეთოდებია საჭირო. ტყვიის გარეშე პიეზოკერამიკული კომპონენტების მოპოვება ამ დროისთვის მნიშვნელოვან მასშტაბამდე არ გაზრდილა, თუმცა ადრეული ანალიზიდან გამომდინარე, ექსპერტები გარემოზე ზემოქმედების თვალსაზრისით სიფრთხილისკენ მოუწოდებენ.
ტყვიისგან თავისუფალი პიეზოკერამიკის დამზადება მათი ტყვიაზე დაფუძნებული ანალოგების მუშაობისა და სტაბილურობის შენარჩუნების გამოწვევის წინაშე დგას. ზოგადად, დამზადების მთავარი გამოწვევაა „მორფოტროპული ფაზური საზღვრების (MPB)“ შექმნა, რომელიც მასალებს სტაბილურ პიეზოელექტრულ თვისებებს ანიჭებს „პოლიმორფული ფაზური საზღვრების (PPB)“ შემოღების გარეშე, რაც ამცირებს მასალის ტემპერატურულ სტაბილურობას. ახალი ფაზური საზღვრები იქმნება დანამატების კონცენტრაციების ცვალებადობით ისე, რომ ფაზური გადასვლის ტემპერატურები ოთახის ტემპერატურაზე თანხვედრაშია. MPB-ის შეყვანა აუმჯობესებს პიეზოელექტრულ თვისებებს, მაგრამ თუ PPB შეჰყავთ, მასალაზე ტემპერატურა უარყოფითად მოქმედებს. მიმდინარეობს კვლევა ფაზური საზღვრების ტიპის გასაკონტროლებლად, რომლებიც შეჰყავთ ფაზური ინჟინერიის, ფაზური გადასვლების დიფუზიის, დომენის ინჟინერიის და ქიმიური მოდიფიკაციის გზით.
III–V და II–VI ნახევარგამტარები
პიეზოელექტრული პოტენციალის შექმნა შესაძლებელია ნებისმიერ მოცულობით ან ნანოსტრუქტურირებულ ნახევარგამტარულ კრისტალში, რომელსაც აქვს არაცენტრალური სიმეტრია, როგორიცაა III - V და II - VI ჯგუფისმასალები, გამოყენებული სტრესისა და დეფორმაციის ქვეშ იონების პოლარიზაციის გამო. ეს თვისება საერთოა როგორც თუთიის ბლენდის , ასევე ვურციტის კრისტალური სტრუქტურებისთვის. პირველი რიგის მიხედვით, თუთიის ბლენდში მხოლოდ ერთი დამოუკიდებელი პიეზოელექტრული კოეფიციენტია , რომელსაც e14 ეწოდება , რომელიც დეფორმაციის ძვრის კომპონენტებთან არის დაკავშირებული. ვურციტში , ამის ნაცვლად, სამი დამოუკიდებელი პიეზოელექტრული კოეფიციენტია: e31 , e33 და e15 . ნახევარგამტარები, სადაც ყველაზე ძლიერი პიეზოელექტრულობა შეინიშნება, არიან ის ნახევარგამტარები, რომლებიც ჩვეულებრივ გვხვდება ვურციტის სტრუქტურაში, ანუ GaN , InN , AlN და ZnO ( იხ. პიეზოტრონიკა ).
პოლიმერების პიეზო-რეაქცია ისეთი მაღალი არ არის, როგორც კერამიკის; თუმცა, პოლიმერებს აქვთ თვისებები, რომლებიც კერამიკას არ აქვს. ბოლო რამდენიმე ათწლეულის განმავლობაში, არატოქსიკური, პიეზოელექტრული პოლიმერები შესწავლილი და გამოყენებული იქნა მათი მოქნილობისა და მცირე აკუსტიკური წინაღობის გამო . სხვა თვისებები, რომლებიც ამ მასალებს მნიშვნელოვნად აქცევს, მოიცავს მათ ბიოშეთავსებადობას , ბიოდეგრადირებადობას , დაბალ ფასს და დაბალი ენერგომოხმარებას სხვა პიეზო-მასალებთან (კერამიკა და ა.შ.) შედარებით.
პიეზოელექტრული პოლიმერები შეიძლება კლასიფიცირდეს მოცულობითი პოლიმერების, სიცარიელის დამუხტული პოლიმერების („პიეზოელექტრეტები“) და პოლიმერული კომპოზიტების მიხედვით. მოცულობითი პოლიმერების მიერ დაფიქსირებული პიეზო-რეაქცია ძირითადად განპირობებულია მათი მოლეკულური სტრუქტურით. არსებობს მოცულობითი პოლიმერების ორი ტიპი: ამორფული და ნახევრადკრისტალური . ნახევრადკრისტალური პოლიმერების მაგალითებია პოლივინილიდენ ფტორიდი (PVDF) და მისი კოპოლიმერები , პოლიამიდები და პარილენ-C. არაკრისტალური პოლიმერები, როგორიცაა პოლიიმიდი და პოლივინილიდენ ქლორიდი (PVDC), მიეკუთვნება ამორფულ მოცულობით პოლიმერებს. სიცარიელის დამუხტული პოლიმერები ავლენენ პიეზოელექტრულ ეფექტს ფოროვანი პოლიმერული ფირის პოლაციით გამოწვეული მუხტის გამო. ელექტრული ველის ქვეშ, სიცარიელეების ზედაპირზე მუხტები წარმოიქმნება, რომლებიც დიპოლებს ქმნიან. ელექტრული რეაქციები შეიძლება გამოწვეული იყოს ამ სიცარიელეების ნებისმიერი დეფორმაციით. პიეზოელექტრული ეფექტის დაკვირვება ასევე შესაძლებელია პოლიმერულ კომპოზიტებში პიეზოელექტრული კერამიკული ნაწილაკების პოლიმერულ ფირში ინტეგრირებით. პოლიმერული კომპოზიტის ეფექტური მასალისთვის პოლიმერი არ უნდა იყოს პიეზოაქტიური. ამ შემთხვევაში, მასალა შეიძლება შედგებოდეს ინერტული მატრიცისგან, რომელიც შეიცავს ცალკე პიეზოაქტიური კომპონენტს.
PVDF ავლენს პიეზოელექტრულობას რამდენჯერმე მეტს, ვიდრე კვარცი. PVDF-დან დაფიქსირებული პიეზო-რეაქცია დაახლოებით 20–30 pC/N-ია. ეს დაახლოებით 5–50-ჯერ ნაკლებია პიეზოელექტრული კერამიკული ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის (PZT) რეაქციის მაჩვენებელზე. PVDF ოჯახის პოლიმერების (ანუ ვინილიდენ ფტორიდის კო-პოლიტრიფტორეთილენის) პიეზოელექტრული ეფექტის თერმული სტაბილურობა 125°C-მდე აღწევს. PVDF-ის ზოგიერთი გამოყენებაა წნევის სენსორები, ჰიდროფონები და დარტყმითი ტალღის სენსორები.
მათი მოქნილობის გამო, პიეზოელექტრული კომპოზიტები შემოთავაზებულია, როგორც ენერგიის შემგროვებლები და ნანოგენერატორები. 2018 წელს ჟუმ და სხვებმა განაცხადეს, რომ PDMS/PZT ნანოკომპოზიტიდან 60%-იანი ფორიანობის დროს შესაძლებელია დაახლოებით 17 pC/N პიეზოელექტრული რეაქციის მიღება. კიდევ ერთი PDMS ნანოკომპოზიტი 2017 წელს იქნა გამოქვეყნებული, რომელშიც BaTiO3 ინტეგრირებული იყო PDMS-ში, რათა შექმნილიყო გაჭიმვადი, გამჭვირვალე ნანოგენერატორი თვითმომუშავე ფიზიოლოგიური მონიტორინგისთვის. 2016 წელს პოლარული მოლეკულები შეიყვანეს პოლიურეთანის ქაფში, რომელშიც დაფიქსირდა 244 pC/N-მდე მაღალი რეაქციის შემთხვევები.
სხვა მასალები
მასალების უმეტესობა ავლენს, სულ მცირე, სუსტ პიეზოელექტრულ რეაქციებს. ტრივიალური მაგალითებია საქაროზა (სუფრის შაქარი), დნმ , ვირუსული ცილები, მათ შორის ბაქტერიოფაგიდან მიღებული ცილები . აღწერილია ხის ბოჭკოებზე დაფუძნებული აქტივატორი, რომელსაც ცელულოზის ბოჭკოები ეწოდება. უჯრედული პოლიპროპილენისთვის D33 რეაქციები დაახლოებით 200 pC/N-ია. უჯრედული პოლიპროპილენის ზოგიერთი გამოყენებაა მუსიკალური კლავიშები, მიკროფონები და ულტრაბგერით დაფუძნებული ექოლოკაციის სისტემები. ბოლო დროს, ერთმა ამინომჟავამ, როგორიცაა β-გლიცინი, ასევე აჩვენა მაღალი პიეზოელექტრული (178 pmV −1 ) სხვა ბიოლოგიურ მასალებთან შედარებით.
იონური სითხეები ახლახან იქნა იდენტიფიცირებული, როგორც პირველი პიეზოელექტრული სითხე.
აპლიკაცია
მაღალი ძაბვა და ენერგიის წყაროები
ზოგიერთი ნივთიერების, მაგალითად კვარცის, პირდაპირ პიეზოელექტრულობას შეუძლია ათასობით ვოლტის პოტენციური სხვაობის წარმოქმნა.
ყველაზე ცნობილი გამოყენება ელექტრო სიგარეტის სანთებელაა : ღილაკზე დაჭერით ზამბარიანი ჩაქუჩი პიეზოელექტრულ კრისტალს ეჯახება, რაც საკმარისად მაღალი ძაბვის ელექტრულ დენს წარმოქმნის, რომელიც მცირე ნაპერწკლის ნაპრალში მიედინება , რითაც აირს აცხელებს და აალდება. პორტატული ნაპერწკლები, რომლებიც გაზის ღუმელების ასანთებლად გამოიყენება , იგივე პრინციპით მუშაობენ და გაზის სანთურების მრავალ ტიპს ამჟამად ჩაშენებული პიეზოზე დაფუძნებული ანთების სისტემები აქვს.
მსგავს იდეას იკვლევს DARPA ამერიკის შეერთებულ შტატებში, პროექტში, სახელწოდებით „ენერგიის შეგროვება“ , რომელიც მოიცავს საბრძოლო აღჭურვილობის ენერგიით მომარაგების მცდელობას ჯარისკაცების ჩექმებში ჩამონტაჟებული პიეზოელექტრული გენერატორებით. თუმცა, ენერგიის შეგროვების ეს წყაროები ასოციაციის გზით გავლენას ახდენს სხეულზე. DARPA-ს მცდელობა, სიარულის დროს ფეხსაცმლის უწყვეტი ზემოქმედებისგან 1-2 ვატი გამოეყენებინათ, მიტოვებული იყო ფეხსაცმლის ტარების დროს ადამიანის მიერ დახარჯული დამატებითი ენერგიის არაპრაქტიკულობისა და დისკომფორტის გამო. ენერგიის შეგროვების სხვა იდეები მოიცავს „Crowd Farm“-ს , ადამიანის მოძრაობიდან ენერგიის შეგროვებას რკინიგზის სადგურებში ან სხვა საზოგადოებრივ ადგილებში და საცეკვაო მოედნის ელექტროენერგიის გენერირებისთვის გადაკეთებას. სამრეწველო დანადგარების ვიბრაციების შეგროვება ასევე შესაძლებელია პიეზოელექტრული მასალებით, რათა დატენონ ელემენტები სარეზერვო წყაროებისთვის ან დაბალი სიმძლავრის მიკროპროცესორები და უკაბელო რადიოები ენერგიით უზრუნველყონ.
პიეზოელექტრული ტრანსფორმატორი ცვლადი დენის ძაბვის გამრავლების ტიპია. ჩვეულებრივი ტრანსფორმატორისგან განსხვავებით, რომელიც იყენებს მაგნიტურ შეერთებას შესასვლელსა და გამოსავალს შორის, პიეზოელექტრული ტრანსფორმატორი იყენებს აკუსტიკურ შეერთებას . შესასვლელი ძაბვა მიეწოდება პიეზოკერამიკული მასალისგან დამზადებული ზოლის მოკლე სიგრძეს, როგორიცაა PZT , რაც ქმნის ცვლად ძაბვას ზოლში ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტის საშუალებით და იწვევს მთელი ზოლის ვიბრაციას. ვიბრაციის სიხშირე შერჩეულია ბლოკის რეზონანსული სიხშირის მიხედვით, როგორც წესი, 100 კილოჰერციდან 1 მეგაჰერცამდე დიაპაზონში. შემდეგ პიეზოელექტრული ეფექტის საშუალებით წარმოიქმნება უფრო მაღალი გამომავალი ძაბვა ზოლის სხვა მონაკვეთზე. ნაჩვენებია 1000:1-ზე მეტი საფეხურის კოეფიციენტები. ამ ტრანსფორმატორის დამატებითი მახასიათებელია ის, რომ მისი რეზონანსული სიხშირის ზემოთ მომუშავე საშუალებით, მისი წარმოდგენა შესაძლებელია ინდუქციურ დატვირთვად, რაც სასარგებლოა იმ წრედებში, რომლებიც საჭიროებენ კონტროლირებად რბილ სტარტს. ეს მოწყობილობები შეიძლება გამოყენებულ იქნას DC-AC ინვერტორებში ცივი კათოდური ფლუორესცენტური ნათურების სამართავად . პიეზო ტრანსფორმატორები მაღალი ძაბვის ერთ-ერთი ყველაზე კომპაქტური წყაროა.
სენსორები
პიეზოელექტრული დისკი, რომელიც გამოიყენება გიტარის პიკაპადბევრი რაკეტსაწინააღმდეგო ყუმბარა პიეზოელექტრულ ფიტულს იყენებდა . სურათზე გამოსახულია რუსული RPG-7 .
პიეზოელექტრული სენსორის მუშაობის პრინციპი ემყარება იმ ფაქტს, რომ ფიზიკური განზომილება, რომელიც ძალად გარდაიქმნება, მოქმედებს სენსორული ელემენტის ორ საპირისპირო ზედაპირზე. სენსორის დიზაინის მიხედვით, პიეზოელექტრული ელემენტის დასატვირთად შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა „რეჟიმები“: გრძივი, განივი და ძვრის.
ხმის სახით წნევის ვარიაციების აღმოჩენა სენსორების ყველაზე გავრცელებული გამოყენებაა, მაგალითად, პიეზოელექტრული მიკროფონები (ხმოვანი ტალღები ახვევენ პიეზოელექტრულ მასალას, რაც ქმნის ცვალებად ძაბვას) და აკუსტიკურ-ელექტრული გიტარის პიეზოელექტრული პიკაპები . ინსტრუმენტის კორპუსზე მიმაგრებული პიეზოსენსორი ცნობილია, როგორც კონტაქტური მიკროფონი .
პიეზოელექტრული სენსორები განსაკუთრებით გამოიყენება მაღალი სიხშირის ხმის მქონე ულტრაბგერით გადამყვანებში სამედიცინო ვიზუალიზაციისა და ასევე სამრეწველო არადესტრუქციული ტესტირებისთვის (NDT).
მრავალი სენსორული ტექნიკის შემთხვევაში, სენსორს შეუძლია იმოქმედოს როგორც სენსორის, ასევე აქტივატორის როლში - ხშირად ტერმინი „გადამყვანი“ უფრო სასურველია, როდესაც მოწყობილობა ამ ორმაგი ფუნქციით მოქმედებს, მაგრამ პიეზო მოწყობილობების უმეტესობას აქვს შექცევადობის ეს თვისება, მიუხედავად იმისა, გამოიყენება თუ არა იგი. მაგალითად, ულტრაბგერითი გადამყვანები ულტრაბგერითი ტალღების ორგანიზმში შეყვანას, დაბრუნებული ტალღის მიღებას და მის ელექტრულ სიგნალად (ძაბვად) გარდაქმნას ახერხებენ. სამედიცინო ულტრაბგერითი გადამყვანების უმეტესობა პიეზოელექტრულია.
ზემოთ ხსენებულის გარდა, სხვადასხვა სენსორებისა და გადამყვანების გამოყენება მოიცავს:
პიეზოელექტრული ელემენტები ასევე გამოიყენება სონარის ტალღების აღმოსაჩენად და გენერირებაში.
პიეზოელექტრული მასალები გამოიყენება ერთღერძიან და ორღერძიან დახრის სენსორებში.
სიმძლავრის მონიტორინგი მაღალი სიმძლავრის აპლიკაციებში (მაგ., სამედიცინო მკურნალობა, ულტრაბგერითი ქიმია და სამრეწველო დამუშავება).
ავტომობილის ძრავის მართვის სისტემები იყენებენ პიეზოელექტრულ გადამყვანებს ძრავის კაკუნის (კაკუნის სენსორი, KS) დასადგენად, რომელიც ასევე ცნობილია როგორც დეტონაცია, გარკვეულ ჰერცის სიხშირეებზე. პიეზოელექტრული გადამყვანი ასევე გამოიყენება საწვავის ინექციის სისტემებში კოლექტორის აბსოლუტური წნევის გასაზომად (MAP სენსორი), რათა დადგინდეს ძრავის დატვირთვა და საბოლოოდ, საწვავის ინჟექტორების ჩართვის დრო მილიწამებში.
ლითონის დისკი პიეზოელექტრული დისკით, რომელიც გამოიყენება ზუმერში
რადგან ძალიან მაღალი ელექტრული ველები შეესაბამება კრისტალის სიგანის მხოლოდ მცირე ცვლილებებს, ეს სიგანე შეიძლება შეიცვალოს μm- ზე მეტი სიზუსტით, რაც პიეზოკრისტალებს ობიექტების უკიდურესი სიზუსტით პოზიციონირების ყველაზე მნიშვნელოვან ინსტრუმენტად აქცევს - შესაბამისად, მათი გამოყენება აქტივატორებში . მრავალშრიანი კერამიკა, 100 μm- ზე თხელი ფენების გამოყენებით, საშუალებას იძლევა მიაღწიოს მაღალი ელექტრულ ველებს 150 ვ- ზე დაბალი ძაბვით . ეს კერამიკა გამოიყენება აქტივატორების ორი სახეობის ფარგლებში: პირდაპირი პიეზოაქტივატორები და გაძლიერებული პიეზოელექტრული აქტივატორები . მიუხედავად იმისა, რომ პირდაპირი აქტივატორის დარტყმა ზოგადად 100 μm- ზე ნაკლებია , გაძლიერებულ პიეზოაქტივატორებს შეუძლიათ მიაღწიონ მილიმეტრიან დარტყმებს.
დინამიკები : ძაბვა გარდაიქმნება მეტალის დიაფრაგმის მექანიკურ მოძრაობად.
ულტრაბგერითი გაწმენდა, როგორც წესი, იყენებს პიეზოელექტრულ ელემენტებს სითხეში ინტენსიური ბგერითი ტალღების წარმოქმნის მიზნით.
პიეზოელექტრული ძრავები : პიეზოელექტრული ელემენტები მიმართულების ძალას ამოქმედებენ ღერძზე , რაც მის ბრუნვას იწვევს. ძალიან მცირე მანძილების გამო, პიეზოძრავა საფეხუროვანი ძრავის მაღალი სიზუსტის შემცვლელად ითვლება .
პიეზოელექტრული ელემენტების გამოყენება შესაძლებელია ლაზერული სარკის გასწორებაში, სადაც მათი უნარი, გადაადგილონ დიდი მასა (სარკის სამაგრი) მიკროსკოპულ დისტანციებზე, გამოიყენება ზოგიერთი ლაზერული სარკის ელექტრონულად გასწორებისთვის. სარკეებს შორის მანძილის ზუსტი კონტროლით, ლაზერულ ელექტრონიკას შეუძლია ზუსტად შეინარჩუნოს ოპტიკური პირობები ლაზერის ღრუში, სხივის გამომავალი სიმძლავრის ოპტიმიზაციის მიზნით.
მასთან დაკავშირებული გამოყენებაა აკუსტულ-ოპტიკური მოდულატორი , მოწყობილობა, რომელიც აფანტავს სინათლეს კრისტალში პიეზოელექტრული ელემენტების მიერ გენერირებული ბგერითი ტალღებიდან. ეს სასარგებლოა ლაზერის სიხშირის დახვეწისთვის.
ინფრაწითელ კამერებში გამოყენებული მიკროსკანირების XY ეტაპები.
პაციენტის ზუსტად გადაყვანა აქტიურ კომპიუტერული ტომოგრაფიისა და მაგნიტურ-რეზონანსული ტომოგრაფიის სკანერებში, სადაც ძლიერი გამოსხივება ან მაგნეტიზმი ხელს უშლის ელექტროძრავების მუშაობას.
კვარცის საათები იყენებენ კვარცის ბროლისგან დამზადებულ კრისტალურ ოსცილატორს , რომელიც იყენებს როგორც პირდაპირი, ასევე შებრუნებული პიეზოელექტროობის კომბინაციას ელექტრული იმპულსების რეგულარულად დროული სერიის გენერირებისთვის, რომელიც გამოიყენება დროის აღსანიშნავად. კვარცის კრისტალს (ნებისმიერი ელასტიური მასალის მსგავსად) აქვს ზუსტად განსაზღვრული ბუნებრივი სიხშირე (განპირობებული მისი ფორმითა და ზომით), რომელზეც ის უპირატესობას ანიჭებს რხევას და ეს გამოიყენება კრისტალზე მიწოდებული პერიოდული ძაბვის სიხშირის სტაბილიზაციისთვის.
საფეხურებიანი ჯოხ-სრიალის ძრავის გარდა, ყველა ეს ძრავა ერთი და იგივე პრინციპით მუშაობს. 90°-იანი ფაზური სხვაობით ორმაგი ორთოგონალური ვიბრაციის რეჟიმით მომუშავე, ორ ზედაპირს შორის შეხების წერტილი ელიფსურ ტრაექტორიაზე ვიბრირებს, რაც ზედაპირებს შორის ხახუნის ძალას წარმოქმნის. როგორც წესი, ერთი ზედაპირი ფიქსირებულია, რაც მეორეს მოძრაობას იწვევს. პიეზოელექტრული ძრავების უმეტესობაში, პიეზოელექტრული კრისტალი აღიგზნება ძრავის რეზონანსული სიხშირის სინუსოიდური სიგნალით. რეზონანსული ეფექტის გამოყენებით, მაღალი ვიბრაციის ამპლიტუდის შესაქმნელად შეიძლება გამოყენებულ იქნას გაცილებით დაბალი ძაბვა.
ჯოხ-სლიპის ძრავა მუშაობს მასის ინერციისა და დამჭერის ხახუნის გამოყენებით. ასეთი ძრავები შეიძლება ძალიან პატარა იყოს. ზოგიერთი მათგანი გამოიყენება კამერის სენსორის გადაადგილებისთვის, რაც უზრუნველყოფს რხევის საწინააღმდეგო ფუნქციას.
ვიბრაციისა და ხმაურის შემცირება
სხვადასხვა მკვლევართა ჯგუფი იკვლევს მასალებში ვიბრაციის შემცირების გზებს პიეზო ელემენტების მასალაზე მიმაგრებით. როდესაც მასალა ერთი მიმართულებით ვიბრაციით იხრება, ვიბრაციის შემცირების სისტემა რეაგირებს მოხრაზე და ელექტროენერგიას უგზავნის პიეზო ელემენტს საპირისპირო მიმართულებით მოსახვევად. ამ ტექნოლოგიის სამომავლო გამოყენება მოსალოდნელია მანქანებსა და სახლებში ხმაურის შესამცირებლად. მოქნილი სტრუქტურების, როგორიცაა გარსები და ფირფიტები, შემდგომი გამოყენება ასევე შესწავლილია თითქმის სამი ათწლეულის განმავლობაში.
პიეზოელექტრული კერამიკული ბოჭკოვანი ტექნოლოგია გამოიყენება ელექტრონული ამორტიზაციის სისტემად ზოგიერთ HEAD ჩოგბურთის ჩოგანზე .
ყველა პიეზო გადამყვანს აქვს ფუნდამენტური რეზონანსული სიხშირე და მრავალი ჰარმონიული სიხშირე. პიეზოთი მომუშავე Drop-On-Demand სითხის სისტემები მგრძნობიარეა პიეზოს სტრუქტურაში არსებული დამატებითი ვიბრაციების მიმართ, რომლებიც უნდა შემცირდეს ან აღმოიფხვრას. ერთმა მელნის კომპანიამ, Howtek, Inc.-მა, ეს პრობლემა გადაჭრა მინის (ხისტი) მელნის საქშენების Tefzel-ის (რბილი) მელნის საქშენებით ჩანაცვლებით. ამ ახალმა იდეამ პოპულარული გახადა ერთსაქშენიანი მელნის კამერები და ისინი ახლა გამოიყენება 3D მელნის პრინტერებში, რომლებიც წლების განმავლობაში მუშაობენ, თუ შიგნით სუფთად შეინახავენ და არ გადახურდებიან (Tefzel ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე წნევის ქვეშ ცოცავს).
პიეზოქირურგია არის მინიმალურად ინვაზიური ტექნიკა, რომლის მიზანია სამიზნე ქსოვილის მოჭრა მეზობელი ქსოვილების მცირე დაზიანებით. მაგალითად, ჰოინი და სხვები იყენებენ 25–29 კჰც დიაპაზონის სიხშირეებს, რაც იწვევს 60–210 მკმ მიკროვიბრაციებს. მას აქვს მინერალიზებული ქსოვილის მოჭრის უნარი ნეიროვასკულური ქსოვილის და სხვა რბილი ქსოვილების მოჭრის გარეშე, რითაც ინარჩუნებს სისხლისგან თავისუფალ საოპერაციო არეალს, უკეთეს ხილვადობას და უფრო მეტ სიზუსტეს.
დარტყმის ენერგიის შთანთქმის და ჭკვიანი სენსორული მოწყობილობები
პიეზოელექტრული მასალების ბოლოდროინდელმა განვითარებას მოჰყვა მრავალფუნქციური კომპოზიტების შემუშავება, რომლებიც აერთიანებენ მექანიკურ დაცვას სენსორულ შესაძლებლობებთან.
ერთ-ერთი აღსანიშნავი ინოვაცია ეხება როშელის მარილის (RS) კრისტალების ზრდას 3D პრინტერით დაბეჭდილ, ბიოინსპირირებულ სტრუქტურებში. მკვლევარებმა გამოიყენეს მეჭეჭის ძვალი, როგორც მოდელი ფოროვანი ჩარჩოების შესაქმნელად, რომლებიც უზრუნველყოფენ მაღალ სიმტკიცეს და დარტყმის შთანთქმას მათი კამერული მიკროსტრუქტურის გამო. ამ სტრუქტურებში RS კრისტალების გაზრდით, შედეგად მიღებული კომპოზიტი აღწევს გაუმჯობესებულ პიეზოელექტრულ თვისებებს მნიშვნელოვანი მექანიკური სიმტკიცის შენარჩუნებით.
ეს RS-ზე დაფუძნებული კომპოზიტები ავლენენ დარტყმის ენერგიის შთანთქმის და რეალურ დროში აღმოჩენის შესანიშნავ შესაძლებლობებს. ციკლური დარტყმების დროს, ისინი ინარჩუნებენ სტაბილურ პიეზოელექტრულ გამომავალ სიმძლავრეს ათასობით ციკლის განმავლობაში, პიკური გამომავალი ძაბვებით, რომლებიც დაახლოებით 8 ვოლტს აღწევს და გაზომილი პიეზოელექტრული კოეფიციენტით (d33) დაახლოებით 30 pC/N. ასეთი მახასიათებლები საშუალებას იძლევა დარტყმის როგორც სიდიდის, ასევე ადგილმდებარეობის აღმოჩენისა, რაც მასალას შესაფერისს ხდის ტარებად დამცავ აღჭურვილობაში გამოსაყენებლად, მათ შორის სპორტსმენებისთვის განკუთვნილი ჭკვიანი ჯავშანტექნიკისა და ხანდაზმული პირებისთვის დაცემის აღმომჩენი მოწყობილობებისთვის.
ამ კომპოზიტების გამორჩეული თვისება მათი მდგრადობა და გადამუშავებადობაა. როშელის მარილის კრისტალები შეიძლება გაიხსნას და ხელახლა გაიზარდოს სტრუქტურაში, რაც დაზიანებული მასალების აღდგენის საშუალებას იძლევა. გადამუშავებული ნიმუშები ინარჩუნებენ თავდაპირველი მახასიათებლების 95%-მდე, რაც მნიშვნელოვნად ახანგრძლივებს მასალის სიცოცხლის ხანგრძლივობას და ხელს უწყობს ეკოლოგიურად სუფთა გამოყენებას. გამოყენება სცილდება სპორტულ და სამედიცინო მოწყობილობებს და პოტენციურად გამოიყენება აერონავტიკაში, სამხედრო ჯავშანტექნიკასა და სტრუქტურული ჯანმრთელობის მონიტორინგის სისტემებში. ეს მიღწევები ხაზს უსვამს პიეზოელექტრული მასალების მზარდ მრავალფეროვნებას თანამედროვე ტექნოლოგიაში.
პოტენციური გამოყენება
2015 წელს, კემბრიჯის უნივერსიტეტის მკვლევარებმა, ეროვნული ფიზიკური ლაბორატორიისა და კემბრიჯში დაფუძნებული დიელექტრული ანტენების კომპანია Antenova Ltd-ის მკვლევრებთან ერთად, პიეზოელექტრული მასალების თხელი ფენების გამოყენებით აღმოაჩინეს, რომ გარკვეული სიხშირის დროს ეს მასალები არა მხოლოდ ეფექტურ რეზონატორებად, არამედ ეფექტურ გამოსხივებადაც იქცევიან, რაც იმას ნიშნავს, რომ მათი პოტენციურად ანტენებად გამოყენება შესაძლებელია. მკვლევარებმა აღმოაჩინეს, რომ პიეზოელექტრული თხელი ფენების ასიმეტრიული აგზნების შედეგად, სისტემის სიმეტრია ანალოგიურად ირღვევა, რაც იწვევს ელექტრული ველის შესაბამის სიმეტრიის დარღვევას და ელექტრომაგნიტური გამოსხივების გენერირებას.
პიეზოელექტრული ტექნოლოგიის მაკრომასშტაბიანი გამოყენების რამდენიმე მცდელობა გაჩნდა ფეხით მოსიარულეთა კინეტიკური ენერგიის მისაღებად.
ამ შემთხვევაში, მაღალი გამტარობის მქონე ადგილების ადგილმდებარეობა კრიტიკულად მნიშვნელოვანია ენერგიის მოპოვების ეფექტურობის ოპტიმიზაციისთვის, ასევე კრამიტის საფარის ორიენტაცია მნიშვნელოვნად მოქმედებს მოპოვებული ენერგიის მთლიან რაოდენობაზე. რეკომენდებულია სიმკვრივის ნაკადის შეფასება, რათა თვისებრივად შეფასდეს განხილული ტერიტორიის პიეზოელექტრული ენერგიის მოპოვების პოტენციალი დროის ერთეულში ფეხით მოსიარულეთა გადასასვლელების რაოდენობის მიხედვით. X. Li-ს კვლევაში განხილულია და განხილულია კომერციული პიეზოელექტრული ენერგიის მოპოვების პოტენციური გამოყენება სიდნეიში, ავსტრალიაში, მაკკუორის უნივერსიტეტის ცენტრალურ კვანძოვან შენობაში. პიეზოელექტრული ფილების განლაგების ოპტიმიზაცია წარმოდგენილია ფეხით მოსიარულეთა მობილობის სიხშირის მიხედვით და შემუშავებულია მოდელი, სადაც ყველაზე მაღალი ფეხით მოსიარულეთა მობილობის მქონე იატაკის მთლიანი ფართობის 3.1% მოპირკეთებულია პიეზოელექტრული ფილებით. მოდელირების შედეგები მიუთითებს, რომ შემოთავაზებული ოპტიმიზებული კრამიტის საფარის მოდელისთვის წლიური ენერგიის მოპოვების მთლიანი პოტენციალი შეფასებულია 1.1 მვტ.სთ/წელიწადში, რაც საკმარისი იქნება შენობის წლიური ენერგეტიკული საჭიროებების თითქმის 0.5%-ის დასაკმაყოფილებლად. ისრაელში არის კომპანია, რომელმაც პიეზოელექტრული მასალები დატვირთული მაგისტრალის ქვეშ დაამონტაჟა. გამომუშავებული ენერგია საკმარისია ქუჩის განათების, ბილბორდებისა და აბრების გასააქტიურებლად.
საბურავების მწარმოებელი კომპანია „გუდიარი“ ელექტროენერგიის გამომუშავების საბურავის შემუშავებას გეგმავს, რომლის შიგნითაც პიეზოელექტრული მასალა იქნება ამოფენილი. მოძრაობისას საბურავი დეფორმირდება და შესაბამისად, ელექტროენერგია წარმოიქმნება.
პიეზოელექტრული მასალების შემცველი ჰიბრიდული ფოტოელექტრული უჯრედის ეფექტურობის გაზრდა შესაძლებელია უბრალოდ გარემოს ხმაურის ან ვიბრაციის წყაროსთან ახლოს განთავსებით. ეფექტი დემონსტრირებული იქნა ორგანული უჯრედების გამოყენებით თუთიის ოქსიდის ნანომილაკების გამოყენებით. პიეზოელექტრული ეფექტის მიერ გენერირებული ელექტროენერგია მთლიანი გამომავალი სიმძლავრის უმნიშვნელო პროცენტს შეადგენს. 75 დეციბელამდე დაბალი ხმის დონე ეფექტურობას 50%-მდე აუმჯობესებდა. ეფექტურობა პიკს 10 კჰც-ზე, ნანომილაკების რეზონანსულ სიხშირეზე აღწევდა. ვიბრირებადი ნანომილაკების მიერ შექმნილი ელექტრული ველი ურთიერთქმედებს ორგანული პოლიმერის ფენიდან მიგრირებად ელექტრონებთან. ეს პროცესი ამცირებს რეკომბინაციის ალბათობას, რომლის დროსაც ელექტრონები ენერგიით იტენება, მაგრამ ელექტრონების მიმღებ ZnO ფენაში მიგრაციის ნაცვლად ისევ ხვრელში ჩერდება.
![{\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {S}}&={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}+{\mathfrak {d}}^{t}\,\mathbf {E} \ &&\იგულისხმება \quad S_{ij}=\sum _{k_{\\ell, }+\sum _{k}d_{ijk}^{t}\,E_{k},\\[6pt]\mathbf {D} &={\mathfrak {d}}\,{\boldsymbol {T}}+{\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} &&\d\implies _{j,k}d_{ijk}\,T_{jk}+\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j},\end{გასწორებული}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6704b020e31a346b2db7c110f71830692ccf8774)
![{\displaystyle {\begin{aligned}\{S\}&=\left[s^{E}\right]\{T\}+[d^{\mathrm {t} }]\{E\},\\[6pt]\{D\}&=[d]\{T\}+\left[\varepsilon ^{T}\right]\{E\},\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2b7cb5ba4d1d2a459c0419b385f752a627a25687)
![{\displaystyle {\begin{aligned}&{\begin{bmatrix}S_{1}\\S_{2}\\S_{3}\\S_{4}\\S_{5}\\S_{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}s_{11}^{E}&s_{12}^{E}&s_{13}^{E}&0&0&0\\s_{21}^{E}&s_{22}^{E}&s_{23}^{E}&0&0&0\\s_{31}^{E}&s_{32 }^{E}&s_{33}^{E}&0&0&0\\0&0&0&s_{44}^{E}&0&0\\0&0&0&0&s_{55}^{E}&0\\0&0&0&0&0&s_{66}^{E}=2\left(s_{11}^{E}-s_{12}^{E}\right)\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bm atrix}}+{\begin{bmatrix}0&0&d_{31}\\0&0&d_{32}\\0&0&d_{33}\\0&d_{24}&0\\d_{15}&0&0\\0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\\[8პუნქტი]&{\begin{bmatrix}D_{1}\\D_{2}\\D_{3}\end{ bmatrix}}={\begin{bmatrix}0&0&0&0&d_{15}&0\\0&0&0&d_{24}&0&0\\d_{31}&d_{32}&d_{33}&0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}{\varepsilon }_{11}&0&0\\0&{\varepsilon }_{22}&0\\0&0&{\varepsilon }_{33}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/274067106e58b659dd52cbc526e4476eec76f231)
![{\displaystyle {\begin{aligned}d_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{E}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]e_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{E}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{S}\\[6pt]g_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{D}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial D_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]h_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{D}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial D_{i}}}\right)^{S}\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1898273adf66239c0ffea05c8a1752752defc04d)
