Wofür wird Piezoelektrizität verwendet?
Foto: Eine typische piezoelektrische Wandler. Dies ist der Klingelton in meinem Festnetztelefon: Es macht ein besonders schrilles und schreckliches Zwitschern, wenn das Telefon klingelt!
Es gibt alle Arten von Situationen, in denen wir mechanische Energie (Druck Oderbewegung irgendeiner Art) in elektrische Signale umwandeln müssen oder umgekehrt. Oft können wir das mit einem piezoelektrischen Wandler tun., Ein Wandler ist einfachein Gerät, das kleine Energiemengen von einer Art in eine andere umwandelt (z. B. Umwandlung von Licht, Schall oder mechanischem Druck in elektrische Signale).
In Ultraschallgeräten wandelt ein piezoelektrischer Wandler elektrische Energie in extrem schnelle mechanische Schwingungen um-so schnell, dass er Geräusche erzeugt, die jedoch für unsere Ohren zu hoch sind,um sie zu hören. Diese Ultraschallschwingungen können verwendet werden forscanning, Reinigung, und alle Arten von anderen Dingen.,
In einem Mikrofon müssen wir Schallenergie (Druckwellen, die durch die Luft wandern) in elektrische Energie umwandeln—und piezoelektrische Kristalle können uns dabei helfen. Kleben Sie einfach den vibrierenden Teil des Mikrofons an einen Kristall und, als Druckwellen von Ihrem voicearrive, sie werden den Kristall hin und her bewegen, generatingkorrespondierende elektrische Signale. Die „Nadel“ in einem Grammophon(manchmal Plattenspieler genannt) funktioniert umgekehrt. Während die Nadel mit der Spitze der spiralförmigen Nut in Ihrer LP entlang fährt, beugt sie sich auf und ab., Diese Schwingungen drücken und ziehen an einem leichtgewichtpiezoelektrischen Kristall und erzeugen elektrische Signale, die Ihr Stereothen wieder in hörbare Geräusche umwandelt.
Foto: Record-Player stylus (fotografiert von unten): Wenn Sie noch LP-Schallplatten abspielen, verwenden Sie einen Stift wie diesen, um die mechanischen Unebenheiten auf der Platte in Geräusche umzuwandeln, die Sie hören können. Der Stift (silberner horizontaler Balken) enthält einen winzigen Diamantkristall (den kleinen Punkt am Ende rechts), der in der Aufzeichnungsnut auf und ab springt., Die Vibrationen verzerren einen piezoelektrischen Kristall in der gelben Patrone, der elektrische Signale erzeugt, die verstärkt werden, um die Geräusche zu erzeugen, die Sie hören können.
In eine quarzuhr oder uhr, die reverse-piezoelektrische effectist verwendet zu halten zeit sehr genau. Elektrische Energie aus einer Batterie wird in einen Kristall eingespeistnehmen Sie es tausende Male pro Sekunde schwingen. Die Uhr verwendet dann eine elektronische Schaltung, um diese in langsamere, einmal pro Sekunde Schläge umzuwandeln, die ein winziger Motor und einige Präzisionsgeräte verwenden, um den zweiten, Minuten-und Stundenzeiger rund um das Zifferblatt zu fahren.,
Piezoelektrizität wird auch, viel grober, in Zündkerzen für Gasherde undbarbecues verwendet. Drücken Sie einen leichteren Schalter und Sie hören ein Klickgeräuschund sehen Funken erscheinen. Wenn Sie den Schalter drücken, drücken Sie einen piezoelektrischen Kristall zusammen, erzeugen eine Spannung und lassen einen Funken über einen kleinen Spalt fliegen.
Wenn Sie einen Tintenstrahldrucker auf Ihrem Schreibtisch sitzen haben, werden Präzisionsspritzen verwendet, um Wassertröpfchen auf das Papier zu spritzen., Einige Inkjets spritzen ihre Spritzen mit elektronisch gesteuerten piezoelektrischen Kristallen, die ihre „Kolben“ ein-und ausdrücken; Canon Bubble Jets feuern ihre Tinte ab, indem sie sie stattdessen erhitzen. (Weitere Details zu beiden Methoden finden Sie in unserem Artikel über Tintenstrahldrucker.)
Foto: Die NASA experimentierte mit der Verwendung piezoelektrischer Materialien, um Vibrationen und Geräusche von sich schnell drehenden Hubschrauberrotoren zu reduzieren. Foto mit freundlicher Genehmigung der NASA.
Energy harvesting mit Piezoelektrizität?,
Wenn du ein klein wenig Strom, indem Sie einen Piezo-Kristall einmal, könnten Sie eine beträchtliche Menge durch drücken viele Kristalle immer und immer wieder? Was wäre, wenn wir Kristalle unter Straßen und Gehwegen der Stadt vergraben würden, um Energie einzufangen, wenn Autos und Menschen vorbeifahren? Diese Idee, die als Energy Harvesting bekannt ist, hat das Interesse vieler Menschen geweckt., Erfinder haben alle Arten von Ideen zum Speichern von Energie mit versteckten piezoelektrischen Geräten vorgeschlagen, von Schuhen, die Ihre Laufbewegungen in Wärme umwandeln, um Ihre Füße warm zu halten, und Mobiltelefonen, die sich von Ihren Körperbewegungen aufladen, bis hin zu Straßen, die Straßenlaternen mit Strom versorgen, Kontaktlinsen, die Energie aufnehmen, wenn Sie blinken, und sogar Geräte, die Energie aus dem Druck des fallenden Regens erzeugen.
Grafik: Energy harvesting?, Erfinder haben viele Patente für tragbare Geräte angemeldet, die kleine Mengen an Elektrizität aus Ihren Körperbewegungen erzeugen. Dieses Beispiel ist ein Schuh mit einem eingebauten piezoelektrischen Wandler (1), der beim Gehen auf und ab springt, Strom an einen Stromkreis (2) sendet und dann in einer Batterie (3) speichert.
Ist Energy Harvesting eine gute Idee? Auf den ersten Blick klingt alles, was Abfallenergie minimiert und die Effizienz verbessert, wirklich sinnvoll., Wenn Sie den Boden eines Lebensmittelgeschäfts nutzen könnten, um Energie von den Füßen eiliger Käufer einzufangen, die ihre schweren Karren schieben, und damit die Lichter des Ladens oder seine Kühlschränke mit Strom versorgen könnten, muss das sicherlich eine gute Sache sein? Manchmal kann Energy Harvesting tatsächlich eine anständige, wenn auch eher bescheidene Leistung liefern.
Das Problem ist jedoch, dass Energy Harvesting-Systeme eine große Ablenkung von besseren Ideen sein können. Betrachten Sie zum Beispiel das Konzept, Straßen mit piezoelektrischen „Rumpelstreifen“ zu bauen, die Energie aus dem vorbeifahrenden Verkehr aufnehmen., Autos sind extrem ineffiziente Maschinen und nur eine kleine Menge (15 Prozent oder so) der Energie in ihrem Kraftstoff treibt Sie die Straße hinunter. Nur ein Bruchteil dieser Fraktion steht für die Wiederherstellung von der Straße zur Verfügung—und Sie würden nicht in der Lage sein, all diese Fraktion mit 100 Prozent Effizienz wiederherzustellen. Die Energiemenge, die Sie praktisch wiedergewinnen könnten, und der Effizienzgewinn, den Sie für das ausgegebene Geld erzielen würden, wären winzig., Wenn Sie wirklich Energie von Autos sparen möchten, ist der sinnvolle Weg, dies zu tun, die Ineffizienzen des Autotransports viel früher anzugehen; zum Beispiel durch die Entwicklung von Motoren, die effizienter sind, die Menschen ermutigen, Autos zu teilen, von Benzinmotoren zu Elektroautos zu wechseln, und solche Dinge.
Das heißt nicht, dass Energy Harvesting keinen Platz hat; Es könnte wirklich nützlich sein, um mobile Geräte mit Energie aufzuladen, die sonst verschwendet würde. Stellen Sie sich ein Handy vor, das sich jedes Mal automatisch aufgeladen hat, wenn es zum Beispiel in Ihrer Tasche herumwitzelte., Trotzdem sollten wir bei der Energieeinsparung immer das Gesamtbild berücksichtigen und sicherstellen, dass Zeit und Geld, das wir investieren, die bestmöglichen Ergebnisse erzielen.
Wer hat Piezoelektrizität entdeckt?
Der piezoelektrische Effekt wurde 1880 von zwei französischen Physikern, brothersPierre und Paul-Jacques Curie, in Quarzkristallen, Turmalin und Androchellensalz (Kaliumnatriumtartrat) entdeckt. Sie nahmen den Namen vondas griechische Werk Piezein, was „drücken“ bedeutet.,“Jacques fasste die Beobachtung in einem Papier von 1889 in Annales de Chimie et de Physique(meine eigene sehr grobe Übersetzung aus dem Französischen) zusammen:
„Wenn man entlang der Hauptachse zieht oder drückt , erscheinen an den Enden dieser Achse gleiche Elektrizitätsmengen entgegengesetzter Vorzeichen, proportional zur Wirkkraft und unabhängig von den Abmessungen des Quarzes.“
von Bildmaterial: die Abbildungen der Curie‘ arbeiten aus Quarz-Piezo-Electrique: Extrait de la Diese de J. CURIE: Annales de Chimie et de Physique, t., XVII, 1889, S. 392.
