पीजोइलेक्ट्रिक तत्व कैसे काम करता है और पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव क्या है

पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव की खोज 19वीं शताब्दी के अंत में फ्रांसीसी वैज्ञानिकों क्यूरी बंधुओं ने की थी। उस समय, खोजी गई घटना के व्यावहारिक अनुप्रयोग के बारे में बात करना जल्दबाजी होगी, लेकिन वर्तमान में, पीजोइलेक्ट्रिक तत्वों का व्यापक रूप से प्रौद्योगिकी और रोजमर्रा की जिंदगी दोनों में उपयोग किया जाता है।

पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव का सार

प्रसिद्ध भौतिकविदों ने स्थापित किया है कि जब कुछ क्रिस्टल (रॉक क्रिस्टल, टूमलाइन, आदि) विकृत होते हैं, तो उनके चेहरे पर विद्युत आवेश उत्पन्न होते हैं। उसी समय, संभावित अंतर छोटा था, लेकिन यह उस समय मौजूद उपकरणों द्वारा आत्मविश्वास से तय किया गया था, और कंडक्टरों का उपयोग करके विपरीत ध्रुवीय चार्ज वाले वर्गों को जोड़कर, प्राप्त करना संभव था बिजली. घटना केवल गतिकी में, संपीड़न या खिंचाव के समय तय की गई थी। स्थैतिक मोड में विकृति के कारण पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव नहीं हुआ।

जल्द ही, विपरीत प्रभाव सैद्धांतिक रूप से उचित था और व्यवहार में खोजा गया था - जब एक वोल्टेज लागू किया गया था, तो क्रिस्टल विकृत हो गया था।यह पता चला कि दोनों घटनाएं परस्पर जुड़ी हुई हैं - यदि कोई पदार्थ प्रत्यक्ष पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव प्रदर्शित करता है, तो इसके विपरीत भी निहित है, और इसके विपरीत।

घटना को अनिसोट्रोपिक प्रकार के क्रिस्टल जाली (जिनके भौतिक गुण दिशा के आधार पर भिन्न होते हैं) के साथ पर्याप्त विषमता के साथ-साथ कुछ पॉलीक्रिस्टलाइन संरचनाओं के साथ पदार्थों में मनाया जाता है।

किसी भी ठोस पिंड में, लागू बाहरी बल विरूपण और यांत्रिक तनाव का कारण बनते हैं, और पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव वाले पदार्थों में, वे आवेशों के ध्रुवीकरण का कारण बनते हैं, और ध्रुवीकरण लागू बल की दिशा पर निर्भर करता है। एक्सपोज़र की दिशा बदलते समय, ध्रुवीकरण की दिशा और आवेशों की ध्रुवता दोनों बदल जाती हैं। यांत्रिक तनाव पर ध्रुवीकरण की निर्भरता रैखिक है और अभिव्यक्ति पी = डीटी द्वारा वर्णित है, जहां टी यांत्रिक तनाव है, और डी एक गुणांक है जिसे पीजोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल (पीजोइलेक्ट्रिक मॉड्यूल) कहा जाता है।

इसी तरह की घटना रिवर्स पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव के साथ होती है। जब लागू विद्युत क्षेत्र की दिशा बदलती है, तो विरूपण की दिशा बदल जाती है। यहां निर्भरता भी रैखिक है: आर = डीई, जहां ई विद्युत क्षेत्र की ताकत है और आर तनाव है। गुणांक d सभी पदार्थों के लिए प्रत्यक्ष और व्युत्क्रम पीजोइलेक्ट्रिक प्रभावों के लिए समान है।

वास्तव में, उपरोक्त समीकरण केवल अनुमान हैं। वास्तविक निर्भरताएं बहुत अधिक जटिल हैं और क्रिस्टल कुल्हाड़ियों के सापेक्ष बलों की दिशा से भी निर्धारित होती हैं।

पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव वाले पदार्थ

पहली बार पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव रॉक क्रिस्टल (क्वार्ट्ज) में पाया गया। आज तक, पीजोइलेक्ट्रिक तत्वों के उत्पादन में यह सामग्री बहुत आम है, लेकिन उत्पादन में न केवल प्राकृतिक सामग्री का उपयोग किया जाता है।

कई पीजोइलेक्ट्रिक्स एबीओ फॉर्मूला वाले पदार्थों से बने होते हैं।₃, उदा. BaTiO₃, bТiO₃. इन सामग्रियों में एक पॉलीक्रिस्टलाइन (कई क्रिस्टल से मिलकर) संरचना होती है, और उन्हें पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव प्रदर्शित करने की क्षमता देने के लिए, उन्हें बाहरी विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके ध्रुवीकरण के अधीन किया जाना चाहिए।

ऐसी प्रौद्योगिकियां हैं जो फिल्म पीजोइलेक्ट्रिक्स (पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड, आदि) प्राप्त करना संभव बनाती हैं। उन्हें आवश्यक गुण देने के लिए, उन्हें विद्युत क्षेत्र में लंबे समय तक ध्रुवीकृत करने की भी आवश्यकता होती है। ऐसी सामग्रियों का लाभ बहुत छोटी मोटाई है।

पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव वाले पदार्थों के गुण और विशेषताएं

चूंकि ध्रुवीकरण केवल लोचदार विरूपण के दौरान होता है, एक पीजोमटेरियल की एक महत्वपूर्ण विशेषता बाहरी ताकतों की कार्रवाई के तहत आकार बदलने की क्षमता है। इस क्षमता का मूल्य लोचदार अनुपालन (या लोचदार कठोरता) द्वारा निर्धारित किया जाता है।

पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव वाले क्रिस्टल अत्यधिक लोचदार होते हैं - जब बल (या बाहरी तनाव) हटा दिया जाता है, तो वे अपने मूल आकार में लौट आते हैं।

पीजोक्रिस्टल की अपनी यांत्रिक अनुनाद आवृत्ति भी होती है। यदि आप इस आवृत्ति पर क्रिस्टल को कंपन करते हैं, तो आयाम विशेष रूप से बड़ा होगा।

 

चूंकि पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव न केवल पूरे क्रिस्टल द्वारा प्रकट होता है, बल्कि उनमें से प्लेटों द्वारा भी कुछ शर्तों के तहत काटा जाता है, इसलिए ज्यामितीय आयामों और कट की दिशा के आधार पर, विभिन्न आवृत्तियों पर प्रतिध्वनि के साथ पीजोइलेक्ट्रिक पदार्थों के टुकड़े प्राप्त करना संभव है।

इसके अलावा, पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री के कंपन गुणों को एक यांत्रिक गुणवत्ता कारक द्वारा विशेषता है। यह दर्शाता है कि समान लागू बल के साथ गुंजयमान आवृत्ति पर दोलनों का आयाम कितनी बार बढ़ता है।

तापमान पर पीजोइलेक्ट्रिक के गुणों की स्पष्ट निर्भरता है, जिसे क्रिस्टल का उपयोग करते समय ध्यान में रखा जाना चाहिए। यह निर्भरता गुणांक द्वारा विशेषता है:

• गुंजयमान आवृत्ति का तापमान गुणांक दर्शाता है कि क्रिस्टल को गर्म / ठंडा करने पर प्रतिध्वनि कितनी दूर जाती है;
• तापमान विस्तार गुणांक यह निर्धारित करता है कि पीजोइलेक्ट्रिक प्लेट के रैखिक आयाम तापमान के साथ कितना बदलते हैं।

एक निश्चित तापमान पर, पीजोक्रिस्टल अपने गुणों को खो देता है। इस सीमा को क्यूरी तापमान कहते हैं। यह सीमा प्रत्येक सामग्री के लिए अलग-अलग है। उदाहरण के लिए, क्वार्ट्ज के लिए यह +573 डिग्री सेल्सियस है।

पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव का व्यावहारिक उपयोग

पीजोइलेक्ट्रिक तत्वों का सबसे प्रसिद्ध अनुप्रयोग एक प्रज्वलन तत्व के रूप में है। पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव का उपयोग गैस स्टोव के लिए पॉकेट लाइटर या किचन इग्नाइटर में किया जाता है। जब क्रिस्टल को दबाया जाता है, तो एक संभावित अंतर उत्पन्न होता है और हवा के अंतराल में एक चिंगारी दिखाई देती है।

पीजोइलेक्ट्रिक तत्वों के आवेदन का यह क्षेत्र समाप्त नहीं हुआ है। इसी तरह के प्रभाव वाले क्रिस्टल को तनाव गेज के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, लेकिन उपयोग का यह क्षेत्र केवल गतिशीलता में दिखाई देने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव की संपत्ति द्वारा सीमित है - यदि परिवर्तन बंद हो जाते हैं, तो संकेत उत्पन्न होना बंद हो जाता है।

पीजोक्रिस्टल का उपयोग माइक्रोफोन के रूप में किया जा सकता है - जब ध्वनिक तरंगों के संपर्क में आते हैं, तो विद्युत संकेत बनते हैं। रिवर्स पीजोइलेक्ट्रिक प्रभाव भी (कभी-कभी एक साथ) ध्वनि उत्सर्जक जैसे तत्वों के उपयोग की अनुमति देता है। जब क्रिस्टल पर एक विद्युत संकेत लगाया जाता है, तो पीजोइलेक्ट्रिक तत्व ध्वनिक तरंगें उत्पन्न करना शुरू कर देगा।

ऐसे उत्सर्जक व्यापक रूप से अल्ट्रासोनिक तरंगों को बनाने के लिए उपयोग किए जाते हैं, विशेष रूप से, चिकित्सा प्रौद्योगिकी में। पर यह प्लेट के गुंजयमान गुणों का भी उपयोग किया जा सकता है।इसका उपयोग एक ध्वनिक फिल्टर के रूप में किया जा सकता है जो केवल प्राकृतिक आवृत्ति तरंगों का चयन करता है। एक अन्य विकल्प एक ध्वनि जनरेटर (सायरन, डिटेक्टर, आदि) में एक पीजोइलेक्ट्रिक तत्व का एक साथ आवृत्ति-सेटिंग और ध्वनि-उत्सर्जक तत्व के रूप में उपयोग करना है। इस मामले में, ध्वनि हमेशा गुंजयमान आवृत्ति पर उत्पन्न होगी, और कम ऊर्जा खपत के साथ अधिकतम मात्रा प्राप्त की जा सकती है।

रेडियो फ्रीक्वेंसी रेंज में काम करने वाले जनरेटर की आवृत्तियों को स्थिर करने के लिए अनुनाद गुणों का उपयोग किया जाता है। क्वार्ट्ज प्लेट्स फ़्रीक्वेंसी-सेटिंग सर्किट में अत्यधिक स्थिर और उच्च गुणवत्ता वाले ऑसिलेटरी सर्किट की भूमिका निभाते हैं।

औद्योगिक पैमाने पर लोचदार विरूपण की ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए अभी भी शानदार परियोजनाएं हैं। आप पैदल चलने वालों या कारों के गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में फुटपाथ के विरूपण का उपयोग कर सकते हैं, उदाहरण के लिए, पटरियों के वर्गों को रोशन करने के लिए। आप विमान नेटवर्क प्रदान करने के लिए विमान के पंखों की विरूपण ऊर्जा का उपयोग कर सकते हैं। इस तरह का उपयोग पीजोइलेक्ट्रिक तत्वों की अपर्याप्त दक्षता से विवश है, लेकिन पायलट प्लांट पहले ही बनाए जा चुके हैं, और उन्होंने आगे सुधार का वादा दिखाया है।

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