الكهرباء الانضغاطية هي قدرة بعض المواد على توليد الكهرباء عند تعرضها لضغط ميكانيكي والعكس صحيح. تأتي الكلمة من الكلمة اليونانية بيزو التي تعني الضغط والكهرباء. تم اكتشافه لأول مرة في عام 1880 ، لكن المفهوم معروف منذ فترة طويلة.
أفضل مثال معروف للكهرباء الانضغاطية هو الكوارتز ، لكن العديد من المواد الأخرى تعرض هذه الظاهرة أيضًا. الاستخدام الأكثر شيوعًا للكهرباء الانضغاطية هو إنتاج الموجات فوق الصوتية.
في هذا المقال ، سأناقش ماهية الكهرباء الانضغاطية ، وكيف تعمل ، وبعض التطبيقات العملية العديدة لهذه الظاهرة المذهلة.
ما هي الكهرباء الانضغاطية؟
الكهرباء الانضغاطية هي قدرة بعض المواد على توليد شحنة كهربائية استجابة للضغط الميكانيكي المطبق. إنه تفاعل كهروميكانيكي خطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية في المواد البلورية مع تناظر انعكاس. يمكن استخدام المواد الكهرضغطية لتوليد الكهرباء ذات الجهد العالي ، ومولدات الساعة ، والأجهزة الإلكترونية ، والموازنات الدقيقة ، ودفع الفوهات فوق الصوتية ، والتجمعات الضوئية فائقة الدقة.
تشتمل المواد الكهرضغطية على البلورات وبعض السيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي والبروتينات. عندما يتم تطبيق قوة على مادة كهرضغطية ، فإنها تنتج شحنة كهربائية. يمكن بعد ذلك استخدام هذه الشحنة لتشغيل الأجهزة أو إنشاء جهد كهربائي.
تُستخدم المواد الكهرضغطية في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، بما في ذلك:
• إنتاج وكشف الصوت
• الطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية
• توليد الكهرباء ذات الجهد العالي
• مولدات على مدار الساعة
• الأجهزة الإلكترونية
• الموازين الدقيقة
• قيادة فوهات الموجات فوق الصوتية
• التجميعات الضوئية فائقة الدقة
• بكابات للقيثارات المضخمة إلكترونيًا
• مشغلات للطبول الإلكترونية الحديثة
• إنتاج شرارات لإشعال الغاز
• أجهزة الطبخ والتدفئة
• مشاعل وولاعات سجائر.
ما هو تاريخ الكهرباء الانضغاطية؟
تم اكتشاف الكهرباء الانضغاطية في عام 1880 من قبل الفيزيائيين الفرنسيين جاك وبيير كوري. إنها الشحنة الكهربائية التي تتراكم في بعض المواد الصلبة ، مثل البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية ، استجابةً للإجهاد الميكانيكي المطبق. كلمة "كهرضغطية" مشتقة من الكلمة اليونانية "piezein" ، والتي تعني "ضغط" أو "ضغط" ، و "إلكترون" ، وتعني "كهرمان" ، وهو مصدر قديم للشحنة الكهربائية.
ينتج التأثير الكهروإجهادي عن التفاعل الكهروميكانيكي الخطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية للمواد البلورية مع التناظر الانعكاسي. إنها عملية قابلة للانعكاس ، مما يعني أن المواد التي تعرض الكهرباء الانضغاطية تظهر أيضًا التأثير الكهروضغطي العكسي ، وهو التوليد الداخلي للإجهاد الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق.
أدت معرفة Curies المجمعة بالكهرباء الحرارية وفهم الهياكل البلورية الأساسية إلى التنبؤ بالكهرباء الحرارية والقدرة على التنبؤ بالسلوك البلوري. وقد تجلى ذلك في تأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وقصب السكر وملح روشيل.
أكد Curies على الفور وجود التأثير العكسي ، واستمروا في الحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للتشوهات الكهروإلاستو الميكانيكية في البلورات الكهروضغطية. على مدى عقود ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر حتى أصبحت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم بواسطة بيير وماري كوري.
تم استغلال الكهرباء الانضغاطية في العديد من التطبيقات المفيدة ، بما في ذلك إنتاج الصوت والكشف عنه ، والطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية ، وتوليد الكهرباء ذات الجهد العالي ، ومولدات الساعة والأجهزة الإلكترونية ، والموازنات الدقيقة ، ومحرك الفوهات فوق الصوتية ، والتركيز فائق الدقة للتجمعات الضوئية ، وأشكال أساس مسح المجاهر المجس لتحليل الصور بمقياس الذرات.
تجد الكهرباء الانضغاطية أيضًا استخدامات يومية ، مثل توليد شرارات لإشعال الغاز في أجهزة الطهي والتدفئة ، والمشاعل ، ولاعات السجائر ، والتأثير الكهروحراري ، حيث تولد المادة جهدًا كهربائيًا استجابةً لتغير درجة الحرارة.
شهد تطوير السونار خلال الحرب العالمية الأولى استخدام بلورات كهرضغطية طورتها شركة Bell Telephone Laboratories. سمح ذلك للقوات الجوية المتحالفة بالانخراط في هجمات جماعية منسقة باستخدام راديو الطيران. أدى تطوير الأجهزة والمواد الكهربائية الانضغاطية في الولايات المتحدة إلى إبقاء الشركات في تطور بدايات زمن الحرب في مجال المصالح ، وتأمين براءات اختراع مربحة للمواد الجديدة.
شهدت اليابان التطبيقات الجديدة والنمو في صناعة الكهرباء الانضغاطية بالولايات المتحدة وسرعان ما طورت تطبيقاتها الخاصة. لقد تبادلوا المعلومات بسرعة وطوروا تيتانات الباريوم وبعد ذلك مواد تيتانات الزركونات الرصاصية ذات الخصائص المحددة لتطبيقات معينة.
قطعت الكهرباء الانضغاطية شوطًا طويلاً منذ اكتشافها في عام 1880 ، وهي تُستخدم الآن في مجموعة متنوعة من التطبيقات اليومية. كما تم استخدامه لإحداث تقدم في أبحاث المواد ، مثل أجهزة قياس الانعكاس للمجال الزمني بالموجات فوق الصوتية ، والتي ترسل نبضًا بالموجات فوق الصوتية عبر مادة لقياس الانعكاسات والانقطاعات للعثور على العيوب داخل الأجسام المعدنية والحجرية المصبوبة ، مما يحسن السلامة الهيكلية.
كيف تعمل الكهرباء الانضغاطية
في هذا القسم ، سأستكشف كيف تعمل الكهرباء الانضغاطية. سأبحث في تراكم الشحنة الكهربائية في المواد الصلبة ، والتفاعل الكهروميكانيكي الخطي ، والعملية العكسية التي تشكل هذه الظاهرة. سأناقش أيضًا تاريخ الكهرباء الانضغاطية وتطبيقاتها.
تراكم الشحنة الكهربائية في المواد الصلبة
الكهرباء الانضغاطية هي الشحنة الكهربائية التي تتراكم في بعض المواد الصلبة ، مثل البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي. إنه استجابة للضغط الميكانيكي المطبق ، ويأتي اسمه من الكلمات اليونانية "piezein" (ضغط أو ضغط) و "ēlektron" (كهرمان).
ينتج التأثير الكهروإجهادي عن التفاعل الكهروميكانيكي الخطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية في المواد البلورية ذات التناظر العكسي. إنها عملية عكسية ، مما يعني أن المواد التي تظهر عليها كهرضغطية تظهر أيضًا تأثير كهرضغطية عكسي ، حيث ينتج التوليد الداخلي للإجهاد الميكانيكي من مجال كهربائي مطبق. تشمل أمثلة المواد التي تولد كهربيضغطية قابلة للقياس بلورات تيتانات الرصاص.
اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان بيير وجاك كوري الكهرباء الانضغاطية في عام 1880. ومنذ ذلك الحين تم استغلالها في مجموعة متنوعة من التطبيقات المفيدة ، بما في ذلك إنتاج الصوت والكشف عنه ، وطباعة نفث الحبر الكهروضغطي ، وتوليد الكهرباء عالية الجهد ، ومولدات الساعة ، والأجهزة الإلكترونية مثل الموازين الدقيقة وقيادة فوهات الموجات فوق الصوتية للتركيز فائق الدقة للتجمعات الضوئية. كما أنها تشكل أساس مجاهر المسح ، والتي يمكنها حل الصور على نطاق الذرات. تُستخدم الكهرباء الانضغاطية أيضًا في التقاطات للقيثارات المضخمة إلكترونيًا ، ومحفزات الطبول الإلكترونية الحديثة.
تجد الكهرباء الانضغاطية الاستخدامات اليومية في توليد شرارات لإشعال الغاز ، وفي أجهزة الطهي والتدفئة ، والمشاعل ، ولاعات السجائر ، والتأثير الكهروحراري ، حيث تولد المادة جهدًا كهربائيًا استجابةً لتغير درجة الحرارة. تمت دراسة هذا من قبل كارل لينيوس وفرانز إيبينوس في منتصف القرن الثامن عشر ، بالاعتماد على المعرفة من رينيه هاي وأنطوان سيزار بيكريل ، اللذين افترضوا وجود علاقة بين الإجهاد الميكانيكي والشحنة الكهربائية. أثبتت التجارب أنها غير حاسمة.
إن منظر بلورة بيزو في معوض كوري في متحف هانتيريان في اسكتلندا هو دليل على التأثير المباشر للكهرباء الانضغاطية. جمع الأخوان بيير وجاك كوري معرفتهما بالكهرباء الحرارية مع فهم الهياكل البلورية الأساسية ، مما أدى إلى التنبؤ بالكهرباء الحرارية. كانوا قادرين على التنبؤ بالسلوك البلوري وأظهروا التأثير في البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وسكر القصب وملح روشيل. كما أظهر طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم رباعي هيدرات والكوارتز كهرضغطية كهرضغطية. يولد القرص الكهروإجهادي جهدًا عند تشوهه ، ويتم تضخيم التغيير في الشكل بشكل كبير في عرض Curies.
لقد كانوا قادرين على التنبؤ بالتأثير الكهروإجهادي العكسي ، وتم استنتاج التأثير العكسي رياضيًا بواسطة غابرييل ليبمان في عام 1881. أكد الكوريون على الفور وجود التأثير المعاكس ، وواصلوا الحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للمطاط الكهربائي. التشوهات الميكانيكية في بلورات كهرضغطية.
لعقود من الزمان ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر ، لكنها كانت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم بواسطة بيير وماري كوري. توج عملهم لاستكشاف وتحديد الهياكل البلورية التي عرضت الكهرباء الانضغاطية في نشر كتاب Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال) ، والذي وصف فئات البلورات الطبيعية القادرة على الكهرباء الانضغاطية وحدد بدقة الثوابت الكهرضغطية من خلال تحليل الموتر. كان هذا هو التطبيق العملي للأجهزة الكهرضغطية ، وقد تم تطوير السونار خلال الحرب العالمية الأولى. في فرنسا ، طور بول لانجفين وزملاؤه كاشف الغواصات فوق الصوتي.
يتكون الكاشف من أ محول الطاقة مصنوعة من بلورات الكوارتز الرقيقة الملصقة بعناية على ألواح فولاذية ، وميكروفون لاكتشاف الصدى المرتجع. عن طريق انبعاث النشوة تردد النبض من محول الطاقة وقياس الوقت المستغرق لسماع صدى الموجات الصوتية التي ترتد عن جسم ما ، تمكنوا من حساب المسافة إلى الجسم. لقد استخدموا الكهرباء الانضغاطية لإنجاح السونار ، وخلق المشروع تطورًا مكثفًا واهتمامًا بالأجهزة الكهروضغطية. على مر العقود ، تم استكشاف وتطوير مواد كهرضغطية جديدة وتطبيقات جديدة للمواد ، ووجدت الأجهزة الكهروضغطية منازل في مجموعة متنوعة من المجالات. قامت خراطيش الفونوغراف الخزفية بتبسيط تصميم المشغل وصنعت لمشغلات التسجيلات الرخيصة والدقيقة التي كانت أرخص في الصيانة وأسهل في البناء.
سمح تطوير محولات الطاقة فوق الصوتية بقياس سهل لزوجة ومرونة السوائل والمواد الصلبة ، مما أدى إلى تقدم كبير في أبحاث المواد.
التفاعل الكهروميكانيكي الخطي
الكهرباء الانضغاطية هي قدرة بعض المواد على توليد شحنة كهربائية عند تعرضها لضغط ميكانيكي. الكلمة مشتقة من الكلمات اليونانية πιέζειν (piezein) التي تعني "الضغط أو الضغط" و ἤλεκτρον (ēlektron) تعني "العنبر" ، والتي كانت مصدرًا قديمًا للشحنة الكهربائية.
تم اكتشاف الكهرباء الانضغاطية في عام 1880 من قبل الفيزيائيين الفرنسيين جاك وبيير كوري. يعتمد على التفاعل الكهروميكانيكي الخطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية للمواد البلورية مع التناظر الانعكاسي. هذا التأثير قابل للانعكاس ، مما يعني أن المواد التي تظهر كهرضغطية تظهر أيضًا تأثير كهرضغطية عكسي ، حيث ينتج التوليد الداخلي للإجهاد الميكانيكي من مجال كهربائي مطبق. تتضمن أمثلة المواد التي تولد كهربي إجهادية قابلة للقياس عند تشوهها من هيكلها الثابت بلورات تيتانات الرصاص. على العكس من ذلك ، يمكن أن تغير البلورات بُعدها الثابت عند تطبيق مجال كهربائي خارجي ، وهو ما يُعرف بالتأثير الكهروضغطي العكسي ويستخدم في إنتاج الموجات فوق الصوتية.
تم استغلال الكهرباء الانضغاطية في مجموعة متنوعة من التطبيقات المفيدة ، مثل:
• إنتاج وكشف الصوت
• الطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية
• توليد الكهرباء ذات الجهد العالي
• مولد الساعة
• الأجهزة الإلكترونية
• الموازين الدقيقة
• قيادة فوهات الموجات فوق الصوتية
• التجميعات الضوئية فائقة الدقة
• يشكل أساس مسح المجاهر المجسات لتحليل الصور على مقياس الذرات
• التقاطات في القيثارات المضخمة إلكترونيًا
• مشغلات في الاسطوانات الالكترونية الحديثة
• توليد شرارات لإشعال الغاز في أجهزة الطهي والتدفئة
• مشاعل وولاعات سجائر
تجد الكهرباء الانضغاطية أيضًا استخدامات يومية في التأثير الكهروحراري ، وهو مادة تولد جهدًا كهربائيًا استجابةً لتغير درجة الحرارة. تمت دراسة هذا من قبل كارل لينيوس وفرانز إيبينوس في منتصف القرن الثامن عشر ، بالاعتماد على المعرفة من رينيه هاي وأنطوان سيزار بيكريل ، اللذين افترضوا وجود علاقة بين الإجهاد الميكانيكي والشحنة الكهربائية. ومع ذلك ، أثبتت التجارب أنها غير حاسمة.
يعد عرض بلورة بيزو في معوض كوري في متحف هانتيريان في اسكتلندا دليلًا على التأثير المباشر للكهرباء الانضغاطية. لقد كان عمل الأخوين بيير وجاك كوري هو الذي استكشف وحدد الهياكل البلورية التي عرضت الكهرباء الانضغاطية ، وبلغت ذروتها بنشر Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال). وصف هذا فئات البلورات الطبيعية القادرة على الكهرباء الانضغاطية وحدد بدقة الثوابت الكهرضغطية من خلال تحليل الموتر ، مما أدى إلى التطبيق العملي للأجهزة الكهرضغطية.
تم تطوير Sonar خلال الحرب العالمية الأولى ، عندما طور الفرنسي Paul Langevin وزملاؤه كاشف الغواصات بالموجات فوق الصوتية. يتكون هذا الكاشف من محول طاقة مصنوع من بلورات الكوارتز الرقيقة الملصقة بعناية على ألواح فولاذية ، وميكروفون لاكتشاف الصدى المرتجع بعد انبعاث نبضة عالية التردد من المحول. من خلال قياس الوقت المستغرق لسماع صدى الموجات الصوتية التي ترتد عن جسم ما ، تمكنوا من حساب مسافة الجسم ، باستخدام الكهرباء الانضغاطية. أدى نجاح هذا المشروع إلى تطوير مكثف واهتمام بالأجهزة الكهروضغطية على مدى عقود ، مع استكشاف وتطوير مواد كهرضغطية جديدة وتطبيقات جديدة لهذه المواد. وجدت الأجهزة الكهربائية الانضغاطية منازل في العديد من المجالات ، مثل خراطيش الفونوغراف الخزفية ، التي سهّلت تصميم المشغل وصنعت لمشغلات تسجيل أرخص وأكثر دقة ، وأرخص وأسهل في البناء والصيانة.
سمح تطوير محولات الطاقة فوق الصوتية بقياس سهل لزوجة ومرونة السوائل والمواد الصلبة ، مما أدى إلى تقدم كبير في أبحاث المواد. ترسل أجهزة قياس الانعكاس للمجال الزمني بالموجات فوق الصوتية نبضة فوق صوتية إلى مادة وتقيس الانعكاسات والانقطاعات للعثور على العيوب داخل الأجسام المعدنية والحجرية المصبوبة ، مما يحسن السلامة الهيكلية. بعد الحرب العالمية الثانية ، اكتشفت مجموعات بحثية مستقلة في الولايات المتحدة وروسيا واليابان فئة جديدة من المواد الاصطناعية تسمى ferroelectrics ، والتي أظهرت ثوابت كهرضغطية أعلى بعدة مرات من المواد الطبيعية. أدى ذلك إلى إجراء بحث مكثف لتطوير تيتانات الباريوم ، ولاحقًا تيتانات الزركونات الرصاص ، وهي مواد ذات خصائص محددة لتطبيقات معينة.
تم تطوير مثال هام على استخدام البلورات الكهروإجهادية بواسطة مختبرات Bell Telephone بعد الحرب العالمية الثانية. فريدريك آر لاك ، يعمل في قسم هندسة الاتصالات اللاسلكية ،
عملية عكسية
الكهرباء الانضغاطية هي شحنة كهربائية تتراكم في بعض المواد الصلبة ، مثل البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي. إنها استجابة هذه المواد للضغط الميكانيكي المطبق. تأتي كلمة "كهرضغطية" من الكلمات اليونانية "piezein" التي تعني "ضغط" أو "ضغط" و "lektron" تعني "كهرمان" ، وهو مصدر قديم للشحنة الكهربائية.
ينتج التأثير الكهروإجهادي عن التفاعل الكهروميكانيكي الخطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية للمواد البلورية مع التناظر الانعكاسي. إنها عملية قابلة للانعكاس ، مما يعني أن المواد التي تعرض الكهرباء الانضغاطية تظهر أيضًا التأثير الكهروضغطي العكسي ، وهو التوليد الداخلي للإجهاد الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق. تشمل أمثلة المواد التي تولد كهربيضغطية قابلة للقياس بلورات تيتانات الرصاص. عندما يتشوه الهيكل الثابت لهذه البلورات ، فإنها تعود إلى أبعادها الأصلية ، وعلى العكس ، عندما يتم تطبيق مجال كهربائي خارجي ، فإنها تغير بعدها الثابت ، وتنتج موجات فوق صوتية.
اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان جاك وبيير كوري الكهروإجهادية في عام 1880. ومنذ ذلك الحين تم استغلالها في مجموعة متنوعة من التطبيقات المفيدة ، بما في ذلك إنتاج الصوت والكشف عنه ، وطباعة نفث الحبر الكهروضغطي ، وتوليد الكهرباء ذات الجهد العالي ، ومولدات الساعة ، والأجهزة الإلكترونية ، والموازنات الدقيقة ، قيادة الفوهات بالموجات فوق الصوتية ، والتجمعات الضوئية متناهية الصغر. كما أنه يشكل الأساس لمسح مجاهر المجسات ، والتي يمكنها حل الصور على نطاق الذرات. تُستخدم الكهرباء الانضغاطية أيضًا في التقاطات للقيثارات المضخمة إلكترونيًا ومحفزات الطبول الإلكترونية الحديثة.
تجد الكهرباء الانضغاطية أيضًا استخدامات يومية ، مثل توليد شرارات لإشعال الغاز في أجهزة الطهي والتدفئة والمشاعل وولاعات السجائر وغير ذلك. تمت دراسة التأثير الكهروحراري ، حيث تولد المادة جهدًا كهربائيًا استجابةً لتغير درجة الحرارة ، بواسطة كارل لينيوس وفرانز إيبينوس ورينيه هاي في منتصف القرن الثامن عشر ، بالاعتماد على معرفة الكهرمان. افترض أنطوان سيزار بيكريل وجود علاقة بين الإجهاد الميكانيكي والشحنة الكهربائية ، لكن التجارب أثبتت أنها غير حاسمة.
يمكن لزوار متحف Hunterian في غلاسكو مشاهدة Piezo Crystal Curie Compensator ، وهو عرض للتأثير الكهروضغطي المباشر للأخوين بيير وجاك كوري. أدى الجمع بين معرفتهم بالكهرباء الحرارية وفهم الهياكل البلورية الأساسية إلى التنبؤ بالكهرباء الحرارية والقدرة على التنبؤ بالسلوك البلوري. تم توضيح ذلك بتأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وقصب السكر وملح روشيل. كما أظهر طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم رباعي هيدرات وكوارتز كهرضغطية كهرضغطية ، واستخدم قرص كهرضغطية لتوليد جهد عند تشوهه. تم تضخيم هذا التغيير في الشكل بشكل كبير من قبل الكوريين للتنبؤ بالتأثير الكهرضغطية العكسي. تم استنتاج التأثير العكسي رياضيًا من مبادئ الديناميكا الحرارية الأساسية بواسطة غابرييل ليبمان في عام 1881.
أكد Curies على الفور وجود التأثير العكسي ، واستمروا في الحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للتشوهات الكهروإلاستو الميكانيكية في البلورات الكهروضغطية. لعقود من الزمان ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر ، لكنها كانت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم بواسطة بيير وماري كوري. بلغ عملهم لاستكشاف وتعريف الهياكل البلورية التي عرضت الكهرباء الانضغاطية ذروتها في نشر Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال). وصف هذا فئات البلورات الطبيعية القادرة على الكهرباء الانضغاطية وحدد بدقة الثوابت الكهروضغطية باستخدام تحليل الموتر.
تم تطوير التطبيق العملي للأجهزة الكهروضغطية ، مثل السونار ، خلال الحرب العالمية الأولى. في فرنسا ، طور بول لانجفين وزملاؤه كاشف الغواصات فوق الصوتي. يتكون هذا الكاشف من محول طاقة مصنوع من بلورات الكوارتز الرقيقة الملصقة بعناية على ألواح فولاذية ، وميكروفون لاكتشاف الصدى المرتجع. من خلال إصدار نبضة عالية التردد من محول الطاقة وقياس الوقت المستغرق لسماع صدى الموجات الصوتية التي ترتد عن جسم ما ، تمكنوا من حساب مسافة الجسم. لقد استخدموا الكهرباء الانضغاطية لإنجاح هذا السونار. خلق هذا المشروع تطوراً مكثفاً واهتماماً بالأجهزة الكهروإجهادية ، وعلى مدى عقود تم استكشاف وتطوير مواد كهرضغطية جديدة وتطبيقات جديدة لهذه المواد. أجهزة كهرضغطية
ما الذي يسبب الكهرباء الانضغاطية؟
في هذا القسم ، سأستكشف أصول الكهرباء الانضغاطية والمواد المختلفة التي تعرض هذه الظاهرة. سأقوم بإلقاء نظرة على الكلمة اليونانية "piezein" ، المصدر القديم للشحنة الكهربائية ، وتأثير الطاقة الحرارية. سأناقش أيضًا اكتشافات بيير وجاك كوري وتطوير أجهزة كهرضغطية في القرن العشرين.
الكلمة اليونانية Piezein
الكهرباء الانضغاطية هي تراكم الشحنة الكهربائية في بعض المواد الصلبة ، مثل البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي. وهو ناتج عن استجابة هذه المواد للضغط الميكانيكي المطبق. تأتي كلمة كهرضغطية من الكلمة اليونانية "piezein" ، والتي تعني "الضغط أو الضغط" ، و "lektron" ، والتي تعني "العنبر" ، وهي مصدر قديم للشحنة الكهربائية.
ينتج التأثير الكهروإجهادي عن التفاعل الكهروميكانيكي الخطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية للمواد البلورية مع التناظر الانعكاسي. إنها عملية عكسية ، مما يعني أن المواد التي تظهر عليها كهرضغطية تظهر أيضًا تأثير كهرضغطية عكسي ، وهو التوليد الداخلي للضغط الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق. على سبيل المثال ، تولد بلورات تيتانات الرصاص الزركوني كهرضغطية قابلة للقياس عندما يتشوه هيكلها الثابت عن بُعدها الأصلي. على العكس من ذلك ، يمكن أن تغير البلورات بُعدها الثابت عند تطبيق مجال كهربائي خارجي ، والذي يُعرف باسم التأثير الكهروإجهادي العكسي وهو إنتاج الموجات فوق الصوتية.
اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان جاك وبيير كوري الكهرباء الانضغاطية في عام 1880. وقد تم استغلال التأثير الكهرضغطية للعديد من التطبيقات المفيدة ، بما في ذلك إنتاج الصوت واكتشافه ، والطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية ، وتوليد الكهرباء ذات الجهد العالي ، ومولدات الساعة ، والأجهزة الإلكترونية مثل الموازين الدقيقة ، ودفع فوهات الموجات فوق الصوتية ، والتجمعات البصرية فائقة الدقة. كما أنها تشكل أساس مجاهر المسح ، والتي يمكنها حل الصور على نطاق الذرات. تُستخدم الكهرباء الانضغاطية أيضًا في التقاطات للقيثارات المضخمة إلكترونيًا ومحفزات الطبول الإلكترونية الحديثة.
تجد الكهرباء الانضغاطية الاستخدامات اليومية ، مثل توليد الشرر لإشعال الغاز في أجهزة الطهي والتدفئة والمشاعل وولاعات السجائر والمزيد. تمت دراسة التأثير الكهروحراري ، وهو توليد الجهد الكهربائي استجابة لتغير درجة الحرارة ، من قبل كارل لينيوس وفرانز إيبينوس في منتصف القرن الثامن عشر ، بالاعتماد على معرفة رينيه هاي وأنطوان سيزار بيكريل ، الذي افترض وجود علاقة بين الإجهاد الميكانيكي والشحنة الكهربائية. أثبتت التجارب أنها غير حاسمة.
في المتحف في اسكتلندا ، يمكن للزوار مشاهدة معوض الكريستال بيزو كوري ، وهو عرض للتأثير الكهروضغطي المباشر من قبل الأخوين بيير وجاك كوري. أدى الجمع بين معرفتهم بالكهرباء الحرارية وفهم الهياكل البلورية الأساسية إلى التنبؤ بالكهرباء الحرارية والقدرة على التنبؤ بالسلوك البلوري. وقد تجلى ذلك من خلال تأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وقصب السكر وملح روشيل. أظهرت طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم رباعي هيدرات وكوارتز من ملح روشيل كهرضغطية ، ويولد قرص كهرضغطية جهدًا عند تشوهه. تم تضخيم هذا التغيير في الشكل بشكل كبير في عرض Curies.
واصل كوريز الحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للتشوهات الكهروإلكترو-ميكانيكية في البلورات الكهروضغطية. لعقود من الزمان ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر حتى أصبحت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم بواسطة بيير وماري كوري. بلغ عملهم لاستكشاف وتعريف الهياكل البلورية التي عرضت الكهرباء الانضغاطية ذروتها في نشر Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال). وصف هذا الطبقات البلورية الطبيعية القادرة على الكهرباء الانضغاطية وحدد بدقة الثوابت الكهرضغطية من خلال تحليل الموتر.
أدى هذا التطبيق العملي للكهرباء الانضغاطية إلى تطوير السونار أثناء الحرب العالمية الأولى. في فرنسا ، طور بول لانجفين وزملاؤه كاشف الغواصات فوق الصوتي. يتألف الكاشف من محول طاقة مصنوع من بلورات كوارتز رفيعة ملتصقة بعناية بألواح فولاذية ، يُطلق عليها اسم ميكروفون ، لاكتشاف الصدى المرتجع بعد إصدار نبضة عالية التردد. قام محول الطاقة بقياس الوقت المستغرق لسماع صدى الموجات الصوتية التي ترتد عن جسم ما لحساب مسافة الجسم. كان استخدام الكهرباء الانضغاطية في السونار ناجحًا ، وخلق المشروع تطورًا مكثفًا واهتمامًا بالأجهزة الكهروإجهادية لعقود.
تم استكشاف وتطوير مواد كهرضغطية جديدة وتطبيقات جديدة لهذه المواد ، ووجدت الأجهزة الكهروضغطية منازل في العديد من المجالات ، مثل خراطيش الفونوغراف الخزفية ، مما سهل تصميم المشغل وصنع مشغلات تسجيل أرخص وأكثر دقة وأرخص في الصيانة وأسهل. لبناء. التطور
المصدر القديم للشحن الكهربائي
الكهرباء الانضغاطية هي الشحنة الكهربائية التي تتراكم في بعض المواد الصلبة ، مثل البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي. إنه ناتج عن استجابة المادة للضغط الميكانيكي المطبق. تأتي كلمة "كهرضغطية" من الكلمة اليونانية "piezein" ، والتي تعني "الضغط أو الضغط" ، وكلمة "elektron" ، والتي تعني "الكهرمان" ، وهي مصدر قديم للشحنة الكهربائية.
ينتج التأثير الكهروإجهادي عن التفاعل الكهروميكانيكي الخطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية للمواد البلورية مع التناظر الانعكاسي. إنها عملية عكسية ، مما يعني أن المواد التي تظهر عليها كهرضغطية تظهر أيضًا تأثير كهرضغطية عكسي ، وهو التوليد الداخلي للضغط الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق. على سبيل المثال ، تولد بلورات تيتانات الرصاص الزركوني كهرضغطية قابلة للقياس عندما يتشوه هيكلها الثابت عن بُعدها الأصلي. على العكس من ذلك ، عند تطبيق مجال كهربائي خارجي ، تغير البلورات بُعدها الثابت في تأثير كهرضغطية معكوس ، مما ينتج عنه موجات فوق صوتية.
تم اكتشاف التأثير الكهروضغطي في عام 1880 من قبل الفيزيائيين الفرنسيين جاك وبيير كوري. يتم استغلالها في مجموعة متنوعة من التطبيقات المفيدة ، بما في ذلك إنتاج الصوت والكشف عنه ، والطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية ، وتوليد الكهرباء ذات الجهد العالي ، ومولدات الساعة ، والأجهزة الإلكترونية مثل الموازين الدقيقة وقيادة فوهات الموجات فوق الصوتية للتركيز فائق الدقة للتجمعات الضوئية. كما أنه يشكل الأساس لمسح مجاهر المجسات ، والتي تستخدم لحل الصور على مقياس الذرات. تُستخدم الكهرباء الانضغاطية أيضًا في التقاطات للقيثارات المضخمة إلكترونيًا ومحفزات الطبول الإلكترونية الحديثة.
تجد الكهرباء الانضغاطية الاستخدامات اليومية في توليد الشرارات لإشعال الغاز في أجهزة الطهي والتدفئة والمشاعل وولاعات السجائر وغير ذلك. تمت دراسة التأثير الكهروحراري ، وهو إنتاج الجهد الكهربائي استجابة لتغير درجة الحرارة ، من قبل كارل لينيوس وفرانز إيبينوس في منتصف القرن الثامن عشر ، بالاعتماد على معرفة رينيه هاي وأنطوان سيزار بيكريل الذي افترض وجود علاقة بين الميكانيكية. الإجهاد والشحنة الكهربائية. ومع ذلك ، أثبتت تجاربهم أنها غير حاسمة.
يُظهر منظر بلورة بيزو ومعوض كوري في متحف هانتيريان في اسكتلندا التأثير المباشر للكهرباء الانضغاطية. لقد كان عمل الأخوين بيير وجاك كوري هو الذي استكشف وحدد الهياكل البلورية التي عرضت الكهرباء الانضغاطية ، وبلغت ذروتها بنشر Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال). وصف هذا فئات البلورات الطبيعية القادرة على الكهرباء الانضغاطية وحدد بدقة الثوابت الكهرضغطية من خلال تحليل الموتر ، مما يسمح بالتطبيق العملي للأجهزة الكهرضغطية.
تم تطوير Sonar خلال الحرب العالمية الأولى من قبل الفرنسي Paul Langevin وزملاؤه في العمل ، الذين طوروا كاشف الغواصات بالموجات فوق الصوتية. يتكون الكاشف من محول طاقة مصنوع من بلورات الكوارتز الرقيقة الملصقة بعناية على ألواح فولاذية ، وميكروفون لاكتشاف الصدى المرتجع. من خلال إصدار نبضة عالية التردد من محول الطاقة وقياس الوقت المستغرق لسماع صدى الموجات الصوتية التي ترتد عن جسم ما ، تمكنوا من حساب المسافة إلى الجسم. لقد استخدموا الكهرباء الانضغاطية لإنجاح هذا السونار. خلق المشروع تطورًا مكثفًا واهتمامًا بالأجهزة الكهروإجهادية لعقود.
الكهرباء الحرارية
الكهرباء الانضغاطية هي قدرة بعض المواد على تجميع الشحنة الكهربائية استجابةً للضغط الميكانيكي المطبق. إنه تفاعل كهروميكانيكي خطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية للمواد البلورية مع التناظر العكسي. كلمة "كهرضغطية" مشتقة من الكلمة اليونانية "piezein" ، والتي تعني "الضغط أو الضغط" ، والكلمة اليونانية "ēlektron" ، والتي تعني "العنبر" ، مصدر قديم للشحنة الكهربائية.
تم اكتشاف التأثير الكهروضغطي بواسطة الفيزيائيين الفرنسيين جاك وبيير كوري في عام 1880. وهي عملية قابلة للعكس ، مما يعني أن المواد التي تظهر التأثير الكهروضغطي تظهر أيضًا التأثير الكهروضغطي العكسي ، وهو التوليد الداخلي للضغط الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق. تشمل أمثلة المواد التي تولد كهربيضغطية قابلة للقياس بلورات تيتانات الرصاص. عندما يتشوه هيكل ثابت ، فإنه يعود إلى بعده الأصلي. على العكس من ذلك ، عند تطبيق مجال كهربائي خارجي ، يتم إنتاج التأثير الكهروضغطي العكسي ، مما يؤدي إلى إنتاج الموجات فوق الصوتية.
يتم استغلال التأثير الكهروإجهادي للعديد من التطبيقات المفيدة ، بما في ذلك إنتاج الصوت والكشف عنه ، والطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية ، وتوليد الكهرباء ذات الجهد العالي ، ومولدات الساعة ، والأجهزة الإلكترونية مثل الموازين الدقيقة ، ودفع الفوهات فوق الصوتية ، والتجميعات الضوئية فائقة الدقة. وهو أيضًا أساس مسح المجاهر المجسّة ، والتي تُستخدم لحل الصور على مقياس الذرات. تُستخدم الكهرباء الانضغاطية أيضًا في التقاطات للقيثارات المضخمة إلكترونيًا ، ومحفزات الطبول الإلكترونية الحديثة.
تجد الكهرباء الانضغاطية الاستخدامات اليومية ، مثل توليد الشرر لإشعال الغاز في أجهزة الطهي والتدفئة والمشاعل وولاعات السجائر والمزيد. تمت دراسة التأثير الكهروحراري ، وهو إنتاج الجهد الكهربائي استجابة لتغير درجة الحرارة ، من قبل كارل لينيوس وفرانز إيبينوس في منتصف القرن الثامن عشر ، بالاعتماد على معرفة رينيه هاي وأنطوان سيزار بيكريل ، اللذين افترضوا وجود علاقة بين الإجهاد الميكانيكي والشحنة الكهربائية. ومع ذلك ، أثبتت التجارب أنها غير حاسمة.
يُعد منظر بلورة بيزو في متحف Curie Compensator في اسكتلندا دليلًا على التأثير المباشر للكهرباء الانضغاطية. جمع الأخوان بيير وجاك كوري معرفتهما بالكهرباء الحرارية وفهمهما للتركيبات البلورية الأساسية لإثارة فهم الطاقة الكهروحرارية والتنبؤ بالسلوك البلوري. وقد تجلى ذلك في تأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وقصب السكر وملح روشيل. تم العثور على طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم رباعي الهيدرات والكوارتز لإظهار كهرضغطية ، واستخدم قرص كهرضغطية لتوليد جهد عند تشوهه. وقد بالغ الكوريون في هذا بشكل كبير للتنبؤ بالتأثير الكهروضغطي العكسي. تم استنتاج التأثير العكسي رياضيًا بواسطة مبادئ الديناميكا الحرارية الأساسية بواسطة غابرييل ليبمان في عام 1881.
أكد Curies على الفور وجود التأثير العكسي ، واستمروا في الحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للتشوهات الكهروإلاستو الميكانيكية في البلورات الكهروضغطية. في العقود التي تلت ذلك ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر حتى أصبحت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم بواسطة بيير وماري كوري. بلغ عملهم لاستكشاف وتعريف الهياكل البلورية التي عرضت الكهرباء الانضغاطية ذروتها في نشر Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال).
كان تطوير السونار ناجحًا ، وخلق المشروع تطورًا مكثفًا واهتمامًا بالأجهزة الكهروضغطية. في العقود التي تلت ذلك ، تم استكشاف وتطوير مواد كهرضغطية جديدة وتطبيقات جديدة لهذه المواد. وجدت الأجهزة الكهربائية الانضغاطية منازل في العديد من المجالات ، مثل خراطيش الفونوغراف الخزفية ، والتي سهّلت تصميم المشغل وصنعت لمشغلات التسجيلات الأرخص والأكثر دقة والتي كانت أرخص في الصيانة وأسهل في البناء. سمح تطوير محولات الطاقة فوق الصوتية بقياس سهل لزوجة ومرونة السوائل والمواد الصلبة ، مما أدى إلى تقدم كبير في أبحاث المواد. ترسل أجهزة قياس الانعكاس للمجال الزمني بالموجات فوق الصوتية نبضة فوق صوتية إلى مادة وتقيس الانعكاسات والانقطاعات للعثور على العيوب داخل الأجسام المعدنية والحجرية المصبوبة ، مما يحسن السلامة الهيكلية.
بعد الحرب العالمية الثانية ، اكتشفت مجموعات بحثية مستقلة في الولايات المتحدة وروسيا واليابان فئة جديدة من المواد الاصطناعية تسمى ferroelectrics ، والتي أظهرت ثوابت كهرضغطية كانت
مواد كهرضغطية
في هذا القسم ، سأناقش المواد التي تظهر التأثير الكهروضغطي ، وهو قدرة بعض المواد على تجميع الشحنة الكهربائية استجابةً للضغط الميكانيكي المطبق. سأقوم بإلقاء نظرة على البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية والعظام والحمض النووي والبروتينات وكيف تستجيب جميعها للتأثير الكهروضغطي.
بلورات
الكهرباء الانضغاطية هي قدرة بعض المواد على تجميع الشحنة الكهربائية استجابةً للضغط الميكانيكي المطبق. كلمة كهرضغطية مشتقة من الكلمات اليونانية πιέζειν (piezein) التي تعني "ضغط" أو "ضغط" و ἤλεκτρον (lektron) تعني "كهرمان" ، وهو مصدر قديم للشحنة الكهربائية. تشتمل المواد الكهرضغطية على البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية والعظام والحمض النووي والبروتينات.
الكهرباء الانضغاطية هي تفاعل كهروميكانيكي خطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية في المواد البلورية مع التناظر الانعكاسي. هذا التأثير قابل للانعكاس ، مما يعني أن المواد التي تظهر على الكهرباء الانضغاطية تظهر أيضًا التأثير الكهروضغطي العكسي ، وهو التوليد الداخلي للضغط الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق. تتضمن أمثلة المواد التي تولد كهربيًا إجهاديًا قابلة للقياس بلورات تيتانات الرصاص الزركوني ، والتي يمكن أن تتشوه إلى أبعادها الأصلية أو العكس ، وتغير بُعدها الثابت عند تطبيق مجال كهربائي خارجي. يُعرف هذا بالتأثير الكهروضغطي العكسي ، ويستخدم لإنتاج الموجات فوق الصوتية.
اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان جاك وبيير كوري الكهرباء الانضغاطية في عام 1880. وقد تم استغلال التأثير الكهرضغطية لمجموعة متنوعة من التطبيقات المفيدة ، بما في ذلك إنتاج الصوت والكشف عنه ، والطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية ، وتوليد الكهرباء عالية الجهد ، ومولدات الساعة ، والأجهزة الإلكترونية مثل كموازنات دقيقة ، قم بتشغيل فوهات الموجات فوق الصوتية ، والتجمعات البصرية فائقة الدقة. كما أنه يشكل الأساس لمسح مجاهر المجسات ، والتي تستخدم لحل الصور على مقياس الذرات. كما تُستخدم شاحنات بيك آب كهرضغطية في القيثارات التي يتم تضخيمها إلكترونيًا والمحفزات في الطبول الإلكترونية الحديثة.
تجد الكهرباء الانضغاطية الاستخدامات اليومية في توليد الشرر لإشعال الغاز في أجهزة الطهي والتدفئة ، وكذلك في المشاعل وولاعات السجائر. تمت دراسة التأثير الكهروحراري ، وهو توليد الجهد الكهربائي استجابة لتغير درجة الحرارة ، من قبل كارل لينيوس وفرانز إيبينوس في منتصف القرن الثامن عشر ، بالاعتماد على المعرفة من رينيه هاي وأنطوان سيزار بيكريل ، الذي افترض وجود علاقة بين الميكانيكية. الإجهاد والشحنة الكهربائية. كانت التجارب لإثبات هذه النظرية غير حاسمة.
إن منظر بلورة بيزو في معوض كوري في متحف هانتيريان في اسكتلندا هو دليل على التأثير المباشر للكهرباء الانضغاطية. جمع الأخوان بيير وجاك كوري معرفتهما بالكهرباء الحرارية مع فهم الهياكل البلورية الأساسية لإحداث التنبؤ بالكهرباء الحرارية. كانوا قادرين على التنبؤ بالسلوك البلوري وأظهروا التأثير في البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وسكر القصب وملح روشيل. كما أظهر طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم رباعي هيدرات والكوارتز كهرضغطية كهرضغطية. يولد القرص الكهروإجهادي الجهد عند تشوهه ؛ تم المبالغة في التغيير في الشكل بشكل كبير في عرض Curies.
كما كانوا قادرين على التنبؤ بالتأثير الكهروإجهادي العكسي واستنتاج مبادئ الديناميكا الحرارية الأساسية التي تقف وراءه رياضيًا. قام غابرييل ليبمان بهذا في عام 1881. أكد الكوريون على الفور وجود التأثير العكسي ، واستمروا في الحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للتشوهات الكهروإلكتروضوئية في البلورات الكهروضغطية.
لعقود من الزمان ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر ، لكنها كانت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم بواسطة بيير وماري كوري. توج عملهم لاستكشاف وتحديد الهياكل البلورية التي عرضت الكهرباء الانضغاطية في نشر كتاب Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال) ، والذي وصف فئات البلورات الطبيعية القادرة على الكهرباء الانضغاطية وحدد بدقة الثوابت الكهرضغطية باستخدام تحليل الموتر.
تم تطوير التطبيق العملي للأجهزة الكهروضغطية في السونار خلال الحرب العالمية الأولى. في فرنسا ، طور بول لانجفين وزملاؤه كاشف الغواصات فوق الصوتي. يتكون هذا الكاشف من محول طاقة مصنوع من بلورات كوارتز رفيعة ملتصقة بعناية بألواح فولاذية ، يُطلق عليها اسم ميكروفون ، لاكتشاف الصدى المرتجع بعد إصدار نبضة عالية التردد. من خلال قياس الوقت المستغرق لسماع صدى الموجات الصوتية التي ترتد عن الجسم ، تمكنوا من حساب المسافة إلى الجسم. كان هذا الاستخدام للكهرباء الانضغاطية في السونار ناجحًا ، وأوجد المشروع تطورًا مكثفًا واهتمامًا بالأجهزة الكهروضغطية على مدى عقود.
الخزف
المواد الكهروإجهادية هي مواد صلبة تتراكم الشحنة الكهربائية استجابةً للضغط الميكانيكي المطبق. تشتق الكهرباء الانضغاطية من الكلمات اليونانية πιέζειν (piezein) التي تعني "ضغط" أو "ضغط" و ἤλεκτρον (lektron) تعني "كهرمان" ، وهو مصدر قديم للشحنة الكهربائية. تُستخدم المواد الكهرضغطية في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، بما في ذلك إنتاج الصوت وكشفه ، والطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية ، وتوليد الكهرباء ذات الجهد العالي.
توجد المواد الكهرضغطية في البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية والعظام والحمض النووي والبروتينات. السيراميك هو أكثر المواد الكهرضغطية شيوعًا المستخدمة في التطبيقات اليومية. يُصنع السيراميك من مزيج من أكاسيد المعادن ، مثل تيتانات زركونات الرصاص (PZT) ، والتي يتم تسخينها إلى درجات حرارة عالية لتكوين مادة صلبة. السيراميك شديد التحمل ويمكنه تحمل درجات الحرارة والضغط الشديد.
للسيراميك الكهرضغطية مجموعة متنوعة من الاستخدامات ، بما في ذلك:
• توليد شرارات لإشعال الغاز لأجهزة الطهي والتدفئة مثل المشاعل وولاعات السجائر.
• توليد موجات فوق صوتية للتصوير الطبي.
• توليد الكهرباء ذات الجهد العالي لمولدات الساعة والأجهزة الإلكترونية.
• توليد موازين دقيقة لاستخدامها في قياس الوزن بدقة.
• تشغيل فوهات الموجات فوق الصوتية للتركيز فائق الدقة للتركيبات البصرية.
• تشكيل الأساس لمسح مجاهر المجسات التي يمكنها حل الصور على مقياس الذرات.
• لاقط للقيثارات المضخمة إلكترونيًا ومحفزات الطبول الإلكترونية الحديثة.
يتم استخدام السيراميك الكهرضغطية في مجموعة واسعة من التطبيقات ، من الإلكترونيات الاستهلاكية إلى التصوير الطبي. إنها متينة للغاية ويمكنها تحمل درجات الحرارة والضغوط الشديدة ، مما يجعلها مثالية للاستخدام في مجموعة متنوعة من الصناعات.
مسألة بيولوجية
الكهرباء الانضغاطية هي قدرة بعض المواد على تجميع الشحنة الكهربائية استجابةً للضغط الميكانيكي المطبق. مشتق من الكلمة اليونانية "piezein" ، والتي تعني "الضغط أو الضغط" ، و "lektron" ، والتي تعني "العنبر" ، وهي مصدر قديم للشحنة الكهربائية.
تعتبر المواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي والبروتينات من بين المواد التي تُظهر الكهرباء الانضغاطية. هذا التأثير قابل للانعكاس ، مما يعني أن المواد التي تظهر كهرضغطية تظهر أيضًا تأثير كهرضغطية عكسي ، وهو التوليد الداخلي للضغط الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق. تتضمن أمثلة هذه المواد بلورات تيتانات الرصاص ، والتي تولد كهربيضغطية قابلة للقياس عندما يتشوه هيكلها الثابت عن أبعادها الأصلية. على العكس من ذلك ، عندما يتم تطبيق مجال كهربائي خارجي ، فإن البلورات تغير أبعادها الساكنة ، وتنتج موجات فوق صوتية من خلال التأثير الكهروضغطي العكسي.
تم اكتشاف الكهرباء الانضغاطية بواسطة الفيزيائيين الفرنسيين جاك وبيير كوري في عام 1880. ومنذ ذلك الحين تم استغلالها في مجموعة متنوعة من التطبيقات المفيدة ، مثل:
• إنتاج وكشف الصوت
• الطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية
• توليد الكهرباء ذات الجهد العالي
• مولد الساعة
• الأجهزة الإلكترونية
• الموازين الدقيقة
• قيادة فوهات الموجات فوق الصوتية
• التجميعات الضوئية فائقة الدقة
• يشكل أساس مسح المجاهر المجهرية
• حل الصور على نطاق الذرات
• التقاطات في القيثارات المضخمة إلكترونيًا
• مشغلات في الاسطوانات الالكترونية الحديثة
يتم استخدام الكهرباء الانضغاطية أيضًا في العناصر اليومية مثل أجهزة الطهي والتدفئة بالغاز والمشاعل وولاعات السجائر والمزيد. تم دراسة التأثير الكهروحراري ، وهو إنتاج الجهد الكهربائي استجابة لتغير درجة الحرارة ، بواسطة كارل لينيوس وفرانز إيبينوس في منتصف القرن الثامن عشر. بالاعتماد على معرفة رينيه هاي وأنطوان سيزار بيكريل ، افترضوا وجود علاقة بين الإجهاد الميكانيكي والشحنة الكهربائية ، لكن تجاربهم أثبتت أنها غير حاسمة.
إن منظر بلورة بيزو في Curie Compensator في متحف Hunterian في اسكتلندا هو دليل على التأثير المباشر للكهرباء الانضغاطية. جمع الأخوان بيير وجاك كوري معرفتهما بالكهرباء الحرارية وفهمهما للتركيبات البلورية الأساسية لإحداث التنبؤ بالكهرباء الحرارية والتنبؤ بالسلوك البلوري. تم إثبات ذلك من خلال تأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وقصب السكر وملح روشيل. كما أظهر طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم رباعي هيدرات وكوارتز كهرضغطية كهرضغطية ، واستخدم قرص كهرضغطية لتوليد جهد عند تشوهه. تم تضخيم هذا التأثير بشكل كبير من قبل Curies للتنبؤ بالتأثير الكهرضغطية العكسي. تم استنتاج التأثير العكسي رياضيًا من مبادئ الديناميكا الحرارية الأساسية بواسطة غابرييل ليبمان في عام 1881.
أكد Curies على الفور وجود التأثير العكسي ، واستمروا في الحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للتشوهات الكهروإلاستو الميكانيكية في البلورات الكهروضغطية. لعقود من الزمان ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر حتى أصبحت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم بواسطة بيير وماري كوري. بلغ عملهم لاستكشاف وتعريف الهياكل البلورية التي عرضت الكهرباء الانضغاطية ذروتها في نشر Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال).
عظم
الكهرباء الانضغاطية هي قدرة بعض المواد على تجميع الشحنة الكهربائية استجابةً للضغط الميكانيكي المطبق. العظام هي إحدى هذه المواد التي تظهر هذه الظاهرة.
العظام هي نوع من المواد البيولوجية التي تتكون من البروتينات والمعادن ، بما في ذلك الكولاجين والكالسيوم والفوسفور. إنه أكثر المواد البيولوجية كهربيًا ، وهو قادر على توليد جهد عند تعرضه لضغط ميكانيكي.
التأثير الكهروإجهادي في العظام هو نتيجة لبنيتها الفريدة. يتكون من شبكة من ألياف الكولاجين المضمنة في مصفوفة من المعادن. عندما يتعرض العظم لضغط ميكانيكي ، تتحرك ألياف الكولاجين ، مما يتسبب في استقطاب المعادن وتوليد شحنة كهربائية.
للتأثير الكهرضغطية في العظام عدد من التطبيقات العملية. يتم استخدامه في التصوير الطبي ، مثل التصوير بالموجات فوق الصوتية والأشعة السينية ، للكشف عن كسور العظام والتشوهات الأخرى. كما أنها تستخدم في المعينات السمعية للتوصيل العظمي ، والتي تستخدم التأثير الكهروضغطي لتحويل الموجات الصوتية إلى إشارات كهربائية يتم إرسالها مباشرة إلى الأذن الداخلية.
يستخدم التأثير الكهروضغطي في العظام أيضًا في زراعة العظام ، مثل المفاصل الاصطناعية والأطراف الاصطناعية. تستخدم الغرسات التأثير الكهرضغطية لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية ، والتي تُستخدم بعد ذلك لتشغيل الجهاز.
بالإضافة إلى ذلك ، يتم استكشاف التأثير الكهروضغطي في العظام لاستخدامه في تطوير علاجات طبية جديدة. على سبيل المثال ، يدرس الباحثون استخدام الكهرباء الانضغاطية لتحفيز نمو العظام وإصلاح الأنسجة التالفة.
بشكل عام ، يعد التأثير الكهروضغطي في العظام ظاهرة رائعة مع مجموعة واسعة من التطبيقات العملية. يتم استخدامه في مجموعة متنوعة من التطبيقات الطبية والتكنولوجية ، ويتم استكشافه لاستخدامه في تطوير علاجات جديدة.
الحمض النووي
الكهرباء الانضغاطية هي قدرة بعض المواد على تجميع الشحنة الكهربائية استجابةً للضغط الميكانيكي المطبق. الحمض النووي هو أحد هذه المواد التي تظهر هذا التأثير. الحمض النووي هو جزيء بيولوجي موجود في جميع الكائنات الحية ويتكون من أربعة قواعد نيوكليوتيد: الأدينين (A) ، والجوانين (G) ، والسيتوزين (C) ، والثايمين (T).
الحمض النووي هو جزيء معقد يمكن استخدامه لتوليد شحنة كهربائية عند التعرض لضغط ميكانيكي. هذا يرجع إلى حقيقة أن جزيئات الحمض النووي تتكون من خيطين من النيوكليوتيدات التي ترتبط ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية. عندما تنكسر هذه الروابط ، تتولد شحنة كهربائية.
تم استخدام التأثير الكهرضغطية للحمض النووي في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، بما في ذلك:
• توليد الكهرباء للزراعة الطبية
• كشف وقياس القوى الميكانيكية في الخلايا
• تطوير مجسات نانوية
• إنشاء أجهزة استشعار حيوية لتسلسل الحمض النووي
• توليد موجات فوق صوتية للتصوير
يتم أيضًا استكشاف التأثير الكهروضغطي للحمض النووي لاستخدامه المحتمل في تطوير مواد جديدة ، مثل الأسلاك النانوية والأنابيب النانوية. يمكن استخدام هذه المواد في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، بما في ذلك تخزين الطاقة والاستشعار.
تمت دراسة التأثير الكهروضغطي للحمض النووي على نطاق واسع ووجد أنه شديد الحساسية للإجهاد الميكانيكي. وهذا يجعلها أداة قيمة للباحثين والمهندسين الذين يتطلعون إلى تطوير مواد وتقنيات جديدة.
في الختام ، الحمض النووي هو مادة تُظهر التأثير الكهروضغطي ، وهو القدرة على تجميع الشحنة الكهربائية استجابةً للإجهاد الميكانيكي المطبق. تم استخدام هذا التأثير في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، بما في ذلك الغرسات الطبية ، وأجهزة الاستشعار النانوية ، وتسلسل الحمض النووي. كما يتم استكشافها لاستخدامها المحتمل في تطوير مواد جديدة ، مثل الأسلاك النانوية والأنابيب النانوية.
البروتينات
الكهرباء الانضغاطية هي قدرة بعض المواد على تجميع الشحنة الكهربائية استجابةً للضغط الميكانيكي المطبق. المواد الكهرضغطية ، مثل البروتينات والبلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي ، تظهر هذا التأثير. البروتينات ، على وجه الخصوص ، هي مادة فريدة كهرضغطية ، لأنها تتكون من بنية معقدة من الأحماض الأمينية التي يمكن أن تتشوه لتوليد شحنة كهربائية.
البروتينات هي أكثر أنواع المواد الكهربائية الانضغاطية وفرة ، وهي موجودة في أشكال متنوعة. يمكن العثور عليها في شكل إنزيمات وهرمونات وأجسام مضادة ، وكذلك في شكل بروتينات هيكلية مثل الكولاجين والكيراتين. توجد البروتينات أيضًا في شكل بروتينات عضلية ، وهي المسؤولة عن تقلص العضلات واسترخائها.
يرجع التأثير الكهروضغطي للبروتينات إلى حقيقة أنها تتكون من بنية معقدة من الأحماض الأمينية. عندما تتشوه هذه الأحماض الأمينية ، فإنها تولد شحنة كهربائية. يمكن بعد ذلك استخدام هذه الشحنة الكهربائية لتشغيل مجموعة متنوعة من الأجهزة ، مثل أجهزة الاستشعار والمحركات.
تستخدم البروتينات أيضًا في مجموعة متنوعة من التطبيقات الطبية. على سبيل المثال ، يتم استخدامها للكشف عن وجود بروتينات معينة في الجسم ، والتي يمكن استخدامها لتشخيص الأمراض. كما أنها تستخدم للكشف عن وجود بعض البكتيريا والفيروسات ، والتي يمكن استخدامها لتشخيص العدوى.
تستخدم البروتينات أيضًا في مجموعة متنوعة من التطبيقات الصناعية. على سبيل المثال ، يتم استخدامها لإنشاء أجهزة استشعار ومحركات لمجموعة متنوعة من العمليات الصناعية. كما تُستخدم أيضًا في صنع المواد التي يمكن استخدامها في بناء الطائرات والمركبات الأخرى.
في الختام ، تعد البروتينات مادة فريدة كهرضغطية يمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات. وهي تتكون من بنية معقدة من الأحماض الأمينية التي يمكن أن تتشوه لتوليد شحنة كهربائية ، وتستخدم في مجموعة متنوعة من التطبيقات الطبية والصناعية.
حصاد الطاقة بالكهرباء الانضغاطية
في هذا القسم ، سأناقش كيف يمكن استخدام الكهرباء الانضغاطية في حصاد الطاقة. سأقوم بإلقاء نظرة على التطبيقات المختلفة للكهرباء الانضغاطية ، من الطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية إلى مولدات الساعة والموازنات الدقيقة. سأقوم أيضًا باستكشاف تاريخ الكهرباء الانضغاطية ، من اكتشافها بواسطة بيير كوري إلى استخدامها في الحرب العالمية الثانية. أخيرًا ، سأناقش الوضع الحالي لصناعة الكهرباء الانضغاطية وإمكانية تحقيق مزيد من النمو.
الطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية
الكهرباء الانضغاطية هي قدرة بعض المواد على توليد شحنة كهربائية استجابة للضغط الميكانيكي المطبق. كلمة "كهرضغطية" مشتقة من الكلمتين اليونانيتين "piezein" (للضغط أو الضغط) و "elektron" (العنبر) ، وهي مصدر قديم للشحنة الكهربائية. تُستخدم المواد الكهرضغطية ، مثل البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي ، في مجموعة متنوعة من التطبيقات.
تُستخدم الكهرباء الانضغاطية لتوليد كهرباء عالية الجهد ، كمولد ساعة ، في الأجهزة الإلكترونية ، وفي الموازين الدقيقة. كما أنها تستخدم لدفع فوهات الموجات فوق الصوتية والتركيبات الضوئية متناهية الصغر. تعد الطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية تطبيقًا شائعًا لهذه التقنية. هذا نوع من الطباعة يستخدم بلورات كهرضغطية لتوليد اهتزاز عالي التردد ، والذي يستخدم لإخراج قطرات الحبر على الصفحة.
يعود اكتشاف الكهرباء الانضغاطية إلى عام 1880 ، عندما اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان جاك وبيير كوري التأثير. منذ ذلك الحين ، تم استغلال التأثير الكهرضغطية لمجموعة متنوعة من التطبيقات المفيدة. تُستخدم الكهرباء الانضغاطية في العناصر اليومية مثل أجهزة الطهي والتدفئة بالغاز والمشاعل وولاعات السجائر وأجهزة الالتقاط في القيثارات التي يتم تضخيمها إلكترونيًا والمحفزات في البراميل الإلكترونية الحديثة.
كما تستخدم الكهرباء الانضغاطية في البحث العلمي. إنه أساس مسح المجاهر المجس ، والتي تستخدم لحل الصور على مقياس الذرات. يتم استخدامه أيضًا في أجهزة قياس الانعكاس بالمجال الزمني بالموجات فوق الصوتية ، والتي ترسل نبضات فوق صوتية إلى مادة وتقيس الانعكاسات لاكتشاف حالات الانقطاع والعثور على العيوب داخل الأجسام المعدنية والحجرية المصبوب.
كان الدافع وراء تطوير الأجهزة والمواد الكهروإجهادية هو الحاجة إلى أداء أفضل وعمليات تصنيع أسهل. في الولايات المتحدة ، كان تطوير بلورات الكوارتز للاستخدام التجاري عاملاً رئيسياً في نمو صناعة الكهرباء الانضغاطية. في المقابل ، تمكن المصنعون اليابانيون من مشاركة المعلومات بسرعة وتطوير تطبيقات جديدة ، مما أدى إلى نمو سريع في السوق اليابانية.
أحدثت الكهرباء الانضغاطية ثورة في طريقة استخدامنا للطاقة ، من العناصر اليومية مثل الولاعات إلى البحث العلمي المتقدم. إنها تقنية متعددة الاستخدامات مكنتنا من استكشاف وتطوير مواد وتطبيقات جديدة ، وستظل جزءًا مهمًا من حياتنا لسنوات قادمة.
توليد الكهرباء ذات الجهد العالي
الكهرباء الانضغاطية هي قدرة بعض المواد الصلبة على تجميع الشحنة الكهربائية استجابةً للضغط الميكانيكي المطبق. كلمة "كهرضغطية" مشتقة من الكلمات اليونانية "piezein" التي تعني "ضغط" أو "ضغط" و "lektron" تعني "كهرمان" ، وهو مصدر قديم للشحنة الكهربائية. الكهرباء الانضغاطية هي تفاعل كهروميكانيكي خطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية في المواد البلورية مع التناظر الانعكاسي.
التأثير الكهروإجهادي هو عملية قابلة للعكس. تُظهر المواد التي تُظهر كهرضغطية أيضًا تأثير كهرضغطية عكسي ، وهو التوليد الداخلي للإجهاد الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق. على سبيل المثال ، تولد بلورات تيتانات الرصاص الزركوني كهرضغطية قابلة للقياس عندما يتشوه هيكلها الثابت عن بُعدها الأصلي. على العكس من ذلك ، يمكن أن تغير البلورات بُعدها الثابت عند تطبيق مجال كهربائي خارجي ، وهي ظاهرة تُعرف باسم التأثير الكهروضغطي العكسي ، والذي يستخدم في إنتاج الموجات فوق الصوتية.
يستخدم التأثير الكهرضغطية في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، بما في ذلك توليد الكهرباء ذات الجهد العالي. تُستخدم المواد الكهرضغطية في إنتاج الصوت وكشفه ، في الطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية ، في مولدات الساعة ، في الأجهزة الإلكترونية ، في الموازين الدقيقة ، في فوهات محرك الموجات فوق الصوتية ، وفي التجميعات الضوئية فائقة الدقة.
تُستخدم الكهرباء الانضغاطية أيضًا في التطبيقات اليومية ، مثل توليد شرارات لإشعال الغاز في أجهزة الطهي والتدفئة ، وفي المشاعل ، ولاعات السجائر ، ومواد التأثير الكهروحراري ، والتي تولد جهدًا كهربائيًا استجابةً لتغير درجة الحرارة. تمت دراسة هذا التأثير من قبل كارل لينيوس وفرانز إيبينوس في منتصف القرن الثامن عشر ، بالاعتماد على المعرفة من رينيه هاي وأنطوان سيزار بيكريل ، اللذين افترضوا وجود علاقة بين الإجهاد الميكانيكي والشحنة الكهربائية ، على الرغم من أن تجاربهم أثبتت أنها غير حاسمة.
أدت المعرفة المجمعة للكهرباء الحرارية وفهم الهياكل البلورية الأساسية إلى التنبؤ بالكهرباء الحرارية والقدرة على التنبؤ بالسلوك البلوري. تم إثبات ذلك من خلال تأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وقصب السكر وملح روشيل. كما أظهر طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم رباعي هيدرات والكوارتز كهرضغطية كهرضغطية ، واستخدم قرص كهرضغطية لتوليد جهد عند تشوهه. تم تضخيم هذا بشكل كبير في عرض Curies للتأثير الكهروضغطي المباشر.
ذهب الأخوان بيير وجاك كوري للحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للتشوهات الكهروإلكتروضوئية في البلورات الكهروضغطية. لعقود من الزمان ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر ، لكنها كانت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم بواسطة بيير وماري كوري. توج عملهم لاستكشاف وتحديد الهياكل البلورية التي عرضت الكهرباء الانضغاطية في نشر كتاب Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال) ، والذي وصف فئات البلورات الطبيعية القادرة على الكهرباء الانضغاطية وحدد بدقة الثوابت الكهرضغطية باستخدام تحليل الموتر.
بدأ التطبيق العملي للأجهزة الكهروإجهادية مع تطوير السونار خلال الحرب العالمية الأولى. في فرنسا ، طور بول لانجفين وزملاؤه كاشف الغواصات فوق الصوتي. يتألف الكاشف من محول طاقة مصنوع من بلورات الكوارتز الرقيقة الملصقة بعناية على ألواح فولاذية ، وميكروفون لاكتشاف الصدى المرتجع. من خلال إصدار نبضة عالية التردد من محول الطاقة وقياس الوقت المستغرق لسماع صدى الموجات الصوتية التي ترتد عن جسم ما ، تمكنوا من حساب مسافة الجسم. لقد استخدموا الكهرباء الانضغاطية لإنجاح السونار ، وخلق المشروع تطورًا مكثفًا واهتمامًا بالأجهزة الكهروضغطية على مدى العقود التالية.
تم استكشاف وتطوير مواد كهرضغطية جديدة وتطبيقات جديدة لهذه المواد. وجدت الأجهزة الكهروإجهادية منازل في مجموعة متنوعة من المجالات ، مثل خراطيش الفونوغراف الخزفية ، التي سهّلت تصميم المشغل وصنعت لمشغلات تسجيل أرخص وأكثر دقة وأرخص في الصيانة وأسهل في البناء. سمح تطوير محولات الطاقة فوق الصوتية بقياس سهل لزوجة ومرونة السوائل والمواد الصلبة ، مما أدى إلى تقدم كبير في أبحاث المواد. ترسل أجهزة قياس الانعكاس للمجال الزمني بالموجات فوق الصوتية نبضة فوق صوتية إلى مادة وتقيس الانعكاسات والانقطاعات للعثور على العيوب داخل الأجسام المعدنية والحجرية المصبوبة ، مما يحسن السلامة الهيكلية.
شهدت الحرب العالمية الثانية اكتشاف مجموعات بحثية مستقلة في الولايات المتحدة وروسيا واليابان فئة جديدة من المواد الاصطناعية تسمى fer
مولد الساعة
الكهرباء الانضغاطية هي قدرة بعض المواد على تجميع الشحنة الكهربائية استجابةً للضغط الميكانيكي المطبق. تم استخدام هذه الظاهرة لإنشاء عدد من التطبيقات المفيدة ، بما في ذلك مولدات الساعة. مولدات الساعة هي الأجهزة التي تستخدم الكهرباء الانضغاطية لتوليد إشارات كهربائية مع توقيت دقيق.
تُستخدم مولدات الساعة في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، مثل أجهزة الكمبيوتر والاتصالات وأنظمة السيارات. كما تُستخدم أيضًا في الأجهزة الطبية ، مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب ، لضمان دقة توقيت الإشارات الكهربائية. تُستخدم مولدات الساعة أيضًا في الأتمتة الصناعية والروبوتات ، حيث يكون التوقيت الدقيق ضروريًا.
يعتمد التأثير الكهرضغطية على التفاعل الكهروميكانيكي الخطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية في المواد البلورية ذات التناظر الانعكاسي. هذا التأثير قابل للانعكاس ، مما يعني أن المواد التي تظهر كهرضغطية يمكن أن تولد أيضًا إجهادًا ميكانيكيًا عند تطبيق مجال كهربائي. يُعرف هذا بالتأثير الكهروضغطي العكسي ويستخدم لإنتاج الموجات فوق الصوتية.
تستخدم مولدات الساعة هذا التأثير الكهروإجهادي العكسي لتوليد إشارات كهربائية مع توقيت دقيق. تتشوه المادة الكهرضغطية بواسطة مجال كهربائي ، مما يجعلها تهتز بتردد معين. ثم يتم تحويل هذا الاهتزاز إلى إشارة كهربائية ، والتي تستخدم لتوليد إشارة توقيت دقيقة.
تُستخدم مولدات الساعة في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، من الأجهزة الطبية إلى الأتمتة الصناعية. فهي موثوقة ودقيقة وسهلة الاستخدام ، مما يجعلها خيارًا شائعًا للعديد من التطبيقات. تعد الكهرباء الانضغاطية جزءًا مهمًا من التكنولوجيا الحديثة ، ومولدات الساعة ليست سوى أحد التطبيقات العديدة لهذه الظاهرة.
الأجهزة الإلكترونية
الكهرباء الانضغاطية هي قدرة بعض المواد الصلبة على تجميع الشحنة الكهربائية استجابةً للضغط الميكانيكي المطبق. تُستخدم هذه الظاهرة ، المعروفة باسم التأثير الكهروضغطي ، في مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية ، من التقاطات في القيثارات المضخمة إلكترونيًا إلى المشغلات في الطبول الإلكترونية الحديثة.
تشتق الكهرباء الانضغاطية من الكلمات اليونانية πιέζειν (piezein) التي تعني "ضغط" أو "ضغط" و ἤλεκτρον (lektron) تعني "كهرمان" ، وهو مصدر قديم للشحنة الكهربائية. المواد الكهرضغطية هي البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام وبروتينات الحمض النووي ، والتي تظهر التأثير الكهروضغطي.
التأثير الكهروإجهادي هو تفاعل كهروميكانيكي خطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية في المواد البلورية ذات التناظر العكسي. إنها عملية قابلة للانعكاس ، مما يعني أن المواد التي تظهر التأثير الكهروإجهادي تظهر أيضًا التأثير الكهروضغطي العكسي ، وهو التوليد الداخلي للضغط الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق. على سبيل المثال ، تولد بلورات تيتانات الرصاص الزركوني كهرضغطية قابلة للقياس عندما يتشوه هيكلها الثابت عن بُعدها الأصلي. على العكس من ذلك ، يمكن أن تغير البلورات بُعدها الثابت عند تطبيق مجال كهربائي خارجي ، وهي ظاهرة تُعرف باسم التأثير الكهروضغطي العكسي ، والذي يستخدم في إنتاج الموجات فوق الصوتية.
يعود الفضل في اكتشاف الكهرباء الانضغاطية إلى الفيزيائيين الفرنسيين بيير وجاك كوري ، اللذين أظهروا التأثير الكهروضغطي المباشر في عام 1880. أدت معرفتهم المشتركة بالكهرباء الحرارية وفهم الهياكل البلورية الأساسية إلى التنبؤ بالتأثير الكهروحراري والقدرة على التنبؤ تم توضيح السلوك البلوري بتأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وسكر القصب وملح روشيل.
تم استخدام الكهرباء الانضغاطية في مجموعة متنوعة من التطبيقات اليومية ، مثل توليد شرارات لإشعال الغاز في أجهزة الطهي والتدفئة ، والمشاعل ، ولاعات السجائر ، ومواد التأثير الكهروحراري التي تولد جهدًا كهربائيًا استجابة لتغير درجة الحرارة. تمت دراسة هذا من قبل كارل لينيوس وفرانز إيبينوس في منتصف القرن الثامن عشر ، بالاعتماد على المعرفة من رينيه هاي وأنطوان سيزار بيكريل ، اللذين افترضوا وجود علاقة بين الإجهاد الميكانيكي والشحنة الكهربائية. ومع ذلك ، أثبتت التجارب أنها غير حاسمة إلى أن أظهر منظر بلورة بيزو في متحف كوري في اسكتلندا التأثير الكهروضغطي المباشر من قبل الأخوين كوري.
تُستخدم الكهرباء الانضغاطية في مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية ، من التقاطات في القيثارات المضخمة إلكترونيًا إلى المشغلات في الطبول الإلكترونية الحديثة. كما أنها تستخدم في إنتاج الصوت والكشف عنه ، والطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية ، وتوليد الكهرباء ذات الجهد العالي ، ومولدات الساعة ، والموازنات الدقيقة ، وفوهات تشغيل الموجات فوق الصوتية ، والتجمعات البصرية فائقة الدقة. الكهروإجهادية هي أيضًا أساس مسح مجاهر المجسات ، والتي تستخدم لحل الصور على نطاق الذرات.
Microancesances
الكهرباء الانضغاطية هي قدرة بعض المواد الصلبة على تجميع الشحنة الكهربائية استجابةً للضغط الميكانيكي المطبق. تشتق الكهرباء الانضغاطية من الكلمات اليونانية πιέζειν (piezein) ، والتي تعني "الضغط" أو "الضغط" ، و ἤλεκτρον (lektron) ، والتي تعني "الكهرمان" ، وهو مصدر قديم للشحنة الكهربائية.
تُستخدم الكهرباء الانضغاطية في مجموعة متنوعة من التطبيقات اليومية ، مثل توليد الشرر لإشعال الغاز لأجهزة الطهي والتدفئة ، والمشاعل ، وولاعات السجائر ، وغير ذلك. كما أنها تستخدم في إنتاج الصوت وكشفه ، وفي الطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية.
تُستخدم الكهرباء الانضغاطية أيضًا لتوليد الكهرباء ذات الجهد العالي ، وهي أساس مولدات الساعة والأجهزة الإلكترونية مثل الموازين الدقيقة. تُستخدم الكهرباء الانضغاطية أيضًا لتشغيل فوهات الموجات فوق الصوتية والتجمعات الضوئية فائقة الدقة.
يعود الفضل في اكتشاف الكهرباء الانضغاطية إلى الفيزيائيين الفرنسيين جاك وبيير كوري في عام 1880. جمع الأخوان كوري معرفتهم بالكهرباء الحرارية وفهمهم للتركيبات البلورية الأساسية لإحداث مفهوم الكهرباء الانضغاطية. كانوا قادرين على التنبؤ بالسلوك البلوري وأظهروا التأثير في البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وسكر القصب وملح روشيل.
تم استغلال التأثير الكهروإجهادي لتطبيقات مفيدة ، بما في ذلك إنتاج الصوت وكشفه. كان تطوير السونار خلال الحرب العالمية الأولى إنجازًا كبيرًا في استخدام الكهرباء الانضغاطية. بعد الحرب العالمية الثانية ، اكتشفت مجموعات بحثية مستقلة في الولايات المتحدة وروسيا واليابان فئة جديدة من المواد الاصطناعية تسمى ferroelectrics ، والتي أظهرت ثوابت كهرضغطية تصل إلى عشرة أضعاف المواد الطبيعية.
أدى ذلك إلى إجراء بحث مكثف وتطوير تيتانات الباريوم ومواد تيتانات الزركونات الرصاص لاحقًا ، والتي كانت لها خصائص محددة لتطبيقات معينة. تم تطوير مثال هام على استخدام بلورات كهرضغطية في مختبرات بيل الهاتف بعد الحرب العالمية الثانية.
طور فريدريك آر لاك ، الذي يعمل في قسم هندسة الاتصالات الهاتفية اللاسلكية ، بلورًا مقطوعًا يعمل في نطاق واسع من درجات الحرارة. لم يكن بلور لاك بحاجة إلى الملحقات الثقيلة من البلورات السابقة ، مما سهل استخدامه في الطائرات. سمح هذا التطور للقوات الجوية الحلفاء بالانخراط في هجمات جماعية منسقة باستخدام راديو الطيران.
أدى تطوير الأجهزة والمواد الكهروإجهادية في الولايات المتحدة إلى إبقاء العديد من الشركات في مجال الأعمال التجارية ، وتم استغلال تطوير بلورات الكوارتز تجاريًا. ومنذ ذلك الحين ، تم استخدام المواد الكهرضغطية في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، بما في ذلك التصوير الطبي والتنظيف بالموجات فوق الصوتية والمزيد.
محرك فوهة بالموجات فوق الصوتية
الكهرباء الانضغاطية هي الشحنة الكهربائية التي تتراكم في بعض المواد الصلبة مثل البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي. إنها استجابة للضغط الميكانيكي المطبق وهي مشتقة من الكلمات اليونانية "piezein" ، والتي تعني "ضغط" أو "ضغط" و "elektron" ، والتي تعني "كهرمان" ، وهو مصدر قديم للشحنة الكهربائية.
التأثير الكهرضغطية هو تفاعل كهروميكانيكي خطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية للمواد البلورية مع التناظر الانعكاسي. إنها عملية قابلة للعكس ، مما يعني أن المواد التي تظهر التأثير الكهروإجهادي تظهر أيضًا التأثير الكهروضغطي العكسي ، وهو التوليد الداخلي للضغط الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق. مثال على ذلك هو بلورات تيتانات الرصاص الزركونية ، والتي تولد كهربيضغطية قابلة للقياس عندما يتشوه هيكلها الثابت عن أبعادها الأصلية. على العكس من ذلك ، عندما يتم تطبيق مجال كهربائي خارجي ، فإن البلورات تغير أبعادها الساكنة ، مما يؤدي إلى تأثير كهرضغطية معكوس ، وهو إنتاج الموجات فوق الصوتية.
اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان جاك وبيير كوري الكهرباء الانضغاطية في عام 1880 ومنذ ذلك الحين تم استغلالها في مجموعة متنوعة من التطبيقات المفيدة ، بما في ذلك إنتاج الصوت واكتشافه. تجد الكهرباء الانضغاطية أيضًا استخدامات يومية ، مثل توليد شرارات لإشعال الغاز في أجهزة الطهي والتدفئة والمشاعل وولاعات السجائر وغير ذلك.
تمت دراسة التأثير الكهروحراري ، وهو المادة التي تولد جهدًا كهربائيًا استجابةً لتغير درجة الحرارة ، من قبل كارل لينيوس وفرانز إيبينوس ، وفي منتصف القرن الثامن عشر استمد المعرفة من رينيه هاي وأنطوان سيزار بيكريل الذي افترض العلاقة بين الإجهاد الميكانيكي و الشحنة الكهربائية. كانت التجارب لإثبات ذلك غير حاسمة.
إن منظر بلورة بيزو في Curie Compensator في متحف Hunterian في اسكتلندا هو دليل على التأثير المباشر للكهرباء الانضغاطية للأخوين بيير وجاك كوري. أدى الجمع بين معرفتهم بالكهرباء الحرارية وفهم الهياكل البلورية الأساسية إلى التنبؤ بالكهرباء الحرارية وسمح لهم بالتنبؤ بالسلوك البلوري. تم توضيح ذلك بتأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وقصب السكر وملح روشيل. كما أظهر طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم رباعي هيدرات وكوارتز كهرضغطية كهرضغطية ، واستخدم قرص كهرضغطية لتوليد جهد عند تشوهه. لقد بالغ الكوريون في هذا الأمر بشكل كبير للتنبؤ بالتأثير الكهروضغطي العكسي ، والذي تم استنتاجه رياضيًا من مبادئ الديناميكا الحرارية الأساسية بواسطة غابرييل ليبمان في عام 1881.
أكد Curies على الفور وجود التأثير العكسي ، واستمروا في الحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للتشوهات الكهروإلاستو الميكانيكية في البلورات الكهروضغطية. لعقود من الزمان ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر ، ولكنها كانت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم من قبل بيير وماري كوري في عملهما لاستكشاف وتعريف الهياكل البلورية التي تظهر كهرضغطية. بلغ هذا ذروته في نشر Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال) ، والذي وصف فئات البلورات الطبيعية القادرة على الكهرباء الانضغاطية وحدد بدقة الثوابت الكهرضغطية من خلال تحليل الموتر.
بدأ التطبيق العملي للأجهزة الكهروضغطية باستخدام السونار ، الذي تم تطويره خلال الحرب العالمية الأولى. في فرنسا ، طور بول لانجفين وزملاؤه كاشفًا للغواصات فوق الصوتية. يتألف الكاشف من محول طاقة مصنوع من بلورات كوارتز رفيعة ملتصقة بعناية بألواح فولاذية ، يُطلق عليها اسم ميكروفون ، لاكتشاف الصدى المرتجع بعد إصدار نبضة عالية التردد. من خلال قياس الوقت المستغرق لسماع صدى الموجات الصوتية التي ترتد عن جسم ما ، يمكنهم حساب مسافة الجسم. كان هذا الاستخدام للكهرباء الانضغاطية في السونار ناجحًا ، وخلق المشروع تطورًا مكثفًا واهتمامًا بالأجهزة الكهروضغطية لعقود.
تم استكشاف وتطوير مواد كهرضغطية جديدة وتطبيقات جديدة لهذه المواد ، ووجدت أجهزة كهرضغطية منازل في مجالات مثل خراطيش الفونوغراف الخزفية ، مما سهل تصميم المشغل وصنع مشغلات تسجيل أرخص وأكثر دقة وأرخص في الصيانة وأسهل في البناء . سمح تطوير محولات الطاقة فوق الصوتية بقياس سهل لزوجة ومرونة السوائل والمواد الصلبة ، مما أدى إلى تقدم كبير في أبحاث المواد. ترسل أجهزة قياس الانعكاس للمجال الزمني بالموجات فوق الصوتية نبضة فوق صوتية عبر مادة وتقيس الانعكاسات والانقطاعات للعثور على العيوب داخل الأجسام المعدنية والحجرية المصبوب
التجميعات البصرية فائقة الدقة
الكهرباء الانضغاطية هي قدرة بعض المواد على تجميع شحنة كهربائية عند تعرضها لضغط ميكانيكي. إنه تفاعل كهروميكانيكي خطي بين الحالات الكهربائية والميكانيكية للمواد البلورية مع تناظر انعكاس. الكهرباء الانضغاطية هي عملية عكسية ، مما يعني أن المواد التي تظهر كهرضغطية تعرض أيضًا تأثير كهرضغطية عكسي ، وهو التوليد الداخلي للإجهاد الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق.
تم استخدام الكهرباء الانضغاطية في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، بما في ذلك إنتاج الصوت وكشفه ، وتوليد الكهرباء ذات الجهد العالي. تُستخدم الكهروإجهادية أيضًا في الطباعة النافثة للحبر ، ومولدات الساعة ، والأجهزة الإلكترونية ، والموازنات الدقيقة ، ودفع فوهات الموجات فوق الصوتية ، والتجمعات البصرية فائقة الدقة.
تم اكتشاف الكهرباء الانضغاطية في عام 1880 من قبل الفيزيائيين الفرنسيين جاك وبيير كوري. يتم استغلال التأثير الكهروإجهادي في تطبيقات مفيدة ، مثل إنتاج الصوت وكشفه ، وتوليد الكهرباء ذات الجهد العالي. تُستخدم أيضًا الطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية ، بالإضافة إلى مولدات الساعة ، والأجهزة الإلكترونية ، والموازين الدقيقة ، وفوهات تشغيل الموجات فوق الصوتية ، والتجمعات الضوئية فائقة الدقة.
وجدت الكهرباء الانضغاطية طريقها إلى الاستخدامات اليومية ، مثل توليد شرارات لإشعال الغاز لأجهزة الطهي والتدفئة ، والمشاعل ، ولاعات السجائر ، ومواد التأثير الكهروحراري التي تولد الجهد الكهربائي استجابة لتغير درجة الحرارة. تمت دراسة هذا التأثير من قبل كارل لينيوس وفرانز إيبينوس في منتصف القرن الثامن عشر ، بالاعتماد على المعرفة من رينيه هاي وأنطوان سيزار بيكريل الذي افترض وجود علاقة بين الإجهاد الميكانيكي والشحنة الكهربائية. أثبتت التجارب أنها غير حاسمة.
إن منظر بلورة بيزو في Curie Compensator في متحف Hunterian في اسكتلندا هو دليل على التأثير المباشر للكهرباء الانضغاطية للأخوين بيير وجاك كوري. إلى جانب معرفتهم بالكهرباء الحرارية وفهمهم للهياكل البلورية الأساسية ، فقد أدت إلى التنبؤ بالكهرباء الحرارية والقدرة على التنبؤ بالسلوك البلوري. وقد تجلى ذلك في تأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وقصب السكر وملح روشيل.
أظهرت طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم رباعي هيدرات ، والكوارتز وملح روشيل كهرضغطية كهرضغطية ، واستخدم قرص كهرضغطية لتوليد جهد عند تشوهه ، على الرغم من أن التغيير في الشكل كان مبالغًا فيه إلى حد كبير. تنبأ كوريس بالتأثير الكهروإجهادي العكسي ، وتم استنتاج التأثير العكسي رياضيًا من مبادئ الديناميكا الحرارية الأساسية بواسطة غابرييل ليبمان في عام 1881. أكد كوريس على الفور وجود التأثير العكسي ، واستمر في الحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للتيار الكهربائي. التشوهات الميكانيكية المطاطية في بلورات كهرضغطية.
لعقود من الزمان ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر حتى أصبحت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم بواسطة بيير وماري كوري. بلغ عملهم لاستكشاف وتعريف الهياكل البلورية التي عرضت الكهرباء الانضغاطية ذروتها في نشر Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال). وصف هذا فئات البلورات الطبيعية القادرة على الكهرباء الانضغاطية وحدد بدقة الثوابت الكهرضغطية باستخدام تحليل الموتر للتطبيق العملي للأجهزة الكهرضغطية.
كان تطوير السونار مشروعًا ناجحًا خلق تطورًا مكثفًا واهتمامًا بالأجهزة الكهروضغطية. بعد عقود ، تم استكشاف وتطوير مواد كهرضغطية جديدة وتطبيقات جديدة لهذه المواد. وجدت الأجهزة الكهربائية الانضغاطية منازل في مجموعة متنوعة من المجالات ، مثل خراطيش الفونوغراف الخزفية ، التي سهّلت تصميم المشغل وجعلت مشغلات التسجيلات أرخص وأسهل في الصيانة والبناء. سمح تطوير محولات الطاقة فوق الصوتية بقياس سهل لزوجة ومرونة السوائل والمواد الصلبة ، مما أدى إلى تقدم كبير في أبحاث المواد. ترسل أجهزة قياس الانعكاس للمجال الزمني بالموجات فوق الصوتية نبضة فوق صوتية إلى مادة وتقيس الانعكاسات والانقطاعات للعثور على العيوب داخل الأجسام المعدنية والحجرية المصبوبة ، مما يحسن السلامة الهيكلية.
تم تأمين بدايات مجال الكهرباء الانضغاطية من خلال براءات الاختراع المربحة للمواد الجديدة المطورة من بلورات الكوارتز ، والتي تم استغلالها تجاريًا كمواد كهرضغطية. بحث العلماء عن مواد ذات أداء أعلى ، وعلى الرغم من التقدم في المواد ونضج عمليات التصنيع ، فإن سوق الولايات المتحدة لم ينمو بسرعة. في المقابل ، تبادل المصنعون اليابانيون المعلومات بسرعة وعانت التطبيقات الجديدة للنمو في صناعة الكهرباء الانضغاطية في الولايات المتحدة على عكس الشركات المصنعة اليابانية.
محركات كهرضغطية
في هذا القسم ، سأتحدث عن كيفية استخدام الكهرباء الانضغاطية في التكنولوجيا الحديثة. أصبحت الكهرباء الانضغاطية جزءًا لا يتجزأ من العديد من الأجهزة ، بدءًا من مجاهر المسح التي يمكنها حل الصور على نطاق الذرات إلى التقاطات للقيثارات المضخمة إلكترونيًا ومحفزات الطبول الإلكترونية الحديثة. سأستكشف تاريخ الكهرباء الانضغاطية وكيف تم استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات.
يشكل أساس المسح بمجهر المجاهر
الكهرباء الانضغاطية هي الشحنة الكهربائية التي تتراكم في بعض المواد الصلبة ، مثل البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي. إنها الاستجابة للإجهاد الميكانيكي المطبق ، وتأتي كلمة كهرضغطية من الكلمة اليونانية πιέζειν (piezein) التي تعني "ضغط" أو "ضغط" و ἤλεκτρον (lektron) تعني "كهرمان" ، مصدر قديم للشحنة الكهربائية.
المحركات الكهرضغطية هي الأجهزة التي تستخدم التأثير الكهرضغطية لتوليد الحركة. هذا التأثير هو التفاعل الكهروميكانيكي الخطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية في المواد البلورية ذات التناظر العكسي. إنها عملية قابلة للانعكاس ، مما يعني أن المواد التي تظهر التأثير الكهروإجهادي تظهر أيضًا التأثير الكهروضغطي العكسي ، وهو التوليد الداخلي للضغط الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق. أمثلة على المواد التي تولد الكهرباء الانضغاطية القابلة للقياس هي بلورات تيتانات الرصاص.
يتم استغلال التأثير الكهروإجهادي في تطبيقات مفيدة ، مثل إنتاج الصوت والكشف عنه ، والطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية ، وتوليد الكهرباء ذات الجهد العالي ، ومولدات الساعة ، والأجهزة الإلكترونية مثل الموازين الدقيقة وقيادة فوهات الموجات فوق الصوتية للتجميعات الضوئية فائقة الدقة. كما أنها تشكل أساس مجاهر المسح التي تستخدم في تحليل الصور على نطاق الذرات.
تم اكتشاف الكهرباء الانضغاطية في عام 1880 من قبل الفيزيائيين الفرنسيين جاك وبيير كوري. يمكن رؤية منظر بلورة بيزو ومعوض كوري في متحف هانتيريان في اسكتلندا ، وهو عرض للتأثير الكهروضغطي المباشر من قبل الأخوين بيير وجاك كوري.
أدى الجمع بين معرفتهم بالكهرباء الحرارية وفهمهم للهياكل البلورية الأساسية إلى التنبؤ بالكهرباء الحرارية ، مما سمح لهم بالتنبؤ بالسلوك البلوري. تم إثبات ذلك من خلال تأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وقصب السكر وملح روشيل. أظهرت طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم رباعي هيدرات ، والكوارتز وملح روشيل كهرضغطية كهرضغطية ، واستخدم قرص كهرضغطية لتوليد جهد عند تشوهه ، على الرغم من المبالغة في ذلك من قبل كوريس.
تنبأوا أيضًا بالتأثير الكهروإجهادي العكسي ، وقد تم استنتاج ذلك رياضيًا من مبادئ الديناميكا الحرارية الأساسية بواسطة غابرييل ليبمان في عام 1881. أكد كوريس على الفور وجود التأثير المعاكس ، واستمروا في الحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للمطاط الكهربائي- التشوهات الميكانيكية في بلورات كهرضغطية.
لعقود من الزمان ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر حتى أصبحت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم بواسطة بيير وماري كوري. توج عملهم لاستكشاف وتحديد الهياكل البلورية التي عرضت الكهرباء الانضغاطية في نشر كتاب Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال) ، والذي وصف فئات البلورات الطبيعية القادرة على الكهرباء الانضغاطية وحدد بدقة الثوابت الكهرضغطية وتحليل الموتر.
أدى ذلك إلى التطبيق العملي للأجهزة الكهروضغطية ، مثل السونار ، الذي تم تطويره خلال الحرب العالمية الأولى. في فرنسا ، طور Paul Langevin وزملاؤه كاشف الغواصات فوق الصوتي. يتكون هذا الكاشف من محول طاقة مصنوع من بلورات الكوارتز الرقيقة الملصقة بعناية على ألواح فولاذية ، وميكروفون لاكتشاف الصدى المرتجع بعد انبعاث نبضة عالية التردد من المحول. من خلال قياس الوقت المستغرق لسماع صدى الموجات الصوتية التي ترتد عن جسم ما ، تمكنوا من حساب مسافة الجسم. لقد استخدموا الكهرباء الانضغاطية لإنجاح هذا السونار ، وخلق المشروع تطورًا مكثفًا واهتمامًا بالأجهزة الكهروضغطية لعقود.
تم استكشاف وتطوير مواد كهرضغطية جديدة وتطبيقات جديدة لهذه المواد ، ووجدت الأجهزة الكهروإجهادية منازل في العديد من المجالات ، مثل خراطيش الفونوغراف الخزفية ، مما سهّل تصميم المشغل وصنع مشغلات تسجيل أرخص وأكثر دقة وأرخص في الصيانة وأسهل لبناء. سمح تطوير محولات الطاقة فوق الصوتية بقياس سهل لزوجة ومرونة السوائل والمواد الصلبة ، مما أدى إلى تقدم كبير في أبحاث المواد. ترسل أجهزة قياس الانعكاس للمجال الزمني بالموجات فوق الصوتية نبضة فوق صوتية إلى مادة وتقيس الانعكاسات والانقطاعات للعثور على العيوب داخل الأجسام المعدنية والحجرية المصبوبة ، مما يحسن السلامة الهيكلية.
خلال الحرب العالمية الثانية ، مجموعات بحثية مستقلة في الولايات المتحدة
حل الصور على مقياس الذرات
الكهرباء الانضغاطية هي الشحنة الكهربائية التي تتراكم في بعض المواد الصلبة مثل البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي. إنه استجابة للضغط الميكانيكي المطبق ومشتق من الكلمة اليونانية "piezein" ، والتي تعني الضغط أو الضغط. ينتج التأثير الكهروإجهادي عن التفاعل الكهروميكانيكي الخطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية في المواد البلورية ذات التناظر الانعكاسي.
الكهرباء الانضغاطية هي عملية قابلة للانعكاس ، كما أن المواد التي تظهر التأثير الكهروإجهادي تظهر أيضًا التأثير الكهروضغطي العكسي ، وهو التوليد الداخلي للإجهاد الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق. ومن الأمثلة على ذلك بلورات تيتانات الرصاص الزركونية ، والتي تولد كهربيضغطية قابلة للقياس عندما يتشوه هيكلها الثابت عن أبعادها الأصلية. على العكس من ذلك ، تغير البلورات بُعدها الثابت عند تطبيق مجال كهربائي خارجي ، والذي يُعرف بالتأثير الكهروضغطي العكسي ويستخدم في إنتاج الموجات فوق الصوتية.
اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان جاك وبيير كوري الكهرباء الانضغاطية في عام 1880. وقد تم استغلال التأثير الكهرضغطية لمجموعة متنوعة من التطبيقات المفيدة ، بما في ذلك إنتاج الصوت واكتشافه ، والطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية ، وتوليد الكهرباء عالية الجهد ، ومولدات الساعة ، والأجهزة الإلكترونية مثل الموازين الدقيقة ودفع فوهات الموجات فوق الصوتية. كما أنها تشكل أساس مجاهر المسح التي تستخدم في تحليل الصور على نطاق الذرات.
تُستخدم الكهرباء الانضغاطية أيضًا في التطبيقات اليومية ، مثل توليد الشرر لإشعال الغاز في أجهزة الطهي والتدفئة والمشاعل وولاعات السجائر وغير ذلك. تمت دراسة التأثير الكهروحراري ، وهو مادة تولد جهدًا كهربائيًا استجابة لتغير درجة الحرارة ، بواسطة كارل لينيوس وفرانز إيبينوس في منتصف القرن الثامن عشر. بالاعتماد على معرفة رينيه هاي وأنطوان سيزار بيكريل ، افترضوا وجود علاقة بين الإجهاد الميكانيكي والشحنة الكهربائية ، لكن تجاربهم أثبتت أنها غير حاسمة.
يمكن لزوار متحف Hunterian في غلاسكو مشاهدة معوض كوري بيزو كريستال ، وهو عرض للتأثير الكهروضغطي المباشر للأخوين بيير وجاك كوري. إلى جانب معرفتهم بالكهرباء الحرارية وفهم الهياكل البلورية الأساسية ، فقد أدت إلى التنبؤ بالكهرباء الحرارية والقدرة على التنبؤ بالسلوك البلوري. تم إثبات ذلك من خلال تأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وقصب السكر وملح روشيل. طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم رباعي هيدرات ، وأظهر ملح الكوارتز وروشيل كهرضغطية ، ويولد قرص كهرضغطية جهدًا عند تشوهه ، على الرغم من أن التغيير في الشكل مبالغ فيه إلى حد كبير. كان الكوريون قادرين على التنبؤ بالتأثير الكهروإجهادي العكسي ، وتم استنتاج التأثير العكسي رياضيًا من مبادئ الديناميكا الحرارية الأساسية بواسطة غابرييل ليبمان في عام 1881.
أكد Curies على الفور وجود التأثير العكسي ، واستمروا في الحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للتشوهات الكهروإلاستو الميكانيكية في البلورات الكهروضغطية. لعقود من الزمان ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر ، لكنها كانت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم بواسطة بيير وماري كوري. توج عملهم لاستكشاف وتعريف الهياكل البلورية التي أظهرت الكهرباء الانضغاطية في نشر Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال).
التقاطات القيثارات المضخمة إلكترونيًا
المحركات الكهرضغطية هي محركات كهربائية تستخدم التأثير الكهرضغطية لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. التأثير الكهرضغطية هو قدرة بعض المواد على توليد شحنة كهربائية عند تعرضها لضغط ميكانيكي. تُستخدم المحركات الكهرضغطية في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، بدءًا من تشغيل الأجهزة الصغيرة مثل الساعات والساعات إلى تشغيل الآلات الأكبر حجمًا مثل الروبوتات والمعدات الطبية.
تُستخدم المحركات الكهرضغطية في القيثارات التي يتم تضخيمها إلكترونيًا. تستخدم هذه الالتقاطات التأثير الكهرضغطية لتحويل اهتزازات أوتار الجيتار إلى إشارة كهربائية. يتم بعد ذلك تضخيم هذه الإشارة وإرسالها إلى مكبر للصوت ينتج صوت الجيتار. كما تُستخدم وحدات الالتقاط الكهرضغطية في البراميل الإلكترونية الحديثة ، حيث تُستخدم للكشف عن اهتزازات رؤوس الأسطوانات وتحويلها إلى إشارة كهربائية.
تُستخدم المحركات الكهرضغطية أيضًا في مسح مجاهر المجسات ، والتي تستخدم التأثير الكهروإجهادي لتحريك مسبار صغير عبر السطح. هذا يسمح للمجهر بحل الصور على نطاق الذرات. تُستخدم المحركات الكهرضغطية أيضًا في طابعات نفث الحبر ، حيث تُستخدم لتحريك رأس الطباعة ذهابًا وإيابًا عبر الصفحة.
تُستخدم المحركات الكهرضغطية في مجموعة متنوعة من التطبيقات الأخرى ، بما في ذلك الأجهزة الطبية ومكونات السيارات والإلكترونيات الاستهلاكية. كما أنها تستخدم في التطبيقات الصناعية ، مثل إنتاج الأجزاء الدقيقة وتجميع المكونات المعقدة. كما يستخدم التأثير الكهروإجهادي في إنتاج الموجات فوق الصوتية التي تستخدم في التصوير الطبي وفي الكشف عن العيوب في المواد.
بشكل عام ، تُستخدم المحركات الكهرضغطية في مجموعة واسعة من التطبيقات ، من تشغيل الأجهزة الصغيرة إلى تشغيل الآلات الأكبر حجمًا. يتم استخدامها في القيثارات المضخمة إلكترونيًا ، والطبول الإلكترونية الحديثة ، ومجاهر المسح الضوئي ، والطابعات النافثة للحبر ، والأجهزة الطبية ، ومكونات السيارات ، والإلكترونيات الاستهلاكية. يستخدم التأثير الكهروإجهادي أيضًا في إنتاج الموجات فوق الصوتية وفي الكشف عن العيوب في المواد.
مشغلات براميل الكترونية حديثة
الكهرباء الانضغاطية هي الشحنة الكهربائية التي تتراكم في بعض المواد الصلبة مثل البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي. إنها استجابة هذه المواد للضغط الميكانيكي المطبق. كلمة كهرضغطية مشتقة من الكلمة اليونانية "piezein" ، والتي تعني "الضغط أو الضغط" ، وكلمة "elektron" ، والتي تعني "العنبر" ، مصدر قديم للشحنة الكهربائية.
المحركات الكهرضغطية هي الأجهزة التي تستخدم التأثير الكهرضغطية لتوليد الحركة. ينتج هذا التأثير عن التفاعل الكهروميكانيكي الخطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية للمواد البلورية ذات التناظر العكسي. إنها عملية قابلة للعكس ، مما يعني أن المواد التي تظهر التأثير الكهروإجهادي تظهر أيضًا التأثير الكهروضغطي العكسي ، وهو التوليد الداخلي للضغط الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق. مثال على ذلك هو بلورات تيتانات الرصاص الزركونية ، والتي تولد كهربيضغطية قابلة للقياس عندما يتشوه هيكلها الثابت عن أبعادها الأصلية. على العكس من ذلك ، عندما يتم تطبيق مجال كهربائي خارجي ، فإن البلورات تغير أبعادها الساكنة ، وتنتج موجات فوق صوتية.
تُستخدم المحركات الكهرضغطية في مجموعة متنوعة من التطبيقات اليومية ، مثل:
• توليد شرارات لإشعال الغاز في أجهزة الطهي والتدفئة
• المشاعل ، ولاعات السجائر ، ومواد التأثير الكهروحراري
• توليد جهد كهربائي استجابة لتغير درجات الحرارة
• إنتاج وكشف الصوت
• الطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية
• توليد الكهرباء ذات الجهد العالي
• مولد ساعة وأجهزة إلكترونية
• الموازين الدقيقة
• قيادة فوهات الموجات فوق الصوتية والتركيبات الضوئية فائقة الدقة
• يشكل أساس مسح المجاهر المجهرية
• حل الصور على نطاق الذرات
• التقاطات القيثارات تضخيمها إلكترونيًا
• مشغلات براميل الكترونية حديثة.
النمذجة الكهروميكانيكية لمحولات الطاقة الكهرضغطية
في هذا القسم ، سأستكشف النمذجة الكهروميكانيكية لمحولات الطاقة الكهرضغطية. سأقوم بإلقاء نظرة على تاريخ اكتشاف الكهرباء الانضغاطية ، والتجارب التي أثبتت وجودها ، وتطوير الأجهزة والمواد الكهربائية الانضغاطية. سأناقش أيضًا مساهمات الفيزيائيين الفرنسيين بيير وجاك كوري ، وكارل لينيوس ، وفرانز إيبينوس ، ورينيه هاوي ، وأنطوان سيزار بيكريل ، وغابرييل ليبمان ، وولدمار فويغت.
الفيزيائيان الفرنسيان بيير وجاك كوري
الكهرباء الانضغاطية هي ظاهرة كهروميكانيكية حيث تتراكم الشحنة الكهربائية في بعض المواد الصلبة مثل البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي. يتم إنشاء هذه الشحنة استجابة لضغط ميكانيكي مطبق. كلمة "كهرضغطية" مشتقة من الكلمة اليونانية "piezein" ، والتي تعني "الضغط أو الضغط" ، و "elektron" ، والتي تعني "الكهرمان" ، وهي مصدر قديم للشحنة الكهربائية.
ينتج التأثير الكهروإجهادي عن تفاعل كهروميكانيكي خطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية في المواد ذات التناظر الانعكاسي. هذا التأثير قابل للانعكاس ، مما يعني أن المواد التي تظهر التأثير الكهروإجهادي تظهر أيضًا التأثير الكهروضغطي العكسي ، حيث يتم إنتاج التوليد الداخلي للضغط الميكانيكي استجابةً لمجال كهربائي مطبق. على سبيل المثال ، تولد بلورات تيتانات الرصاص الزركوني كهرضغطية قابلة للقياس عندما يتشوه هيكلها الثابت عن بُعدها الأصلي. على العكس من ذلك ، عندما يتم تطبيق مجال كهربائي خارجي ، فإن البلورات تغير أبعادها الساكنة ، وتنتج موجات فوق صوتية في العملية المعروفة باسم التأثير الكهروضغطي العكسي.
في عام 1880 ، اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان بيير وجاك كوري التأثير الكهرضغطية ومنذ ذلك الحين تم استغلاله في مجموعة متنوعة من التطبيقات المفيدة ، بما في ذلك إنتاج الصوت والكشف عنه ، والطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية ، وتوليد الكهرباء عالية الجهد ، ومولدات الساعة ، والإلكترونية. أجهزة مثل الموازين الدقيقة ودفع فوهات الموجات فوق الصوتية للتجميعات الضوئية فائقة الدقة. كما أنه يشكل الأساس لمسح مجاهر المجسات ، والتي يمكنها حل الصور على نطاق الذرات. تُستخدم الكهرباء الانضغاطية أيضًا في التقاطات للقيثارات المضخمة إلكترونيًا ومحفزات الطبول الإلكترونية الحديثة.
تجد الكهرباء الانضغاطية أيضًا استخدامات يومية ، مثل توليد شرارات لإشعال الغاز في أجهزة الطهي والتدفئة والمشاعل وولاعات السجائر وغير ذلك. درس كارل لينيوس وفرانز إيبينوس التأثير الكهروحراري ، حيث تولد المادة جهدًا كهربائيًا استجابةً لتغير درجة الحرارة ، في منتصف القرن الثامن عشر ، بالاعتماد على معرفة رينيه هاوي وأنطوان سيزار بيكريل ، اللذين افترضوا وجود علاقة بين الإجهاد الميكانيكي والشحنة الكهربائية ، على الرغم من أن تجاربهم أثبتت أنها غير حاسمة.
من خلال الجمع بين معرفتهم بالكهرباء الحرارية وفهم الهياكل البلورية الأساسية ، كان الكوريون قادرين على التنبؤ بالكهرباء الحرارية والتنبؤ بسلوك البلورات. وقد تجلى ذلك في تأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وقصب السكر وملح روشيل. كما أظهر طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم رباعي هيدرات والكوارتز كهرضغطية كهرضغطية. يولد القرص الكهروإجهادي جهدًا عند تشوهه ، على الرغم من المبالغة في هذا الأمر في عرض Curies. كانوا أيضًا قادرين على التنبؤ بالتأثير الكهروإجهادي العكسي واستنتاجه رياضيًا من مبادئ الديناميكا الحرارية الأساسية بواسطة غابرييل ليبمان في عام 1881.
أكد Curies على الفور وجود التأثير العكسي ، واستمروا في الحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للتشوهات الكهروإلاستو الميكانيكية في البلورات الكهروضغطية. في العقود التي تلت ذلك ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر حتى أصبحت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم بواسطة بيير وماري كوري. بلغ عملهم لاستكشاف وتعريف الهياكل البلورية التي عرضت الكهرباء الانضغاطية ذروتها في نشر Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال).
التجارب أثبتت أنها غير حاسمة
الكهرباء الانضغاطية هي ظاهرة كهروميكانيكية تتراكم فيها الشحنة الكهربائية في بعض المواد الصلبة ، مثل البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي. إنها الاستجابة للضغط الميكانيكي المطبق ، وكلمة "كهرضغطية" مشتقة من الكلمات اليونانية "piezein" ، والتي تعني "الضغط أو الضغط" و "lektron" ، والتي تعني "الكهرمان" ، مصدر قديم للشحنة الكهربائية.
ينتج التأثير الكهروإجهادي عن التفاعل الكهروميكانيكي الخطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية للمواد البلورية مع التناظر الانعكاسي. إنها عملية قابلة للعكس. تُظهر المواد التي تظهر التأثير الكهرضغطية أيضًا التأثير الكهروضغطي العكسي ، وهو التوليد الداخلي للضغط الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق. على سبيل المثال ، تولد بلورات تيتانات الرصاص الزركوني كهرضغطية قابلة للقياس عندما يتشوه هيكلها الثابت عن بُعدها الأصلي. على العكس من ذلك ، يمكن أن تغير البلورات بُعدها الثابت عند تطبيق مجال كهربائي خارجي ، يُعرف بالتأثير الكهروضغطي العكسي ، والذي يستخدم في إنتاج الموجات فوق الصوتية.
اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان بيير وجاك كوري الكهرباء الانضغاطية في عام 1880. ومنذ ذلك الحين تم استغلالها في مجموعة متنوعة من التطبيقات المفيدة ، بما في ذلك إنتاج الصوت والكشف عنه ، وطباعة نفث الحبر الكهروضغطي ، وتوليد الكهرباء عالية الجهد ، ومولدات الساعة ، والأجهزة الإلكترونية مثل الموازين الدقيقة ، ودفع فوهات الموجات فوق الصوتية ، والتجمعات البصرية فائقة الدقة. كما أنها تشكل أساس مجاهر المسح ، والتي يمكنها حل الصور على مقياس الذرات. تُستخدم الكهرباء الانضغاطية أيضًا في التقاطات للقيثارات المضخمة إلكترونيًا ، ومحفزات الطبول الإلكترونية الحديثة.
تجد الكهرباء الانضغاطية الاستخدامات اليومية في توليد الشرارات لإشعال الغاز في أجهزة الطهي والتدفئة والمشاعل وولاعات السجائر وغير ذلك. تمت دراسة التأثير الكهروحراري ، الذي تولد فيه مادة إمكانات كهربائية استجابة لتغير في درجة الحرارة ، بواسطة كارل لينيوس وفرانز إيبينوس في منتصف القرن الثامن عشر ، بالاعتماد على معرفة رينيه هاوي وأنطوان سيزار بيكريل ، اللذين افترضوا وجود علاقة بين الإجهاد الميكانيكي والشحنة الكهربائية. أثبتت التجارب أنها غير حاسمة.
أدت المعرفة المجمعة للكهرباء الحرارية وفهم الهياكل البلورية الأساسية إلى التنبؤ بالكهرباء الحرارية والقدرة على التنبؤ بسلوك البلورات. وقد تجلى ذلك في تأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وقصب السكر وملح روشيل. كما أظهر طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم رباعي هيدرات والكوارتز كهرضغطية كهرضغطية ، واستخدم قرص كهرضغطية لتوليد جهد عند تشوهه. تم تضخيم هذا بشكل كبير في عرض Curies للتأثير الكهروضغطي المباشر.
توقع الأخوان بيير وجاك كوري التأثير العكسي الكهرضغطية ، وتم استنتاج التأثير العكسي رياضيًا من مبادئ الديناميكا الحرارية الأساسية بواسطة غابرييل ليبمان في عام 1881. أكد كوريز فورًا وجود التأثير العكسي ، واستمروا للحصول على دليل كمي للتأثير الكامل. قابلية عكس التشوهات الكهرو-إيلاستو الميكانيكية في بلورات كهرضغطية.
لعقود من الزمان ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر ، لكنها كانت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم بواسطة بيير وماري كوري. بلغ عملهم لاستكشاف وتعريف الهياكل البلورية التي عرضت الكهرباء الانضغاطية ذروتها في نشر Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال). وصف هذا فئات البلورات الطبيعية القادرة على الكهرباء الانضغاطية وحدد بدقة الثوابت الكهروضغطية باستخدام تحليل الموتر. كان هذا أول تطبيق عملي لمحولات الطاقة الكهرضغطية ، وقد تم تطوير السونار خلال الحرب العالمية الأولى. في فرنسا ، طور بول لانجفين وزملاؤه كاشف الغواصات فوق الصوتي.
كارل لينيوس وفرانز إيبينوس
الكهرباء الانضغاطية هي ظاهرة كهروميكانيكية تتراكم فيها الشحنة الكهربائية في بعض المواد الصلبة مثل البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي. يتم إنشاء هذه الشحنة استجابة للإجهاد الميكانيكي المطبق. تأتي كلمة كهرضغطية من الكلمات اليونانية πιέζειν (piezein) التي تعني "الضغط أو الضغط" و ἤλεκτρον (lektron) تعني "العنبر" ، مصدر قديم للشحنة الكهربائية.
ينتج التأثير الكهروإجهادي عن تفاعل كهروميكانيكي خطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية للمواد البلورية مع التناظر الانعكاسي. هذا التأثير قابل للانعكاس ، مما يعني أن المواد التي تظهر على الكهرباء الانضغاطية تظهر أيضًا التأثير الكهروضغطي العكسي ، وهو التوليد الداخلي للضغط الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق. على سبيل المثال ، تولد بلورات تيتانات الرصاص الزركوني كهرضغطية قابلة للقياس عندما يتشوه هيكلها الثابت عن بُعدها الأصلي. على العكس من ذلك ، يمكن أن تغير البلورات بُعدها الثابت عند تطبيق مجال كهربائي خارجي ، وهو ما يُعرف بالتأثير الكهروضغطي العكسي ويستخدم في إنتاج الموجات فوق الصوتية.
في عام 1880 ، اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان جاك وبيير كوري التأثير الكهرضغطية ومنذ ذلك الحين تم استغلاله في العديد من التطبيقات المفيدة ، بما في ذلك إنتاج الصوت والكشف عنه ، وطباعة نفث الحبر الكهروضغطي ، وتوليد الكهرباء ذات الجهد العالي ، ومولدات الساعة ، والأجهزة الإلكترونية ، والموازنات الدقيقة. ، ودفع فوهات الموجات فوق الصوتية ، والتجمعات البصرية فائقة الدقة. كما أنه يشكل الأساس لمسح مجاهر المجسات ، والتي تستخدم لحل الصور على مقياس الذرات. تُستخدم الكهرباء الانضغاطية أيضًا في التقاطات للقيثارات المضخمة إلكترونيًا ومحفزات الطبول الإلكترونية الحديثة.
تم العثور على الكهرباء الانضغاطية أيضًا في الاستخدامات اليومية ، مثل توليد شرارات لإشعال الغاز في أجهزة الطهي والتدفئة ، والمشاعل ، ولاعات السجائر ، والتأثير الكهروحراري ، وهو عندما تولد المادة جهدًا كهربائيًا استجابةً لتغير درجة الحرارة. تمت دراسة هذا التأثير من قبل كارل لينيوس وفرانز إيبينوس في منتصف القرن الثامن عشر ، بالاعتماد على المعرفة من رينيه هاوي وأنطوان سيزار بيكريل ، اللذين افترضوا وجود علاقة بين الإجهاد الميكانيكي والشحنة الكهربائية ، على الرغم من أن تجاربهم أثبتت أنها غير حاسمة.
إن منظر بلورة بيزو في معوض كوري في متحف هانتيريان في اسكتلندا هو دليل على التأثير المباشر للكهرباء الانضغاطية للأخوين بيير وجاك كوري. أدى الجمع بين معرفتهم بالكهرباء الحرارية وفهم الهياكل البلورية الأساسية إلى التنبؤ بالكهرباء الحرارية والقدرة على التنبؤ بالسلوك البلوري. تم إثبات ذلك من خلال تأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وقصب السكر وملح روشيل. عرض رباعي هيدرات طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم والكوارتز من ملح روشيل كهرضغطية ، ويولد قرص كهرضغطية جهدًا عند تشوهه ، على الرغم من المبالغة في هذا الأمر في عرض كوري.
التنبؤ بالتأثير الكهروإجهادي العكسي واستنتاجه الرياضي من مبادئ الديناميكا الحرارية الأساسية تم إجراؤه بواسطة غابرييل ليبمان في عام 1881. أكد كوريس على الفور وجود التأثير المعاكس ، واستمر في الحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للمطاط الكهربائي- التشوهات الميكانيكية في بلورات كهرضغطية. لعقود من الزمان ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر حتى أصبحت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم من قبل بيير وماري كوري ، اللذين استخدماها لاستكشاف وتعريف الهياكل البلورية التي تظهر كهرضغطية. بلغ هذا ذروته في نشر Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال) ، والذي وصف فئات البلورات الطبيعية القادرة على الكهرباء الانضغاطية وحدد بدقة الثوابت الكهروضغطية باستخدام تحليل الموتر.
أدى هذا التطبيق العملي للمحولات الكهروإجهادية إلى تطوير السونار خلال الحرب العالمية الأولى. في فرنسا ، طور بول لانجفين وزملاؤه كاشف الغواصات فوق الصوتي. يتألف الكاشف من محول طاقة مصنوع من بلورات الكوارتز الرقيقة الملصقة بعناية على ألواح فولاذية ، وميكروفون لاكتشاف الصدى المرتجع بعد انبعاث نبضة عالية التردد من المحول. من خلال قياس الوقت المستغرق لسماع صدى الموجات الصوتية التي ترتد عن الجسم ، تمكنوا من حساب مسافة الجسم. لقد استخدموا الكهرباء الانضغاطية لإنجاح هذا السونار ، وخلق المشروع تطورًا مكثفًا واهتمامًا بالأجهزة الكهروضغطية
رينيه هاوي وأنطوان سيزار بيكريل
الكهرباء الانضغاطية هي ظاهرة كهروميكانيكية تحدث عندما تتراكم بعض المواد الصلبة ، مثل البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي ، شحنة كهربائية استجابة للإجهاد الميكانيكي المطبق. تشتق الكهرباء الانضغاطية من الكلمة اليونانية "piezein" والتي تعني "الضغط أو الضغط" و "elektron" التي تعني "الكهرمان" ، وهي مصدر قديم للشحنة الكهربائية.
ينتج التأثير الكهروإجهادي عن تفاعل كهروميكانيكي خطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية في المواد البلورية ذات التناظر العكسي. هذا التأثير قابل للانعكاس ، مما يعني أن المواد التي تظهر التأثير الكهروإجهادي تظهر أيضًا تأثير كهرضغطية عكسي ، أو توليد داخلي من الإجهاد الميكانيكي الناتج عن مجال كهربائي مطبق. على سبيل المثال ، تولد بلورات تيتانات الرصاص الزركوني كهرضغطية قابلة للقياس عندما يتشوه هيكلها الثابت عن بُعدها الأصلي. على العكس من ذلك ، يمكن أن تغير البلورات بعدها الثابت عند تطبيق مجال كهربائي خارجي ، مما يؤدي إلى التأثير الكهروضغطي العكسي وإنتاج الموجات فوق الصوتية.
اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان بيير وجاك كوري التأثير الكهروضغطي في عام 1880. وقد تم استغلال هذا التأثير في مجموعة متنوعة من التطبيقات المفيدة ، بما في ذلك إنتاج الصوت والكشف عنه ، وطباعة نفث الحبر الكهرضغطية ، وتوليد الكهرباء عالية الجهد ، ومولدات الساعة ، والأجهزة الإلكترونية مثل الموازين الدقيقة ، ودفع فوهات الموجات فوق الصوتية ، والتجمعات الضوئية فائقة الدقة. كما أنها تشكل أساس مجاهر المسح ، والتي يمكنها حل الصور على مقياس الذرات. تُستخدم الكهرباء الانضغاطية أيضًا في التقاطات للقيثارات المضخمة إلكترونيًا ، ومحفزات الطبول الإلكترونية الحديثة.
تمت دراسة التأثير الكهروضغطي لأول مرة من قبل كارل لينيوس وفرانز إيبينوس في منتصف القرن الثامن عشر ، بالاعتماد على المعرفة من رينيه هاوي وأنطوان سيزار بيكريل ، اللذين افترضوا وجود علاقة بين الإجهاد الميكانيكي والشحنة الكهربائية. ومع ذلك ، أثبتت التجارب أنها غير حاسمة. إلى جانب المعرفة بالكهرباء الحرارية ، وفهم الهياكل البلورية الأساسية ، أدى ذلك إلى التنبؤ بالكهرباء الحرارية ، والقدرة على التنبؤ بالسلوك البلوري. وقد تجلى ذلك في تأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وقصب السكر وملح روشيل. كما أظهر طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم رباعي هيدرات والكوارتز كهرضغطية كهرضغطية ، واستخدم قرص كهرضغطية لتوليد جهد عند تشوهه. تم تضخيم هذا التأثير بشكل كبير في عرض Curies في متحف اسكتلندا ، والذي أظهر التأثير المباشر للكهرباء الانضغاطية.
ذهب الأخوان بيير وجاك كوري للحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للتشوهات الكهروإلكتروضوئية في البلورات الكهروضغطية. لعقود من الزمان ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر ، حتى أصبحت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم بواسطة بيير وماري كوري. استكشف هذا العمل وحدد الهياكل البلورية التي عرضت الكهرباء الانضغاطية ، وبلغت ذروتها بنشر Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال).
أكد الكوريون على الفور وجود التأثير المعاكس ، واستمروا في استنتاج رياضي للمبادئ الأساسية للديناميكا الحرارية للتأثير العكسي. قام بذلك غابرييل ليبمان في عام 1881. ثم تم استخدام الكهرباء الانضغاطية لتطوير السونار خلال الحرب العالمية الأولى. في فرنسا ، طور بول لانجفين وزملاؤه كاشف الغواصات فوق الصوتي. يتكون هذا الكاشف من محول طاقة مصنوع من بلورات الكوارتز الرقيقة الملصقة بعناية على ألواح فولاذية ، وميكروفون لاكتشاف الصدى المرتجع. من خلال إصدار نبضة عالية التردد من محول الطاقة وقياس الوقت المستغرق لسماع صدى الموجات الصوتية التي ترتد عن جسم ما ، يمكنهم حساب المسافة إلى الجسم.
تم تطوير استخدام البلورات الكهروإجهادية من قبل مختبرات بيل للهاتف بعد الحرب العالمية الثانية. طور فريدريك آر لاك ، الذي يعمل في قسم هندسة الاتصالات الهاتفية اللاسلكية ، بلورًا مقطوعًا يمكنه العمل في نطاق واسع من درجات الحرارة. لم يكن بلور لاك بحاجة إلى الملحقات الثقيلة من البلورات السابقة ، مما سهل استخدامه في الطائرات. سمح هذا التطور للقوات الجوية الحلفاء بالانخراط في هجمات جماعية منسقة ، باستخدام راديو الطيران. أدى تطوير الأجهزة والمواد الكهروإجهادية في الولايات المتحدة إلى إبقاء الشركات في تطوير بدايات زمن الحرب في هذا المجال ، كما تم تطوير المصالح في تأمين براءات اختراع مربحة للمواد الجديدة. تم استغلال بلورات الكوارتز تجاريًا كمواد كهرضغطية ، وبحث العلماء عن مواد ذات أداء أعلى. على الرغم من التقدم في المواد ونضج عمليات التصنيع ، الولايات المتحدة
غابرييل ليبمان
الكهرباء الانضغاطية هي ظاهرة كهروميكانيكية تتراكم فيها الشحنة الكهربائية في بعض المواد الصلبة ، مثل البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي. إنه نتيجة تفاعل بين الحالات الميكانيكية والكهربائية في المواد ذات التناظر العكسي. تم اكتشاف الكهرباء الانضغاطية لأول مرة من قبل الفيزيائيين الفرنسيين بيير وجاك كوري في عام 1880.
تم استغلال الكهرباء الانضغاطية في مجموعة متنوعة من التطبيقات المفيدة ، بما في ذلك إنتاج الصوت والكشف عنه ، والطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية ، وتوليد الكهرباء ذات الجهد العالي. تشتق الكهرباء الانضغاطية من الكلمات اليونانية πιέζειν (piezein) التي تعني "الضغط أو الضغط" و ἤλεκτρον (lektron) تعني "العنبر" ، وهو مصدر قديم للشحنة الكهربائية.
التأثير الكهروإجهادي قابل للانعكاس ، مما يعني أن المواد التي تظهر كهرضغطية تعرض أيضًا تأثير كهرضغطية عكسي ، حيث ينتج التوليد الداخلي للإجهاد الميكانيكي عن تطبيق مجال كهربائي. على سبيل المثال ، تولد بلورات تيتانات الرصاص الزركوني كهرضغطية قابلة للقياس عندما يتشوه هيكلها الثابت عن بُعدها الأصلي. على العكس من ذلك ، يمكن أن تغير البلورات بُعدها الثابت عند تطبيق مجال كهربائي خارجي ، وهي عملية تُعرف باسم التأثير الكهروإجهادي العكسي. يمكن استخدام هذه العملية لإنتاج الموجات فوق الصوتية.
تمت دراسة التأثير الكهروضغطي منذ منتصف القرن الثامن عشر ، عندما افترض كارل لينيوس وفرانز إيبينوس ، بالاعتماد على معرفة رينيه هاوي وأنطوان سيزار بيكريل ، وجود علاقة بين الإجهاد الميكانيكي والشحنة الكهربائية. ومع ذلك ، أثبتت التجارب أنها غير حاسمة. لم يكن الأمر كذلك حتى أدت المعرفة المجمعة للكهرباء الحرارية وفهم الهياكل البلورية الأساسية إلى التنبؤ بالكهرباء الحرارية حتى تمكن الباحثون من التنبؤ بالسلوك البلوري. تم إثبات ذلك من خلال تأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وقصب السكر وملح روشيل.
استنتج غابرييل ليبمان ، في عام 1881 ، رياضيًا المبادئ الأساسية للديناميكا الحرارية للتأثير الكهروضغطي العكسي. أكد Curies على الفور وجود التأثير العكسي ، واستمروا في الحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للتشوهات الكهروإلاستو الميكانيكية في البلورات الكهروضغطية.
لعقود من الزمان ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر حتى أصبحت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم بواسطة بيير وماري كوري. بلغ عملهم لاستكشاف وتعريف الهياكل البلورية التي عرضت الكهرباء الانضغاطية ذروتها في نشر Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال). وصف هذا فئات البلورات الطبيعية القادرة على الكهرباء الانضغاطية وحدد بدقة الثوابت الكهروإجهادية مع تحليل الموتر.
بدأ التطبيق العملي للأجهزة الكهروضغطية مع تطوير السونار خلال الحرب العالمية الأولى. طور بول لانجفين وزملاؤه كاشف الغواصات فوق الصوتي. يتكون هذا الكاشف من محول طاقة مصنوع من بلورات الكوارتز الرقيقة الملصقة بعناية على ألواح فولاذية ، وميكروفون لاكتشاف الصدى المرتجع. من خلال إصدار نبضة عالية التردد من محول الطاقة وقياس الوقت المستغرق لسماع صدى الموجات الصوتية التي ترتد عن الجسم ، تمكنوا من حساب المسافة إلى الجسم. كان هذا الاستخدام للكهرباء الانضغاطية ناجحًا ، وخلق المشروع اهتمامًا مكثفًا بتطوير الأجهزة الكهروضغطية. على مر العقود ، تم استكشاف وتطوير مواد كهرضغطية جديدة وتطبيقات جديدة لهذه المواد. وجدت الأجهزة الكهربائية الانضغاطية منازل في مجموعة متنوعة من المجالات ، بدءًا من خراطيش الفونوغراف الخزفية التي سهّلت تصميم المشغل وجعلت مشغلات التسجيلات الدقيقة الرخيصة أرخص في الصيانة وأسهل في البناء ، إلى تطوير محولات الطاقة فوق الصوتية التي سمحت بقياس لزوجة ومرونة السوائل بسهولة والمواد الصلبة ، مما أدى إلى تطورات هائلة في أبحاث المواد. ترسل أجهزة قياس الانعكاس للمجال الزمني بالموجات فوق الصوتية نبضة فوق صوتية إلى مادة وتقيس الانعكاسات والانقطاعات للعثور على العيوب داخل الأجسام المعدنية والحجرية المصبوبة ، مما يحسن السلامة الهيكلية.
بعد الحرب العالمية الثانية ، اكتشفت مجموعات بحثية مستقلة في الولايات المتحدة وروسيا واليابان فئة جديدة من المواد الاصطناعية تسمى ferroelectrics والتي أظهرت ثوابت كهرضغطية أعلى بعشر مرات من المواد الطبيعية. أدى ذلك إلى إجراء بحث مكثف لتطوير تيتانات الباريوم ، ولاحقًا تيتانات الزركونات الرصاص ، وهي مواد ذات خصائص محددة لتطبيقات معينة. تم تطوير مثال هام على استخدام بلورات كهرضغطية
ولدمار فويجت
الكهرباء الانضغاطية هي ظاهرة كهروميكانيكية تتراكم فيها الشحنة الكهربائية في بعض المواد الصلبة ، مثل البلورات والسيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي. يتم إنشاء هذه الشحنة استجابة لضغط ميكانيكي مطبق. كلمة كهرضغطية مشتقة من الكلمة اليونانية "piezein" ، والتي تعني "الضغط أو الضغط" ، و "elektron" ، والتي تعني "العنبر" ، مصدر قديم للشحنة الكهربائية.
ينتج التأثير الكهروإجهادي عن تفاعل كهروميكانيكي خطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية للمواد البلورية مع التناظر الانعكاسي. هذا التأثير قابل للانعكاس ، مما يعني أن المواد التي تظهر كهرضغطية تظهر أيضًا تأثير كهرضغطية عكسي ، حيث ينتج التوليد الداخلي للإجهاد الميكانيكي من مجال كهربائي مطبق. على سبيل المثال ، تولد بلورات تيتانات الرصاص الزركوني كهرضغطية قابلة للقياس عندما يتشوه هيكلها الثابت عن بُعدها الأصلي. على العكس من ذلك ، يمكن أن تغير البلورات بُعدها الثابت عند تطبيق مجال كهربائي خارجي ، وهي ظاهرة تُعرف باسم التأثير الكهروضغطي العكسي ، والذي يستخدم في إنتاج الموجات فوق الصوتية.
اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان بيير وجاك كوري الكهرباء الانضغاطية في عام 1880. ومنذ ذلك الحين تم استغلال التأثير الكهرضغطية في مجموعة متنوعة من التطبيقات المفيدة ، بما في ذلك إنتاج الصوت والكشف عنه ، والطباعة النافثة للحبر الكهرضغطية ، وتوليد الكهرباء عالية الجهد ، ومولدات الساعة ، والأجهزة الإلكترونية مثل الموازين الدقيقة وقيادة فوهات الموجات فوق الصوتية للتركيز فائق الدقة للتجمعات الضوئية. كما أنها تشكل أساس مجاهر المسح ، والتي يمكنها حل الصور على مقياس الذرات. بالإضافة إلى ذلك ، فإن التقاطات في القيثارات التي يتم تضخيمها إلكترونيًا والمحفزات في الطبول الإلكترونية الحديثة تستخدم التأثير الكهروضغطي.
تجد الكهرباء الانضغاطية أيضًا الاستخدامات اليومية في توليد الشرر لإشعال الغاز في أجهزة الطهي والتدفئة ، والمشاعل ، وولاعات السجائر ، وغير ذلك. درس كارل لينيوس وفرانز إيبينوس التأثير الكهروحراري ، حيث تولد المادة جهدًا كهربائيًا استجابة لتغير درجة الحرارة ، في منتصف القرن الثامن عشر ، بالاعتماد على المعرفة من رينيه هاوي وأنطوان سيزار بيكريل ، اللذين افترضوا وجود علاقة بين الميكانيكية. الإجهاد والشحنة الكهربائية. أثبتت التجارب لإثبات هذه العلاقة أنها غير حاسمة.
إن منظر بلورة بيزو في معوض كوري في متحف هانتيريان في اسكتلندا هو دليل على التأثير المباشر للكهرباء الانضغاطية للأخوين بيير وجاك كوري. أدى الجمع بين معرفتهم بالكهرباء الحرارية وفهم الهياكل البلورية الأساسية إلى التنبؤ بالكهرباء الحرارية ، مما سمح لهم بالتنبؤ بالسلوك البلوري الذي أظهروه في تأثير البلورات مثل التورمالين والكوارتز والتوباز وسكر القصب وملح روشيل . كما أظهر طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم رباعي هيدرات وكوارتز كهرضغطية كهرضغطية ، واستخدم قرص كهرضغطية لتوليد جهد عند تشوهه. تم تضخيم هذا التغيير في الشكل بشكل كبير في عرض Curies ، واستمروا في التنبؤ بالتأثير الكهروإجهادي العكسي. تم استنتاج التأثير العكسي رياضيًا من مبادئ الديناميكا الحرارية الأساسية بواسطة غابرييل ليبمان في عام 1881.
أكد Curies على الفور وجود التأثير العكسي ، واستمروا في الحصول على دليل كمي على الانعكاس الكامل للتشوهات الكهروإلاستو الميكانيكية في البلورات الكهروضغطية. في العقود التي تلت ذلك ، ظلت الكهرباء الانضغاطية تثير فضول المختبر ، حتى أصبحت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم من قبل بيير ماري كوري ، الذي استخدمه لاستكشاف وتحديد الهياكل البلورية التي أظهرت كهرضغطية. بلغ هذا ذروته في نشر Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (كتاب فيزياء الكريستال) ، والذي وصف فئات البلورات الطبيعية القادرة على الكهرباء الانضغاطية وحدد بدقة الثوابت الكهروضغطية باستخدام تحليل الموتر.
أدى ذلك إلى التطبيق العملي للأجهزة الكهروضغطية ، مثل السونار ، الذي تم تطويره خلال الحرب العالمية الأولى. في فرنسا ، طور Paul Langevin وزملاؤه كاشف الغواصات فوق الصوتي. يتكون هذا الكاشف من محول طاقة مصنوع من بلورات الكوارتز الرقيقة الملصقة بعناية على ألواح فولاذية ، وميكروفون لاكتشاف الصدى المرتجع بعد انبعاث نبضة عالية التردد من المحول. من خلال قياس الوقت المستغرق لسماع صدى الموجات الصوتية التي ترتد عن جسم ما ، يمكنهم حساب المسافة إلى الجسم. لقد استخدموا الكهرباء الانضغاطية لإنجاح هذا السونار ، وخلق المشروع تطورًا مكثفًا واهتمامًا به.
علاقات مهمة
- مشغلات كهرضغطية: مشغلات كهرضغطية هي الأجهزة التي تحول الطاقة الكهربائية إلى حركة ميكانيكية. يتم استخدامها بشكل شائع في الروبوتات والأجهزة الطبية والتطبيقات الأخرى التي تتطلب تحكمًا دقيقًا في الحركة.
- مستشعرات كهرضغطية: تستخدم مستشعرات كهرضغطية لقياس المعلمات الفيزيائية مثل الضغط والتسارع والاهتزاز. غالبًا ما تستخدم في التطبيقات الصناعية والطبية ، وكذلك في الإلكترونيات الاستهلاكية.
- الكهرباء الانضغاطية في الطبيعة: الكهرباء الانضغاطية هي ظاهرة تحدث بشكل طبيعي في مواد معينة ، وتوجد في العديد من الكائنات الحية. يتم استخدامه من قبل بعض الكائنات الحية لاستشعار بيئتها والتواصل مع الكائنات الحية الأخرى.
وفي الختام
الكهرباء الانضغاطية هي ظاهرة مدهشة تم استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، من خراطيش السونار إلى خراطيش الفونوغراف. تمت دراستها منذ منتصف القرن التاسع عشر ، واستخدمت بشكل كبير في تطوير التكنولوجيا الحديثة. استكشف هذا المنشور على المدونة تاريخ واستخدامات الكهرباء الانضغاطية ، وسلط الضوء على أهمية هذه الظاهرة في تطوير التكنولوجيا الحديثة. للراغبين في معرفة المزيد عن الكهرباء الانضغاطية ، يعد هذا المنشور نقطة انطلاق رائعة.
أنا Joost Nusselder ، مؤسس Neaera ومسوق محتوى ، أبي ، وأحب تجربة معدات جديدة مع الغيتار في قلب شغفي ، ومع فريقي ، أعمل على إنشاء مقالات مدونة متعمقة منذ عام 2020 لمساعدة القراء المخلصين مع نصائح حول التسجيل والغيتار.
