Пиезоелектричеството е способността на определени материали да генерират електричество, когато са подложени на механично напрежение и обратно. Думата идва от гръцкото пиезо, което означава налягане и електричество. За първи път е открит през 1880 г., но концепцията е известна от дълго време.
Най-известният пример за пиезоелектричество е кварцът, но много други материали също проявяват това явление. Най-честата употреба на пиезоелектричеството е производството на ултразвук.
В тази статия ще обсъдя какво е пиезоелектричеството, как работи и някои от многото практически приложения на това невероятно явление.
Какво е пиезоелектричество?
Пиезоелектричеството е способността на определени материали да генерират електрически заряд в отговор на приложен механичен стрес. Това е линейно електромеханично взаимодействие между механични и електрически състояния в кристални материали с инверсионна симетрия. Пиезоелектричните материали могат да се използват за генериране на електричество с високо напрежение, часовникови генератори, електронни устройства, микровезни, задвижващи ултразвукови дюзи и ултрафини фокусиращи оптични модули.
Пиезоелектричните материали включват кристали, определена керамика, биологична материя като кост и ДНК и протеини. Когато се приложи сила към пиезоелектричен материал, той произвежда електрически заряд. След това този заряд може да се използва за захранване на устройства или за създаване на напрежение.
Пиезоелектричните материали се използват в различни приложения, включително:
• Произвеждане и детекция на звук
• Пиезоелектричен мастиленоструен печат
• Производство на електроенергия високо напрежение
• Тактови генератори
• Електронни устройства
• Микровезни
• Задвижване на ултразвукови дюзи
• Ултрафини фокусиращи оптични възли
• пикапи за китари с електронно усилване
• Тригери за съвременни електронни барабани
• Производство на искри за запалване на газ
• Уреди за готвене и отопление
• Факли и запалки.
Каква е историята на пиезоелектричеството?
Пиезоелектричеството е открито през 1880 г. от френските физици Жак и Пиер Кюри. Това е електрическият заряд, който се натрупва в определени твърди материали, като кристали, керамика и биологична материя, в отговор на приложен механичен стрес. Думата „пиезоелектричество“ произлиза от гръцката дума „piezein“, което означава „изстискване“ или „преса“, и „elektron“, което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд.
Пиезоелектричният ефект е резултат от линейното електромеханично взаимодействие между механичните и електрическите състояния на кристални материали с инверсионна симетрия. Това е обратим процес, което означава, че материалите, показващи пиезоелектричество, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, който е вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле.
Комбинираните познания на семейство Кюри за пироелектричеството и разбирането на основните кристални структури доведоха до предсказването на пироелектричеството и способността да се предвиди поведението на кристалите. Това беше демонстрирано в ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол.
Семейство Кюри незабавно потвърдиха съществуването на обратния ефект и продължиха да получават количествено доказателство за пълната обратимост на електро-еласто-механичните деформации в пиезоелектричните кристали. През десетилетията пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, докато не се превърна в жизненоважен инструмент при откриването на полония и радия от Пиер и Мария Кюри.
Пиезоелектричеството се използва за много полезни приложения, включително производството и откриването на звук, пиезоелектрически мастиленоструен печат, генериране на електричество с високо напрежение, часовникови генератори и електронни устройства, микровезни, задвижващи ултразвукови дюзи, ултрафино фокусиране на оптични модули и формите на основа на сканиращи сондови микроскопи за разрешаване на изображения в мащаба на атомите.
Пиезоелектричеството намира и ежедневни приложения, като генериране на искри за запалване на газ в устройства за готвене и отопление, факли, запалки за цигари и пироелектричен ефект, при който даден материал генерира електрически потенциал в отговор на температурна промяна.
Развитието на сонарите по време на Първата световна война видя използването на пиезоелектрични кристали, разработени от Bell Telephone Laboratories. Това позволи на съюзническите военновъздушни сили да участват в координирани масови атаки, използвайки авиационно радио. Развитието на пиезоелектрични устройства и материали в Съединените щати задържа компаниите в развитието на военновременните начала в областта на интересите, осигурявайки печеливши патенти за нови материали.
Япония видя новите приложения и растежа на пиезоелектрическата индустрия на Съединените щати и бързо разработи своя собствена. Те бързо споделиха информация и разработиха бариев титанат и по-късно оловен цирконат титанат материали със специфични свойства за конкретни приложения.
Пиезоелектричеството измина дълъг път от откриването си през 1880 г. и сега се използва в различни ежедневни приложения. Използва се и за постигане на напредък в изследването на материалите, като например ултразвукови рефлектометри във времева област, които изпращат ултразвуков импулс през материал за измерване на отражения и прекъсвания, за да открият дефекти в ляти метални и каменни предмети, подобрявайки структурната безопасност.
Как работи пиезоелектричеството
В този раздел ще изследвам как работи пиезоелектричеството. Ще разгледам натрупването на електрически заряд в твърди тела, линейното електромеханично взаимодействие и обратимия процес, които съставляват това явление. Също така ще обсъждам историята на пиезоелектричеството и неговите приложения.
Натрупване на електрически заряд в твърди тела
Пиезоелектричеството е електрическият заряд, който се натрупва в определени твърди материали, като кристали, керамика и биологична материя като кости и ДНК. Това е отговор на приложен механичен стрес и името му идва от гръцките думи „piezein“ (стискане или натискане) и „ēlektron“ (кехлибар).
Пиезоелектричният ефект е резултат от линейното електромеханично взаимодействие между механични и електрически състояния в кристални материали с инверсионна симетрия. Това е обратим процес, което означава, че материалите, проявяващи пиезоелектричество, също проявяват обратния пиезоелектричен ефект, при който вътрешното генериране на механично напрежение е резултат от приложено електрическо поле. Примери за материали, които генерират измеримо пиезоелектричество, включват кристали от оловен цирконат титанат.
Френските физици Пиер и Жак Кюри откриват пиезоелектричеството през 1880 г. Оттогава то се използва за различни полезни приложения, включително производство и откриване на звук, пиезоелектричен мастиленоструен печат, генериране на електричество с високо напрежение, часовникови генератори и електронни устройства като микровезни и задвижване на ултразвукови дюзи за ултрафино фокусиране на оптични възли. Той също така формира основата на сканиращи сондови микроскопи, които могат да разрешават изображения в мащаба на атомите. Пиезоелектричеството се използва и в пикапи за китари с електронно усилване и тригери за съвременни електронни барабани.
Пиезоелектричеството намира ежедневни приложения при генериране на искри за запалване на газ, в уреди за готвене и отопление, факли, запалки за цигари и пироелектричен ефект, при който даден материал генерира електрически потенциал в отговор на температурна промяна. Това е проучено от Карл Линей и Франц Епин в средата на 18-ти век, черпейки от знанията на Рене Хауи и Антоан Сезар Бекерел, които постулират връзката между механичното напрежение и електрическия заряд. Експериментите се оказаха неубедителни.
Изгледът на пиезокристал в компенсатора на Кюри в Hunterian Museum в Шотландия е демонстрация на директния пиезоелектричен ефект. Братята Пиер и Жак Кюри съчетаха знанията си за пироелектричеството с разбиране на основните кристални структури, което доведе до предсказанието за пироелектричество. Те успяха да предскажат поведението на кристала и демонстрираха ефекта в кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол. Натриево-калиев тартарат тетрахидрат и кварц също показват пиезоелектричество. Пиезоелектричен диск генерира напрежение, когато се деформира, и промяната във формата е силно преувеличена в демонстрацията на Кюри.
Те успяха да предскажат обратния пиезоелектричен ефект и обратният ефект беше математически изведен от Габриел Липман през 1881 г. Кюри незабавно потвърдиха съществуването на обратния ефект и продължиха да получават количествено доказателство за пълната обратимост на електро-еласто- механични деформации в пиезоелектрични кристали.
В продължение на десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, но то е жизненоважен инструмент при откриването на полоний и радий от Пиер и Мария Кюри. Тяхната работа за изследване и дефиниране на кристалните структури, които показват пиезоелектричество, кулминира в публикацията на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt, който описва естествените кристални класове, способни на пиезоелектричество, и стриктно дефинира пиезоелектричните константи чрез тензорен анализ. Това е практическото приложение на пиезоелектрическите устройства и сонарът е разработен по време на Първата световна война. Във Франция Пол Ланжевин и неговите колеги разработват ултразвуков детектор за подводници.
Детекторът се състоеше от a датчик изработен от тънки кварцови кристали, внимателно залепени към стоманени плочи, и хидрофон за откриване на върнато ехо. Чрез излъчване на високо честота импулс от трансдюсера и измерване на времето, необходимо за чуване на ехото на звукови вълни, отскачащи от обект, те успяха да изчислят разстоянието до обекта. Те използваха пиезоелектричество, за да направят сонара успешен и проектът създаде интензивно развитие и интерес към пиезоелектричните устройства. През десетилетията бяха изследвани и разработени нови пиезоелектрични материали и нови приложения за материалите, а пиезоелектричните устройства намериха дом в различни области. Керамичните грамофонни касети опростиха дизайна на плейъра и бяха направени за евтини и точни грамофонни плейъри, които бяха по-евтини за поддръжка и по-лесни за изграждане.
Разработването на ултразвукови преобразуватели позволи лесно измерване на вискозитета и еластичността на течности и твърди вещества, което доведе до огромен напредък в изследването на материалите.
Линейно електромеханично взаимодействие
Пиезоелектричеството е способността на определени материали да генерират електрически заряд, когато са подложени на механично напрежение. Думата произлиза от гръцките думи πιέζειν (piezein), което означава „да изстискам или натискам“ и ἤλεκτρον (ēlektron), което означава „кехлибар“, което е древен източник на електрически заряд.
Пиезоелектричеството е открито през 1880 г. от френските физици Жак и Пиер Кюри. Основава се на линейното електромеханично взаимодействие между механичните и електрическите състояния на кристални материали с инверсионна симетрия. Този ефект е обратим, което означава, че материалите, проявяващи пиезоелектричество, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, при което вътрешно генериране на механично напрежение е резултат от приложено електрическо поле. Примери за материали, които генерират измеримо пиезоелектричество, когато се деформират от тяхната статична структура, включват кристали от оловен цирконат титанат. Обратно, кристалите могат да променят статичното си измерение, когато се приложи външно електрическо поле, което е известно като обратен пиезоелектричен ефект и се използва при производството на ултразвукови вълни.
Пиезоелектричеството се използва за различни полезни приложения, като например:
• Произвеждане и детекция на звук
• Пиезоелектричен мастиленоструен печат
• Производство на електроенергия високо напрежение
• Тактов генератор
• Електронни устройства
• Микровезни
• Задвижване на ултразвукови дюзи
• Ултрафини фокусиращи оптични възли
• Формира основата на сканиращи сондови микроскопи за разрешаване на изображения в мащаба на атомите
• Пикапи в китари с електронно усилване
• Тригери в съвременни електронни барабани
• Генериране на искри за запалване на газ в уреди за готвене и отопление
• Факли и запалки
Пиезоелектричеството също така намира ежедневни приложения в пироелектричния ефект, който е материал, който генерира електрически потенциал в отговор на промяна на температурата. Това е проучено от Карл Линей и Франц Епин в средата на 18-ти век, черпейки от знанията на Рене Хауи и Антоан Сезар Бекерел, които постулират връзката между механичното напрежение и електрическия заряд. Експериментите обаче се оказаха неубедителни.
Гледането на пиезокристал в компенсатора на Кюри в Hunterian Museum в Шотландия е демонстрация на директния пиезоелектричен ефект. Това беше работата на братята Пиер и Жак Кюри, която изследва и дефинира кристалните структури, които показват пиезоелектричество, достигайки кулминацията си в публикуването на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt. Това описва естествените кристални класове, способни на пиезоелектричество и стриктно дефинира пиезоелектричните константи чрез тензорен анализ, което води до практическото приложение на пиезоелектрични устройства.
Сонарът е разработен по време на Първата световна война, когато французинът Пол Ланжевин и неговите колеги разработват ултразвуков детектор за подводници. Този детектор се състоеше от преобразувател, изработен от тънки кварцови кристали, внимателно залепени към стоманени плочи, и хидрофон за откриване на върнато ехо след излъчване на високочестотен импулс от преобразувателя. Чрез измерване на времето, необходимо за чуване на ехото на звукови вълни, отскачащи от обект, те успяха да изчислят разстоянието до обекта, използвайки пиезоелектричество. Успехът на този проект създаде интензивно развитие и интерес към пиезоелектричните устройства през десетилетията, като нови пиезоелектрични материали и нови приложения за тези материали се изследват и разработват. Пиезоелектричните устройства намериха приложение в много области, като например керамични грамофонни касети, които опростиха дизайна на плейърите и направиха по-евтини и по-точни плейъри, както и по-евтини и по-лесни за изграждане и поддръжка.
Разработването на ултразвукови преобразуватели позволи лесно измерване на вискозитета и еластичността на течности и твърди вещества, което доведе до огромен напредък в изследването на материалите. Ултразвуковите рефлектометри във времева област изпращат ултразвуков импулс в материал и измерват отраженията и прекъсванията, за да намерят дефекти в ляти метални и каменни предмети, подобрявайки структурната безопасност. След Втората световна война независими изследователски групи в Съединените щати, Русия и Япония откриха нов клас синтетични материали, наречени фероелектрици, които показват пиезоелектрични константи многократно по-високи от естествените материали. Това доведе до интензивни изследвания за разработване на бариев титанат и по-късно оловен цирконат титанат, материали със специфични свойства за определени приложения.
Важен пример за използването на пиезоелектрични кристали е разработен от Bell Telephone Laboratories след Втората световна война. Фредерик Р. Лак, работещ в инженерния отдел за радиотелефония,
Обратим процес
Пиезоелектричеството е електрически заряд, който се натрупва в определени твърди материали, като кристали, керамика и биологична материя като кости и ДНК. Това е реакцията на тези материали на приложеното механично напрежение. Думата „пиезоелектричество“ идва от гръцките думи „piezein“, което означава „изстисквам“ или „преса“, и „ēlektron“, което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд.
Пиезоелектричният ефект е резултат от линейното електромеханично взаимодействие между механичните и електрическите състояния на кристални материали с инверсионна симетрия. Това е обратим процес, което означава, че материалите, показващи пиезоелектричество, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, който е вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле. Примери за материали, които генерират измеримо пиезоелектричество, включват кристали от оловен цирконат титанат. Когато статичната структура на тези кристали се деформира, те се връщат към първоначалното си измерение и обратно, когато се приложи външно електрическо поле, те променят статичното си измерение, произвеждайки ултразвукови вълни.
Френските физици Жак и Пиер Кюри откриват пиезоелектричеството през 1880 г. Оттогава то се използва за различни полезни приложения, включително производство и откриване на звук, пиезоелектричен мастиленоструен печат, генериране на електричество с високо напрежение, часовникови генератори, електронни устройства, микровезни, задвижване на ултразвукови дюзи и ултрафини фокусиращи оптични модули. Той също така формира основата за сканиращи сондови микроскопи, които могат да разрешават изображения в мащаба на атомите. Пиезоелектричеството се използва и в пикапи за китари с електронно усилване и тригери за съвременни електронни барабани.
Пиезоелектричеството намира и ежедневни приложения, като например генериране на искри за запалване на газ в уреди за готвене и отопление, факли, запалки за цигари и др. Пироелектричният ефект, при който даден материал генерира електрически потенциал в отговор на температурна промяна, е изследван от Карл Линей, Франц Епинус и Рене Хауи в средата на 18-ти век, черпейки от знанията за кехлибара. Антоан Сезар Бекерел постулира връзка между механичния стрес и електрическия заряд, но експериментите се оказаха неубедителни.
Посетителите на Hunterian Museum в Глазгоу могат да видят пиезокристалния компенсатор на Кюри, демонстрация на директния пиезоелектричен ефект от братята Пиер и Жак Кюри. Комбинирането на познанията им за пироелектричеството с разбирането на основните кристални структури доведе до предсказанието за пироелектричеството и способността да се предвиди поведението на кристалите. Това беше доказано с ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол. Натриевият и калиевият тартарат тетрахидрат и кварц също показват пиезоелектричество и пиезоелектричен диск е използван за генериране на напрежение, когато се деформира. Тази промяна във формата беше силно преувеличена от семейство Кюри, за да предскажат обратния пиезоелектричен ефект. Обратният ефект е математически изведен от фундаменталните термодинамични принципи от Габриел Липман през 1881 г.
Семейство Кюри незабавно потвърдиха съществуването на обратния ефект и продължиха да получават количествено доказателство за пълната обратимост на електро-еласто-механичните деформации в пиезоелектричните кристали. В продължение на десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, но то е жизненоважен инструмент при откриването на полоний и радий от Пиер и Мария Кюри. Тяхната работа за изследване и дефиниране на кристалните структури, които показват пиезоелектричество, завърши с публикуването на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt. Това описва естествените кристални класове, способни на пиезоелектричество, и строго определя пиезоелектричните константи, използвайки тензорен анализ.
Практическото приложение на пиезоелектрични устройства, като сонар, е разработено по време на Първата световна война. Във Франция Пол Ланжевен и неговите колеги разработват ултразвуков детектор за подводници. Този детектор се състоеше от преобразувател, направен от тънки кварцови кристали, внимателно залепени към стоманени плочи, и хидрофон за откриване на върнатото ехо. Чрез излъчване на високочестотен импулс от трансдюсера и измерване на времето, необходимо за чуване на ехото на звуковите вълни, отскачащи от обект, те успяха да изчислят разстоянието до обекта. Те използваха пиезоелектричество, за да направят този сонар успешен. Този проект създаде интензивно развитие и интерес към пиезоелектричните устройства и през десетилетията бяха изследвани и разработени нови пиезоелектрични материали и нови приложения за тези материали. Пиезоелектрични устройства
Какво причинява пиезоелектричество?
В този раздел ще изследвам произхода на пиезоелектричеството и различните материали, които показват това явление. Ще разгледам гръцката дума "piezein", древният източник на електрически заряд и пироелектрическия ефект. Ще обсъдя и откритията на Пиер и Жак Кюри и развитието на пиезоелектричните устройства през 20 век.
Гръцка дума Piezein
Пиезоелектричеството е натрупването на електрически заряд в определени твърди материали, като кристали, керамика и биологична материя като кости и ДНК. Причинява се от реакцията на тези материали към приложеното механично напрежение. Думата пиезоелектричество идва от гръцката дума „piezein“, което означава „да изстискам или натисна“, и „ēlektron“, което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд.
Пиезоелектричният ефект е резултат от линейното електромеханично взаимодействие между механичните и електрическите състояния на кристални материали с инверсионна симетрия. Това е обратим процес, което означава, че материалите, показващи пиезоелектричество, също проявяват обратния пиезоелектричен ефект, който е вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле. Например, кристалите на оловен цирконат титанат генерират измеримо пиезоелектричество, когато тяхната статична структура се деформира спрямо първоначалния си размер. Обратно, кристалите могат да променят своите статични размери, когато се приложи външно електрическо поле, което е известно като обратен пиезоелектричен ефект и е производството на ултразвукови вълни.
Френските физици Жак и Пиер Кюри откриват пиезоелектричеството през 1880 г. Пиезоелектричният ефект е използван за много полезни приложения, включително производството и откриването на звук, пиезоелектричен мастиленоструен печат, генериране на електричество с високо напрежение, часовникови генератори и електронни устройства като микровезни , задвижване на ултразвукови дюзи и ултрафини фокусиращи оптични възли. Той също така формира основата на сканиращи сондови микроскопи, които могат да разрешават изображения в мащаба на атомите. Пиезоелектричеството се използва и в пикапи за китари с електронно усилване и тригери за съвременни електронни барабани.
Пиезоелектричеството намира ежедневни приложения, като например генериране на искри за запалване на газ в уреди за готвене и отопление, факли, запалки за цигари и др. Пироелектричният ефект, който представлява генерирането на електрически потенциал в отговор на температурна промяна, е изследван от Карл Линей и Франц Епин в средата на 18-ти век, черпейки от знанията на Рене Хауи и Антоан Сезар Бекерел, които постулират връзка между механично напрежение и електрически заряд. Експериментите се оказаха неубедителни.
В музея в Шотландия посетителите могат да видят пиезокристален компенсатор на Кюри, демонстрация на директния пиезоелектричен ефект от братята Пиер и Жак Кюри. Комбинирането на техните познания за пироелектричеството с разбирането на скритите кристални структури доведе до предсказването на пироелектричеството и способността да се предвиди поведението на кристала. Това беше демонстрирано от ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол. Натриево-калиев тартарат тетрахидрат и кварц от Рошелската сол показват пиезоелектричество, а пиезоелектричен диск генерира напрежение, когато се деформира. Тази промяна във формата е силно преувеличена в демонстрацията на Кюри.
Кюри продължават да получават количествено доказателство за пълната обратимост на електро-еласто-механичните деформации в пиезоелектричните кристали. В продължение на десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, докато не се превърна в жизненоважен инструмент при откриването на полония и радия от Пиер и Мария Кюри. Тяхната работа за изследване и дефиниране на кристалните структури, които показват пиезоелектричество, завърши с публикуването на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt. Това описва естествените кристални класове, способни на пиезоелектричество и строго определя пиезоелектричните константи чрез тензорен анализ.
Това практическо приложение на пиезоелектричеството доведе до разработването на сонар по време на Първата световна война. Във Франция Пол Ланжевен и неговите колеги разработиха ултразвуков детектор за подводници. Детекторът се състоеше от преобразувател, направен от тънки кварцови кристали, внимателно залепени към стоманени плочи, наречен хидрофон, за откриване на върнато ехо след излъчване на високочестотен импулс. Преобразувателят измерва времето, необходимо за чуване на ехото на звукови вълни, отскачащи от обект, за да изчисли разстоянието до обекта. Използването на пиезоелектричество в сонари беше успешно и проектът създаде интензивно развитие и интерес към пиезоелектричните устройства в продължение на десетилетия.
Бяха проучени и разработени нови пиезоелектрични материали и нови приложения за тези материали и пиезоелектричните устройства намериха дом в много области, като например керамични касети за фонограф, които опростиха дизайна на плейъра и направиха по-евтини, по-точни плейъри, които бяха по-евтини за поддръжка и по-лесни да се изгради. Развитието
Древен източник на електрически заряд
Пиезоелектричеството е електрическият заряд, който се натрупва в определени твърди материали, като кристали, керамика и биологична материя като кости и ДНК. Причинява се от реакцията на материала към приложеното механично напрежение. Думата „пиезоелектричество“ идва от гръцката дума „piezein“, която означава „изстисквам или натискам“, и думата „elektron“, която означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд.
Пиезоелектричният ефект е резултат от линейното електромеханично взаимодействие между механичните и електрическите състояния на кристални материали с инверсионна симетрия. Това е обратим процес, което означава, че материалите, показващи пиезоелектричество, също проявяват обратния пиезоелектричен ефект, който е вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле. Например, кристалите на оловен цирконат титанат генерират измеримо пиезоелектричество, когато тяхната статична структура се деформира спрямо първоначалния си размер. Обратно, когато се приложи външно електрическо поле, кристалите променят статичното си измерение в обратен пиезоелектричен ефект, произвеждайки ултразвукови вълни.
Пиезоелектричният ефект е открит през 1880 г. от френските физици Жак и Пиер Кюри. Той се използва за различни полезни приложения, включително производство и откриване на звук, пиезоелектричен мастиленоструен печат, генериране на електричество с високо напрежение, часовникови генератори и електронни устройства като микровезни и задвижващи ултразвукови дюзи за ултрафино фокусиране на оптични модули. Той също така формира основата за сканиращи сондови микроскопи, които се използват за разрешаване на изображения в мащаба на атомите. Пиезоелектричеството се използва и в пикапи за китари с електронно усилване и тригери за съвременни електронни барабани.
Пиезоелектричеството намира ежедневни приложения при генериране на искри за запалване на газ в уреди за готвене и отопление, факли, запалки за цигари и др. Пироелектричният ефект, който представлява производството на електрически потенциал в отговор на температурна промяна, е изследван от Карл Линей и Франц Епин в средата на 18-ти век, черпейки от знанията на Рене Хауи и Антоан Сезар Бекерел, които постулират връзка между механичните стрес и електрически заряд. Техните експерименти обаче се оказаха неубедителни.
Изгледът на пиезокристал и компенсатора на Кюри в Hunterian Museum в Шотландия демонстрират директния пиезоелектричен ефект. Това беше работата на братята Пиер и Жак Кюри, която изследва и дефинира кристалните структури, които показват пиезоелектричество, достигайки кулминацията си в публикуването на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt. Това описва естествените кристални класове, способни на пиезоелектричество и строго определя пиезоелектричните константи чрез тензорен анализ, което позволява практическото приложение на пиезоелектрични устройства.
Сонарът е разработен по време на Първата световна война от французина Пол Ланжевен и неговите колеги, които са разработили ултразвуков детектор за подводници. Детекторът се състоеше от преобразувател, направен от тънки кварцови кристали, внимателно залепени към стоманени плочи, и хидрофон за откриване на върнатото ехо. Чрез излъчване на високочестотен импулс от трансдюсера и измерване на времето, необходимо за чуване на ехото на звуковите вълни, отскачащи от обект, те успяха да изчислят разстоянието до обекта. Те използваха пиезоелектричество, за да направят този сонар успешен. Проектът създаде интензивно развитие и интерес към пиезоелектричните устройства в продължение на десетилетия.
Пироелектричество
Пиезоелектричеството е способността на определени материали да натрупват електрически заряд в отговор на приложен механичен стрес. Това е линейно електромеханично взаимодействие между механичните и електрическите състояния на кристални материали с инверсионна симетрия. Думата „пиезоелектричество“ произлиза от гръцката дума „piezein“, която означава „изстисквам или натискам“, и гръцката дума „ēlektron“, която означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд.
Пиезоелектричният ефект е открит от френските физици Жак и Пиер Кюри през 1880 г. Това е обратим процес, което означава, че материалите, проявяващи пиезоелектричен ефект, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, който е вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле. Примери за материали, които генерират измеримо пиезоелектричество, включват кристали от оловен цирконат титанат. Когато една статична структура се деформира, тя се връща към първоначалното си измерение. Обратно, когато се приложи външно електрическо поле, се получава обратният пиезоелектричен ефект, което води до производството на ултразвукови вълни.
Пиезоелектричният ефект се използва за много полезни приложения, включително производство и откриване на звук, пиезоелектричен мастиленоструен печат, генериране на електричество с високо напрежение, часовникови генератори и електронни устройства като микровезни, задвижващи ултразвукови дюзи и ултрафини фокусиращи оптични модули. Това е и основата за сканиращи сондови микроскопи, които се използват за разрешаване на изображения в мащаба на атомите. Пиезоелектричеството се използва и в пикапи за китари с електронно усилване и тригери за съвременни електронни барабани.
Пиезоелектричеството намира ежедневни приложения, като например генериране на искри за запалване на газ в уреди за готвене и отопление, факли, запалки за цигари и др. Пироелектричният ефект, който представлява производството на електрически потенциал в отговор на температурна промяна, е изследван от Карл Линей и Франц Епин в средата на 18-ти век, черпейки от знанията на Рене Хауи и Антоан Сезар Бекерел, които са постулирали връзка между механично напрежение и електрически заряд. Експериментите обаче се оказаха неубедителни.
Изгледът на пиезокристал в Музея на компенсатора на Кюри в Шотландия е демонстрация на директния пиезоелектричен ефект. Братята Пиер и Жак Кюри обединяват знанията си за пироелектричеството и разбирането си за основните кристални структури, за да дадат началото на разбирането на пироелектричеството и да предскажат поведението на кристала. Това беше демонстрирано в ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол. Установено е, че тетрахидратът на натриев калиев тартарат и кварцът показват пиезоелектричество и е използван пиезоелектричен диск за генериране на напрежение, когато се деформира. Това беше силно преувеличено от семейство Кюри, за да предскажат обратния пиезоелектричен ефект. Обратният ефект е математически изведен от фундаменталните термодинамични принципи от Габриел Липман през 1881 г.
Семейство Кюри незабавно потвърдиха съществуването на обратния ефект и продължиха да получават количествено доказателство за пълната обратимост на електро-еласто-механичните деформации в пиезоелектричните кристали. През следващите десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, докато не се превърна в жизненоважен инструмент при откриването на полония и радия от Пиер и Мария Кюри. Тяхната работа за изследване и дефиниране на кристалните структури, които показват пиезоелектричество, завърши с публикуването на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt.
Разработването на сонар беше успешно и проектът предизвика интензивно развитие и интерес към пиезоелектричните устройства. През следващите десетилетия бяха изследвани и разработени нови пиезоелектрични материали и нови приложения за тези материали. Пиезоелектричните устройства намериха приложение в много области, като например керамични грамофонни касети, които опростиха дизайна на плейъра и направиха по-евтини, по-точни плейъри, които бяха по-евтини за поддръжка и по-лесни за изграждане. Разработването на ултразвукови преобразуватели позволи лесно измерване на вискозитета и еластичността на течности и твърди вещества, което доведе до огромен напредък в изследването на материалите. Ултразвуковите рефлектометри във времева област изпращат ултразвуков импулс в материал и измерват отраженията и прекъсванията, за да намерят дефекти в ляти метални и каменни предмети, подобрявайки структурната безопасност.
След Втората световна война независими изследователски групи в Съединените щати, Русия и Япония откриха нов клас синтетични материали, наречени фероелектрици, които показват пиезоелектрични константи, които са
Пиезоелектрически материали
В този раздел ще обсъждам материалите, които проявяват пиезоелектричен ефект, който е способността на определени материали да натрупват електрически заряд в отговор на приложено механично напрежение. Ще разгледам кристали, керамика, биологична материя, кости, ДНК и протеини и как всички те реагират на пиезоелектричния ефект.
кристали
Пиезоелектричеството е способността на определени материали да натрупват електрически заряд в отговор на приложен механичен стрес. Думата пиезоелектричество произлиза от гръцките думи πιέζειν (piezein), което означава „изстискване“ или „натискане“ и ἤλεκτρον (ēlektron), което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд. Пиезоелектричните материали включват кристали, керамика, биологична материя, кост, ДНК и протеини.
Пиезоелектричеството е линейно електромеханично взаимодействие между механични и електрически състояния в кристални материали с инверсионна симетрия. Този ефект е обратим, което означава, че материалите, показващи пиезоелектричество, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, който е вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле. Примери за материали, които генерират измеримо пиезоелектричество, включват кристали от оловен цирконат титанат, които могат да бъдат деформирани до първоначалния си размер или обратно, да променят статичния си размер, когато се приложи външно електрическо поле. Това е известно като обратен пиезоелектричен ефект и се използва за производство на ултразвукови вълни.
Френските физици Жак и Пиер Кюри откриват пиезоелектричеството през 1880 г. Пиезоелектричният ефект е използван за различни полезни приложения, включително производството и откриването на звук, пиезоелектричен мастиленоструен печат, генериране на електричество с високо напрежение, часовникови генератори и електронни устройства като като микровезни, задвижващи ултразвукови дюзи и ултрафини фокусиращи оптични модули. Той също така формира основата за сканиращи сондови микроскопи, които се използват за разрешаване на изображения в мащаба на атомите. Пиезоелектрическите пикапи се използват и в китари с електронно усилване и тригери в съвременни електронни барабани.
Пиезоелектричеството намира ежедневни приложения за генериране на искри за запалване на газ в уреди за готвене и отопление, както и в факли и запалки. Пироелектричният ефект, който представлява генерирането на електрически потенциал в отговор на температурна промяна, е изследван от Карл Линей и Франц Епин в средата на 18-ти век, черпейки от знанията на Рене Хауи и Антоан Сезар Бекерел, които постулират връзка между механичните стрес и електрически заряд. Експериментите за доказване на тази теория бяха неубедителни.
Изгледът на пиезокристал в компенсатора на Кюри в Hunterian Museum в Шотландия е демонстрация на директния пиезоелектричен ефект. Братята Пиер и Жак Кюри съчетаха знанията си за пироелектричеството с разбиране на основните кристални структури, за да дадат началото на предсказанието за пироелектричество. Те успяха да предскажат поведението на кристала и демонстрираха ефекта в кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол. Натриево-калиев тартарат тетрахидрат и кварц също показват пиезоелектричество. Пиезоелектричен диск генерира напрежение, когато се деформира; промяната във формата е силно преувеличена в демонстрацията на Кюри.
Те също така успяха да предскажат обратния пиезоелектричен ефект и математически да изведат основните термодинамични принципи зад него. Габриел Липман прави това през 1881 г. Семейство Кюри веднага потвърждава съществуването на обратния ефект и получава количествено доказателство за пълната обратимост на електро-еласто-механичните деформации в пиезоелектричните кристали.
В продължение на десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, но то е жизненоважен инструмент при откриването на полоний и радий от Пиер и Мария Кюри. Тяхната работа за изследване и дефиниране на кристалните структури, които показват пиезоелектричество, кулминира в публикацията на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt, който описва естествените кристални класове, способни на пиезоелектричество, и стриктно дефинира пиезоелектричните константи, използвайки тензорен анализ.
Практическото приложение на пиезоелектрични устройства в сонари е разработено по време на Първата световна война. Във Франция Пол Ланжевен и неговите колеги разработиха ултразвуков детектор за подводници. Този детектор се състоеше от преобразувател, направен от тънки кварцови кристали, внимателно залепени към стоманени плочи, наречен хидрофон, за откриване на върнато ехо след излъчване на високочестотен импулс. Чрез измерване на времето, необходимо за чуване на ехото на звукови вълни, отскачащи от обект, те успяха да изчислят разстоянието до обекта. Това използване на пиезоелектричество в сонар беше успешно и проектът създаде интензивно развитие и интерес към пиезоелектричните устройства през десетилетията.
Керамика
Пиезоелектричните материали са твърди вещества, които натрупват електрически заряд в отговор на приложено механично напрежение. Пиезоелектричеството произлиза от гръцките думи πιέζειν (piezein), което означава „изстискване“ или „натискане“ и ἤλεκτρον (ēlektron), което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд. Пиезоелектричните материали се използват в различни приложения, включително производство и откриване на звук, пиезоелектричен мастиленоструен печат и генериране на електричество с високо напрежение.
Пиезоелектричните материали се намират в кристали, керамика, биологична материя, кости, ДНК и протеини. Керамиката е най-разпространеният пиезоелектричен материал, използван в ежедневните приложения. Керамиката е изработена от комбинация от метални оксиди, като оловен цирконат титанат (PZT), които се нагряват до високи температури, за да образуват твърдо вещество. Керамиката е много издръжлива и издържа на екстремни температури и натиск.
Пиезоелектричната керамика има различни приложения, включително:
• Генериране на искри за запалване на газ за уреди за готвене и отопление, като факли и запалки.
• Генериране на ултразвукови вълни за медицински изображения.
• Генериране на електричество с високо напрежение за часовникови генератори и електронни устройства.
• Генериране на микровезни за използване при прецизно претегляне.
• Задвижващи ултразвукови дюзи за ултра фино фокусиране на оптични възли.
• Формиране на основата за сканиращи сондови микроскопи, които могат да разрешават изображения в мащаба на атомите.
• Пикапи за електронно усилени китари и тригери за съвременни електронни барабани.
Пиезоелектричната керамика се използва в широк спектър от приложения, от потребителска електроника до медицински изображения. Те са изключително издръжливи и могат да издържат на екстремни температури и налягания, което ги прави идеални за използване в различни индустрии.
Биологична материя
Пиезоелектричеството е способността на определени материали да натрупват електрически заряд в отговор на приложен механичен стрес. Произлиза от гръцката дума „piezein“, което означава „изстисквам или натискам“, и „ēlektron“, което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд.
Биологична материя като кост, ДНК и протеини са сред материалите, които проявяват пиезоелектричество. Този ефект е обратим, което означава, че материалите, показващи пиезоелектричество, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, който е вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле. Примери за тези материали включват кристали от оловен цирконат титанат, които генерират измеримо пиезоелектричество, когато тяхната статична структура се деформира спрямо първоначалния си размер. Обратно, когато се приложи външно електрическо поле, кристалите променят статичното си измерение, произвеждайки ултразвукови вълни чрез обратния пиезоелектричен ефект.
Откритието на пиезоелектричеството е направено от френските физици Жак и Пиер Кюри през 1880 г. Оттогава то се използва за различни полезни приложения, като например:
• Произвеждане и детекция на звук
• Пиезоелектричен мастиленоструен печат
• Производство на електроенергия високо напрежение
• Тактов генератор
• Електронни устройства
• Микровезни
• Задвижване на ултразвукови дюзи
• Ултрафини фокусиращи оптични възли
• Формира основата на сканиращите сондови микроскопи
• Разрешаване на изображения в мащаба на атомите
• Пикапи в китари с електронно усилване
• Тригери в съвременни електронни барабани
Пиезоелектричеството се използва и в предмети от ежедневието като газови уреди за готвене и отопление, факли, запалки и др. Пироелектричният ефект, който представлява производството на електрически потенциал в отговор на температурна промяна, е изследван от Карл Линей и Франц Епинус в средата на 18 век. Въз основа на знанията на Рене Хауи и Антоан Сезар Бекерел те установиха връзка между механичното напрежение и електрическия заряд, но техните експерименти се оказаха неубедителни.
Изгледът на пиезокристал в компенсатора на Кюри в Hunterian Museum в Шотландия е демонстрация на директния пиезоелектричен ефект. Братята Пиер и Жак Кюри обединяват знанията си за пироелектричеството и разбирането си за основните кристални структури, за да дадат началото на предсказанието за пироелектричеството и да предвидят поведението на кристала. Това се демонстрира от ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол. Натриевият и калиевият тартарат тетрахидрат и кварц също показват пиезоелектричество и пиезоелектричен диск е използван за генериране на напрежение, когато се деформира. Този ефект беше силно преувеличен от семейство Кюри, за да предскажат обратния пиезоелектричен ефект. Обратният ефект е математически изведен от фундаменталните термодинамични принципи от Габриел Липман през 1881 г.
Семейство Кюри незабавно потвърдиха съществуването на обратния ефект и продължиха да получават количествено доказателство за пълната обратимост на електро-еласто-механичните деформации в пиезоелектричните кристали. В продължение на десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, докато не се превърна в жизненоважен инструмент при откриването на полония и радия от Пиер и Мария Кюри. Тяхната работа за изследване и дефиниране на кристалните структури, които показват пиезоелектричество, завърши с публикуването на „Lehrbuch der Kristallphysik“ (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt.
Костен
Пиезоелектричеството е способността на определени материали да натрупват електрически заряд в отговор на приложен механичен стрес. Костта е един такъв материал, който проявява този феномен.
Костта е вид биологична материя, която се състои от протеини и минерали, включително колаген, калций и фосфор. Той е най-пиезоелектрическият от всички биологични материали и е способен да генерира напрежение, когато е подложен на механично напрежение.
Пиезоелектричният ефект в костта е резултат от нейната уникална структура. Състои се от мрежа от колагенови влакна, които са вградени в матрица от минерали. Когато костта е подложена на механичен стрес, колагеновите влакна се движат, причинявайки поляризация на минералите и генериране на електрически заряд.
Пиезоелектричният ефект в костите има редица практически приложения. Използва се в медицински изображения, като ултразвук и рентгенови изображения, за откриване на костни фрактури и други аномалии. Използва се и в слухови апарати с костна проводимост, които използват пиезоелектричния ефект за преобразуване на звуковите вълни в електрически сигнали, които се изпращат директно към вътрешното ухо.
Пиезоелектричният ефект в костта се използва и при ортопедични импланти, като изкуствени стави и протези на крайници. Имплантите използват пиезоелектричния ефект за преобразуване на механичната енергия в електрическа, която след това се използва за захранване на устройството.
В допълнение, пиезоелектричният ефект в костите се изследва за използване при разработването на нови медицински лечения. Например, изследователите изследват използването на пиезоелектричество за стимулиране на растежа на костите и възстановяване на увредена тъкан.
Като цяло, пиезоелектричният ефект в костите е завладяващ феномен с широк спектър от практически приложения. Използва се в различни медицински и технологични приложения и се проучва за използване при разработването на нови лечения.
ДНК
Пиезоелектричеството е способността на определени материали да натрупват електрически заряд в отговор на приложен механичен стрес. ДНК е един такъв материал, който проявява този ефект. ДНК е биологична молекула, която се среща във всички живи организми и се състои от четири нуклеотидни бази: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T).
ДНК е сложна молекула, която може да се използва за генериране на електрически заряд, когато е подложена на механичен стрес. Това се дължи на факта, че ДНК молекулите са съставени от две вериги от нуклеотиди, които се държат заедно чрез водородни връзки. Когато тези връзки се разрушат, се генерира електрически заряд.
Пиезоелектричният ефект на ДНК се използва в различни приложения, включително:
• Генериране на електричество за медицински импланти
• Откриване и измерване на механични сили в клетките
• Разработване на наномащабни сензори
• Създаване на биосензори за секвениране на ДНК
• Генериране на ултразвукови вълни за образна диагностика
Пиезоелектричният ефект на ДНК също се изследва за потенциалната му употреба при разработването на нови материали, като нанопроводници и нанотръби. Тези материали могат да се използват за различни приложения, включително съхранение на енергия и наблюдение.
Пиезоелектричният ефект на ДНК е изследван широко и е установено, че е силно чувствителен към механичен стрес. Това го прави ценен инструмент за изследователи и инженери, които искат да разработят нови материали и технологии.
В заключение, ДНК е материал, който проявява пиезоелектричен ефект, който е способността да се натрупва електрически заряд в отговор на приложен механичен стрес. Този ефект е използван в различни приложения, включително медицински импланти, наномащабни сензори и секвениране на ДНК. Също така се проучва за потенциалната му употреба при разработването на нови материали, като нанопроводници и нанотръби.
Протеини
Пиезоелектричеството е способността на определени материали да натрупват електрически заряд в отговор на приложен механичен стрес. Пиезоелектричните материали, като протеини, кристали, керамика и биологична материя като кост и ДНК, проявяват този ефект. По-специално протеините са уникален пиезоелектричен материал, тъй като са съставени от сложна структура от аминокиселини, които могат да бъдат деформирани, за да генерират електрически заряд.
Протеините са най-разпространеният вид пиезоелектричен материал и се намират в различни форми. Те могат да бъдат намерени под формата на ензими, хормони и антитела, както и под формата на структурни протеини като колаген и кератин. Протеините също се намират под формата на мускулни протеини, които са отговорни за мускулната контракция и релаксация.
Пиезоелектричният ефект на протеините се дължи на факта, че те са съставени от сложна структура от аминокиселини. Когато тези аминокиселини се деформират, те генерират електрически заряд. След това този електрически заряд може да се използва за захранване на различни устройства, като сензори и задвижващи механизми.
Протеините се използват и в различни медицински приложения. Например, те се използват за откриване на наличието на определени протеини в тялото, които могат да се използват за диагностициране на заболявания. Те се използват и за откриване на наличието на определени бактерии и вируси, които могат да се използват за диагностициране на инфекции.
Протеините се използват и в различни индустриални приложения. Например, те се използват за създаване на сензори и задвижващи механизми за различни индустриални процеси. Те се използват и за създаване на материали, които могат да се използват в конструкцията на самолети и други превозни средства.
В заключение, протеините са уникален пиезоелектричен материал, който може да се използва в различни приложения. Те са съставени от сложна структура от аминокиселини, които могат да бъдат деформирани, за да генерират електрически заряд, и се използват в различни медицински и индустриални приложения.
Събиране на енергия с пиезоелектричество
В този раздел ще обсъдя как пиезоелектричеството може да се използва за събиране на енергия. Ще разгледам различните приложения на пиезоелектричеството, от пиезоелектричен мастиленоструен печат до часовникови генератори и микровезни. Ще проуча и историята на пиезоелектричеството, от откритието му от Пиер Кюри до използването му през Втората световна война. И накрая, ще обсъдя текущото състояние на пиезоелектрическата индустрия и потенциала за по-нататъшен растеж.
Пиезоелектричен мастиленоструен печат
Пиезоелектричеството е способността на определени материали да генерират електрически заряд в отговор на приложен механичен стрес. Думата „пиезоелектричество“ произлиза от гръцките думи „piezein“ (изстисквам или натискам) и „elektron“ (кехлибар), древен източник на електрически заряд. Пиезоелектрични материали, като кристали, керамика и биологична материя като кост и ДНК, се използват в различни приложения.
Пиезоелектричеството се използва за генериране на електричество с високо напрежение, като часовников генератор, в електронни устройства и в микровезни. Използва се и за задвижване на ултразвукови дюзи и ултрафини фокусиращи оптични модули. Пиезоелектричният мастиленоструен печат е популярно приложение на тази технология. Това е вид печат, който използва пиезоелектрични кристали за генериране на високочестотна вибрация, която се използва за изхвърляне на капчици мастило върху страница.
Откриването на пиезоелектричеството датира от 1880 г., когато френските физици Жак и Пиер Кюри откриват ефекта. Оттогава пиезоелектричният ефект се използва за различни полезни приложения. Пиезоелектричеството се използва в ежедневни артикули като газови уреди за готвене и отопление, фенери, запалки за цигари и пикапи в китари с електронно усилване и тригери в съвременни електронни барабани.
Пиезоелектричеството се използва и в научните изследвания. Това е основата за сканиращи сондови микроскопи, които се използват за разрешаване на изображения в мащаб от атоми. Използва се и в ултразвукови рефлектометри във времева област, които изпращат ултразвукови импулси в материал и измерват отраженията, за да открият прекъсвания и да намерят дефекти в отлети метални и каменни предмети.
Развитието на пиезоелектричните устройства и материали е водено от необходимостта от по-добра производителност и по-лесни производствени процеси. В Съединените щати разработването на кварцови кристали за търговска употреба е основен фактор за растежа на пиезоелектричната индустрия. За разлика от тях японските производители успяха бързо да споделят информация и да разработят нови приложения, което доведе до бърз растеж на японския пазар.
Пиезоелектричеството революционизира начина, по който използваме енергия, от ежедневни предмети като запалки до напреднали научни изследвания. Това е универсална технология, която ни позволи да изследваме и разработваме нови материали и приложения и ще продължи да бъде важна част от живота ни за години напред.
Производство на електричество с високо напрежение
Пиезоелектричеството е способността на определени твърди материали да натрупват електрически заряд в отговор на приложено механично напрежение. Думата „пиезоелектричество“ произлиза от гръцките думи „piezein“, което означава „изстисквам“ или „преса“, и „ēlektron“, което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд. Пиезоелектричеството е линейно електромеханично взаимодействие между механични и електрически състояния в кристални материали с инверсионна симетрия.
Пиезоелектричният ефект е обратим процес; материали, проявяващи пиезоелектричество, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле. Например, кристалите на оловен цирконат титанат генерират измеримо пиезоелектричество, когато тяхната статична структура се деформира спрямо първоначалния си размер. Обратно, кристалите могат да променят статичното си измерение, когато се приложи външно електрическо поле, феномен, известен като обратен пиезоелектричен ефект, който се използва при производството на ултразвукови вълни.
Пиезоелектричният ефект се използва в различни приложения, включително генериране на електричество с високо напрежение. Пиезоелектричните материали се използват при производството и откриването на звук, в пиезоелектрическия мастилено-струен печат, в часовниковите генератори, в електронните устройства, в микровезните, в задвижващите ултразвукови дюзи и в ултрафините фокусиращи оптични модули.
Пиезоелектричеството се използва и в ежедневни приложения, като например генериране на искри за запалване на газ в устройства за готвене и отопление, в факли, запалки и материали с пироелектричен ефект, които генерират електрически потенциал в отговор на температурна промяна. Този ефект е изследван от Карл Линей и Франц Епин в средата на 18-ти век, черпейки от знанията на Рене Хауи и Антоан Сезар Бекерел, които постулират връзка между механичния стрес и електрическия заряд, въпреки че техните експерименти се оказаха неубедителни.
Комбинираното познание за пироелектричеството и разбирането на лежащите в основата кристални структури доведоха до предсказването на пироелектричеството и способността да се предвиди поведението на кристала. Това се демонстрира от ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол. Натриево-калиев тартарат тетрахидрат и кварц също показват пиезоелектричество и пиезоелектричен диск е използван за генериране на напрежение, когато се деформира. Това беше силно преувеличено в демонстрацията на Кюри за директния пиезоелектричен ефект.
Братята Пиер и Жак Кюри успяват да получат количествено доказателство за пълната обратимост на електро-еласто-механичните деформации в пиезоелектричните кристали. В продължение на десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, но то е жизненоважен инструмент при откриването на полоний и радий от Пиер и Мария Кюри. Тяхната работа за изследване и дефиниране на кристалните структури, които показват пиезоелектричество, кулминира в публикацията на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt, който описва естествените кристални класове, способни на пиезоелектричество, и стриктно дефинира пиезоелектричните константи, използвайки тензорен анализ.
Практическото приложение на пиезоелектричните устройства започва с разработването на сонари по време на Първата световна война. Във Франция Пол Ланжевин и неговите колеги разработват ултразвуков детектор за подводници. Детекторът се състоеше от преобразувател, направен от тънки кварцови кристали, внимателно залепени към стоманени плочи, и хидрофон за откриване на върнатото ехо. Чрез излъчване на високочестотен импулс от трансдюсера и измерване на времето, необходимо за чуване на ехото на звуковите вълни, отскачащи от обект, те успяха да изчислят разстоянието до обекта. Те използваха пиезоелектричество, за да направят сонара успешен и проектът създаде интензивно развитие и интерес към пиезоелектричните устройства през следващите десетилетия.
Бяха проучени и разработени нови пиезоелектрични материали и нови приложения за тези материали. Пиезоелектричните устройства намериха приложение в различни области, като например керамични касети за грамофон, които опростиха дизайна на плейъра и направиха по-евтини, по-точни плейъри, които бяха по-евтини за поддръжка и по-лесни за изграждане. Разработването на ултразвукови преобразуватели позволи лесно измерване на вискозитета и еластичността на течности и твърди вещества, което доведе до огромен напредък в изследването на материалите. Ултразвуковите рефлектометри във времева област изпращат ултразвуков импулс в материал и измерват отраженията и прекъсванията, за да намерят дефекти в ляти метални и каменни предмети, подобрявайки структурната безопасност.
Втората световна война видя независими изследователски групи в Съединените щати, Русия и Япония да открият нов клас синтетични материали, наречени fer
Генератор на часовник
Пиезоелектричеството е способността на определени материали да натрупват електрически заряд в отговор на приложен механичен стрес. Това явление е използвано за създаване на редица полезни приложения, включително тактови генератори. Тактовите генератори са устройства, които използват пиезоелектричество за генериране на електрически сигнали с точно време.
Тактовите генератори се използват в различни приложения, като например в компютри, телекомуникации и автомобилни системи. Те се използват и в медицински устройства, като пейсмейкъри, за да осигурят точно синхронизиране на електрическите сигнали. Тактовите генератори се използват и в промишлената автоматизация и роботиката, където точното време е от съществено значение.
Пиезоелектричният ефект се основава на линейното електромеханично взаимодействие между механични и електрически състояния в кристални материали с инверсионна симетрия. Този ефект е обратим, което означава, че материалите, показващи пиезоелектричество, могат също да генерират механично напрежение, когато се приложи електрическо поле. Това е известно като обратен пиезоелектричен ефект и се използва за производство на ултразвукови вълни.
Тактовите генератори използват този обратен пиезоелектричен ефект, за да генерират електрически сигнали с точно време. Пиезоелектричният материал се деформира от електрическо поле, което го кара да вибрира с определена честота. След това тази вибрация се преобразува в електрически сигнал, който се използва за генериране на прецизен синхронизиращ сигнал.
Тактовите генератори се използват в различни приложения, от медицински устройства до индустриална автоматизация. Те са надеждни, точни и лесни за използване, което ги прави популярен избор за много приложения. Пиезоелектричеството е важна част от съвременната технология, а тактовите генератори са само едно от многото приложения на това явление.
Електронни устройства
Пиезоелектричеството е способността на определени твърди материали да натрупват електрически заряд в отговор на приложено механично напрежение. Това явление, известно като пиезоелектричен ефект, се използва в различни електронни устройства, от пикапи в китари с електронно усилване до тригери в съвременни електронни барабани.
Пиезоелектричеството произлиза от гръцките думи πιέζειν (piezein), което означава „изстискване“ или „натискане“ и ἤλεκτρον (ēlektron), което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд. Пиезоелектричните материали са кристали, керамика и биологична материя като костни и ДНК протеини, които проявяват пиезоелектричен ефект.
Пиезоелектричният ефект е линейно електромеханично взаимодействие между механични и електрически състояния в кристални материали с инверсионна симетрия. Това е обратим процес, което означава, че материалите, проявяващи пиезоелектричен ефект, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, който е вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле. Например, кристалите на оловен цирконат титанат генерират измеримо пиезоелектричество, когато тяхната статична структура се деформира спрямо първоначалния си размер. Обратно, кристалите могат да променят статичното си измерение, когато се приложи външно електрическо поле, феномен, известен като обратен пиезоелектричен ефект, който се използва при производството на ултразвукови вълни.
Откриването на пиезоелектричеството се приписва на френските физици Пиер и Жак Кюри, които демонстрират директния пиезоелектричен ефект през 1880 г. Комбинираното от тях познание за пироелектричеството и разбирането на основните кристални структури доведоха до предсказанието на пироелектричния ефект и способността да се предвиди поведението на кристалите беше демонстрирано с ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол.
Пиезоелектричеството се използва в различни ежедневни приложения, като например генериране на искри за запалване на газ в устройства за готвене и отопление, факли, запалки и материали с пироелектричен ефект, които генерират електрически потенциал в отговор на температурна промяна. Това е проучено от Карл Линей и Франц Епин в средата на 18-ти век, черпейки от знанията на Рене Хауи и Антоан Сезар Бекерел, които постулират връзката между механичното напрежение и електрическия заряд. Експериментите обаче се оказаха неубедителни, докато изгледът на пиезокристал в музея на компенсаторите на Кюри в Шотландия не демонстрира директния пиезоелектричен ефект от братята Кюри.
Пиезоелектричеството се използва в различни електронни устройства, от пикапи в китари с електронно усилване до тригери в съвременни електронни барабани. Използва се и при производството и откриването на звук, пиезоелектрически мастиленоструен печат, генериране на електричество с високо напрежение, часовникови генератори, микровезни, задвижващи ултразвукови дюзи и ултрафини фокусиращи оптични модули. Пиезоелектричеството също е в основата на сканиращите сондови микроскопи, които се използват за разрешаване на изображения в мащаба на атомите.
Микробаланси
Пиезоелектричеството е способността на определени твърди материали да натрупват електрически заряд в отговор на приложено механично напрежение. Пиезоелектричеството произлиза от гръцките думи πιέζειν (piezein), което означава „изстискване“ или „преса“, и ἤλεκτρον (ēlektron), което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд.
Пиезоелектричеството се използва в различни ежедневни приложения, като например генериране на искри за запалване на газ за устройства за готвене и отопление, факли, запалки за цигари и др. Използва се и при производството и откриването на звук и при пиезоелектрически мастиленоструен печат.
Пиезоелектричеството се използва и за генериране на електричество с високо напрежение и е в основата на часовникови генератори и електронни устройства като микровезни. Пиезоелектричеството се използва и за задвижване на ултразвукови дюзи и ултрафини фокусиращи оптични модули.
Откриването на пиезоелектричеството се приписва на френските физици Жак и Пиер Кюри през 1880 г. Братята Кюри комбинират познанията си за пироелектричеството и разбирането си за основните кристални структури, за да дадат началото на концепцията за пиезоелектричеството. Те успяха да предскажат поведението на кристала и демонстрираха ефекта в кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол.
Пиезоелектричният ефект беше използван за полезни приложения, включително производството и откриването на звук. Развитието на сонарите по време на Първата световна война беше голям пробив в използването на пиезоелектричеството. След Втората световна война независими изследователски групи в Съединените щати, Русия и Япония откриха нов клас синтетични материали, наречени фероелектрици, които показват пиезоелектрични константи до десет пъти по-високи от естествените материали.
Това доведе до интензивни изследвания и разработки на бариев титанат и по-късно оловен цирконат титанатни материали, които имат специфични свойства за определени приложения. Важен пример за използването на пиезоелектрични кристали е разработен в Bell Telephone Laboratories след Втората световна война.
Фредерик Р. Лак, работещ в инженерния отдел за радиотелефония, разработи рязан кристал, който работи в широк диапазон от температури. Кристалът на Lack не се нуждаеше от тежките аксесоари на предишните кристали, което улесни използването му в самолети. Това развитие позволи на съюзническите военновъздушни сили да участват в координирани масови атаки, използвайки авиационно радио.
Развитието на пиезоелектрични устройства и материали в Съединените щати задържа няколко компании в бизнеса, а разработването на кварцови кристали беше комерсиално използвано. Оттогава пиезоелектричните материали се използват в различни приложения, включително медицински изображения, ултразвуково почистване и др.
Задвижваща ултразвукова дюза
Пиезоелектричеството е електрическият заряд, който се натрупва в определени твърди материали като кристали, керамика и биологична материя като кости и ДНК. Това е отговор на приложен механичен стрес и произлиза от гръцките думи „piezein“, което означава „изстискване“ или „преса“, и „elektron“, което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд.
Пиезоелектричният ефект е линейно електромеханично взаимодействие между механичните и електрическите състояния на кристални материали с инверсна симетрия. Това е обратим процес, което означава, че материалите, проявяващи пиезоелектричен ефект, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, който е вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле. Пример за това са кристалите на оловен цирконат титанат, които генерират измеримо пиезоелектричество, когато тяхната статична структура се деформира спрямо първоначалния си размер. Обратно, когато се приложи външно електрическо поле, кристалите променят своите статични размери, което води до обратния пиезоелектричен ефект, който е производството на ултразвукови вълни.
Френските физици Жак и Пиер Кюри откриват пиезоелектричеството през 1880 г. и оттогава то се използва за различни полезни приложения, включително производството и откриването на звук. Пиезоелектричеството намира и ежедневни приложения, като например генериране на искри за запалване на газ в уреди за готвене и отопление, факли, запалки за цигари и др.
Пироелектричният ефект, който е материалът, генериращ електрически потенциал в отговор на температурна промяна, е изследван от Карл Линей, Франц Епин и в средата на 18-ти век, черпейки знания от Рене Хауи и Антоан Сезар Бекерел, които постулират връзката между механичното напрежение и електрически заряд. Експериментите за доказване на това бяха неубедителни.
Изгледът на пиезокристал в компенсатора на Кюри в Хънтърския музей в Шотландия е демонстрация на директния пиезоелектричен ефект от братята Пиер и Жак Кюри. Комбинирането на познанията им за пироелектричеството и разбирането на основните кристални структури доведоха до прогнозата за пироелектричеството и им позволиха да предвидят поведението на кристала. Това беше демонстрирано с ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол. Натриевият и калиевият тартарат тетрахидрат и кварцът също показват пиезоелектричество и пиезоелектричен диск е използван за генериране на напрежение, когато се деформира. Това беше силно преувеличено от семейство Кюри, за да предскажат обратния пиезоелектричен ефект, който беше математически изведен от фундаменталните термодинамични принципи от Габриел Липман през 1881 г.
Семейство Кюри незабавно потвърдиха съществуването на обратния ефект и продължиха да получават количествено доказателство за пълната обратимост на електро-еласто-механичните деформации в пиезоелектричните кристали. В продължение на десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, но е жизненоважен инструмент при откриването на полоний и радий от Пиер и Мария Кюри в тяхната работа за изследване и дефиниране на кристални структури, които показват пиезоелектричество. Това кулминира в публикуването на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt, който описва естествените кристални класове, способни на пиезоелектричество, и стриктно дефинира пиезоелектричните константи чрез тензорен анализ.
Практическото приложение на пиезоелектрическите устройства започва със сонар, който е разработен по време на Първата световна война. Във Франция Пол Ланжевин и неговите колеги разработват ултразвуков детектор за подводници. Детекторът се състоеше от преобразувател, направен от тънки кварцови кристали, внимателно залепени към стоманени плочи, наречен хидрофон, за откриване на върнато ехо след излъчване на високочестотен импулс. Чрез измерване на времето, необходимо за чуване на ехото на звукови вълни, отскачащи от обект, те биха могли да изчислят разстоянието до обекта. Това използване на пиезоелектричество в сонар беше успешно и проектът създаде интензивно развитие и интерес към пиезоелектричните устройства в продължение на десетилетия.
Бяха проучени и разработени нови пиезоелектрични материали и нови приложения за тези материали, а пиезоелектричните устройства намериха дом в области като керамични грамофонни касети, които опростиха дизайна на плейъра и направиха по-евтини, по-точни плейъри, които бяха по-евтини за поддръжка и по-лесни за изграждане . Разработването на ултразвукови преобразуватели позволи лесно измерване на вискозитета и еластичността на течности и твърди вещества, което доведе до огромен напредък в изследването на материалите. Ултразвуковите рефлектометри във времева област изпращат ултразвуков импулс през материал и измерват отраженията и прекъсванията, за да намерят дефекти в отлети метални и каменни предмети
Свръхфини фокусиращи оптични възли
Пиезоелектричеството е способността на определени материали да натрупват електрически заряд, когато са подложени на механично напрежение. Това е линейно електромеханично взаимодействие между електрически и механични състояния на кристални материали с инверсионна симетрия. Пиезоелектричеството е обратим процес, което означава, че материалите, проявяващи пиезоелектричество, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, който е вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле.
Пиезоелектричеството се използва в различни приложения, включително производството и откриването на звук и генерирането на електричество с високо напрежение. Пиезоелектричеството се използва и в мастилено-струен печат, часовникови генератори, електронни устройства, микровезни, задвижващи ултразвукови дюзи и ултрафини фокусиращи оптични модули.
Пиезоелектричеството е открито през 1880 г. от френските физици Жак и Пиер Кюри. Пиезоелектричният ефект се използва в полезни приложения, като например производството и откриването на звук и генерирането на електричество с високо напрежение. Използва се и пиезоелектричен мастиленоструен печат, както и часовникови генератори, електронни устройства, микровезни, задвижващи ултразвукови дюзи и ултрафини фокусиращи оптични възли.
Пиезоелектричеството е намерило своето място в ежедневната употреба, като генериране на искри за запалване на газ за готварски и отоплителни уреди, факли, запалки и материали с пироелектрически ефект, които генерират електрически потенциал в отговор на температурна промяна. Този ефект е изследван от Карл Линей и Франц Епин в средата на 18-ти век, черпейки от знанията на Рене Хауи и Антоан Сезар Бекерел, които постулират връзката между механичния стрес и електрическия заряд. Експериментите се оказаха неубедителни.
Изгледът на пиезокристал в компенсатора на Кюри в Хънтърския музей в Шотландия е демонстрация на директния пиезоелектричен ефект от братята Пиер и Жак Кюри. В съчетание с познанията си за пироелектричеството и разбирането им за основните кристални структури, те доведоха до предсказването на пироелектричеството и способността да се предвиди поведението на кристалите. Това беше демонстрирано в ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол.
Натриевият и калиевият тартарат тетрахидрат, кварцът и солта на Рошел показаха пиезоелектричество и пиезоелектричен диск беше използван за генериране на напрежение, когато се деформира, въпреки че промяната във формата беше силно преувеличена. Семейство Кюри предсказаха обратния пиезоелектричен ефект и обратният ефект беше математически изведен от фундаменталните термодинамични принципи от Габриел Липман през 1881 г. Семейство Кюри незабавно потвърдиха съществуването на обратния ефект и продължиха да получават количествено доказателство за пълната обратимост на електро- еласто-механични деформации в пиезоелектрични кристали.
В продължение на десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, докато не се превърна в жизненоважен инструмент при откриването на полония и радия от Пиер и Мария Кюри. Тяхната работа за изследване и дефиниране на кристалните структури, които показват пиезоелектричество, завърши с публикуването на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt. Това описва естествените кристални класове, способни на пиезоелектричество, и строго определя пиезоелектричните константи, използвайки тензорен анализ за практическо приложение на пиезоелектрични устройства.
Разработването на сонари беше успешен проект, който създаде интензивно развитие и интерес към пиезоелектричните устройства. Десетилетия по-късно бяха изследвани и разработени нови пиезоелектрични материали и нови приложения за тези материали. Пиезоелектрическите устройства намериха приложение в различни области, като например керамични грамофонни касети, които опростиха дизайна на плейъра и направиха плейърите по-евтини и по-лесни за поддръжка и изграждане. Разработването на ултразвукови преобразуватели позволи лесно измерване на вискозитета и еластичността на течности и твърди вещества, което доведе до огромен напредък в изследването на материалите. Ултразвуковите рефлектометри във времева област изпращат ултразвуков импулс в материал и измерват отраженията и прекъсванията, за да намерят дефекти в ляти метални и каменни предмети, подобрявайки структурната безопасност.
Началото на областта на интересите към пиезоелектричеството беше осигурено с печелившите патенти на нови материали, разработени от кварцови кристали, които бяха комерсиално използвани като пиезоелектрически материал. Учените търсеха материали с по-висока производителност и въпреки напредъка в материалите и съзряването на производствените процеси, пазарът на Съединените щати не се разрасна бързо. За разлика от тях, японските производители бързо споделяха информация и новите приложения за растеж в пиезоелектричната индустрия на Съединените щати пострадаха за разлика от японските производители.
Пиезоелектрически двигатели
В този раздел ще говоря за това как пиезоелектричеството се използва в съвременните технологии. От сканиращи сондови микроскопи, които могат да разделят изображения в мащаба на атоми до пикапи за електронно усилени китари и тригери за съвременни електронни барабани, пиезоелектричеството се превърна в неразделна част от много устройства. Ще проуча историята на пиезоелектричеството и как е било използвано в различни приложения.
Форми в основата на сканиращи сондови микроскопи
Пиезоелектричеството е електрическият заряд, който се натрупва в определени твърди материали, като кристали, керамика и биологична материя като кости и ДНК. Това е отговорът на приложеното механично напрежение, а думата пиезоелектричество идва от гръцката дума πιέζειν (piezein), което означава „изстискване“ или „натискане“ и ἤλεκτρον (ēlektron), което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд.
Пиезоелектрическите двигатели са устройства, които използват пиезоелектричния ефект за генериране на движение. Този ефект е линейното електромеханично взаимодействие между механични и електрически състояния в кристални материали с инверсионна симетрия. Това е обратим процес, което означава, че материалите, проявяващи пиезоелектричен ефект, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, който е вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле. Примери за материали, които генерират измеримо пиезоелектричество, са кристалите на оловен цирконат титанат.
Пиезоелектричният ефект се използва в полезни приложения, като например производството и откриването на звук, пиезоелектрически мастиленоструен печат, генериране на електричество с високо напрежение, часовникови генератори и електронни устройства като микровезни и задвижващи ултразвукови дюзи за ултрафини фокусиращи оптични модули. Той също така формира основата на сканиращи сондови микроскопи, които се използват за разрешаване на изображения в мащаба на атомите.
Пиезоелектричеството е открито през 1880 г. от френските физици Жак и Пиер Кюри. Изгледът на пиезокристал и компенсатора на Кюри може да се види в Hunterian Museum в Шотландия, което е демонстрация на директния пиезоелектричен ефект от братята Пиер и Жак Кюри.
Комбинирането на познанията им за пироелектричеството и разбирането им за основните кристални структури доведе до предсказанието за пироелектричество, което им позволи да предвидят поведението на кристала. Това се демонстрира от ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол. Натриевият и калиевият тартарат тетрахидрат, кварцът и солта на Рошел показват пиезоелектричество и пиезоелектричен диск е използван за генериране на напрежение, когато се деформира, въпреки че това е силно преувеличено от Кюри.
Те също така предсказаха обратния пиезоелектричен ефект и това беше математически изведено от фундаменталните термодинамични принципи от Габриел Липман през 1881 г. Семейство Кюри незабавно потвърдиха съществуването на обратния ефект и продължиха да получават количествено доказателство за пълната обратимост на електро-еласто- механични деформации в пиезоелектрични кристали.
В продължение на десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, докато не се превърна в жизненоважен инструмент при откриването на полония и радия от Пиер и Мария Кюри. Тяхната работа за изследване и дефиниране на кристалните структури, които показват пиезоелектричество, кулминира в публикацията на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt, който описва естествените кристални класове, способни на пиезоелектричество и стриктно дефинира пиезоелектричните константи и тензорния анализ.
Това доведе до практическото приложение на пиезоелектрични устройства, като сонар, който беше разработен по време на Първата световна война. Във Франция Пол Ланжевен и неговите колеги разработиха ултразвуков детектор за подводници. Този детектор се състоеше от преобразувател, изработен от тънки кварцови кристали, внимателно залепени към стоманени плочи, и хидрофон за откриване на върнато ехо след излъчване на високочестотен импулс от преобразувателя. Чрез измерване на времето, необходимо за чуване на ехото на звуковите вълни, отскачащи от обект, те успяха да изчислят разстоянието до обекта. Те използваха пиезоелектричество, за да направят този сонар успешен и проектът създаде интензивно развитие и интерес към пиезоелектричните устройства в продължение на десетилетия.
Бяха проучени и разработени нови пиезоелектрични материали и нови приложения за тези материали, а пиезоелектричните устройства намериха приложение в много области, като например керамични грамофонни касети, които опростиха дизайна на плейъра и направиха по-евтини и по-точни плейъри, които бяха по-евтини за поддръжка и по-лесни да се изгради. Разработването на ултразвукови преобразуватели позволи лесно измерване на вискозитета и еластичността на течности и твърди вещества, което доведе до огромен напредък в изследването на материалите. Ултразвуковите рефлектометри във времева област изпращат ултразвуков импулс в материал и измерват отраженията и прекъсванията, за да намерят дефекти в ляти метални и каменни предмети, подобрявайки структурната безопасност.
По време на Втората световна война независими изследователски групи в Съединените щати
Разрешаване на изображения в мащаба на атомите
Пиезоелектричеството е електрическият заряд, който се натрупва в определени твърди материали като кристали, керамика и биологична материя като кости и ДНК. Това е отговор на приложен механичен стрес и произлиза от гръцката дума „piezein“, което означава стискане или натискане. Пиезоелектричният ефект е резултат от линейното електромеханично взаимодействие между механичните и електрическите състояния в кристални материали с инверсионна симетрия.
Пиезоелектричеството е обратим процес и материалите, проявяващи пиезоелектричен ефект, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, който е вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле. Примери за това включват кристали от оловен цирконат титанат, които генерират измеримо пиезоелектричество, когато тяхната статична структура се деформира спрямо първоначалния си размер. Обратно, кристалите променят своите статични размери, когато се приложи външно електрическо поле, което е известно като обратен пиезоелектричен ефект и се използва при производството на ултразвукови вълни.
Френските физици Жак и Пиер Кюри откриват пиезоелектричеството през 1880 г. Пиезоелектричният ефект е използван за различни полезни приложения, включително производството и откриването на звук, пиезоелектричен мастиленоструен печат, генериране на електричество с високо напрежение, часовникови генератори и електронни устройства като микровезни и задвижващи ултразвукови дюзи. Той също така формира основата на сканиращи сондови микроскопи, които се използват за разрешаване на изображения в мащаба на атомите.
Пиезоелектричеството се използва и в ежедневни приложения, като например генериране на искри за запалване на газ в устройства за готвене и отопление, фенери, запалки за цигари и др. Пироелектричният ефект, който е материал, който генерира електрически потенциал в отговор на температурна промяна, е изследван от Карл Линей и Франц Епинус в средата на 18 век. Въз основа на знанията на Рене Хауи и Антоан Сезар Бекерел те установиха връзка между механичното напрежение и електрическия заряд, но техните експерименти се оказаха неубедителни.
Посетителите на Hunterian Museum в Глазгоу могат да видят пиезокристален компенсатор на Кюри, демонстрация на директния пиезоелектричен ефект от братята Пиер и Жак Кюри. В съчетание с познанията си за пироелектричеството и разбирането на основните кристални структури, те доведоха до предсказването на пироелектричеството и способността да се предвиди поведението на кристалите. Това се демонстрира от ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол. Натриевият и калиевият тартарат тетрахидрат, кварцът и солта на Rochelle показват пиезоелектричество, а пиезоелектрическият диск генерира напрежение, когато се деформира, въпреки че промяната във формата е силно преувеличена. Кюри успяха да предскажат обратния пиезоелектричен ефект и обратният ефект беше математически изведен от фундаменталните термодинамични принципи от Габриел Липман през 1881 г.
Семейство Кюри незабавно потвърдиха съществуването на обратния ефект и продължиха да получават количествено доказателство за пълната обратимост на електро-еласто-механичните деформации в пиезоелектричните кристали. В продължение на десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, но то е жизненоважен инструмент при откриването на полоний и радий от Пиер и Мария Кюри. Тяхната работа за изследване и дефиниране на кристални структури, които показват пиезоелектричество, завърши с публикуването на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt.
Пикапи Електронно усилени китари
Пиезоелектрическите двигатели са електрически двигатели, които използват пиезоелектричния ефект за преобразуване на електрическа енергия в механична енергия. Пиезоелектричният ефект е способността на определени материали да генерират електрически заряд, когато са подложени на механично напрежение. Пиезоелектрическите мотори се използват в различни приложения, от захранване на малки устройства като часовници и часовници до захранване на по-големи машини като роботи и медицинско оборудване.
Пиезоелектрическите мотори се използват в пикапи, китари с електронно усилване. Тези пикапи използват пиезоелектричния ефект, за да преобразуват вибрациите на китарните струни в електрически сигнал. След това този сигнал се усилва и изпраща към усилвател, който произвежда звука на китарата. Пиезоелектричните пикапи се използват и в съвременните електронни барабани, където се използват за откриване на вибрациите на главите на барабаните и преобразуването им в електрически сигнал.
Пиезоелектрическите двигатели се използват и в сканиращи сондови микроскопи, които използват пиезоелектричния ефект, за да движат малка сонда през повърхност. Това позволява на микроскопа да разрешава изображения в мащаба на атомите. Пиезоелектрическите мотори се използват и в мастиленоструйните принтери, където се използват за придвижване на печатащата глава напред и назад през страницата.
Пиезоелектрическите двигатели се използват в различни други приложения, включително медицински устройства, автомобилни компоненти и потребителска електроника. Те се използват и в индустриални приложения, като например при производството на прецизни части и при сглобяването на сложни компоненти. Пиезоелектричният ефект се използва и при производството на ултразвукови вълни, които се използват в медицински изображения и при откриване на дефекти в материали.
Като цяло, пиезоелектрическите двигатели се използват в широк спектър от приложения, от захранване на малки устройства до захранване на по-големи машини. Те се използват в пикапи, китари с електронно усилване, модерни електронни барабани, сканиращи сондови микроскопи, мастиленоструйни принтери, медицински устройства, автомобилни компоненти и потребителска електроника. Пиезоелектричният ефект се използва и при производството на ултразвукови вълни и при откриването на дефекти в материалите.
Задейства модерни електронни барабани
Пиезоелектричеството е електрическият заряд, който се натрупва в определени твърди материали като кристали, керамика и биологична материя като кости и ДНК. Това е реакцията на тези материали на приложеното механично напрежение. Думата пиезоелектричество произлиза от гръцката дума „piezein“, която означава „стискам или натискам“, и думата „elektron“, която означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд.
Пиезоелектрическите двигатели са устройства, които използват пиезоелектричния ефект за генериране на движение. Този ефект е резултат от линейното електромеханично взаимодействие между механичните и електрическите състояния на кристални материали с инверсионна симетрия. Това е обратим процес, което означава, че материалите, проявяващи пиезоелектричен ефект, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, който е вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле. Пример за това са кристалите на оловен цирконат титанат, които генерират измеримо пиезоелектричество, когато тяхната статична структура се деформира спрямо първоначалния си размер. Обратно, когато се приложи външно електрическо поле, кристалите променят своите статични размери, произвеждайки ултразвукови вълни.
Пиезоелектрическите двигатели се използват в различни ежедневни приложения, като например:
• Генериране на искри за запалване на газ в уреди за готвене и отопление
• Факли, запалки и материали с пироелектрически ефект
• Генериране на електрически потенциал в отговор на температурни промени
• Произвеждане и детекция на звук
• Пиезоелектричен мастиленоструен печат
• Производство на електроенергия високо напрежение
• Тактов генератор и електронни устройства
• Микровезни
• Задвижване на ултразвукови дюзи и ултрафини фокусиращи оптични модули
• Формира основата на сканиращите сондови микроскопи
• Разрешаване на изображения в мащаба на атомите
• Пикапи с електронно усилване на китари
• Задейства модерни електронни барабани.
Електромеханично моделиране на пиезоелектрични преобразуватели
В този раздел ще проуча електромеханичното моделиране на пиезоелектрични преобразуватели. Ще разгледам историята на откриването на пиезоелектричеството, експериментите, доказали съществуването му, и развитието на пиезоелектрични устройства и материали. Ще обсъдя и приноса на френските физици Пиер и Жак Кюри, Карл Линей и Франц Епин, Рене Хои и Антоан Сезар Бекерел, Габриел Липман и Волдемар Фойгт.
Френските физици Пиер и Жак Кюри
Пиезоелектричеството е електромеханичен феномен, при който електрическият заряд се натрупва в определени твърди материали като кристали, керамика и биологична материя като кости и ДНК. Този заряд се генерира в отговор на приложен механичен стрес. Думата „пиезоелектричество“ произлиза от гръцката дума „piezein“, което означава „изстисквам или натискам“, и „elektron“, което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд.
Пиезоелектричният ефект е резултат от линейно електромеханично взаимодействие между механични и електрически състояния в материали с инверсионна симетрия. Този ефект е обратим, което означава, че материалите, проявяващи пиезоелектричен ефект, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, при който вътрешно генериране на механично напрежение се получава в отговор на приложено електрическо поле. Например, кристалите на оловен цирконат титанат генерират измеримо пиезоелектричество, когато тяхната статична структура се деформира спрямо първоначалния си размер. Обратно, когато се приложи външно електрическо поле, кристалите променят статичното си измерение, произвеждайки ултразвукови вълни в процеса, известен като обратен пиезоелектричен ефект.
През 1880 г. френските физици Пиер и Жак Кюри откриват пиезоелектричния ефект и оттогава той се използва за различни полезни приложения, включително производството и откриването на звук, пиезоелектрически мастиленоструен печат, генериране на електричество с високо напрежение, часовникови генератори и електронни устройства като микровезни и задвижващи ултразвукови дюзи за ултрафини фокусиращи оптични модули. Той също така формира основата за сканиращи сондови микроскопи, които могат да разрешават изображения в мащаба на атомите. Пиезоелектричеството се използва и в пикапи за китари с електронно усилване и тригери за съвременни електронни барабани.
Пиезоелектричеството намира и ежедневни приложения, като например генериране на искри за запалване на газ в уреди за готвене и отопление, факли, запалки за цигари и др. Пироелектричният ефект, при който даден материал генерира електрически потенциал в отговор на температурна промяна, е изследван от Карл Линей и Франц Епин в средата на 18-ти век, черпейки от знанията на Рене Хои и Антоан Сезар Бекерел, които постулират връзка между механичен стрес и електрически заряд, въпреки че техните експерименти се оказаха неубедителни.
Чрез комбиниране на знанията си за пироелектричеството с разбиране на основните кристални структури, Кюри успяха да дадат началото на предсказанието за пироелектричество и да предскажат поведението на кристалите. Това беше демонстрирано в ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол. Натриево-калиев тартарат тетрахидрат и кварц също показват пиезоелектричество. Пиезоелектричен диск генерира напрежение, когато се деформира, въпреки че това е силно преувеличено в демонстрацията на Кюри. Те също успяха да предскажат обратния пиезоелектричен ефект и да го изведат математически от фундаменталните термодинамични принципи на Габриел Липман през 1881 г.
Семейство Кюри незабавно потвърдиха съществуването на обратния ефект и продължиха да получават количествено доказателство за пълната обратимост на електро-еласто-механичните деформации в пиезоелектричните кристали. През следващите десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, докато не се превърна в жизненоважен инструмент при откриването на полония и радия от Пиер и Мария Кюри. Тяхната работа за изследване и дефиниране на кристалните структури, които показват пиезоелектричество, завърши с публикуването на „Lehrbuch der Kristallphysik“ (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt.
Експериментите се оказаха неубедителни
Пиезоелектричеството е електромеханичен феномен, при който електрическият заряд се натрупва в определени твърди материали, като кристали, керамика и биологична материя като кост и ДНК. Това е реакцията на приложен механичен стрес и думата „пиезоелектричество“ произлиза от гръцките думи „piezein“, което означава „стискам или натискам“, и „ēlektron“, което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд.
Пиезоелектричният ефект е резултат от линейното електромеханично взаимодействие между механичните и електрическите състояния на кристални материали с инверсионна симетрия. Това е обратим процес; материали, проявяващи пиезоелектричен ефект, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, който е вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле. Например, кристалите на оловен цирконат титанат генерират измеримо пиезоелектричество, когато тяхната статична структура се деформира спрямо първоначалния си размер. Обратно, кристалите могат да променят статичното си измерение, когато се приложи външно електрическо поле, известно като обратен пиезоелектричен ефект, който се използва при производството на ултразвукови вълни.
Френските физици Пиер и Жак Кюри откриват пиезоелектричеството през 1880 г. Оттогава то се използва за различни полезни приложения, включително производство и откриване на звук, пиезоелектричен мастиленоструен печат, генериране на електричество с високо напрежение, часовникови генератори и електронни устройства като микровезни , задвижване на ултразвукови дюзи и ултрафини фокусиращи оптични възли. Той също така формира основата на сканиращи сондови микроскопи, които могат да разрешават изображения в мащаба на атомите. Пиезоелектричеството се използва и в пикапи за китари с електронно усилване и тригери за съвременни електронни барабани.
Пиезоелектричеството намира ежедневни приложения при генериране на искри за запалване на газ в уреди за готвене и отопление, факли, запалки за цигари и др. Пироелектричният ефект, при който даден материал генерира електрически потенциал в отговор на температурна промяна, е изследван от Карл Линей и Франц Епин в средата на 18-ти век, черпейки от знанията на Рене Хои и Антоан Сезар Бекерел, които постулират връзка между механично напрежение и електрически заряд. Експериментите се оказаха неубедителни.
Комбинираното познание за пироелектричеството и разбирането на лежащите в основата кристални структури доведоха до предсказването на пироелектричеството и способността да се предвиди поведението на кристалите. Това беше демонстрирано в ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол. Натриево-калиев тартарат тетрахидрат и кварц също показват пиезоелектричество и пиезоелектричен диск е използван за генериране на напрежение, когато се деформира. Това беше силно преувеличено в демонстрацията на Кюри за директния пиезоелектричен ефект.
Братята Пиер и Жак Кюри предсказаха обратния пиезоелектричен ефект, а обратният ефект беше математически изведен от фундаменталните термодинамични принципи от Габриел Липман през 1881 г. Семейство Кюри незабавно потвърдиха съществуването на обратния ефект и продължиха да получават количествено доказателство за пълното обратимост на електроеластомеханични деформации в пиезоелектрични кристали.
В продължение на десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, но то е жизненоважен инструмент при откриването на полоний и радий от Пиер и Мария Кюри. Тяхната работа за изследване и дефиниране на кристалните структури, които показват пиезоелектричество, завърши с публикуването на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt. Това описва естествените кристални класове, способни на пиезоелектричество, и строго определя пиезоелектричните константи, използвайки тензорен анализ. Това е първото практическо приложение на пиезоелектрични преобразуватели, а сонарът е разработен по време на Първата световна война. Във Франция Пол Ланжевен и неговите колеги разработват ултразвуков детектор за подводници.
Карл Линей и Франц Епин
Пиезоелектричеството е електромеханичен феномен, при който електрическият заряд се натрупва в определени твърди материали като кристали, керамика и биологична материя като кости и ДНК. Този заряд се генерира в отговор на приложен механичен стрес. Думата пиезоелектричество идва от гръцките думи πιέζειν (piezein), което означава „стискам или натискам“ и ἤλεκτρον (ēlektron), което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд.
Пиезоелектричният ефект е резултат от линейно електромеханично взаимодействие между механичните и електрическите състояния на кристални материали с инверсионна симетрия. Този ефект е обратим, което означава, че материалите, показващи пиезоелектричество, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, който е вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле. Например, кристалите на оловен цирконат титанат генерират измеримо пиезоелектричество, когато тяхната статична структура се деформира спрямо първоначалния си размер. Обратно, кристалите могат да променят статичното си измерение, когато се приложи външно електрическо поле, което е известно като обратен пиезоелектричен ефект и се използва при производството на ултразвукови вълни.
През 1880 г. френските физици Жак и Пиер Кюри откриват пиезоелектричния ефект и оттогава той се използва за много полезни приложения, включително производството и откриването на звук, пиезоелектричен мастиленоструен печат, генериране на електричество с високо напрежение, часовникови генератори, електронни устройства, микровезни , задвижване на ултразвукови дюзи и ултрафини фокусиращи оптични възли. Той също така формира основата за сканиращи сондови микроскопи, които се използват за разрешаване на изображения в мащаба на атомите. Пиезоелектричеството се използва и в пикапи за китари с електронно усилване и тригери за съвременни електронни барабани.
Пиезоелектричеството се среща и при ежедневни употреби, като например генериране на искри за запалване на газ в устройства за готвене и отопление, факли, запалки за цигари и пироелектричен ефект, който е, когато даден материал генерира електрически потенциал в отговор на температурна промяна. Този ефект е изследван от Карл Линей и Франц Епин в средата на 18-ти век, черпейки от знанията на Рене Хауи и Антоан Сезар Бекерел, които постулират връзка между механичния стрес и електрическия заряд, въпреки че техните експерименти се оказват неубедителни.
Изгледът на пиезокристал в компенсатора на Кюри в Hunterian Museum в Шотландия е демонстрация на директния пиезоелектричен ефект от братята Пиер и Жак Кюри. Комбинирането на познанията им за пироелектричеството с разбирането на основните кристални структури доведе до предсказанието за пироелектричество и способността да се предвиди поведението на кристала. Това се демонстрира от ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол. Натриево-калиев тартарат тетрахидрат и кварц от Рошелска сол показват пиезоелектричество, а пиезоелектрическият диск генерира напрежение, когато се деформира, въпреки че това е силно преувеличено в демонстрацията на Кюри.
Прогнозата за обратния пиезоелектричен ефект и неговото математическо извеждане от фундаменталните термодинамични принципи е направено от Габриел Липман през 1881 г. Семейство Кюри незабавно потвърждава съществуването на обратния ефект и получава количествено доказателство за пълната обратимост на електро-еласто- механични деформации в пиезоелектрични кристали. В продължение на десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, докато не се превърна в жизненоважен инструмент при откриването на полоний и радий от Пиер и Мария Кюри, които го използват за изследване и дефиниране на кристални структури, които показват пиезоелектричество. Това кулминира в публикуването на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt, който описва естествените кристални класове, способни на пиезоелектричество и строго дефинира пиезоелектричните константи с помощта на тензорен анализ.
Това практическо приложение на пиезоелектрични преобразуватели доведе до разработването на сонар по време на Първата световна война. Във Франция Пол Ланжевин и неговите колеги разработиха ултразвуков детектор за подводници. Детекторът се състоеше от преобразувател, направен от тънки кварцови кристали, внимателно залепени към стоманени плочи, и хидрофон за откриване на върнато ехо след излъчване на високочестотен импулс от преобразувателя. Чрез измерване на времето, необходимо за чуване на ехото на звукови вълни, отскачащи от обект, те успяха да изчислят разстоянието до обекта. Те използваха пиезоелектричество, за да направят този сонар успешен и проектът създаде интензивно развитие и интерес към пиезоелектричните устройства
Рене Хои и Антоан Сезар Бекерел
Пиезоелектричеството е електромеханично явление, което възниква, когато определени твърди материали, като кристали, керамика и биологична материя като кости и ДНК, акумулират електрически заряд в отговор на приложен механичен стрес. Пиезоелектричеството произлиза от гръцката дума „piezein“, което означава „стискам или натискам“, и „elektron“, което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд.
Пиезоелектричният ефект е резултат от линейно електромеханично взаимодействие между механични и електрически състояния в кристални материали с инверсионна симетрия. Този ефект е обратим, което означава, че материалите, проявяващи пиезоелектричен ефект, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект или вътрешно генериране на механично напрежение в резултат на приложено електрическо поле. Например, кристалите на оловен цирконат титанат генерират измеримо пиезоелектричество, когато тяхната статична структура се деформира спрямо първоначалния си размер. Обратно, кристалите могат да променят статичното си измерение, когато се приложи външно електрическо поле, което води до обратния пиезоелектричен ефект и производството на ултразвукови вълни.
Френските физици Пиер и Жак Кюри откриват пиезоелектричния ефект през 1880 г. Този ефект е използван за различни полезни приложения, включително производството и откриването на звук, пиезоелектрически мастиленоструен печат, генериране на електричество с високо напрежение, часовникови генератори и електронни устройства като микровезни, задвижващи ултразвукови дюзи и ултрафини фокусиращи оптични модули. Той също така формира основата на сканиращи сондови микроскопи, които могат да разрешават изображения в мащаб от атоми. Пиезоелектричеството се използва и в пикапи за китари с електронно усилване и тригери за съвременни електронни барабани.
Пиезоелектричният ефект е изследван за първи път от Карл Линей и Франц Епин в средата на 18-ти век, черпейки от знанията на Рене Хауи и Антоан Сезар Бекерел, които постулират връзка между механично напрежение и електрически заряд. Експериментите обаче се оказаха неубедителни. В съчетание с познаването на пироелектричеството и разбирането на основните кристални структури, това доведе до предсказването на пироелектричеството и способността да се предвиди поведението на кристала. Това беше демонстрирано в ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол. Натриево-калиев тартарат тетрахидрат и кварц също показват пиезоелектричество и пиезоелектричен диск е използван за генериране на напрежение, когато се деформира. Този ефект беше силно преувеличен в демонстрацията на Кюри в музея на Шотландия, която показа директния пиезоелектричен ефект.
Братята Пиер и Жак Кюри успяват да получат количествено доказателство за пълната обратимост на електро-еласто-механичните деформации в пиезоелектричните кристали. В продължение на десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, докато не се превърна в жизненоважен инструмент при откриването на полония и радия от Пиер и Мария Кюри. Тази работа изследва и дефинира кристалните структури, които показват пиезоелектричество, завършвайки с публикуването на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt.
Кюри незабавно потвърдиха съществуването на обратния ефект и продължиха да извеждат математически основните термодинамични принципи на обратния ефект. Това е направено от Габриел Липман през 1881 г. След това пиезоелектричеството е използвано за разработване на сонар по време на Първата световна война. Във Франция Пол Ланжевин и неговите колеги разработват ултразвуков детектор за подводници. Този детектор се състоеше от преобразувател, направен от тънки кварцови кристали, внимателно залепени към стоманени плочи, и хидрофон за откриване на върнатото ехо. Чрез излъчване на високочестотен импулс от трансдюсера и измерване на времето, необходимо за чуване на ехото на звуковите вълни, отскачащи от обект, те биха могли да изчислят разстоянието до обекта.
Използването на пиезоелектрични кристали беше доразвито от Bell Telephone Laboratories след Втората световна война. Фредерик Р. Лак, работещ в инженерния отдел за радиотелефония, разработи изрязан кристал, който може да работи в широк диапазон от температури. Кристалът на Lack не се нуждаеше от тежките аксесоари на предишните кристали, което улесни използването му в самолети. Това развитие позволи на съюзническите военновъздушни сили да участват в координирани масови атаки, използвайки авиационно радио. Развитието на пиезоелектрични устройства и материали в Съединените щати задържа компаниите в развитието на военновременните начала в областта и се развиват интереси за осигуряване на печеливши патенти за нови материали. Кварцовите кристали бяха използвани в търговската мрежа като пиезоелектричен материал и учените търсеха материали с по-висока производителност. Въпреки напредъка в материалите и съзряването на производствените процеси, Съединените щати
Габриел Липман
Пиезоелектричеството е електромеханичен феномен, при който електрическият заряд се натрупва в определени твърди материали, като кристали, керамика и биологична материя като кост и ДНК. Това е резултат от взаимодействие между механични и електрически състояния в материали с инверсионна симетрия. Пиезоелектричеството е открито за първи път от френските физици Пиер и Жак Кюри през 1880 г.
Пиезоелектричеството се използва за различни полезни приложения, включително производство и откриване на звук, пиезоелектричен мастиленоструен печат и генериране на електричество с високо напрежение. Пиезоелектричеството произлиза от гръцките думи πιέζειν (piezein), което означава „стискам или натискам“ и ἤλεκτρον (ēlektron), което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд.
Пиезоелектричният ефект е обратим, което означава, че материалите, показващи пиезоелектричество, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, при който вътрешното генериране на механично напрежение е резултат от прилагането на електрическо поле. Например, кристалите на оловен цирконат титанат генерират измеримо пиезоелектричество, когато тяхната статична структура се деформира спрямо първоначалния си размер. Обратно, кристалите могат да променят своите статични размери, когато се приложи външно електрическо поле, процес, известен като обратен пиезоелектричен ефект. Този процес може да се използва за производство на ултразвукови вълни.
Пиезоелектричният ефект се изучава от средата на 18-ти век, когато Карл Линей и Франц Епин, черпейки от знанията на Рене Хои и Антоан Сезар Бекерел, постулират връзка между механичното напрежение и електрическия заряд. Експериментите обаче се оказаха неубедителни. Едва когато комбинираните познания за пироелектричеството и разбирането на основните кристални структури доведоха до предсказанието за пироелектричество, изследователите успяха да предвидят поведението на кристалите. Това се демонстрира от ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол.
Габриел Липман, през 1881 г., математически извежда основните термодинамични принципи на обратния пиезоелектричен ефект. Семейство Кюри незабавно потвърдиха съществуването на обратния ефект и продължиха да получават количествено доказателство за пълната обратимост на електро-еласто-механичните деформации в пиезоелектричните кристали.
В продължение на десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, докато не се превърна в жизненоважен инструмент при откриването на полония и радия от Пиер и Мария Кюри. Тяхната работа за изследване и дефиниране на кристалните структури, които показват пиезоелектричество, завърши с публикуването на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt. Това описва естествените кристални класове, способни на пиезоелектричество и строго дефинира пиезоелектричните константи с тензорен анализ.
Практическото приложение на пиезоелектричните устройства започва с разработването на сонари по време на Първата световна война. Пол Ланжевин и неговите колеги разработват ултразвуков детектор за подводници. Този детектор се състоеше от преобразувател, направен от тънки кварцови кристали, внимателно залепени към стоманени плочи, и хидрофон за откриване на върнатото ехо. Чрез излъчване на високочестотен импулс от трансдюсера и измерване на времето, необходимо за чуване на ехото на звукови вълни, отскачащи от обект, те успяха да изчислят разстоянието до обекта. Това използване на пиезоелектричество за сонар беше успешно и проектът създаде интензивен интерес към развитието на пиезоелектрични устройства. През десетилетията бяха изследвани и разработени нови пиезоелектрични материали и нови приложения за тези материали. Пиезоелектрическите устройства намериха дом в различни области, от керамични грамофонни касети, които опростиха дизайна на плейъра и направиха евтини, точни плейъри по-евтини за поддръжка и по-лесни за изграждане, до разработването на ултразвукови преобразуватели, които позволяват лесно измерване на вискозитета и еластичността на течности и твърди вещества, което води до огромен напредък в изследването на материалите. Ултразвуковите рефлектометри във времева област изпращат ултразвуков импулс в материал и измерват отраженията и прекъсванията, за да намерят дефекти в ляти метални и каменни предмети, подобрявайки структурната безопасност.
След Втората световна война независими изследователски групи в Съединените щати, Русия и Япония откриха нов клас синтетични материали, наречени фероелектрици, които показват пиезоелектрични константи до десет пъти по-високи от естествените материали. Това доведе до интензивни изследвания за разработване на бариев титанат и по-късно оловен цирконат титанат, материали със специфични свойства за определени приложения. Разработен е важен пример за използването на пиезоелектрични кристали
Волдемар Фойгт
Пиезоелектричеството е електромеханичен феномен, при който електрическият заряд се натрупва в определени твърди материали, като кристали, керамика и биологична материя като кост и ДНК. Този заряд се генерира в отговор на приложен механичен стрес. Думата пиезоелектричество произлиза от гръцката дума „piezein“, която означава „стискам или натискам“, и „elektron“, което означава „кехлибар“, древен източник на електрически заряд.
Пиезоелектричният ефект е резултат от линейно електромеханично взаимодействие между механичните и електрическите състояния на кристални материали с инверсионна симетрия. Този ефект е обратим, което означава, че материалите, проявяващи пиезоелектричество, също проявяват обратен пиезоелектричен ефект, където вътрешното генериране на механично напрежение е резултат от приложено електрическо поле. Например, кристалите на оловен цирконат титанат генерират измеримо пиезоелектричество, когато тяхната статична структура се деформира спрямо първоначалния си размер. Обратно, кристалите могат да променят статичното си измерение, когато се приложи външно електрическо поле, феномен, известен като обратен пиезоелектричен ефект, който се използва при производството на ултразвукови вълни.
Френските физици Пиер и Жак Кюри откриват пиезоелектричеството през 1880 г. Оттогава пиезоелектричният ефект се използва за различни полезни приложения, включително производството и откриването на звук, пиезоелектрически мастиленоструен печат, генериране на електричество с високо напрежение, часовникови генератори и електронни устройства като микровезни и задвижващи ултразвукови дюзи за ултрафино фокусиране на оптични модули. Той също така формира основата на сканиращи сондови микроскопи, които могат да разрешават изображения в мащаба на атомите. Освен това пикапите в китарите с електронно усилване и тригерите в съвременните електронни барабани използват пиезоелектричния ефект.
Пиезоелектричеството също намира ежедневни приложения при генериране на искри за запалване на газ в уреди за готвене и отопление, в факли, запалки за цигари и др. Пироелектричният ефект, при който даден материал генерира електрически потенциал в отговор на температурна промяна, е изследван от Карл Линей и Франц Епин в средата на 18-ти век, черпейки от знанията на Рене Хои и Антоан Сезар Бекерел, които постулират връзка между механичните стрес и електрически заряд. Експериментите за доказване на тази връзка се оказаха неубедителни.
Изгледът на пиезокристал в компенсатора на Кюри в Hunterian Museum в Шотландия е демонстрация на директния пиезоелектричен ефект от братята Пиер и Жак Кюри. Комбинирането на познанията им за пироелектричеството с разбирането на основните кристални структури доведе до предсказанието за пироелектричество, което им позволи да предскажат кристалното поведение, което демонстрираха при ефекта на кристали като турмалин, кварц, топаз, тръстикова захар и рошелска сол . Натриевият и калиевият тартарат тетрахидрат и кварц също показват пиезоелектричество и пиезоелектричен диск е използван за генериране на напрежение, когато се деформира. Тази промяна във формата беше силно преувеличена в демонстрацията на Кюри и те продължиха да предскажат обратния пиезоелектричен ефект. Обратният ефект е математически изведен от фундаменталните термодинамични принципи от Габриел Липман през 1881 г.
Семейство Кюри незабавно потвърдиха съществуването на обратния ефект и продължиха да получават количествено доказателство за пълната обратимост на електро-еласто-механичните деформации в пиезоелектричните кристали. През следващите десетилетия пиезоелектричеството остава лабораторно любопитство, докато не се превръща в жизненоважен инструмент при откриването на полоний и радий от Пиер Мария Кюри, който го използва, за да изследва и дефинира кристални структури, които показват пиезоелектричество. Това кулминира в публикуването на Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по кристална физика) на Woldemar Voigt, който описва естествените кристални класове, способни на пиезоелектричество и строго дефинира пиезоелектричните константи с помощта на тензорен анализ.
Това доведе до практическото приложение на пиезоелектрични устройства, като сонар, който беше разработен по време на Първата световна война. Във Франция Пол Ланжевен и неговите колеги разработиха ултразвуков детектор за подводници. Този детектор се състоеше от преобразувател, изработен от тънки кварцови кристали, внимателно залепени към стоманени плочи, и хидрофон за откриване на върнато ехо след излъчване на високочестотен импулс от преобразувателя. Чрез измерване на времето, необходимо за чуване на ехото на звуковите вълни, отскачащи от обект, те биха могли да изчислят разстоянието до обекта. Те използваха пиезоелектричество, за да направят този сонар успешен и проектът предизвика интензивно развитие и интерес.
Важни отношения
- Пиезоелектрични задвижващи механизми: Пиезоелектричните задвижващи механизми са устройства, които преобразуват електрическата енергия в механично движение. Те обикновено се използват в роботиката, медицинските устройства и други приложения, където се изисква прецизен контрол на движението.
- Пиезоелектрични сензори: Пиезоелектричните сензори се използват за измерване на физически параметри като налягане, ускорение и вибрации. Те често се използват в промишлени и медицински приложения, както и в потребителската електроника.
- Пиезоелектричеството в природата: Пиезоелектричеството е естествено срещащо се явление в определени материали и се среща в много живи организми. Използва се от някои организми, за да усещат околната среда и да комуникират с други организми.
Заключение
Пиезоелектричеството е невероятно явление, което се използва в различни приложения, от сонари до фонографски касети. Изследван е от средата на 1800 г. и е използван с голям ефект в развитието на съвременните технологии. Тази публикация в блога изследва историята и употребата на пиезоелектричеството и подчертава важността на това явление в развитието на съвременните технологии. За тези, които се интересуват да научат повече за пиезоелектричеството, тази публикация е чудесна отправна точка.
Аз съм Joost Nusselder, основател на Neaera и търговец на съдържание, татко и обичам да изпробвам ново оборудване с китара в сърцето на моята страст и заедно с моя екип създавам задълбочени статии в блога от 2020 г. да помогне на лоялните читатели със съвети за запис и китара.
