La piezoelectricitat és la capacitat de determinats materials de generar electricitat quan estan sotmesos a esforços mecànics i viceversa. La paraula prové del grec piezo que significa pressió i electricitat. Es va descobrir per primera vegada l'any 1880, però el concepte es coneix des de fa molt de temps.
L'exemple més conegut de piezoelectricitat és el quars, però molts altres materials també presenten aquest fenomen. L'ús més comú de la piezoelectricitat és la producció d'ultrasons.
En aquest article, parlaré de què és la piezoelectricitat, com funciona i algunes de les moltes aplicacions pràctiques d'aquest fenomen sorprenent.
Què és la piezoelectricitat?
La piezoelectricitat és la capacitat de determinats materials de generar una càrrega elèctrica en resposta a l'estrès mecànic aplicat. És una interacció electromecànica lineal entre estats mecànics i elèctrics en materials cristal·lins amb simetria d'inversió. Els materials piezoelèctrics es poden utilitzar per generar electricitat d'alta tensió, generadors de rellotges, dispositius electrònics, microbalances, broquets ultrasònics d'accionament i conjunts òptics d'enfocament ultrafins.
Els materials piezoelèctrics inclouen cristalls, certes ceràmiques, matèria biològica com l'os i l'ADN, i proteïnes. Quan s'aplica una força a un material piezoelèctric, produeix una càrrega elèctrica. Aquesta càrrega es pot utilitzar per alimentar dispositius o crear una tensió.
Els materials piezoelèctrics s'utilitzen en una varietat d'aplicacions, com ara:
• Producció i detecció de so
• Impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica
• Generació d'electricitat d'alta tensió
• Generadors de rellotges
• Dispositius electrònics
• Microbalances
• Accionar broquets d'ultrasons
• Conjunts òptics d'enfocament ultrafins
• Recolliments per a guitarres amplificades electrònicament
• Disparadors per a bateria electrònica moderna
• Producció d'espurnes per encendre gas
• Aparells de cuina i calefacció
• Torxes i encenedors.
Quina és la història de la piezoelectricitat?
La piezoelectricitat va ser descoberta l'any 1880 pels físics francesos Jacques i Pierre Curie. És la càrrega elèctrica que s'acumula en determinats materials sòlids, com ara cristalls, ceràmica i matèria biològica, com a resposta a l'estrès mecànic aplicat. La paraula "piezoelectricitat" deriva de la paraula grega "piezein", que significa "prémer" o "premer", i "elektron", que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica.
L'efecte piezoelèctric resulta de la interacció electromecànica lineal entre els estats mecànics i elèctrics dels materials cristal·lins amb simetria d'inversió. És un procés reversible, és a dir, els materials que presenten piezoelectricitat també presenten l'efecte piezoelèctric invers, que és la generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat.
El coneixement combinat dels Curies sobre la piroelectricitat i la comprensió de les estructures cristal·lines subjacents va donar lloc a la predicció de la piroelectricitat i a la capacitat de predir el comportament dels cristalls. Això es va demostrar en l'efecte de cristalls com la turmalina, el quars, el topazi, el sucre de canya i la sal de Rochelle.
Els Curies van confirmar immediatament l'existència de l'efecte invers, i van obtenir una prova quantitativa de la completa reversibilitat de les deformacions electro-elasto-mecàniques en cristalls piezoelèctrics. Al llarg de les dècades, la piezoelectricitat va continuar sent una curiositat de laboratori fins que es va convertir en una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per Pierre i Marie Curie.
La piezoelectricitat s'ha aprofitat per a moltes aplicacions útils, com ara la producció i detecció de so, la impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica, la generació d'electricitat d'alta tensió, generadors de rellotges i dispositius electrònics, microbalances, broquets ultrasònics d'accionament, enfocament ultrafin de conjunts òptics i les formes base dels microscopis de sonda d'escaneig per resoldre imatges a escala d'àtoms.
La piezoelectricitat també té usos quotidians, com ara la generació d'espurnes per encendre gas en aparells de cuina i calefacció, torxes, encenedors i l'efecte piroelèctric, on un material genera un potencial elèctric en resposta a un canvi de temperatura.
El desenvolupament del sonar durant la Primera Guerra Mundial va veure l'ús de cristalls piezoelèctrics desenvolupats per Bell Telephone Laboratories. Això va permetre a les forces aèries aliades participar en atacs massius coordinats mitjançant la ràdio d'aviació. El desenvolupament de dispositius i materials piezoelèctrics als Estats Units va mantenir les empreses en el desenvolupament dels inicis de la guerra en el camp dels interessos, aconseguint patents rendibles per a nous materials.
Japó va veure les noves aplicacions i el creixement de la indústria piezoelèctrica dels Estats Units i ràpidament va desenvolupar les seves pròpies. Van compartir informació ràpidament i van desenvolupar materials de titanat de bari i, posteriorment, de zirconat de plom amb propietats específiques per a aplicacions particulars.
La piezoelectricitat ha recorregut un llarg camí des del seu descobriment el 1880, i ara s'utilitza en una varietat d'aplicacions quotidianes. També s'ha utilitzat per fer avenços en la investigació de materials, com ara reflectòmetres ultrasònics en el domini del temps, que envien un pols ultrasònic a través d'un material per mesurar reflexions i discontinuïtats per trobar defectes dins dels objectes de metall fos i pedra, millorant la seguretat estructural.
Com funciona la piezoelectricitat
En aquesta secció, exploraré com funciona la piezoelectricitat. Miraré l'acumulació de càrrega elèctrica en sòlids, la interacció electromecànica lineal i el procés reversible que conformen aquest fenomen. També parlaré de la història de la piezoelectricitat i les seves aplicacions.
Acumulació de càrrega elèctrica en sòlids
La piezoelectricitat és la càrrega elèctrica que s'acumula en determinats materials sòlids, com ara cristalls, ceràmica i matèria biològica com l'os i l'ADN. És una resposta a l'estrès mecànic aplicat, i el seu nom prové de les paraules gregues "piezein" (prémer o pressionar) i "ēlektron" (ambre).
L'efecte piezoelèctric resulta de la interacció electromecànica lineal entre estats mecànics i elèctrics en materials cristal·lins amb simetria d'inversió. És un procés reversible, el que significa que els materials que presenten piezoelectricitat també presenten l'efecte piezoelèctric invers, on la generació interna de tensió mecànica resulta d'un camp elèctric aplicat. Alguns exemples de materials que generen piezoelectricitat mesurable inclouen els cristalls de titanat de zirconat de plom.
Els físics francesos Pierre i Jacques Curie van descobrir la piezoelectricitat l'any 1880. Des d'aleshores s'ha explotat per a una varietat d'aplicacions útils, com ara la producció i detecció de so, la impressió piezoelèctrica d'injecció de tinta, la generació d'electricitat d'alta tensió, generadors de rellotges i dispositius electrònics com microbalances. i conduir broquets ultrasònics per a l'enfocament ultrafin dels conjunts òptics. També constitueix la base dels microscopis de sonda d'escaneig, que poden resoldre imatges a escala d'àtoms. La piezoelectricitat també s'utilitza en pastilles per a guitarres amplificades electrònicament, i disparadors per a bateries electròniques modernes.
La piezoelectricitat té usos quotidians en la generació d'espurnes per encendre gas, en aparells de cuina i calefacció, torxes, encenedors i l'efecte piroelèctric, on un material genera un potencial elèctric en resposta a un canvi de temperatura. Això va ser estudiat per Carl Linnaeus i Franz Aepinus a mitjans del segle XVIII, a partir dels coneixements de René Haüy i Antoine César Becquerel, que van plantejar una relació entre l'estrès mecànic i la càrrega elèctrica. Els experiments no van resultar concloents.
La vista d'un cristall piezoelèctric al compensador Curie del Museu Hunterian d'Escòcia és una demostració de l'efecte piezoelèctric directe. Els germans Pierre i Jacques Curie van combinar el seu coneixement de la piroelectricitat amb la comprensió de les estructures cristal·lines subjacents, cosa que va donar lloc a la predicció de la piroelectricitat. Van poder predir el comportament dels cristalls i van demostrar l'efecte en cristalls com ara turmalina, quars, topazi, sucre de canya i sal de Rochelle. El tartrat de sodi potassi tetrahidrat i el quars també van mostrar piezoelectricitat. Un disc piezoelèctric genera una tensió quan es deforma, i el canvi de forma és molt exagerat en la demostració dels Curies.
Van poder predir l'efecte piezoelèctric invers, i l'efecte invers el va deduir matemàticament Gabriel Lippmann el 1881. Els Curies van confirmar immediatament l'existència de l'efecte invers i van obtenir una prova quantitativa de la reversibilitat completa de l'electroelasto- deformacions mecàniques en cristalls piezoelèctrics.
Durant dècades, la piezoelectricitat va continuar sent una curiositat de laboratori, però va ser una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per Pierre i Marie Curie. El seu treball per explorar i definir les estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat va culminar amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de la física del cristall) de Woldemar Voigt, que descrivia les classes de cristalls naturals capaços de piezoelectricitat i definia rigorosament les constants piezoelèctriques mitjançant l'anàlisi tensor. Aquesta va ser l'aplicació pràctica dels dispositius piezoelèctrics, i el sonar es va desenvolupar durant la Primera Guerra Mundial. A França, Paul Langevin i els seus companys de feina van desenvolupar un detector submarí ultrasònic.
El detector estava format per a transductor fet de prims cristalls de quars acuradament enganxats a plaques d'acer, i un hidròfon per detectar l'eco retornat. En emetre un alt freqüència pols del transductor i mesurant el temps que triga a escoltar l'eco de les ones sonores que reboten en un objecte, van poder calcular la distància a l'objecte. Van utilitzar la piezoelectricitat per fer que el sonar fos un èxit, i el projecte va crear un intens desenvolupament i interès pels dispositius piezoelèctrics. Al llarg de les dècades, es van explorar i desenvolupar nous materials piezoelèctrics i noves aplicacions per als materials, i els dispositius piezoelèctrics van trobar llars en diversos camps. Els cartutxos de fonògraf de ceràmica van simplificar el disseny del reproductor i van crear reproductors barats i precisos que eren més barats de mantenir i més fàcils de construir.
El desenvolupament de transductors ultrasònics va permetre mesurar fàcilment la viscositat i l'elasticitat de fluids i sòlids, donant lloc a grans avenços en la investigació de materials.
Interacció electromecànica lineal
La piezoelectricitat és la capacitat de determinats materials de generar una càrrega elèctrica quan estan sotmesos a un esforç mecànic. La paraula deriva de les paraules gregues πιέζειν (piezein) que significa "prémer o pressionar" i ἤλεκτρον (ēlektron) que significa "ambre", que era una antiga font de càrrega elèctrica.
La piezoelectricitat va ser descoberta l'any 1880 pels físics francesos Jacques i Pierre Curie. Es basa en la interacció electromecànica lineal entre els estats mecànics i elèctrics dels materials cristal·lins amb simetria d'inversió. Aquest efecte és reversible, el que significa que els materials que presenten piezoelectricitat també presenten un efecte piezoelèctric invers, pel qual la generació interna de tensió mecànica resulta d'un camp elèctric aplicat. Exemples de materials que generen piezoelectricitat mesurable quan es deformen a partir de la seva estructura estàtica inclouen els cristalls de titanat de zirconat de plom. Per contra, els cristalls poden canviar la seva dimensió estàtica quan s'aplica un camp elèctric extern, que es coneix com a efecte piezoelèctric invers i s'utilitza en la producció d'ones ultrasòniques.
La piezoelectricitat s'ha explotat per a una varietat d'aplicacions útils, com ara:
• Producció i detecció de so
• Impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica
• Generació d'electricitat d'alta tensió
• Generador de rellotges
• Dispositius electrònics
• Microbalances
• Accionar broquets d'ultrasons
• Conjunts òptics d'enfocament ultrafins
• Constitueix la base dels microscopis de sonda d'escaneig per resoldre imatges a escala d'àtoms
• Pastilles en guitarres amplificades electrònicament
• Disparadors a la bateria electrònica moderna
• Generació d'espurnes per encendre gas en aparells de cuina i calefacció
• Torxes i encenedors
La piezoelectricitat també troba usos quotidians en l'efecte piroelèctric, que és un material que genera un potencial elèctric en resposta a un canvi de temperatura. Això va ser estudiat per Carl Linnaeus i Franz Aepinus a mitjans del segle XVIII, a partir dels coneixements de René Haüy i Antoine César Becquerel, que van plantejar una relació entre l'estrès mecànic i la càrrega elèctrica. Tanmateix, els experiments no van resultar concloents.
Veure un cristall piezoelèctric al compensador Curie al Museu Hunterian d'Escòcia és una demostració de l'efecte piezoelèctric directe. Va ser el treball dels germans Pierre i Jacques Curie el que va explorar i definir les estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat, que va culminar amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de la física del cristall) de Woldemar Voigt. Això descrivia les classes de cristalls naturals capaços de piezoelectricitat i definia rigorosament les constants piezoelèctriques mitjançant l'anàlisi de tensors, donant lloc a l'aplicació pràctica de dispositius piezoelèctrics.
El sonar es va desenvolupar durant la Primera Guerra Mundial, quan el francès Paul Langevin i els seus companys de feina van desenvolupar un detector submarí ultrasònic. Aquest detector consistia en un transductor fet de prims cristalls de quars acuradament enganxats a plaques d'acer, i un hidròfon per detectar l'eco retornat després d'emetre un pols d'alta freqüència des del transductor. Mitjançant la mesura del temps que triga a escoltar l'eco de les ones sonores que reboten en un objecte, van poder calcular la distància de l'objecte, fent ús de la piezoelectricitat. L'èxit d'aquest projecte va crear un intens desenvolupament i interès en els dispositius piezoelèctrics al llarg de les dècades, amb nous materials piezoelèctrics i noves aplicacions per a aquests materials explorant i desenvolupant-se. Els dispositius piezoelèctrics van trobar llars en molts camps, com els cartutxos de fonògraf de ceràmica, que van simplificar el disseny del reproductor i van fer que els tocadiscos siguin més barats i precisos, i més barats i més fàcils de construir i mantenir.
El desenvolupament de transductors ultrasònics va permetre mesurar fàcilment la viscositat i l'elasticitat de fluids i sòlids, donant lloc a grans avenços en la investigació de materials. Els reflectòmetres ultrasònics en el domini del temps envien un pols ultrasònic a un material i mesuren les reflexions i les discontinuïtats per trobar defectes dins dels objectes de metall fos i pedra, millorant la seguretat estructural. Després de la Segona Guerra Mundial, grups de recerca independents als Estats Units, Rússia i Japó van descobrir una nova classe de materials sintètics anomenats ferroelèctrics, que presentaven constants piezoelèctriques moltes vegades més altes que els materials naturals. Això va conduir a una intensa investigació per desenvolupar titanat de bari, i més tard titanat de zirconat de plom, materials amb propietats específiques per a aplicacions particulars.
Un exemple significatiu de l'ús de cristalls piezoelèctrics va ser desenvolupat pels Bell Telephone Laboratories després de la Segona Guerra Mundial. Frederick R. Lack, treballant al departament d'enginyeria de radiotelefonia,
Procés reversible
La piezoelectricitat és una càrrega elèctrica que s'acumula en determinats materials sòlids, com ara cristalls, ceràmica i matèria biològica com l'os i l'ADN. És la resposta d'aquests materials a l'estrès mecànic aplicat. La paraula "piezoelectricitat" prové de les paraules gregues "piezein" que significa "prémer" o "premer" i "ēlektron" que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica.
L'efecte piezoelèctric resulta de la interacció electromecànica lineal entre els estats mecànics i elèctrics dels materials cristal·lins amb simetria d'inversió. És un procés reversible, és a dir, els materials que presenten piezoelectricitat també presenten l'efecte piezoelèctric invers, que és la generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat. Alguns exemples de materials que generen piezoelectricitat mesurable inclouen els cristalls de titanat de zirconat de plom. Quan l'estructura estàtica d'aquests cristalls es deforma, tornen a la seva dimensió original i, a la inversa, quan s'aplica un camp elèctric extern, canvien la seva dimensió estàtica, produint ones ultrasòniques.
Els físics francesos Jacques i Pierre Curie van descobrir la piezoelectricitat l'any 1880. Des de llavors s'ha explotat per a una varietat d'aplicacions útils, com ara la producció i detecció de so, la impressió piezoelèctrica d'injecció de tinta, la generació d'electricitat d'alta tensió, generadors de rellotges, dispositius electrònics, microbalances, etc. conduir broquets ultrasònics i conjunts òptics d'enfocament ultrafins. També constitueix la base per als microscopis de sonda d'escaneig, que poden resoldre imatges a escala d'àtoms. La piezoelectricitat també s'utilitza en pastilles per a guitarres amplificades electrònicament i disparadors per a bateries electròniques modernes.
La piezoelectricitat també té usos quotidians, com ara generar espurnes per encendre gas en aparells de cuina i calefacció, llanternes, encenedors i molt més. L'efecte piroelèctric, en què un material genera un potencial elèctric en resposta a un canvi de temperatura, va ser estudiat per Carl Linnaeus, Franz Aepinus i René Haüy a mitjans del segle XVIII, a partir del coneixement de l'ambre. Antoine César Becquerel va plantejar una relació entre l'estrès mecànic i la càrrega elèctrica, però els experiments no van resultar concloents.
Els visitants del Museu Hunterian de Glasgow poden veure el Piezo Crystal Curie Compensator, una demostració de l'efecte piezoelèctric directe dels germans Pierre i Jacques Curie. La combinació del seu coneixement de la piroelectricitat amb la comprensió de les estructures cristal·lines subjacents va donar lloc a la predicció de la piroelectricitat i la capacitat de predir el comportament dels cristalls. Això es va demostrar amb l'efecte de cristalls com turmalina, quars, topazi, sucre de canya i sal de Rochelle. El tetrahidrat de tartrat de sodi i potassi i el quars també presentaven piezoelectricitat, i es va utilitzar un disc piezoelèctric per generar una tensió quan es deformava. Aquest canvi de forma va ser molt exagerat pels Curies per predir l'efecte piezoelèctric invers. L'efecte invers va ser deduït matemàticament a partir dels principis termodinàmics fonamentals per Gabriel Lippmann el 1881.
Els Curies van confirmar immediatament l'existència de l'efecte invers, i van obtenir una prova quantitativa de la completa reversibilitat de les deformacions electro-elasto-mecàniques en cristalls piezoelèctrics. Durant dècades, la piezoelectricitat va continuar sent una curiositat de laboratori, però va ser una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per Pierre i Marie Curie. El seu treball per explorar i definir les estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat va culminar amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de física del cristall) de Woldemar Voigt. Això descrivia les classes de cristalls naturals capaços de piezoelectricitat i definia rigorosament les constants piezoelèctriques mitjançant l'anàlisi tensor.
L'aplicació pràctica dels dispositius piezoelèctrics, com el sonar, es va desenvolupar durant la Primera Guerra Mundial. A França, Paul Langevin i els seus companys de feina van desenvolupar un detector submarí ultrasònic. Aquest detector consistia en un transductor fet de prims cristalls de quars enganxats amb cura a plaques d'acer, i un hidròfon per detectar l'eco retornat. Mitjançant l'emissió d'un pols d'alta freqüència des del transductor i la mesura del temps que triga a escoltar l'eco de les ones sonores que reboten en un objecte, van poder calcular la distància de l'objecte. Van utilitzar piezoelectricitat per fer que aquest sonar fos un èxit. Aquest projecte va crear un intens desenvolupament i interès pels dispositius piezoelèctrics, i al llarg de les dècades es van explorar i desenvolupar nous materials piezoelèctrics i noves aplicacions per a aquests materials. Dispositius piezoelèctrics
Què causa la piezoelectricitat?
En aquesta secció, exploraré els orígens de la piezoelectricitat i els diferents materials que presenten aquest fenomen. Miraré la paraula grega "piezein", l'antiga font de càrrega elèctrica i l'efecte piroelectricitat. També parlaré dels descobriments de Pierre i Jacques Curie i del desenvolupament dels dispositius piezoelèctrics al segle XX.
Paraula grega Piezein
La piezoelectricitat és l'acumulació de càrrega elèctrica en determinats materials sòlids, com ara cristalls, ceràmica i matèria biològica com l'os i l'ADN. És causada per la resposta d'aquests materials a l'estrès mecànic aplicat. La paraula piezoelectricitat prové de la paraula grega "piezein", que significa "prémer o pressionar", i "ēlektron", que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica.
L'efecte piezoelèctric resulta de la interacció electromecànica lineal entre els estats mecànics i elèctrics dels materials cristal·lins amb simetria d'inversió. És un procés reversible, el que significa que els materials que presenten piezoelectricitat també presenten l'efecte piezoelèctric invers, que és la generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat. Per exemple, els cristalls de titanat de zirconat de plom generen piezoelectricitat mesurable quan la seva estructura estàtica es deforma des de la seva dimensió original. Per contra, els cristalls poden canviar la seva dimensió estàtica quan s'aplica un camp elèctric extern, que es coneix com a efecte piezoelèctric invers i és la producció d'ones ultrasòniques.
Els físics francesos Jacques i Pierre Curie van descobrir la piezoelectricitat l'any 1880. L'efecte piezoelèctric s'ha aprofitat per a moltes aplicacions útils, com ara la producció i detecció de so, la impressió piezoelèctrica d'injecció de tinta, la generació d'electricitat d'alta tensió, generadors de rellotges i dispositius electrònics com microbalances. , condueixen broquets ultrasònics i conjunts òptics d'enfocament ultrafins. També constitueix la base dels microscopis de sonda d'escaneig, que poden resoldre imatges a escala d'àtoms. La piezoelectricitat també s'utilitza en pastilles per a guitarres amplificades electrònicament i disparadors per a bateries electròniques modernes.
La piezoelectricitat té usos quotidians, com ara generar espurnes per encendre gas en aparells de cuina i calefacció, llanternes, encenedors i molt més. L'efecte piroelèctric, que és la generació de potencial elèctric com a resposta a un canvi de temperatura, va ser estudiat per Carl Linnaeus i Franz Aepinus a mitjans del segle XVIII, a partir dels coneixements de René Haüy i Antoine César Becquerel, que van plantejar una relació entre tensió mecànica i càrrega elèctrica. Els experiments no van resultar concloents.
Al museu d'Escòcia, els visitants poden veure un compensador de Curie de cristall piezoelèctric, una demostració de l'efecte piezoelèctric directe dels germans Pierre i Jacques Curie. La combinació del seu coneixement de la piroelectricitat amb la comprensió de les estructures cristal·lines subjacents va donar lloc a la predicció de la piroelectricitat i la capacitat de predir el comportament del cristall. Això es va demostrar amb l'efecte de cristalls com la turmalina, el quars, el topazi, el sucre de canya i la sal de Rochelle. El tartrat de sodi potassi tetrahidrat i el quars de la sal de Rochelle presentaven piezoelectricitat, i un disc piezoelèctric genera tensió quan es deforma. Aquest canvi de forma és molt exagerat en la manifestació dels Curie.
Els Curies van obtenir una prova quantitativa de la completa reversibilitat de les deformacions electro-elasto-mecàniques en cristalls piezoelèctrics. Durant dècades, la piezoelectricitat va seguir sent una curiositat de laboratori fins que es va convertir en una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per Pierre i Marie Curie. El seu treball per explorar i definir les estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat va culminar amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de física del cristall) de Woldemar Voigt. Això descrivia les classes de cristalls naturals capaços de piezoelectricitat i definia rigorosament les constants piezoelèctriques mitjançant l'anàlisi tensor.
Aquesta aplicació pràctica de la piezoelectricitat va portar al desenvolupament del sonar durant la Primera Guerra Mundial. A França, Paul Langevin i els seus companys de feina van desenvolupar un detector submarí ultrasònic. El detector consistia en un transductor fet de prims cristalls de quars acuradament enganxats a plaques d'acer, anomenat hidròfon, per detectar l'eco retornat després d'emetre un pols d'alta freqüència. El transductor va mesurar el temps que va trigar a escoltar l'eco de les ones sonores que rebotaven sobre un objecte per calcular la distància de l'objecte. L'ús de la piezoelectricitat al sonar va ser un èxit, i el projecte va crear un intens desenvolupament i interès pels dispositius piezoelèctrics durant dècades.
Es van explorar i desenvolupar nous materials piezoelèctrics i noves aplicacions per a aquests materials, i els dispositius piezoelèctrics van trobar llars en molts camps, com els cartutxos de fonògraf de ceràmica, que van simplificar el disseny del reproductor i van fer que els tocadiscos fossin més barats, més precisos i més barats de mantenir i més fàcils. construir. El desenvolupament
Font antiga de càrrega elèctrica
La piezoelectricitat és la càrrega elèctrica que s'acumula en determinats materials sòlids, com ara cristalls, ceràmica i matèria biològica com l'os i l'ADN. És causada per la resposta del material a l'estrès mecànic aplicat. La paraula "piezoelectricitat" prové de la paraula grega "piezein", que significa "prémer o pressionar", i la paraula "elektron", que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica.
L'efecte piezoelèctric resulta de la interacció electromecànica lineal entre els estats mecànics i elèctrics dels materials cristal·lins amb simetria d'inversió. És un procés reversible, el que significa que els materials que presenten piezoelectricitat també presenten l'efecte piezoelèctric invers, que és la generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat. Per exemple, els cristalls de titanat de zirconat de plom generen piezoelectricitat mesurable quan la seva estructura estàtica es deforma des de la seva dimensió original. Per contra, quan s'aplica un camp elèctric extern, els cristalls canvien la seva dimensió estàtica en un efecte piezoelèctric invers, produint ones ultrasòniques.
L'efecte piezoelèctric va ser descobert l'any 1880 pels físics francesos Jacques i Pierre Curie. S'aprofita per a una varietat d'aplicacions útils, com ara la producció i detecció de so, la impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica, la generació d'electricitat d'alta tensió, generadors de rellotges i dispositius electrònics com microbalances i broquets ultrasònics d'accionament per a l'enfocament ultrafin de conjunts òptics. També constitueix la base dels microscopis de sonda d'escaneig, que s'utilitzen per resoldre imatges a escala d'àtoms. La piezoelectricitat també s'utilitza en pastilles per a guitarres amplificades electrònicament i disparadors per a bateries electròniques modernes.
La piezoelectricitat té usos quotidians per generar espurnes per encendre gas en dispositius de cuina i calefacció, llanternes, encenedors de cigarrets i molt més. L'efecte piroelèctric, que és la producció de potencial elèctric en resposta a un canvi de temperatura, va ser estudiat per Carl Linnaeus i Franz Aepinus a mitjans del segle XVIII, basant-se en els coneixements de René Haüy i Antoine César Becquerel que van plantejar una relació entre la mecànica. estrès i càrrega elèctrica. Tanmateix, els seus experiments no van resultar concloents.
La vista d'un cristall piezoelèctric i el compensador Curie al Museu Hunterian d'Escòcia demostren l'efecte piezoelèctric directe. Va ser el treball dels germans Pierre i Jacques Curie el que va explorar i definir les estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat, que va culminar amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de la física del cristall) de Woldemar Voigt. Això descrivia les classes de cristalls naturals capaços de piezoelectricitat i definia rigorosament les constants piezoelèctriques mitjançant l'anàlisi de tensors, permetent l'aplicació pràctica de dispositius piezoelèctrics.
El sonar va ser desenvolupat durant la Primera Guerra Mundial pel francès Paul Langevin i els seus companys de feina, que van desenvolupar un detector submarí ultrasònic. El detector consistia en un transductor fet de prims cristalls de quars enganxats amb cura a plaques d'acer i un hidròfon per detectar l'eco retornat. Mitjançant l'emissió d'un pols d'alta freqüència des del transductor i la mesura del temps que triga a escoltar l'eco de les ones sonores que reboten en un objecte, van poder calcular la distància a l'objecte. Van utilitzar piezoelectricitat per fer que aquest sonar fos un èxit. El projecte va crear un intens desenvolupament i interès pels dispositius piezoelèctrics durant dècades.
Piroelectricitat
La piezoelectricitat és la capacitat de certs materials d'acumular càrrega elèctrica en resposta a l'estrès mecànic aplicat. És una interacció electromecànica lineal entre els estats mecànics i elèctrics dels materials cristal·lins amb simetria d'inversió. La paraula "piezoelectricitat" deriva de la paraula grega "piezein", que significa "prémer o pressionar", i la paraula grega "ēlektron", que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica.
L'efecte piezoelèctric va ser descobert pels físics francesos Jacques i Pierre Curie l'any 1880. És un procés reversible, és a dir, els materials que presenten l'efecte piezoelèctric també presenten l'efecte piezoelèctric invers, que és la generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat. Alguns exemples de materials que generen piezoelectricitat mesurable inclouen els cristalls de titanat de zirconat de plom. Quan una estructura estàtica es deforma, torna a la seva dimensió original. Per contra, quan s'aplica un camp elèctric extern, es produeix l'efecte piezoelèctric invers, donant lloc a la producció d'ones ultrasòniques.
L'efecte piezoelèctric s'aprofita per a moltes aplicacions útils, com ara la producció i detecció de so, la impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica, la generació d'electricitat d'alta tensió, generadors de rellotges i dispositius electrònics com ara microbalances, broquets ultrasònics i conjunts òptics d'enfocament ultrafins. També és la base dels microscopis de sonda d'escaneig, que s'utilitzen per resoldre imatges a escala d'àtoms. La piezoelectricitat també s'utilitza en pastilles per a guitarres amplificades electrònicament, i disparadors per a bateries electròniques modernes.
La piezoelectricitat té usos quotidians, com ara generar espurnes per encendre gas en aparells de cuina i calefacció, llanternes, encenedors i molt més. L'efecte piroelèctric, que és la producció de potencial elèctric en resposta a un canvi de temperatura, va ser estudiat per Carl Linnaeus i Franz Aepinus a mitjans del segle XVIII, a partir dels coneixements de René Haüy i Antoine César Becquerel, que havien plantejat una relació. entre la tensió mecànica i la càrrega elèctrica. Tanmateix, els experiments no van resultar concloents.
La vista d'un cristall piezoelèctric al Museu Curie Compensator d'Escòcia és una demostració de l'efecte piezoelèctric directe. Els germans Pierre i Jacques Curie van combinar el seu coneixement de la piroelectricitat i la seva comprensió de les estructures cristal·lines subjacents per donar lloc a la comprensió de la piroelectricitat i predir el comportament dels cristalls. Això es va demostrar en l'efecte de cristalls com ara turmalina, quars, topazi, sucre de canya i sal de Rochelle. Es va trobar que el tartrat de sodi potassi tetrahidrat i el quars presentaven piezoelectricitat i es va utilitzar un disc piezoelèctric per generar una tensió quan es deformava. Això va ser molt exagerat pels Curies per predir l'efecte piezoelèctric invers. L'efecte invers va ser deduït matemàticament per principis termodinàmics fonamentals per Gabriel Lippmann el 1881.
Els Curies van confirmar immediatament l'existència de l'efecte invers, i van obtenir una prova quantitativa de la completa reversibilitat de les deformacions electro-elasto-mecàniques en cristalls piezoelèctrics. En les dècades següents, la piezoelectricitat va continuar sent una curiositat de laboratori fins que es va convertir en una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per Pierre i Marie Curie. El seu treball per explorar i definir les estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat va culminar amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de física del cristall) de Woldemar Voigt.
El desenvolupament del sonar va ser un èxit, i el projecte va crear un intens desenvolupament i interès pels dispositius piezoelèctrics. En les dècades següents, es van explorar i desenvolupar nous materials piezoelèctrics i noves aplicacions per a aquests materials. Els dispositius piezoelèctrics van trobar llars en molts camps, com els cartutxos de fonògraf de ceràmica, que van simplificar el disseny del reproductor i van fer que els tocadiscos fossin més barats, més precisos, més barats de mantenir i més fàcils de construir. El desenvolupament de transductors ultrasònics va permetre mesurar fàcilment la viscositat i l'elasticitat de fluids i sòlids, donant lloc a grans avenços en la investigació de materials. Els reflectòmetres ultrasònics en el domini del temps envien un pols ultrasònic a un material i mesuren les reflexions i les discontinuïtats per trobar defectes dins dels objectes de metall fos i pedra, millorant la seguretat estructural.
Després de la Segona Guerra Mundial, grups de recerca independents als Estats Units, Rússia i Japó van descobrir una nova classe de materials sintètics anomenats ferroelèctrics, que presentaven constants piezoelèctriques que eren
Materials piezoelèctrics
En aquesta secció, parlaré dels materials que presenten l'efecte piezoelèctric, que és la capacitat de certs materials d'acumular càrrega elèctrica en resposta a l'estrès mecànic aplicat. Miraré els cristalls, la ceràmica, la matèria biològica, l'os, l'ADN i les proteïnes, i com responen tots a l'efecte piezoelèctric.
Crystals
La piezoelectricitat és la capacitat de certs materials d'acumular càrrega elèctrica en resposta a l'estrès mecànic aplicat. La paraula piezoelectricitat deriva de les paraules gregues πιέζειν (piezein) que significa "prémer" o "premer" i ἤλεκτρον (ēlektron) que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica. Els materials piezoelèctrics inclouen cristalls, ceràmica, matèria biològica, os, ADN i proteïnes.
La piezoelectricitat és una interacció electromecànica lineal entre estats mecànics i elèctrics en materials cristal·lins amb simetria d'inversió. Aquest efecte és reversible, és a dir, els materials que presenten piezoelectricitat també presenten l'efecte piezoelèctric invers, que és la generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat. Exemples de materials que generen piezoelectricitat mesurable inclouen els cristalls de titanat de zirconat de plom, que es poden deformar a la seva dimensió original o, al contrari, canviar la seva dimensió estàtica quan s'aplica un camp elèctric extern. Això es coneix com a efecte piezoelèctric invers i s'utilitza per produir ones d'ultrasons.
Els físics francesos Jacques i Pierre Curie van descobrir la piezoelectricitat el 1880. L'efecte piezoelèctric s'ha aprofitat per a una varietat d'aplicacions útils, com ara la producció i detecció de so, la impressió piezoelèctrica d'injecció de tinta, la generació d'electricitat d'alta tensió, generadors de rellotges i dispositius electrònics com ara com microbalances, broquets d'ultrasons d'accionament i conjunts òptics d'enfocament ultrafins. També constitueix la base dels microscopis de sonda d'escaneig, que s'utilitzen per resoldre imatges a escala d'àtoms. Les pastilles piezoelèctriques també s'utilitzen en guitarres amplificades electrònicament i disparadors a les bateries electròniques modernes.
La piezoelectricitat té usos quotidians per generar espurnes per encendre gas en aparells de cuina i calefacció, així com en torxes i encenedors. L'efecte piroelèctric, que és la generació de potencial elèctric com a resposta a un canvi de temperatura, va ser estudiat per Carl Linnaeus i Franz Aepinus a mitjans del segle XVIII, a partir dels coneixements de René Haüy i Antoine César Becquerel, que van plantejar una relació entre la mecànica. estrès i càrrega elèctrica. Els experiments per demostrar aquesta teoria no van ser concloents.
La vista d'un cristall piezoelèctric al compensador Curie del Museu Hunterian d'Escòcia és una demostració de l'efecte piezoelèctric directe. Els germans Pierre i Jacques Curie van combinar el seu coneixement de la piroelectricitat amb la comprensió de les estructures cristal·lines subjacents per donar lloc a la predicció de la piroelectricitat. Van poder predir el comportament dels cristalls i van demostrar l'efecte en cristalls com ara turmalina, quars, topazi, sucre de canya i sal de Rochelle. El tartrat de sodi potassi tetrahidrat i el quars també van mostrar piezoelectricitat. Un disc piezoelèctric genera tensió quan es deforma; el canvi de forma és molt exagerat en la manifestació dels Curie.
També van poder predir l'efecte piezoelèctric invers i deduir matemàticament els principis termodinàmics fonamentals que hi ha darrere. Gabriel Lippmann ho va fer el 1881. Els Curie van confirmar immediatament l'existència de l'efecte invers, i van obtenir una prova quantitativa de la reversibilitat completa de les deformacions electro-elasto-mecàniques en cristalls piezoelèctrics.
Durant dècades, la piezoelectricitat va continuar sent una curiositat de laboratori, però va ser una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per Pierre i Marie Curie. El seu treball per explorar i definir les estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat va culminar amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de la física del cristall) de Woldemar Voigt, que descrivia les classes de cristalls naturals capaços de piezoelectricitat i definia rigorosament les constants piezoelèctriques mitjançant l'anàlisi tensor.
L'aplicació pràctica dels dispositius piezoelèctrics al sonar es va desenvolupar durant la Primera Guerra Mundial. A França, Paul Langevin i els seus companys de feina van desenvolupar un detector submarí ultrasònic. Aquest detector consistia en un transductor fet de prims cristalls de quars acuradament enganxats a plaques d'acer, anomenat hidròfon, per detectar l'eco retornat després d'emetre un pols d'alta freqüència. Mitjançant la mesura del temps que triga a escoltar l'eco de les ones sonores que reboten en un objecte, van poder calcular la distància a l'objecte. Aquest ús de la piezoelectricitat al sonar va ser un èxit, i el projecte va crear un intens desenvolupament i interès en els dispositius piezoelèctrics al llarg de les dècades.
ceràmica
Els materials piezoelèctrics són sòlids que acumulen càrrega elèctrica en resposta a l'estrès mecànic aplicat. La piezoelectricitat deriva de les paraules gregues πιέζειν (piezein) que significa "prémer" o "premer" i ἤλεκτρον (ēlektron) que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica. Els materials piezoelèctrics s'utilitzen en una varietat d'aplicacions, com ara la producció i detecció de so, la impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica i la generació d'electricitat d'alta tensió.
Els materials piezoelèctrics es troben en cristalls, ceràmica, matèria biològica, os, ADN i proteïnes. Les ceràmiques són els materials piezoelèctrics més utilitzats en les aplicacions quotidianes. Les ceràmiques estan fetes d'una combinació d'òxids metàl·lics, com el titanat de zirconat de plom (PZT), que s'escalfen a altes temperatures per formar un sòlid. Les ceràmiques són molt duradores i poden suportar temperatures i pressions extremes.
La ceràmica piezoelèctrica té una varietat d'usos, incloent:
• Generació d'espurnes per encendre gas per a aparells de cuina i calefacció, com ara torxes i encenedors.
• Generació d'ones d'ultrasò per a la imatge mèdica.
• Generació d'electricitat d'alta tensió per a generadors de rellotges i dispositius electrònics.
• Generació de microbalances per a la seva utilització en el pesatge de precisió.
• Conducció de broquets ultrasònics per a l'enfocament ultrafin de conjunts òptics.
• Formant la base per als microscopis de sonda d'escaneig, que poden resoldre imatges a escala d'àtoms.
• Pastilles per a guitarres amplificades electrònicament i disparadors per a bateries electròniques modernes.
La ceràmica piezoelèctrica s'utilitza en una àmplia gamma d'aplicacions, des de l'electrònica de consum fins a la imatge mèdica. Són molt duradors i poden suportar temperatures i pressions extremes, cosa que els fa ideals per al seu ús en una varietat d'indústries.
Matèria Biològica
La piezoelectricitat és la capacitat de certs materials d'acumular càrrega elèctrica en resposta a l'estrès mecànic aplicat. Deriva de la paraula grega "piezein", que significa "prémer o pressionar", i "ēlektron", que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica.
La matèria biològica com l'os, l'ADN i les proteïnes es troben entre els materials que presenten piezoelectricitat. Aquest efecte és reversible, el que significa que els materials que presenten piezoelectricitat també presenten l'efecte piezoelèctric invers, que és la generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat. Alguns exemples d'aquests materials inclouen els cristalls de titanat de zirconat de plom, que generen piezoelectricitat mesurable quan la seva estructura estàtica es deforma des de la seva dimensió original. Per contra, quan s'aplica un camp elèctric extern, els cristalls canvien la seva dimensió estàtica, produint ones ultrasòniques mitjançant l'efecte piezoelèctric invers.
El descobriment de la piezoelectricitat el van fer els físics francesos Jacques i Pierre Curie el 1880. Des de llavors s'ha explotat per a una varietat d'aplicacions útils, com ara:
• Producció i detecció de so
• Impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica
• Generació d'electricitat d'alta tensió
• Generador de rellotges
• Dispositius electrònics
• Microbalances
• Accionar broquets d'ultrasons
• Conjunts òptics d'enfocament ultrafins
• Constitueix la base dels microscopis de sonda d'escaneig
• Resolució d'imatges a escala d'àtoms
• Pastilles en guitarres amplificades electrònicament
• Disparadors a la bateria electrònica moderna
La piezoelectricitat també s'utilitza en articles quotidians com ara dispositius de cuina i calefacció a gas, torxes, encenedors de cigarrets i molt més. L'efecte piroelèctric, que és la producció de potencial elèctric en resposta a un canvi de temperatura, va ser estudiat per Carl Linnaeus i Franz Aepinus a mitjans del segle XVIII. A partir dels coneixements de René Haüy i Antoine César Becquerel, van plantejar una relació entre l'estrès mecànic i la càrrega elèctrica, però els seus experiments no van resultar concloents.
La vista d'un cristall piezoelèctric al Curie Compensator del Museu Hunterian d'Escòcia és una demostració de l'efecte piezoelèctric directe. Els germans Pierre i Jacques Curie van combinar el seu coneixement de la piroelectricitat i la seva comprensió de les estructures cristal·lines subjacents per donar lloc a la predicció de la piroelectricitat i predir el comportament dels cristalls. Això es va demostrar amb l'efecte de cristalls com la turmalina, el quars, el topazi, el sucre de canya i la sal de Rochelle. El tetrahidrat de tartrat de sodi i potassi i el quars també presentaven piezoelectricitat, i es va utilitzar un disc piezoelèctric per generar una tensió quan es deformava. Aquest efecte va ser molt exagerat pels Curies per predir l'efecte piezoelèctric invers. L'efecte invers va ser deduït matemàticament a partir dels principis termodinàmics fonamentals per Gabriel Lippmann el 1881.
Els Curies van confirmar immediatament l'existència de l'efecte invers, i van obtenir una prova quantitativa de la completa reversibilitat de les deformacions electro-elasto-mecàniques en cristalls piezoelèctrics. Durant dècades, la piezoelectricitat va seguir sent una curiositat de laboratori fins que es va convertir en una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per Pierre i Marie Curie. El seu treball per explorar i definir les estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat va culminar amb la publicació del 'Lehrbuch der Kristallphysik' (Llibre de text de física del cristall) de Woldemar Voigt.
Os
La piezoelectricitat és la capacitat de certs materials d'acumular càrrega elèctrica en resposta a l'estrès mecànic aplicat. L'os és un d'aquests materials que mostra aquest fenomen.
L'os és un tipus de matèria biològica que es compon de proteïnes i minerals, inclosos col·lagen, calci i fòsfor. És el més piezoelèctric de tots els materials biològics, i és capaç de generar una tensió quan està sotmès a esforços mecànics.
L'efecte piezoelèctric a l'os és el resultat de la seva estructura única. Està compost per una xarxa de fibres de col·lagen que estan incrustades en una matriu de minerals. Quan l'os està sotmès a un estrès mecànic, les fibres de col·lagen es mouen, fent que els minerals es polaritzan i generin una càrrega elèctrica.
L'efecte piezoelèctric a l'os té diverses aplicacions pràctiques. S'utilitza en imatges mèdiques, com ara ultrasons i imatges de raigs X, per detectar fractures òssies i altres anomalies. També s'utilitza en audiòfons de conducció òssia, que utilitzen l'efecte piezoelèctric per convertir les ones sonores en senyals elèctrics que s'envien directament a l'oïda interna.
L'efecte piezoelèctric a l'os també s'utilitza en implants ortopèdics, com ara les articulacions artificials i les pròtesis de les extremitats. Els implants utilitzen l'efecte piezoelèctric per convertir l'energia mecànica en energia elèctrica, que després s'utilitza per alimentar el dispositiu.
A més, s'està explorant l'efecte piezoelèctric a l'os per utilitzar-lo en el desenvolupament de nous tractaments mèdics. Per exemple, els investigadors estan investigant l'ús de la piezoelectricitat per estimular el creixement ossi i reparar el teixit danyat.
En general, l'efecte piezoelèctric a l'os és un fenomen fascinant amb una àmplia gamma d'aplicacions pràctiques. S'està utilitzant en una varietat d'aplicacions mèdiques i tecnològiques, i s'està explorant per al desenvolupament de nous tractaments.
ADN
La piezoelectricitat és la capacitat de certs materials d'acumular càrrega elèctrica en resposta a l'estrès mecànic aplicat. L'ADN és un d'aquests materials que mostra aquest efecte. L'ADN és una molècula biològica que es troba en tots els organismes vius i està composta per quatre bases nucleòtids: adenina (A), guanina (G), citosina (C) i timina (T).
L'ADN és una molècula complexa que es pot utilitzar per generar càrrega elèctrica quan està sotmesa a estrès mecànic. Això es deu al fet que les molècules d'ADN estan formades per dues cadenes de nucleòtids que es mantenen unides per ponts d'hidrogen. Quan aquests enllaços es trenquen, es genera càrrega elèctrica.
L'efecte piezoelèctric de l'ADN s'ha utilitzat en una varietat d'aplicacions, com ara:
• Generació d'electricitat per a implants mèdics
• Detecció i mesura de forces mecàniques en cèl·lules
• Desenvolupament de sensors a nanoescala
• Creació de biosensors per a la seqüenciació d'ADN
• Generació d'ones ultrasòniques per a la imatge
També s'està explorant l'efecte piezoelèctric de l'ADN pel seu ús potencial en el desenvolupament de nous materials, com ara nanofils i nanotubs. Aquests materials es podrien utilitzar per a una varietat d'aplicacions, com ara l'emmagatzematge i la detecció d'energia.
L'efecte piezoelèctric de l'ADN s'ha estudiat àmpliament i s'ha trobat que és molt sensible a l'estrès mecànic. Això el converteix en una eina valuosa per als investigadors i enginyers que busquen desenvolupar nous materials i tecnologies.
En conclusió, l'ADN és un material que presenta l'efecte piezoelèctric, que és la capacitat d'acumular càrrega elèctrica en resposta a l'estrès mecànic aplicat. Aquest efecte s'ha utilitzat en una varietat d'aplicacions, incloent implants mèdics, sensors a nanoescala i seqüenciació d'ADN. També s'està explorant pel seu ús potencial en el desenvolupament de nous materials, com ara nanofils i nanotubs.
Proteïnes
La piezoelectricitat és la capacitat de certs materials d'acumular càrrega elèctrica en resposta a l'estrès mecànic aplicat. Els materials piezoelèctrics, com les proteïnes, els cristalls, la ceràmica i la matèria biològica com l'os i l'ADN, presenten aquest efecte. Les proteïnes, en particular, són un material piezoelèctric únic, ja que estan compostes per una estructura complexa d'aminoàcids que es poden deformar per generar càrrega elèctrica.
Les proteïnes són el tipus de material piezoelèctric més abundant i es troben en una varietat de formes. Es poden trobar en forma d'enzims, hormones i anticossos, així com en forma de proteïnes estructurals com el col·lagen i la queratina. Les proteïnes també es troben en forma de proteïnes musculars, que són les responsables de la contracció i la relaxació muscular.
L'efecte piezoelèctric de les proteïnes es deu al fet que estan compostes per una estructura complexa d'aminoàcids. Quan aquests aminoàcids es deformen, generen càrrega elèctrica. Aquesta càrrega elèctrica es pot utilitzar per alimentar diversos dispositius, com sensors i actuadors.
Les proteïnes també s'utilitzen en una varietat d'aplicacions mèdiques. Per exemple, s'utilitzen per detectar la presència de determinades proteïnes a l'organisme, que es poden utilitzar per diagnosticar malalties. També s'utilitzen per detectar la presència de certs bacteris i virus, que es poden utilitzar per diagnosticar infeccions.
Les proteïnes també s'utilitzen en una varietat d'aplicacions industrials. Per exemple, s'utilitzen per crear sensors i actuadors per a una varietat de processos industrials. També s'utilitzen per crear materials que es poden utilitzar en la construcció d'avions i altres vehicles.
En conclusió, les proteïnes són un material piezoelèctric únic que es pot utilitzar en una varietat d'aplicacions. Es componen d'una estructura complexa d'aminoàcids que es poden deformar per generar càrrega elèctrica i s'utilitzen en una varietat d'aplicacions mèdiques i industrials.
Recollida d'energia amb piezoelectricitat
En aquesta secció, parlaré de com es pot utilitzar la piezoelectricitat per recollir energia. Miraré les diverses aplicacions de la piezoelectricitat, des de la impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica fins a generadors de rellotges i microbalances. També exploraré la història de la piezoelectricitat, des del seu descobriment per Pierre Curie fins al seu ús a la Segona Guerra Mundial. Finalment, parlaré de l'estat actual de la indústria piezoelèctrica i el potencial de creixement.
Impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica
La piezoelectricitat és la capacitat de determinats materials de generar una càrrega elèctrica en resposta a l'estrès mecànic aplicat. La paraula "piezoelectricitat" deriva de les paraules gregues "piezein" (prémer o pressionar) i "elektron" (ambre), una antiga font de càrrega elèctrica. Els materials piezoelèctrics, com els cristalls, la ceràmica i la matèria biològica com l'os i l'ADN, s'utilitzen en una varietat d'aplicacions.
La piezoelectricitat s'utilitza per generar electricitat d'alta tensió, com a generador de rellotges, en dispositius electrònics i en microbalances. També s'utilitza per conduir broquets ultrasònics i conjunts òptics d'enfocament ultrafins. La impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica és una aplicació popular d'aquesta tecnologia. Aquest és un tipus d'impressió que utilitza cristalls piezoelèctrics per generar una vibració d'alta freqüència, que s'utilitza per expulsar gotes de tinta a una pàgina.
El descobriment de la piezoelectricitat es remunta al 1880, quan els físics francesos Jacques i Pierre Curie van descobrir l'efecte. Des de llavors, l'efecte piezoelèctric s'ha aprofitat per a una varietat d'aplicacions útils. La piezoelectricitat s'utilitza en articles quotidians com ara dispositius de cuina i calefacció de gas, llanternes, encenedors de cigarrets i pastilles en guitarres amplificades electrònicament i disparadors de bateries electròniques modernes.
La piezoelectricitat també s'utilitza en la investigació científica. És la base dels microscopis de sonda d'escaneig, que s'utilitzen per resoldre imatges a escala d'àtoms. També s'utilitza en reflectòmetres ultrasònics del domini del temps, que envien polsos ultrasònics a un material i mesuren les reflexions per detectar discontinuïtats i trobar defectes dins dels objectes de metall i pedra fosos.
El desenvolupament de dispositius i materials piezoelèctrics ha estat impulsat per la necessitat d'un millor rendiment i processos de fabricació més fàcils. Als Estats Units, el desenvolupament de cristalls de quars per a ús comercial ha estat un factor important en el creixement de la indústria piezoelèctrica. En canvi, els fabricants japonesos han estat capaços de compartir informació ràpidament i desenvolupar noves aplicacions, donant lloc a un ràpid creixement al mercat japonès.
La piezoelectricitat ha revolucionat la nostra manera d'utilitzar l'energia, des d'articles quotidians com els encenedors fins a la investigació científica avançada. És una tecnologia versàtil que ens ha permès explorar i desenvolupar nous materials i aplicacions, i continuarà sent una part important de les nostres vides durant els propers anys.
Generació d'electricitat d'alta tensió
La piezoelectricitat és la capacitat de certs materials sòlids d'acumular càrrega elèctrica en resposta a l'estrès mecànic aplicat. La paraula "piezoelectricitat" deriva de les paraules gregues "piezein" que significa "prémer" o "premer" i "ēlektron" que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica. La piezoelectricitat és una interacció electromecànica lineal entre estats mecànics i elèctrics en materials cristal·lins amb simetria d'inversió.
L'efecte piezoelèctric és un procés reversible; Els materials que presenten piezoelectricitat també presenten l'efecte piezoelèctric invers, la generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat. Per exemple, els cristalls de titanat de zirconat de plom generen piezoelectricitat mesurable quan la seva estructura estàtica es deforma des de la seva dimensió original. Per contra, els cristalls poden canviar la seva dimensió estàtica quan s'aplica un camp elèctric extern, un fenomen conegut com a efecte piezoelèctric invers, que s'utilitza en la producció d'ones ultrasòniques.
L'efecte piezoelèctric s'utilitza en una varietat d'aplicacions, inclosa la generació d'electricitat d'alta tensió. Els materials piezoelèctrics s'utilitzen en la producció i detecció de so, en impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica, en generadors de rellotges, en dispositius electrònics, en microbalances, en broquets ultrasònics d'accionament i en conjunts òptics d'enfocament ultrafins.
La piezoelectricitat també s'utilitza en aplicacions quotidianes, com ara la generació d'espurnes per encendre gas en dispositius de cuina i calefacció, en torxes, encenedors i materials d'efecte piroelèctric, que generen potencial elèctric en resposta a un canvi de temperatura. Aquest efecte va ser estudiat per Carl Linnaeus i Franz Aepinus a mitjans del segle XVIII, basant-se en el coneixement de René Haüy i Antoine César Becquerel, que van plantejar una relació entre l'estrès mecànic i la càrrega elèctrica, tot i que els seus experiments no van resultar concloents.
El coneixement combinat de la piroelectricitat i la comprensió de les estructures cristal·lines subjacents va donar lloc a la predicció de la piroelectricitat i a la capacitat de predir el comportament dels cristalls. Això es va demostrar amb l'efecte de cristalls com la turmalina, el quars, el topazi, el sucre de canya i la sal de Rochelle. El tetrahidrat de tartrat de sodi potassi i el quars també presentaven piezoelectricitat i es va utilitzar un disc piezoelèctric per generar una tensió quan es deformava. Això va ser molt exagerat en la demostració dels Curies de l'efecte piezoelèctric directe.
Els germans Pierre i Jacques Curie van obtenir una prova quantitativa de la completa reversibilitat de les deformacions electro-elasto-mecàniques en cristalls piezoelèctrics. Durant dècades, la piezoelectricitat va continuar sent una curiositat de laboratori, però va ser una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per Pierre i Marie Curie. El seu treball per explorar i definir les estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat va culminar amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de la física del cristall) de Woldemar Voigt, que descrivia les classes de cristalls naturals capaços de piezoelectricitat i definia rigorosament les constants piezoelèctriques mitjançant l'anàlisi tensor.
L'aplicació pràctica dels dispositius piezoelèctrics va començar amb el desenvolupament del sonar durant la Primera Guerra Mundial. A França, Paul Langevin i els seus companys de feina van desenvolupar un detector submarí ultrasònic. El detector consistia en un transductor fet de prims cristalls de quars enganxats amb cura a plaques d'acer i un hidròfon per detectar l'eco retornat. Mitjançant l'emissió d'un pols d'alta freqüència des del transductor i la mesura del temps que triga a escoltar l'eco de les ones sonores que reboten en un objecte, van poder calcular la distància de l'objecte. Van utilitzar piezoelectricitat per fer que el sonar fos un èxit, i el projecte va crear un intens desenvolupament i interès pels dispositius piezoelèctrics durant les dècades següents.
Es van explorar i desenvolupar nous materials piezoelèctrics i noves aplicacions per a aquests materials. Els dispositius piezoelèctrics van trobar llars en una varietat de camps, com els cartutxos de fonògraf de ceràmica, que van simplificar el disseny del reproductor i van fer que els tocadiscos fossin més barats, més precisos, més barats de mantenir i més fàcils de construir. El desenvolupament de transductors ultrasònics va permetre mesurar fàcilment la viscositat i l'elasticitat de fluids i sòlids, donant lloc a grans avenços en la investigació de materials. Els reflectòmetres ultrasònics en el domini del temps envien un pols ultrasònic a un material i mesuren les reflexions i les discontinuïtats per trobar defectes dins dels objectes de metall fos i pedra, millorant la seguretat estructural.
La Segona Guerra Mundial va veure que grups de recerca independents als Estats Units, Rússia i Japó van descobrir una nova classe de materials sintètics anomenada fer.
Generador de rellotges
La piezoelectricitat és la capacitat de certs materials d'acumular càrrega elèctrica en resposta a l'estrès mecànic aplicat. Aquest fenomen s'ha utilitzat per crear una sèrie d'aplicacions útils, inclosos els generadors de rellotges. Els generadors de rellotges són dispositius que utilitzen piezoelectricitat per generar senyals elèctrics amb un temps precís.
Els generadors de rellotges s'utilitzen en una varietat d'aplicacions, com ara en ordinadors, telecomunicacions i sistemes d'automoció. També s'utilitzen en dispositius mèdics, com els marcapassos, per garantir la sincronització precisa dels senyals elèctrics. Els generadors de rellotges també s'utilitzen en l'automatització industrial i la robòtica, on el temps precís és essencial.
L'efecte piezoelèctric es basa en la interacció electromecànica lineal entre estats mecànics i elèctrics en materials cristal·lins amb simetria d'inversió. Aquest efecte és reversible, el que significa que els materials que presenten piezoelectricitat també poden generar tensió mecànica quan s'aplica un camp elèctric. Això es coneix com a efecte piezoelèctric invers i s'utilitza per produir ones d'ultrasò.
Els generadors de rellotges utilitzen aquest efecte piezoelèctric invers per generar senyals elèctrics amb un temps precís. El material piezoelèctric es deforma per un camp elèctric, que fa que vibri a una freqüència determinada. Aquesta vibració es converteix després en un senyal elèctric, que s'utilitza per generar un senyal de sincronització precís.
Els generadors de rellotges s'utilitzen en una varietat d'aplicacions, des de dispositius mèdics fins a l'automatització industrial. Són fiables, precisos i fàcils d'utilitzar, cosa que els converteix en una opció popular per a moltes aplicacions. La piezoelectricitat és una part important de la tecnologia moderna, i els generadors de rellotges són només una de les moltes aplicacions d'aquest fenomen.
Dispositius electrònics
La piezoelectricitat és la capacitat de certs materials sòlids d'acumular càrrega elèctrica en resposta a l'estrès mecànic aplicat. Aquest fenomen, conegut com a efecte piezoelèctric, s'utilitza en una varietat de dispositius electrònics, des de pastilles de guitarres amb amplificació electrònica fins a disparadors de bateries electròniques modernes.
La piezoelectricitat deriva de les paraules gregues πιέζειν (piezein) que significa "prémer" o "premer" i ἤλεκτρον (ēlektron) que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica. Els materials piezoelèctrics són els cristalls, la ceràmica i la matèria biològica com les proteïnes òssies i d'ADN, que presenten l'efecte piezoelèctric.
L'efecte piezoelèctric és una interacció electromecànica lineal entre estats mecànics i elèctrics en materials cristal·lins amb simetria d'inversió. És un procés reversible, és a dir, els materials que presenten l'efecte piezoelèctric també presenten l'efecte piezoelèctric invers, que és la generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat. Per exemple, els cristalls de titanat de zirconat de plom generen piezoelectricitat mesurable quan la seva estructura estàtica es deforma des de la seva dimensió original. Per contra, els cristalls poden canviar la seva dimensió estàtica quan s'aplica un camp elèctric extern, un fenomen conegut com a efecte piezoelèctric invers, que s'utilitza en la producció d'ones ultrasòniques.
El descobriment de la piezoelectricitat s'atribueix als físics francesos Pierre i Jacques Curie, que van demostrar l'efecte piezoelèctric directe el 1880. El seu coneixement combinat de la piroelectricitat i la comprensió de les estructures cristal·lines subjacents van donar lloc a la predicció de l'efecte piroelèctric i la capacitat de predir. El comportament dels cristalls es va demostrar amb l'efecte de cristalls com ara turmalina, quars, topazi, sucre de canya i sal de Rochelle.
La piezoelectricitat s'ha utilitzat en una varietat d'aplicacions quotidianes, com ara la generació d'espurnes per encendre gas en dispositius de cuina i calefacció, torxes, encenedors de cigarrets i materials d'efecte piroelèctric que generen potencial elèctric en resposta a un canvi de temperatura. Això va ser estudiat per Carl Linnaeus i Franz Aepinus a mitjans del segle XVIII, a partir dels coneixements de René Haüy i Antoine César Becquerel, que van plantejar una relació entre l'estrès mecànic i la càrrega elèctrica. Els experiments no van resultar concloents, però, fins que la visió d'un cristall piezoeléctric al museu del compensador Curie a Escòcia va demostrar l'efecte piezoelèctric directe dels germans Curie.
La piezoelectricitat s'utilitza en una varietat de dispositius electrònics, des de pastilles de guitarres amplificades electrònicament fins a disparadors de bateries electròniques modernes. També s'utilitza en la producció i detecció de so, impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica, generació d'electricitat d'alta tensió, generadors de rellotges, microbalances, broquets ultrasònics i conjunts òptics d'enfocament ultrafins. La piezoelectricitat també és la base dels microscopis de sonda d'escaneig, que s'utilitzen per resoldre imatges a escala d'àtoms.
Microbalances
La piezoelectricitat és la capacitat de certs materials sòlids d'acumular càrrega elèctrica en resposta a l'estrès mecànic aplicat. La piezoelectricitat deriva de les paraules gregues πιέζειν (piezein), que significa "prémer" o "premer", i ἤλεκτρον (ēlektron), que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica.
La piezoelectricitat s'utilitza en una varietat d'aplicacions quotidianes, com ara la generació d'espurnes per encendre gas per a aparells de cuina i calefacció, torxes, encenedors de cigarrets i molt més. També s'utilitza en la producció i detecció de so i en la impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica.
La piezoelectricitat també s'utilitza per generar electricitat d'alta tensió, i és la base dels generadors de rellotges i dispositius electrònics com les microbalances. La piezoelectricitat també s'utilitza per conduir broquets ultrasònics i conjunts òptics d'enfocament ultrafins.
El descobriment de la piezoelectricitat s'atribueix als físics francesos Jacques i Pierre Curie el 1880. Els germans Curie van combinar el seu coneixement de la piroelectricitat i la seva comprensió de les estructures cristal·lines subjacents per donar lloc al concepte de piezoelectricitat. Van poder predir el comportament dels cristalls i van demostrar l'efecte en cristalls com ara turmalina, quars, topazi, sucre de canya i sal de Rochelle.
L'efecte piezoelèctric es va aprofitar per a aplicacions útils, inclosa la producció i detecció de so. El desenvolupament del sonar durant la Primera Guerra Mundial va ser un gran avenç en l'ús de la piezoelectricitat. Després de la Segona Guerra Mundial, grups de recerca independents als Estats Units, Rússia i Japó van descobrir una nova classe de materials sintètics anomenats ferroelèctrics, que presentaven constants piezoelèctriques fins a deu vegades més altes que els materials naturals.
Això va conduir a una intensa investigació i desenvolupament de materials de titanat de bari i, posteriorment, de zirconat de plom, que tenien propietats específiques per a aplicacions particulars. Un exemple significatiu de l'ús de cristalls piezoelèctrics es va desenvolupar als Bell Telephone Laboratories després de la Segona Guerra Mundial.
Frederick R. Lack, que treballava al departament d'enginyeria de radiotelefonia, va desenvolupar un cristall tallat que funcionava en una àmplia gamma de temperatures. El cristall de Lack no necessitava els accessoris pesats dels cristalls anteriors, facilitant el seu ús en avions. Aquest desenvolupament va permetre a les forces aèries aliades participar en atacs massius coordinats mitjançant la ràdio d'aviació.
El desenvolupament de dispositius i materials piezoelèctrics als Estats Units va mantenir diverses empreses en el negoci, i el desenvolupament de cristalls de quars es va explotar comercialment. Des de llavors, els materials piezoelèctrics s'han utilitzat en una varietat d'aplicacions, com ara imatges mèdiques, neteja per ultrasons i molt més.
Broquet d'ultrasons d'accionament
La piezoelectricitat és la càrrega elèctrica que s'acumula en determinats materials sòlids com els cristalls, la ceràmica i la matèria biològica com l'os i l'ADN. És una resposta a l'estrès mecànic aplicat i es deriva de les paraules gregues "piezein", que significa "prémer" o "premer", i "elektron", que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica.
L'efecte piezoelèctric és una interacció electromecànica lineal entre els estats mecànics i elèctrics de materials cristal·lins amb simetria d'inversió. És un procés reversible, és a dir, els materials que presenten l'efecte piezoelèctric també presenten l'efecte piezoelèctric invers, que és la generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat. Un exemple d'això són els cristalls de titanat de zirconat de plom, que generen piezoelectricitat mesurable quan la seva estructura estàtica es deforma des de la seva dimensió original. Per contra, quan s'aplica un camp elèctric extern, els cristalls canvien la seva dimensió estàtica, donant lloc a l'efecte piezoelèctric invers, que és la producció d'ones ultrasòniques.
Els físics francesos Jacques i Pierre Curie van descobrir la piezoelectricitat el 1880 i des de llavors s'ha explotat per a una varietat d'aplicacions útils, inclosa la producció i detecció de so. La piezoelectricitat també té usos quotidians, com ara generar espurnes per encendre gas en aparells de cuina i calefacció, llanternes, encenedors i molt més.
L'efecte piroelèctric, que és el material que genera un potencial elèctric com a resposta a un canvi de temperatura, va ser estudiat per Carl Linnaeus, Franz Aepinus i mitjans del segle XVIII a partir dels coneixements de René Haüy i Antoine César Becquerel que van plantejar la relació entre l'estrès mecànic i càrrega elèctrica. Els experiments per demostrar-ho no van ser concloents.
La vista d'un cristall piezoelèctric al Curie Compensator del Museu Hunterian d'Escòcia és una demostració de l'efecte piezoelèctric directe dels germans Pierre i Jacques Curie. La combinació dels seus coneixements sobre la piroelectricitat i la comprensió de les estructures cristal·lines subjacents va donar lloc a la predicció de la piroelectricitat i els va permetre predir el comportament del cristall. Això es va demostrar amb l'efecte de cristalls com turmalina, quars, topazi, sucre de canya i sal de Rochelle. El tetrahidrat de tartrat de sodi i potassi i el quars també presentaven piezoelectricitat, i es va utilitzar un disc piezoelèctric per generar una tensió quan es deformava. Això va ser molt exagerat pels Curies per predir l'efecte piezoelèctric invers, que va ser deduït matemàticament a partir dels principis termodinàmics fonamentals per Gabriel Lippmann el 1881.
Els Curies van confirmar immediatament l'existència de l'efecte invers, i van obtenir una prova quantitativa de la completa reversibilitat de les deformacions electro-elasto-mecàniques en cristalls piezoelèctrics. Durant dècades, la piezoelectricitat va continuar sent una curiositat de laboratori, però va ser una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per part de Pierre i Marie Curie en el seu treball per explorar i definir estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat. Això va culminar amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de física del cristall) de Woldemar Voigt, que descrivia les classes de cristalls naturals capaços de piezoelectricitat i definia amb rigor les constants piezoelèctriques mitjançant l'anàlisi tensor.
L'aplicació pràctica dels dispositius piezoelèctrics va començar amb el sonar, que es va desenvolupar durant la Primera Guerra Mundial. A França, Paul Langevin i els seus companys de feina van desenvolupar un detector submarí ultrasònic. El detector consistia en un transductor fet de prims cristalls de quars acuradament enganxats a plaques d'acer, anomenat hidròfon, per detectar l'eco retornat després d'emetre un pols d'alta freqüència. Mitjançant la mesura del temps que triga a escoltar l'eco de les ones sonores que reboten en un objecte, podrien calcular la distància de l'objecte. Aquest ús de la piezoelectricitat al sonar va ser un èxit, i el projecte va crear un intens desenvolupament i interès pels dispositius piezoelèctrics durant dècades.
Es van explorar i desenvolupar nous materials piezoelèctrics i noves aplicacions per a aquests materials, i els dispositius piezoelèctrics van trobar llars en camps com els cartutxos de fonògraf ceràmic, que van simplificar el disseny del reproductor i van fer que els tocadiscos fossin més barats, més precisos i més barats de mantenir i més fàcils de construir. . El desenvolupament de transductors ultrasònics va permetre mesurar fàcilment la viscositat i l'elasticitat de fluids i sòlids, donant lloc a grans avenços en la investigació de materials. Els reflectòmetres ultrasònics en el domini del temps envien un pols ultrasònic a través d'un material i mesuren els reflexos i les discontinuïtats per trobar defectes dins dels objectes de metall i pedra fosos.
Conjunts òptics d'enfocament ultrafins
La piezoelectricitat és la capacitat de certs materials d'acumular càrrega elèctrica quan estan sotmesos a un esforç mecànic. És una interacció electromecànica lineal entre estats elèctrics i mecànics de materials cristal·lins amb simetria d'inversió. La piezoelectricitat és un procés reversible, és a dir, els materials que presenten piezoelectricitat també presenten l'efecte piezoelèctric invers, que és la generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat.
La piezoelectricitat s'ha utilitzat en una varietat d'aplicacions, inclosa la producció i detecció de so i la generació d'electricitat d'alta tensió. La piezoelectricitat també s'utilitza en impressió d'injecció de tinta, generadors de rellotges, dispositius electrònics, microbalances, broquets ultrasònics d'accionament i conjunts òptics d'enfocament ultrafins.
La piezoelectricitat va ser descoberta l'any 1880 pels físics francesos Jacques i Pierre Curie. L'efecte piezoelèctric s'aprofita en aplicacions útils, com ara la producció i detecció de so i la generació d'electricitat d'alta tensió. També s'utilitza la impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica, així com generadors de rellotges, dispositius electrònics, microbalances, broquets ultrasònics d'accionament i conjunts òptics d'enfocament ultrafins.
La piezoelectricitat ha trobat el seu camí en els usos quotidians, com ara la generació d'espurnes per encendre gas per a aparells de cuina i calefacció, torxes, encenedors i materials d'efecte piroelèctric que generen potencial elèctric en resposta a un canvi de temperatura. Aquest efecte va ser estudiat per Carl Linnaeus i Franz Aepinus a mitjans del segle XVIII, basant-se en els coneixements de René Haüy i Antoine César Becquerel que van plantejar una relació entre l'estrès mecànic i la càrrega elèctrica. Els experiments no van resultar concloents.
La vista d'un cristall piezoelèctric al Curie Compensator del Museu Hunterian d'Escòcia és una demostració de l'efecte piezoelèctric directe dels germans Pierre i Jacques Curie. Combinat amb el seu coneixement de la piroelectricitat i la seva comprensió de les estructures cristal·lines subjacents, van donar lloc a la predicció de la piroelectricitat i la capacitat de predir el comportament dels cristalls. Això es va demostrar en l'efecte de cristalls com la turmalina, el quars, el topazi, el sucre de canya i la sal de Rochelle.
El tetrahidrat de tartrat de sodi i potassi, i el quars i la sal de Rochelle presentaven piezoelectricitat, i es va utilitzar un disc piezoelèctric per generar una tensió quan es deformava, tot i que el canvi de forma va ser molt exagerat. Els Curies van predir l'efecte piezoelèctric invers, i l'efecte invers es va deduir matemàticament a partir dels principis termodinàmics fonamentals per Gabriel Lippmann el 1881. Els Curies van confirmar immediatament l'existència de l'efecte invers i van obtenir una demostració quantitativa de la completa reversibilitat de l'electro-elèctrica. deformacions elastomecàniques en cristalls piezoelèctrics.
Durant dècades, la piezoelectricitat va seguir sent una curiositat de laboratori fins que es va convertir en una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per Pierre i Marie Curie. El seu treball per explorar i definir les estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat va culminar amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de física del cristall) de Woldemar Voigt. Això va descriure les classes de cristalls naturals capaços de piezoelectricitat i va definir rigorosament les constants piezoelèctriques mitjançant l'anàlisi de tensors per a l'aplicació pràctica de dispositius piezoelèctrics.
El desenvolupament del sonar va ser un projecte d'èxit que va crear un intens desenvolupament i interès pels dispositius piezoelèctrics. Dècades més tard, es van explorar i desenvolupar nous materials piezoelèctrics i noves aplicacions per a aquests materials. Els dispositius piezoelèctrics van trobar llars en una varietat de camps, com els cartutxos de fonògraf de ceràmica, que van simplificar el disseny dels reproductors i van fer que els tocadiscos fossin més barats i més fàcils de mantenir i construir. El desenvolupament de transductors ultrasònics va permetre mesurar fàcilment la viscositat i l'elasticitat de fluids i sòlids, donant lloc a grans avenços en la investigació de materials. Els reflectòmetres ultrasònics en el domini del temps envien un pols ultrasònic a un material i mesuren les reflexions i les discontinuïtats per trobar defectes dins dels objectes de metall fos i pedra, millorant la seguretat estructural.
Els inicis del camp dels interessos piezoelèctrics es van assegurar amb les patents rendibles de nous materials desenvolupats a partir de cristalls de quars, que van ser explotats comercialment com a material piezoelèctric. Els científics van buscar materials de major rendiment i, malgrat els avenços en materials i la maduració dels processos de fabricació, el mercat dels Estats Units no va créixer ràpidament. En canvi, els fabricants japonesos van compartir informació ràpidament i les noves aplicacions de creixement a la indústria piezoelèctrica dels Estats Units van patir en contrast amb els fabricants japonesos.
Motors piezoelèctrics
En aquesta secció, parlaré de com s'utilitza la piezoelectricitat en la tecnologia moderna. Des de microscopis de sonda d'escaneig que poden resoldre imatges a l'escala d'àtoms fins a pastilles per a guitarres amplificades electrònicament i disparadors per a bateries electròniques modernes, la piezoelectricitat s'ha convertit en una part integral de molts dispositius. Exploraré la història de la piezoelectricitat i com s'ha utilitzat en una varietat d'aplicacions.
Formes Bases dels microscopis de sonda d'escaneig
La piezoelectricitat és la càrrega elèctrica que s'acumula en determinats materials sòlids, com ara cristalls, ceràmica i matèria biològica com l'os i l'ADN. És la resposta a l'estrès mecànic aplicat, i la paraula piezoelectricitat prové de la paraula grega πιέζειν (piezein) que significa "prémer" o "premer" i ἤλεκτρον (ēlektron) que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica.
Els motors piezoelèctrics són dispositius que utilitzen l'efecte piezoelèctric per generar moviment. Aquest efecte és la interacció electromecànica lineal entre estats mecànics i elèctrics en materials cristal·lins amb simetria d'inversió. És un procés reversible, és a dir, els materials que presenten l'efecte piezoelèctric també presenten l'efecte piezoelèctric invers, que és la generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat. Exemples de materials que generen piezoelectricitat mesurable són els cristalls de titanat de zirconat de plom.
L'efecte piezoelèctric s'aprofita en aplicacions útils, com ara la producció i detecció de so, la impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica, la generació d'electricitat d'alta tensió, generadors de rellotges i dispositius electrònics com microbalances i broquets ultrasònics d'accionament per a conjunts òptics de focalització ultrafina. També constitueix la base dels microscopis de sonda d'escaneig, que s'utilitzen per resoldre imatges a escala d'àtoms.
La piezoelectricitat va ser descoberta l'any 1880 pels físics francesos Jacques i Pierre Curie. La vista d'un cristall piezoelèctric i el compensador Curie es pot veure al Museu Hunterian d'Escòcia, que és una demostració de l'efecte piezoelèctric directe dels germans Pierre i Jacques Curie.
La combinació del seu coneixement de la piroelectricitat i la seva comprensió de les estructures cristal·lines subjacents va donar lloc a la predicció de la piroelectricitat, que els va permetre predir el comportament del cristall. Això es va demostrar amb l'efecte de cristalls com la turmalina, el quars, el topazi, el sucre de canya i la sal de Rochelle. El tetrahidrat de tartrat de sodi i potassi, i el quars i la sal de Rochelle presentaven piezoelectricitat, i es va utilitzar un disc piezoelèctric per generar una tensió quan es deformava, encara que això va ser molt exagerat pels Curie.
També van predir l'efecte piezoelèctric invers, i això va ser deduït matemàticament a partir dels principis termodinàmics fonamentals per Gabriel Lippmann el 1881. Els Curies van confirmar immediatament l'existència de l'efecte invers, i van obtenir una prova quantitativa de la reversibilitat completa de l'electroelasto- deformacions mecàniques en cristalls piezoelèctrics.
Durant dècades, la piezoelectricitat va seguir sent una curiositat de laboratori fins que es va convertir en una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per Pierre i Marie Curie. El seu treball per explorar i definir les estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat va culminar amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de física del cristall) de Woldemar Voigt, que descrivia les classes de cristalls naturals capaços de piezoelectricitat i definia rigorosament les constants piezoelèctriques i l'anàlisi tensor.
Això va portar a l'aplicació pràctica de dispositius piezoelèctrics, com el sonar, que es va desenvolupar durant la Primera Guerra Mundial. A França, Paul Langevin i els seus companys de feina van desenvolupar un detector submarí ultrasònic. Aquest detector consistia en un transductor fet de prims cristalls de quars acuradament enganxats a plaques d'acer, i un hidròfon per detectar l'eco retornat després d'emetre un pols d'alta freqüència des del transductor. Mitjançant la mesura del temps que triga a escoltar l'eco de les ones sonores que reboten en un objecte, van poder calcular la distància de l'objecte. Van utilitzar piezoelectricitat per fer que aquest sonar fos un èxit, i el projecte va crear un intens desenvolupament i interès pels dispositius piezoelèctrics durant dècades.
Es van explorar i desenvolupar nous materials piezoelèctrics i noves aplicacions per a aquests materials, i els dispositius piezoelèctrics van trobar llars en molts camps, com els cartutxos de fonògraf de ceràmica, que van simplificar el disseny del reproductor i van fer que els tocadiscos fossin més barats i precisos, més barats de mantenir i més fàcils. construir. El desenvolupament de transductors ultrasònics va permetre mesurar fàcilment la viscositat i l'elasticitat de fluids i sòlids, donant lloc a grans avenços en la investigació de materials. Els reflectòmetres ultrasònics en el domini del temps envien un pols ultrasònic a un material i mesuren les reflexions i les discontinuïtats per trobar defectes dins dels objectes de metall fos i pedra, millorant la seguretat estructural.
Durant la Segona Guerra Mundial, grups de recerca independents als Estats Units
Resolució d'imatges a escala d'àtoms
La piezoelectricitat és la càrrega elèctrica que s'acumula en determinats materials sòlids com els cristalls, la ceràmica i la matèria biològica com l'os i l'ADN. És una resposta a l'estrès mecànic aplicat i es deriva de la paraula grega 'piezein', que significa estrènyer o pressionar. L'efecte piezoelèctric resulta de la interacció electromecànica lineal entre els estats mecànic i elèctric en materials cristal·lins amb simetria d'inversió.
La piezoelectricitat és un procés reversible, i els materials que presenten l'efecte piezoelèctric també presenten l'efecte piezoelèctric invers, que és la generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat. Alguns exemples d'això inclouen els cristalls de titanat de zirconat de plom, que generen piezoelectricitat mesurable quan la seva estructura estàtica es deforma des de la seva dimensió original. Per contra, els cristalls canvien la seva dimensió estàtica quan s'aplica un camp elèctric extern, que es coneix com a efecte piezoelèctric invers i s'utilitza en la producció d'ones ultrasòniques.
Els físics francesos Jacques i Pierre Curie van descobrir la piezoelectricitat el 1880. L'efecte piezoelèctric s'ha aprofitat per a una varietat d'aplicacions útils, com ara la producció i detecció de so, la impressió piezoelèctrica d'injecció de tinta, la generació d'electricitat d'alta tensió, generadors de rellotges i dispositius electrònics com ara microbalances i accionar broquets ultrasònics. També constitueix la base dels microscopis de sonda d'escaneig, que s'utilitzen per resoldre imatges a escala d'àtoms.
La piezoelectricitat també s'utilitza en aplicacions quotidianes, com ara la generació d'espurnes per encendre gas en dispositius de cuina i calefacció, torxes, encenedors de cigarrets i molt més. L'efecte piroelèctric, que és un material que genera un potencial elèctric com a resposta a un canvi de temperatura, va ser estudiat per Carl Linnaeus i Franz Aepinus a mitjans del segle XVIII. A partir dels coneixements de René Haüy i Antoine César Becquerel, van plantejar una relació entre l'estrès mecànic i la càrrega elèctrica, però els seus experiments no van resultar concloents.
Els visitants del Museu Hunterian de Glasgow poden veure un compensador Curie de cristall piezoelèctric, una demostració de l'efecte piezoelèctric directe dels germans Pierre i Jacques Curie. Combinat amb el seu coneixement de la piroelectricitat i la comprensió de les estructures cristal·lines subjacents, van donar lloc a la predicció de la piroelectricitat i la capacitat de predir el comportament dels cristalls. Això es va demostrar amb l'efecte de cristalls com la turmalina, el quars, el topazi, el sucre de canya i la sal de Rochelle. El tetrahidrat de tartrat de sodi i potassi, i el quars i la sal de Rochelle presentaven piezoelectricitat, i un disc piezoelèctric genera una tensió quan es deforma, tot i que el canvi de forma és molt exagerat. Els Curie van poder predir l'efecte piezoelèctric invers, i l'efecte invers es va deduir matemàticament a partir dels principis termodinàmics fonamentals per Gabriel Lippmann el 1881.
Els Curies van confirmar immediatament l'existència de l'efecte invers, i van obtenir una prova quantitativa de la completa reversibilitat de les deformacions electro-elasto-mecàniques en cristalls piezoelèctrics. Durant dècades, la piezoelectricitat va continuar sent una curiositat de laboratori, però va ser una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per Pierre i Marie Curie. El seu treball per explorar i definir estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat va culminar amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de física del cristall) de Woldemar Voigt.
Pastilles Guitarres amplificades electrònicament
Els motors piezoelèctrics són motors elèctrics que utilitzen l'efecte piezoelèctric per convertir l'energia elèctrica en energia mecànica. L'efecte piezoelèctric és la capacitat de determinats materials de generar una càrrega elèctrica quan estan sotmesos a un esforç mecànic. Els motors piezoelèctrics s'utilitzen en una varietat d'aplicacions, des d'alimentar petits dispositius com rellotges i rellotges fins a alimentar màquines més grans com robots i equips mèdics.
Els motors piezoelèctrics s'utilitzen en pastilles guitarres amplificades electrònicament. Aquestes pastilles utilitzen l'efecte piezoelèctric per convertir les vibracions de les cordes de la guitarra en un senyal elèctric. Aquest senyal s'amplifica i s'envia a un amplificador, que produeix el so de la guitarra. Les pastilles piezoelèctriques també s'utilitzen en tambors electrònics moderns, on s'utilitzen per detectar les vibracions dels parells de tambor i convertir-les en un senyal elèctric.
Els motors piezoelèctrics també s'utilitzen en microscopis de sonda d'escaneig, que utilitzen l'efecte piezoelèctric per moure una sonda minúscula per una superfície. Això permet que el microscopi resolgui imatges a escala d'àtoms. Els motors piezoelèctrics també s'utilitzen a les impressores d'injecció de tinta, on s'utilitzen per moure el capçal d'impressió cap endavant i cap enrere per la pàgina.
Els motors piezoelèctrics s'utilitzen en una varietat d'altres aplicacions, com ara dispositius mèdics, components d'automòbils i electrònica de consum. També s'utilitzen en aplicacions industrials, com en la producció de peces de precisió i en el muntatge de components complexos. L'efecte piezoelèctric també s'utilitza en la producció d'ones ultrasòniques, que s'utilitzen en imatges mèdiques i en la detecció de defectes en materials.
En general, els motors piezoelèctrics s'utilitzen en una àmplia gamma d'aplicacions, des de l'alimentació de dispositius petits fins a l'alimentació de màquines més grans. S'utilitzen en pastilles guitarres amplificades electrònicament, tambors electrònics moderns, microscopis de sonda d'escaneig, impressores d'injecció de tinta, dispositius mèdics, components d'automòbils i electrònica de consum. L'efecte piezoelèctric també s'utilitza en la producció d'ones ultrasòniques i en la detecció de defectes en materials.
Activa la bateria electrònica moderna
La piezoelectricitat és la càrrega elèctrica que s'acumula en determinats materials sòlids com els cristalls, la ceràmica i la matèria biològica com l'os i l'ADN. És la resposta d'aquests materials a l'estrès mecànic aplicat. La paraula piezoelectricitat deriva de la paraula grega "piezein", que significa "prémer o pressionar", i de la paraula "elektron", que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica.
Els motors piezoelèctrics són dispositius que utilitzen l'efecte piezoelèctric per generar moviment. Aquest efecte resulta de la interacció electromecànica lineal entre els estats mecànics i elèctrics dels materials cristal·lins amb simetria d'inversió. És un procés reversible, és a dir, els materials que presenten l'efecte piezoelèctric també presenten l'efecte piezoelèctric invers, que és la generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat. Un exemple d'això són els cristalls de titanat de zirconat de plom, que generen piezoelectricitat mesurable quan la seva estructura estàtica es deforma des de la seva dimensió original. Per contra, quan s'aplica un camp elèctric extern, els cristalls canvien la seva dimensió estàtica, produint ones ultrasòniques.
Els motors piezoelèctrics s'utilitzen en una varietat d'aplicacions quotidianes, com ara:
• Generació d'espurnes per encendre gas en aparells de cuina i calefacció
• Torxes, encenedors i materials d'efecte piroelèctric
• Generació de potencial elèctric com a resposta al canvi de temperatura
• Producció i detecció de so
• Impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica
• Generació d'electricitat d'alta tensió
• Generador de rellotges i dispositius electrònics
• Microbalances
• Conduir broquets ultrasònics i conjunts òptics d'enfocament ultrafins
• Constitueix la base dels microscopis de sonda d'escaneig
• Resolució d'imatges a escala d'àtoms
• Pastilles guitarres amplificades electrònicament
• Activa la bateria electrònica moderna.
Modelatge electromecànic de transductors piezoelèctrics
En aquesta secció, exploraré el modelatge electromecànic de transductors piezoelèctrics. Miraré la història del descobriment de la piezoelectricitat, els experiments que van demostrar la seva existència i el desenvolupament de dispositius i materials piezoelèctrics. També parlaré de les contribucions dels físics francesos Pierre i Jacques Curie, Carl Linnaeus i Franz Aepinus, Rene Hauy i Antoine Cesar Becquerel, Gabriel Lippmann i Woldemar Voigt.
Els físics francesos Pierre i Jacques Curie
La piezoelectricitat és un fenomen electromecànic on la càrrega elèctrica s'acumula en determinats materials sòlids com els cristalls, la ceràmica i la matèria biològica com l'os i l'ADN. Aquesta càrrega es genera en resposta a un esforç mecànic aplicat. La paraula "piezoelectricitat" deriva de la paraula grega "piezein", que significa "prémer o pressionar", i "elektron", que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica.
L'efecte piezoelèctric resulta d'una interacció electromecànica lineal entre estats mecànics i elèctrics en materials amb simetria d'inversió. Aquest efecte és reversible, és a dir, els materials que presenten l'efecte piezoelèctric també presenten l'efecte piezoelèctric invers, on es produeix una generació interna de tensió mecànica en resposta a un camp elèctric aplicat. Per exemple, els cristalls de titanat de zirconat de plom generen piezoelectricitat mesurable quan la seva estructura estàtica es deforma des de la seva dimensió original. Per contra, quan s'aplica un camp elèctric extern, els cristalls canvien la seva dimensió estàtica, produint ones ultrasòniques en el procés conegut com a efecte piezoelèctric invers.
El 1880, els físics francesos Pierre i Jacques Curie van descobrir l'efecte piezoelèctric i des de llavors s'ha aprofitat per a una varietat d'aplicacions útils, com ara la producció i detecció de so, la impressió piezoelèctrica d'injecció de tinta, la generació d'electricitat d'alta tensió, generadors de rellotges i electrònica. dispositius com microbalances i broquets ultrasònics d'accionament per a conjunts òptics d'enfocament ultrafins. També constitueix la base per als microscopis de sonda d'escaneig, que poden resoldre imatges a escala d'àtoms. La piezoelectricitat també s'utilitza en pastilles per a guitarres amplificades electrònicament i disparadors per a bateries electròniques modernes.
La piezoelectricitat també té usos quotidians, com ara generar espurnes per encendre gas en aparells de cuina i calefacció, llanternes, encenedors i molt més. L'efecte piroelèctric, on un material genera un potencial elèctric com a resposta a un canvi de temperatura, va ser estudiat per Carl Linnaeus i Franz Aepinus a mitjans del segle XVIII, a partir dels coneixements de René Hauy i Antoine César Becquerel, que van plantejar una relació entre tensió mecànica i càrrega elèctrica, tot i que els seus experiments no van resultar concloents.
En combinar el seu coneixement de la piroelectricitat amb la comprensió de les estructures cristal·lines subjacents, els Curies van poder donar lloc a la predicció de la piroelectricitat i predir el comportament dels cristalls. Això es va demostrar en l'efecte de cristalls com la turmalina, el quars, el topazi, el sucre de canya i la sal de Rochelle. El tartrat de sodi potassi tetrahidrat i el quars també van mostrar piezoelectricitat. Un disc piezoelèctric genera una tensió quan es deforma, tot i que això és molt exagerat en la demostració dels Curies. També van poder predir l'efecte piezoelèctric invers i deduir-lo matemàticament a partir dels principis termodinàmics fonamentals de Gabriel Lippmann el 1881.
Els Curies van confirmar immediatament l'existència de l'efecte invers, i van obtenir una prova quantitativa de la completa reversibilitat de les deformacions electro-elasto-mecàniques en cristalls piezoelèctrics. En les dècades següents, la piezoelectricitat va continuar sent una curiositat de laboratori fins que es va convertir en una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per Pierre i Marie Curie. El seu treball per explorar i definir les estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat va culminar amb la publicació del 'Lehrbuch der Kristallphysik' (Llibre de text de física del cristall) de Woldemar Voigt.
Els experiments no van resultar concloents
La piezoelectricitat és un fenomen electromecànic en el qual s'acumula càrrega elèctrica en determinats materials sòlids, com ara cristalls, ceràmica i matèria biològica com l'os i l'ADN. És la resposta a l'estrès mecànic aplicat, i la paraula "piezoelectricitat" deriva de les paraules gregues "piezein", que significa "prémer o pressionar", i "ēlektron", que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica.
L'efecte piezoelèctric resulta de la interacció electromecànica lineal entre els estats mecànics i elèctrics dels materials cristal·lins amb simetria d'inversió. És un procés reversible; Els materials que presenten l'efecte piezoelèctric també presenten l'efecte piezoelèctric invers, que és la generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat. Per exemple, els cristalls de titanat de zirconat de plom generen piezoelectricitat mesurable quan la seva estructura estàtica es deforma des de la seva dimensió original. Per contra, els cristalls poden canviar la seva dimensió estàtica quan s'aplica un camp elèctric extern, conegut com a efecte piezoelèctric invers, que s'utilitza en la producció d'ones ultrasòniques.
Els físics francesos Pierre i Jacques Curie van descobrir la piezoelectricitat l'any 1880. Des de llavors, s'ha explotat per a una varietat d'aplicacions útils, com ara la producció i detecció de so, la impressió piezoelèctrica d'injecció de tinta, la generació d'electricitat d'alta tensió, generadors de rellotges i dispositius electrònics com microbalances. , condueixen broquets ultrasònics i conjunts òptics d'enfocament ultrafins. També constitueix la base dels microscopis de sonda d'escaneig, que poden resoldre imatges a escala d'àtoms. La piezoelectricitat també s'utilitza en pastilles per a guitarres amplificades electrònicament, i disparadors per a bateries electròniques modernes.
La piezoelectricitat té usos quotidians per generar espurnes per encendre gas en dispositius de cuina i calefacció, llanternes, encenedors de cigarrets i molt més. L'efecte piroelèctric, en què un material genera un potencial elèctric com a resposta a un canvi de temperatura, va ser estudiat per Carl Linnaeus i Franz Aepinus a mitjans del segle XVIII, a partir dels coneixements de René Hauy i Antoine César Becquerel, que van plantejar una relació. entre la tensió mecànica i la càrrega elèctrica. Els experiments no van resultar concloents.
El coneixement combinat de la piroelectricitat i la comprensió de les estructures cristal·lines subjacents va donar lloc a la predicció de la piroelectricitat i la capacitat de predir el comportament dels cristalls. Això es va demostrar en l'efecte de cristalls com ara turmalina, quars, topazi, sucre de canya i sal de Rochelle. El tetrahidrat de tartrat de sodi potassi i el quars també presentaven piezoelectricitat i es va utilitzar un disc piezoelèctric per generar una tensió quan es deformava. Això va ser molt exagerat en la demostració dels Curies de l'efecte piezoelèctric directe.
Els germans Pierre i Jacques Curie van predir l'efecte piezoelèctric invers, i l'efecte invers es va deduir matemàticament a partir dels principis termodinàmics fonamentals per Gabriel Lippmann el 1881. Els Curie van confirmar immediatament l'existència de l'efecte invers, i van obtenir una demostració quantitativa de l'efecte complet. reversibilitat de deformacions electro-elasto-mecàniques en cristalls piezoelèctrics.
Durant dècades, la piezoelectricitat va continuar sent una curiositat de laboratori, però va ser una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per Pierre i Marie Curie. El seu treball per explorar i definir les estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat va culminar amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de física del cristall) de Woldemar Voigt. Això descrivia les classes de cristalls naturals capaços de piezoelectricitat i definia rigorosament les constants piezoelèctriques mitjançant l'anàlisi tensor. Aquesta va ser la primera aplicació pràctica dels transductors piezoelèctrics, i el sonar es va desenvolupar durant la Primera Guerra Mundial. A França, Paul Langevin i els seus companys de feina van desenvolupar un detector submarí ultrasònic.
Carl Linnaeus i Franz Aepinus
La piezoelectricitat és un fenomen electromecànic en el qual s'acumula càrrega elèctrica en determinats materials sòlids com cristalls, ceràmica i matèria biològica com l'os i l'ADN. Aquesta càrrega es genera en resposta a la tensió mecànica aplicada. La paraula piezoelectricitat prové de les paraules gregues πιέζειν (piezein) que significa "prémer o pressionar" i ἤλεκτρον (ēlektron) que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica.
L'efecte piezoelèctric resulta d'una interacció electromecànica lineal entre els estats mecànics i elèctrics dels materials cristal·lins amb simetria d'inversió. Aquest efecte és reversible, és a dir, els materials que presenten piezoelectricitat també presenten l'efecte piezoelèctric invers, que és la generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat. Per exemple, els cristalls de titanat de zirconat de plom generen piezoelectricitat mesurable quan la seva estructura estàtica es deforma des de la seva dimensió original. Per contra, els cristalls poden canviar la seva dimensió estàtica quan s'aplica un camp elèctric extern, que es coneix com a efecte piezoelèctric invers i s'utilitza en la producció d'ones ultrasòniques.
El 1880, els físics francesos Jacques i Pierre Curie van descobrir l'efecte piezoelèctric i des d'aleshores s'ha aprofitat per a moltes aplicacions útils, com ara la producció i detecció de so, la impressió piezoelèctrica d'injecció de tinta, la generació d'electricitat d'alta tensió, generadors de rellotges, dispositius electrònics, microbalances. , condueixen broquets ultrasònics i conjunts òptics d'enfocament ultrafins. També constitueix la base dels microscopis de sonda d'escaneig, que s'utilitzen per resoldre imatges a escala d'àtoms. La piezoelectricitat també s'utilitza en pastilles per a guitarres amplificades electrònicament i disparadors per a bateries electròniques modernes.
La piezoelectricitat també es troba en usos quotidians, com la generació d'espurnes per encendre gas en aparells de cuina i calefacció, torxes, encenedors i l'efecte piroelèctric, que és quan un material genera un potencial elèctric com a resposta a un canvi de temperatura. Aquest efecte va ser estudiat per Carl Linnaeus i Franz Aepinus a mitjans del segle XVIII, basant-se en el coneixement de René Hauy i Antoine César Becquerel, que van plantejar una relació entre l'estrès mecànic i la càrrega elèctrica, tot i que els seus experiments no van resultar concloents.
La vista d'un cristall piezoelèctric al compensador Curie del Museu Hunterian d'Escòcia és una demostració de l'efecte piezoelèctric directe dels germans Pierre i Jacques Curie. La combinació del seu coneixement de la piroelectricitat amb la comprensió de les estructures cristal·lines subjacents va donar lloc a la predicció de la piroelectricitat i la capacitat de predir el comportament del cristall. Això es va demostrar amb l'efecte de cristalls com la turmalina, el quars, el topazi, el sucre de canya i la sal de Rochelle. El tartrat de sodi potassi tetrahidrat i el quars de la sal de Rochelle presentaven piezoelectricitat, i un disc piezoelèctric genera una tensió quan es deforma, tot i que això és molt exagerat en la demostració dels Curies.
La predicció de l'efecte piezoelèctric invers i la seva deducció matemàtica a partir dels principis termodinàmics fonamentals va ser feta per Gabriel Lippmann el 1881. Els Curies van confirmar immediatament l'existència de l'efecte invers i van obtenir una prova quantitativa de la reversibilitat completa de l'electroelasto- deformacions mecàniques en cristalls piezoelèctrics. Durant dècades, la piezoelectricitat va continuar sent una curiositat de laboratori fins que es va convertir en una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per part de Pierre i Marie Curie, que la van utilitzar per explorar i definir estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat. Això va culminar amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de física del cristall) de Woldemar Voigt, que descrivia les classes de cristalls naturals capaços de piezoelectricitat i definia rigorosament les constants piezoelèctriques mitjançant l'anàlisi tensor.
Aquesta aplicació pràctica dels transductors piezoelèctrics va portar al desenvolupament del sonar durant la Primera Guerra Mundial. A França, Paul Langevin i els seus companys de feina van desenvolupar un detector submarí ultrasònic. El detector consistia en un transductor fet de prims cristalls de quars enganxats amb cura a plaques d'acer i un hidròfon per detectar l'eco retornat després d'emetre un pols d'alta freqüència del transductor. Mitjançant la mesura del temps que triga a escoltar l'eco de les ones sonores que reboten en un objecte, van poder calcular la distància de l'objecte. Van utilitzar piezoelectricitat per fer que aquest sonar fos un èxit, i el projecte va crear un intens desenvolupament i interès pels dispositius piezoelèctrics.
Rene Hauy i Antoine Cesar Becquerel
La piezoelectricitat és un fenomen electromecànic que es produeix quan determinats materials sòlids, com ara cristalls, ceràmica i matèria biològica com l'os i l'ADN, acumulen càrrega elèctrica en resposta a l'estrès mecànic aplicat. La piezoelectricitat deriva de la paraula grega "piezein", que significa "prémer o pressionar", i "elektron", que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica.
L'efecte piezoelèctric resulta d'una interacció electromecànica lineal entre estats mecànics i elèctrics en materials cristal·lins amb simetria d'inversió. Aquest efecte és reversible, és a dir, que els materials que presenten l'efecte piezoelèctric també presenten l'efecte piezoelèctric invers, o generació interna de tensió mecànica resultant d'un camp elèctric aplicat. Per exemple, els cristalls de titanat de zirconat de plom generen piezoelectricitat mesurable quan la seva estructura estàtica es deforma des de la seva dimensió original. Per contra, els cristalls poden canviar la seva dimensió estàtica quan s'aplica un camp elèctric extern, donant lloc a l'efecte piezoelèctric invers i a la producció d'ones ultrasòniques.
Els físics francesos Pierre i Jacques Curie van descobrir l'efecte piezoelèctric l'any 1880. Aquest efecte s'ha aprofitat per a una varietat d'aplicacions útils, com ara la producció i detecció de so, la impressió d'injecció de tinta piezoelèctrica, la generació d'electricitat d'alta tensió, generadors de rellotges i dispositius electrònics. com microbalances, broquets ultrasònics d'accionament i conjunts òptics d'enfocament ultrafins. També constitueix la base dels microscopis de sonda d'escaneig, que poden resoldre imatges a escala d'àtoms. La piezoelectricitat també s'utilitza en pastilles per a guitarres amplificades electrònicament, i disparadors per a bateries electròniques modernes.
L'efecte piezoelèctric va ser estudiat per primera vegada per Carl Linnaeus i Franz Aepinus a mitjans del segle XVIII, basant-se en els coneixements de Rene Hauy i Antoine Cesar Becquerel, que van plantejar una relació entre l'estrès mecànic i la càrrega elèctrica. Tanmateix, els experiments no van resultar concloents. Combinat amb el coneixement de la piroelectricitat i la comprensió de les estructures cristal·lines subjacents, això va donar lloc a la predicció de la piroelectricitat i la capacitat de predir el comportament dels cristalls. Això es va demostrar en l'efecte de cristalls com ara turmalina, quars, topazi, sucre de canya i sal de Rochelle. El tetrahidrat de tartrat de sodi potassi i el quars també presentaven piezoelectricitat i es va utilitzar un disc piezoelèctric per generar una tensió quan es deformava. Aquest efecte va ser molt exagerat en la demostració dels Curie al Museu d'Escòcia, que va mostrar l'efecte piezoelèctric directe.
Els germans Pierre i Jacques Curie van obtenir una prova quantitativa de la completa reversibilitat de les deformacions electro-elasto-mecàniques en cristalls piezoelèctrics. Durant dècades, la piezoelectricitat va continuar sent una curiositat de laboratori, fins que es va convertir en una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per Pierre i Marie Curie. Aquest treball va explorar i definir les estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat, culminant amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de física del cristall) de Woldemar Voigt.
Els Curies van confirmar immediatament l'existència de l'efecte invers, i van passar a deduir matemàticament els principis termodinàmics fonamentals de l'efecte invers. Això va ser fet per Gabriel Lippmann el 1881. Aleshores es va utilitzar la piezoelectricitat per desenvolupar el sonar durant la Primera Guerra Mundial. A França, Paul Langevin i els seus companys de feina van desenvolupar un detector submarí ultrasònic. Aquest detector consistia en un transductor fet de prims cristalls de quars enganxats amb cura a plaques d'acer, i un hidròfon per detectar l'eco retornat. Mitjançant l'emissió d'un pols d'alta freqüència des del transductor i la mesura del temps que triga a escoltar l'eco de les ones sonores que reboten en un objecte, podrien calcular la distància a l'objecte.
L'ús de cristalls piezoelèctrics va ser desenvolupat per Bell Telephone Laboratories després de la Segona Guerra Mundial. Frederick R. Lack, que treballava al departament d'enginyeria de radiotelefonia, va desenvolupar un cristall tallat que podia funcionar en un ampli rang de temperatures. El cristall de Lack no necessitava els accessoris pesats dels cristalls anteriors, facilitant el seu ús en avions. Aquest desenvolupament va permetre a les forces aèries aliades participar en atacs massius coordinats, utilitzant la ràdio d'aviació. El desenvolupament de dispositius i materials piezoelèctrics als Estats Units va mantenir les empreses en el desenvolupament dels inicis de guerra en el camp, i els interessos per aconseguir patents rendibles per a nous materials desenvolupats. Els cristalls de quars es van explotar comercialment com a material piezoelèctric i els científics van buscar materials de major rendiment. Malgrat els avenços en materials i maduració dels processos de fabricació, els Estats Units
Gabriel Lippmann
La piezoelectricitat és un fenomen electromecànic en el qual s'acumula càrrega elèctrica en determinats materials sòlids, com ara cristalls, ceràmica i matèria biològica com l'os i l'ADN. És el resultat d'una interacció entre estats mecànics i elèctrics en materials amb simetria d'inversió. La piezoelectricitat va ser descoberta per primera vegada pels físics francesos Pierre i Jacques Curie l'any 1880.
La piezoelectricitat s'ha explotat per a una varietat d'aplicacions útils, com ara la producció i detecció de so, la impressió piezoelèctrica d'injecció de tinta i la generació d'electricitat d'alta tensió. La piezoelectricitat deriva de les paraules gregues πιέζειν (piezein) que significa "prémer o pressionar" i ἤλεκτρον (ēlektron) que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica.
L'efecte piezoelèctric és reversible, és a dir, els materials que presenten piezoelectricitat també presenten l'efecte piezoelèctric invers, en què la generació interna de tensió mecànica resulta de l'aplicació d'un camp elèctric. Per exemple, els cristalls de titanat de zirconat de plom generen piezoelectricitat mesurable quan la seva estructura estàtica es deforma des de la seva dimensió original. Per contra, els cristalls poden canviar la seva dimensió estàtica quan s'aplica un camp elèctric extern, un procés conegut com a efecte piezoelèctric invers. Aquest procés es pot utilitzar per produir ones d'ultrasò.
L'efecte piezoelèctric s'estudia des de mitjans del segle XVIII, quan Carl Linnaeus i Franz Aepinus, a partir dels coneixements de René Hauy i Antoine César Becquerel, van plantejar una relació entre l'estrès mecànic i la càrrega elèctrica. Tanmateix, els experiments no van resultar concloents. No va ser fins que el coneixement combinat de la piroelectricitat i la comprensió de les estructures cristal·lines subjacents van donar lloc a la predicció de la piroelectricitat que els investigadors van poder predir el comportament dels cristalls. Això es va demostrar amb l'efecte de cristalls com la turmalina, el quars, el topazi, el sucre de canya i la sal de Rochelle.
Gabriel Lippmann, el 1881, va deduir matemàticament els principis termodinàmics fonamentals de l'efecte piezoelèctric invers. Els Curies van confirmar immediatament l'existència de l'efecte invers, i van obtenir una prova quantitativa de la completa reversibilitat de les deformacions electro-elasto-mecàniques en cristalls piezoelèctrics.
Durant dècades, la piezoelectricitat va seguir sent una curiositat de laboratori fins que es va convertir en una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per Pierre i Marie Curie. El seu treball per explorar i definir les estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat va culminar amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de física del cristall) de Woldemar Voigt. Això descrivia les classes de cristalls naturals capaços de piezoelectricitat i definia rigorosament les constants piezoelèctriques amb anàlisi tensor.
L'aplicació pràctica dels dispositius piezoelèctrics va començar amb el desenvolupament del sonar durant la Primera Guerra Mundial. Paul Langevin i els seus companys de feina van desenvolupar un detector submarí ultrasònic. Aquest detector consistia en un transductor fet de prims cristalls de quars enganxats amb cura a plaques d'acer, i un hidròfon per detectar l'eco retornat. Mitjançant l'emissió d'un pols d'alta freqüència des del transductor i la mesura del temps que triga a escoltar l'eco de les ones sonores que reboten en un objecte, van poder calcular la distància a l'objecte. Aquest ús de la piezoelectricitat per al sonar va ser un èxit, i el projecte va crear un intens interès en el desenvolupament dels dispositius piezoelèctrics. Al llarg de les dècades, es van explorar i desenvolupar nous materials piezoelèctrics i noves aplicacions per a aquests materials. Els dispositius piezoelèctrics van trobar llars en una varietat de camps, des de cartutxos de fonògraf ceràmic que simplificaven el disseny del reproductor i feien que els tocadiscos barats i precisos fossin més barats de mantenir i més fàcils de construir, fins al desenvolupament de transductors ultrasònics que permetien mesurar fàcilment la viscositat i l'elasticitat dels fluids. i sòlids, donant lloc a grans avenços en la recerca de materials. Els reflectòmetres ultrasònics en el domini del temps envien un pols ultrasònic a un material i mesuren les reflexions i les discontinuïtats per trobar defectes dins dels objectes de metall fos i pedra, millorant la seguretat estructural.
Després de la Segona Guerra Mundial, grups de recerca independents als Estats Units, Rússia i Japó van descobrir una nova classe de materials sintètics anomenats ferroelèctrics que presentaven constants piezoelèctriques fins a deu vegades més altes que els materials naturals. Això va conduir a una intensa investigació per desenvolupar titanat de bari, i més tard titanat de zirconat de plom, materials amb propietats específiques per a aplicacions particulars. Es va desenvolupar un exemple significatiu de l'ús de cristalls piezoelèctrics
Woldemar Voigt
La piezoelectricitat és un fenomen electromecànic en el qual s'acumula càrrega elèctrica en determinats materials sòlids, com ara cristalls, ceràmica i matèria biològica com l'os i l'ADN. Aquesta càrrega es genera en resposta a un esforç mecànic aplicat. La paraula piezoelectricitat deriva de la paraula grega "piezein", que significa "prémer o pressionar", i "elektron", que significa "ambre", una antiga font de càrrega elèctrica.
L'efecte piezoelèctric resulta d'una interacció electromecànica lineal entre els estats mecànics i elèctrics dels materials cristal·lins amb simetria d'inversió. Aquest efecte és reversible, el que significa que els materials que presenten piezoelectricitat també presenten un efecte piezoelèctric invers, on la generació interna de tensió mecànica resulta d'un camp elèctric aplicat. Per exemple, els cristalls de titanat de zirconat de plom generen piezoelectricitat mesurable quan la seva estructura estàtica es deforma des de la seva dimensió original. Per contra, els cristalls poden canviar la seva dimensió estàtica quan s'aplica un camp elèctric extern, un fenomen conegut com a efecte piezoelèctric invers, que s'utilitza en la producció d'ones ultrasòniques.
Els físics francesos Pierre i Jacques Curie van descobrir la piezoelectricitat l'any 1880. Des de llavors, l'efecte piezoelèctric s'ha explotat per a una varietat d'aplicacions útils, com ara la producció i detecció de so, la impressió piezoelèctrica d'injecció de tinta, la generació d'electricitat d'alta tensió, generadors de rellotges i dispositius electrònics. com microbalances i broquets ultrasònics per a l'enfocament ultrafin dels conjunts òptics. També constitueix la base dels microscopis de sonda d'escaneig, que poden resoldre imatges a escala d'àtoms. A més, les pastilles de les guitarres amplificades electrònicament i els disparadors de les bateries electròniques modernes utilitzen l'efecte piezoelèctric.
La piezoelectricitat també té usos quotidians per generar espurnes per encendre gas en dispositius de cuina i calefacció, en torxes, encenedors i molt més. L'efecte piroelèctric, on un material genera un potencial elèctric com a resposta a un canvi de temperatura, va ser estudiat per Carl Linnaeus i Franz Aepinus a mitjans del segle XVIII, a partir dels coneixements de Rene Hauy i Antoine Cesar Becquerel, que van plantejar una relació entre la mecànica. estrès i càrrega elèctrica. Els experiments per demostrar aquesta relació no van resultar concloents.
La vista d'un cristall piezoelèctric al compensador Curie del Museu Hunterian d'Escòcia és una demostració de l'efecte piezoelèctric directe dels germans Pierre i Jacques Curie. La combinació del seu coneixement de la piroelectricitat amb la comprensió de les estructures cristal·lines subjacents va donar lloc a la predicció de la piroelectricitat, que els va permetre predir el comportament dels cristalls que van demostrar en l'efecte de cristalls com turmalina, quars, topazi, sucre de canya i sal de Rochelle. . El tetrahidrat de tartrat de sodi i potassi i el quars també presentaven piezoelectricitat, i es va utilitzar un disc piezoelèctric per generar una tensió quan es deformava. Aquest canvi de forma va ser molt exagerat en la demostració dels Curie, i van predir l'efecte piezoelèctric invers. L'efecte invers va ser deduït matemàticament a partir dels principis termodinàmics fonamentals per Gabriel Lippmann el 1881.
Els Curies van confirmar immediatament l'existència de l'efecte invers, i van obtenir una prova quantitativa de la completa reversibilitat de les deformacions electro-elasto-mecàniques en cristalls piezoelèctrics. En les dècades següents, la piezoelectricitat va continuar sent una curiositat de laboratori, fins que es va convertir en una eina vital en el descobriment del poloni i el radi per part de Pierre Marie Curie, que la va utilitzar per explorar i definir estructures cristal·lines que presentaven piezoelectricitat. Això va culminar amb la publicació del Lehrbuch der Kristallphysik (Llibre de text de física del cristall) de Woldemar Voigt, que descrivia les classes de cristalls naturals capaços de piezoelectricitat i definia rigorosament les constants piezoelèctriques mitjançant l'anàlisi tensor.
Això va portar a l'aplicació pràctica de dispositius piezoelèctrics, com el sonar, que es va desenvolupar durant la Primera Guerra Mundial. A França, Paul Langevin i els seus companys de feina van desenvolupar un detector submarí ultrasònic. Aquest detector consistia en un transductor fet de prims cristalls de quars acuradament enganxats a plaques d'acer, i un hidròfon per detectar l'eco retornat després d'emetre un pols d'alta freqüència des del transductor. Mitjançant la mesura del temps que triga a escoltar l'eco de les ones sonores que reboten en un objecte, podrien calcular la distància a l'objecte. Van utilitzar piezoelectricitat per fer que aquest sonar fos un èxit, i el projecte va crear un intens desenvolupament i interès.
Relacions importants
- Actuadors piezoelèctrics: els actuadors piezoelèctrics són dispositius que converteixen l'energia elèctrica en moviment mecànic. S'utilitzen habitualment en robòtica, dispositius mèdics i altres aplicacions on es requereix un control precís del moviment.
- Sensors piezoelèctrics: els sensors piezoelèctrics s'utilitzen per mesurar paràmetres físics com la pressió, l'acceleració i la vibració. Sovint s'utilitzen en aplicacions industrials i mèdiques, així com en electrònica de consum.
- Piezoelectricitat a la natura: la piezoelectricitat és un fenomen natural en determinats materials i es troba en molts organismes vius. Alguns organismes l'utilitzen per detectar el seu entorn i per comunicar-se amb altres organismes.
Conclusió
La piezoelectricitat és un fenomen sorprenent que s'ha utilitzat en una varietat d'aplicacions, des del sonar fins als cartutxos de fonografia. S'ha estudiat des de mitjans del 1800 i s'ha utilitzat amb gran efecte en el desenvolupament de la tecnologia moderna. Aquesta entrada al bloc ha explorat la història i els usos de la piezoelectricitat, i ha destacat la importància d'aquest fenomen en el desenvolupament de la tecnologia moderna. Per a aquells interessats a aprendre més sobre la piezoelectricitat, aquesta publicació és un gran punt de partida.
Sóc Joost Nusselder, el fundador de Neaera i comercialitzador de continguts, pare i m'encanta provar nous equips amb la guitarra al cor de la meva passió, i juntament amb el meu equip, he estat creant articles de bloc des del 2020. per ajudar els lectors fidels amb consells sobre gravació i guitarra.
