Piezoelektricitet: En omfattende guide til at forstå dens mekanik og applikationer

hej jeg elsker at skabe gratis indhold fyldt med tips til mine læsere, dig. Jeg accepterer ikke betalte sponsorater, min mening er min egen, men hvis du finder mine anbefalinger nyttige, og du ender med at købe noget, du kan lide via et af mine links, kan jeg tjene en kommission uden ekstra omkostninger for dig. Lær mere

Piezoelektricitet er visse materialers evne til at generere elektricitet, når de udsættes for mekanisk belastning og omvendt. Ordet kommer fra det græske piezo, der betyder tryk og elektricitet. Det blev først opdaget i 1880, men konceptet har været kendt i lang tid.

Det bedst kendte eksempel på piezoelektricitet er kvarts, men mange andre materialer udviser også dette fænomen. Den mest almindelige brug af piezoelektricitet er produktion af ultralyd.

I denne artikel vil jeg diskutere, hvad piezoelektricitet er, hvordan det virker, og nogle af de mange praktiske anvendelser af dette fantastiske fænomen.

Hvad er piezoelektricitet?

Piezoelektricitet er visse materialers evne til at generere en elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. Det er en lineær elektromekanisk interaktion mellem mekaniske og elektriske tilstande i krystallinske materialer med inversionssymmetri. Piezoelektriske materialer kan bruges til at generere højspændingselektricitet, urgeneratorer, elektroniske enheder, mikrovægte, drive ultralydsdyser og ultrafine fokuseringsoptiske samlinger.

Piezoelektriske materialer omfatter krystaller, visse keramik, biologiske stoffer som knogler og DNA og proteiner. Når en kraft påføres et piezoelektrisk materiale, producerer det en elektrisk ladning. Denne ladning kan derefter bruges til at drive enheder eller skabe en spænding.

Piezoelektriske materialer bruges i en række forskellige applikationer, herunder:
• Produktion og detektering af lyd
• Piezoelektrisk inkjet print
• Fremstilling af højspændingselektricitet
• Urgeneratorer
• Elektroniske anordninger
• Mikrobalancer
• Drive ultralydsdyser
• Ultrafine fokuseringsoptiske samlinger
• Pickups til elektronisk forstærkede guitarer
• Triggere til moderne elektroniske trommer
• Fremstilling af gnister til antændelse af gas
• Madlavnings- og opvarmningsapparater
• Fakler og cigarettændere.

Hvad er historien om piezoelektricitet?

Piezoelektricitet blev opdaget i 1880 af de franske fysikere Jacques og Pierre Curie. Det er den elektriske ladning, der akkumuleres i visse faste materialer, såsom krystaller, keramik og biologisk materiale, som reaktion på påført mekanisk belastning. Ordet 'piezoelektricitet' er afledt af det græske ord 'piezein', der betyder 'klemme' eller 'presse', og 'elektron', der betyder 'rav', en gammel kilde til elektrisk ladning.

Curies' kombinerede viden om pyroelektricitet og forståelse af underliggende krystalstrukturer gav anledning til forudsigelsen af pyroelektricitet og evnen til at forudsige krystaladfærd. Dette blev demonstreret i effekten af krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle salt.

Piezoelektricitet er blevet udnyttet til mange nyttige anvendelser, herunder produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-print, generering af højspændingselektricitet, urgeneratorer og elektroniske enheder, mikrobalancer, drev ultralydsdyser, ultrafin fokusering af optiske samlinger og grundlag af scanning probe mikroskoper til at opløse billeder på skalaen af atomer.

Piezoelektricitet finder også hverdagsbrug, såsom at generere gnister til at antænde gas i madlavnings- og opvarmningsanordninger, fakler, cigarettændere og den pyroelektriske effekt, hvor et materiale genererer et elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring.

Udviklingen af ekkolod under Første Verdenskrig så brugen af piezoelektriske krystaller udviklet af Bell Telephone Laboratories. Dette gjorde det muligt for allierede luftstyrker at deltage i koordinerede masseangreb ved hjælp af luftfartsradio. Udviklingen af piezoelektriske enheder og materialer i USA holdt virksomheder i udviklingen af krigstidens begyndelse inden for interesseområdet og sikrede rentable patenter på nye materialer.

Japan oplevede de nye applikationer og væksten i den amerikanske piezoelektriske industri og udviklede hurtigt deres egne. De delte information hurtigt og udviklede bariumtitanat og senere blyzirkonattitanatmaterialer med specifikke egenskaber til særlige applikationer.

Piezoelektricitet er nået langt siden dens opdagelse i 1880 og bruges nu i en række dagligdags applikationer. Det er også blevet brugt til at gøre fremskridt inden for materialeforskning, såsom ultralyds-tidsdomænereflektometre, som sender en ultralydsimpuls gennem et materiale for at måle refleksioner og diskontinuiteter for at finde fejl inde i støbte metal- og stengenstande, hvilket forbedrer den strukturelle sikkerhed.

Sådan fungerer piezoelektricitet

I dette afsnit vil jeg undersøge, hvordan piezoelektricitet virker. Jeg vil se på akkumulering af elektrisk ladning i faste stoffer, den lineære elektromekaniske interaktion og den reversible proces, der udgør dette fænomen. Jeg vil også diskutere historien om piezoelektricitet og dens anvendelser.

Ophobning af elektrisk ladning i faste stoffer

Piezoelektricitet er den elektriske ladning, der akkumuleres i visse faste materialer, såsom krystaller, keramik og biologiske stoffer som knogler og DNA. Det er en reaktion på påført mekanisk belastning, og dens navn kommer fra de græske ord "piezein" (klem eller tryk) og "ēlektron" (rav).

Den piezoelektriske effekt er resultatet af den lineære elektromekaniske interaktion mellem mekaniske og elektriske tilstande i krystallinske materialer med inversionssymmetri. Det er en reversibel proces, hvilket betyder, at materialer, der udviser piezoelektricitet, også udviser den omvendte piezoelektriske effekt, hvor intern generering af mekanisk belastning skyldes et påført elektrisk felt. Eksempler på materialer, der genererer målbar piezoelektricitet, omfatter blyzirkonat-titanatkrystaller.

De franske fysikere Pierre og Jacques Curie opdagede piezoelektricitet i 1880. Den er siden blevet udnyttet til en række nyttige anvendelser, herunder produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-udskrivning, generering af højspændingselektricitet, urgeneratorer og elektroniske enheder som mikrobalancer og drive ultralydsdyser til ultrafin fokusering af optiske samlinger. Det danner også grundlaget for scanning probe mikroskoper, som kan opløse billeder på skalaen af atomer. Piezoelektricitet bruges også i pickupper til elektronisk forstærkede guitarer og triggere til moderne elektroniske trommer.

Piezoelektricitet finder daglig anvendelse til at generere gnister til at antænde gas, i madlavnings- og opvarmningsapparater, fakler, cigarettændere og den pyroelektriske effekt, hvor et materiale genererer et elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring. Dette blev undersøgt af Carl Linnaeus og Franz Aepinus i midten af det 18. århundrede, idet de trak på viden fra René Haüy og Antoine César Becquerel, som angav et forhold mellem mekanisk belastning og elektrisk ladning. Eksperimenter viste sig ikke at være entydige.

Udsigten af en piezokrystal i Curie-kompensatoren i Hunterian Museum i Skotland er en demonstration af den direkte piezoelektriske effekt. Brødrene Pierre og Jacques Curie kombinerede deres viden om pyroelektricitet med en forståelse af de underliggende krystalstrukturer, hvilket gav anledning til forudsigelsen af pyroelektricitet. De var i stand til at forudsige krystaladfærden og demonstrerede effekten i krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts udviste også piezoelektricitet. En piezoelektrisk disk genererer en spænding, når den deformeres, og ændringen i form er stærkt overdrevet i Curies' demonstration.

De var i stand til at forudsige den omvendte piezoelektriske effekt, og den omvendte effekt blev matematisk udledt af Gabriel Lippmann i 1881. Curies bekræftede øjeblikkeligt eksistensen af den omvendte effekt og fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektroelasto- mekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller.

I årtier forblev piezoelektricitet et laboratorie-kuriositet, men det var et vigtigt værktøj i opdagelsen af polonium og radium af Pierre og Marie Curie. Deres arbejde med at udforske og definere de krystalstrukturer, der udviste piezoelektricitet, kulminerede i udgivelsen af Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturlige krystalklasser, der var i stand til piezoelektricitet, og nøje definerede de piezoelektriske konstanter gennem tensoranalyse. Dette var den praktiske anvendelse af piezoelektriske enheder, og ekkolod blev udviklet under Første Verdenskrig. I Frankrig udviklede Paul Langevin og hans kolleger en ultralyds-ubådsdetektor.

Detektoren bestod af en transducer lavet af tynde kvartskrystaller omhyggeligt limet til stålplader, og en hydrofon til at detektere det returnerede ekko. Ved at udsende en høj frekvens puls fra transduceren og ved at måle den tid, det tager at høre ekkoet af lydbølger, der preller af et objekt, var de i stand til at beregne afstanden til objektet. De brugte piezoelektricitet til at gøre sonar til en succes, og projektet skabte en intens udvikling og interesse for piezoelektriske enheder. I løbet af årtierne blev nye piezoelektriske materialer og nye applikationer til materialerne udforsket og udviklet, og piezoelektriske enheder fandt hjem på en række forskellige områder. Keramiske fonografpatroner forenklede afspillerens design og skabte billige og præcise pladespillere, der var billigere at vedligeholde og nemmere at bygge.

Udviklingen af ultralydstransducere muliggjorde let måling af viskositet og elasticitet af væsker og faste stoffer, hvilket resulterede i enorme fremskridt inden for materialeforskning.

Lineær elektromekanisk interaktion

Piezoelektricitet er visse materialers evne til at generere en elektrisk ladning, når de udsættes for mekanisk belastning. Ordet er afledt af de græske ord πιέζειν (piezein) der betyder "at klemme eller trykke" og ἤλεκτρον (ēlektron) der betyder "rav", som var en gammel kilde til elektrisk ladning.

Piezoelektricitet blev opdaget i 1880 af de franske fysikere Jacques og Pierre Curie. Det er baseret på den lineære elektromekaniske interaktion mellem de mekaniske og elektriske tilstande af krystallinske materialer med inversionssymmetri. Denne effekt er reversibel, hvilket betyder, at materialer, der udviser piezoelektricitet, også udviser en omvendt piezoelektrisk effekt, hvorved intern generering af mekanisk belastning skyldes et påført elektrisk felt. Eksempler på materialer, der genererer målbar piezoelektricitet, når de deformeres fra deres statiske struktur, omfatter blyzirkonat-titanatkrystaller. Omvendt kan krystaller ændre deres statiske dimension, når et eksternt elektrisk felt påføres, hvilket er kendt som den omvendte piezoelektriske effekt og bruges til produktion af ultralydsbølger.

Best strings for electric guitar

Piezoelektricitet er blevet udnyttet til en række nyttige anvendelser, såsom:

• Produktion og detektering af lyd
• Piezoelektrisk inkjet print
• Fremstilling af højspændingselektricitet
• Urgenerator
• Elektroniske anordninger
• Mikrobalancer
• Drive ultralydsdyser
• Ultrafine fokuseringsoptiske samlinger
• Danner grundlaget for scanningsprobemikroskoper til at opløse billeder i atomskalaen
• Pickups i elektronisk forstærkede guitarer
• Triggere i moderne elektroniske trommer
• Generering af gnister til at antænde gas i madlavnings- og opvarmningsapparater
• Fakler og cigarettændere

Piezoelektricitet finder også hverdagsbrug i den pyroelektriske effekt, som er et materiale, der genererer et elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring. Dette blev undersøgt af Carl Linnaeus og Franz Aepinus i midten af det 18. århundrede, idet de trak på viden fra René Haüy og Antoine César Becquerel, som angav et forhold mellem mekanisk belastning og elektrisk ladning. Eksperimenter viste sig imidlertid ikke at være entydige.

At se en piezokrystal i Curie-kompensatoren på Hunterian Museum i Skotland er en demonstration af den direkte piezoelektriske effekt. Det var brødrene Pierre og Jacques Curies arbejde, der udforskede og definerede de krystalstrukturer, der udviste piezoelektricitet, og kulminerede med udgivelsen af Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dette beskrev de naturlige krystalklasser, der er i stand til piezoelektricitet, og definerede strengt de piezoelektriske konstanter gennem tensoranalyse, hvilket førte til den praktiske anvendelse af piezoelektriske enheder.

Sonar blev udviklet under Første Verdenskrig, da Frankrigs Paul Langevin og hans kolleger udviklede en ultralyds-ubådsdetektor. Denne detektor bestod af en transducer lavet af tynde kvartskrystaller omhyggeligt limet til stålplader og en hydrofon til at detektere det returnerede ekko efter at have udsendt en højfrekvent puls fra transduceren. Ved at måle den tid, det tager at høre ekkoet af lydbølger, der preller af et objekt, var de i stand til at beregne afstanden af objektet ved at bruge piezoelektricitet. Succesen med dette projekt skabte en intens udvikling og interesse for piezoelektriske enheder gennem årtierne, hvor nye piezoelektriske materialer og nye applikationer for disse materialer blev udforsket og udviklet. Piezoelektriske enheder fandt hjem på mange områder, såsom keramiske fonografpatroner, som forenklede afspillerdesignet og skabte billigere og mere præcise pladespillere, og billigere og nemmere at bygge og vedligeholde.

Udviklingen af ultralydstransducere muliggjorde let måling af viskositeten og elasticiteten af væsker og faste stoffer, hvilket resulterede i enorme fremskridt inden for materialeforskning. Ultralyds-tidsdomænereflektometre sender en ultralydsimpuls ind i et materiale og måler refleksioner og diskontinuiteter for at finde fejl inde i støbte metal- og stengenstande, hvilket forbedrer den strukturelle sikkerhed. Efter Anden Verdenskrig opdagede uafhængige forskningsgrupper i USA, Rusland og Japan en ny klasse af syntetiske materialer kaldet ferroelektriske stoffer, som udviste piezoelektriske konstanter mange gange højere end naturlige materialer. Dette førte til intens forskning for at udvikle bariumtitanat, og senere blyzirkonattitanat, materialer med specifikke egenskaber til særlige anvendelser.

Et væsentligt eksempel på brugen af piezoelektriske krystaller blev udviklet af Bell Telephone Laboratories efter Anden Verdenskrig. Frederick R. Lack, arbejder i radiotelefoni ingeniørafdelingen,

Reversibel proces

Piezoelektricitet er en elektrisk ladning, der akkumuleres i visse faste materialer, såsom krystaller, keramik og biologiske stoffer som knogler og DNA. Det er disse materialers reaktion på påført mekanisk belastning. Ordet 'piezoelektricitet' kommer fra de græske ord 'piezein', der betyder 'klem' eller 'tryk', og 'ēlektron', der betyder 'rav', en gammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekt er resultatet af den lineære elektromekaniske interaktion mellem de mekaniske og elektriske tilstande af krystallinske materialer med inversionssymmetri. Det er en reversibel proces, hvilket betyder, at materialer, der udviser piezoelektricitet, også udviser den omvendte piezoelektriske effekt, som er den interne generering af mekanisk belastning som følge af et påført elektrisk felt. Eksempler på materialer, der genererer målbar piezoelektricitet, omfatter blyzirkonat-titanatkrystaller. Når den statiske struktur af disse krystaller er deformeret, vender de tilbage til deres oprindelige dimension, og omvendt, når et eksternt elektrisk felt påføres, ændrer de deres statiske dimension, hvilket producerer ultralydsbølger.

De franske fysikere Jacques og Pierre Curie opdagede piezoelektricitet i 1880. Den er siden blevet udnyttet til en række nyttige applikationer, herunder produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-udskrivning, generering af højspændingselektricitet, urgeneratorer, elektroniske enheder, mikrobalancer, drive ultralydsdyser og ultrafine fokuseringsoptiske samlinger. Det danner også grundlag for scanning af probemikroskoper, som kan opløse billeder på atomskalaen. Piezoelektricitet bruges også i pickupper til elektronisk forstærkede guitarer og triggere til moderne elektroniske trommer.

Piezoelektricitet finder også hverdagsbrug, såsom at generere gnister til at antænde gas i madlavnings- og varmeapparater, fakler, cigarettændere og meget mere. Den pyroelektriske effekt, hvor et materiale genererer et elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring, blev undersøgt af Carl Linnaeus, Franz Aepinus og René Haüy i midten af det 18. århundrede med udgangspunkt i viden om rav. Antoine César Becquerel fremførte et forhold mellem mekanisk belastning og elektrisk ladning, men eksperimenter viste sig ikke at være afgørende.

Besøgende på Hunterian Museum i Glasgow kan se Piezo Crystal Curie Compensator, en demonstration af den direkte piezoelektriske effekt af brødrene Pierre og Jacques Curie. At kombinere deres viden om pyroelektricitet med en forståelse af de underliggende krystalstrukturer gav anledning til forudsigelsen af pyroelektricitet og evnen til at forudsige krystaladfærd. Dette blev demonstreret med virkningen af krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natrium- og kaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts udviste også piezoelektricitet, og en piezoelektrisk skive blev brugt til at generere en spænding, når den blev deformeret. Denne ændring i form blev stærkt overdrevet af Curies for at forudsige den omvendte piezoelektriske effekt. Den omvendte effekt blev matematisk udledt fra grundlæggende termodynamiske principper af Gabriel Lippmann i 1881.

Curies bekræftede øjeblikkeligt eksistensen af den omvendte effekt og fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektro-elastomekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller. I årtier forblev piezoelektricitet et laboratorie-kuriositet, men det var et vigtigt værktøj i opdagelsen af polonium og radium af Pierre og Marie Curie. Deres arbejde med at udforske og definere krystalstrukturerne, der udviste piezoelektricitet, kulminerede i udgivelsen af Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dette beskrev de naturlige krystalklasser, der er i stand til piezoelektricitet, og definerede strengt de piezoelektriske konstanter ved hjælp af tensoranalyse.

Den praktiske anvendelse af piezoelektriske enheder, såsom ekkolod, blev udviklet under Første Verdenskrig. I Frankrig udviklede Paul Langevin og hans kolleger en ultralyds-ubådsdetektor. Denne detektor bestod af en transducer lavet af tynde kvartskrystaller omhyggeligt limet til stålplader og en hydrofon til at detektere det returnerede ekko. Ved at udsende en højfrekvent puls fra transduceren og måle den tid, det tager at høre ekkoet af lydbølgerne, der preller af et objekt, var de i stand til at beregne afstanden til objektet. De brugte piezoelektricitet til at gøre denne sonar til en succes. Dette projekt skabte en intens udvikling og interesse for piezoelektriske enheder, og i løbet af årtierne blev nye piezoelektriske materialer og nye applikationer til disse materialer udforsket og udviklet. Piezoelektriske enheder

Hvad forårsager piezoelektricitet?

I dette afsnit vil jeg udforske oprindelsen af piezoelektricitet og de forskellige materialer, der udviser dette fænomen. Jeg vil se på det græske ord 'piezein', den gamle kilde til elektrisk ladning, og pyroelektricitetseffekten. Jeg vil også diskutere opdagelserne af Pierre og Jacques Curie og udviklingen af piezoelektriske enheder i det 20. århundrede.

Græske ord Piezein

Piezoelektricitet er akkumulering af elektrisk ladning i visse faste materialer, såsom krystaller, keramik og biologiske stoffer som knogler og DNA. Det er forårsaget af disse materialers reaktion på påført mekanisk belastning. Ordet piezoelektricitet kommer fra det græske ord "piezein", der betyder "at klemme eller trykke", og "ēlektron", der betyder "rav", en gammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekt er resultatet af den lineære elektromekaniske interaktion mellem de mekaniske og elektriske tilstande af krystallinske materialer med inversionssymmetri. Det er en reversibel proces, hvilket betyder, at materialer, der udviser piezoelektricitet, også udviser den omvendte piezoelektriske effekt, som er den interne generering af mekanisk belastning som følge af et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanat-krystaller målbar piezoelektricitet, når deres statiske struktur deformeres fra sin oprindelige dimension. Omvendt kan krystaller ændre deres statiske dimension, når et eksternt elektrisk felt påføres, hvilket er kendt som den omvendte piezoelektriske effekt og er produktionen af ultralydsbølger.

De franske fysikere Jacques og Pierre Curie opdagede piezoelektricitet i 1880. Den piezoelektriske effekt er blevet udnyttet til mange nyttige anvendelser, herunder produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-udskrivning, generering af højspændingselektricitet, urgeneratorer og elektroniske enheder som mikrobalancer , drev ultralydsdyser og ultrafine fokuseringsoptiske samlinger. Det danner også grundlaget for scanning probe mikroskoper, som kan opløse billeder på skalaen af atomer. Piezoelektricitet bruges også i pickupper til elektronisk forstærkede guitarer og triggere til moderne elektroniske trommer.

Piezoelektricitet finder daglig anvendelse, såsom at generere gnister til at antænde gas i madlavnings- og opvarmningsanordninger, fakler, cigarettændere og meget mere. Den pyroelektriske effekt, som er genereringen af elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring, blev undersøgt af Carl Linnaeus og Franz Aepinus i midten af det 18. århundrede, idet de trækker på viden fra René Haüy og Antoine César Becquerel, som angav et forhold mellem mekanisk belastning og elektrisk ladning. Eksperimenter viste sig ikke at være entydige.

På museet i Skotland kan besøgende se en piezokrystal Curie-kompensator, en demonstration af den direkte piezoelektriske effekt af brødrene Pierre og Jacques Curie. Kombinationen af deres viden om pyroelektricitet med en forståelse af de underliggende krystalstrukturer gav anledning til forudsigelsen af pyroelektricitet og evnen til at forudsige krystaladfærden. Dette blev demonstreret ved virkningen af krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts fra Rochelle-salt udviste piezoelektricitet, og en piezoelektrisk skive genererer spænding, når den deformeres. Denne ændring i form er stærkt overdrevet i Curies' demonstration.

Curies fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektro-elastomekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller. I årtier forblev piezoelektricitet et laboratorie-kuriositet, indtil det blev et vigtigt værktøj i opdagelsen af polonium og radium af Pierre og Marie Curie. Deres arbejde med at udforske og definere krystalstrukturerne, der udviste piezoelektricitet, kulminerede i udgivelsen af Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dette beskrev de naturlige krystalklasser, der er i stand til piezoelektricitet, og definerede strengt de piezoelektriske konstanter gennem tensoranalyse.

Denne praktiske anvendelse af piezoelektricitet førte til udviklingen af ekkolod under Første Verdenskrig. I Frankrig udviklede Paul Langevin og hans medarbejdere en ultralyds-ubådsdetektor. Detektoren bestod af en transducer lavet af tynde kvartskrystaller omhyggeligt limet til stålplader, kaldet en hydrofon, for at detektere det returnerede ekko efter at have udsendt en højfrekvent puls. Transduceren målte den tid, det tog at høre ekkoet af lydbølger, der hopper af et objekt for at beregne afstanden til objektet. Brugen af piezoelektricitet i sonar var en succes, og projektet skabte en intens udvikling og interesse for piezoelektriske enheder i årtier.

Gammel kilde til elektrisk ladning

Piezoelektricitet er den elektriske ladning, der akkumuleres i visse faste materialer, såsom krystaller, keramik og biologiske stoffer som knogler og DNA. Det er forårsaget af materialets reaktion på påført mekanisk belastning. Ordet 'piezoelektricitet' kommer fra det græske ord 'piezein', som betyder 'at klemme eller trykke', og ordet 'elektron', som betyder 'rav', en gammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekt er resultatet af den lineære elektromekaniske interaktion mellem de mekaniske og elektriske tilstande af krystallinske materialer med inversionssymmetri. Det er en reversibel proces, hvilket betyder, at materialer, der udviser piezoelektricitet, også udviser den omvendte piezoelektriske effekt, som er den interne generering af mekanisk belastning som følge af et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanat-krystaller målbar piezoelektricitet, når deres statiske struktur deformeres fra sin oprindelige dimension. Omvendt, når et eksternt elektrisk felt påføres, ændrer krystallerne deres statiske dimension i en omvendt piezoelektrisk effekt, hvilket producerer ultralydsbølger.

Den piezoelektriske effekt blev opdaget i 1880 af de franske fysikere Jacques og Pierre Curie. Det udnyttes til en række nyttige applikationer, herunder produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-udskrivning, generering af højspændingselektricitet, urgeneratorer og elektroniske enheder som mikrovægte og drivende ultralydsdyser til ultrafin fokusering af optiske samlinger. Det danner også grundlag for scanning af sondemikroskoper, som bruges til at opløse billeder på atomskalaen. Piezoelektricitet bruges også i pickupper til elektronisk forstærkede guitarer og triggere til moderne elektroniske trommer.

Piezoelektricitet finder daglig anvendelse til at generere gnister til at antænde gas i madlavnings- og opvarmningsanordninger, fakler, cigarettændere og meget mere. Den pyroelektriske effekt, som er produktionen af elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring, blev undersøgt af Carl Linnaeus og Franz Aepinus i midten af det 18. århundrede, idet de trækker på viden fra René Haüy og Antoine César Becquerel, der angav et forhold mellem mekanisk stress og elektrisk ladning. Deres eksperimenter viste sig dog ikke at være afgørende.

Udsigten af en piezokrystal og Curie-kompensatoren på Hunterian Museum i Skotland viser den direkte piezoelektriske effekt. Det var brødrene Pierre og Jacques Curies arbejde, der udforskede og definerede de krystalstrukturer, der udviste piezoelektricitet, og kulminerede med udgivelsen af Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dette beskrev de naturlige krystalklasser, der er i stand til piezoelektricitet, og definerede strengt de piezoelektriske konstanter gennem tensoranalyse, hvilket muliggjorde praktisk anvendelse af piezoelektriske enheder.

Sonar blev udviklet under Første Verdenskrig af Frankrigs Paul Langevin og hans kolleger, som udviklede en ultralyds-ubådsdetektor. Detektoren bestod af en transducer lavet af tynde kvartskrystaller omhyggeligt limet til stålplader og en hydrofon til at detektere det returnerede ekko. Ved at udsende en højfrekvent puls fra transduceren og måle den tid, det tager at høre ekkoet af lydbølgerne, der preller af et objekt, var de i stand til at beregne afstanden til objektet. De brugte piezoelektricitet til at gøre denne sonar til en succes. Projektet skabte en intens udvikling og interesse for piezoelektriske enheder i årtier.

Pyroelektricitet

Piezoelektricitet er visse materialers evne til at akkumulere elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. Det er en lineær elektromekanisk interaktion mellem de mekaniske og elektriske tilstande af krystallinske materialer med inversionssymmetri. Ordet "piezoelektricitet" er afledt af det græske ord "piezein", som betyder "at klemme eller trykke", og det græske ord "ēlektron", som betyder "rav", en gammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekt blev opdaget af de franske fysikere Jacques og Pierre Curie i 1880. Det er en reversibel proces, hvilket betyder, at materialer, der udviser den piezoelektriske effekt, også udviser den omvendte piezoelektriske effekt, som er den interne generering af mekanisk belastning som følge af et påført elektrisk felt. Eksempler på materialer, der genererer målbar piezoelektricitet, omfatter blyzirkonat-titanatkrystaller. Når en statisk struktur deformeres, vender den tilbage til sin oprindelige dimension. Omvendt, når et eksternt elektrisk felt påføres, produceres den omvendte piezoelektriske effekt, hvilket resulterer i produktionen af ultralydsbølger.

Den piezoelektriske effekt udnyttes til mange nyttige applikationer, herunder produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-udskrivning, generering af højspændingselektricitet, urgeneratorer og elektroniske enheder såsom mikrovægte, drev-ultralydsdyser og ultrafinfokuserende optiske samlinger. Det er også grundlaget for scanning af sondemikroskoper, som bruges til at opløse billeder på skalaen af atomer. Piezoelektricitet bruges også i pickupper til elektronisk forstærkede guitarer og triggere til moderne elektroniske trommer.

Piezoelektricitet finder daglig anvendelse, såsom at generere gnister til at antænde gas i madlavnings- og opvarmningsanordninger, fakler, cigarettændere og meget mere. Den pyroelektriske effekt, som er produktionen af elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring, blev undersøgt af Carl Linnaeus og Franz Aepinus i midten af det 18. århundrede, idet de trak på viden fra René Haüy og Antoine César Becquerel, som havde antydet et forhold. mellem mekanisk belastning og elektrisk ladning. Eksperimenter viste sig imidlertid ikke at være afgørende.

Udsigten af en piezokrystal på Curie Compensator Museum i Skotland er en demonstration af den direkte piezoelektriske effekt. Brødrene Pierre og Jacques Curie kombinerede deres viden om pyroelektricitet og deres forståelse af de underliggende krystalstrukturer for at give anledning til forståelsen af pyroelektricitet og for at forudsige krystaladfærden. Dette blev demonstreret i virkningen af krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts viste sig at udvise piezoelektricitet, og en piezoelektrisk skive blev brugt til at generere en spænding, når den blev deformeret. Dette blev stærkt overdrevet af Curies for at forudsige den omvendte piezoelektriske effekt. Den omvendte effekt blev matematisk udledt af grundlæggende termodynamiske principper af Gabriel Lippmann i 1881.

Curies bekræftede øjeblikkeligt eksistensen af den omvendte effekt og fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektro-elastomekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller. I årtierne, der fulgte, forblev piezoelektricitet et laboratorie-kuriositet, indtil det blev et vigtigt værktøj i opdagelsen af polonium og radium af Pierre og Marie Curie. Deres arbejde med at udforske og definere krystalstrukturerne, der udviste piezoelektricitet, kulminerede i udgivelsen af Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics).

Udviklingen af ekkolod var en succes, og projektet skabte en intens udvikling og interesse for piezoelektriske enheder. I de følgende årtier blev nye piezoelektriske materialer og nye anvendelser for disse materialer udforsket og udviklet. Piezoelektriske enheder fandt hjem på mange områder, såsom keramiske fonografpatroner, som forenklede afspillerens design og skabte billigere, mere præcise pladespillere, der var billigere at vedligeholde og nemmere at bygge. Udviklingen af ultralydstransducere muliggjorde let måling af viskositet og elasticitet af væsker og faste stoffer, hvilket resulterede i enorme fremskridt inden for materialeforskning. Ultralyds-tidsdomænereflektometre sender en ultralydsimpuls ind i et materiale og måler refleksioner og diskontinuiteter for at finde fejl inde i støbte metal- og stengenstande, hvilket forbedrer den strukturelle sikkerhed.

Efter Anden Verdenskrig opdagede uafhængige forskningsgrupper i USA, Rusland og Japan en ny klasse af syntetiske materialer kaldet ferroelektriske stoffer, som udviste piezoelektriske konstanter, der var

Piezoelektriske materialer

I dette afsnit vil jeg diskutere de materialer, der udviser den piezoelektriske effekt, som er visse materialers evne til at akkumulere elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. Jeg vil se på krystaller, keramik, biologisk materiale, knogler, DNA og proteiner, og hvordan de alle reagerer på den piezoelektriske effekt.

krystaller

Piezoelektricitet er visse materialers evne til at akkumulere elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. Ordet piezoelektricitet er afledt af de græske ord πιέζειν (piezein) der betyder 'klem' eller 'tryk' og ἤλεκτρον (ēlektron) der betyder 'rav', en gammel kilde til elektrisk ladning. Piezoelektriske materialer omfatter krystaller, keramik, biologisk materiale, knogler, DNA og proteiner.

Piezoelektricitet er en lineær elektromekanisk interaktion mellem mekaniske og elektriske tilstande i krystallinske materialer med inversionssymmetri. Denne effekt er reversibel, hvilket betyder, at materialer, der udviser piezoelektricitet, også udviser den omvendte piezoelektriske effekt, som er den interne generering af mekanisk belastning som følge af et påført elektrisk felt. Eksempler på materialer, der genererer målbar piezoelektricitet, omfatter blyzirkonat-titanatkrystaller, som kan deformeres til deres oprindelige dimension eller omvendt ændre deres statiske dimension, når et eksternt elektrisk felt påføres. Dette er kendt som den omvendte piezoelektriske effekt og bruges til at producere ultralydsbølger.

De franske fysikere Jacques og Pierre Curie opdagede piezoelektricitet i 1880. Den piezoelektriske effekt er blevet udnyttet til en række nyttige anvendelser, herunder produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-udskrivning, generering af højspændingselektricitet, urgeneratorer og elektroniske enheder som f.eks. som mikrovægte, drivende ultralydsdyser og ultrafine fokuseringsoptiske samlinger. Det danner også grundlag for scanning af sondemikroskoper, som bruges til at opløse billeder på atomskalaen. Piezoelektriske pickupper bruges også i elektronisk forstærkede guitarer og triggere i moderne elektroniske trommer.

Piezoelektricitet finder daglig anvendelse til at generere gnister til at antænde gas i madlavnings- og opvarmningsanordninger, såvel som i fakler og cigarettændere. Den pyroelektriske effekt, som er genereringen af elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring, blev undersøgt af Carl Linnaeus og Franz Aepinus i midten af 18-tallet, idet de trækker på viden fra René Haüy og Antoine César Becquerel, der angav et forhold mellem mekanisk stress og elektrisk ladning. Eksperimenter for at bevise denne teori var inkonklusive.

Udsigten af en piezokrystal i Curie-kompensatoren på Hunterian Museum i Skotland er en demonstration af den direkte piezoelektriske effekt. Brødrene Pierre og Jacques Curie kombinerede deres viden om pyroelektricitet med en forståelse af de underliggende krystalstrukturer for at give anledning til forudsigelsen af pyroelektricitet. De var i stand til at forudsige krystaladfærden og demonstrerede effekten i krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts udviste også piezoelektricitet. En piezoelektrisk disk genererer spænding, når den deformeres; formændringen er stærkt overdrevet i Curies' demonstration.

De var også i stand til at forudsige den omvendte piezoelektriske effekt og matematisk udlede de grundlæggende termodynamiske principper bag den. Gabriel Lippmann gjorde dette i 1881. Curies bekræftede straks eksistensen af den omvendte effekt og fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektro-elastomekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller.

I årtier forblev piezoelektricitet et laboratorie-kuriositet, men det var et vigtigt værktøj i opdagelsen af polonium og radium af Pierre og Marie Curie. Deres arbejde med at udforske og definere krystalstrukturerne, der udviste piezoelektricitet, kulminerede i udgivelsen af Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturlige krystalklasser, der er i stand til piezoelektricitet, og nøje definerede de piezoelektriske konstanter ved hjælp af tensoranalyse.

Den praktiske anvendelse af piezoelektriske enheder i ekkolod blev udviklet under Første Verdenskrig. I Frankrig udviklede Paul Langevin og hans kolleger en ultralyds-ubådsdetektor. Denne detektor bestod af en transducer lavet af tynde kvartskrystaller omhyggeligt limet til stålplader, kaldet en hydrofon, for at detektere det returnerede ekko efter at have udsendt en højfrekvent puls. Ved at måle den tid, det tager at høre ekkoet af lydbølger, der preller af et objekt, var de i stand til at beregne afstanden til objektet. Denne brug af piezoelektricitet i sonar var en succes, og projektet skabte en intens udvikling og interesse for piezoelektriske enheder gennem årtierne.

Keramik

Piezoelektriske materialer er faste stoffer, der akkumulerer elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. Piezoelektricitet er afledt af de græske ord πιέζειν (piezein) der betyder 'klem' eller 'tryk' og ἤλεκτρον (ēlektron) der betyder 'rav', en gammel kilde til elektrisk ladning. Piezoelektriske materialer bruges i en række forskellige applikationer, herunder produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-udskrivning og generering af højspændingselektricitet.

Piezoelektriske materialer findes i krystaller, keramik, biologisk materiale, knogler, DNA og proteiner. Keramik er de mest almindelige piezoelektriske materialer, der bruges i hverdagen. Keramik er lavet af en kombination af metaloxider, såsom blyzirconate titanat (PZT), som opvarmes til høje temperaturer for at danne et fast stof. Keramik er meget holdbart og kan modstå ekstreme temperaturer og tryk.

Piezoelektrisk keramik har en række anvendelser, herunder:

• Generering af gnister til at antænde gas til madlavnings- og opvarmningsanordninger, såsom fakler og cigarettændere.
• Generering af ultralydsbølger til medicinsk billeddannelse.
• Generering af højspændingselektricitet til urgeneratorer og elektroniske enheder.
• Generering af mikrovægte til brug ved præcisionsvejning.
• Drivende ultralydsdyser til ultrafin fokusering af optiske samlinger.
• Danner grundlaget for scanning af sondemikroskoper, som kan opløse billeder på atomskalaen.
• Pickups til elektronisk forstærkede guitarer og triggere til moderne elektroniske trommer.

Piezoelektrisk keramik bruges i en lang række applikationer, fra forbrugerelektronik til medicinsk billedbehandling. De er meget holdbare og kan modstå ekstreme temperaturer og tryk, hvilket gør dem ideelle til brug i en række forskellige industrier.

Biologisk stof

Piezoelektricitet er visse materialers evne til at akkumulere elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. Det er afledt af det græske ord 'piezein', der betyder 'at klemme eller trykke', og 'ēlektron', der betyder 'rav', en gammel kilde til elektrisk ladning.

Biologiske stoffer såsom knogler, DNA og proteiner er blandt de materialer, der udviser piezoelektricitet. Denne effekt er reversibel, hvilket betyder, at materialer, der udviser piezoelektricitet, også udviser den omvendte piezoelektriske effekt, som er den interne generering af mekanisk belastning som følge af et påført elektrisk felt. Eksempler på disse materialer omfatter blyzirkonat-titanatkrystaller, som genererer målbar piezoelektricitet, når deres statiske struktur deformeres fra sin oprindelige dimension. Omvendt, når et eksternt elektrisk felt påføres, ændrer krystallerne deres statiske dimension, hvilket producerer ultralydsbølger gennem den omvendte piezoelektriske effekt.

Opdagelsen af piezoelektricitet blev gjort af de franske fysikere Jacques og Pierre Curie i 1880. Det er siden blevet udnyttet til en række nyttige anvendelser, såsom:

• Produktion og detektering af lyd
• Piezoelektrisk inkjet print
• Fremstilling af højspændingselektricitet
• Urgenerator
• Elektroniske anordninger
• Mikrobalancer
• Drive ultralydsdyser
• Ultrafine fokuseringsoptiske samlinger
• Danner grundlag for scanning probe mikroskoper
• Opløse billeder på skalaen af atomer
• Pickups i elektronisk forstærkede guitarer
• Triggere i moderne elektroniske trommer

Piezoelektricitet bruges også i hverdagsting såsom gastilberedning og varmeapparater, fakler, cigarettændere og meget mere. Den pyroelektriske effekt, som er produktionen af elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring, blev undersøgt af Carl Linnaeus og Franz Aepinus i midten af det 18. århundrede. Med udgangspunkt i René Haüys og Antoine César Becquerels viden fremsatte de et forhold mellem mekanisk belastning og elektrisk ladning, men deres eksperimenter viste sig ikke at være afgørende.

Udsigten af en piezokrystal i Curie Compensator på Hunterian Museum i Skotland er en demonstration af den direkte piezoelektriske effekt. Brødrene Pierre og Jacques Curie kombinerede deres viden om pyroelektricitet og deres forståelse af de underliggende krystalstrukturer for at give anledning til forudsigelsen af pyroelektricitet og for at forudsige krystaladfærden. Dette blev demonstreret ved virkningen af krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natrium- og kaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts udviste også piezoelektricitet, og en piezoelektrisk skive blev brugt til at generere en spænding, når den blev deformeret. Denne effekt blev stærkt overdrevet af Curies for at forudsige den omvendte piezoelektriske effekt. Den omvendte effekt blev matematisk udledt fra grundlæggende termodynamiske principper af Gabriel Lippmann i 1881.

Curies bekræftede øjeblikkeligt eksistensen af den omvendte effekt og fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektro-elastomekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller. I årtier forblev piezoelektricitet et laboratorie-kuriositet, indtil det blev et vigtigt værktøj i opdagelsen af polonium og radium af Pierre og Marie Curie. Deres arbejde med at udforske og definere de krystalstrukturer, der udviste piezoelektricitet, kulminerede i udgivelsen af Woldemar Voigts 'Lehrbuch der Kristallphysik' (Lærebog i Krystalfysik).

Knogle

Piezoelektricitet er visse materialers evne til at akkumulere elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. Knogle er et sådant materiale, der udviser dette fænomen.

Knogle er en type biologisk stof, der er sammensat af proteiner og mineraler, herunder kollagen, calcium og fosfor. Det er det mest piezoelektriske af alle biologiske materialer og er i stand til at generere en spænding, når det udsættes for mekanisk belastning.

Den piezoelektriske effekt i knogler er et resultat af dens unikke struktur. Det er sammensat af et netværk af kollagenfibre, der er indlejret i en matrix af mineraler. Når knoglen udsættes for mekanisk stress, bevæger kollagenfibrene sig, hvilket får mineralerne til at blive polariseret og generere en elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekt i knogler har en række praktiske anvendelser. Det bruges til medicinsk billeddannelse, såsom ultralyd og røntgenbilleder, til at opdage knoglebrud og andre abnormiteter. Det bruges også i knogleledningshøreapparater, som bruger den piezoelektriske effekt til at konvertere lydbølger til elektriske signaler, der sendes direkte til det indre øre.

Den piezoelektriske effekt i knogler bruges også i ortopædiske implantater, såsom kunstige led og protetiske lemmer. Implantaterne bruger den piezoelektriske effekt til at omdanne mekanisk energi til elektrisk energi, som derefter bruges til at drive enheden.

Derudover udforskes den piezoelektriske effekt i knogler til brug i udviklingen af nye medicinske behandlinger. For eksempel undersøger forskere brugen af piezoelektricitet til at stimulere knoglevækst og reparere beskadiget væv.

Samlet set er den piezoelektriske effekt i knogler et fascinerende fænomen med en bred vifte af praktiske anvendelser. Det bliver brugt i en række medicinske og teknologiske applikationer og er ved at blive udforsket til brug i udviklingen af nye behandlinger.

DNA

Piezoelektricitet er visse materialers evne til at akkumulere elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. DNA er et sådant materiale, der udviser denne effekt. DNA er et biologisk molekyle, der findes i alle levende organismer og er sammensat af fire nukleotidbaser: adenin (A), guanin (G), cytosin (C) og thymin (T).

DNA er et komplekst molekyle, der kan bruges til at generere elektrisk ladning, når det udsættes for mekanisk stress. Dette skyldes det faktum, at DNA-molekyler er sammensat af to strenge af nukleotider, der holdes sammen af hydrogenbindinger. Når disse bindinger brydes, genereres elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekt af DNA er blevet brugt i en række forskellige anvendelser, herunder:

• Generering af elektricitet til medicinske implantater
• Detektering og måling af mekaniske kræfter i celler
• Udvikling af sensorer i nanoskala
• Oprettelse af biosensorer til DNA-sekventering
• Generering af ultralydsbølger til billeddannelse

Den piezoelektriske effekt af DNA bliver også udforsket for dets potentielle brug i udviklingen af nye materialer, såsom nanotråde og nanorør. Disse materialer kan bruges til en række forskellige anvendelser, herunder energilagring og sensing.

Den piezoelektriske effekt af DNA er blevet undersøgt grundigt og har vist sig at være meget følsom over for mekanisk stress. Dette gør det til et værdifuldt værktøj for forskere og ingeniører, der ønsker at udvikle nye materialer og teknologier.

Afslutningsvis er DNA et materiale, der udviser den piezoelektriske effekt, som er evnen til at akkumulere elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. Denne effekt er blevet brugt i en række forskellige applikationer, herunder medicinske implantater, nanoskalasensorer og DNA-sekventering. Det bliver også udforsket for dets potentielle brug i udviklingen af nye materialer, såsom nanotråde og nanorør.

Proteiner

Piezoelektricitet er visse materialers evne til at akkumulere elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. Piezoelektriske materialer, såsom proteiner, krystaller, keramik og biologisk materiale som knogle og DNA, udviser denne effekt. Især proteiner er et unikt piezoelektrisk materiale, da de er sammensat af en kompleks struktur af aminosyrer, der kan deformeres til at generere elektrisk ladning.

Proteiner er den mest udbredte type piezoelektrisk materiale, og de findes i en række forskellige former. De kan findes i form af enzymer, hormoner og antistoffer, såvel som i form af strukturelle proteiner som kollagen og keratin. Proteiner findes også i form af muskelproteiner, som er ansvarlige for muskelsammentrækning og afspænding.

Den piezoelektriske effekt af proteiner skyldes, at de er sammensat af en kompleks struktur af aminosyrer. Når disse aminosyrer deformeres, genererer de elektrisk ladning. Denne elektriske ladning kan derefter bruges til at drive en række forskellige enheder, såsom sensorer og aktuatorer.

Proteiner bruges også i en række medicinske anvendelser. For eksempel bruges de til at påvise tilstedeværelsen af visse proteiner i kroppen, som kan bruges til at diagnosticere sygdomme. De bruges også til at opdage tilstedeværelsen af visse bakterier og vira, som kan bruges til at diagnosticere infektioner.

Proteiner bruges også i en række industrielle anvendelser. For eksempel bruges de til at skabe sensorer og aktuatorer til en række industrielle processer. De bruges også til at skabe materialer, der kan bruges til konstruktion af fly og andre køretøjer.

Afslutningsvis er proteiner et unikt piezoelektrisk materiale, der kan bruges i en række forskellige anvendelser. De er sammensat af en kompleks struktur af aminosyrer, der kan deformeres til at generere elektrisk ladning, og de bruges i en række medicinske og industrielle anvendelser.

Energihøst med piezoelektricitet

I dette afsnit vil jeg diskutere, hvordan piezoelektricitet kan bruges til at høste energi. Jeg vil se på de forskellige anvendelser af piezoelektricitet, fra piezoelektrisk inkjet-udskrivning til urgeneratorer og mikrobalancer. Jeg vil også udforske historien om piezoelektricitet, fra dens opdagelse af Pierre Curie til dens brug i Anden Verdenskrig. Til sidst vil jeg diskutere den nuværende tilstand af den piezoelektriske industri og potentialet for yderligere vækst.

Piezoelektrisk inkjet print

Piezoelektricitet er visse materialers evne til at generere en elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. Ordet 'piezoelektricitet' er afledt af de græske ord 'piezein' (at presse eller presse) og 'elektron' (rav), en gammel kilde til elektrisk ladning. Piezoelektriske materialer, såsom krystaller, keramik og biologisk materiale som knogle og DNA, bruges i en række forskellige anvendelser.

Piezoelektricitet bruges til at generere højspændingselektricitet, som en urgenerator, i elektroniske enheder og i mikrovægte. Det bruges også til at drive ultralydsdyser og ultrafine fokuseringsoptiske samlinger. Piezoelektrisk inkjet-udskrivning er en populær anvendelse af denne teknologi. Dette er en udskrivningstype, der bruger piezoelektriske krystaller til at generere en højfrekvent vibration, som bruges til at skubbe blækdråber ud på en side.

Opdagelsen af piezoelektricitet går tilbage til 1880, hvor de franske fysikere Jacques og Pierre Curie opdagede effekten. Siden da er den piezoelektriske effekt blevet udnyttet til en række nyttige anvendelser. Piezoelektricitet bruges i hverdagsting såsom gastilberedning og varmeapparater, fakler, cigarettændere og pickupper i elektronisk forstærkede guitarer og triggere i moderne elektroniske trommer.

Piezoelektricitet bruges også i videnskabelig forskning. Det er grundlaget for scanning af sondemikroskoper, som bruges til at opløse billeder på en skala af atomer. Det bruges også i ultralyds-tidsdomænereflektometre, som sender ultralydsimpulser ind i et materiale og måler refleksionerne for at detektere diskontinuiteter og finde fejl inde i støbte metal- og stengenstande.

Udviklingen af piezoelektriske enheder og materialer er blevet drevet af behovet for bedre ydeevne og nemmere fremstillingsprocesser. I USA har udviklingen af kvartskrystaller til kommerciel brug været en vigtig faktor i væksten i den piezoelektriske industri. I modsætning hertil har japanske producenter været i stand til hurtigt at dele information og udvikle nye applikationer, hvilket har ført til hurtig vækst på det japanske marked.

Piezoelektricitet har revolutioneret den måde, vi bruger energi på, fra hverdagsting som lightere til avanceret videnskabelig forskning. Det er en alsidig teknologi, der har gjort os i stand til at udforske og udvikle nye materialer og applikationer, og den vil fortsætte med at være en vigtig del af vores liv i de kommende år.

Fremstilling af højspændingselektricitet

Piezoelektricitet er visse faste materialers evne til at akkumulere elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. Ordet 'piezoelektricitet' er afledt af de græske ord 'piezein', der betyder 'klem' eller 'presse', og 'ēlektron', der betyder 'rav', en gammel kilde til elektrisk ladning. Piezoelektricitet er en lineær elektromekanisk interaktion mellem mekaniske og elektriske tilstande i krystallinske materialer med inversionssymmetri.

Den piezoelektriske effekt er en reversibel proces; materialer, der udviser piezoelektricitet, udviser også den omvendte piezoelektriske effekt, den interne generering af mekanisk belastning som følge af et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanat-krystaller målbar piezoelektricitet, når deres statiske struktur deformeres fra sin oprindelige dimension. Omvendt kan krystaller ændre deres statiske dimension, når et eksternt elektrisk felt påføres, et fænomen kendt som den omvendte piezoelektriske effekt, som bruges til produktion af ultralydsbølger.

Den piezoelektriske effekt bruges i en række forskellige applikationer, herunder generering af højspændingselektricitet. Piezoelektriske materialer bruges til produktion og detektering af lyd, i piezoelektrisk inkjet-printning, i urgeneratorer, i elektroniske enheder, i mikrovægte, i drev-ultralydsdyser og i ultrafinfokuserende optiske samlinger.

Piezoelektricitet bruges også i daglige applikationer, såsom at generere gnister til at antænde gas i madlavnings- og opvarmningsanordninger, i fakler, cigarettændere og pyroelektriske effektmaterialer, som genererer elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring. Denne effekt blev undersøgt af Carl Linnaeus og Franz Aepinus i midten af det 18. århundrede, idet de trak på viden fra René Haüy og Antoine César Becquerel, som angav et forhold mellem mekanisk belastning og elektrisk ladning, selvom deres eksperimenter viste sig at være inkonklusive.

Den kombinerede viden om pyroelektricitet og forståelsen af de underliggende krystalstrukturer gav anledning til forudsigelsen af pyroelektricitet og evnen til at forudsige krystaladfærd. Dette blev demonstreret ved virkningen af krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts udviste også piezoelektricitet, og en piezoelektrisk skive blev brugt til at generere en spænding, når den blev deformeret. Dette blev stærkt overdrevet i Curies' demonstration af den direkte piezoelektriske effekt.

Brødrene Pierre og Jacques Curie fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektro-elastomekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller. I årtier forblev piezoelektricitet et laboratorie-kuriositet, men det var et vigtigt værktøj i opdagelsen af polonium og radium af Pierre og Marie Curie. Deres arbejde med at udforske og definere krystalstrukturerne, der udviste piezoelektricitet, kulminerede i udgivelsen af Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturlige krystalklasser, der er i stand til piezoelektricitet, og nøje definerede de piezoelektriske konstanter ved hjælp af tensoranalyse.

Den praktiske anvendelse af piezoelektriske enheder begyndte med udviklingen af ekkolod under Første Verdenskrig. I Frankrig udviklede Paul Langevin og hans kolleger en ultralyds-ubådsdetektor. Detektoren bestod af en transducer lavet af tynde kvartskrystaller omhyggeligt limet til stålplader og en hydrofon til at detektere det returnerede ekko. Ved at udsende en højfrekvent puls fra transduceren og måle den tid, det tager at høre ekkoet af lydbølgerne, der preller af et objekt, var de i stand til at beregne afstanden til objektet. De brugte piezoelektricitet til at gøre sonaren til en succes, og projektet skabte en intens udvikling og interesse for piezoelektriske enheder i løbet af de følgende årtier.

Nye piezoelektriske materialer og nye anvendelser for disse materialer blev udforsket og udviklet. Piezoelektriske enheder fandt hjem på en række forskellige områder, såsom keramiske fonografpatroner, som forenklede afspillerens design og skabte billigere, mere præcise pladespillere, der var billigere at vedligeholde og nemmere at bygge. Udviklingen af ultralydstransducere muliggjorde let måling af viskositet og elasticitet af væsker og faste stoffer, hvilket resulterede i enorme fremskridt inden for materialeforskning. Ultralyds-tidsdomænereflektometre sender en ultralydsimpuls ind i et materiale og måler refleksioner og diskontinuiteter for at finde fejl inde i støbte metal- og stengenstande, hvilket forbedrer den strukturelle sikkerhed.

Anden verdenskrig så uafhængige forskningsgrupper i USA, Rusland og Japan opdage en ny klasse af syntetiske materialer kaldet fer

Urgenerator

Piezoelektricitet er visse materialers evne til at akkumulere elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. Dette fænomen er blevet brugt til at skabe en række nyttige applikationer, herunder clockgeneratorer. Urgeneratorer er enheder, der bruger piezoelektricitet til at generere elektriske signaler med præcis timing.

Urgeneratorer bruges i en række forskellige applikationer, såsom i computere, telekommunikation og bilsystemer. De bruges også i medicinsk udstyr, såsom pacemakere, for at sikre nøjagtig timing af elektriske signaler. Urgeneratorer bruges også i industriel automation og robotteknologi, hvor præcis timing er afgørende.

Den piezoelektriske effekt er baseret på den lineære elektromekaniske interaktion mellem mekaniske og elektriske tilstande i krystallinske materialer med inversionssymmetri. Denne effekt er reversibel, hvilket betyder, at materialer, der udviser piezoelektricitet, også kan generere mekanisk belastning, når et elektrisk felt påføres. Dette er kendt som den omvendte piezoelektriske effekt og bruges til at producere ultralydsbølger.

Urgeneratorer bruger denne omvendte piezoelektriske effekt til at generere elektriske signaler med præcis timing. Det piezoelektriske materiale deformeres af et elektrisk felt, som får det til at vibrere ved en bestemt frekvens. Denne vibration konverteres derefter til et elektrisk signal, som bruges til at generere et præcist tidssignal.

Urgeneratorer bruges i en række forskellige applikationer, fra medicinsk udstyr til industriel automatisering. De er pålidelige, nøjagtige og nemme at bruge, hvilket gør dem til et populært valg til mange applikationer. Piezoelektricitet er en vigtig del af moderne teknologi, og urgeneratorer er blot en af de mange anvendelser af dette fænomen.

Elektroniske anordninger

Piezoelektricitet er visse faste materialers evne til at akkumulere elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. Dette fænomen, kendt som den piezoelektriske effekt, bruges i en række elektroniske enheder, fra pickupper i elektronisk forstærkede guitarer til triggere i moderne elektroniske trommer.

Piezoelektricitet er afledt af de græske ord πιέζειν (piezein) der betyder "klem" eller "tryk" og ἤλεκτρον (ēlektron) betyder "rav", en gammel kilde til elektrisk ladning. Piezoelektriske materialer er krystaller, keramik og biologiske stoffer såsom knogle- og DNA-proteiner, som udviser den piezoelektriske effekt.

Den piezoelektriske effekt er en lineær elektromekanisk interaktion mellem mekaniske og elektriske tilstande i krystallinske materialer med inversionssymmetri. Det er en reversibel proces, hvilket betyder, at materialer, der udviser den piezoelektriske effekt, også udviser den omvendte piezoelektriske effekt, som er den interne generering af mekanisk belastning som følge af et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanat-krystaller målbar piezoelektricitet, når deres statiske struktur deformeres fra sin oprindelige dimension. Omvendt kan krystaller ændre deres statiske dimension, når et eksternt elektrisk felt påføres, et fænomen kendt som den omvendte piezoelektriske effekt, som bruges til produktion af ultralydsbølger.

Opdagelsen af piezoelektricitet er krediteret til de franske fysikere Pierre og Jacques Curie, som demonstrerede den direkte piezoelektriske effekt i 1880. Deres kombinerede viden om pyroelektricitet og forståelse af de underliggende krystalstrukturer gav anledning til forudsigelsen af den pyroelektriske effekt og evnen til at forudsige. krystaladfærd blev demonstreret med virkningen af krystaller såsom turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt.

Piezoelektricitet er blevet brugt i en række dagligdags applikationer, såsom generering af gnister til at antænde gas i madlavnings- og opvarmningsanordninger, fakler, cigarettændere og pyroelektriske effektmaterialer, der genererer elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring. Dette blev undersøgt af Carl Linnaeus og Franz Aepinus i midten af det 18. århundrede, idet de trak på viden fra René Haüy og Antoine César Becquerel, der angav et forhold mellem mekanisk belastning og elektrisk ladning. Eksperimenter viste sig imidlertid ikke at være afgørende, indtil udsigten til en piezokrystal på Curie-kompensatormuseet i Skotland viste Curie-brødrenes direkte piezoelektriske effekt.

Piezoelektricitet bruges i en række elektroniske enheder, fra pickupper i elektronisk forstærkede guitarer til triggere i moderne elektroniske trommer. Det bruges også til produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-udskrivning, generering af højspændingselektricitet, urgeneratorer, mikrobalancer, drev-ultralydsdyser og optiske samlinger med ultrafine fokusering. Piezoelektricitet er også grundlaget for scanning af sondemikroskoper, som bruges til at opløse billeder i atomskalaen.

mikrovægte

Piezoelektricitet er visse faste materialers evne til at akkumulere elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. Piezoelektricitet er afledt af de græske ord πιέζειν (piezein), der betyder "klem" eller "tryk", og ἤλεκτρον (ēlektron), der betyder "rav", en gammel kilde til elektrisk ladning.

Piezoelektricitet bruges i en række dagligdags applikationer, såsom at generere gnister til at antænde gas til madlavnings- og opvarmningsanordninger, fakler, cigarettændere og meget mere. Det bruges også til produktion og detektering af lyd og til piezoelektrisk inkjetprint.

Piezoelektricitet bruges også til at generere højspændingselektricitet og er grundlaget for urgeneratorer og elektroniske enheder såsom mikrovægte. Piezoelektricitet bruges også til at drive ultralydsdyser og ultrafine fokuseringsoptiske samlinger.

Opdagelsen af piezoelektricitet er krediteret til de franske fysikere Jacques og Pierre Curie i 1880. Curie-brødrene kombinerede deres viden om pyroelektricitet og deres forståelse af de underliggende krystalstrukturer for at give anledning til begrebet piezoelektricitet. De var i stand til at forudsige krystaladfærden og demonstrerede effekten i krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt.

Den piezoelektriske effekt blev udnyttet til nyttige anvendelser, herunder produktion og detektering af lyd. Udviklingen af sonar under Første Verdenskrig var et stort gennembrud i brugen af piezoelektricitet. Efter Anden Verdenskrig opdagede uafhængige forskningsgrupper i USA, Rusland og Japan en ny klasse af syntetiske materialer kaldet ferroelektriske stoffer, som udviste piezoelektriske konstanter op til ti gange højere end naturlige materialer.

Dette førte til intens forskning og udvikling af bariumtitanat og senere blyzirkonattitanatmaterialer, som havde specifikke egenskaber til særlige anvendelser. Et væsentligt eksempel på brugen af piezoelektriske krystaller blev udviklet på Bell Telephone Laboratories efter Anden Verdenskrig.

Frederick R. Lack, der arbejdede i radiotelefoniingeniørafdelingen, udviklede en skåret krystal, der fungerede over et bredt temperaturområde. Lacks krystal havde ikke brug for det tunge tilbehør fra tidligere krystaller, hvilket gjorde det lettere at bruge det i fly. Denne udvikling gjorde det muligt for de allierede luftstyrker at deltage i koordinerede masseangreb ved hjælp af luftfartsradio.

Udviklingen af piezoelektriske enheder og materialer i USA holdt flere virksomheder i gang, og udviklingen af kvartskrystaller blev kommercielt udnyttet. Piezoelektriske materialer er siden blevet brugt i en række forskellige applikationer, herunder medicinsk billedbehandling, ultralydsrensning og mere.

Drive ultralydsdyse

Piezoelektricitet er den elektriske ladning, der akkumuleres i visse faste materialer såsom krystaller, keramik og biologisk materiale som knogle og DNA. Det er en reaktion på påført mekanisk belastning og er afledt af de græske ord 'piezein', der betyder 'klem' eller 'presse', og 'elektron', der betyder 'rav', en gammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekt er en lineær elektromekanisk interaktion mellem de mekaniske og elektriske tilstande af krystallinske materialer med inversionssymmetri. Det er en reversibel proces, hvilket betyder, at materialer, der udviser den piezoelektriske effekt, også udviser den omvendte piezoelektriske effekt, som er den interne generering af mekanisk belastning som følge af et påført elektrisk felt. Et eksempel på dette er blyzirkonat-titanatkrystaller, som genererer målbar piezoelektricitet, når deres statiske struktur deformeres fra sin oprindelige dimension. Omvendt, når et eksternt elektrisk felt påføres, ændrer krystallerne deres statiske dimension, hvilket resulterer i den omvendte piezoelektriske effekt, som er produktionen af ultralydsbølger.

De franske fysikere Jacques og Pierre Curie opdagede piezoelektricitet i 1880, og den er siden blevet udnyttet til en række nyttige anvendelser, herunder produktion og detektering af lyd. Piezoelektricitet finder også hverdagsbrug, såsom at generere gnister til at antænde gas i madlavnings- og varmeapparater, fakler, cigarettændere og meget mere.

Den pyroelektriske effekt, som er det materiale, der genererer et elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring, blev undersøgt af Carl Linnaeus, Franz Aepinus, og midten af 18-tallet hentede viden fra René Haüy og Antoine César Becquerel, der angav forholdet mellem mekanisk stress og elektrisk ladning. Eksperimenter for at bevise dette var inkonklusive.

Udsigten af en piezokrystal i Curie Compensator på Hunterian Museum i Skotland er en demonstration af brødrene Pierre og Jacques Curies direkte piezoelektriske effekt. Kombinationen af deres viden om pyroelektricitet og forståelse af de underliggende krystalstrukturer gav anledning til forudsigelsen af pyroelektricitet og gjorde det muligt for dem at forudsige krystaladfærden. Dette blev demonstreret med virkningen af krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natrium- og kaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts udviste også piezoelektricitet, og en piezoelektrisk skive blev brugt til at generere en spænding, når den blev deformeret. Dette blev stærkt overdrevet af Curies for at forudsige den omvendte piezoelektriske effekt, som blev matematisk udledt af fundamentale termodynamiske principper af Gabriel Lippmann i 1881.

Curies bekræftede øjeblikkeligt eksistensen af den omvendte effekt og fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektro-elastomekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller. I årtier forblev piezoelektricitet en laboratoriekuriositet, men var et vigtigt værktøj i opdagelsen af polonium og radium af Pierre og Marie Curie i deres arbejde med at udforske og definere krystalstrukturer, der udviste piezoelektricitet. Dette kulminerede i udgivelsen af Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturlige krystalklasser, der er i stand til piezoelektricitet, og nøje definerede de piezoelektriske konstanter gennem tensoranalyse.

Den praktiske anvendelse af piezoelektriske enheder begyndte med sonar, som blev udviklet under Første Verdenskrig. I Frankrig udviklede Paul Langevin og hans kolleger en ultralyds-ubådsdetektor. Detektoren bestod af en transducer lavet af tynde kvartskrystaller omhyggeligt limet til stålplader, kaldet en hydrofon, for at detektere det returnerede ekko efter at have udsendt en højfrekvent puls. Ved at måle den tid, det tager at høre ekkoet af lydbølger, der hopper af et objekt, kunne de beregne afstanden til objektet. Denne brug af piezoelektricitet i ekkolod var en succes, og projektet skabte en intens udvikling og interesse for piezoelektriske enheder i årtier.

Nye piezoelektriske materialer og nye applikationer til disse materialer blev udforsket og udviklet, og piezoelektriske enheder fandt hjem i områder som keramiske fonografpatroner, hvilket forenklede afspillerens design og skabte billigere, mere præcise pladespillere, der var billigere at vedligeholde og nemmere at bygge . Udviklingen af ultralydstransducere muliggjorde let måling af viskositet og elasticitet af væsker og faste stoffer, hvilket resulterede i enorme fremskridt inden for materialeforskning. Ultralyds-tidsdomænereflektometre sender en ultralydsimpuls gennem et materiale og måler refleksioner og diskontinuiteter for at finde fejl inde i støbte metal- og stengenstande

Ultrafine fokuseringsoptiske samlinger

Piezoelektricitet er visse materialers evne til at akkumulere elektrisk ladning, når de udsættes for mekanisk belastning. Det er en lineær elektromekanisk interaktion mellem elektriske og mekaniske tilstande af krystallinske materialer med inversionssymmetri. Piezoelektricitet er en reversibel proces, hvilket betyder, at materialer, der udviser piezoelektricitet, også udviser den omvendte piezoelektriske effekt, som er den interne generering af mekanisk belastning som følge af et påført elektrisk felt.

Piezoelektricitet er blevet brugt i en række forskellige applikationer, herunder produktion og detektering af lyd og generering af højspændingselektricitet. Piezoelektricitet bruges også til inkjet-print, urgeneratorer, elektroniske enheder, mikrovægte, drev-ultralydsdyser og optiske enheder med ultrafine fokusering.

Piezoelektricitet blev opdaget i 1880 af de franske fysikere Jacques og Pierre Curie. Den piezoelektriske effekt udnyttes i nyttige applikationer, såsom produktion og detektering af lyd og generering af højspændingselektricitet. Der anvendes også piezoelektrisk inkjet-udskrivning, såvel som urgeneratorer, elektroniske enheder, mikrovægte, drev-ultralydsdyser og optiske enheder med ultrafine fokusering.

Piezoelektricitet har fundet vej til daglig brug, såsom at generere gnister til at antænde gas til madlavnings- og opvarmningsanordninger, fakler, cigarettændere og pyroelektriske effektmaterialer, der genererer elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring. Denne effekt blev undersøgt af Carl Linnaeus og Franz Aepinus i midten af det 18. århundrede, idet de trak på viden fra René Haüy og Antoine César Becquerel, der angav et forhold mellem mekanisk belastning og elektrisk ladning. Eksperimenter viste sig ikke at være entydige.

Natrium- og kaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts og Rochelle-salt udviste piezoelektricitet, og en piezoelektrisk skive blev brugt til at generere en spænding, når den blev deformeret, selvom ændringen i form var stærkt overdrevet. The Curies forudsagde den omvendte piezoelektriske effekt, og den omvendte effekt blev matematisk udledt af fundamentale termodynamiske principper af Gabriel Lippmann i 1881. The Curies bekræftede straks eksistensen af den omvendte effekt og fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektro- elastomekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller.

I årtier forblev piezoelektricitet et laboratorie-kuriositet, indtil det blev et vigtigt værktøj i opdagelsen af polonium og radium af Pierre og Marie Curie. Deres arbejde med at udforske og definere krystalstrukturerne, der udviste piezoelektricitet, kulminerede i udgivelsen af Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dette beskrev de naturlige krystalklasser, der er i stand til piezoelektricitet, og definerede strengt de piezoelektriske konstanter ved hjælp af tensoranalyse til praktisk anvendelse af piezoelektriske enheder.

Udviklingen af sonar var et succesprojekt, der skabte en intens udvikling og interesse for piezoelektriske enheder. Årtier senere blev nye piezoelektriske materialer og nye anvendelser for disse materialer udforsket og udviklet. Piezoelektriske enheder fandt hjem på en række forskellige områder, såsom keramiske fonografpatroner, som forenklede afspillerdesign og gjorde pladespillere billigere og nemmere at vedligeholde og bygge. Udviklingen af ultralydstransducere muliggjorde let måling af viskositet og elasticitet af væsker og faste stoffer, hvilket resulterede i enorme fremskridt inden for materialeforskning. Ultralyds-tidsdomænereflektometre sender en ultralydsimpuls ind i et materiale og måler refleksioner og diskontinuiteter for at finde fejl inde i støbte metal- og stengenstande, hvilket forbedrer den strukturelle sikkerhed.

Begyndelsen af området for piezoelektricitetsinteresser blev sikret med profitable patenter på nye materialer udviklet af kvartskrystaller, som blev kommercielt udnyttet som et piezoelektrisk materiale. Forskere søgte efter materialer med højere ydeevne, og på trods af fremskridt inden for materialer og modning af fremstillingsprocesser voksede det amerikanske marked ikke hurtigt. I modsætning hertil delte japanske producenter information hurtigt, og nye applikationer til vækst i den amerikanske piezoelektriske industri led i modsætning til japanske producenter.

Piezoelektriske motorer

I dette afsnit vil jeg tale om, hvordan piezoelektricitet bruges i moderne teknologi. Fra scanningsprobemikroskoper, der kan opløse billeder i atomskalaen til pickupper til elektronisk forstærkede guitarer og triggere til moderne elektroniske trommer, er piezoelektricitet blevet en integreret del af mange enheder. Jeg vil udforske historien om piezoelektricitet, og hvordan den er blevet brugt i en række forskellige applikationer.

danner grundlag for scanning probe mikroskoper

Piezoelektricitet er den elektriske ladning, der akkumuleres i visse faste materialer, såsom krystaller, keramik og biologiske stoffer som knogler og DNA. Det er svaret på påført mekanisk stress, og ordet piezoelektricitet kommer fra det græske ord πιέζειν (piezein) der betyder "klem" eller "tryk" og ἤλεκτρον (ēlektron) betyder "rav", en gammel kilde til elektrisk ladning.

Piezoelektriske motorer er enheder, der bruger den piezoelektriske effekt til at generere bevægelse. Denne effekt er den lineære elektromekaniske interaktion mellem mekaniske og elektriske tilstande i krystallinske materialer med inversionssymmetri. Det er en reversibel proces, hvilket betyder, at materialer, der udviser den piezoelektriske effekt, også udviser den omvendte piezoelektriske effekt, som er den interne generering af mekanisk belastning som følge af et påført elektrisk felt. Eksempler på materialer, der genererer målbar piezoelektricitet, er blyzirkonat-titanatkrystaller.

Den piezoelektriske effekt udnyttes i nyttige applikationer, såsom produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-udskrivning, generering af højspændingselektricitet, urgeneratorer og elektroniske enheder som mikrovægte og drivende ultralydsdyser til ultrafinfokuserende optiske samlinger. Det danner også grundlaget for scanningsprobemikroskoper, som bruges til at opløse billeder i atomskalaen.

Piezoelektricitet blev opdaget i 1880 af de franske fysikere Jacques og Pierre Curie. Udsigten af en piezokrystal og Curie-kompensatoren kan ses på Hunterian Museum i Skotland, som er en demonstration af den direkte piezoelektriske effekt af brødrene Pierre og Jacques Curie.

Kombinationen af deres viden om pyroelektricitet og deres forståelse af de underliggende krystalstrukturer gav anledning til forudsigelsen af pyroelektricitet, som gjorde det muligt for dem at forudsige krystaladfærden. Dette blev demonstreret ved virkningen af krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natrium- og kaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts og Rochelle-salt udviste piezoelektricitet, og en piezoelektrisk skive blev brugt til at generere en spænding, når den blev deformeret, selvom dette blev stærkt overdrevet af Curies.

De forudsagde også den omvendte piezoelektriske effekt, og denne blev matematisk udledt af fundamentale termodynamiske principper af Gabriel Lippmann i 1881. The Curies bekræftede straks eksistensen af den omvendte effekt og fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektroelasto- mekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller.

I årtier forblev piezoelektricitet et laboratorie-kuriositet, indtil det blev et vigtigt værktøj i opdagelsen af polonium og radium af Pierre og Marie Curie. Deres arbejde med at udforske og definere de krystalstrukturer, der udviste piezoelektricitet, kulminerede i udgivelsen af Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturlige krystalklasser, der er i stand til piezoelektricitet, og nøje definerede de piezoelektriske konstanter og tensoranalyse.

Dette førte til den praktiske anvendelse af piezoelektriske enheder, såsom sonar, som blev udviklet under XNUMX. Verdenskrig. I Frankrig udviklede Paul Langevin og hans kolleger en ultralyds-ubådsdetektor. Denne detektor bestod af en transducer lavet af tynde kvartskrystaller omhyggeligt limet til stålplader og en hydrofon til at detektere det returnerede ekko efter at have udsendt en højfrekvent puls fra transduceren. Ved at måle den tid, det tager at høre ekkoet af lydbølgerne, der preller af et objekt, var de i stand til at beregne afstanden til objektet. De brugte piezoelektricitet til at gøre denne sonar til en succes, og projektet skabte en intens udvikling og interesse for piezoelektriske enheder i årtier.

Nye piezoelektriske materialer og nye applikationer til disse materialer blev udforsket og udviklet, og piezoelektriske enheder fandt hjem på mange områder, såsom keramiske fonografpatroner, som forenklede afspillerens design og skabte billigere og mere præcise pladespillere, der var billigere at vedligeholde og nemmere at bygge. Udviklingen af ultralydstransducere muliggjorde let måling af viskositet og elasticitet af væsker og faste stoffer, hvilket resulterede i enorme fremskridt inden for materialeforskning. Ultralyds-tidsdomænereflektometre sender en ultralydsimpuls ind i et materiale og måler refleksioner og diskontinuiteter for at finde fejl inde i støbte metal- og stengenstande, hvilket forbedrer den strukturelle sikkerhed.

Under Anden Verdenskrig, uafhængige forskningsgrupper i USA

Løs billeder på skala af atomer

Piezoelektricitet er den elektriske ladning, der akkumuleres i visse faste materialer såsom krystaller, keramik og biologisk materiale som knogle og DNA. Det er en reaktion på påført mekanisk belastning og er afledt af det græske ord 'piezein', der betyder at klemme eller trykke. Den piezoelektriske effekt er resultatet af den lineære elektromekaniske interaktion mellem de mekaniske og elektriske tilstande i krystallinske materialer med inversionssymmetri.

Piezoelektricitet er en reversibel proces, og materialer, der udviser den piezoelektriske effekt, udviser også den omvendte piezoelektriske effekt, som er den interne generering af mekanisk belastning som følge af et påført elektrisk felt. Eksempler på dette omfatter blyzirkonat-titanatkrystaller, som genererer målbar piezoelektricitet, når deres statiske struktur deformeres fra sin oprindelige dimension. Omvendt ændrer krystaller deres statiske dimension, når et eksternt elektrisk felt påføres, hvilket er kendt som den omvendte piezoelektriske effekt og bruges til produktion af ultralydsbølger.

De franske fysikere Jacques og Pierre Curie opdagede piezoelektricitet i 1880. Den piezoelektriske effekt er blevet udnyttet til en række nyttige anvendelser, herunder produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-udskrivning, generering af højspændingselektricitet, urgeneratorer og elektroniske enheder som f.eks. mikrobalancer og drive ultralydsdyser. Det danner også grundlaget for scanningsprobemikroskoper, som bruges til at opløse billeder i atomskalaen.

Piezoelektricitet bruges også i hverdagsapplikationer, såsom generering af gnister til at antænde gas i madlavnings- og varmeapparater, fakler, cigarettændere og meget mere. Den pyroelektriske effekt, som er et materiale, der genererer et elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring, blev undersøgt af Carl Linnaeus og Franz Aepinus i midten af det 18. århundrede. Med udgangspunkt i René Haüys og Antoine César Becquerels viden fremsatte de et forhold mellem mekanisk belastning og elektrisk ladning, men deres eksperimenter viste sig ikke at være afgørende.

Besøgende på Hunterian Museum i Glasgow kan se en piezokrystal Curie-kompensator, en demonstration af den direkte piezoelektriske effekt af brødrene Pierre og Jacques Curie. Kombineret med deres viden om pyroelektricitet og forståelse af de underliggende krystalstrukturer, gav de anledning til forudsigelsen af pyroelektricitet og evnen til at forudsige krystaladfærd. Dette blev demonstreret ved virkningen af krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natrium- og kaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts og Rochelle-salt udviste piezoelektricitet, og en piezoelektrisk skive genererer en spænding, når den deformeres, selvom ændringen i form er stærkt overdrevet. Curies var i stand til at forudsige den omvendte piezoelektriske effekt, og den omvendte effekt blev matematisk udledt af grundlæggende termodynamiske principper af Gabriel Lippmann i 1881.

Curies bekræftede øjeblikkeligt eksistensen af den omvendte effekt og fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektro-elastomekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller. I årtier forblev piezoelektricitet et laboratorie-kuriositet, men det var et vigtigt værktøj i opdagelsen af polonium og radium af Pierre og Marie Curie. Deres arbejde med at udforske og definere krystalstrukturer, der udviste piezoelektricitet, kulminerede i udgivelsen af Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics).

Pickups elektronisk forstærkede guitarer

Piezoelektriske motorer er elektriske motorer, der bruger den piezoelektriske effekt til at omdanne elektrisk energi til mekanisk energi. Den piezoelektriske effekt er visse materialers evne til at generere en elektrisk ladning, når de udsættes for mekanisk belastning. Piezoelektriske motorer bruges i en række forskellige applikationer, fra at drive små enheder såsom ure og ure til at drive større maskiner såsom robotter og medicinsk udstyr.

Piezoelektriske motorer bruges i pickupper elektronisk forstærkede guitarer. Disse pickupper bruger den piezoelektriske effekt til at konvertere guitarstrengenes vibrationer til et elektrisk signal. Dette signal forstærkes derefter og sendes til en forstærker, som producerer guitarens lyd. Piezoelektriske pickupper bruges også i moderne elektroniske trommer, hvor de bruges til at detektere vibrationerne fra tromlehovederne og konvertere dem til et elektrisk signal.

Piezoelektriske motorer bruges også i scanning sondemikroskoper, som bruger den piezoelektriske effekt til at flytte en lille sonde hen over en overflade. Dette gør det muligt for mikroskopet at opløse billeder på skalaen af atomer. Piezoelektriske motorer bruges også i inkjet-printere, hvor de bruges til at flytte printhovedet frem og tilbage over siden.

Piezoelektriske motorer bruges i en række andre applikationer, herunder medicinsk udstyr, bilkomponenter og forbrugerelektronik. De bruges også i industrielle applikationer, såsom til fremstilling af præcisionsdele og til samling af komplekse komponenter. Den piezoelektriske effekt bruges også i produktionen af ultralydsbølger, som bruges til medicinsk billeddannelse og til påvisning af fejl i materialer.

Overordnet set bruges piezoelektriske motorer i en lang række applikationer, fra at drive små enheder til at drive større maskiner. De bruges i pickupper elektronisk forstærkede guitarer, moderne elektroniske trommer, scanning probe mikroskoper, inkjet printere, medicinsk udstyr, bilkomponenter og forbrugerelektronik. Den piezoelektriske effekt bruges også til produktion af ultralydsbølger og til påvisning af fejl i materialer.

Udløser moderne elektroniske trommer

Piezoelektricitet er den elektriske ladning, der akkumuleres i visse faste materialer såsom krystaller, keramik og biologisk materiale som knogle og DNA. Det er disse materialers reaktion på påført mekanisk belastning. Ordet piezoelektricitet er afledt af det græske ord "piezein", som betyder "at klemme eller trykke", og ordet "elektron", som betyder "rav", en gammel kilde til elektrisk ladning.

Piezoelektriske motorer er enheder, der bruger den piezoelektriske effekt til at generere bevægelse. Denne effekt er resultatet af den lineære elektromekaniske interaktion mellem de mekaniske og elektriske tilstande af krystallinske materialer med inversionssymmetri. Det er en reversibel proces, hvilket betyder, at materialer, der udviser den piezoelektriske effekt, også udviser den omvendte piezoelektriske effekt, som er den interne generering af mekanisk belastning som følge af et påført elektrisk felt. Et eksempel på dette er blyzirkonat-titanatkrystaller, som genererer målbar piezoelektricitet, når deres statiske struktur deformeres fra sin oprindelige dimension. Omvendt, når et eksternt elektrisk felt påføres, ændrer krystallerne deres statiske dimension, hvilket producerer ultralydsbølger.

Piezoelektriske motorer bruges i en række dagligdags applikationer, såsom:

• Generering af gnister til at antænde gas i madlavnings- og opvarmningsapparater
• Fakler, cigarettændere og materialer med pyroelektrisk effekt
• Generering af elektrisk potentiale som reaktion på temperaturændringer
• Produktion og detektering af lyd
• Piezoelektrisk inkjet print
• Fremstilling af højspændingselektricitet
• Urgenerator og elektroniske enheder
• Mikrobalancer
• Drive ultralydsdyser og ultrafine fokuseringsoptiske samlinger
• Danner grundlag for scanning probe mikroskoper
• Opløse billeder på skalaen af atomer
• Pickups elektronisk forstærkede guitarer
• Udløser moderne elektroniske trommer.

Elektromekanisk modellering af piezoelektriske transducere

I dette afsnit vil jeg udforske den elektromekaniske modellering af piezoelektriske transducere. Jeg vil se på historien om opdagelsen af piezoelektricitet, de eksperimenter, der beviste dens eksistens, og udviklingen af piezoelektriske enheder og materialer. Jeg vil også diskutere bidragene fra de franske fysikere Pierre og Jacques Curie, Carl Linnaeus og Franz Aepinus, Rene Hauy og Antoine Cesar Becquerel, Gabriel Lippmann og Woldemar Voigt.

Franske fysikere Pierre og Jacques Curie

Piezoelektricitet er et elektromekanisk fænomen, hvor elektrisk ladning akkumuleres i visse faste materialer såsom krystaller, keramik og biologisk materiale som knogle og DNA. Denne ladning genereres som reaktion på en påført mekanisk belastning. Ordet 'piezoelektricitet' er afledt af det græske ord 'piezein', der betyder 'at klemme eller trykke', og 'elektron', der betyder 'rav', en gammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekt er resultatet af en lineær elektromekanisk interaktion mellem mekaniske og elektriske tilstande i materialer med inversionssymmetri. Denne effekt er reversibel, hvilket betyder, at materialer, der udviser den piezoelektriske effekt, også udviser den omvendte piezoelektriske effekt, hvor intern generering af mekanisk belastning produceres som svar på et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanat-krystaller målbar piezoelektricitet, når deres statiske struktur deformeres fra sin oprindelige dimension. Omvendt, når et eksternt elektrisk felt påføres, ændrer krystallerne deres statiske dimension, hvilket producerer ultralydsbølger i processen kendt som den omvendte piezoelektriske effekt.

I 1880 opdagede de franske fysikere Pierre og Jacques Curie den piezoelektriske effekt, og den er siden blevet udnyttet til en række nyttige anvendelser, herunder produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-udskrivning, generering af højspændingselektricitet, urgeneratorer og elektroniske enheder såsom mikrovægte og drev-ultralydsdyser til ultrafin fokusering af optiske samlinger. Det danner også grundlag for scanning af probemikroskoper, som kan opløse billeder på atomskalaen. Piezoelektricitet bruges også i pickupper til elektronisk forstærkede guitarer og triggere til moderne elektroniske trommer.

Piezoelektricitet finder også hverdagsbrug, såsom at generere gnister til at antænde gas i madlavnings- og varmeapparater, fakler, cigarettændere og meget mere. Den pyroelektriske effekt, hvor et materiale genererer et elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring, blev undersøgt af Carl Linnaeus og Franz Aepinus i midten af det 18. århundrede, idet de trækker på viden fra René Hauy og Antoine César Becquerel, der angav et forhold mellem mekanisk belastning og elektrisk ladning, selvom deres eksperimenter viste sig at være uoverkommelige.

Ved at kombinere deres viden om pyroelektricitet med en forståelse af de underliggende krystalstrukturer var Curies i stand til at give anledning til forudsigelsen af pyroelektricitet og forudsige krystallers adfærd. Dette blev demonstreret i virkningen af krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts udviste også piezoelektricitet. En piezoelektrisk disk genererer en spænding, når den deformeres, selvom dette er stærkt overdrevet i Curies' demonstration. De var også i stand til at forudsige den omvendte piezoelektriske effekt og matematisk udlede den fra grundlæggende termodynamiske principper af Gabriel Lippmann i 1881.

Curies bekræftede øjeblikkeligt eksistensen af den omvendte effekt og fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektro-elastomekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller. I årtierne, der fulgte, forblev piezoelektricitet et laboratorie-kuriositet, indtil det blev et vigtigt værktøj i opdagelsen af polonium og radium af Pierre og Marie Curie. Deres arbejde med at udforske og definere de krystalstrukturer, der udviste piezoelektricitet, kulminerede i udgivelsen af Woldemar Voigts 'Lehrbuch der Kristallphysik' (Lærebog i Krystalfysik).

Eksperimenter viste sig at være inkonklusive

Piezoelektricitet er et elektromekanisk fænomen, hvor elektrisk ladning akkumuleres i visse faste materialer, såsom krystaller, keramik og biologisk materiale som knogle og DNA. Det er reaktionen på påført mekanisk belastning, og ordet 'piezoelektricitet' er afledt af de græske ord 'piezein', der betyder 'at klemme eller presse', og 'ēlektron', der betyder 'rav', en gammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekt er resultatet af den lineære elektromekaniske interaktion mellem de mekaniske og elektriske tilstande af krystallinske materialer med inversionssymmetri. Det er en reversibel proces; materialer, der udviser den piezoelektriske effekt, udviser også den omvendte piezoelektriske effekt, som er den interne generering af mekanisk belastning som følge af et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanat-krystaller målbar piezoelektricitet, når deres statiske struktur deformeres fra sin oprindelige dimension. Omvendt kan krystaller ændre deres statiske dimension, når et eksternt elektrisk felt påføres, kendt som den omvendte piezoelektriske effekt, som bruges til produktion af ultralydsbølger.

De franske fysikere Pierre og Jacques Curie opdagede piezoelektricitet i 1880. Den er siden blevet udnyttet til en række nyttige anvendelser, herunder produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-udskrivning, generering af højspændingselektricitet, urgeneratorer og elektroniske enheder som mikrobalancer , drev ultralydsdyser og ultrafine fokuseringsoptiske samlinger. Det danner også grundlag for scanning probe mikroskoper, som kan opløse billeder på skalaen af atomer. Piezoelektricitet bruges også i pickupper til elektronisk forstærkede guitarer og triggere til moderne elektroniske trommer.

Piezoelektricitet finder daglig anvendelse til at generere gnister til at antænde gas i madlavnings- og opvarmningsanordninger, fakler, cigarettændere og meget mere. Den pyroelektriske effekt, hvor et materiale genererer et elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring, blev undersøgt af Carl Linnaeus og Franz Aepinus i midten af det 18. århundrede, idet de trækker på viden fra René Hauy og Antoine César Becquerel, der angav et forhold. mellem mekanisk belastning og elektrisk ladning. Eksperimenter viste sig ikke at være entydige.

Den kombinerede viden om pyroelektricitet og forståelsen af de underliggende krystalstrukturer gav anledning til forudsigelsen af pyroelektricitet og evnen til at forudsige krystallers adfærd. Dette blev demonstreret i virkningen af krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts udviste også piezoelektricitet, og en piezoelektrisk skive blev brugt til at generere en spænding, når den blev deformeret. Dette blev stærkt overdrevet i Curies' demonstration af den direkte piezoelektriske effekt.

Brødrene Pierre og Jacques Curie forudsagde den omvendte piezoelektriske effekt, og den omvendte effekt blev matematisk udledt af fundamentale termodynamiske principper af Gabriel Lippmann i 1881. Curies bekræftede øjeblikkeligt eksistensen af den omvendte effekt og fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektro-elastomekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller.

I årtier forblev piezoelektricitet et laboratorie-kuriositet, men det var et vigtigt værktøj i opdagelsen af polonium og radium af Pierre og Marie Curie. Deres arbejde med at udforske og definere krystalstrukturerne, der udviste piezoelektricitet, kulminerede i udgivelsen af Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dette beskrev de naturlige krystalklasser, der er i stand til piezoelektricitet, og definerede strengt de piezoelektriske konstanter ved hjælp af tensoranalyse. Dette var den første praktiske anvendelse af piezoelektriske transducere, og sonar blev udviklet under XNUMX. Verdenskrig. I Frankrig udviklede Paul Langevin og hans kolleger en ultralyds-ubådsdetektor.

Carl Linnaeus og Franz Aepinus

Piezoelektricitet er et elektromekanisk fænomen, hvor elektrisk ladning akkumuleres i visse faste materialer såsom krystaller, keramik og biologisk materiale som knogle og DNA. Denne ladning genereres som reaktion på påført mekanisk belastning. Ordet piezoelektricitet kommer fra de græske ord πιέζειν (piezein), der betyder "at klemme eller trykke" og ἤλεκτρον (ēlektron) betyder "rav", en gammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekt er resultatet af en lineær elektromekanisk interaktion mellem de mekaniske og elektriske tilstande af krystallinske materialer med inversionssymmetri. Denne effekt er reversibel, hvilket betyder, at materialer, der udviser piezoelektricitet, også udviser den omvendte piezoelektriske effekt, som er den interne generering af mekanisk belastning som følge af et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanat-krystaller målbar piezoelektricitet, når deres statiske struktur deformeres fra sin oprindelige dimension. Omvendt kan krystaller ændre deres statiske dimension, når et eksternt elektrisk felt påføres, hvilket er kendt som den omvendte piezoelektriske effekt og bruges til produktion af ultralydsbølger.

I 1880 opdagede de franske fysikere Jacques og Pierre Curie den piezoelektriske effekt, og den er siden blevet udnyttet til mange nyttige anvendelser, herunder produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-udskrivning, generering af højspændingselektricitet, urgeneratorer, elektroniske enheder, mikrobalancer , drev ultralydsdyser og ultrafine fokuseringsoptiske samlinger. Det danner også grundlag for scanning af sondemikroskoper, som bruges til at opløse billeder på atomskalaen. Piezoelektricitet bruges også i pickupper til elektronisk forstærkede guitarer og triggere til moderne elektroniske trommer.

Piezoelektricitet findes også i daglig brug, såsom at generere gnister til at antænde gas i madlavnings- og opvarmningsapparater, fakler, cigarettændere og den pyroelektriske effekt, som er, når et materiale genererer et elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring. Denne effekt blev undersøgt af Carl Linnaeus og Franz Aepinus i midten af det 18. århundrede, idet de trak på viden fra René Hauy og Antoine César Becquerel, som anførte et forhold mellem mekanisk belastning og elektrisk ladning, selvom deres eksperimenter viste sig at være inkonklusive.

Udsigten af en piezokrystal i Curie-kompensatoren på Hunterian Museum i Skotland er en demonstration af brødrene Pierre og Jacques Curie's direkte piezoelektriske effekt. Kombinationen af deres viden om pyroelektricitet med en forståelse af de underliggende krystalstrukturer gav anledning til forudsigelsen af pyroelektricitet og evnen til at forudsige krystaladfærden. Dette blev demonstreret ved virkningen af krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts fra Rochelle-salt udviste piezoelektricitet, og en piezoelektrisk skive genererer en spænding, når den deformeres, selvom dette er stærkt overdrevet i Curies' demonstration.

Forudsigelsen af den omvendte piezoelektriske effekt og dens matematiske udledning fra grundlæggende termodynamiske principper blev foretaget af Gabriel Lippmann i 1881. Curies bekræftede øjeblikkeligt eksistensen af den omvendte effekt og fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektroelasto- mekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller. I årtier forblev piezoelektricitet et laboratorie-kuriositet, indtil det blev et vigtigt værktøj i opdagelsen af polonium og radium af Pierre og Marie Curie, som brugte det til at udforske og definere krystalstrukturer, der udviste piezoelektricitet. Dette kulminerede i udgivelsen af Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturlige krystalklasser, der er i stand til piezoelektricitet, og nøje definerede de piezoelektriske konstanter ved hjælp af tensoranalyse.

Denne praktiske anvendelse af piezoelektriske transducere førte til udviklingen af ekkolod under Første Verdenskrig. I Frankrig udviklede Paul Langevin og hans kolleger en ultralyds-ubådsdetektor. Detektoren bestod af en transducer lavet af tynde kvartskrystaller omhyggeligt limet til stålplader og en hydrofon til at detektere det returnerede ekko efter at have udsendt en højfrekvent puls fra transduceren. Ved at måle den tid, det tager at høre ekkoet af lydbølger, der preller af et objekt, var de i stand til at beregne afstanden til objektet. De brugte piezoelektricitet til at gøre denne sonar til en succes, og projektet skabte en intens udvikling og interesse for piezoelektriske enheder

Rene Hauy og Antoine Cesar Becquerel

Piezoelektricitet er et elektromekanisk fænomen, der opstår, når visse faste materialer, såsom krystaller, keramik og biologisk materiale som knogle og DNA, akkumulerer elektrisk ladning som reaktion på påført mekanisk belastning. Piezoelektricitet er afledt af det græske ord 'piezein', der betyder 'at klemme eller trykke', og 'elektron', der betyder 'rav', en gammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekt er resultatet af en lineær elektromekanisk interaktion mellem mekaniske og elektriske tilstande i krystallinske materialer med inversionssymmetri. Denne effekt er reversibel, hvilket betyder, at materialer, der udviser den piezoelektriske effekt, også udviser den omvendte piezoelektriske effekt eller intern generering af mekanisk belastning som følge af et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanat-krystaller målbar piezoelektricitet, når deres statiske struktur deformeres fra sin oprindelige dimension. Omvendt kan krystaller ændre deres statiske dimension, når et eksternt elektrisk felt påføres, hvilket resulterer i den omvendte piezoelektriske effekt og produktionen af ultralydsbølger.

De franske fysikere Pierre og Jacques Curie opdagede den piezoelektriske effekt i 1880. Denne effekt er blevet udnyttet til en række nyttige anvendelser, herunder produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-udskrivning, generering af højspændingselektricitet, urgeneratorer og elektroniske enheder som mikrovægte, drev-ultralydsdyser og ultrafine fokuseringsoptiske samlinger. Det danner også grundlaget for scanning probe mikroskoper, som kan opløse billeder på en skala af atomer. Piezoelektricitet bruges også i pickupper til elektronisk forstærkede guitarer og triggere til moderne elektroniske trommer.

Den piezoelektriske effekt blev første gang undersøgt af Carl Linnaeus og Franz Aepinus i midten af det 18. århundrede, idet de trak på viden fra Rene Hauy og Antoine Cesar Becquerel, som angav et forhold mellem mekanisk belastning og elektrisk ladning. Eksperimenter viste sig imidlertid ikke at være entydige. Kombineret med viden om pyroelektricitet og forståelse af de underliggende krystalstrukturer gav dette anledning til forudsigelse af pyroelektricitet og evnen til at forudsige krystaladfærd. Dette blev demonstreret i virkningen af krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts udviste også piezoelektricitet, og en piezoelektrisk skive blev brugt til at generere en spænding, når den blev deformeret. Denne effekt blev stærkt overdrevet i Curies' demonstration på Museum of Scotland, som viste den direkte piezoelektriske effekt.

Brødrene Pierre og Jacques Curie fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektro-elastomekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller. I årtier forblev piezoelektricitet et laboratorie-kuriositet, indtil det blev et vigtigt værktøj i opdagelsen af polonium og radium af Pierre og Marie Curie. Dette arbejde udforskede og definerede de krystalstrukturer, der udviste piezoelektricitet, og kulminerede med udgivelsen af Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics).

Curies bekræftede øjeblikkeligt eksistensen af den omvendte effekt og fortsatte med at udlede matematisk de grundlæggende termodynamiske principper for den omvendte effekt. Dette blev gjort af Gabriel Lippmann i 1881. Piezoelektricitet blev derefter brugt til at udvikle sonar under XNUMX. Verdenskrig. I Frankrig udviklede Paul Langevin og hans kolleger en ultralyds-ubådsdetektor. Denne detektor bestod af en transducer lavet af tynde kvartskrystaller omhyggeligt limet til stålplader og en hydrofon til at detektere det returnerede ekko. Ved at udsende en højfrekvent puls fra transduceren og måle den tid, det tager at høre ekkoet af lydbølgerne, der preller af et objekt, kunne de beregne afstanden til objektet.

Brugen af piezoelektriske krystaller blev videreudviklet af Bell Telephone Laboratories efter Anden Verdenskrig. Frederick R. Lack, der arbejdede i radiotelefoniingeniørafdelingen, udviklede en skåret krystal, der kunne fungere over et bredt temperaturområde. Lacks krystal havde ikke brug for det tunge tilbehør fra tidligere krystaller, hvilket gjorde det lettere at bruge det i fly. Denne udvikling gjorde det muligt for de allierede luftstyrker at deltage i koordinerede masseangreb ved hjælp af luftfartsradio. Udviklingen af piezoelektriske enheder og materialer i USA holdt virksomheder i udviklingen af krigstidens begyndelse i feltet, og interesser i at sikre rentable patenter for nye materialer udviklet. Kvartskrystaller blev kommercielt udnyttet som et piezoelektrisk materiale, og videnskabsmænd søgte efter materialer med højere ydeevne. På trods af fremskridt i materialer og modning af fremstillingsprocesser, USA

Gabriel Lippmann

Piezoelektricitet er et elektromekanisk fænomen, hvor elektrisk ladning akkumuleres i visse faste materialer, såsom krystaller, keramik og biologisk materiale som knogle og DNA. Det er resultatet af et samspil mellem mekaniske og elektriske tilstande i materialer med inversionssymmetri. Piezoelektricitet blev først opdaget af de franske fysikere Pierre og Jacques Curie i 1880.

Piezoelektricitet er blevet udnyttet til en række nyttige anvendelser, herunder produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-udskrivning og generering af højspændingselektricitet. Piezoelektricitet er afledt af de græske ord πιέζειν (piezein) der betyder "at klemme eller trykke" og ἤλεκτρον (ēlektron) der betyder "rav", en gammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekt er reversibel, hvilket betyder, at materialer, der udviser piezoelektricitet, også udviser den omvendte piezoelektriske effekt, hvor den interne generering af mekanisk belastning skyldes påføringen af et elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanat-krystaller målbar piezoelektricitet, når deres statiske struktur deformeres fra sin oprindelige dimension. Omvendt kan krystaller ændre deres statiske dimension, når et eksternt elektrisk felt påføres, en proces kendt som den omvendte piezoelektriske effekt. Denne proces kan bruges til at producere ultralydsbølger.

Den piezoelektriske effekt er blevet undersøgt siden midten af det 18. århundrede, hvor Carl Linnaeus og Franz Aepinus, med udgangspunkt i René Hauys og Antoine César Becquerels viden, fremsatte et forhold mellem mekanisk belastning og elektrisk ladning. Eksperimenter viste sig imidlertid ikke at være afgørende. Det var først, da den kombinerede viden om pyroelektricitet og en forståelse af de underliggende krystalstrukturer gav anledning til forudsigelsen af pyroelektricitet, at forskere var i stand til at forudsige krystaladfærd. Dette blev demonstreret ved virkningen af krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt.

Gabriel Lippmann udledte i 1881 matematisk de grundlæggende termodynamiske principper for den omvendte piezoelektriske effekt. Curies bekræftede øjeblikkeligt eksistensen af den omvendte effekt og fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektro-elastomekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller.

Den praktiske anvendelse af piezoelektriske enheder begyndte med udviklingen af ekkolod under Første Verdenskrig. Paul Langevin og hans medarbejdere udviklede en ultralyds-ubådsdetektor. Denne detektor bestod af en transducer lavet af tynde kvartskrystaller omhyggeligt limet til stålplader og en hydrofon til at detektere det returnerede ekko. Ved at udsende en højfrekvent puls fra transduceren og måle den tid, det tager at høre ekkoet af lydbølger, der preller af et objekt, var de i stand til at beregne afstanden til objektet. Denne brug af piezoelektricitet til sonar var en succes, og projektet skabte en intens udviklingsinteresse for piezoelektriske enheder. I løbet af årtierne blev nye piezoelektriske materialer og nye anvendelser for disse materialer udforsket og udviklet. Piezoelektriske enheder fandt hjem inden for en række forskellige områder, fra keramiske fonografpatroner, der forenklede afspillerdesignet og gjorde billige, nøjagtige pladespillere billigere at vedligeholde og nemmere at bygge, til udviklingen af ultralydstransducere, der gjorde det nemt at måle væskers viskositet og elasticitet. og faste stoffer, hvilket resulterer i enorme fremskridt inden for materialeforskning. Ultralyds-tidsdomænereflektometre sender en ultralydsimpuls ind i et materiale og måler refleksioner og diskontinuiteter for at finde fejl inde i støbte metal- og stengenstande, hvilket forbedrer den strukturelle sikkerhed.

Efter Anden Verdenskrig opdagede uafhængige forskningsgrupper i USA, Rusland og Japan en ny klasse af syntetiske materialer kaldet ferroelektriske stoffer, der udviste piezoelektriske konstanter op til ti gange højere end naturlige materialer. Dette førte til intens forskning for at udvikle bariumtitanat, og senere blyzirkonattitanat, materialer med specifikke egenskaber til særlige anvendelser. Et væsentligt eksempel på brugen af piezoelektriske krystaller blev udviklet

Woldemar Voigt

Piezoelektricitet er et elektromekanisk fænomen, hvor elektrisk ladning akkumuleres i visse faste materialer, såsom krystaller, keramik og biologisk materiale som knogle og DNA. Denne ladning genereres som reaktion på en påført mekanisk belastning. Ordet piezoelektricitet er afledt af det græske ord "piezein", som betyder "at klemme eller trykke", og "elektron", som betyder "rav", en gammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekt er resultatet af en lineær elektromekanisk interaktion mellem de mekaniske og elektriske tilstande af krystallinske materialer med inversionssymmetri. Denne effekt er reversibel, hvilket betyder, at materialer, der udviser piezoelektricitet, også udviser en omvendt piezoelektrisk effekt, hvor den interne generering af mekanisk belastning skyldes et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanat-krystaller målbar piezoelektricitet, når deres statiske struktur deformeres fra sin oprindelige dimension. Omvendt kan krystaller ændre deres statiske dimension, når et eksternt elektrisk felt påføres, et fænomen kendt som den omvendte piezoelektriske effekt, som bruges til produktion af ultralydsbølger.

De franske fysikere Pierre og Jacques Curie opdagede piezoelektricitet i 1880. Den piezoelektriske effekt er siden blevet udnyttet til en række nyttige anvendelser, herunder produktion og detektering af lyd, piezoelektrisk inkjet-udskrivning, generering af højspændingselektricitet, urgeneratorer og elektroniske enheder som mikrovægte og drive ultralydsdyser til ultrafin fokusering af optiske samlinger. Det danner også grundlag for scanning probe mikroskoper, som kan opløse billeder på skalaen af atomer. Derudover bruger pickupper i elektronisk forstærkede guitarer og triggere i moderne elektroniske trommer den piezoelektriske effekt.

Piezoelektricitet finder også hverdagsbrug til at generere gnister til at antænde gas i madlavnings- og opvarmningsanordninger, i fakler, cigarettændere og meget mere. Den pyroelektriske effekt, hvor et materiale genererer et elektrisk potentiale som reaktion på en temperaturændring, blev undersøgt af Carl Linnaeus og Franz Aepinus i midten af det 18. århundrede, idet de trækker på viden fra Rene Hauy og Antoine Cesar Becquerel, der angav et forhold mellem mekanisk stress og elektrisk ladning. Eksperimenter for at bevise dette forhold viste sig ikke at være afgørende.

Udsigten af en piezokrystal i Curie-kompensatoren på Hunterian Museum i Skotland er en demonstration af brødrene Pierre og Jacques Curie's direkte piezoelektriske effekt. Kombinationen af deres viden om pyroelektricitet med en forståelse af de underliggende krystalstrukturer gav anledning til forudsigelsen af pyroelektricitet, som gjorde det muligt for dem at forudsige den krystaladfærd, de udviste i effekten af krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle salt . Natrium- og kaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts udviste også piezoelektricitet, og en piezoelektrisk skive blev brugt til at generere en spænding, når den blev deformeret. Denne ændring i form blev stærkt overdrevet i Curies' demonstration, og de fortsatte med at forudsige den omvendte piezoelektriske effekt. Den omvendte effekt blev matematisk udledt fra grundlæggende termodynamiske principper af Gabriel Lippmann i 1881.

Curies bekræftede øjeblikkeligt eksistensen af den omvendte effekt og fortsatte med at opnå kvantitativt bevis for den fuldstændige reversibilitet af elektro-elastomekaniske deformationer i piezoelektriske krystaller. I de følgende årtier forblev piezoelektricitet en laboratoriekuriositet, indtil den blev et vigtigt værktøj i opdagelsen af polonium og radium af Pierre Marie Curie, som brugte det til at udforske og definere krystalstrukturer, der udviste piezoelektricitet. Dette kulminerede i udgivelsen af Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturlige krystalklasser, der er i stand til piezoelektricitet, og nøje definerede de piezoelektriske konstanter ved hjælp af tensoranalyse.

Dette førte til den praktiske anvendelse af piezoelektriske enheder, såsom sonar, som blev udviklet under XNUMX. Verdenskrig. I Frankrig udviklede Paul Langevin og hans kolleger en ultralyds-ubådsdetektor. Denne detektor bestod af en transducer lavet af tynde kvartskrystaller omhyggeligt limet til stålplader og en hydrofon til at detektere det returnerede ekko efter at have udsendt en højfrekvent puls fra transduceren. Ved at måle den tid, det tager at høre ekkoet af lydbølgerne, der preller af et objekt, kunne de beregne afstanden til objektet. De brugte piezoelektricitet til at gøre dette sonar til en succes, og projektet skabte en intens udvikling og interesse for.

Vigtige relationer

Piezoelektriske aktuatorer: Piezoelektriske aktuatorer er enheder, der omdanner elektrisk energi til mekanisk bevægelse. De er almindeligt anvendt i robotteknologi, medicinsk udstyr og andre applikationer, hvor præcis bevægelseskontrol er påkrævet.
Piezoelektriske sensorer: Piezoelektriske sensorer bruges til at måle fysiske parametre som tryk, acceleration og vibration. De bruges ofte i industrielle og medicinske applikationer såvel som i forbrugerelektronik.
Piezoelektricitet i naturen: Piezoelektricitet er et naturligt forekommende fænomen i visse materialer og findes i mange levende organismer. Det bruges af nogle organismer til at fornemme deres miljø og til at kommunikere med andre organismer.

Konklusion

Piezoelektricitet er et fantastisk fænomen, der er blevet brugt i en række forskellige applikationer, fra ekkolod til fonografpatroner. Det er blevet undersøgt siden midten af 1800-tallet og er blevet brugt med stor effekt i udviklingen af moderne teknologi. Dette blogindlæg har udforsket historien og anvendelserne af piezoelektricitet og har fremhævet vigtigheden af dette fænomen i udviklingen af moderne teknologi. For dem, der er interesseret i at lære mere om piezoelektricitet, er dette indlæg et godt udgangspunkt.

Jeg er Joost Nusselder, grundlæggeren af Neaera og indholdsmarketing, far og elsker at prøve nyt udstyr med guitar i hjertet af min passion, og sammen med mit team har jeg lavet dybdegående blogartikler siden 2020 at hjælpe loyale læsere med indspilning og guitartips.

Tjek mig ud på Youtube hvor jeg prøver alt dette gear:

Tilmeld