Piezoelektrizität: Ein umfassender Leitfaden zum Verständnis ihrer Mechanik und Anwendungen

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Piezoelektrizität ist die Fähigkeit bestimmter Materialien, bei mechanischer Belastung Strom zu erzeugen und umgekehrt. Das Wort kommt vom griechischen Piezo und bedeutet Druck und Elektrizität. Es wurde erstmals 1880 entdeckt, aber das Konzept ist seit langem bekannt.

Das bekannteste Beispiel für Piezoelektrizität ist Quarz, aber auch viele andere Materialien zeigen dieses Phänomen. Die häufigste Anwendung von Piezoelektrizität ist die Erzeugung von Ultraschall.

In diesem Artikel werde ich diskutieren, was Piezoelektrizität ist, wie sie funktioniert und einige der vielen praktischen Anwendungen dieses erstaunlichen Phänomens.

Was ist Piezoelektrizität?

Piezoelektrizität ist die Fähigkeit bestimmter Materialien, als Reaktion auf angelegte mechanische Spannung eine elektrische Ladung zu erzeugen. Es ist eine lineare elektromechanische Wechselwirkung zwischen mechanischen und elektrischen Zuständen in kristallinen Materialien mit Inversionssymmetrie. Piezoelektrische Materialien können zur Erzeugung von Hochspannungsstrom, Taktgeneratoren, elektronischen Geräten, Mikrowaagen, zum Antreiben von Ultraschalldüsen und zur ultrafeinen Fokussierung optischer Baugruppen verwendet werden.

Zu piezoelektrischen Materialien gehören Kristalle, bestimmte Keramiken, biologische Materie wie Knochen und DNA sowie Proteine. Wenn auf ein piezoelektrisches Material eine Kraft ausgeübt wird, erzeugt es eine elektrische Ladung. Diese Ladung kann dann verwendet werden, um Geräte mit Strom zu versorgen oder eine Spannung zu erzeugen.

Piezoelektrische Materialien werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, darunter:
• Tonerzeugung und -erkennung
• Piezoelektrischer Tintenstrahldruck
• Erzeugung von Hochspannungsstrom
• Taktgeneratoren
• Elektronische Geräte
• Mikrowaagen
• Ultraschalldüsen antreiben
• Ultrafein fokussierende optische Baugruppen
• Pickups für elektronisch verstärkte Gitarren
• Trigger für moderne elektronische Drums
• Erzeugung von Funken zum Entzünden von Gas
• Koch- und Heizgeräte
• Taschenlampen und Feuerzeuge.

Was ist die Geschichte der Piezoelektrizität?

Die Piezoelektrizität wurde 1880 von den französischen Physikern Jacques und Pierre Curie entdeckt. Es ist die elektrische Ladung, die sich in bestimmten festen Materialien wie Kristallen, Keramik und biologischen Stoffen als Reaktion auf angewandte mechanische Belastung ansammelt. Das Wort "Piezoelektrizität" leitet sich vom griechischen Wort "piezein" ab, was "drücken" oder "drücken" bedeutet, und "elektron", was "Bernstein" bedeutet, eine alte Quelle elektrischer Ladung.

Das kombinierte Wissen der Curies über Pyroelektrizität und das Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen führten zu der Vorhersage der Pyroelektrizität und der Fähigkeit, das Kristallverhalten vorherzusagen. Dies zeigte sich in der Wirkung von Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz.

Piezoelektrizität wurde für viele nützliche Anwendungen genutzt, einschließlich der Erzeugung und Erkennung von Schall, piezoelektrischem Tintenstrahldruck, der Erzeugung von Hochspannungselektrizität, Taktgeneratoren und elektronischen Geräten, Mikrowaagen, Antrieb von Ultraschalldüsen, ultrafeiner Fokussierung optischer Baugruppen und der Formen der auf Basis von Rastersondenmikroskopen zur Auflösung von Bildern auf der Skala von Atomen.

Piezoelektrizität findet auch alltägliche Anwendungen, wie z. B. die Erzeugung von Funken zum Entzünden von Gas in Koch- und Heizgeräten, Taschenlampen, Zigarettenanzündern und den pyroelektrischen Effekt, bei dem ein Material als Reaktion auf eine Temperaturänderung ein elektrisches Potential erzeugt.

Die Entwicklung des Sonars während des Ersten Weltkriegs sah die Verwendung von piezoelektrischen Kristallen, die von den Bell Telephone Laboratories entwickelt wurden. Dies ermöglichte es den alliierten Luftstreitkräften, koordinierte Massenangriffe über Flugfunk durchzuführen. Die Entwicklung piezoelektrischer Geräte und Materialien in den Vereinigten Staaten hielt Unternehmen in der Entwicklung von Kriegsanfängen auf dem Gebiet der Interessen und sicherte profitable Patente für neue Materialien.

Japan sah die neuen Anwendungen und das Wachstum der piezoelektrischen Industrie der Vereinigten Staaten und entwickelte schnell ihre eigenen. Sie tauschten schnell Informationen aus und entwickelten Bariumtitanat- und später Bleizirkonattitanat-Materialien mit spezifischen Eigenschaften für bestimmte Anwendungen.

Die Piezoelektrizität hat seit ihrer Entdeckung im Jahr 1880 einen langen Weg zurückgelegt und wird heute in einer Vielzahl alltäglicher Anwendungen eingesetzt. Es wurde auch verwendet, um Fortschritte in der Materialforschung zu erzielen, wie z. B. Ultraschall-Zeitbereichsreflektometer, die einen Ultraschallimpuls durch ein Material senden, um Reflexionen und Diskontinuitäten zu messen, um Fehler in gegossenen Metall- und Steinobjekten zu finden und die strukturelle Sicherheit zu verbessern.

Wie Piezoelektrizität funktioniert

In diesem Abschnitt werde ich untersuchen, wie Piezoelektrizität funktioniert. Ich werde mich mit der Akkumulation elektrischer Ladung in Festkörpern, der linearen elektromechanischen Wechselwirkung und dem reversiblen Prozess befassen, der dieses Phänomen ausmacht. Ich werde auch die Geschichte der Piezoelektrizität und ihre Anwendungen diskutieren.

Akkumulation elektrischer Ladung in Festkörpern

Der piezoelektrische Effekt resultiert aus der linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen mechanischen und elektrischen Zuständen in kristallinen Materialien mit Inversionssymmetrie. Es ist ein reversibler Prozess, was bedeutet, dass Materialien mit Piezoelektrizität auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt aufweisen, bei dem eine interne Erzeugung mechanischer Spannung aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Beispiele für Materialien, die messbare Piezoelektrizität erzeugen, umfassen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle.

Die französischen Physiker Pierre und Jacques Curie entdeckten die Piezoelektrizität im Jahr 1880. Sie wurde seitdem für eine Vielzahl nützlicher Anwendungen genutzt, darunter die Erzeugung und Erfassung von Schall, piezoelektrischer Tintenstrahldruck, die Erzeugung von Hochspannungsstrom, Taktgeneratoren und elektronische Geräte wie Mikrowaagen und treiben Ultraschalldüsen zur ultrafeinen Fokussierung optischer Baugruppen an. Es bildet auch die Grundlage für Rastersondenmikroskope, die Bilder im Atommaßstab auflösen können. Piezoelektrizität wird auch in Tonabnehmern für elektronisch verstärkte Gitarren und Trigger für moderne elektronische Schlagzeuge verwendet.

Piezoelektrizität findet alltägliche Anwendungen bei der Erzeugung von Funken zum Entzünden von Gas, in Koch- und Heizgeräten, Taschenlampen, Feuerzeugen und dem pyroelektrischen Effekt, bei dem ein Material als Reaktion auf eine Temperaturänderung ein elektrisches Potential erzeugt. Dies wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl von Linné und Franz Aepinus untersucht, wobei sie sich auf das Wissen von René Haüy und Antoine César Becquerel stützten, die einen Zusammenhang zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Ladung postulierten. Experimente erwiesen sich als nicht schlüssig.

Der Blick auf einen Piezokristall im Curie-Kompensator im Hunterian Museum in Schottland demonstriert den direkten piezoelektrischen Effekt. Die Brüder Pierre und Jacques Curie kombinierten ihr Wissen über Pyroelektrizität mit einem Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen, was zur Vorhersage der Pyroelektrizität führte. Sie konnten das Kristallverhalten vorhersagen und die Wirkung in Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz nachweisen. Natriumkaliumtartrattetrahydrat und Quarz zeigten ebenfalls Piezoelektrizität. Eine piezoelektrische Scheibe erzeugt bei Verformung eine Spannung, und die Formänderung ist in der Curies-Demonstration stark übertrieben.

Sie konnten den umgekehrten piezoelektrischen Effekt vorhersagen, und der umgekehrte Effekt wurde 1881 von Gabriel Lippmann mathematisch abgeleitet. mechanische Verformungen in piezoelektrischen Kristallen.

Piezoelektrizität blieb jahrzehntelang eine Laborkuriosität, aber sie war ein wichtiges Werkzeug bei der Entdeckung von Polonium und Radium durch Pierre und Marie Curie. Ihre Arbeit zur Erforschung und Definition der Kristallstrukturen, die Piezoelektrizität aufweisen, gipfelte in der Veröffentlichung von Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik, das die natürlichen Kristallklassen beschrieb, die zur Piezoelektrizität fähig sind, und die piezoelektrischen Konstanten durch Tensoranalyse streng definierte. Dies war die praktische Anwendung piezoelektrischer Geräte, und Sonar wurde während des Ersten Weltkriegs entwickelt. In Frankreich entwickelten Paul Langevin und seine Mitarbeiter einen Ultraschall-U-Boot-Detektor.

Der Detektor bestand aus a Wandler aus dünnen Quarzkristallen, die sorgfältig auf Stahlplatten geklebt wurden, und einem Hydrophon zur Erfassung des zurückgeworfenen Echos. Indem du ein High aussendest Frequenz Impuls vom Wandler und die Messung der Zeit, die es dauert, bis man das Echo von Schallwellen hört, die von einem Objekt abprallen, konnten sie die Entfernung zum Objekt berechnen. Sie nutzten Piezoelektrizität, um Sonar zum Erfolg zu führen, und das Projekt führte zu einer intensiven Entwicklung und einem starken Interesse an piezoelektrischen Geräten. Im Laufe der Jahrzehnte wurden neue piezoelektrische Materialien und neue Anwendungen für die Materialien erforscht und entwickelt, und piezoelektrische Geräte fanden in einer Vielzahl von Bereichen eine Heimat. Keramische Tonabnehmer vereinfachten das Design von Playern und wurden für billige und genaue Plattenspieler entwickelt, die billiger zu warten und einfacher zu bauen waren.

Lineare elektromechanische Wechselwirkung

Piezoelektrizität ist die Fähigkeit bestimmter Materialien, bei mechanischer Belastung eine elektrische Ladung zu erzeugen. Das Wort leitet sich von den griechischen Wörtern πιέζειν (piezein) ab, was „quetschen oder drücken“ bedeutet, und ἤλεκτρον (ēlektron), was „Bernstein“ bedeutet, der eine alte Quelle elektrischer Ladung war.

Die Piezoelektrizität wurde 1880 von den französischen Physikern Jacques und Pierre Curie entdeckt. Es basiert auf der linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen den mechanischen und elektrischen Zuständen kristalliner Materialien mit Inversionssymmetrie. Dieser Effekt ist reversibel, was bedeutet, dass Materialien, die Piezoelektrizität aufweisen, auch einen umgekehrten piezoelektrischen Effekt aufweisen, wodurch eine interne Erzeugung einer mechanischen Spannung aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Beispiele für Materialien, die messbare Piezoelektrizität erzeugen, wenn sie aus ihrer statischen Struktur verformt werden, umfassen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle. Umgekehrt können Kristalle ihre statische Abmessung ändern, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, was als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt ist und bei der Erzeugung von Ultraschallwellen genutzt wird.

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Piezoelektrizität wurde für eine Vielzahl von nützlichen Anwendungen genutzt, wie zum Beispiel:

• Tonerzeugung und -erkennung
• Piezoelektrischer Tintenstrahldruck
• Erzeugung von Hochspannungsstrom
• Taktgenerator
• Elektronische Geräte
• Mikrowaagen
• Ultraschalldüsen antreiben
• Ultrafein fokussierende optische Baugruppen
• Bildet die Basis von Rastersondenmikroskopen zur Auflösung von Bildern im Atommaßstab
• Tonabnehmer in elektronisch verstärkten Gitarren
• Trigger in modernen elektronischen Schlagzeugen
• Erzeugung von Funken zur Entzündung von Gas in Koch- und Heizgeräten
• Taschenlampen und Feuerzeuge

Piezoelektrizität findet auch im Alltag Anwendung im pyroelektrischen Effekt, einem Material, das als Reaktion auf eine Temperaturänderung ein elektrisches Potential erzeugt. Dies wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl von Linné und Franz Aepinus untersucht, wobei sie sich auf das Wissen von René Haüy und Antoine César Becquerel stützten, die einen Zusammenhang zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Ladung postulierten. Experimente erwiesen sich jedoch als nicht schlüssig.

Die Betrachtung eines Piezokristalls im Curie-Kompensator im Hunterian Museum in Schottland ist eine Demonstration des direkten piezoelektrischen Effekts. Es war die Arbeit der Brüder Pierre und Jacques Curie, die die Kristallstrukturen erforschte und definierte, die Piezoelektrizität aufwiesen, was in der Veröffentlichung von Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik gipfelte. Dies beschrieb die natürlichen Kristallklassen, die zur Piezoelektrizität fähig sind, und definierte die piezoelektrischen Konstanten durch Tensoranalyse streng, was zur praktischen Anwendung piezoelektrischer Geräte führte.

Sonar wurde während des Ersten Weltkriegs entwickelt, als der Franzose Paul Langevin und seine Mitarbeiter einen U-Boot-Ultraschalldetektor entwickelten. Dieser Detektor bestand aus einem Wandler aus dünnen Quarzkristallen, die sorgfältig auf Stahlplatten geklebt wurden, und einem Hydrophon, um das zurückgeworfene Echo zu erfassen, nachdem ein Hochfrequenzimpuls vom Wandler ausgesendet wurde. Indem sie die Zeit maßen, die es braucht, um das Echo von Schallwellen zu hören, die von einem Objekt abprallen, konnten sie mithilfe von Piezoelektrizität die Entfernung des Objekts berechnen. Der Erfolg dieses Projekts hat im Laufe der Jahrzehnte zu einer intensiven Entwicklung und einem intensiven Interesse an piezoelektrischen Geräten geführt, wobei neue piezoelektrische Materialien und neue Anwendungen für diese Materialien erforscht und entwickelt wurden. Piezoelektrische Geräte fanden in vielen Bereichen ein Zuhause, wie z. B. keramische Tonabnehmer, die das Spielerdesign vereinfachten und für billigere und genauere Plattenspieler sorgten und billiger und einfacher zu bauen und zu warten waren.

Die Entwicklung von Ultraschallwandlern ermöglichte eine einfache Messung der Viskosität und Elastizität von Flüssigkeiten und Feststoffen, was zu enormen Fortschritten in der Materialforschung führte. Ultraschall-Zeitbereichsreflektometer senden einen Ultraschallimpuls in ein Material und messen die Reflexionen und Diskontinuitäten, um Fehler in gegossenen Metall- und Steinobjekten zu finden und so die strukturelle Sicherheit zu verbessern. Nach dem Zweiten Weltkrieg entdeckten unabhängige Forschungsgruppen in den Vereinigten Staaten, Russland und Japan eine neue Klasse synthetischer Materialien namens Ferroelektrika, die piezoelektrische Konstanten aufwiesen, die um ein Vielfaches höher waren als bei natürlichen Materialien. Dies führte zu intensiver Forschung zur Entwicklung von Bariumtitanat und später von Bleizirkonattitanat, Materialien mit spezifischen Eigenschaften für bestimmte Anwendungen.

Ein bedeutendes Beispiel für die Verwendung von piezoelektrischen Kristallen wurde von den Bell Telephone Laboratories nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelt. Frederick R. Lack, Mitarbeiter in der Abteilung Funktelefontechnik,

Reversibler Prozess

Piezoelektrizität ist eine elektrische Ladung, die sich in bestimmten festen Materialien wie Kristallen, Keramik und biologischen Stoffen wie Knochen und DNA ansammelt. Es ist die Reaktion dieser Materialien auf aufgebrachte mechanische Belastungen. Das Wort „Piezoelektrizität“ kommt von den griechischen Wörtern „piezein“, was „drücken“ oder „drücken“ bedeutet, und „ēlektron“, was „Bernstein“ bedeutet, eine uralte Quelle elektrischer Ladung.

Der piezoelektrische Effekt resultiert aus der linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen den mechanischen und elektrischen Zuständen kristalliner Materialien mit Inversionssymmetrie. Es ist ein reversibler Prozess, was bedeutet, dass Materialien, die Piezoelektrizität aufweisen, auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt aufweisen, der die interne Erzeugung mechanischer Spannung ist, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Beispiele für Materialien, die messbare Piezoelektrizität erzeugen, umfassen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle. Wenn die statische Struktur dieser Kristalle verformt wird, kehren sie in ihre ursprüngliche Dimension zurück, und wenn umgekehrt ein externes elektrisches Feld angelegt wird, ändern sie ihre statische Dimension und erzeugen Ultraschallwellen.

Die französischen Physiker Jacques und Pierre Curie entdeckten die Piezoelektrizität im Jahr 1880. Sie wurde seitdem für eine Vielzahl nützlicher Anwendungen genutzt, darunter die Erzeugung und Erkennung von Schall, piezoelektrischer Tintenstrahldruck, die Erzeugung von Hochspannungsstrom, Taktgeneratoren, elektronischen Geräten, Mikrowaagen, Antrieb von Ultraschalldüsen und ultrafein fokussierenden optischen Baugruppen. Es bildet auch die Grundlage für Rastersondenmikroskope, die Bilder im Atommaßstab auflösen können. Piezoelektrizität wird auch in Tonabnehmern für elektronisch verstärkte Gitarren und Trigger für moderne elektronische Schlagzeuge verwendet.

Piezoelektrizität findet auch alltägliche Anwendungen, wie z. B. die Erzeugung von Funken zum Entzünden von Gas in Koch- und Heizgeräten, Taschenlampen, Feuerzeugen und mehr. Der pyroelektrische Effekt, bei dem ein Material als Reaktion auf eine Temperaturänderung ein elektrisches Potential erzeugt, wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl von Linné, Franz Aepinus und René Haüy untersucht, wobei er sich auf Bernstein stützte. Antoine César Becquerel postulierte eine Beziehung zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Ladung, aber Experimente erwiesen sich als nicht schlüssig.

Besucher des Hunterian Museum in Glasgow können den Piezo Crystal Curie Compensator besichtigen, eine Demonstration des direkten piezoelektrischen Effekts der Brüder Pierre und Jacques Curie. Die Kombination ihres Wissens über Pyroelektrizität mit einem Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen führte zur Vorhersage der Pyroelektrizität und der Fähigkeit, das Kristallverhalten vorherzusagen. Dies wurde anhand der Wirkung von Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz demonstriert. Natrium- und Kaliumtartrattetrahydrat und Quarz zeigten ebenfalls Piezoelektrizität, und eine piezoelektrische Scheibe wurde verwendet, um bei Verformung eine Spannung zu erzeugen. Diese Formänderung wurde von den Curies stark übertrieben, um den umgekehrten piezoelektrischen Effekt vorherzusagen. Der umgekehrte Effekt wurde 1881 von Gabriel Lippmann mathematisch aus grundlegenden thermodynamischen Prinzipien abgeleitet.

Die Curies bestätigten sofort die Existenz des umgekehrten Effekts und erzielten anschließend einen quantitativen Beweis für die vollständige Reversibilität elektro-elasto-mechanischer Verformungen in piezoelektrischen Kristallen. Piezoelektrizität blieb jahrzehntelang eine Laborkuriosität, aber sie war ein wichtiges Werkzeug bei der Entdeckung von Polonium und Radium durch Pierre und Marie Curie. Ihre Arbeit zur Erforschung und Definition von Kristallstrukturen, die Piezoelektrizität aufweisen, gipfelte in der Veröffentlichung von Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik. Dieser beschrieb die natürlichen Kristallklassen, die zur Piezoelektrizität fähig sind, und definierte die piezoelektrischen Konstanten mithilfe der Tensoranalyse rigoros.

Die praktische Anwendung piezoelektrischer Geräte wie Sonar wurde während des Ersten Weltkriegs entwickelt. In Frankreich entwickelten Paul Langevin und seine Mitarbeiter einen Ultraschall-U-Boot-Detektor. Dieser Detektor bestand aus einem Wandler aus dünnen Quarzkristallen, die sorgfältig auf Stahlplatten geklebt wurden, und einem Hydrophon zur Erfassung des zurückgeworfenen Echos. Indem sie einen Hochfrequenzimpuls vom Wandler aussendeten und die Zeit maßen, die es dauert, bis das Echo der von einem Objekt abprallenden Schallwellen zu hören war, konnten sie die Entfernung des Objekts berechnen. Sie verwendeten Piezoelektrizität, um dieses Sonar zum Erfolg zu führen. Dieses Projekt führte zu einer intensiven Entwicklung und einem intensiven Interesse an piezoelektrischen Geräten, und im Laufe der Jahrzehnte wurden neue piezoelektrische Materialien und neue Anwendungen für diese Materialien erforscht und entwickelt. Piezoelektrische Geräte

Was verursacht Piezoelektrizität?

In diesem Abschnitt werde ich die Ursprünge der Piezoelektrizität und die verschiedenen Materialien untersuchen, die dieses Phänomen aufweisen. Ich werde mir das griechische Wort „piezein“, die antike Quelle elektrischer Ladung, und den Pyroelektrizitätseffekt ansehen. Ich werde auch auf die Entdeckungen von Pierre und Jacques Curie und die Entwicklung piezoelektrischer Geräte im 20. Jahrhundert eingehen.

Griechisches Wort Piezein

Piezoelektrizität ist die Akkumulation elektrischer Ladung in bestimmten festen Materialien wie Kristallen, Keramik und biologischen Stoffen wie Knochen und DNA. Sie wird durch die Reaktion dieser Materialien auf angelegte mechanische Belastungen verursacht. Das Wort Piezoelektrizität kommt vom griechischen Wort „piezein“, was „drücken oder drücken“ bedeutet, und „ēlektron“, was „Bernstein“ bedeutet, eine uralte Quelle elektrischer Ladung.

Der piezoelektrische Effekt resultiert aus der linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen den mechanischen und elektrischen Zuständen kristalliner Materialien mit Inversionssymmetrie. Es ist ein umkehrbarer Prozess, was bedeutet, dass Materialien mit Piezoelektrizität auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt zeigen, der die interne Erzeugung mechanischer Spannung ist, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Beispielsweise erzeugen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle eine messbare Piezoelektrizität, wenn ihre statische Struktur aus ihrer ursprünglichen Dimension verformt wird. Umgekehrt können Kristalle ihre statische Größe ändern, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, was als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt ist und die Erzeugung von Ultraschallwellen ist.

Die französischen Physiker Jacques und Pierre Curie entdeckten die Piezoelektrizität im Jahr 1880. Der piezoelektrische Effekt wurde für viele nützliche Anwendungen genutzt, darunter die Erzeugung und Erkennung von Schall, piezoelektrischer Tintenstrahldruck, die Erzeugung von Hochspannungsstrom, Taktgeneratoren und elektronische Geräte wie Mikrowaagen , treiben Ultraschalldüsen und ultrafein fokussierende optische Baugruppen an. Es bildet auch die Grundlage für Rastersondenmikroskope, die Bilder im Atommaßstab auflösen können. Piezoelektrizität wird auch in Tonabnehmern für elektronisch verstärkte Gitarren und Trigger für moderne elektronische Schlagzeuge verwendet.

Piezoelektrizität findet alltägliche Anwendungen, wie z. B. die Erzeugung von Funken zum Entzünden von Gas in Koch- und Heizgeräten, Taschenlampen, Feuerzeugen und mehr. Der pyroelektrische Effekt, die Erzeugung eines elektrischen Potentials als Reaktion auf eine Temperaturänderung, wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl Linnaeus und Franz Aepinus untersucht, wobei sie sich auf das Wissen von René Haüy und Antoine César Becquerel stützten, die eine Beziehung zwischen postulierten mechanische Beanspruchung und elektrische Aufladung. Experimente erwiesen sich als nicht schlüssig.

Im Museum in Schottland können Besucher einen Piezokristall-Curie-Kompensator besichtigen, eine Demonstration des direkten piezoelektrischen Effekts der Brüder Pierre und Jacques Curie. Die Kombination ihres Wissens über Pyroelektrizität mit einem Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen führte zur Vorhersage der Pyroelektrizität und der Fähigkeit, das Kristallverhalten vorherzusagen. Dies wurde durch die Wirkung von Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz demonstriert. Natriumkaliumtartrat-Tetrahydrat und Quarz aus Rochelle-Salz zeigten Piezoelektrizität, und eine piezoelektrische Scheibe erzeugt bei Verformung Spannung. Diese Formveränderung ist in der Demonstration der Curies stark übertrieben.

Den Curies gelang der quantitative Nachweis der vollständigen Reversibilität elektro-elasto-mechanischer Verformungen in piezoelektrischen Kristallen. Piezoelektrizität blieb jahrzehntelang eine Kuriosität im Labor, bis sie zu einem wichtigen Werkzeug bei der Entdeckung von Polonium und Radium durch Pierre und Marie Curie wurde. Ihre Arbeit zur Erforschung und Definition von Kristallstrukturen, die Piezoelektrizität aufweisen, gipfelte in der Veröffentlichung von Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik. Dies beschrieb die natürlichen Kristallklassen, die zur Piezoelektrizität fähig sind, und definierte die piezoelektrischen Konstanten streng durch Tensoranalyse.

Diese praktische Anwendung der Piezoelektrizität führte während des Ersten Weltkriegs zur Entwicklung des Sonars. In Frankreich entwickelten Paul Langevin und seine Mitarbeiter einen U-Boot-Ultraschalldetektor. Der Detektor bestand aus einem Wandler aus dünnen Quarzkristallen, die sorgfältig auf Stahlplatten geklebt wurden, Hydrophon genannt, um das zurückgeworfene Echo nach dem Aussenden eines Hochfrequenzimpulses zu erfassen. Der Wandler maß die Zeit, die es dauerte, das Echo von Schallwellen zu hören, die von einem Objekt abprallten, um die Entfernung des Objekts zu berechnen. Die Verwendung von Piezoelektrizität in Sonar war ein Erfolg, und das Projekt führte über Jahrzehnte zu einer intensiven Entwicklung und einem jahrzehntelangen Interesse an piezoelektrischen Geräten.

Uralte elektrische Ladungsquelle

Piezoelektrizität ist die elektrische Ladung, die sich in bestimmten festen Materialien wie Kristallen, Keramik und biologischen Stoffen wie Knochen und DNA ansammelt. Sie wird durch die Reaktion des Materials auf aufgebrachte mechanische Beanspruchung verursacht. Das Wort „Piezoelektrizität“ kommt vom griechischen Wort „piezein“, was „quetschen oder drücken“ bedeutet, und dem Wort „elektron“, was „Bernstein“ bedeutet, einer alten Quelle elektrischer Ladung.

Der piezoelektrische Effekt resultiert aus der linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen den mechanischen und elektrischen Zuständen kristalliner Materialien mit Inversionssymmetrie. Es ist ein umkehrbarer Prozess, was bedeutet, dass Materialien mit Piezoelektrizität auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt zeigen, der die interne Erzeugung mechanischer Spannung ist, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Beispielsweise erzeugen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle eine messbare Piezoelektrizität, wenn ihre statische Struktur aus ihrer ursprünglichen Dimension verformt wird. Wenn umgekehrt ein externes elektrisches Feld angelegt wird, ändern die Kristalle ihre statische Dimension in einem inversen piezoelektrischen Effekt und erzeugen Ultraschallwellen.

Der piezoelektrische Effekt wurde 1880 von den französischen Physikern Jacques und Pierre Curie entdeckt. Es wird für eine Vielzahl nützlicher Anwendungen genutzt, darunter die Erzeugung und Erfassung von Schall, piezoelektrischer Tintenstrahldruck, die Erzeugung von Hochspannungsstrom, Taktgeneratoren und elektronischen Geräten wie Mikrowaagen und Antrieb von Ultraschalldüsen für die ultrafeine Fokussierung optischer Baugruppen. Es bildet auch die Grundlage für Rastersondenmikroskope, mit denen Bilder auf der Skala von Atomen aufgelöst werden. Piezoelektrizität wird auch in Tonabnehmern für elektronisch verstärkte Gitarren und Trigger für moderne elektronische Schlagzeuge verwendet.

Piezoelektrizität findet alltägliche Anwendung bei der Erzeugung von Funken, um Gas in Koch- und Heizgeräten, Taschenlampen, Feuerzeugen und mehr zu entzünden. Der pyroelektrische Effekt, bei dem es sich um die Erzeugung eines elektrischen Potentials als Reaktion auf eine Temperaturänderung handelt, wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl von Linné und Franz Aepinus untersucht, wobei sie sich auf das Wissen von René Haüy und Antoine César Becquerel stützten, die eine Beziehung zwischen Mechanik postulierten Stress und elektrische Ladung. Ihre Experimente erwiesen sich jedoch als nicht schlüssig.

Der Blick auf einen Piezokristall und den Curie-Kompensator im Hunterian Museum in Schottland demonstriert den direkten piezoelektrischen Effekt. Es war die Arbeit der Brüder Pierre und Jacques Curie, die die Kristallstrukturen erforschte und definierte, die Piezoelektrizität aufwiesen, was in der Veröffentlichung von Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik gipfelte. Dies beschrieb die natürlichen Kristallklassen, die zur Piezoelektrizität fähig sind, und definierte die piezoelektrischen Konstanten streng durch Tensoranalyse, was die praktische Anwendung piezoelektrischer Geräte ermöglichte.

Sonar wurde während des Ersten Weltkriegs von dem Franzosen Paul Langevin und seinen Mitarbeitern entwickelt, die einen Ultraschall-U-Boot-Detektor entwickelten. Der Detektor bestand aus einem Wandler aus dünnen Quarzkristallen, die sorgfältig auf Stahlplatten geklebt wurden, und einem Hydrophon zur Erfassung des zurückgeworfenen Echos. Indem sie einen Hochfrequenzimpuls vom Wandler aussendeten und die Zeit maßen, die es dauert, bis das Echo der von einem Objekt abprallenden Schallwellen zu hören war, konnten sie die Entfernung zum Objekt berechnen. Sie verwendeten Piezoelektrizität, um dieses Sonar zum Erfolg zu führen. Das Projekt führte über Jahrzehnte zu einer intensiven Entwicklung und einem jahrzehntelangen Interesse an piezoelektrischen Geräten.

Pyroelektrizität

Piezoelektrizität ist die Fähigkeit bestimmter Materialien, als Reaktion auf angelegte mechanische Spannung elektrische Ladung anzusammeln. Es ist eine lineare elektromechanische Wechselwirkung zwischen den mechanischen und elektrischen Zuständen kristalliner Materialien mit Inversionssymmetrie. Das Wort „Piezoelektrizität“ leitet sich vom griechischen Wort „piezein“ ab, was „quetschen oder drücken“ bedeutet, und dem griechischen Wort „ēlektron“, was „Bernstein“ bedeutet, eine alte Quelle elektrischer Ladung.

Der piezoelektrische Effekt wurde 1880 von den französischen Physikern Jacques und Pierre Curie entdeckt. Es handelt sich um einen reversiblen Prozess, was bedeutet, dass Materialien, die den piezoelektrischen Effekt zeigen, auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt aufweisen, der die interne Erzeugung mechanischer Spannung ist, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Beispiele für Materialien, die messbare Piezoelektrizität erzeugen, umfassen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle. Wenn eine statische Struktur verformt wird, kehrt sie zu ihrer ursprünglichen Dimension zurück. Wenn dagegen ein externes elektrisches Feld angelegt wird, wird der umgekehrte piezoelektrische Effekt erzeugt, was zur Erzeugung von Ultraschallwellen führt.

Der piezoelektrische Effekt wird für viele nützliche Anwendungen genutzt, einschließlich der Erzeugung und Erkennung von Schall, des piezoelektrischen Tintenstrahldrucks, der Erzeugung von Hochspannungselektrizität, Taktgeneratoren und elektronischen Geräten wie Mikrowaagen, Antrieb von Ultraschalldüsen und ultrafein fokussierenden optischen Baugruppen. Es ist auch die Grundlage für Rastersondenmikroskope, mit denen Bilder auf der Skala von Atomen aufgelöst werden. Piezoelektrizität wird auch in Tonabnehmern für elektronisch verstärkte Gitarren und Trigger für moderne elektronische Schlagzeuge verwendet.

Piezoelektrizität findet alltägliche Anwendungen, wie z. B. die Erzeugung von Funken zum Entzünden von Gas in Koch- und Heizgeräten, Taschenlampen, Feuerzeugen und mehr. Der pyroelektrische Effekt, also die Erzeugung eines elektrischen Potentials als Reaktion auf eine Temperaturänderung, wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl von Linné und Franz Aepinus untersucht, wobei sie sich auf das Wissen von René Haüy und Antoine César Becquerel stützten, die eine Beziehung postuliert hatten zwischen mechanischer Belastung und elektrischer Ladung. Experimente erwiesen sich jedoch als nicht schlüssig.

Die Ansicht eines Piezokristalls im Curie Compensator Museum in Schottland ist eine Demonstration des direkten piezoelektrischen Effekts. Die Brüder Pierre und Jacques Curie kombinierten ihr Wissen über Pyroelektrizität und ihr Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen, um das Verständnis der Pyroelektrizität zu ermöglichen und das Kristallverhalten vorherzusagen. Dies zeigte sich in der Wirkung von Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz. Es wurde festgestellt, dass Natriumkaliumtartrattetrahydrat und Quarz Piezoelektrizität aufweisen, und eine piezoelektrische Scheibe wurde verwendet, um bei Verformung eine Spannung zu erzeugen. Dies wurde von den Curies stark übertrieben, um den umgekehrten piezoelektrischen Effekt vorherzusagen. Der umgekehrte Effekt wurde 1881 von Gabriel Lippmann mathematisch aus grundlegenden thermodynamischen Prinzipien abgeleitet.

Die Curies bestätigten sofort die Existenz des umgekehrten Effekts und erzielten anschließend einen quantitativen Beweis für die vollständige Reversibilität elektro-elasto-mechanischer Verformungen in piezoelektrischen Kristallen. In den folgenden Jahrzehnten blieb die Piezoelektrizität eine Laborkuriosität, bis sie zu einem wichtigen Werkzeug bei der Entdeckung von Polonium und Radium durch Pierre und Marie Curie wurde. Ihre Arbeit zur Erforschung und Definition von Kristallstrukturen, die Piezoelektrizität aufweisen, gipfelte in der Veröffentlichung von Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik.

Die Entwicklung von Sonar war ein Erfolg, und das Projekt führte zu einer intensiven Entwicklung und einem intensiven Interesse an piezoelektrischen Geräten. In den folgenden Jahrzehnten wurden neue piezoelektrische Materialien und neue Anwendungen für diese Materialien erforscht und entwickelt. Piezoelektrische Geräte fanden in vielen Bereichen ein Zuhause, wie z. B. keramische Tonabnehmer, die das Player-Design vereinfachten und billigere, genauere Plattenspieler ermöglichten, die billiger zu warten und einfacher zu bauen waren. Die Entwicklung von Ultraschallwandlern ermöglichte die einfache Messung der Viskosität und Elastizität von Flüssigkeiten und Feststoffen, was zu enormen Fortschritten in der Materialforschung führte. Ultraschall-Zeitbereichsreflektometer senden einen Ultraschallimpuls in ein Material und messen die Reflexionen und Diskontinuitäten, um Fehler in gegossenen Metall- und Steinobjekten zu finden und so die strukturelle Sicherheit zu verbessern.

Piezoelektrische Materialien

In diesem Abschnitt werde ich die Materialien erörtern, die den piezoelektrischen Effekt aufweisen, d. h. die Fähigkeit bestimmter Materialien, als Reaktion auf angelegte mechanische Spannungen elektrische Ladung zu akkumulieren. Ich werde mir Kristalle, Keramiken, biologische Materie, Knochen, DNA und Proteine ansehen und wie sie alle auf den piezoelektrischen Effekt reagieren.

Crystals

Piezoelektrizität ist die Fähigkeit bestimmter Materialien, als Reaktion auf angelegte mechanische Spannung elektrische Ladung zu akkumulieren. Das Wort Piezoelektrizität leitet sich von den griechischen Wörtern πιέζειν (piezein) ab, was "drücken" oder "drücken" bedeutet, und ἤλεκτρον (ēlektron), was "Bernstein" bedeutet, eine alte Quelle elektrischer Ladung. Piezoelektrische Materialien umfassen Kristalle, Keramiken, biologische Materie, Knochen, DNA und Proteine.

Piezoelektrizität ist eine lineare elektromechanische Wechselwirkung zwischen mechanischen und elektrischen Zuständen in kristallinen Materialien mit Inversionssymmetrie. Dieser Effekt ist reversibel, was bedeutet, dass Materialien mit Piezoelektrizität auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt aufweisen, bei dem es sich um die interne Erzeugung mechanischer Spannungen handelt, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultieren. Beispiele für Materialien, die messbare Piezoelektrizität erzeugen, sind Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle, die auf ihre ursprüngliche Größe verformt werden können oder umgekehrt ihre statische Größe ändern, wenn ein äußeres elektrisches Feld angelegt wird. Dies ist als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt und wird zur Erzeugung von Ultraschallwellen verwendet.

Die französischen Physiker Jacques und Pierre Curie entdeckten die Piezoelektrizität im Jahr 1880. Der piezoelektrische Effekt wurde für eine Vielzahl nützlicher Anwendungen genutzt, darunter die Erzeugung und Erkennung von Schall, piezoelektrischer Tintenstrahldruck, die Erzeugung von Hochspannungsstrom, Taktgeneratoren und elektronische Geräte wie z B. Mikrowaagen, Antrieb von Ultraschalldüsen und ultrafein fokussierende optische Baugruppen. Es bildet auch die Grundlage für Rastersondenmikroskope, mit denen Bilder auf der Skala von Atomen aufgelöst werden. Piezoelektrische Tonabnehmer werden auch in elektronisch verstärkten Gitarren und Triggern in modernen elektronischen Schlagzeugen verwendet.

Piezoelektrizität findet alltägliche Anwendung bei der Erzeugung von Funken zum Entzünden von Gas in Koch- und Heizgeräten sowie in Taschenlampen und Zigarettenanzündern. Der pyroelektrische Effekt, die Erzeugung eines elektrischen Potentials als Reaktion auf eine Temperaturänderung, wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl von Linné und Franz Aepinus untersucht, wobei sie sich auf das Wissen von René Haüy und Antoine César Becquerel stützten, die eine Beziehung zwischen Mechanik postulierten Stress und elektrische Ladung. Experimente zum Beweis dieser Theorie waren nicht schlüssig.

Der Blick auf einen Piezo-Kristall im Curie-Kompensator im Hunterian Museum in Schottland demonstriert den direkten piezoelektrischen Effekt. Die Brüder Pierre und Jacques Curie kombinierten ihr Wissen über Pyroelektrizität mit einem Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen, um die Vorhersage der Pyroelektrizität zu ermöglichen. Sie konnten das Kristallverhalten vorhersagen und die Wirkung in Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz nachweisen. Natriumkaliumtartrattetrahydrat und Quarz zeigten ebenfalls Piezoelektrizität. Eine piezoelektrische Scheibe erzeugt bei Verformung Spannung; die Formveränderung ist in der Demonstration der Curies stark übertrieben.

Sie konnten auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt vorhersagen und die grundlegenden thermodynamischen Prinzipien dahinter mathematisch ableiten. Gabriel Lippmann tat dies 1881. Die Curies bestätigten sofort die Existenz des gegenteiligen Effekts und erzielten anschließend einen quantitativen Beweis für die vollständige Reversibilität elektro-elasto-mechanischer Verformungen in piezoelektrischen Kristallen.

Die praktische Anwendung piezoelektrischer Geräte im Sonar wurde während des Ersten Weltkriegs entwickelt. In Frankreich entwickelten Paul Langevin und seine Mitarbeiter einen Ultraschall-U-Boot-Detektor. Dieser Detektor bestand aus einem Wandler aus dünnen Quarzkristallen, die sorgfältig auf Stahlplatten geklebt wurden, Hydrophon genannt, um das zurückgeworfene Echo nach dem Aussenden eines Hochfrequenzimpulses zu erfassen. Indem sie die Zeit maßen, die es braucht, um das Echo von Schallwellen zu hören, die von einem Objekt abprallen, konnten sie die Entfernung zum Objekt berechnen. Diese Verwendung von Piezoelektrizität im Sonar war ein Erfolg, und das Projekt hat im Laufe der Jahrzehnte eine intensive Entwicklung und ein intensives Interesse an piezoelektrischen Geräten hervorgerufen.

Keramik

Piezoelektrische Materialien sind Festkörper, die als Reaktion auf aufgebrachte mechanische Belastung elektrische Ladung ansammeln. Piezoelektrizität leitet sich von den griechischen Wörtern πιέζειν (piezein) ab, was „drücken“ oder „drücken“ bedeutet, und ἤλεκτρον (ēlektron), was „Bernstein“ bedeutet, eine alte Quelle elektrischer Ladung. Piezoelektrische Materialien werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich der Erzeugung und Erkennung von Schall, des piezoelektrischen Tintenstrahldrucks und der Erzeugung von Hochspannungselektrizität.

Piezoelektrische Materialien finden sich in Kristallen, Keramiken, biologischen Stoffen, Knochen, DNA und Proteinen. Keramiken sind die am häufigsten verwendeten piezoelektrischen Materialien in alltäglichen Anwendungen. Keramiken werden aus einer Kombination von Metalloxiden wie Bleizirkonattitanat (PZT) hergestellt, die auf hohe Temperaturen erhitzt werden, um einen Feststoff zu bilden. Keramik ist sehr langlebig und hält extremen Temperaturen und Drücken stand.

Piezoelektrische Keramiken haben eine Vielzahl von Anwendungen, darunter:

• Erzeugen von Funken zum Entzünden von Gas für Koch- und Heizgeräte, wie z. B. Taschenlampen und Feuerzeuge.
• Erzeugung von Ultraschallwellen für die medizinische Bildgebung.
• Erzeugung von Hochspannungsstrom für Taktgeneratoren und elektronische Geräte.
• Herstellung von Mikrowaagen für den Einsatz beim Präzisionswägen.
• Antrieb von Ultraschalldüsen zur Feinstfokussierung optischer Baugruppen.
• Bildung der Grundlage für Rastersondenmikroskope, die Bilder auf der Skala von Atomen auflösen können.
• Pickups für elektronisch verstärkte Gitarren und Trigger für moderne elektronische Drums.

Piezoelektrische Keramiken werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von der Unterhaltungselektronik bis hin zur medizinischen Bildgebung. Sie sind sehr langlebig und können extremen Temperaturen und Drücken standhalten, wodurch sie sich ideal für den Einsatz in einer Vielzahl von Branchen eignen.

Biologische Materie

Piezoelektrizität ist die Fähigkeit bestimmter Materialien, als Reaktion auf angelegte mechanische Spannung elektrische Ladung anzusammeln. Es leitet sich vom griechischen Wort „piezein“ ab, was „quetschen oder drücken“ bedeutet, und „ēlektron“, was „Bernstein“ bedeutet, eine uralte Quelle elektrischer Ladung.

Biologische Materie wie Knochen, DNA und Proteine gehören zu den Materialien, die Piezoelektrizität aufweisen. Dieser Effekt ist reversibel, was bedeutet, dass Materialien mit Piezoelektrizität auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt aufweisen, der die interne Erzeugung einer mechanischen Spannung ist, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Beispiele für diese Materialien sind Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle, die eine messbare Piezoelektrizität erzeugen, wenn ihre statische Struktur aus ihrer ursprünglichen Dimension verformt wird. Wenn dagegen ein externes elektrisches Feld angelegt wird, ändern die Kristalle ihre statische Dimension und erzeugen Ultraschallwellen durch den inversen piezoelektrischen Effekt.

Die Entdeckung der Piezoelektrizität wurde 1880 von den französischen Physikern Jacques und Pierre Curie gemacht. Sie wurde seitdem für eine Vielzahl nützlicher Anwendungen genutzt, wie zum Beispiel:

• Tonerzeugung und -erkennung
• Piezoelektrischer Tintenstrahldruck
• Erzeugung von Hochspannungsstrom
• Taktgenerator
• Elektronische Geräte
• Mikrowaagen
• Ultraschalldüsen antreiben
• Ultrafein fokussierende optische Baugruppen
• Bildet die Basis von Rastersondenmikroskopen
• Bilder im Atommaßstab auflösen
• Tonabnehmer in elektronisch verstärkten Gitarren
• Trigger in modernen elektronischen Schlagzeugen

Piezoelektrizität wird auch in Alltagsgegenständen wie Gaskoch- und Heizgeräten, Taschenlampen, Feuerzeugen und mehr verwendet. Der pyroelektrische Effekt, also die Erzeugung eines elektrischen Potentials als Reaktion auf eine Temperaturänderung, wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl von Linné und Franz Aepinus untersucht. Sie stützten sich auf das Wissen von René Haüy und Antoine César Becquerel und postulierten einen Zusammenhang zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Ladung, aber ihre Experimente erwiesen sich als nicht schlüssig.

Die Ansicht eines Piezokristalls im Curie-Kompensator des Hunterian Museum in Schottland ist eine Demonstration des direkten piezoelektrischen Effekts. Die Brüder Pierre und Jacques Curie kombinierten ihr Wissen über Pyroelektrizität und ihr Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen, um die Vorhersage der Pyroelektrizität zu ermöglichen und das Kristallverhalten vorherzusagen. Dies wurde durch die Wirkung von Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz demonstriert. Natrium- und Kaliumtartrattetrahydrat und Quarz zeigten ebenfalls Piezoelektrizität, und eine piezoelektrische Scheibe wurde verwendet, um bei Verformung eine Spannung zu erzeugen. Dieser Effekt wurde von den Curies stark übertrieben, um den umgekehrten piezoelektrischen Effekt vorherzusagen. Der umgekehrte Effekt wurde 1881 von Gabriel Lippmann mathematisch aus grundlegenden thermodynamischen Prinzipien abgeleitet.

Die Curies bestätigten sofort die Existenz des umgekehrten Effekts und erzielten anschließend einen quantitativen Beweis für die vollständige Reversibilität elektro-elasto-mechanischer Verformungen in piezoelektrischen Kristallen. Piezoelektrizität blieb jahrzehntelang eine Kuriosität im Labor, bis sie zu einem wichtigen Werkzeug bei der Entdeckung von Polonium und Radium durch Pierre und Marie Curie wurde. Ihre Arbeit zur Erforschung und Definition von Kristallstrukturen, die Piezoelektrizität aufweisen, gipfelte in der Veröffentlichung von Woldemar Voigts „Lehrbuch der Kristallphysik“.

Knochen

Piezoelektrizität ist die Fähigkeit bestimmter Materialien, als Reaktion auf angelegte mechanische Spannung elektrische Ladung anzusammeln. Knochen ist ein solches Material, das dieses Phänomen aufweist.

Knochen sind eine Art biologisches Material, das aus Proteinen und Mineralien besteht, einschließlich Kollagen, Kalzium und Phosphor. Es ist das piezoelektrischste aller biologischen Materialien und kann bei mechanischer Belastung eine Spannung erzeugen.

Der piezoelektrische Effekt im Knochen ist ein Ergebnis seiner einzigartigen Struktur. Es besteht aus einem Netzwerk von Kollagenfasern, die in eine Matrix aus Mineralien eingebettet sind. Wenn der Knochen mechanischer Belastung ausgesetzt wird, bewegen sich die Kollagenfasern, wodurch die Mineralien polarisiert werden und eine elektrische Ladung erzeugen.

Der piezoelektrische Effekt im Knochen hat eine Reihe praktischer Anwendungen. Es wird in der medizinischen Bildgebung wie Ultraschall- und Röntgenbildgebung verwendet, um Knochenbrüche und andere Anomalien zu erkennen. Es wird auch in Knochenleitungshörgeräten verwendet, die den piezoelektrischen Effekt nutzen, um Schallwellen in elektrische Signale umzuwandeln, die direkt an das Innenohr gesendet werden.

Der piezoelektrische Effekt im Knochen wird auch in orthopädischen Implantaten wie künstlichen Gelenken und Prothesen genutzt. Die Implantate nutzen den piezoelektrischen Effekt, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, die dann zum Antrieb des Geräts verwendet wird.

Darüber hinaus wird der piezoelektrische Effekt im Knochen für die Entwicklung neuer medizinischer Behandlungen erforscht. Beispielsweise untersuchen Forscher die Verwendung von Piezoelektrizität, um das Knochenwachstum zu stimulieren und beschädigtes Gewebe zu reparieren.

Insgesamt ist der piezoelektrische Effekt im Knochen ein faszinierendes Phänomen mit vielfältigen praktischen Anwendungen. Es wird in einer Vielzahl medizinischer und technologischer Anwendungen eingesetzt und für die Entwicklung neuer Behandlungen untersucht.

DNA

Piezoelektrizität ist die Fähigkeit bestimmter Materialien, als Reaktion auf angelegte mechanische Spannung elektrische Ladung anzusammeln. DNA ist ein solches Material, das diesen Effekt zeigt. DNA ist ein biologisches Molekül, das in allen lebenden Organismen vorkommt und aus vier Nukleotidbasen besteht: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T).

DNA ist ein komplexes Molekül, das verwendet werden kann, um elektrische Ladung zu erzeugen, wenn es mechanischer Belastung ausgesetzt wird. Dies liegt daran, dass DNA-Moleküle aus zwei Nukleotidsträngen bestehen, die durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten werden. Wenn diese Bindungen gebrochen werden, wird elektrische Ladung erzeugt.

Der piezoelektrische Effekt von DNA wurde in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt, darunter:

• Stromerzeugung für medizinische Implantate
• Erfassen und Messen mechanischer Kräfte in Zellen
• Entwicklung von Nanosensoren
• Herstellung von Biosensoren für die DNA-Sequenzierung
• Erzeugen von Ultraschallwellen für die Bildgebung

Der piezoelektrische Effekt von DNA wird auch auf seinen potenziellen Einsatz bei der Entwicklung neuer Materialien wie Nanodrähte und Nanoröhren untersucht. Diese Materialien könnten für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, einschließlich Energiespeicherung und Sensorik.

Der piezoelektrische Effekt von DNA wurde ausgiebig untersucht und hat sich als sehr empfindlich gegenüber mechanischer Beanspruchung herausgestellt. Dies macht es zu einem wertvollen Werkzeug für Forscher und Ingenieure, die neue Materialien und Technologien entwickeln wollen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass DNA ein Material ist, das den piezoelektrischen Effekt zeigt, also die Fähigkeit, als Reaktion auf angelegte mechanische Spannung elektrische Ladung anzusammeln. Dieser Effekt wurde in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt, darunter medizinische Implantate, Nanosensoren und DNA-Sequenzierung. Es wird auch auf seine potenzielle Verwendung bei der Entwicklung neuer Materialien wie Nanodrähte und Nanoröhren untersucht.

Proteine

Piezoelektrizität ist die Fähigkeit bestimmter Materialien, als Reaktion auf angelegte mechanische Spannung elektrische Ladung anzusammeln. Piezoelektrische Materialien wie Proteine, Kristalle, Keramiken und biologische Materie wie Knochen und DNA zeigen diesen Effekt. Insbesondere Proteine sind ein einzigartiges piezoelektrisches Material, da sie aus einer komplexen Struktur von Aminosäuren bestehen, die verformt werden können, um elektrische Ladung zu erzeugen.

Proteine sind die am häufigsten vorkommende Art von piezoelektrischem Material, und sie kommen in einer Vielzahl von Formen vor. Sie kommen in Form von Enzymen, Hormonen und Antikörpern sowie in Form von Strukturproteinen wie Kollagen und Keratin vor. Proteine kommen auch in Form von Muskelproteinen vor, die für die Muskelkontraktion und -entspannung verantwortlich sind.

Der piezoelektrische Effekt von Proteinen beruht darauf, dass sie aus einer komplexen Struktur von Aminosäuren aufgebaut sind. Wenn diese Aminosäuren verformt werden, erzeugen sie elektrische Ladung. Diese elektrische Ladung kann dann verwendet werden, um eine Vielzahl von Geräten wie Sensoren und Aktuatoren mit Strom zu versorgen.

Proteine werden auch in einer Vielzahl medizinischer Anwendungen verwendet. Sie werden beispielsweise verwendet, um das Vorhandensein bestimmter Proteine im Körper nachzuweisen, die zur Diagnose von Krankheiten verwendet werden können. Sie werden auch verwendet, um das Vorhandensein bestimmter Bakterien und Viren nachzuweisen, die zur Diagnose von Infektionen verwendet werden können.

Proteine werden auch in einer Vielzahl industrieller Anwendungen verwendet. Sie werden beispielsweise verwendet, um Sensoren und Aktoren für eine Vielzahl industrieller Prozesse zu erstellen. Sie werden auch verwendet, um Materialien herzustellen, die beim Bau von Flugzeugen und anderen Fahrzeugen verwendet werden können.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Proteine ein einzigartiges piezoelektrisches Material sind, das in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden kann. Sie bestehen aus einer komplexen Struktur von Aminosäuren, die verformt werden können, um elektrische Ladung zu erzeugen, und sie werden in einer Vielzahl von medizinischen und industriellen Anwendungen eingesetzt.

Energy Harvesting mit Piezoelektrizität

In diesem Abschnitt werde ich diskutieren, wie Piezoelektrizität zur Gewinnung von Energie verwendet werden kann. Ich werde mir die verschiedenen Anwendungen der Piezoelektrizität ansehen, vom piezoelektrischen Tintenstrahldruck bis hin zu Taktgeneratoren und Mikrowaagen. Ich werde auch die Geschichte der Piezoelektrizität untersuchen, von ihrer Entdeckung durch Pierre Curie bis zu ihrer Verwendung im Zweiten Weltkrieg. Abschließend werde ich auf den aktuellen Stand der piezoelektrischen Industrie und das Potenzial für weiteres Wachstum eingehen.

Piezoelektrischer Tintenstrahldruck

Piezoelektrizität ist die Fähigkeit bestimmter Materialien, als Reaktion auf angelegte mechanische Spannung eine elektrische Ladung zu erzeugen. Das Wort „Piezoelektrizität“ leitet sich von den griechischen Wörtern „piezein“ (quetschen oder drücken) und „elektron“ (Bernstein) ab, einer antiken Quelle elektrischer Ladung. Piezoelektrische Materialien wie Kristalle, Keramiken und biologische Stoffe wie Knochen und DNA werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt.

Piezoelektrizität wird zur Erzeugung von Hochspannungsstrom, als Taktgenerator, in elektronischen Geräten und in Mikrowaagen verwendet. Es wird auch verwendet, um Ultraschalldüsen und ultrafein fokussierende optische Baugruppen anzutreiben. Piezoelektrischer Tintenstrahldruck ist eine beliebte Anwendung dieser Technologie. Dies ist eine Art des Druckens, bei der piezoelektrische Kristalle verwendet werden, um eine hochfrequente Vibration zu erzeugen, die zum Ausstoßen von Tintentröpfchen auf eine Seite verwendet wird.

Die Entdeckung der Piezoelektrizität geht auf das Jahr 1880 zurück, als die französischen Physiker Jacques und Pierre Curie den Effekt entdeckten. Seitdem wurde der piezoelektrische Effekt für eine Vielzahl nützlicher Anwendungen ausgenutzt. Piezoelektrizität wird in Alltagsgegenständen wie Gaskoch- und Heizgeräten, Taschenlampen, Zigarettenanzündern und Tonabnehmern in elektronisch verstärkten Gitarren und Triggern in modernen elektronischen Schlagzeugen verwendet.

Piezoelektrizität wird auch in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt. Es ist die Grundlage für Rastersondenmikroskope, die zur Auflösung von Bildern auf der Skala von Atomen verwendet werden. Es wird auch in Ultraschall-Zeitbereichsreflektometern verwendet, die Ultraschallimpulse in ein Material senden und die Reflexionen messen, um Diskontinuitäten zu erkennen und Fehler in gegossenen Metall- und Steinobjekten zu finden.

Die Entwicklung von piezoelektrischen Geräten und Materialien wurde durch den Bedarf an besserer Leistung und einfacheren Herstellungsprozessen vorangetrieben. In den Vereinigten Staaten war die Entwicklung von Quarzkristallen für den kommerziellen Einsatz ein Hauptfaktor für das Wachstum der piezoelektrischen Industrie. Im Gegensatz dazu konnten japanische Hersteller schnell Informationen austauschen und neue Anwendungen entwickeln, was zu einem schnellen Wachstum auf dem japanischen Markt führte.

Piezoelektrizität hat die Art und Weise, wie wir Energie nutzen, revolutioniert, von Alltagsgegenständen wie Feuerzeugen bis hin zu fortschrittlicher wissenschaftlicher Forschung. Es ist eine vielseitige Technologie, die es uns ermöglicht hat, neue Materialien und Anwendungen zu erforschen und zu entwickeln, und sie wird auch in den kommenden Jahren ein wichtiger Teil unseres Lebens sein.

Erzeugung von Hochspannungsstrom

Piezoelektrizität ist die Fähigkeit bestimmter fester Materialien, als Reaktion auf angelegte mechanische Spannung elektrische Ladung anzusammeln. Das Wort „Piezoelektrizität“ leitet sich von den griechischen Wörtern „piezein“ für „drücken“ oder „drücken“ und „ēlektron“ für „Bernstein“ ab, eine uralte Quelle elektrischer Ladung. Piezoelektrizität ist eine lineare elektromechanische Wechselwirkung zwischen mechanischen und elektrischen Zuständen in kristallinen Materialien mit Inversionssymmetrie.

Der piezoelektrische Effekt ist ein reversibler Prozess; Materialien, die Piezoelektrizität aufweisen, zeigen auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt, die interne Erzeugung mechanischer Spannung, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Beispielsweise erzeugen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle eine messbare Piezoelektrizität, wenn ihre statische Struktur aus ihrer ursprünglichen Dimension verformt wird. Umgekehrt können Kristalle ihre statische Dimension ändern, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, ein Phänomen, das als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt ist und bei der Erzeugung von Ultraschallwellen genutzt wird.

Der piezoelektrische Effekt wird in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich der Erzeugung von Hochspannungselektrizität. Piezoelektrische Materialien werden bei der Erzeugung und Erkennung von Schall, beim piezoelektrischen Tintenstrahldruck, in Taktgeneratoren, in elektronischen Geräten, in Mikrowaagen, zum Antreiben von Ultraschalldüsen und in ultrafein fokussierenden optischen Baugruppen verwendet.

Piezoelektrizität wird auch in alltäglichen Anwendungen verwendet, wie z. B. zur Erzeugung von Funken zum Entzünden von Gas in Koch- und Heizgeräten, in Taschenlampen, Feuerzeugen und Materialien mit pyroelektrischem Effekt, die als Reaktion auf eine Temperaturänderung ein elektrisches Potential erzeugen. Dieser Effekt wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl Linnaeus und Franz Aepinus untersucht, wobei sie sich auf das Wissen von René Haüy und Antoine César Becquerel stützten, die eine Beziehung zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Ladung postulierten, obwohl sich ihre Experimente als nicht schlüssig erwiesen.

Das kombinierte Wissen über Pyroelektrizität und das Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen führten zur Vorhersage der Pyroelektrizität und der Fähigkeit, das Kristallverhalten vorherzusagen. Dies wurde durch die Wirkung von Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz demonstriert. Natriumkaliumtartrattetrahydrat und Quarz zeigten ebenfalls Piezoelektrizität, und eine piezoelektrische Scheibe wurde verwendet, um bei Verformung eine Spannung zu erzeugen. Dies wurde bei der Demonstration des direkten piezoelektrischen Effekts durch Curies stark übertrieben.

Den Brüdern Pierre und Jacques Curie gelang der quantitative Nachweis der vollständigen Reversibilität elektro-elasto-mechanischer Verformungen in piezoelektrischen Kristallen. Piezoelektrizität blieb jahrzehntelang eine Laborkuriosität, aber sie war ein wichtiges Werkzeug bei der Entdeckung von Polonium und Radium durch Pierre und Marie Curie. Ihre Arbeit zur Erforschung und Definition der Kristallstrukturen, die Piezoelektrizität aufweisen, gipfelte in der Veröffentlichung von Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik, das die natürlichen Kristallklassen beschrieb, die zur Piezoelektrizität fähig sind, und die piezoelektrischen Konstanten mithilfe der Tensoranalyse streng definierte.

Die praktische Anwendung piezoelektrischer Geräte begann mit der Entwicklung von Sonaren während des Ersten Weltkriegs. In Frankreich entwickelten Paul Langevin und seine Mitarbeiter einen U-Boot-Ultraschalldetektor. Der Detektor bestand aus einem Wandler aus dünnen Quarzkristallen, die sorgfältig auf Stahlplatten geklebt wurden, und einem Hydrophon zur Erfassung des zurückgeworfenen Echos. Indem sie einen Hochfrequenzimpuls vom Wandler aussendeten und die Zeit maßen, die es dauert, bis das Echo der von einem Objekt abprallenden Schallwellen zu hören war, konnten sie die Entfernung des Objekts berechnen. Sie nutzten Piezoelektrizität, um das Sonar zum Erfolg zu führen, und das Projekt führte in den folgenden Jahrzehnten zu einer intensiven Entwicklung und einem starken Interesse an piezoelektrischen Geräten.

Neue piezoelektrische Materialien und neue Anwendungen für diese Materialien wurden erforscht und entwickelt. Piezoelektrische Geräte fanden in einer Vielzahl von Bereichen ein Zuhause, wie z. B. keramische Tonabnehmer für Tonabnehmer, die das Design des Players vereinfachten und billigere, genauere Plattenspieler ermöglichten, die billiger zu warten und einfacher zu bauen waren. Die Entwicklung von Ultraschallwandlern ermöglichte eine einfache Messung der Viskosität und Elastizität von Flüssigkeiten und Feststoffen, was zu enormen Fortschritten in der Materialforschung führte. Ultraschall-Zeitbereichsreflektometer senden einen Ultraschallimpuls in ein Material und messen die Reflexionen und Diskontinuitäten, um Fehler in gegossenen Metall- und Steinobjekten zu finden und so die strukturelle Sicherheit zu verbessern.

Im Zweiten Weltkrieg entdeckten unabhängige Forschungsgruppen in den Vereinigten Staaten, Russland und Japan eine neue Klasse synthetischer Materialien namens Fer

Clock Generator

Piezoelektrizität ist die Fähigkeit bestimmter Materialien, als Reaktion auf angelegte mechanische Spannung elektrische Ladung anzusammeln. Dieses Phänomen wurde verwendet, um eine Reihe nützlicher Anwendungen zu schaffen, einschließlich Taktgeneratoren. Taktgeneratoren sind Geräte, die Piezoelektrizität verwenden, um elektrische Signale mit präzisem Timing zu erzeugen.

Taktgeneratoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, beispielsweise in Computern, Telekommunikation und Automobilsystemen. Sie werden auch in medizinischen Geräten wie Herzschrittmachern verwendet, um ein genaues Timing elektrischer Signale zu gewährleisten. Taktgeneratoren werden auch in der industriellen Automatisierung und Robotik eingesetzt, wo es auf präzises Timing ankommt.

Der piezoelektrische Effekt beruht auf der linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen mechanischen und elektrischen Zuständen in kristallinen Materialien mit Inversionssymmetrie. Dieser Effekt ist reversibel, sodass Materialien mit Piezoelektrizität auch mechanische Spannungen erzeugen können, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Dies ist als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt und wird zur Erzeugung von Ultraschallwellen verwendet.

Taktgeneratoren nutzen diesen inversen piezoelektrischen Effekt, um elektrische Signale mit präzisem Timing zu erzeugen. Das piezoelektrische Material wird durch ein elektrisches Feld verformt, wodurch es mit einer bestimmten Frequenz schwingt. Diese Vibration wird dann in ein elektrisches Signal umgewandelt, das zur Erzeugung eines präzisen Zeitsignals verwendet wird.

Taktgeneratoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von medizinischen Geräten bis hin zur industriellen Automatisierung. Sie sind zuverlässig, genau und einfach zu bedienen, was sie zu einer beliebten Wahl für viele Anwendungen macht. Piezoelektrizität ist ein wichtiger Bestandteil moderner Technologie, und Taktgeneratoren sind nur eine der vielen Anwendungen dieses Phänomens.

Elektronische Geräte

Piezoelektrizität ist die Fähigkeit bestimmter fester Materialien, als Reaktion auf angelegte mechanische Spannung elektrische Ladung anzusammeln. Dieses als piezoelektrischer Effekt bekannte Phänomen wird in einer Vielzahl elektronischer Geräte verwendet, von Tonabnehmern in elektronisch verstärkten Gitarren bis hin zu Triggern in modernen elektronischen Schlagzeugen.

Piezoelektrizität leitet sich von den griechischen Wörtern πιέζειν (piezein) ab, was „drücken“ oder „drücken“ bedeutet, und ἤλεκτρον (ēlektron), was „Bernstein“ bedeutet, eine alte Quelle elektrischer Ladung. Piezoelektrische Materialien sind Kristalle, Keramiken und biologische Stoffe wie Knochen und DNA-Proteine, die den piezoelektrischen Effekt zeigen.

Der piezoelektrische Effekt ist eine lineare elektromechanische Wechselwirkung zwischen mechanischen und elektrischen Zuständen in kristallinen Materialien mit Inversionssymmetrie. Es ist ein reversibler Prozess, was bedeutet, dass Materialien, die den piezoelektrischen Effekt aufweisen, auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt aufweisen, der die interne Erzeugung einer mechanischen Spannung ist, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Beispielsweise erzeugen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle eine messbare Piezoelektrizität, wenn ihre statische Struktur aus ihrer ursprünglichen Dimension verformt wird. Umgekehrt können Kristalle ihre statische Dimension ändern, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, ein Phänomen, das als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt ist und bei der Erzeugung von Ultraschallwellen genutzt wird.

Die Entdeckung der Piezoelektrizität wird den französischen Physikern Pierre und Jacques Curie zugeschrieben, die 1880 den direkten piezoelektrischen Effekt demonstrierten. Ihr kombiniertes Wissen über Pyroelektrizität und das Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen führten zur Vorhersage des pyroelektrischen Effekts und der Fähigkeit zur Vorhersage Kristallverhalten wurde mit der Wirkung von Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz demonstriert.

Piezoelektrizität wurde in einer Vielzahl von alltäglichen Anwendungen verwendet, wie z. B. zum Erzeugen von Funken zum Entzünden von Gas in Koch- und Heizgeräten, Fackeln, Zigarettenanzündern und Materialien mit pyroelektrischem Effekt, die als Reaktion auf eine Temperaturänderung ein elektrisches Potential erzeugen. Dies wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl von Linné und Franz Aepinus untersucht, wobei sie sich auf das Wissen von René Haüy und Antoine César Becquerel stützten, die einen Zusammenhang zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Ladung postulierten. Experimente erwiesen sich jedoch als ergebnislos, bis die Ansicht eines Piezokristalls im Curie Compensator Museum in Schottland den direkten piezoelektrischen Effekt der Curie-Brüder demonstrierte.

Piezoelektrizität wird in einer Vielzahl von elektronischen Geräten verwendet, von Tonabnehmern in elektronisch verstärkten Gitarren bis hin zu Triggern in modernen elektronischen Schlagzeugen. Es wird auch bei der Erzeugung und Erkennung von Schall, beim piezoelektrischen Tintenstrahldruck, der Erzeugung von Hochspannungselektrizität, Taktgeneratoren, Mikrowaagen, Antrieb von Ultraschalldüsen und ultrafein fokussierenden optischen Baugruppen verwendet. Piezoelektrizität ist auch die Grundlage für Rastersondenmikroskope, die zur Auflösung von Bildern auf der Skala von Atomen verwendet werden.

Mikrowaagen

Piezoelektrizität ist die Fähigkeit bestimmter fester Materialien, als Reaktion auf angelegte mechanische Spannung elektrische Ladung anzusammeln. Piezoelektrizität leitet sich von den griechischen Wörtern πιέζειν (piezein) ab, was „drücken“ oder „drücken“ bedeutet, und ἤλεκτρον (ēlektron), was „Bernstein“ bedeutet, eine alte Quelle elektrischer Ladung.

Piezoelektrizität wird in einer Vielzahl alltäglicher Anwendungen eingesetzt, z. B. zum Erzeugen von Funken zum Entzünden von Gas für Koch- und Heizgeräte, Taschenlampen, Feuerzeuge und mehr. Es wird auch bei der Erzeugung und Erkennung von Schall sowie beim piezoelektrischen Tintenstrahldruck verwendet.

Piezoelektrizität wird auch zur Erzeugung von Hochspannungsstrom verwendet und ist die Grundlage von Taktgeneratoren und elektronischen Geräten wie Mikrowaagen. Piezoelektrizität wird auch verwendet, um Ultraschalldüsen und ultrafein fokussierende optische Baugruppen anzutreiben.

Die Entdeckung der Piezoelektrizität wird den französischen Physikern Jacques und Pierre Curie im Jahr 1880 zugeschrieben. Die Curie-Brüder kombinierten ihr Wissen über Pyroelektrizität und ihr Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen, um das Konzept der Piezoelektrizität zu entwickeln. Sie konnten das Kristallverhalten vorhersagen und die Wirkung in Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz nachweisen.

Der piezoelektrische Effekt wurde für nützliche Anwendungen ausgenutzt, einschließlich der Erzeugung und Erkennung von Schall. Die Entwicklung des Sonars während des Ersten Weltkriegs war ein großer Durchbruch bei der Verwendung von Piezoelektrizität. Nach dem Zweiten Weltkrieg entdeckten unabhängige Forschungsgruppen in den Vereinigten Staaten, Russland und Japan eine neue Klasse synthetischer Materialien namens Ferroelektrika, die bis zu zehnmal höhere piezoelektrische Konstanten als natürliche Materialien aufwiesen.

Dies führte zu intensiver Forschung und Entwicklung von Materialien aus Bariumtitanat und später Bleizirkonattitanat, die spezifische Eigenschaften für bestimmte Anwendungen aufwiesen. Ein bedeutendes Beispiel für die Verwendung von piezoelektrischen Kristallen wurde in den Bell Telephone Laboratories nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelt.

Frederick R. Lack, der in der Abteilung für Funktelefontechnik arbeitete, entwickelte einen geschliffenen Kristall, der über einen weiten Temperaturbereich funktionierte. Der Kristall von Lack benötigte nicht das schwere Zubehör früherer Kristalle, was seine Verwendung in Flugzeugen erleichterte. Diese Entwicklung ermöglichte es den alliierten Luftstreitkräften, koordinierte Massenangriffe über Flugfunk durchzuführen.

Die Entwicklung piezoelektrischer Geräte und Materialien in den Vereinigten Staaten hielt mehrere Unternehmen im Geschäft, und die Entwicklung von Quarzkristallen wurde kommerziell genutzt. Piezoelektrische Materialien wurden seitdem in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter medizinische Bildgebung, Ultraschallreinigung und mehr.

Antrieb Ultraschalldüse

Piezoelektrizität ist die elektrische Ladung, die sich in bestimmten festen Materialien wie Kristallen, Keramik und biologischen Stoffen wie Knochen und DNA ansammelt. Es ist eine Reaktion auf angewandte mechanische Belastung und leitet sich von den griechischen Wörtern „piezein“ ab, was „drücken“ oder „drücken“ bedeutet, und „elektron“, was „Bernstein“ bedeutet, eine uralte Quelle elektrischer Ladung.

Der piezoelektrische Effekt ist eine lineare elektromechanische Wechselwirkung zwischen den mechanischen und elektrischen Zuständen kristalliner Materialien mit Inversionssymmetrie. Es ist ein reversibler Prozess, was bedeutet, dass Materialien, die den piezoelektrischen Effekt zeigen, auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt aufweisen, der die interne Erzeugung mechanischer Spannung ist, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Ein Beispiel hierfür sind Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle, die messbare Piezoelektrizität erzeugen, wenn ihre statische Struktur aus ihrer ursprünglichen Dimension verformt wird. Wenn dagegen ein externes elektrisches Feld angelegt wird, ändern die Kristalle ihre statische Größe, was zu einem inversen piezoelektrischen Effekt führt, der die Erzeugung von Ultraschallwellen ist.

Die französischen Physiker Jacques und Pierre Curie entdeckten die Piezoelektrizität im Jahr 1880 und sie wurde seitdem für eine Vielzahl nützlicher Anwendungen genutzt, darunter die Erzeugung und Erfassung von Schall. Piezoelektrizität findet auch alltägliche Anwendungen, wie z. B. die Erzeugung von Funken zum Entzünden von Gas in Koch- und Heizgeräten, Taschenlampen, Feuerzeugen und mehr.

Der pyroelektrische Effekt, bei dem es sich um ein Material handelt, das als Reaktion auf eine Temperaturänderung ein elektrisches Potential erzeugt, wurde von Carl von Linné, Franz Aepinus und Mitte des 18 elektrische Ladung. Experimente, um dies zu beweisen, waren nicht schlüssig.

Die Ansicht eines Piezokristalls im Curie-Kompensator im Hunterian Museum in Schottland ist eine Demonstration des direkten piezoelektrischen Effekts der Brüder Pierre und Jacques Curie. Die Kombination ihres Wissens über Pyroelektrizität und das Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen führten zur Vorhersage der Pyroelektrizität und erlaubten ihnen, das Kristallverhalten vorherzusagen. Dies wurde anhand der Wirkung von Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz demonstriert. Natrium- und Kaliumtartrattetrahydrat und Quarz zeigten ebenfalls Piezoelektrizität, und eine piezoelektrische Scheibe wurde verwendet, um bei Verformung eine Spannung zu erzeugen. Dies wurde von den Curies stark übertrieben, um den umgekehrten piezoelektrischen Effekt vorherzusagen, der 1881 von Gabriel Lippmann mathematisch aus grundlegenden thermodynamischen Prinzipien abgeleitet wurde.

Die Curies bestätigten sofort die Existenz des umgekehrten Effekts und erzielten anschließend einen quantitativen Beweis für die vollständige Reversibilität elektro-elasto-mechanischer Verformungen in piezoelektrischen Kristallen. Piezoelektrizität blieb jahrzehntelang eine Kuriosität im Labor, war aber ein wichtiges Werkzeug bei der Entdeckung von Polonium und Radium durch Pierre und Marie Curie in ihrer Arbeit zur Erforschung und Definition von Kristallstrukturen, die Piezoelektrizität aufweisen. Dies gipfelte in der Veröffentlichung des Lehrbuchs der Kristallphysik von Woldemar Voigt, das die natürlichen piezoelektrischen Kristallklassen beschrieb und die piezoelektrischen Konstanten durch Tensoranalyse streng definierte.

Die praktische Anwendung piezoelektrischer Geräte begann mit dem Sonar, das während des Ersten Weltkriegs entwickelt wurde. In Frankreich entwickelten Paul Langevin und seine Mitarbeiter einen U-Boot-Ultraschalldetektor. Der Detektor bestand aus einem Wandler aus dünnen Quarzkristallen, die sorgfältig auf Stahlplatten geklebt wurden, Hydrophon genannt, um das zurückgeworfene Echo nach dem Aussenden eines Hochfrequenzimpulses zu erfassen. Indem sie die Zeit maßen, die es braucht, um das Echo von Schallwellen zu hören, die von einem Objekt abprallen, konnten sie die Entfernung des Objekts berechnen. Diese Verwendung von Piezoelektrizität im Sonar war ein Erfolg, und das Projekt führte über Jahrzehnte zu einer intensiven Entwicklung und einem jahrzehntelangen Interesse an piezoelektrischen Geräten.

Neue piezoelektrische Materialien und neue Anwendungen für diese Materialien wurden erforscht und entwickelt, und piezoelektrische Geräte fanden in Bereichen wie keramischen Tonabnehmern ein Zuhause, was das Spielerdesign vereinfachte und für billigere, genauere Plattenspieler sorgte, die billiger zu warten und einfacher zu bauen waren . Die Entwicklung von Ultraschallwandlern ermöglichte eine einfache Messung der Viskosität und Elastizität von Flüssigkeiten und Feststoffen, was zu enormen Fortschritten in der Materialforschung führte. Ultraschall-Zeitbereichsreflektometer senden einen Ultraschallimpuls durch ein Material und messen die Reflexionen und Diskontinuitäten, um Fehler in gegossenen Metall- und Steinobjekten zu finden

Ultrafein fokussierende optische Baugruppen

Piezoelektrizität ist die Fähigkeit bestimmter Materialien, elektrische Ladung anzusammeln, wenn sie mechanischer Belastung ausgesetzt werden. Es ist eine lineare elektromechanische Wechselwirkung zwischen elektrischen und mechanischen Zuständen kristalliner Materialien mit Inversionssymmetrie. Piezoelektrizität ist ein reversibler Prozess, was bedeutet, dass Materialien, die Piezoelektrizität aufweisen, auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt aufweisen, der die interne Erzeugung einer mechanischen Spannung ist, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert.

Piezoelektrizität wurde in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich der Erzeugung und Erfassung von Schall und der Erzeugung von Hochspannungselektrizität. Piezoelektrizität wird auch im Tintenstrahldruck, in Taktgeneratoren, elektronischen Geräten, Mikrowaagen, zum Antrieb von Ultraschalldüsen und zur ultrafeinen Fokussierung optischer Baugruppen verwendet.

Die Piezoelektrizität wurde 1880 von den französischen Physikern Jacques und Pierre Curie entdeckt. Der piezoelektrische Effekt wird in nützlichen Anwendungen ausgenutzt, wie z. B. der Erzeugung und Erfassung von Schall und der Erzeugung von Hochspannungselektrizität. Piezoelektrischer Tintenstrahldruck wird ebenso verwendet wie Taktgeneratoren, elektronische Geräte, Mikrowaagen, Ultraschalldüsen und ultrafein fokussierende optische Baugruppen.

Piezoelektrizität hat ihren Weg in alltägliche Anwendungen gefunden, wie z. B. die Erzeugung von Funken zum Zünden von Gas für Koch- und Heizgeräte, Taschenlampen, Feuerzeuge und Materialien mit pyroelektrischem Effekt, die als Reaktion auf eine Temperaturänderung ein elektrisches Potential erzeugen. Dieser Effekt wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl von Linné und Franz Aepinus untersucht, wobei sie sich auf das Wissen von René Haüy und Antoine César Becquerel stützten, die eine Beziehung zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Ladung postulierten. Experimente erwiesen sich als nicht schlüssig.

Natrium- und Kaliumtartrattetrahydrat sowie Quarz und Rochelle-Salz zeigten Piezoelektrizität, und eine piezoelektrische Scheibe wurde verwendet, um bei Verformung eine Spannung zu erzeugen, obwohl die Formänderung stark übertrieben war. Die Curies sagten den umgekehrten piezoelektrischen Effekt voraus, und der umgekehrte Effekt wurde 1881 von Gabriel Lippmann mathematisch aus grundlegenden thermodynamischen Prinzipien abgeleitet. Die Curies bestätigten sofort die Existenz des umgekehrten Effekts und fuhren fort, quantitative Beweise für die vollständige Reversibilität der Elastomechanische Verformungen in piezoelektrischen Kristallen.

Piezoelektrizität blieb jahrzehntelang eine Kuriosität im Labor, bis sie zu einem wichtigen Werkzeug bei der Entdeckung von Polonium und Radium durch Pierre und Marie Curie wurde. Ihre Arbeit zur Erforschung und Definition von Kristallstrukturen, die Piezoelektrizität aufweisen, gipfelte in der Veröffentlichung von Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik. Dies beschrieb die natürlichen Kristallklassen, die zur Piezoelektrizität fähig sind, und definierte die piezoelektrischen Konstanten streng unter Verwendung von Tensoranalysen für die praktische Anwendung von piezoelektrischen Geräten.

Die Entwicklung von Sonar war ein Erfolgsprojekt, das eine intensive Entwicklung und ein intensives Interesse an piezoelektrischen Geräten hervorrief. Jahrzehnte später wurden neue piezoelektrische Materialien und neue Anwendungen für diese Materialien erforscht und entwickelt. Piezoelektrische Geräte fanden in einer Vielzahl von Bereichen ein Zuhause, wie z. B. keramische Tonabnehmer für Tonabnehmer, die das Design von Playern vereinfachten und Plattenspieler billiger und einfacher zu warten und zu bauen machten. Die Entwicklung von Ultraschallwandlern ermöglichte die einfache Messung der Viskosität und Elastizität von Flüssigkeiten und Feststoffen, was zu enormen Fortschritten in der Materialforschung führte. Ultraschall-Zeitbereichsreflektometer senden einen Ultraschallimpuls in ein Material und messen die Reflexionen und Diskontinuitäten, um Fehler in gegossenen Metall- und Steinobjekten zu finden und so die strukturelle Sicherheit zu verbessern.

Die Anfänge der Piezoelektrizitätsinteressen wurden mit den profitablen Patenten neuer Materialien gesichert, die aus Quarzkristallen entwickelt wurden, die kommerziell als piezoelektrisches Material genutzt wurden. Wissenschaftler suchten nach leistungsstärkeren Materialien, und trotz Fortschritten bei den Materialien und ausgereiften Herstellungsverfahren wuchs der US-amerikanische Markt nicht schnell. Im Gegensatz dazu tauschten japanische Hersteller schnell Informationen aus und neue Anwendungen für das Wachstum in der piezoelektrischen Industrie der Vereinigten Staaten litten im Gegensatz zu japanischen Herstellern.

Piezoelektrische Motoren

In diesem Abschnitt werde ich darüber sprechen, wie Piezoelektrizität in der modernen Technologie verwendet wird. Von Rastersondenmikroskopen, die Bilder im Atommaßstab auflösen können, bis hin zu Tonabnehmern für elektronisch verstärkte Gitarren und Triggern für moderne elektronische Schlagzeuge ist Piezoelektrizität zu einem integralen Bestandteil vieler Geräte geworden. Ich werde die Geschichte der Piezoelektrizität untersuchen und wie sie in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wurde.

Bildet die Basis von Rastersondenmikroskopen

Piezoelektrizität ist die elektrische Ladung, die sich in bestimmten festen Materialien wie Kristallen, Keramik und biologischen Stoffen wie Knochen und DNA ansammelt. Es ist die Reaktion auf angewandte mechanische Belastung, und das Wort Piezoelektrizität kommt vom griechischen Wort πιέζειν (piezein), was „drücken“ oder „drücken“ bedeutet, und ἤλεκτρον (ēlektron), was „Bernstein“ bedeutet, eine alte Quelle elektrischer Ladung.

Piezoelektrische Motoren sind Geräte, die den piezoelektrischen Effekt nutzen, um Bewegung zu erzeugen. Dieser Effekt ist die lineare elektromechanische Wechselwirkung zwischen mechanischen und elektrischen Zuständen in kristallinen Materialien mit Inversionssymmetrie. Es ist ein reversibler Prozess, was bedeutet, dass Materialien, die den piezoelektrischen Effekt aufweisen, auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt aufweisen, der die interne Erzeugung einer mechanischen Spannung ist, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Beispiele für Materialien, die messbare Piezoelektrizität erzeugen, sind Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle.

Der piezoelektrische Effekt wird in nützlichen Anwendungen ausgenutzt, wie z. B. der Erzeugung und Erfassung von Schall, piezoelektrischem Tintenstrahldruck, der Erzeugung von Hochspannungselektrizität, Taktgeneratoren und elektronischen Geräten wie Mikrowaagen und Antrieb von Ultraschalldüsen für ultrafein fokussierende optische Baugruppen. Es bildet auch die Grundlage für Rastersondenmikroskope, die zur Auflösung von Bildern auf der Skala von Atomen verwendet werden.

Die Piezoelektrizität wurde 1880 von den französischen Physikern Jacques und Pierre Curie entdeckt. Die Ansicht eines Piezokristalls und des Curie-Kompensators ist im Hunterian Museum in Schottland zu sehen, das eine Demonstration des direkten piezoelektrischen Effekts der Brüder Pierre und Jacques Curie ist.

Die Kombination ihres Wissens über Pyroelektrizität und ihres Verständnisses der zugrunde liegenden Kristallstrukturen führte zur Vorhersage der Pyroelektrizität, die es ihnen ermöglichte, das Kristallverhalten vorherzusagen. Dies wurde durch die Wirkung von Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz demonstriert. Natrium- und Kaliumtartrattetrahydrat sowie Quarz und Rochelle-Salz zeigten Piezoelektrizität, und eine piezoelektrische Scheibe wurde verwendet, um bei Verformung eine Spannung zu erzeugen, obwohl dies von den Curies stark übertrieben wurde.

Sie sagten auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt voraus, und dieser wurde 1881 von Gabriel Lippmann mathematisch aus grundlegenden thermodynamischen Prinzipien abgeleitet. mechanische Verformungen in piezoelektrischen Kristallen.

Piezoelektrizität blieb jahrzehntelang eine Kuriosität im Labor, bis sie zu einem wichtigen Werkzeug bei der Entdeckung von Polonium und Radium durch Pierre und Marie Curie wurde. Ihre Arbeit zur Erforschung und Definition der Kristallstrukturen, die Piezoelektrizität aufweisen, gipfelte in der Veröffentlichung von Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik, das die natürlichen Kristallklassen beschrieb, die zur Piezoelektrizität fähig sind, und die piezoelektrischen Konstanten und die Tensoranalyse streng definierte.

Dies führte zur praktischen Anwendung piezoelektrischer Geräte wie Sonar, das während des Ersten Weltkriegs entwickelt wurde. In Frankreich entwickelten Paul Langevin und seine Mitarbeiter einen Ultraschall-U-Boot-Detektor. Dieser Detektor bestand aus einem Wandler aus dünnen Quarzkristallen, die sorgfältig auf Stahlplatten geklebt wurden, und einem Hydrophon, um das zurückgeworfene Echo zu erfassen, nachdem ein Hochfrequenzimpuls vom Wandler ausgesendet wurde. Indem sie die Zeit maßen, die es braucht, um das Echo der Schallwellen zu hören, die von einem Objekt abprallen, konnten sie die Entfernung des Objekts berechnen. Sie nutzten Piezoelektrizität, um dieses Sonar zum Erfolg zu führen, und das Projekt führte über Jahrzehnte zu einer intensiven Entwicklung und einem Interesse an piezoelektrischen Geräten.

Neue piezoelektrische Materialien und neue Anwendungen für diese Materialien wurden erforscht und entwickelt, und piezoelektrische Geräte fanden in vielen Bereichen ein Zuhause, wie z. B. keramische Tonabnehmer, die das Spielerdesign vereinfachten und für billigere und genauere Plattenspieler sorgten, die billiger zu warten und einfacher waren bauen. Die Entwicklung von Ultraschallwandlern ermöglichte eine einfache Messung der Viskosität und Elastizität von Flüssigkeiten und Feststoffen, was zu enormen Fortschritten in der Materialforschung führte. Ultraschall-Zeitbereichsreflektometer senden einen Ultraschallimpuls in ein Material und messen die Reflexionen und Diskontinuitäten, um Fehler in gegossenen Metall- und Steinobjekten zu finden und so die strukturelle Sicherheit zu verbessern.

Während des Zweiten Weltkriegs unabhängige Forschungsgruppen in den Vereinigten

Bilder im Atommaßstab auflösen

Piezoelektrizität ist die elektrische Ladung, die sich in bestimmten festen Materialien wie Kristallen, Keramik und biologischen Stoffen wie Knochen und DNA ansammelt. Es ist eine Reaktion auf angewandte mechanische Belastung und leitet sich vom griechischen Wort „piezein“ ab, was „quetschen“ oder „drücken“ bedeutet. Der piezoelektrische Effekt resultiert aus der linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen den mechanischen und elektrischen Zuständen in kristallinen Materialien mit Inversionssymmetrie.

Piezoelektrizität ist ein reversibler Prozess, und Materialien, die den piezoelektrischen Effekt zeigen, zeigen auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt, der die interne Erzeugung einer mechanischen Spannung ist, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Beispiele hierfür sind Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle, die messbare Piezoelektrizität erzeugen, wenn ihre statische Struktur aus ihrer ursprünglichen Dimension verformt wird. Umgekehrt ändern Kristalle ihre statische Dimension, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, was als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt ist und bei der Erzeugung von Ultraschallwellen genutzt wird.

Die französischen Physiker Jacques und Pierre Curie entdeckten die Piezoelektrizität im Jahr 1880. Der piezoelektrische Effekt wurde für eine Vielzahl nützlicher Anwendungen genutzt, darunter die Erzeugung und Erfassung von Schall, piezoelektrischer Tintenstrahldruck, die Erzeugung von Hochspannungsstrom, Taktgeneratoren und elektronische Geräte wie z Mikrowaagen und treiben Ultraschalldüsen an. Es bildet auch die Grundlage für Rastersondenmikroskope, die zur Auflösung von Bildern auf der Skala von Atomen verwendet werden.

Piezoelektrizität wird auch in alltäglichen Anwendungen verwendet, z. B. zur Erzeugung von Funken zum Entzünden von Gas in Koch- und Heizgeräten, Taschenlampen, Zigarettenanzündern und mehr. Der pyroelektrische Effekt, ein Material, das als Reaktion auf eine Temperaturänderung ein elektrisches Potential erzeugt, wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl von Linné und Franz Aepinus untersucht. Sie stützten sich auf das Wissen von René Haüy und Antoine César Becquerel und postulierten eine Beziehung zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Ladung, aber ihre Experimente erwiesen sich als nicht schlüssig.

Besucher des Hunterian Museum in Glasgow können einen Piezokristall-Curie-Kompensator besichtigen, eine Demonstration des direkten piezoelektrischen Effekts der Brüder Pierre und Jacques Curie. In Kombination mit ihrem Wissen über Pyroelektrizität und dem Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen führten sie zur Vorhersage der Pyroelektrizität und der Fähigkeit, das Kristallverhalten vorherzusagen. Dies wurde durch die Wirkung von Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz demonstriert. Natrium- und Kaliumtartrattetrahydrat sowie Quarz und Rochelle-Salz zeigten Piezoelektrizität, und eine piezoelektrische Scheibe erzeugt bei Verformung eine Spannung, obwohl die Formänderung stark übertrieben ist. Die Curies konnten den umgekehrten piezoelektrischen Effekt vorhersagen, und der umgekehrte Effekt wurde 1881 von Gabriel Lippmann mathematisch aus grundlegenden thermodynamischen Prinzipien abgeleitet.

Tonabnehmer elektronisch verstärkte Gitarren

Piezoelektrische Motoren sind Elektromotoren, die den piezoelektrischen Effekt nutzen, um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Der piezoelektrische Effekt ist die Fähigkeit bestimmter Materialien, bei mechanischer Belastung eine elektrische Ladung zu erzeugen. Piezoelektrische Motoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, vom Antrieb kleiner Geräte wie Armbanduhren und Uhren bis hin zum Antrieb größerer Maschinen wie Roboter und medizinischer Geräte.

Piezoelektrische Motoren werden in Tonabnehmern elektronisch verstärkter Gitarren verwendet. Diese Tonabnehmer nutzen den piezoelektrischen Effekt, um die Schwingungen der Gitarrensaiten in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Dieses Signal wird dann verstärkt und an einen Verstärker gesendet, der den Klang der Gitarre erzeugt. Piezoelektrische Tonabnehmer werden auch in modernen elektronischen Schlagzeugen verwendet, wo sie dazu dienen, die Schwingungen der Trommelfelle zu erfassen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln.

Piezoelektrische Motoren werden auch in Rastersondenmikroskopen verwendet, die den piezoelektrischen Effekt nutzen, um eine winzige Sonde über eine Oberfläche zu bewegen. Dadurch kann das Mikroskop Bilder im Atommaßstab auflösen. Piezoelektrische Motoren werden auch in Tintenstrahldruckern verwendet, wo sie dazu dienen, den Druckkopf über die Seite hin und her zu bewegen.

Piezoelektrische Motoren werden in einer Vielzahl anderer Anwendungen eingesetzt, darunter medizinische Geräte, Automobilkomponenten und Unterhaltungselektronik. Sie werden auch in industriellen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise bei der Herstellung von Präzisionsteilen und bei der Montage komplexer Komponenten. Der piezoelektrische Effekt wird auch bei der Erzeugung von Ultraschallwellen genutzt, die in der medizinischen Bildgebung und bei der Erkennung von Materialfehlern eingesetzt werden.

Insgesamt werden piezoelektrische Motoren in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, vom Antrieb kleiner Geräte bis zum Antrieb größerer Maschinen. Sie werden in Tonabnehmern, elektronisch verstärkten Gitarren, modernen elektronischen Schlagzeugen, Rastersondenmikroskopen, Tintenstrahldruckern, medizinischen Geräten, Automobilkomponenten und Unterhaltungselektronik verwendet. Der piezoelektrische Effekt wird auch zur Erzeugung von Ultraschallwellen und zur Erkennung von Materialfehlern genutzt.

Triggert moderne elektronische Drums

Piezoelektrizität ist die elektrische Ladung, die sich in bestimmten festen Materialien wie Kristallen, Keramik und biologischen Stoffen wie Knochen und DNA ansammelt. Es ist die Reaktion dieser Materialien auf aufgebrachte mechanische Belastungen. Das Wort Piezoelektrizität leitet sich vom griechischen Wort „piezein“ ab, was „quetschen oder drücken“ bedeutet, und dem Wort „elektron“, was „Bernstein“ bedeutet, eine uralte Quelle elektrischer Ladung.

Piezoelektrische Motoren sind Geräte, die den piezoelektrischen Effekt nutzen, um Bewegung zu erzeugen. Dieser Effekt resultiert aus der linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen den mechanischen und elektrischen Zuständen kristalliner Materialien mit Inversionssymmetrie. Es ist ein reversibler Prozess, was bedeutet, dass Materialien, die den piezoelektrischen Effekt zeigen, auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt aufweisen, der die interne Erzeugung mechanischer Spannung ist, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Ein Beispiel hierfür sind Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle, die messbare Piezoelektrizität erzeugen, wenn ihre statische Struktur aus ihrer ursprünglichen Dimension verformt wird. Wenn dagegen ein externes elektrisches Feld angelegt wird, ändern die Kristalle ihre statische Größe und erzeugen Ultraschallwellen.

Piezoelektrische Motoren werden in einer Vielzahl alltäglicher Anwendungen eingesetzt, wie zum Beispiel:

• Erzeugung von Funken zur Entzündung von Gas in Koch- und Heizgeräten
• Taschenlampen, Feuerzeuge und Materialien mit pyroelektrischem Effekt
• Erzeugung eines elektrischen Potentials als Reaktion auf Temperaturänderungen
• Tonerzeugung und -erkennung
• Piezoelektrischer Tintenstrahldruck
• Erzeugung von Hochspannungsstrom
• Taktgenerator und elektronische Geräte
• Mikrowaagen
• Treiben Sie Ultraschalldüsen und ultrafein fokussierende optische Baugruppen an
• Bildet die Basis von Rastersondenmikroskopen
• Bilder im Atommaßstab auflösen
• Nimmt elektronisch verstärkte Gitarren auf
• Triggert moderne elektronische Drums.

Elektromechanische Modellierung piezoelektrischer Wandler

In diesem Abschnitt untersuche ich die elektromechanische Modellierung von piezoelektrischen Wandlern. Ich werde mich mit der Geschichte der Entdeckung der Piezoelektrizität, den Experimenten, die ihre Existenz bewiesen haben, und der Entwicklung piezoelektrischer Geräte und Materialien befassen. Ich werde auch die Beiträge der französischen Physiker Pierre und Jacques Curie, Carl Linnaeus und Franz Aepinus, Rene Hauy und Antoine Cesar Becquerel, Gabriel Lippmann und Woldemar Voigt diskutieren.

Französische Physiker Pierre und Jacques Curie

Piezoelektrizität ist ein elektromechanisches Phänomen, bei dem sich elektrische Ladung in bestimmten festen Materialien wie Kristallen, Keramik und biologischen Stoffen wie Knochen und DNA ansammelt. Diese Ladung wird als Reaktion auf eine angelegte mechanische Belastung erzeugt. Das Wort „Piezoelektrizität“ leitet sich vom griechischen Wort „piezein“ ab, was „quetschen oder drücken“ bedeutet, und „elektron“, was „Bernstein“ bedeutet, eine uralte Quelle elektrischer Ladung.

Der piezoelektrische Effekt resultiert aus einer linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen mechanischen und elektrischen Zuständen in Materialien mit Inversionssymmetrie. Dieser Effekt ist reversibel, was bedeutet, dass Materialien, die den piezoelektrischen Effekt aufweisen, auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt aufweisen, bei dem als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld eine interne Erzeugung einer mechanischen Spannung erzeugt wird. Beispielsweise erzeugen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle eine messbare Piezoelektrizität, wenn ihre statische Struktur aus ihrer ursprünglichen Dimension verformt wird. Wenn dagegen ein externes elektrisches Feld angelegt wird, ändern die Kristalle ihre statische Größe und erzeugen Ultraschallwellen in einem Prozess, der als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt ist.

1880 entdeckten die französischen Physiker Pierre und Jacques Curie den piezoelektrischen Effekt und er wurde seitdem für eine Vielzahl nützlicher Anwendungen genutzt, darunter die Erzeugung und Erfassung von Schall, piezoelektrischer Tintenstrahldruck, die Erzeugung von Hochspannungsstrom, Taktgeneratoren und Elektronik Geräte wie Mikrowaagen und Antriebsultraschalldüsen für ultrafein fokussierende optische Baugruppen. Es bildet auch die Grundlage für Rastersondenmikroskope, die Bilder im Atommaßstab auflösen können. Piezoelektrizität wird auch in Tonabnehmern für elektronisch verstärkte Gitarren und Trigger für moderne elektronische Schlagzeuge verwendet.

Piezoelektrizität findet auch alltägliche Anwendungen, wie z. B. die Erzeugung von Funken zum Entzünden von Gas in Koch- und Heizgeräten, Taschenlampen, Feuerzeugen und mehr. Der pyroelektrische Effekt, bei dem ein Material als Reaktion auf eine Temperaturänderung ein elektrisches Potential erzeugt, wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl von Linné und Franz Aepinus untersucht, wobei sie sich auf das Wissen von René Hauy und Antoine César Becquerel stützten, die eine Beziehung zwischen postulierten mechanischer Stress und elektrische Ladung, obwohl sich ihre Experimente als nicht schlüssig erwiesen.

Durch die Kombination ihres Wissens über Pyroelektrizität mit einem Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen waren die Curies in der Lage, die Vorhersage der Pyroelektrizität zu ermöglichen und das Verhalten von Kristallen vorherzusagen. Dies zeigte sich in der Wirkung von Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz. Natriumkaliumtartrattetrahydrat und Quarz zeigten ebenfalls Piezoelektrizität. Eine piezoelektrische Scheibe erzeugt bei Verformung eine Spannung, die in der Demonstration der Curies jedoch stark übertrieben ist. Sie konnten auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt vorhersagen und mathematisch aus grundlegenden thermodynamischen Prinzipien von Gabriel Lippmann im Jahr 1881 ableiten.

Die Curies bestätigten sofort die Existenz des umgekehrten Effekts und erzielten anschließend einen quantitativen Beweis für die vollständige Reversibilität elektro-elasto-mechanischer Verformungen in piezoelektrischen Kristallen. In den folgenden Jahrzehnten blieb die Piezoelektrizität eine Laborkuriosität, bis sie zu einem wichtigen Werkzeug bei der Entdeckung von Polonium und Radium durch Pierre und Marie Curie wurde. Ihre Arbeit zur Erforschung und Definition von Kristallstrukturen, die Piezoelektrizität aufweisen, gipfelte in der Veröffentlichung von Woldemar Voigts „Lehrbuch der Kristallphysik“.

Experimente erwiesen sich als nicht schlüssig

Piezoelektrizität ist ein elektromechanisches Phänomen, bei dem sich elektrische Ladung in bestimmten festen Materialien wie Kristallen, Keramik und biologischen Stoffen wie Knochen und DNA ansammelt. Es ist die Reaktion auf angewandte mechanische Belastung, und das Wort „Piezoelektrizität“ leitet sich von den griechischen Wörtern „piezein“ ab, was „quetschen oder drücken“ bedeutet, und „ēlektron“, was „Bernstein“ bedeutet, eine uralte Quelle elektrischer Ladung.

Der piezoelektrische Effekt resultiert aus der linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen den mechanischen und elektrischen Zuständen kristalliner Materialien mit Inversionssymmetrie. Es ist ein reversibler Prozess; Materialien, die den piezoelektrischen Effekt zeigen, zeigen auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt, der die interne Erzeugung einer mechanischen Spannung ist, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Beispielsweise erzeugen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle eine messbare Piezoelektrizität, wenn ihre statische Struktur aus ihrer ursprünglichen Dimension verformt wird. Umgekehrt können Kristalle ihre statische Größe ändern, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, bekannt als inverser piezoelektrischer Effekt, der bei der Erzeugung von Ultraschallwellen genutzt wird.

Die französischen Physiker Pierre und Jacques Curie entdeckten die Piezoelektrizität im Jahr 1880. Sie wurde seitdem für eine Vielzahl nützlicher Anwendungen genutzt, darunter die Erzeugung und Erfassung von Schall, piezoelektrischer Tintenstrahldruck, die Erzeugung von Hochspannungsstrom, Taktgeneratoren und elektronische Geräte wie Mikrowaagen , treiben Ultraschalldüsen und ultrafein fokussierende optische Baugruppen an. Es bildet auch die Grundlage für Rastersondenmikroskope, die Bilder auf der Skala von Atomen auflösen können. Piezoelektrizität wird auch in Tonabnehmern für elektronisch verstärkte Gitarren und Trigger für moderne elektronische Schlagzeuge verwendet.

Piezoelektrizität findet alltägliche Anwendung bei der Erzeugung von Funken, um Gas in Koch- und Heizgeräten, Taschenlampen, Feuerzeugen und mehr zu entzünden. Der pyroelektrische Effekt, bei dem ein Material als Reaktion auf eine Temperaturänderung ein elektrisches Potential erzeugt, wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl von Linné und Franz Aepinus untersucht, wobei sie sich auf das Wissen von René Hauy und Antoine César Becquerel stützten, die eine Beziehung postulierten zwischen mechanischer Belastung und elektrischer Ladung. Experimente erwiesen sich als nicht schlüssig.

Das kombinierte Wissen über Pyroelektrizität und das Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen führten zur Vorhersage der Pyroelektrizität und der Fähigkeit, das Verhalten von Kristallen vorherzusagen. Dies zeigte sich in der Wirkung von Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz. Natriumkaliumtartrattetrahydrat und Quarz zeigten ebenfalls Piezoelektrizität, und eine piezoelektrische Scheibe wurde verwendet, um bei Verformung eine Spannung zu erzeugen. Dies wurde bei der Demonstration des direkten piezoelektrischen Effekts durch Curies stark übertrieben.

Die Brüder Pierre und Jacques Curie sagten den umgekehrten piezoelektrischen Effekt voraus, und der umgekehrte Effekt wurde 1881 von Gabriel Lippmann mathematisch aus grundlegenden thermodynamischen Prinzipien abgeleitet. Die Curies bestätigten sofort die Existenz des umgekehrten Effekts und fuhren fort, den vollständigen quantitativen Beweis zu erhalten Reversibilität elektro-elasto-mechanischer Verformungen in piezoelektrischen Kristallen.

Piezoelektrizität blieb jahrzehntelang eine Laborkuriosität, aber sie war ein wichtiges Werkzeug bei der Entdeckung von Polonium und Radium durch Pierre und Marie Curie. Ihre Arbeit zur Erforschung und Definition von Kristallstrukturen, die Piezoelektrizität aufweisen, gipfelte in der Veröffentlichung von Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik. Dieser beschrieb die natürlichen Kristallklassen, die zur Piezoelektrizität fähig sind, und definierte die piezoelektrischen Konstanten mithilfe der Tensoranalyse rigoros. Dies war die erste praktische Anwendung von piezoelektrischen Wandlern, und Sonar wurde während des Ersten Weltkriegs entwickelt. In Frankreich entwickelten Paul Langevin und seine Mitarbeiter einen U-Boot-Ultraschalldetektor.

Carl von Linné und Franz Aepinus

Piezoelektrizität ist ein elektromechanisches Phänomen, bei dem sich elektrische Ladung in bestimmten festen Materialien wie Kristallen, Keramik und biologischen Stoffen wie Knochen und DNA ansammelt. Diese Ladung wird als Reaktion auf angelegte mechanische Belastung erzeugt. Das Wort Piezoelektrizität kommt von den griechischen Wörtern πιέζειν (piezein), was „quetschen oder drücken“ bedeutet, und ἤλεκτρον (ēlektron), was „Bernstein“ bedeutet, eine alte Quelle elektrischer Ladung.

Der piezoelektrische Effekt resultiert aus einer linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen den mechanischen und elektrischen Zuständen kristalliner Materialien mit Inversionssymmetrie. Dieser Effekt ist reversibel, was bedeutet, dass Materialien mit Piezoelektrizität auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt aufweisen, bei dem es sich um die interne Erzeugung mechanischer Spannungen handelt, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultieren. Beispielsweise erzeugen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle eine messbare Piezoelektrizität, wenn ihre statische Struktur aus ihrer ursprünglichen Dimension verformt wird. Umgekehrt können Kristalle ihre statische Abmessung ändern, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, was als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt ist und bei der Erzeugung von Ultraschallwellen genutzt wird.

1880 entdeckten die französischen Physiker Jacques und Pierre Curie den piezoelektrischen Effekt und er wurde seitdem für viele nützliche Anwendungen genutzt, darunter die Erzeugung und Erkennung von Schall, piezoelektrischer Tintenstrahldruck, die Erzeugung von Hochspannungsstrom, Taktgeneratoren, elektronischen Geräten und Mikrowaagen , treiben Ultraschalldüsen und ultrafein fokussierende optische Baugruppen an. Es bildet auch die Grundlage für Rastersondenmikroskope, mit denen Bilder auf der Skala von Atomen aufgelöst werden. Piezoelektrizität wird auch in Tonabnehmern für elektronisch verstärkte Gitarren und Trigger für moderne elektronische Schlagzeuge verwendet.

Piezoelektrizität findet sich auch in alltäglichen Anwendungen, wie der Erzeugung von Funken zum Entzünden von Gas in Koch- und Heizgeräten, Taschenlampen, Feuerzeugen und dem pyroelektrischen Effekt, bei dem ein Material als Reaktion auf eine Temperaturänderung ein elektrisches Potential erzeugt. Dieser Effekt wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl Linnaeus und Franz Aepinus untersucht, wobei sie sich auf das Wissen von René Hauy und Antoine César Becquerel stützten, die eine Beziehung zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Ladung postulierten, obwohl sich ihre Experimente als nicht schlüssig erwiesen.

Die Ansicht eines Piezokristalls im Curie-Kompensator im Hunterian Museum in Schottland ist eine Demonstration des direkten piezoelektrischen Effekts der Brüder Pierre und Jacques Curie. Die Kombination ihres Wissens über Pyroelektrizität mit einem Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen führte zur Vorhersage der Pyroelektrizität und der Fähigkeit, das Kristallverhalten vorherzusagen. Dies wurde durch die Wirkung von Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz demonstriert. Natriumkaliumtartrattetrahydrat und Quarz aus Rochelle-Salz zeigten Piezoelektrizität, und eine piezoelektrische Scheibe erzeugt bei Verformung eine Spannung, obwohl dies in der Curies-Demonstration stark übertrieben ist.

Die Vorhersage des umgekehrten piezoelektrischen Effekts und seine mathematische Ableitung aus fundamentalen thermodynamischen Prinzipien wurde 1881 von Gabriel Lippmann gemacht. Die Curies bestätigten sofort die Existenz des umgekehrten Effekts und erhielten anschließend einen quantitativen Beweis für die vollständige Reversibilität des elektro-elastoelektrischen Effekts. mechanische Verformungen in piezoelektrischen Kristallen. Piezoelektrizität blieb jahrzehntelang eine Kuriosität im Labor, bis sie zu einem wichtigen Werkzeug bei der Entdeckung von Polonium und Radium durch Pierre und Marie Curie wurde, die sie zur Erforschung und Definition von Kristallstrukturen verwendeten, die Piezoelektrizität aufwiesen. Dies gipfelte in der Veröffentlichung des Lehrbuchs der Kristallphysik von Woldemar Voigt, das die natürlichen piezoelektrizitätsfähigen Kristallklassen beschrieb und die piezoelektrischen Konstanten mittels Tensoranalyse streng definierte.

Diese praktische Anwendung von piezoelektrischen Wandlern führte während des Ersten Weltkriegs zur Entwicklung von Sonaren. In Frankreich entwickelten Paul Langevin und seine Mitarbeiter einen U-Boot-Ultraschalldetektor. Der Detektor bestand aus einem Wandler aus dünnen Quarzkristallen, die sorgfältig auf Stahlplatten geklebt wurden, und einem Hydrophon, um das zurückgeworfene Echo zu erfassen, nachdem ein Hochfrequenzimpuls vom Wandler ausgesendet wurde. Indem sie die Zeit maßen, die es braucht, um das Echo von Schallwellen zu hören, die von einem Objekt abprallen, konnten sie die Entfernung des Objekts berechnen. Sie nutzten Piezoelektrizität, um dieses Sonar zum Erfolg zu führen, und das Projekt führte zu einer intensiven Entwicklung und einem starken Interesse an piezoelektrischen Geräten

René Hauy und Antoine Cesar Becquerel

Piezoelektrizität ist ein elektromechanisches Phänomen, das auftritt, wenn bestimmte feste Materialien wie Kristalle, Keramik und biologische Stoffe wie Knochen und DNA als Reaktion auf angelegte mechanische Spannung elektrische Ladung ansammeln. Piezoelektrizität leitet sich vom griechischen Wort „piezein“ ab, was „quetschen oder drücken“ bedeutet, und „elektron“, was „Bernstein“ bedeutet, eine uralte Quelle elektrischer Ladung.

Der piezoelektrische Effekt resultiert aus einer linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen mechanischen und elektrischen Zuständen in kristallinen Materialien mit Inversionssymmetrie. Dieser Effekt ist reversibel, was bedeutet, dass Materialien, die den piezoelektrischen Effekt zeigen, auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt zeigen, oder eine interne Erzeugung einer mechanischen Spannung, die aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Beispielsweise erzeugen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle eine messbare Piezoelektrizität, wenn ihre statische Struktur aus ihrer ursprünglichen Dimension verformt wird. Umgekehrt können Kristalle ihre statische Dimension ändern, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, was zum inversen piezoelektrischen Effekt und zur Erzeugung von Ultraschallwellen führt.

Die französischen Physiker Pierre und Jacques Curie entdeckten 1880 den piezoelektrischen Effekt. Dieser Effekt wurde für eine Vielzahl nützlicher Anwendungen genutzt, darunter die Erzeugung und Erfassung von Schall, piezoelektrischer Tintenstrahldruck, die Erzeugung von Hochspannungsstrom, Taktgeneratoren und elektronischen Geräten wie Mikrowaagen, Antriebs-Ultraschalldüsen und ultrafein fokussierende optische Baugruppen. Es bildet auch die Grundlage für Rastersondenmikroskope, die Bilder auf der Skala von Atomen auflösen können. Piezoelektrizität wird auch in Tonabnehmern für elektronisch verstärkte Gitarren und Trigger für moderne elektronische Schlagzeuge verwendet.

Der piezoelektrische Effekt wurde erstmals Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl von Linné und Franz Aepinus untersucht, wobei auf Erkenntnisse von Rene Hauy und Antoine Cesar Becquerel zurückgegriffen wurde, die eine Beziehung zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Ladung postulierten. Experimente erwiesen sich jedoch als nicht schlüssig. In Kombination mit dem Wissen über Pyroelektrizität und dem Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen führte dies zur Vorhersage der Pyroelektrizität und der Fähigkeit, das Kristallverhalten vorherzusagen. Dies zeigte sich in der Wirkung von Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz. Natriumkaliumtartrattetrahydrat und Quarz zeigten ebenfalls Piezoelektrizität, und eine piezoelektrische Scheibe wurde verwendet, um bei Verformung eine Spannung zu erzeugen. Dieser Effekt wurde in der Demonstration der Curies im Museum of Scotland, die den direkten piezoelektrischen Effekt zeigte, stark übertrieben.

Den Brüdern Pierre und Jacques Curie gelang der quantitative Nachweis der vollständigen Reversibilität elektro-elasto-mechanischer Verformungen in piezoelektrischen Kristallen. Piezoelektrizität blieb jahrzehntelang eine Kuriosität im Labor, bis sie zu einem wichtigen Werkzeug bei der Entdeckung von Polonium und Radium durch Pierre und Marie Curie wurde. Diese Arbeit erforschte und definierte die Kristallstrukturen, die Piezoelektrizität aufwiesen, und gipfelte in der Veröffentlichung von Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik.

Die Curies bestätigten sofort die Existenz des umgekehrten Effekts und fuhren fort, die grundlegenden thermodynamischen Prinzipien des umgekehrten Effekts mathematisch abzuleiten. Dies wurde 1881 von Gabriel Lippmann durchgeführt. Piezoelektrizität wurde dann verwendet, um Sonar während des Ersten Weltkriegs zu entwickeln. In Frankreich entwickelten Paul Langevin und seine Mitarbeiter einen Ultraschall-U-Boot-Detektor. Dieser Detektor bestand aus einem Wandler aus dünnen Quarzkristallen, die sorgfältig auf Stahlplatten geklebt wurden, und einem Hydrophon zur Erfassung des zurückgeworfenen Echos. Indem sie einen Hochfrequenzimpuls vom Wandler aussendeten und die Zeit maßen, die es dauert, bis das Echo der von einem Objekt abprallenden Schallwellen zu hören war, konnten sie die Entfernung zum Objekt berechnen.

Die Verwendung von piezoelektrischen Kristallen wurde von den Bell Telephone Laboratories nach dem Zweiten Weltkrieg weiterentwickelt. Frederick R. Lack, der in der Abteilung für Funktelefontechnik arbeitete, entwickelte einen geschliffenen Kristall, der über einen weiten Temperaturbereich betrieben werden konnte. Der Kristall von Lack benötigte nicht das schwere Zubehör früherer Kristalle, was seine Verwendung in Flugzeugen erleichterte. Diese Entwicklung ermöglichte den alliierten Luftstreitkräften koordinierte Massenangriffe über Flugfunk. Die Entwicklung piezoelektrischer Geräte und Materialien in den Vereinigten Staaten hielt Unternehmen in der Entwicklung von Kriegsanfängen auf diesem Gebiet und Interessen an der Sicherung profitabler Patente für neue entwickelte Materialien. Quarzkristalle wurden kommerziell als piezoelektrisches Material genutzt, und Wissenschaftler suchten nach Materialien mit höherer Leistung. Trotz Fortschritten bei Materialien und Reifung der Herstellungsverfahren, die Vereinigten Staaten

Gabriel Lippmann

Piezoelektrizität ist ein elektromechanisches Phänomen, bei dem sich elektrische Ladung in bestimmten festen Materialien wie Kristallen, Keramik und biologischen Stoffen wie Knochen und DNA ansammelt. Sie ist das Ergebnis einer Wechselwirkung zwischen mechanischen und elektrischen Zuständen in Materialien mit Inversionssymmetrie. Die Piezoelektrizität wurde erstmals 1880 von den französischen Physikern Pierre und Jacques Curie entdeckt.

Piezoelektrizität wurde für eine Vielzahl nützlicher Anwendungen genutzt, einschließlich der Erzeugung und Erkennung von Schall, des piezoelektrischen Tintenstrahldrucks und der Erzeugung von Hochspannungselektrizität. Piezoelektrizität leitet sich von den griechischen Wörtern πιέζειν (piezein) ab, was „quetschen oder drücken“ bedeutet, und ἤλεκτρον (ēlektron), was „Bernstein“ bedeutet, eine alte Quelle elektrischer Ladung.

Der piezoelektrische Effekt ist reversibel, was bedeutet, dass Materialien mit Piezoelektrizität auch den umgekehrten piezoelektrischen Effekt zeigen, bei dem die interne Erzeugung einer mechanischen Spannung aus dem Anlegen eines elektrischen Feldes resultiert. Beispielsweise erzeugen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle eine messbare Piezoelektrizität, wenn ihre statische Struktur aus ihrer ursprünglichen Dimension verformt wird. Umgekehrt können Kristalle ihre statische Dimension ändern, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, ein Prozess, der als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt ist. Mit diesem Verfahren können Ultraschallwellen erzeugt werden.

Der piezoelektrische Effekt wird seit Mitte des 18. Jahrhunderts untersucht, als Carl von Linné und Franz Aepinus, gestützt auf die Erkenntnisse von René Hauy und Antoine César Becquerel, einen Zusammenhang zwischen mechanischer Spannung und elektrischer Ladung postulierten. Experimente erwiesen sich jedoch als nicht schlüssig. Erst als das kombinierte Wissen über Pyroelektrizität und ein Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen zur Vorhersage der Pyroelektrizität führten, konnten die Forscher das Kristallverhalten vorhersagen. Dies wurde durch die Wirkung von Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz demonstriert.

Gabriel Lippmann leitete 1881 mathematisch die grundlegenden thermodynamischen Prinzipien des umgekehrten piezoelektrischen Effekts ab. Die Curies bestätigten sofort die Existenz des umgekehrten Effekts und erzielten anschließend einen quantitativen Beweis für die vollständige Reversibilität elektro-elasto-mechanischer Verformungen in piezoelektrischen Kristallen.

Die praktische Anwendung piezoelektrischer Geräte begann mit der Entwicklung von Sonaren während des Ersten Weltkriegs. Paul Langevin und seine Mitarbeiter entwickelten einen U-Boot-Ultraschalldetektor. Dieser Detektor bestand aus einem Wandler aus dünnen Quarzkristallen, die sorgfältig auf Stahlplatten geklebt wurden, und einem Hydrophon zur Erfassung des zurückgeworfenen Echos. Indem sie einen Hochfrequenzimpuls vom Wandler aussendeten und die Zeit maßen, die es dauert, bis das Echo von Schallwellen gehört wird, die von einem Objekt abprallen, konnten sie die Entfernung zum Objekt berechnen. Diese Verwendung von Piezoelektrizität für Sonar war ein Erfolg, und das Projekt weckte ein intensives Entwicklungsinteresse an piezoelektrischen Geräten. Im Laufe der Jahrzehnte wurden neue piezoelektrische Materialien und neue Anwendungen für diese Materialien erforscht und entwickelt. Piezoelektrische Geräte fanden in einer Vielzahl von Bereichen ein Zuhause, von keramischen Tonabnehmern, die das Design von Playern vereinfachten und billige, genaue Plattenspieler billiger in der Wartung und einfacher zu bauen machten, bis hin zur Entwicklung von Ultraschallwandlern, die eine einfache Messung der Viskosität und Elastizität von Flüssigkeiten ermöglichten und Festkörper, was zu enormen Fortschritten in der Materialforschung führte. Ultraschall-Zeitbereichsreflektometer senden einen Ultraschallimpuls in ein Material und messen die Reflexionen und Diskontinuitäten, um Fehler in gegossenen Metall- und Steinobjekten zu finden und so die strukturelle Sicherheit zu verbessern.

Nach dem Zweiten Weltkrieg entdeckten unabhängige Forschungsgruppen in den Vereinigten Staaten, Russland und Japan eine neue Klasse synthetischer Materialien namens Ferroelektrika, die bis zu zehnmal höhere piezoelektrische Konstanten als natürliche Materialien aufwiesen. Dies führte zu intensiver Forschung zur Entwicklung von Bariumtitanat und später von Bleizirkonattitanat, Materialien mit spezifischen Eigenschaften für bestimmte Anwendungen. Ein bedeutendes Beispiel für die Verwendung von piezoelektrischen Kristallen wurde entwickelt

Woldemar Voigt

Piezoelektrizität ist ein elektromechanisches Phänomen, bei dem sich elektrische Ladung in bestimmten festen Materialien wie Kristallen, Keramik und biologischen Stoffen wie Knochen und DNA ansammelt. Diese Ladung wird als Reaktion auf eine angelegte mechanische Belastung erzeugt. Das Wort Piezoelektrizität leitet sich vom griechischen Wort „piezein“ ab, was „quetschen oder drücken“ bedeutet, und „elektron“, was „Bernstein“ bedeutet, eine uralte Quelle elektrischer Ladung.

Der piezoelektrische Effekt resultiert aus einer linearen elektromechanischen Wechselwirkung zwischen den mechanischen und elektrischen Zuständen kristalliner Materialien mit Inversionssymmetrie. Dieser Effekt ist reversibel, was bedeutet, dass Materialien mit Piezoelektrizität auch einen umgekehrten piezoelektrischen Effekt aufweisen, bei dem die interne Erzeugung mechanischer Spannung aus einem angelegten elektrischen Feld resultiert. Beispielsweise erzeugen Blei-Zirkonat-Titanat-Kristalle eine messbare Piezoelektrizität, wenn ihre statische Struktur aus ihrer ursprünglichen Dimension verformt wird. Umgekehrt können Kristalle ihre statische Dimension ändern, wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, ein Phänomen, das als inverser piezoelektrischer Effekt bekannt ist und bei der Erzeugung von Ultraschallwellen genutzt wird.

Die französischen Physiker Pierre und Jacques Curie entdeckten die Piezoelektrizität im Jahr 1880. Der piezoelektrische Effekt wurde seitdem für eine Vielzahl nützlicher Anwendungen genutzt, darunter die Erzeugung und Erfassung von Schall, piezoelektrischer Tintenstrahldruck, die Erzeugung von Hochspannungsstrom, Taktgeneratoren und elektronische Geräte wie Mikrowaagen und treiben Ultraschalldüsen zur Feinstfokussierung optischer Baugruppen an. Es bildet auch die Grundlage für Rastersondenmikroskope, die Bilder auf der Skala von Atomen auflösen können. Darüber hinaus nutzen Pickups in elektronisch verstärkten Gitarren und Trigger in modernen elektronischen Drums den piezoelektrischen Effekt.

Piezoelektrizität findet auch alltägliche Anwendung bei der Erzeugung von Funken zum Entzünden von Gas in Koch- und Heizgeräten, in Taschenlampen, Feuerzeugen und mehr. Der pyroelektrische Effekt, bei dem ein Material als Reaktion auf eine Temperaturänderung ein elektrisches Potential erzeugt, wurde Mitte des 18. Jahrhunderts von Carl Linnaeus und Franz Aepinus untersucht, wobei sie sich auf das Wissen von Rene Hauy und Antoine Cesar Becquerel stützten, die eine Beziehung zwischen mechanisch postulierten Stress und elektrische Ladung. Experimente zum Nachweis dieser Beziehung erwiesen sich als nicht schlüssig.

Die Ansicht eines Piezokristalls im Curie-Kompensator im Hunterian Museum in Schottland ist eine Demonstration des direkten piezoelektrischen Effekts der Brüder Pierre und Jacques Curie. Die Kombination ihres Wissens über Pyroelektrizität mit einem Verständnis der zugrunde liegenden Kristallstrukturen führte zur Vorhersage der Pyroelektrizität, die es ihnen ermöglichte, das Kristallverhalten vorherzusagen, das sie in der Wirkung von Kristallen wie Turmalin, Quarz, Topas, Rohrzucker und Rochelle-Salz zeigten . Natrium- und Kaliumtartrattetrahydrat und Quarz zeigten ebenfalls Piezoelektrizität, und eine piezoelektrische Scheibe wurde verwendet, um bei Verformung eine Spannung zu erzeugen. Diese Formänderung wurde in der Demonstration der Curies stark übertrieben, und sie fuhren fort, den umgekehrten piezoelektrischen Effekt vorherzusagen. Der umgekehrte Effekt wurde 1881 von Gabriel Lippmann mathematisch aus grundlegenden thermodynamischen Prinzipien abgeleitet.

Die Curies bestätigten sofort die Existenz des umgekehrten Effekts und erzielten anschließend einen quantitativen Beweis für die vollständige Reversibilität elektro-elasto-mechanischer Verformungen in piezoelektrischen Kristallen. In den folgenden Jahrzehnten blieb die Piezoelektrizität eine Laborkuriosität, bis sie zu einem wichtigen Werkzeug bei der Entdeckung von Polonium und Radium durch Pierre Marie Curie wurde, der sie zur Erforschung und Definition von Kristallstrukturen verwendete, die Piezoelektrizität aufwiesen. Dies gipfelte in der Veröffentlichung des Lehrbuchs der Kristallphysik von Woldemar Voigt, das die natürlichen piezoelektrizitätsfähigen Kristallklassen beschrieb und die piezoelektrischen Konstanten mittels Tensoranalyse streng definierte.

Dies führte zur praktischen Anwendung piezoelektrischer Geräte wie Sonar, das während des Ersten Weltkriegs entwickelt wurde. In Frankreich entwickelten Paul Langevin und seine Mitarbeiter einen Ultraschall-U-Boot-Detektor. Dieser Detektor bestand aus einem Wandler aus dünnen Quarzkristallen, die sorgfältig auf Stahlplatten geklebt wurden, und einem Hydrophon, um das zurückgeworfene Echo zu erfassen, nachdem ein Hochfrequenzimpuls vom Wandler ausgesendet wurde. Indem sie die Zeit maßen, die es braucht, um das Echo der Schallwellen zu hören, die von einem Objekt abprallen, konnten sie die Entfernung zum Objekt berechnen. Sie verwendeten Piezoelektrizität, um dieses Sonar zum Erfolg zu führen, und das Projekt erzeugte eine intensive Entwicklung und Interesse an.

Wichtige Beziehungen

Piezoelektrische Aktoren: Piezoelektrische Aktoren sind Geräte, die elektrische Energie in mechanische Bewegung umwandeln. Sie werden häufig in der Robotik, medizinischen Geräten und anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen eine präzise Bewegungssteuerung erforderlich ist.
Piezoelektrische Sensoren: Piezoelektrische Sensoren werden verwendet, um physikalische Größen wie Druck, Beschleunigung und Vibration zu messen. Sie werden häufig in industriellen und medizinischen Anwendungen sowie in der Unterhaltungselektronik eingesetzt.
Piezoelektrizität in der Natur: Piezoelektrizität ist ein natürlich vorkommendes Phänomen in bestimmten Materialien und kommt in vielen lebenden Organismen vor. Es wird von einigen Organismen verwendet, um ihre Umgebung wahrzunehmen und mit anderen Organismen zu kommunizieren.

Zusammenfassung

Piezoelektrizität ist ein erstaunliches Phänomen, das in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wurde, von Sonar- bis hin zu Tonabnehmersystemen. Es wird seit Mitte des 1800. Jahrhunderts untersucht und mit großem Erfolg bei der Entwicklung moderner Technologie eingesetzt. Dieser Blogbeitrag hat die Geschichte und Verwendung von Piezoelektrizität untersucht und die Bedeutung dieses Phänomens für die Entwicklung moderner Technologie hervorgehoben. Für diejenigen, die mehr über Piezoelektrizität erfahren möchten, ist dieser Beitrag ein guter Ausgangspunkt.

Ich bin Joost Nusselder, der Gründer von Neaera und Content-Marketer, Papa, und liebe es, neues Equipment auszuprobieren, wobei die Gitarre das Herzstück meiner Leidenschaft ist, und zusammen mit meinem Team erstelle ich seit 2020 ausführliche Blogartikel um treuen Lesern mit Aufnahme- und Gitarrentipps zu helfen.

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