Πιεζοηλεκτρισμός: Ένας ολοκληρωμένος οδηγός για την κατανόηση της μηχανικής και των εφαρμογών του

Γεια σας Μου αρέσει να δημιουργώ δωρεάν περιεχόμενο γεμάτο συμβουλές για τους αναγνώστες μου, εσάς. Δεν δέχομαι αμειβόμενες χορηγίες, η γνώμη μου είναι δική μου, αλλά αν βρείτε χρήσιμες τις συστάσεις μου και καταλήξετε να αγοράσετε κάτι που σας αρέσει μέσω ενός από τους συνδέσμους μου, θα μπορούσα να κερδίσω μια προμήθεια χωρίς επιπλέον κόστος για εσάς. Μάθε περισσότερα

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η ικανότητα ορισμένων υλικών να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια όταν υποβάλλονται σε μηχανική καταπόνηση και αντίστροφα. Η λέξη προέρχεται από το ελληνικό piezo που σημαίνει πίεση και ηλεκτρισμός. Ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1880, αλλά η ιδέα ήταν γνωστή εδώ και πολύ καιρό.

Το πιο γνωστό παράδειγμα πιεζοηλεκτρισμού είναι ο χαλαζίας, αλλά πολλά άλλα υλικά παρουσιάζουν επίσης αυτό το φαινόμενο. Η πιο κοινή χρήση του πιεζοηλεκτρισμού είναι η παραγωγή υπερήχων.

Σε αυτό το άρθρο, θα συζητήσω τι είναι ο πιεζοηλεκτρισμός, πώς λειτουργεί και μερικές από τις πολλές πρακτικές εφαρμογές αυτού του εκπληκτικού φαινομένου.

Τι είναι ο πιεζοηλεκτρισμός;

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η ικανότητα ορισμένων υλικών να δημιουργούν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Είναι μια γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων σε κρυσταλλικά υλικά με συμμετρία αντιστροφής. Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, γεννητριών ρολογιού, ηλεκτρονικών συσκευών, μικροζυγών, ακροφυσίων υπερήχων κίνησης και οπτικών συγκροτημάτων εξαιρετικά λεπτής εστίασης.

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά περιλαμβάνουν κρυστάλλους, ορισμένα κεραμικά, βιολογική ύλη όπως οστά και DNA και πρωτεΐνες. Όταν ασκείται δύναμη σε ένα πιεζοηλεκτρικό υλικό, αυτό παράγει ηλεκτρικό φορτίο. Αυτή η φόρτιση μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την τροφοδοσία συσκευών ή για τη δημιουργία τάσης.

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά χρησιμοποιούνται σε ποικίλες εφαρμογές, όπως:
• Παραγωγή και ανίχνευση ήχου
• Πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet
• Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης
• Γεννήτριες ρολογιών
• Ηλεκτρονικές συσκευές
• Μικροζυγοί
• Οδηγήστε ακροφύσια υπερήχων
• Οπτικά συγκροτήματα εξαιρετικά λεπτής εστίασης
• Αποσκευές για ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες
• Σκανδάλες για σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα
• Παραγωγή σπινθήρων για ανάφλεξη αερίου
• Συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης
• Δάδες και αναπτήρες.

Ποια είναι η ιστορία του πιεζοηλεκτρισμού;

Ο πιεζοηλεκτρισμός ανακαλύφθηκε το 1880 από τους Γάλλους φυσικούς Ζακ και Πιερ Κιουρί. Είναι το ηλεκτρικό φορτίο που συσσωρεύεται σε ορισμένα στερεά υλικά, όπως κρύσταλλοι, κεραμικά και βιολογική ύλη, ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Η λέξη «πιεζοηλεκτρισμός» προέρχεται από την ελληνική λέξη «piezein», που σημαίνει «συμπίεση» ή «πρεσάρισμα» και «elektron», που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Η συνδυασμένη γνώση των Curies για τον πυροηλεκτρισμό και την κατανόηση των υποκείμενων κρυσταλλικών δομών οδήγησε στην πρόβλεψη του πυροηλεκτρισμού και στην ικανότητα πρόβλεψης της συμπεριφοράς των κρυστάλλων. Αυτό αποδείχθηκε στην επίδραση κρυστάλλων όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle.

Ο πιεζοηλεκτρισμός έχει αξιοποιηθεί για πολλές χρήσιμες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής και ανίχνευσης ήχου, της πιεζοηλεκτρικής εκτύπωσης inkjet, της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, των γεννητριών ρολογιού και των ηλεκτρονικών συσκευών, των μικροζυγών, των ακροφυσίων υπερήχων κίνησης, της εξαιρετικά λεπτής εστίασης των οπτικών συγκροτημάτων και των μορφών βάση μικροσκοπίων ανιχνευτή σάρωσης για την ανάλυση εικόνων σε κλίμακα ατόμων.

Ο πιεζοηλεκτρισμός βρίσκει επίσης καθημερινές χρήσεις, όπως η δημιουργία σπινθήρων για την ανάφλεξη αερίου σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, πυρσούς, αναπτήρες τσιγάρων και το πυροηλεκτρικό φαινόμενο, όπου ένα υλικό δημιουργεί ηλεκτρικό δυναμικό ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας.

Η ανάπτυξη του σόναρ κατά τη διάρκεια του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου είδε τη χρήση πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων που αναπτύχθηκαν από την Bell Telephone Laboratories. Αυτό επέτρεψε στις συμμαχικές αεροπορικές δυνάμεις να συμμετάσχουν σε συντονισμένες μαζικές επιθέσεις χρησιμοποιώντας το ραδιόφωνο της αεροπορίας. Η ανάπτυξη πιεζοηλεκτρικών συσκευών και υλικών στις Ηνωμένες Πολιτείες κράτησε τις εταιρείες στην ανάπτυξη της αρχής του πολέμου στον τομέα των συμφερόντων, εξασφαλίζοντας κερδοφόρες πατέντες για νέα υλικά.

Η Ιαπωνία είδε τις νέες εφαρμογές και την ανάπτυξη της πιεζοηλεκτρικής βιομηχανίας των Ηνωμένων Πολιτειών και ανέπτυξε γρήγορα τη δική της. Μοιράστηκαν γρήγορα πληροφορίες και ανέπτυξαν υλικά τιτανικού βαρίου και αργότερα τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου με συγκεκριμένες ιδιότητες για συγκεκριμένες εφαρμογές.

Ο πιεζοηλεκτρισμός έχει διανύσει πολύ δρόμο από την ανακάλυψή του το 1880 και τώρα χρησιμοποιείται σε ποικίλες καθημερινές εφαρμογές. Έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για την πρόοδο στην έρευνα υλικών, όπως τα ανακλασόμετρα υπερηχητικού πεδίου χρόνου, τα οποία στέλνουν έναν υπερηχητικό παλμό μέσω ενός υλικού για τη μέτρηση των ανακλάσεων και των ασυνεχειών για την εύρεση ελαττωμάτων μέσα σε χυτά μεταλλικά και πέτρινα αντικείμενα, βελτιώνοντας τη δομική ασφάλεια.

Πώς λειτουργεί ο πιεζοηλεκτρισμός

Σε αυτήν την ενότητα, θα εξερευνήσω πώς λειτουργεί ο πιεζοηλεκτρισμός. Θα εξετάσω τη συσσώρευση ηλεκτρικού φορτίου στα στερεά, τη γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση και την αναστρέψιμη διαδικασία που συνθέτουν αυτό το φαινόμενο. Θα συζητήσω επίσης την ιστορία του πιεζοηλεκτρισμού και τις εφαρμογές του.

Συσσώρευση ηλεκτρικού φορτίου σε στερεά

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι το ηλεκτρικό φορτίο που συσσωρεύεται σε ορισμένα στερεά υλικά, όπως οι κρύσταλλοι, τα κεραμικά και η βιολογική ύλη όπως τα οστά και το DNA. Είναι μια απάντηση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση και το όνομά του προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις «piezein» (συμπίεση ή πίεση) και «ēlektron» (κεχριμπαρένιο).

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο προκύπτει από τη γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων σε κρυσταλλικά υλικά με συμμετρία αντιστροφής. Είναι μια αναστρέψιμη διαδικασία, που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρισμό εμφανίζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, όπου η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Παραδείγματα υλικών που παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό περιλαμβάνουν κρυστάλλους τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου.

Οι Γάλλοι φυσικοί Pierre και Jacques Curie ανακάλυψαν τον πιεζοηλεκτρισμό το 1880. Έκτοτε έχει χρησιμοποιηθεί για μια ποικιλία χρήσιμων εφαρμογών, όπως η παραγωγή και ανίχνευση ήχου, η πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, γεννήτριες ρολογιών και ηλεκτρονικές συσκευές όπως μικροζυγοί και οδηγείτε ακροφύσια υπερήχων για εξαιρετικά λεπτή εστίαση οπτικών συγκροτημάτων. Αποτελεί επίσης τη βάση των μικροσκοπίων ανιχνευτή σάρωσης, τα οποία μπορούν να αναλύουν εικόνες σε κλίμακα ατόμων. Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται επίσης σε pickup για ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες και σκανδάλες για σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα.

Ο πιεζοηλεκτρισμός βρίσκει καθημερινές χρήσεις στη δημιουργία σπινθήρων για την ανάφλεξη αερίου, σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, φακούς, αναπτήρες τσιγάρων και στο πυροηλεκτρικό φαινόμενο, όπου ένα υλικό δημιουργεί ηλεκτρικό δυναμικό ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας. Αυτό μελετήθηκε από τον Carl Linnaeus και τον Franz Aepinus στα μέσα του 18ου αιώνα, βασιζόμενοι στη γνώση από τον René Haüy και τον Antoine César Becquerel, οι οποίοι έθεσαν μια σχέση μεταξύ μηχανικής καταπόνησης και ηλεκτρικού φορτίου. Τα πειράματα αποδείχθηκαν ασαφή.

Η θέα ενός πιεζοκρύσταλλου στον αντισταθμιστή Curie στο Μουσείο Hunterian στη Σκωτία είναι μια επίδειξη του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Τα αδέρφια Pierre και Jacques Curie συνδύασαν τις γνώσεις τους για τον πυροηλεκτρισμό με την κατανόηση των κρυσταλλικών δομών που κρυστάλλουν, κάτι που οδήγησε στην πρόβλεψη του πυροηλεκτρισμού. Κατάφεραν να προβλέψουν τη συμπεριφορά των κρυστάλλων και απέδειξαν την επίδραση σε κρυστάλλους όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle. Το τετραένυδρο τρυγικό κάλιο νατρίου και ο χαλαζίας παρουσίασαν επίσης πιεζοηλεκτρισμό. Ένας πιεζοηλεκτρικός δίσκος παράγει τάση όταν παραμορφώνεται και η αλλαγή στο σχήμα είναι πολύ υπερβολική στην επίδειξη του Curies.

Μπόρεσαν να προβλέψουν το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και το αντίστροφο αποτέλεσμα συνήχθη μαθηματικά από τον Gabriel Lippmann το 1881. Οι Curies επιβεβαίωσαν αμέσως την ύπαρξη του αντίστροφου φαινομένου και συνέχισαν με την απόκτηση ποσοτικής απόδειξης της πλήρους αναστρεψιμότητας του ηλεκτρο-ελαστο- μηχανικές παραμορφώσεις σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους.

Για δεκαετίες, ο πιεζοηλεκτρισμός παρέμεινε ένα εργαστηριακό περιέργεια, αλλά ήταν ένα ζωτικό εργαλείο για την ανακάλυψη του πολωνίου και του ραδίου από τον Pierre και τη Marie Curie. Η εργασία τους για την εξερεύνηση και τον καθορισμό των κρυσταλλικών δομών που παρουσίαζαν πιεζοηλεκτρισμό κορυφώθηκε με τη δημοσίευση του Lehrbuch der Kristallphysik (Εγχειρίδιο Κρυσταλλικής Φυσικής) του Woldemar Voigt, το οποίο περιέγραψε τις φυσικές τάξεις κρυστάλλων ικανές για πιεζοηλεκτρισμό και όρισε αυστηρά την πιεζοηλεκτρική σταθερά. Αυτή ήταν η πρακτική εφαρμογή των πιεζοηλεκτρικών συσκευών και το σόναρ αναπτύχθηκε κατά τον Α' Παγκόσμιο Πόλεμο. Στη Γαλλία, ο Paul Langevin και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν έναν υπερηχητικό ανιχνευτή υποβρυχίων.

Ο ανιχνευτής αποτελούνταν από ένα αισθητήριο κατασκευασμένο από λεπτούς κρυστάλλους χαλαζία προσεκτικά κολλημένους σε χαλύβδινες πλάκες και ένα υδρόφωνο για την ανίχνευση της ηχούς που επιστρέφεται. Εκπέμποντας ένα υψηλό συχνότητα παλμό από τον μορφοτροπέα και μετρώντας το χρόνο που χρειάζεται για να ακούσουν την ηχώ των ηχητικών κυμάτων που αναπηδούν από ένα αντικείμενο, μπόρεσαν να υπολογίσουν την απόσταση από το αντικείμενο. Χρησιμοποίησαν πιεζοηλεκτρισμό για να κάνουν το σόναρ επιτυχία και το έργο δημιούργησε έντονη ανάπτυξη και ενδιαφέρον για τις πιεζοηλεκτρικές συσκευές. Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών, νέα πιεζοηλεκτρικά υλικά και νέες εφαρμογές για τα υλικά εξερευνήθηκαν και αναπτύχθηκαν και οι πιεζοηλεκτρικές συσκευές βρήκαν σπίτια σε διάφορους τομείς. Οι κασέτες κεραμικού φωνογράφου απλοποίησαν το σχεδιασμό της συσκευής αναπαραγωγής και δημιούργησαν φθηνά και ακριβή πικάπ που ήταν φθηνότερα στη συντήρηση και ευκολότερα στην κατασκευή.

Η ανάπτυξη μετατροπέων υπερήχων επέτρεψε την εύκολη μέτρηση του ιξώδους και της ελαστικότητας των ρευστών και των στερεών, με αποτέλεσμα τεράστια πρόοδο στην έρευνα υλικών.

Γραμμική Ηλεκτρομηχανική Αλληλεπίδραση

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η ικανότητα ορισμένων υλικών να δημιουργούν ηλεκτρικό φορτίο όταν υποβάλλονται σε μηχανική καταπόνηση. Η λέξη προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις πιέζειν (piezein) που σημαίνει «συμπίεση ή πίεση» και ἤλεκτρον (ēlektron) που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», που ήταν μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Ο πιεζοηλεκτρισμός ανακαλύφθηκε το 1880 από τους Γάλλους φυσικούς Ζακ και Πιερ Κιουρί. Βασίζεται στη γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ της μηχανικής και της ηλεκτρικής κατάστασης κρυσταλλικών υλικών με συμμετρία αντιστροφής. Αυτή η επίδραση είναι αναστρέψιμη, πράγμα που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρισμό εμφανίζουν επίσης ένα αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα, όπου η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Παραδείγματα υλικών που παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό όταν παραμορφώνονται από τη στατική τους δομή περιλαμβάνουν κρυστάλλους τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου. Αντίθετα, οι κρύσταλλοι μπορούν να αλλάξουν τη στατική τους διάσταση όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο είναι γνωστό ως αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και χρησιμοποιείται στην παραγωγή κυμάτων υπερήχων.

Best strings for electric guitar

Ο πιεζοηλεκτρισμός έχει αξιοποιηθεί για μια ποικιλία χρήσιμων εφαρμογών, όπως:

• Παραγωγή και ανίχνευση ήχου
• Πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet
• Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης
• Γεννήτρια ρολογιού
• Ηλεκτρονικές συσκευές
• Μικροζυγοί
• Οδηγήστε ακροφύσια υπερήχων
• Οπτικά συγκροτήματα εξαιρετικά λεπτής εστίασης
• Αποτελεί τη βάση των μικροσκοπίων ανιχνευτή σάρωσης για την ανάλυση εικόνων σε κλίμακα ατόμων
• Pickups σε ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες
• Σκανδάλες σε σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα
• Δημιουργία σπινθήρων για ανάφλεξη αερίου σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης
• Δάδες και αναπτήρες

Ο πιεζοηλεκτρισμός βρίσκει επίσης καθημερινές χρήσεις στο πυροηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι ένα υλικό που δημιουργεί ηλεκτρικό δυναμικό ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας. Αυτό μελετήθηκε από τον Carl Linnaeus και τον Franz Aepinus στα μέσα του 18ου αιώνα, βασιζόμενοι στη γνώση από τον René Haüy και τον Antoine César Becquerel, οι οποίοι έθεσαν μια σχέση μεταξύ μηχανικής καταπόνησης και ηλεκτρικού φορτίου. Ωστόσο, τα πειράματα αποδείχθηκαν ασαφή.

Η θέαση ενός πιεζοκρύσταλλου στον αντισταθμιστή Curie στο Μουσείο Hunterian στη Σκωτία είναι μια επίδειξη του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Ήταν το έργο των αδελφών Pierre και Jacques Curie που εξερεύνησε και καθόρισε τις κρυσταλλικές δομές που εμφάνιζαν πιεζοηλεκτρισμό, με αποκορύφωμα τη δημοσίευση του Lehrbuch der Kristallphysik (Εγχειρίδιο Κρυσταλλικής Φυσικής) του Woldemar Voigt. Αυτό περιέγραψε τις φυσικές τάξεις κρυστάλλων ικανές για πιεζοηλεκτρισμό και όρισε αυστηρά τις πιεζοηλεκτρικές σταθερές μέσω ανάλυσης τανυστή, οδηγώντας στην πρακτική εφαρμογή των πιεζοηλεκτρικών συσκευών.

Το σόναρ αναπτύχθηκε κατά τον Α' Παγκόσμιο Πόλεμο, όταν ο Γάλλος Paul Langevin και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν έναν υπερηχητικό ανιχνευτή υποβρυχίων. Αυτός ο ανιχνευτής αποτελούνταν από έναν μορφοτροπέα κατασκευασμένο από λεπτούς κρυστάλλους χαλαζία κολλημένους προσεκτικά σε χαλύβδινες πλάκες και ένα υδρόφωνο για την ανίχνευση της επιστρεφόμενης ηχούς μετά την εκπομπή ενός παλμού υψηλής συχνότητας από τον μορφοτροπέα. Μετρώντας τον χρόνο που χρειάζεται για να ακούσουν την ηχώ των ηχητικών κυμάτων που αναπηδούν από ένα αντικείμενο, μπόρεσαν να υπολογίσουν την απόσταση του αντικειμένου, κάνοντας χρήση πιεζοηλεκτρισμού. Η επιτυχία αυτού του έργου δημιούργησε μια έντονη ανάπτυξη και ενδιαφέρον για τις πιεζοηλεκτρικές συσκευές κατά τη διάρκεια των δεκαετιών, με νέα πιεζοηλεκτρικά υλικά και νέες εφαρμογές για αυτά τα υλικά να εξερευνώνται και να αναπτύσσονται. Οι πιεζοηλεκτρικές συσκευές βρήκαν σπίτια σε πολλούς τομείς, όπως οι κασέτες κεραμικών φωνογράφων, οι οποίες απλοποίησαν το σχεδιασμό των συσκευών αναπαραγωγής και έκαναν φθηνότερες και ακριβέστερες συσκευές αναπαραγωγής δίσκων και φθηνότερες και ευκολότερες στην κατασκευή και τη συντήρηση.

Η ανάπτυξη μετατροπέων υπερήχων επέτρεψε την εύκολη μέτρηση του ιξώδους και της ελαστικότητας των ρευστών και των στερεών, με αποτέλεσμα τεράστια πρόοδο στην έρευνα υλικών. Τα ανακλασόμετρα υπερήχων πεδίου χρόνου στέλνουν έναν υπερηχητικό παλμό σε ένα υλικό και μετρούν τις αντανακλάσεις και τις ασυνέχειες για να βρουν ελαττώματα μέσα σε χυτά μεταλλικά και πέτρινα αντικείμενα, βελτιώνοντας τη δομική ασφάλεια. Μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες στις Ηνωμένες Πολιτείες, τη Ρωσία και την Ιαπωνία ανακάλυψαν μια νέα κατηγορία συνθετικών υλικών που ονομάζονται σιδηροηλεκτρικά, τα οποία εμφάνιζαν πιεζοηλεκτρικές σταθερές πολλές φορές υψηλότερες από τα φυσικά υλικά. Αυτό οδήγησε σε έντονη έρευνα για την ανάπτυξη τιτανικού βαρίου και αργότερα τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου, υλικών με συγκεκριμένες ιδιότητες για συγκεκριμένες εφαρμογές.

Ένα σημαντικό παράδειγμα χρήσης πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων αναπτύχθηκε από τα Bell Telephone Laboratories μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο. Frederick R. Lack, που εργάζεται στο τμήμα μηχανικών ραδιοτηλεφωνίας,

Αναστρέψιμη Διαδικασία

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι ένα ηλεκτρικό φορτίο που συσσωρεύεται σε ορισμένα στερεά υλικά, όπως κρύσταλλοι, κεραμικά και βιολογική ύλη όπως οστά και DNA. Είναι η απόκριση αυτών των υλικών στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Η λέξη «πιεζοηλεκτρισμός» προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις «piezein» που σημαίνει «συμπίεση» ή «πρεσάρισμα» και «ēlektron» που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο προκύπτει από τη γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ των μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων των κρυσταλλικών υλικών με συμμετρία αντιστροφής. Είναι μια αναστρέψιμη διαδικασία, που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρισμό εμφανίζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης που προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Παραδείγματα υλικών που παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό περιλαμβάνουν κρυστάλλους τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου. Όταν η στατική δομή αυτών των κρυστάλλων παραμορφώνεται, επιστρέφουν στην αρχική τους διάσταση και αντίστροφα, όταν εφαρμόζεται εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, αλλάζουν τη στατική τους διάσταση, παράγοντας υπερηχητικά κύματα.

Οι Γάλλοι φυσικοί Jacques και Pierre Curie ανακάλυψαν τον πιεζοηλεκτρισμό το 1880. Έκτοτε έχει χρησιμοποιηθεί για μια ποικιλία χρήσιμων εφαρμογών, όπως η παραγωγή και ανίχνευση ήχου, η πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, γεννήτριες ρολογιών, ηλεκτρονικές συσκευές, μικροζυγοί, οδηγούν ακροφύσια υπερήχων και οπτικά συγκροτήματα εξαιρετικά λεπτής εστίασης. Αποτελεί επίσης τη βάση για τη σάρωση μικροσκοπίων ανιχνευτών, τα οποία μπορούν να αναλύσουν εικόνες σε κλίμακα ατόμων. Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται επίσης σε pickup για ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες και σκανδάλες για σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα.

Ο πιεζοηλεκτρισμός βρίσκει επίσης καθημερινές χρήσεις, όπως η παραγωγή σπινθήρων για την ανάφλεξη αερίου σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, φακούς, αναπτήρες και πολλά άλλα. Το πυροηλεκτρικό φαινόμενο, όπου ένα υλικό δημιουργεί ηλεκτρικό δυναμικό ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας, μελετήθηκε από τους Carl Linnaeus, Franz Aepinus και René Haüy στα μέσα του 18ου αιώνα, βασιζόμενοι στη γνώση του κεχριμπαριού. Ο Antoine César Becquerel έθεσε μια σχέση μεταξύ μηχανικής καταπόνησης και ηλεκτρικού φορτίου, αλλά τα πειράματα αποδείχθηκαν ασαφή.

Οι επισκέπτες του Μουσείου Hunterian στη Γλασκώβη μπορούν να δουν το Piezo Crystal Curie Compensator, μια επίδειξη του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου από τους αδελφούς Pierre και Jacques Curie. Ο συνδυασμός των γνώσεών τους για τον πυροηλεκτρισμό με την κατανόηση των υποκείμενων κρυσταλλικών δομών οδήγησε στην πρόβλεψη του πυροηλεκτρισμού και στην ικανότητα πρόβλεψης της συμπεριφοράς των κρυστάλλων. Αυτό αποδείχθηκε με την επίδραση κρυστάλλων όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle. Το τετραένυδρο τρυγικό νάτριο και κάλιο και ο χαλαζίας παρουσίασαν επίσης πιεζοηλεκτρισμό και ένας πιεζοηλεκτρικός δίσκος χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία τάσης όταν παραμορφωνόταν. Αυτή η αλλαγή στο σχήμα ήταν πολύ υπερβολική από τους Curies για να προβλέψουν το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Το αντίστροφο αποτέλεσμα συνήχθη μαθηματικά από τις θεμελιώδεις θερμοδυναμικές αρχές από τον Gabriel Lippmann το 1881.

Οι Curies επιβεβαίωσαν αμέσως την ύπαρξη του αντίστροφου φαινομένου και συνέχισαν να αποκτούν ποσοτική απόδειξη της πλήρους αναστρεψιμότητας των ηλεκτρο-ελαστο-μηχανικών παραμορφώσεων σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους. Για δεκαετίες, ο πιεζοηλεκτρισμός παρέμεινε ένα εργαστηριακό περιέργεια, αλλά ήταν ένα ζωτικό εργαλείο για την ανακάλυψη του πολωνίου και του ραδίου από τον Pierre και τη Marie Curie. Το έργο τους για την εξερεύνηση και τον καθορισμό των κρυσταλλικών δομών που παρουσίαζαν πιεζοηλεκτρισμό κορυφώθηκε με τη δημοσίευση του Lehrbuch der Kristallphysik (Εγχειρίδιο Κρυσταλλικής Φυσικής) του Woldemar Voigt. Αυτό περιέγραψε τις φυσικές κατηγορίες κρυστάλλων ικανές για πιεζοηλεκτρισμό και όρισε αυστηρά τις πιεζοηλεκτρικές σταθερές χρησιμοποιώντας ανάλυση τανυστή.

Η πρακτική εφαρμογή πιεζοηλεκτρικών συσκευών, όπως το σόναρ, αναπτύχθηκε κατά τον Α' Παγκόσμιο Πόλεμο. Στη Γαλλία, ο Paul Langevin και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν έναν υπερηχητικό ανιχνευτή υποβρυχίων. Αυτός ο ανιχνευτής αποτελούνταν από έναν μορφοτροπέα κατασκευασμένο από λεπτούς κρυστάλλους χαλαζία κολλημένους προσεκτικά σε χαλύβδινες πλάκες και ένα υδρόφωνο για την ανίχνευση της επιστρεφόμενης ηχούς. Εκπέμποντας έναν παλμό υψηλής συχνότητας από τον μορφοτροπέα και μετρώντας τον χρόνο που χρειάζεται για να ακούσουν την ηχώ των ηχητικών κυμάτων που αναπηδούν από ένα αντικείμενο, μπόρεσαν να υπολογίσουν την απόσταση του αντικειμένου. Χρησιμοποίησαν πιεζοηλεκτρισμό για να κάνουν αυτό το σόναρ επιτυχία. Αυτό το έργο δημιούργησε μια έντονη ανάπτυξη και ενδιαφέρον για τις πιεζοηλεκτρικές συσκευές και κατά τη διάρκεια των δεκαετιών εξερευνήθηκαν και αναπτύχθηκαν νέα πιεζοηλεκτρικά υλικά και νέες εφαρμογές για αυτά τα υλικά. Πιεζοηλεκτρικές συσκευές

Τι προκαλεί τον πιεζοηλεκτρισμό;

Σε αυτή την ενότητα, θα εξερευνήσω την προέλευση του πιεζοηλεκτρισμού και τα διάφορα υλικά που παρουσιάζουν αυτό το φαινόμενο. Θα εξετάσω την ελληνική λέξη «piezein», την αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου και το φαινόμενο πυροηλεκτρισμού. Θα συζητήσω επίσης τις ανακαλύψεις των Pierre και Jacques Curie και την ανάπτυξη πιεζοηλεκτρικών συσκευών τον 20ο αιώνα.

Ελληνική Λέξη Piezein

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η συσσώρευση ηλεκτρικού φορτίου σε ορισμένα στερεά υλικά, όπως οι κρύσταλλοι, τα κεραμικά και η βιολογική ύλη όπως τα οστά και το DNA. Προκαλείται από την απόκριση αυτών των υλικών στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Η λέξη πιεζοηλεκτρισμός προέρχεται από την ελληνική λέξη «piezein», που σημαίνει «συμπίεση ή συμπίεση» και «ēlektron», που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο προκύπτει από τη γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ των μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων των κρυσταλλικών υλικών με συμμετρία αντιστροφής. Είναι μια αναστρέψιμη διαδικασία, που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρισμό εμφανίζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης που προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Για παράδειγμα, οι κρύσταλλοι τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό όταν η στατική τους δομή παραμορφώνεται από την αρχική του διάσταση. Αντίθετα, οι κρύσταλλοι μπορούν να αλλάξουν τη στατική τους διάσταση όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο είναι γνωστό ως αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και είναι η παραγωγή κυμάτων υπερήχων.

Οι Γάλλοι φυσικοί Jacques και Pierre Curie ανακάλυψαν τον πιεζοηλεκτρισμό το 1880. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο έχει αξιοποιηθεί για πολλές χρήσιμες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής και ανίχνευσης ήχου, της πιεζοηλεκτρικής εκτύπωσης inkjet, της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, γεννητριών ρολογιού και ηλεκτρονικών συσκευών όπως μικροζυγών. , οδηγήστε ακροφύσια υπερήχων και οπτικά συγκροτήματα εξαιρετικά λεπτής εστίασης. Αποτελεί επίσης τη βάση των μικροσκοπίων ανιχνευτή σάρωσης, τα οποία μπορούν να αναλύουν εικόνες σε κλίμακα ατόμων. Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται επίσης σε pickup για ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες και σκανδάλες για σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα.

Ο πιεζοηλεκτρισμός βρίσκει καθημερινές χρήσεις, όπως η παραγωγή σπινθήρων για την ανάφλεξη αερίου σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, φακούς, αναπτήρες και πολλά άλλα. Το πυροηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η παραγωγή ηλεκτρικού δυναμικού ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας, μελετήθηκε από τον Carl Linnaeus και τον Franz Aepinus στα μέσα του 18ου αιώνα, βασιζόμενοι στη γνώση του René Haüy και του Antoine César Becquerel, οι οποίοι έθεσαν μια σχέση μεταξύ μηχανική καταπόνηση και ηλεκτρικό φορτίο. Τα πειράματα αποδείχθηκαν ασαφή.

Στο μουσείο στη Σκωτία, οι επισκέπτες μπορούν να δουν έναν πιεζοκρύσταλλο αντισταθμιστή Curie, μια επίδειξη του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου από τους αδελφούς Pierre και Jacques Curie. Ο συνδυασμός των γνώσεών τους για τον πυροηλεκτρισμό με την κατανόηση των υποκείμενων κρυσταλλικών δομών οδήγησε στην πρόβλεψη του πυροηλεκτρισμού και στην ικανότητα πρόβλεψης της συμπεριφοράς των κρυστάλλων. Αυτό αποδείχθηκε από την επίδραση κρυστάλλων όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle. Το τετραένυδρο τρυγικό κάλιο νατρίου και ο χαλαζίας από το άλας Rochelle παρουσίασαν πιεζοηλεκτρισμό και ένας πιεζοηλεκτρικός δίσκος παράγει τάση όταν παραμορφώνεται. Αυτή η αλλαγή στο σχήμα είναι πολύ υπερβολική στην επίδειξη των Curies.

Οι Curies συνέχισαν να αποκτούν ποσοτική απόδειξη της πλήρους αναστρεψιμότητας των ηλεκτρο-ελαστο-μηχανικών παραμορφώσεων σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους. Για δεκαετίες, ο πιεζοηλεκτρισμός παρέμεινε μια εργαστηριακή περιέργεια μέχρι που έγινε ένα ζωτικό εργαλείο για την ανακάλυψη του πολωνίου και του ραδίου από τον Pierre και τη Marie Curie. Το έργο τους για την εξερεύνηση και τον καθορισμό των κρυσταλλικών δομών που παρουσίαζαν πιεζοηλεκτρισμό κορυφώθηκε με τη δημοσίευση του Lehrbuch der Kristallphysik (Εγχειρίδιο Κρυσταλλικής Φυσικής) του Woldemar Voigt. Αυτό περιέγραψε τις φυσικές τάξεις κρυστάλλων ικανές για πιεζοηλεκτρισμό και όρισε αυστηρά τις πιεζοηλεκτρικές σταθερές μέσω ανάλυσης τανυστή.

Αυτή η πρακτική εφαρμογή του πιεζοηλεκτρισμού οδήγησε στην ανάπτυξη του σόναρ κατά τη διάρκεια του Α' Παγκοσμίου Πολέμου. Στη Γαλλία, ο Paul Langevin και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν έναν υπερηχητικό ανιχνευτή υποβρυχίων. Ο ανιχνευτής αποτελούνταν από έναν μορφοτροπέα κατασκευασμένο από λεπτούς κρυστάλλους χαλαζία κολλημένους προσεκτικά σε χαλύβδινες πλάκες, που ονομάζεται υδρόφωνο, για να ανιχνεύει την επιστρεφόμενη ηχώ μετά την εκπομπή ενός παλμού υψηλής συχνότητας. Ο μορφοτροπέας μέτρησε τον χρόνο που χρειάστηκε για να ακούσει την ηχώ των ηχητικών κυμάτων που αναπηδούν από ένα αντικείμενο για να υπολογίσει την απόσταση του αντικειμένου. Η χρήση του πιεζοηλεκτρικού ρεύματος στο βυθόμετρο ήταν μια επιτυχία και το έργο δημιούργησε μια έντονη ανάπτυξη και ενδιαφέρον για τις πιεζοηλεκτρικές συσκευές για δεκαετίες.

Αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι το ηλεκτρικό φορτίο που συσσωρεύεται σε ορισμένα στερεά υλικά, όπως οι κρύσταλλοι, τα κεραμικά και η βιολογική ύλη όπως τα οστά και το DNA. Προκαλείται από την απόκριση του υλικού στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Η λέξη «πιεζοηλεκτρισμός» προέρχεται από την ελληνική λέξη «piezein», που σημαίνει «συμπίεση ή συμπίεση», και τη λέξη «elektron», που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο προκύπτει από τη γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ των μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων των κρυσταλλικών υλικών με συμμετρία αντιστροφής. Είναι μια αναστρέψιμη διαδικασία, που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρισμό εμφανίζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης που προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Για παράδειγμα, οι κρύσταλλοι τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό όταν η στατική τους δομή παραμορφώνεται από την αρχική του διάσταση. Αντίθετα, όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, οι κρύσταλλοι αλλάζουν τη στατική τους διάσταση σε ένα αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, παράγοντας υπερηχητικά κύματα.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1880 από τους Γάλλους φυσικούς Ζακ και Πιερ Κιουρί. Χρησιμοποιείται για μια ποικιλία χρήσιμων εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής και ανίχνευσης ήχου, της πιεζοηλεκτρικής εκτύπωσης inkjet, της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, των γεννητριών ρολογιών και ηλεκτρονικών συσκευών όπως μικροζυγών και ακροφυσίων υπερήχων κίνησης για εξαιρετικά λεπτή εστίαση οπτικών συγκροτημάτων. Αποτελεί επίσης τη βάση για τη σάρωση μικροσκοπίων ανιχνευτή, τα οποία χρησιμοποιούνται για την ανάλυση εικόνων στην κλίμακα των ατόμων. Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται επίσης σε pickup για ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες και σκανδάλες για σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα.

Ο πιεζοηλεκτρισμός βρίσκει καθημερινές χρήσεις στη δημιουργία σπινθήρων για την ανάφλεξη αερίου σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, φακούς, αναπτήρες και πολλά άλλα. Το πυροηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η παραγωγή ηλεκτρικού δυναμικού ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας, μελετήθηκε από τους Carl Linnaeus και Franz Aepinus στα μέσα του 18ου αιώνα, βασιζόμενοι στη γνώση του René Haüy και του Antoine César Becquerel, οι οποίοι έθεσαν μια σχέση μεταξύ μηχανικών καταπόνηση και ηλεκτρικό φορτίο. Ωστόσο, τα πειράματά τους αποδείχθηκαν ασαφή.

Η θέα ενός πιεζοκρύσταλλου και του αντισταθμιστή Curie στο Μουσείο Hunterian στη Σκωτία καταδεικνύουν το άμεσο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Ήταν το έργο των αδελφών Pierre και Jacques Curie που εξερεύνησε και καθόρισε τις κρυσταλλικές δομές που εμφάνιζαν πιεζοηλεκτρισμό, με αποκορύφωμα τη δημοσίευση του Lehrbuch der Kristallphysik (Εγχειρίδιο Κρυσταλλικής Φυσικής) του Woldemar Voigt. Αυτό περιέγραψε τις φυσικές κατηγορίες κρυστάλλων ικανές για πιεζοηλεκτρισμό και όρισε αυστηρά τις πιεζοηλεκτρικές σταθερές μέσω ανάλυσης τανυστή, επιτρέποντας την πρακτική εφαρμογή πιεζοηλεκτρικών συσκευών.

Το σόναρ αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια του Α' Παγκοσμίου Πολέμου από τον Γάλλο Paul Langevin και τους συνεργάτες του, οι οποίοι ανέπτυξαν έναν υπερηχητικό ανιχνευτή υποβρυχίων. Ο ανιχνευτής αποτελούνταν από έναν μορφοτροπέα κατασκευασμένο από λεπτούς κρυστάλλους χαλαζία κολλημένους προσεκτικά σε χαλύβδινες πλάκες και ένα υδρόφωνο για την ανίχνευση της επιστρεφόμενης ηχούς. Εκπέμποντας έναν παλμό υψηλής συχνότητας από τον μορφοτροπέα και μετρώντας τον χρόνο που χρειάζεται για να ακούσουν την ηχώ των ηχητικών κυμάτων που αναπηδούν από ένα αντικείμενο, μπόρεσαν να υπολογίσουν την απόσταση από το αντικείμενο. Χρησιμοποίησαν πιεζοηλεκτρισμό για να κάνουν αυτό το σόναρ επιτυχία. Το έργο δημιούργησε μια έντονη ανάπτυξη και ενδιαφέρον για τις πιεζοηλεκτρικές συσκευές για δεκαετίες.

Πυροηλεκτρισμός

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η ικανότητα ορισμένων υλικών να συσσωρεύουν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Είναι μια γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ της μηχανικής και της ηλεκτρικής κατάστασης κρυσταλλικών υλικών με συμμετρία αντιστροφής. Η λέξη «πιεζοηλεκτρισμός» προέρχεται από την ελληνική λέξη «piezein», που σημαίνει «συμπίεση ή συμπίεση» και την ελληνική λέξη «ēlektron», που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τους Γάλλους φυσικούς Jacques και Pierre Curie το 1880. Είναι μια αναστρέψιμη διαδικασία, που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο παρουσιάζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης που προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Παραδείγματα υλικών που παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό περιλαμβάνουν κρυστάλλους τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου. Όταν μια στατική δομή παραμορφώνεται, επιστρέφει στην αρχική της διάσταση. Αντίστροφα, όταν εφαρμόζεται εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, παράγεται το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, με αποτέλεσμα την παραγωγή κυμάτων υπερήχων.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο αξιοποιείται για πολλές χρήσιμες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής και ανίχνευσης ήχου, της πιεζοηλεκτρικής εκτύπωσης inkjet, της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, των γεννητριών ρολογιού και ηλεκτρονικών συσκευών όπως μικροζυγών, ακροφυσίων υπερήχων κίνησης και οπτικών συγκροτημάτων εξαιρετικά λεπτής εστίασης. Είναι επίσης η βάση για τη σάρωση μικροσκοπίων ανιχνευτή, τα οποία χρησιμοποιούνται για την ανάλυση εικόνων στην κλίμακα των ατόμων. Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται επίσης σε pickup για ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες και σκανδάλες για σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα.

Ο πιεζοηλεκτρισμός βρίσκει καθημερινές χρήσεις, όπως η παραγωγή σπινθήρων για την ανάφλεξη αερίου σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, φακούς, αναπτήρες και πολλά άλλα. Το πυροηλεκτρικό φαινόμενο, που είναι η παραγωγή ηλεκτρικού δυναμικού ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας, μελετήθηκε από τον Carl Linnaeus και τον Franz Aepinus στα μέσα του 18ου αιώνα, βασιζόμενοι στη γνώση του René Haüy και του Antoine César Becquerel, οι οποίοι είχαν υποθέσει μια σχέση. μεταξύ μηχανικής καταπόνησης και ηλεκτρικού φορτίου. Ωστόσο, τα πειράματα αποδείχθηκαν ασαφή.

Η θέα ενός πιεζοκρύσταλλου στο Μουσείο Curie Compensator στη Σκωτία είναι μια επίδειξη του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Οι αδελφοί Pierre και Jacques Curie συνδύασαν τις γνώσεις τους για τον πυροηλεκτρισμό και την κατανόησή τους για τις υποκείμενες κρυσταλλικές δομές για να δώσουν αφορμή στην κατανόηση του πυροηλεκτρισμού και να προβλέψουν τη συμπεριφορά των κρυστάλλων. Αυτό αποδείχθηκε στην επίδραση κρυστάλλων όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle. Το τετραένυδρο τρυγικό κάλιο νατρίου και ο χαλαζίας βρέθηκαν να παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρισμό και ένας πιεζοηλεκτρικός δίσκος χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία τάσης όταν παραμορφωνόταν. Αυτό ήταν πολύ υπερβολικό από τους Curies για να προβλέψουν το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Το αντίστροφο αποτέλεσμα συνάγεται μαθηματικά από τις θεμελιώδεις θερμοδυναμικές αρχές από τον Gabriel Lippmann το 1881.

Οι Curies επιβεβαίωσαν αμέσως την ύπαρξη του αντίστροφου φαινομένου και συνέχισαν να αποκτούν ποσοτική απόδειξη της πλήρους αναστρεψιμότητας των ηλεκτρο-ελαστο-μηχανικών παραμορφώσεων σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους. Τις δεκαετίες που ακολούθησαν, ο πιεζοηλεκτρισμός παρέμεινε ένα εργαστηριακό αξιοπερίεργο μέχρι που έγινε ένα ζωτικό εργαλείο για την ανακάλυψη του πολωνίου και του ραδίου από τους Pierre και Marie Curie. Το έργο τους για την εξερεύνηση και τον καθορισμό των κρυσταλλικών δομών που παρουσίαζαν πιεζοηλεκτρισμό κορυφώθηκε με τη δημοσίευση του Lehrbuch der Kristallphysik (Εγχειρίδιο Κρυσταλλικής Φυσικής) του Woldemar Voigt.

Η ανάπτυξη του σόναρ στέφθηκε με επιτυχία και το έργο δημιούργησε έντονη ανάπτυξη και ενδιαφέρον για τις πιεζοηλεκτρικές συσκευές. Στις δεκαετίες που ακολούθησαν, εξερευνήθηκαν και αναπτύχθηκαν νέα πιεζοηλεκτρικά υλικά και νέες εφαρμογές για αυτά τα υλικά. Οι πιεζοηλεκτρικές συσκευές βρήκαν σπίτια σε πολλούς τομείς, όπως οι κεραμικές κασέτες φωνογράφου, οι οποίες απλοποίησαν τη σχεδίαση της συσκευής αναπαραγωγής και δημιούργησαν φθηνότερα, πιο ακριβή πικάπ που ήταν φθηνότερα στη συντήρηση και ευκολότερα στην κατασκευή. Η ανάπτυξη μετατροπέων υπερήχων επέτρεψε την εύκολη μέτρηση του ιξώδους και της ελαστικότητας των ρευστών και των στερεών, με αποτέλεσμα τεράστια πρόοδο στην έρευνα υλικών. Τα ανακλασόμετρα υπερήχων πεδίου χρόνου στέλνουν έναν υπερηχητικό παλμό σε ένα υλικό και μετρούν τις αντανακλάσεις και τις ασυνέχειες για να βρουν ελαττώματα μέσα σε χυτά μεταλλικά και πέτρινα αντικείμενα, βελτιώνοντας τη δομική ασφάλεια.

Πιεζοηλεκτρικά Υλικά

Σε αυτήν την ενότητα, θα συζητήσω τα υλικά που παρουσιάζουν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η ικανότητα ορισμένων υλικών να συσσωρεύουν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Θα εξετάσω τους κρυστάλλους, τα κεραμικά, τη βιολογική ύλη, τα οστά, το DNA και τις πρωτεΐνες και πώς ανταποκρίνονται όλα στο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.

κρύσταλλα

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η ικανότητα ορισμένων υλικών να συσσωρεύουν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Η λέξη πιεζοηλεκτρισμός προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις πιέζειν (piezein) που σημαίνει «συμπίεση» ή «πρεσάρισμα» και ἤλεκτρον (ēlektron) που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου. Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά περιλαμβάνουν κρυστάλλους, κεραμικά, βιολογική ύλη, οστά, DNA και πρωτεΐνες.

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι μια γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων σε κρυσταλλικά υλικά με συμμετρία αντιστροφής. Αυτό το φαινόμενο είναι αναστρέψιμο, πράγμα που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρισμό εμφανίζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης που προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Παραδείγματα υλικών που παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό περιλαμβάνουν κρυστάλλους τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου, οι οποίοι μπορούν να παραμορφωθούν στην αρχική τους διάσταση ή αντίστροφα, να αλλάξουν τη στατική τους διάσταση όταν εφαρμόζεται εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό είναι γνωστό ως αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και χρησιμοποιείται για την παραγωγή κυμάτων υπερήχων.

Οι Γάλλοι φυσικοί Jacques και Pierre Curie ανακάλυψαν τον πιεζοηλεκτρισμό το 1880. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο έχει αξιοποιηθεί για μια ποικιλία χρήσιμων εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής και ανίχνευσης ήχου, της πιεζοηλεκτρικής εκτύπωσης inkjet, της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, γεννητριών ρολογιού και ηλεκτρονικών συσκευών όπως ως μικροζυγοί, ακροφύσια υπερήχων κίνησης και οπτικά συγκροτήματα εξαιρετικά λεπτής εστίασης. Αποτελεί επίσης τη βάση για τη σάρωση μικροσκοπίων ανιχνευτή, τα οποία χρησιμοποιούνται για την ανάλυση εικόνων στην κλίμακα των ατόμων. Τα πιεζοηλεκτρικά pickup χρησιμοποιούνται επίσης σε ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες και σκανδάλες στα σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα.

Ο πιεζοηλεκτρισμός βρίσκει καθημερινές χρήσεις στη δημιουργία σπινθήρων για την ανάφλεξη αερίου σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, καθώς και σε φακούς και αναπτήρες τσιγάρων. Το πυροηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η παραγωγή ηλεκτρικού δυναμικού ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας, μελετήθηκε από τους Carl Linnaeus και Franz Aepinus στα μέσα του 18ου αιώνα, βασιζόμενοι στη γνώση από τον René Haüy και τον Antoine César Becquerel, οι οποίοι έθεσαν μια σχέση μεταξύ μηχανικών καταπόνηση και ηλεκτρικό φορτίο. Τα πειράματα για να αποδειχθεί αυτή η θεωρία ήταν ασαφή.

Η θέα ενός πιεζοκρύσταλλου στον αντισταθμιστή Curie στο Μουσείο Hunterian στη Σκωτία είναι μια επίδειξη του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Τα αδέρφια Pierre και Jacques Curie συνδύασαν τις γνώσεις τους για τον πυροηλεκτρισμό με την κατανόηση των κρυσταλλικών δομών που κρυστάλλουν και προκάλεσαν την πρόβλεψη του πυροηλεκτρισμού. Κατάφεραν να προβλέψουν τη συμπεριφορά των κρυστάλλων και απέδειξαν την επίδραση σε κρυστάλλους όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle. Το τετραένυδρο τρυγικό κάλιο νατρίου και ο χαλαζίας παρουσίασαν επίσης πιεζοηλεκτρισμό. Ένας πιεζοηλεκτρικός δίσκος παράγει τάση όταν παραμορφώνεται. η αλλαγή στο σχήμα είναι πολύ υπερβολική στην επίδειξη των Curies.

Ήταν επίσης σε θέση να προβλέψουν το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και να συναγάγουν μαθηματικά τις θεμελιώδεις θερμοδυναμικές αρχές πίσω από αυτό. Ο Gabriel Lippmann το έκανε αυτό το 1881. Οι Curies επιβεβαίωσαν αμέσως την ύπαρξη του αντίστροφου φαινομένου και συνέχισαν με την απόκτηση ποσοτικής απόδειξης της πλήρους αναστρεψιμότητας των ηλεκτρο-ελαστο-μηχανικών παραμορφώσεων σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους.

Η πρακτική εφαρμογή των πιεζοηλεκτρικών συσκευών στο σόναρ αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια του Α' Παγκοσμίου Πολέμου. Στη Γαλλία, ο Paul Langevin και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν έναν υπερηχητικό ανιχνευτή υποβρυχίων. Αυτός ο ανιχνευτής αποτελούνταν από έναν μορφοτροπέα κατασκευασμένο από λεπτούς κρυστάλλους χαλαζία κολλημένους προσεκτικά σε χαλύβδινες πλάκες, που ονομάζεται υδρόφωνο, για να ανιχνεύει την επιστρεφόμενη ηχώ μετά την εκπομπή ενός παλμού υψηλής συχνότητας. Μετρώντας το χρόνο που χρειάζεται για να ακούσουν την ηχώ των ηχητικών κυμάτων που αναπηδούν από ένα αντικείμενο, μπόρεσαν να υπολογίσουν την απόσταση από το αντικείμενο. Αυτή η χρήση πιεζοηλεκτρικού ρεύματος στο σόναρ ήταν μια επιτυχία και το έργο δημιούργησε έντονη ανάπτυξη και ενδιαφέρον για τις πιεζοηλεκτρικές συσκευές κατά τη διάρκεια των δεκαετιών.

Κεραμικά

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά είναι στερεά που συσσωρεύουν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στην εφαρμοζόμενη μηχανική καταπόνηση. Ο πιεζοηλεκτρισμός προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις πιέζειν (piezein) που σημαίνει «συμπίεση» ή «πιέζω» και ἤλεκτρον (ēlektron) που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου. Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά χρησιμοποιούνται σε ποικίλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής και ανίχνευσης ήχου, της πιεζοηλεκτρικής εκτύπωσης inkjet και της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης.

Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά βρίσκονται σε κρυστάλλους, κεραμικά, βιολογική ύλη, οστά, DNA και πρωτεΐνες. Τα κεραμικά είναι τα πιο κοινά πιεζοηλεκτρικά υλικά που χρησιμοποιούνται σε καθημερινές εφαρμογές. Τα κεραμικά κατασκευάζονται από συνδυασμό οξειδίων μετάλλων, όπως ο τιτανικός ζιρκονικός μόλυβδος (PZT), τα οποία θερμαίνονται σε υψηλές θερμοκρασίες για να σχηματίσουν ένα στερεό. Τα κεραμικά είναι εξαιρετικά ανθεκτικά και αντέχουν σε ακραίες θερμοκρασίες και πιέσεις.

Τα πιεζοηλεκτρικά κεραμικά έχουν ποικίλες χρήσεις, όπως:

• Δημιουργία σπινθήρων για ανάφλεξη αερίου για συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, όπως πυρσούς και αναπτήρες τσιγάρων.
• Δημιουργία κυμάτων υπερήχων για ιατρική απεικόνιση.
• Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης για γεννήτριες ρολογιού και ηλεκτρονικές συσκευές.
• Δημιουργία μικροζυγών για χρήση σε ζύγιση ακριβείας.
• Οδηγώντας ακροφύσια υπερήχων για εξαιρετικά λεπτή εστίαση οπτικών συγκροτημάτων.
• Αποτελώντας τη βάση για τη σάρωση μικροσκοπίων ανιχνευτή, τα οποία μπορούν να αναλύουν εικόνες στην κλίμακα των ατόμων.
• Pickups για ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες και σκανδάλες για σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα.

Τα πιεζοηλεκτρικά κεραμικά χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης έως ιατρική απεικόνιση. Είναι εξαιρετικά ανθεκτικά και αντέχουν σε ακραίες θερμοκρασίες και πιέσεις, καθιστώντας τα ιδανικά για χρήση σε διάφορους κλάδους.

Βιολογική ύλη

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η ικανότητα ορισμένων υλικών να συσσωρεύουν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Προέρχεται από την ελληνική λέξη «piezein», που σημαίνει «συμπίεση ή συμπίεση», και «ēlektron», που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Η βιολογική ύλη όπως τα οστά, το DNA και οι πρωτεΐνες είναι μεταξύ των υλικών που παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρισμό. Αυτό το φαινόμενο είναι αναστρέψιμο, πράγμα που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρισμό εμφανίζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης που προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Παραδείγματα αυτών των υλικών περιλαμβάνουν κρυστάλλους τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου, οι οποίοι παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό όταν η στατική τους δομή παραμορφώνεται από την αρχική του διάσταση. Αντίθετα, όταν εφαρμόζεται εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, οι κρύσταλλοι αλλάζουν τη στατική τους διάσταση, παράγοντας υπερηχητικά κύματα μέσω του αντίστροφου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου.

Η ανακάλυψη του πιεζοηλεκτρισμού έγινε από τους Γάλλους φυσικούς Jacques και Pierre Curie το 1880. Έκτοτε έχει χρησιμοποιηθεί για μια ποικιλία χρήσιμων εφαρμογών, όπως:

• Παραγωγή και ανίχνευση ήχου
• Πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet
• Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης
• Γεννήτρια ρολογιού
• Ηλεκτρονικές συσκευές
• Μικροζυγοί
• Οδηγήστε ακροφύσια υπερήχων
• Οπτικά συγκροτήματα εξαιρετικά λεπτής εστίασης
• Αποτελεί τη βάση των μικροσκοπίων ανιχνευτή σάρωσης
• Επίλυση εικόνων σε κλίμακα ατόμων
• Pickups σε ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες
• Σκανδάλες σε σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα

Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται επίσης σε καθημερινά είδη, όπως συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης με αέριο, φακούς, αναπτήρες και πολλά άλλα. Το πυροηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η παραγωγή ηλεκτρικού δυναμικού ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας, μελετήθηκε από τον Carl Linnaeus και τον Franz Aepinus στα μέσα του 18ου αιώνα. Βασιζόμενοι στη γνώση του René Haüy και του Antoine César Becquerel, υπέθεσαν μια σχέση μεταξύ μηχανικής καταπόνησης και ηλεκτρικού φορτίου, αλλά τα πειράματά τους αποδείχθηκαν ασαφή.

Η θέα ενός πιεζοκρύσταλλου στο Curie Compensator στο Μουσείο Hunterian στη Σκωτία είναι μια επίδειξη του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Οι αδελφοί Pierre και Jacques Curie συνδύασαν τις γνώσεις τους για τον πυροηλεκτρισμό και την κατανόησή τους για τις υποκείμενες κρυσταλλικές δομές για να προκαλέσουν την πρόβλεψη του πυροηλεκτρισμού και να προβλέψουν τη συμπεριφορά των κρυστάλλων. Αυτό αποδείχθηκε από την επίδραση κρυστάλλων όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle. Το τετραένυδρο τρυγικό νάτριο και κάλιο και ο χαλαζίας παρουσίασαν επίσης πιεζοηλεκτρισμό και ένας πιεζοηλεκτρικός δίσκος χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία τάσης όταν παραμορφωνόταν. Αυτό το φαινόμενο υπερεκτιμήθηκε πολύ από τους Curies για να προβλέψουν το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Το αντίστροφο αποτέλεσμα συνήχθη μαθηματικά από τις θεμελιώδεις θερμοδυναμικές αρχές από τον Gabriel Lippmann το 1881.

Οι Curies επιβεβαίωσαν αμέσως την ύπαρξη του αντίστροφου φαινομένου και συνέχισαν να αποκτούν ποσοτική απόδειξη της πλήρους αναστρεψιμότητας των ηλεκτρο-ελαστο-μηχανικών παραμορφώσεων σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους. Για δεκαετίες, ο πιεζοηλεκτρισμός παρέμεινε μια εργαστηριακή περιέργεια μέχρι που έγινε ένα ζωτικό εργαλείο για την ανακάλυψη του πολωνίου και του ραδίου από τον Pierre και τη Marie Curie. Το έργο τους για την εξερεύνηση και τον καθορισμό των κρυσταλλικών δομών που παρουσίαζαν πιεζοηλεκτρισμό κορυφώθηκε με τη δημοσίευση του «Lehrbuch der Kristallphysik» του Woldemar Voigt (Εγχειρίδιο Κρυσταλλικής Φυσικής).

Οστό

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η ικανότητα ορισμένων υλικών να συσσωρεύουν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Το κόκκαλο είναι ένα τέτοιο υλικό που παρουσιάζει αυτό το φαινόμενο.

Τα οστά είναι ένας τύπος βιολογικής ύλης που αποτελείται από πρωτεΐνες και μέταλλα, συμπεριλαμβανομένου του κολλαγόνου, του ασβεστίου και του φωσφόρου. Είναι το πιο πιεζοηλεκτρικό από όλα τα βιολογικά υλικά και είναι ικανό να παράγει τάση όταν υποβάλλεται σε μηχανική καταπόνηση.

Το πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα στα οστά είναι αποτέλεσμα της μοναδικής δομής του. Αποτελείται από ένα δίκτυο ινών κολλαγόνου που είναι ενσωματωμένες σε μια μήτρα ορυκτών. Όταν το οστό υποβάλλεται σε μηχανική καταπόνηση, οι ίνες κολλαγόνου κινούνται, προκαλώντας την πόλωση των ορυκτών και τη δημιουργία ηλεκτρικού φορτίου.

Το πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα στα οστά έχει μια σειρά από πρακτικές εφαρμογές. Χρησιμοποιείται στην ιατρική απεικόνιση, όπως η απεικόνιση με υπερήχους και ακτίνες Χ, για την ανίχνευση καταγμάτων οστών και άλλων ανωμαλιών. Χρησιμοποιείται επίσης σε βοηθήματα ακοής αγωγιμότητας των οστών, τα οποία χρησιμοποιούν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο για να μετατρέψουν τα ηχητικά κύματα σε ηλεκτρικά σήματα που αποστέλλονται απευθείας στο εσωτερικό αυτί.

Το πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα στα οστά χρησιμοποιείται επίσης σε ορθοπεδικά εμφυτεύματα, όπως τεχνητές αρθρώσεις και προσθετικά άκρα. Τα εμφυτεύματα χρησιμοποιούν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο για να μετατρέψουν τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια, η οποία στη συνέχεια χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία της συσκευής.

Επιπλέον, η πιεζοηλεκτρική επίδραση στα οστά διερευνάται για χρήση στην ανάπτυξη νέων ιατρικών θεραπειών. Για παράδειγμα, οι ερευνητές διερευνούν τη χρήση πιεζοηλεκτρισμού για την τόνωση της ανάπτυξης των οστών και την αποκατάσταση του κατεστραμμένου ιστού.

Συνολικά, το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο στα οστά είναι ένα συναρπαστικό φαινόμενο με ένα ευρύ φάσμα πρακτικών εφαρμογών. Χρησιμοποιείται σε ποικίλες ιατρικές και τεχνολογικές εφαρμογές και διερευνάται για χρήση στην ανάπτυξη νέων θεραπειών.

DNA

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η ικανότητα ορισμένων υλικών να συσσωρεύουν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Το DNA είναι ένα τέτοιο υλικό που παρουσιάζει αυτό το αποτέλεσμα. Το DNA είναι ένα βιολογικό μόριο που βρίσκεται σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς και αποτελείται από τέσσερις νουκλεοτιδικές βάσεις: αδενίνη (Α), γουανίνη (G), κυτοσίνη (C) και θυμίνη (Τ).

Το DNA είναι ένα πολύπλοκο μόριο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ηλεκτρικού φορτίου όταν υποβάλλεται σε μηχανική καταπόνηση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα μόρια DNA αποτελούνται από δύο κλώνους νουκλεοτιδίων που συγκρατούνται μεταξύ τους με δεσμούς υδρογόνου. Όταν αυτοί οι δεσμοί σπάσουν, δημιουργείται ηλεκτρικό φορτίο.

Η πιεζοηλεκτρική επίδραση του DNA έχει χρησιμοποιηθεί σε ποικίλες εφαρμογές, όπως:

• Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για ιατρικά εμφυτεύματα
• Ανίχνευση και μέτρηση μηχανικών δυνάμεων στα κύτταρα
• Ανάπτυξη αισθητήρων νανοκλίμακας
• Δημιουργία βιοαισθητήρων για την αλληλουχία DNA
• Δημιουργία κυμάτων υπερήχων για απεικόνιση

Η πιεζοηλεκτρική επίδραση του DNA διερευνάται επίσης για την πιθανή χρήση του στην ανάπτυξη νέων υλικών, όπως νανοσύρματα και νανοσωλήνες. Αυτά τα υλικά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για ποικίλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της αποθήκευσης ενέργειας και της ανίχνευσης.

Η πιεζοηλεκτρική επίδραση του DNA έχει μελετηθεί εκτενώς και έχει βρεθεί ότι είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στη μηχανική καταπόνηση. Αυτό το καθιστά πολύτιμο εργαλείο για ερευνητές και μηχανικούς που αναζητούν να αναπτύξουν νέα υλικά και τεχνολογίες.

Συμπερασματικά, το DNA είναι ένα υλικό που εμφανίζει το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η ικανότητα να συσσωρεύει ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Αυτό το αποτέλεσμα έχει χρησιμοποιηθεί σε ποικίλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων ιατρικών εμφυτευμάτων, αισθητήρων νανοκλίμακας και αλληλουχίας DNA. Διερευνάται επίσης για την πιθανή χρήση του στην ανάπτυξη νέων υλικών, όπως νανοσύρματα και νανοσωλήνες.

Πρωτεΐνες

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η ικανότητα ορισμένων υλικών να συσσωρεύουν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά, όπως οι πρωτεΐνες, οι κρύσταλλοι, τα κεραμικά και η βιολογική ύλη όπως τα οστά και το DNA, παρουσιάζουν αυτό το αποτέλεσμα. Οι πρωτεΐνες, ειδικότερα, είναι ένα μοναδικό πιεζοηλεκτρικό υλικό, καθώς αποτελούνται από μια πολύπλοκη δομή αμινοξέων που μπορούν να παραμορφωθούν για να δημιουργήσουν ηλεκτρικό φορτίο.

Οι πρωτεΐνες είναι ο πιο άφθονος τύπος πιεζοηλεκτρικού υλικού και βρίσκονται σε διάφορες μορφές. Μπορούν να βρεθούν με τη μορφή ενζύμων, ορμονών και αντισωμάτων, καθώς και με τη μορφή δομικών πρωτεϊνών όπως το κολλαγόνο και η κερατίνη. Οι πρωτεΐνες βρίσκονται επίσης με τη μορφή μυϊκών πρωτεϊνών, οι οποίες είναι υπεύθυνες για τη σύσπαση και τη χαλάρωση των μυών.

Η πιεζοηλεκτρική επίδραση των πρωτεϊνών οφείλεται στο γεγονός ότι αποτελούνται από μια πολύπλοκη δομή αμινοξέων. Όταν αυτά τα αμινοξέα παραμορφώνονται, δημιουργούν ηλεκτρικό φορτίο. Αυτό το ηλεκτρικό φορτίο μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για να τροφοδοτήσει μια ποικιλία συσκευών, όπως αισθητήρες και ενεργοποιητές.

Οι πρωτεΐνες χρησιμοποιούνται επίσης σε διάφορες ιατρικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση της παρουσίας ορισμένων πρωτεϊνών στο σώμα, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διάγνωση ασθενειών. Χρησιμοποιούνται επίσης για την ανίχνευση της παρουσίας ορισμένων βακτηρίων και ιών, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διάγνωση λοιμώξεων.

Οι πρωτεΐνες χρησιμοποιούνται επίσης σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία αισθητήρων και ενεργοποιητών για μια ποικιλία βιομηχανικών διεργασιών. Χρησιμοποιούνται επίσης για τη δημιουργία υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή αεροσκαφών και άλλων οχημάτων.

Συμπερασματικά, οι πρωτεΐνες είναι ένα μοναδικό πιεζοηλεκτρικό υλικό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ποικίλες εφαρμογές. Αποτελούνται από μια πολύπλοκη δομή αμινοξέων που μπορούν να παραμορφωθούν για να δημιουργήσουν ηλεκτρικό φορτίο και χρησιμοποιούνται σε μια ποικιλία ιατρικών και βιομηχανικών εφαρμογών.

Συγκομιδή Ενέργειας με Πιεζοηλεκτρισμό

Σε αυτήν την ενότητα, θα συζητήσω πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο πιεζοηλεκτρισμός για τη συλλογή ενέργειας. Θα εξετάσω τις διάφορες εφαρμογές του πιεζοηλεκτρισμού, από πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet έως γεννήτριες ρολογιών και μικροζυγών. Θα εξερευνήσω επίσης την ιστορία του πιεζοηλεκτρισμού, από την ανακάλυψή του από τον Πιερ Κιουρί έως τη χρήση του στον Β' Παγκόσμιο Πόλεμο. Τέλος, θα συζητήσω την τρέχουσα κατάσταση της πιεζοηλεκτρικής βιομηχανίας και τις δυνατότητες περαιτέρω ανάπτυξης.

Πιεζοηλεκτρική Εκτύπωση Inkjet

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η ικανότητα ορισμένων υλικών να δημιουργούν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Η λέξη «πιεζοηλεκτρισμός» προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις «piezein» (συμπίεση ή πίεση) και «elektron» (κεχριμπαρένιο), μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου. Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά, όπως οι κρύσταλλοι, τα κεραμικά και η βιολογική ύλη όπως τα οστά και το DNA, χρησιμοποιούνται σε ποικίλες εφαρμογές.

Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, ως γεννήτρια ρολογιού, σε ηλεκτρονικές συσκευές και σε μικροζυγούς. Χρησιμοποιείται επίσης για την οδήγηση ακροφυσίων υπερήχων και οπτικών συγκροτημάτων εξαιρετικά λεπτής εστίασης. Η πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet είναι μια δημοφιλής εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας. Αυτός είναι ένας τύπος εκτύπωσης που χρησιμοποιεί πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους για να δημιουργήσει μια δόνηση υψηλής συχνότητας, η οποία χρησιμοποιείται για την εκτόξευση σταγονιδίων μελανιού σε μια σελίδα.

Η ανακάλυψη του πιεζοηλεκτρισμού χρονολογείται από το 1880, όταν οι Γάλλοι φυσικοί Ζακ και Πιερ Κιουρί ανακάλυψαν το φαινόμενο. Από τότε, το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο έχει αξιοποιηθεί για μια ποικιλία χρήσιμων εφαρμογών. Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται σε καθημερινά είδη όπως συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης με αέριο, πυρσούς, αναπτήρες τσιγάρων και pickups σε ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες και σκανδάλες σε σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα.

Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται επίσης στην επιστημονική έρευνα. Αποτελεί τη βάση για τη σάρωση μικροσκοπίων ανιχνευτών, τα οποία χρησιμοποιούνται για την ανάλυση εικόνων σε κλίμακα ατόμων. Χρησιμοποιείται επίσης σε ανακλασόμετρα υπερηχητικού πεδίου χρόνου, τα οποία στέλνουν υπερηχητικούς παλμούς σε ένα υλικό και μετρούν τις αντανακλάσεις για να ανιχνεύσουν ασυνέχειες και να βρουν ελαττώματα μέσα σε χυτά μεταλλικά και πέτρινα αντικείμενα.

Η ανάπτυξη πιεζοηλεκτρικών συσκευών και υλικών οφείλεται στην ανάγκη για καλύτερη απόδοση και ευκολότερες διαδικασίες παραγωγής. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, η ανάπτυξη κρυστάλλων χαλαζία για εμπορική χρήση υπήρξε σημαντικός παράγοντας στην ανάπτυξη της πιεζοηλεκτρικής βιομηχανίας. Αντίθετα, οι Ιάπωνες κατασκευαστές μπόρεσαν να μοιράζονται γρήγορα πληροφορίες και να αναπτύσσουν νέες εφαρμογές, οδηγώντας σε ταχεία ανάπτυξη στην ιαπωνική αγορά.

Ο πιεζοηλεκτρισμός έχει φέρει επανάσταση στον τρόπο που χρησιμοποιούμε την ενέργεια, από καθημερινά είδη όπως αναπτήρες έως προηγμένη επιστημονική έρευνα. Είναι μια ευέλικτη τεχνολογία που μας έδωσε τη δυνατότητα να εξερευνήσουμε και να αναπτύξουμε νέα υλικά και εφαρμογές και θα συνεχίσει να αποτελεί σημαντικό μέρος της ζωής μας για τα επόμενα χρόνια.

Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας Υψηλής Τάσης

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η ικανότητα ορισμένων στερεών υλικών να συσσωρεύουν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Η λέξη «πιεζοηλεκτρισμός» προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις «piezein» που σημαίνει «συμπίεση» ή «πρεσάρισμα» και «ēlektron» που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου. Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι μια γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων σε κρυσταλλικά υλικά με συμμετρία αντιστροφής.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι μια αναστρέψιμη διαδικασία. Τα υλικά που παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρισμό εμφανίζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, την εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης που προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Για παράδειγμα, οι κρύσταλλοι τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό όταν η στατική τους δομή παραμορφώνεται από την αρχική του διάσταση. Αντίθετα, οι κρύσταλλοι μπορούν να αλλάξουν τη στατική τους διάσταση όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, ένα φαινόμενο γνωστό ως αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο χρησιμοποιείται στην παραγωγή κυμάτων υπερήχων.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο χρησιμοποιείται σε ποικίλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης. Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά χρησιμοποιούνται στην παραγωγή και ανίχνευση ήχου, σε πιεζοηλεκτρικές εκτυπώσεις inkjet, σε γεννήτριες ρολογιών, σε ηλεκτρονικές συσκευές, σε μικροζυγούς, σε ακροφύσια υπερήχων κίνησης και σε οπτικά συγκροτήματα εξαιρετικά λεπτής εστίασης.

Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται επίσης σε καθημερινές εφαρμογές, όπως η δημιουργία σπινθήρων για την ανάφλεξη αερίου σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, σε φακούς, αναπτήρες και υλικά πυροηλεκτρικών φαινομένων, τα οποία παράγουν ηλεκτρικό δυναμικό ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας. Αυτό το φαινόμενο μελετήθηκε από τον Carl Linnaeus και τον Franz Aepinus στα μέσα του 18ου αιώνα, βασιζόμενοι στη γνώση των René Haüy και Antoine César Becquerel, οι οποίοι υπέθεσαν μια σχέση μεταξύ μηχανικής καταπόνησης και ηλεκτρικού φορτίου, αν και τα πειράματά τους αποδείχθηκαν ασαφή.

Η συνδυασμένη γνώση του πυροηλεκτρισμού και η κατανόηση των υποκείμενων κρυσταλλικών δομών οδήγησαν στην πρόβλεψη του πυροηλεκτρισμού και στην ικανότητα πρόβλεψης της συμπεριφοράς των κρυστάλλων. Αυτό αποδείχθηκε από την επίδραση κρυστάλλων όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle. Το τετραένυδρο τρυγικό κάλιο του νατρίου και ο χαλαζίας παρουσίασαν επίσης πιεζοηλεκτρισμό και ένας πιεζοηλεκτρικός δίσκος χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία τάσης όταν παραμορφωνόταν. Αυτό ήταν πολύ υπερβολικό στην επίδειξη του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου από τους Curies.

Οι αδελφοί Pierre και Jacques Curie συνέχισαν να αποκτούν ποσοτική απόδειξη της πλήρους αναστρεψιμότητας των ηλεκτρο-ελαστο-μηχανικών παραμορφώσεων σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους. Για δεκαετίες, ο πιεζοηλεκτρισμός παρέμεινε ένα εργαστηριακό περιέργεια, αλλά ήταν ένα ζωτικό εργαλείο για την ανακάλυψη του πολωνίου και του ραδίου από τον Pierre και τη Marie Curie. Η εργασία τους για την εξερεύνηση και τον ορισμό των κρυσταλλικών δομών που παρουσίαζαν πιεζοηλεκτρισμό κορυφώθηκε με τη δημοσίευση του Lehrbuch der Kristallphysik (Εγχειρίδιο Κρυσταλλικής Φυσικής) του Woldemar Voigt, το οποίο περιέγραψε τις φυσικές τάξεις κρυστάλλων που είναι ικανές για πιεζοηλεκτρισμό και όρισε αυστηρά την ανάλυση των πιεζοηλεκτρικών σταθερών.

Η πρακτική εφαρμογή των πιεζοηλεκτρικών συσκευών ξεκίνησε με την ανάπτυξη του σόναρ κατά τον Α' Παγκόσμιο Πόλεμο. Στη Γαλλία, ο Paul Langevin και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν έναν υπερηχητικό ανιχνευτή υποβρυχίων. Ο ανιχνευτής αποτελούνταν από έναν μορφοτροπέα κατασκευασμένο από λεπτούς κρυστάλλους χαλαζία κολλημένους προσεκτικά σε χαλύβδινες πλάκες και ένα υδρόφωνο για την ανίχνευση της επιστρεφόμενης ηχούς. Εκπέμποντας έναν παλμό υψηλής συχνότητας από τον μορφοτροπέα και μετρώντας τον χρόνο που χρειάζεται για να ακούσουν την ηχώ των ηχητικών κυμάτων που αναπηδούν από ένα αντικείμενο, μπόρεσαν να υπολογίσουν την απόσταση του αντικειμένου. Χρησιμοποίησαν πιεζοηλεκτρικό ρεύμα για να κάνουν το σόναρ επιτυχία και το έργο δημιούργησε έντονη ανάπτυξη και ενδιαφέρον για τις πιεζοηλεκτρικές συσκευές τις επόμενες δεκαετίες.

Εξερευνήθηκαν και αναπτύχθηκαν νέα πιεζοηλεκτρικά υλικά και νέες εφαρμογές για αυτά τα υλικά. Οι πιεζοηλεκτρικές συσκευές βρήκαν σπίτια σε διάφορους τομείς, όπως κεραμικά δοχεία φωνογράφου, τα οποία απλοποίησαν τη σχεδίαση της συσκευής αναπαραγωγής και δημιούργησαν φθηνότερα, ακριβέστερα πικάπ που ήταν φθηνότερα στη συντήρηση και ευκολότερα στην κατασκευή. Η ανάπτυξη μετατροπέων υπερήχων επέτρεψε την εύκολη μέτρηση του ιξώδους και της ελαστικότητας των ρευστών και των στερεών, με αποτέλεσμα τεράστια πρόοδο στην έρευνα υλικών. Τα ανακλασόμετρα υπερήχων πεδίου χρόνου στέλνουν έναν υπερηχητικό παλμό σε ένα υλικό και μετρούν τις αντανακλάσεις και τις ασυνέχειες για να βρουν ελαττώματα μέσα σε χυτά μεταλλικά και πέτρινα αντικείμενα, βελτιώνοντας τη δομική ασφάλεια.

Ο Β' Παγκόσμιος Πόλεμος είδε ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες στις Ηνωμένες Πολιτείες, τη Ρωσία και την Ιαπωνία να ανακαλύπτουν μια νέα κατηγορία συνθετικών υλικών που ονομάζεται fer

Γεννήτρια ρολογιού

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η ικανότητα ορισμένων υλικών να συσσωρεύουν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Αυτό το φαινόμενο έχει χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ενός αριθμού χρήσιμων εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων των γεννητριών ρολογιών. Οι γεννήτριες ρολογιών είναι συσκευές που χρησιμοποιούν πιεζοηλεκτρικό ρεύμα για να παράγουν ηλεκτρικά σήματα με ακριβή χρονισμό.

Οι γεννήτριες ρολογιών χρησιμοποιούνται σε ποικίλες εφαρμογές, όπως σε υπολογιστές, τηλεπικοινωνίες και συστήματα αυτοκινήτων. Χρησιμοποιούνται επίσης σε ιατρικές συσκευές, όπως βηματοδότες, για την εξασφάλιση ακριβούς χρονισμού των ηλεκτρικών σημάτων. Οι γεννήτριες ρολογιών χρησιμοποιούνται επίσης στον βιομηχανικό αυτοματισμό και τη ρομποτική, όπου ο ακριβής χρονισμός είναι απαραίτητος.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο βασίζεται στη γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων σε κρυσταλλικά υλικά με συμμετρία αντιστροφής. Αυτό το φαινόμενο είναι αναστρέψιμο, πράγμα που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρισμό μπορούν επίσης να δημιουργήσουν μηχανική καταπόνηση όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό είναι γνωστό ως αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και χρησιμοποιείται για την παραγωγή κυμάτων υπερήχων.

Οι γεννήτριες ρολογιών χρησιμοποιούν αυτό το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο για να παράγουν ηλεκτρικά σήματα με ακριβή χρονισμό. Το πιεζοηλεκτρικό υλικό παραμορφώνεται από ένα ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο προκαλεί δόνηση σε μια συγκεκριμένη συχνότητα. Αυτή η δόνηση στη συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα, το οποίο χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ενός ακριβούς σήματος χρονισμού.

Οι γεννήτριες ρολογιών χρησιμοποιούνται σε ποικίλες εφαρμογές, από ιατρικές συσκευές έως βιομηχανικούς αυτοματισμούς. Είναι αξιόπιστα, ακριβή και εύκολα στη χρήση, καθιστώντας τα μια δημοφιλή επιλογή για πολλές εφαρμογές. Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι ένα σημαντικό μέρος της σύγχρονης τεχνολογίας και οι γεννήτριες ρολογιών είναι μόνο μία από τις πολλές εφαρμογές αυτού του φαινομένου.

Ηλεκτρονικές συσκευές

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η ικανότητα ορισμένων στερεών υλικών να συσσωρεύουν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, χρησιμοποιείται σε μια ποικιλία ηλεκτρονικών συσκευών, από pickups σε ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες έως σκανδάλες σε σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα.

Ο πιεζοηλεκτρισμός προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις πιέζειν (piezein) που σημαίνει «συμπίεση» ή «πάτημα» και ἤλεκτρον (ēlektron) που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου. Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά είναι οι κρύσταλλοι, τα κεραμικά και η βιολογική ύλη, όπως τα οστά και οι πρωτεΐνες DNA, που παρουσιάζουν το πιεζοηλεκτρικό αποτέλεσμα.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι μια γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων σε κρυσταλλικά υλικά με συμμετρία αντιστροφής. Είναι μια αναστρέψιμη διαδικασία, που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο παρουσιάζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης που προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Για παράδειγμα, οι κρύσταλλοι τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό όταν η στατική τους δομή παραμορφώνεται από την αρχική του διάσταση. Αντίθετα, οι κρύσταλλοι μπορούν να αλλάξουν τη στατική τους διάσταση όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, ένα φαινόμενο γνωστό ως αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο χρησιμοποιείται στην παραγωγή κυμάτων υπερήχων.

Η ανακάλυψη του πιεζοηλεκτρισμού πιστώνεται στους Γάλλους φυσικούς Pierre και Jacques Curie, οι οποίοι απέδειξαν το άμεσο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο το 1880. Η συνδυασμένη γνώση τους για τον πυροηλεκτρισμό και η κατανόηση των υποκείμενων κρυσταλλικών δομών οδήγησε στην πρόβλεψη του πυροηλεκτρικού φαινομένου και την ικανότητα πρόβλεψης Η συμπεριφορά των κρυστάλλων αποδείχθηκε με την επίδραση κρυστάλλων όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle.

Ο πιεζοηλεκτρισμός έχει χρησιμοποιηθεί σε ποικίλες καθημερινές εφαρμογές, όπως η δημιουργία σπινθήρων για την ανάφλεξη αερίου σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, πυρσούς, αναπτήρες τσιγάρων και υλικά πυροηλεκτρικής επίδρασης που παράγουν ηλεκτρικό δυναμικό ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας. Αυτό μελετήθηκε από τον Carl Linnaeus και τον Franz Aepinus στα μέσα του 18ου αιώνα, βασιζόμενοι στη γνώση από τον René Haüy και τον Antoine César Becquerel, οι οποίοι έθεσαν μια σχέση μεταξύ μηχανικής καταπόνησης και ηλεκτρικού φορτίου. Τα πειράματα αποδείχθηκαν ασαφή, ωστόσο, έως ότου η θέα ενός πιεζοκρύσταλλου στο μουσείο αντισταθμιστών Curie στη Σκωτία απέδειξε το άμεσο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο από τους αδελφούς Κιουρί.

Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται σε μια ποικιλία ηλεκτρονικών συσκευών, από pickups σε ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες έως σκανδάλες σε σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα. Χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή και την ανίχνευση ήχου, την πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet, την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, γεννήτριες ρολογιών, μικροζυγών, ακροφύσια υπερήχων κίνησης και οπτικά συγκροτήματα εξαιρετικά λεπτής εστίασης. Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι επίσης η βάση για τη σάρωση μικροσκοπίων ανιχνευτών, τα οποία χρησιμοποιούνται για την ανάλυση εικόνων σε κλίμακα ατόμων.

Μικροζυγαριές

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η ικανότητα ορισμένων στερεών υλικών να συσσωρεύουν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Ο πιεζοηλεκτρισμός προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις πιέζειν (piezein), που σημαίνει «συμπίεση» ή «πάτημα», και ἤλεκτρον (ēlektron), που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται σε ποικίλες καθημερινές εφαρμογές, όπως η παραγωγή σπινθήρων για την ανάφλεξη αερίου για συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, φακούς, αναπτήρες τσιγάρων και άλλα. Χρησιμοποιείται επίσης στην παραγωγή και ανίχνευση ήχου, και στην πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet.

Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται επίσης για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης και αποτελεί τη βάση των γεννητριών ρολογιού και των ηλεκτρονικών συσκευών όπως οι μικροζυγοί. Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται επίσης για την κίνηση ακροφυσίων υπερήχων και οπτικών συγκροτημάτων εξαιρετικά λεπτής εστίασης.

Η ανακάλυψη του πιεζοηλεκτρισμού πιστώνεται στους Γάλλους φυσικούς Ζακ και Πιερ Κιουρί το 1880. Οι αδελφοί Κιουρί συνδύασαν τις γνώσεις τους για τον πυροηλεκτρισμό και την κατανόησή τους για τις υποκείμενες κρυσταλλικές δομές για να δημιουργήσουν την έννοια του πιεζοηλεκτρισμού. Κατάφεραν να προβλέψουν τη συμπεριφορά των κρυστάλλων και απέδειξαν την επίδραση σε κρυστάλλους όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο αξιοποιήθηκε για χρήσιμες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής και ανίχνευσης ήχου. Η ανάπτυξη του σόναρ κατά τον Α' Παγκόσμιο Πόλεμο ήταν μια σημαντική ανακάλυψη στη χρήση του πιεζοηλεκτρισμού. Μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες στις Ηνωμένες Πολιτείες, τη Ρωσία και την Ιαπωνία ανακάλυψαν μια νέα κατηγορία συνθετικών υλικών που ονομάζονται σιδηροηλεκτρικά, τα οποία εμφάνιζαν πιεζοηλεκτρικές σταθερές έως και δέκα φορές υψηλότερες από τα φυσικά υλικά.

Αυτό οδήγησε σε έντονη έρευνα και ανάπτυξη υλικών τιτανικού βαρίου και αργότερα υλικών τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου, τα οποία είχαν συγκεκριμένες ιδιότητες για συγκεκριμένες εφαρμογές. Ένα σημαντικό παράδειγμα χρήσης πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων αναπτύχθηκε στα Bell Telephone Laboratories μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο.

Ο Frederick R. Lack, εργαζόμενος στο τμήμα μηχανικής ραδιοτηλεφωνίας, ανέπτυξε έναν κομμένο κρύσταλλο που λειτουργούσε σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Το κρύσταλλο του Lack δεν χρειαζόταν τα βαριά αξεσουάρ των προηγούμενων κρυστάλλων, διευκολύνοντας τη χρήση του σε αεροσκάφη. Αυτή η εξέλιξη επέτρεψε στις Συμμαχικές αεροπορικές δυνάμεις να συμμετάσχουν σε συντονισμένες μαζικές επιθέσεις χρησιμοποιώντας το ραδιόφωνο της αεροπορίας.

Η ανάπτυξη πιεζοηλεκτρικών συσκευών και υλικών στις Ηνωμένες Πολιτείες κράτησε πολλές εταιρείες στην επιχείρηση και η ανάπτυξη κρυστάλλων χαλαζία έγινε εμπορική εκμετάλλευση. Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά έχουν χρησιμοποιηθεί από τότε σε ποικίλες εφαρμογές, όπως ιατρική απεικόνιση, καθαρισμό με υπερήχους και πολλά άλλα.

Ακροφύσιο κίνησης υπερήχων

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι το ηλεκτρικό φορτίο που συσσωρεύεται σε ορισμένα στερεά υλικά όπως οι κρύσταλλοι, τα κεραμικά και η βιολογική ύλη όπως τα οστά και το DNA. Είναι μια απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση και προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις «piezein», που σημαίνει «συμπίεση» ή «πρεσάρισμα» και «elektron», που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι μια γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ των μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων των κρυσταλλικών υλικών με συμμετρία αντιστροφής. Είναι μια αναστρέψιμη διαδικασία, που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο εμφανίζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης που προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Ένα παράδειγμα αυτού είναι οι κρύσταλλοι τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου, οι οποίοι παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό όταν η στατική τους δομή παραμορφώνεται από την αρχική του διάσταση. Αντίστροφα, όταν εφαρμόζεται εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, οι κρύσταλλοι αλλάζουν τη στατική τους διάσταση, με αποτέλεσμα το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, που είναι η παραγωγή υπερηχητικών κυμάτων.

Οι Γάλλοι φυσικοί Jacques και Pierre Curie ανακάλυψαν τον πιεζοηλεκτρισμό το 1880 και έκτοτε έχει χρησιμοποιηθεί για μια ποικιλία χρήσιμων εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής και ανίχνευσης ήχου. Ο πιεζοηλεκτρισμός βρίσκει επίσης καθημερινές χρήσεις, όπως η παραγωγή σπινθήρων για την ανάφλεξη αερίου σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, φακούς, αναπτήρες και πολλά άλλα.

Το πυροηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι το υλικό που δημιουργεί ηλεκτρικό δυναμικό ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας, μελετήθηκε από τον Carl Linnaeus, τον Franz Aepinus και τα μέσα του 18ου αιώνα αντλώντας γνώσεις από τον René Haüy και τον Antoine César Becquerel που έθεσαν τη σχέση μεταξύ μηχανικής καταπόνησης και ηλεκτρικό φορτίο. Τα πειράματα για να το αποδείξουν αυτό ήταν ασαφή.

Η θέα ενός πιεζο-κρύσταλλου στο Curie Compensator στο Μουσείο Hunterian στη Σκωτία είναι μια επίδειξη του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου από τους αδελφούς Pierre και Jacques Curie. Ο συνδυασμός των γνώσεών τους για τον πυροηλεκτρισμό και η κατανόηση των υποκείμενων κρυσταλλικών δομών οδήγησε στην πρόβλεψη του πυροηλεκτρισμού και τους επέτρεψε να προβλέψουν τη συμπεριφορά των κρυστάλλων. Αυτό αποδείχθηκε με την επίδραση κρυστάλλων όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle. Το τετραένυδρο τρυγικό νάτριο και κάλιο και ο χαλαζίας παρουσίασαν επίσης πιεζοηλεκτρισμό και ένας πιεζοηλεκτρικός δίσκος χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία τάσης όταν παραμορφωνόταν. Αυτό υπερβλήθηκε πολύ από τους Curies για να προβλέψουν το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο συνάγεται μαθηματικά από τις θεμελιώδεις θερμοδυναμικές αρχές από τον Gabriel Lippmann το 1881.

Οι Curies επιβεβαίωσαν αμέσως την ύπαρξη του αντίστροφου φαινομένου και συνέχισαν να αποκτούν ποσοτική απόδειξη της πλήρους αναστρεψιμότητας των ηλεκτρο-ελαστο-μηχανικών παραμορφώσεων σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους. Για δεκαετίες, ο πιεζοηλεκτρισμός παρέμεινε μια εργαστηριακή περιέργεια, αλλά ήταν ένα ζωτικό εργαλείο για την ανακάλυψη του πολωνίου και του ραδίου από τους Pierre και Marie Curie στην εργασία τους για την εξερεύνηση και τον ορισμό των κρυσταλλικών δομών που παρουσίαζαν πιεζοηλεκτρισμό. Αυτό κορυφώθηκε με τη δημοσίευση του Lehrbuch der Kristallphysik (Εγχειρίδιο Κρυσταλλικής Φυσικής) του Woldemar Voigt, το οποίο περιέγραψε τις φυσικές τάξεις κρυστάλλων ικανές για πιεζοηλεκτρισμό και όρισε αυστηρά τις πιεζοηλεκτρικές σταθερές μέσω ανάλυσης τανυστή.

Η πρακτική εφαρμογή των πιεζοηλεκτρικών συσκευών ξεκίνησε με το σόναρ, το οποίο αναπτύχθηκε κατά τον Α' Παγκόσμιο Πόλεμο. Στη Γαλλία, ο Paul Langevin και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν έναν υπερηχητικό ανιχνευτή υποβρυχίων. Ο ανιχνευτής αποτελούνταν από έναν μορφοτροπέα κατασκευασμένο από λεπτούς κρυστάλλους χαλαζία κολλημένους προσεκτικά σε χαλύβδινες πλάκες, που ονομάζεται υδρόφωνο, για να ανιχνεύει την επιστρεφόμενη ηχώ μετά την εκπομπή ενός παλμού υψηλής συχνότητας. Μετρώντας το χρόνο που χρειάζεται για να ακούσουν την ηχώ των ηχητικών κυμάτων που αναπηδούν από ένα αντικείμενο, θα μπορούσαν να υπολογίσουν την απόσταση του αντικειμένου. Αυτή η χρήση πιεζοηλεκτρικού ρεύματος στο σόναρ ήταν μια επιτυχία και το έργο δημιούργησε έντονη ανάπτυξη και ενδιαφέρον για τις πιεζοηλεκτρικές συσκευές για δεκαετίες.

Εξερευνήθηκαν και αναπτύχθηκαν νέα πιεζοηλεκτρικά υλικά και νέες εφαρμογές για αυτά τα υλικά, και οι πιεζοηλεκτρικές συσκευές βρήκαν σπίτια σε πεδία όπως κεραμικά δοχεία φωνογράφου, τα οποία απλοποίησαν το σχεδιασμό της συσκευής αναπαραγωγής και δημιούργησαν φθηνότερα, πιο ακριβή πικάπ που ήταν φθηνότερα στη συντήρηση και ευκολότερα στην κατασκευή . Η ανάπτυξη μετατροπέων υπερήχων επέτρεψε την εύκολη μέτρηση του ιξώδους και της ελαστικότητας των ρευστών και των στερεών, με αποτέλεσμα τεράστια πρόοδο στην έρευνα υλικών. Τα ανακλασόμετρα υπερήχων πεδίου χρόνου στέλνουν έναν υπερηχητικό παλμό μέσω ενός υλικού και μετρούν τις αντανακλάσεις και τις ασυνέχειες για να βρουν ελαττώματα μέσα σε χυτά μεταλλικά και πέτρινα αντικείμενα

Ultrafine Focusing Optical Asmbles

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι η ικανότητα ορισμένων υλικών να συσσωρεύουν ηλεκτρικό φορτίο όταν υποβάλλονται σε μηχανική καταπόνηση. Είναι μια γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρικών και μηχανικών καταστάσεων κρυσταλλικών υλικών με συμμετρία αντιστροφής. Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι μια αναστρέψιμη διαδικασία, που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρισμό εμφανίζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης που προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο.

Ο πιεζοηλεκτρισμός έχει χρησιμοποιηθεί σε ποικίλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής και ανίχνευσης ήχου και της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης. Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται επίσης στην εκτύπωση inkjet, στις γεννήτριες ρολογιών, στις ηλεκτρονικές συσκευές, στις μικροζυγές, στα ακροφύσια υπερήχων κίνησης και στα οπτικά συγκροτήματα εξαιρετικά λεπτής εστίασης.

Ο πιεζοηλεκτρισμός ανακαλύφθηκε το 1880 από τους Γάλλους φυσικούς Ζακ και Πιερ Κιουρί. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο αξιοποιείται σε χρήσιμες εφαρμογές, όπως η παραγωγή και ανίχνευση ήχου και η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης. Χρησιμοποιείται επίσης πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet, καθώς και γεννήτριες ρολογιών, ηλεκτρονικές συσκευές, μικροζυγοί, ακροφύσια υπερήχων κίνησης και οπτικά συγκροτήματα εξαιρετικά λεπτής εστίασης.

Ο πιεζοηλεκτρισμός έχει βρει το δρόμο του σε καθημερινές χρήσεις, όπως η παραγωγή σπινθήρων για την ανάφλεξη αερίου για συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, πυρσούς, αναπτήρες τσιγάρων και υλικά πυροηλεκτρικής επίδρασης που παράγουν ηλεκτρικό δυναμικό ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας. Αυτό το φαινόμενο μελετήθηκε από τον Carl Linnaeus και τον Franz Aepinus στα μέσα του 18ου αιώνα, βασιζόμενοι στη γνώση από τον René Haüy και τον Antoine César Becquerel που έθεσαν μια σχέση μεταξύ μηχανικής καταπόνησης και ηλεκτρικού φορτίου. Τα πειράματα αποδείχθηκαν ασαφή.

Το τετραένυδρο τρυγικό νάτριο και κάλιο και το άλας χαλαζία και Rochelle παρουσίασαν πιεζοηλεκτρισμό και ένας πιεζοηλεκτρικός δίσκος χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία τάσης όταν παραμορφωνόταν, αν και η αλλαγή στο σχήμα ήταν πολύ υπερβολική. Οι Curies προέβλεψαν το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και το αντίστροφο αποτέλεσμα συνήχθη μαθηματικά από τις θεμελιώδεις θερμοδυναμικές αρχές από τον Gabriel Lippmann το 1881. Οι Curies επιβεβαίωσαν αμέσως την ύπαρξη του αντίστροφου φαινομένου και συνέχισαν με ποσοτική απόδειξη της πλήρους αναστρεψιμότητας του ηλεκτρο- ελαστομηχανικές παραμορφώσεις σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους.

Για δεκαετίες, ο πιεζοηλεκτρισμός παρέμεινε μια εργαστηριακή περιέργεια μέχρι που έγινε ένα ζωτικό εργαλείο για την ανακάλυψη του πολωνίου και του ραδίου από τον Pierre και τη Marie Curie. Το έργο τους για την εξερεύνηση και τον καθορισμό των κρυσταλλικών δομών που παρουσίαζαν πιεζοηλεκτρισμό κορυφώθηκε με τη δημοσίευση του Lehrbuch der Kristallphysik (Εγχειρίδιο Κρυσταλλικής Φυσικής) του Woldemar Voigt. Αυτό περιέγραψε τις φυσικές κατηγορίες κρυστάλλων ικανές για πιεζοηλεκτρισμό και όρισε αυστηρά τις πιεζοηλεκτρικές σταθερές χρησιμοποιώντας ανάλυση τανυστή για πρακτική εφαρμογή πιεζοηλεκτρικών συσκευών.

Η ανάπτυξη του σόναρ ήταν ένα επιτυχημένο έργο που δημιούργησε έντονη ανάπτυξη και ενδιαφέρον για τις πιεζοηλεκτρικές συσκευές. Δεκαετίες αργότερα, νέα πιεζοηλεκτρικά υλικά και νέες εφαρμογές για αυτά τα υλικά εξερευνήθηκαν και αναπτύχθηκαν. Οι πιεζοηλεκτρικές συσκευές βρήκαν σπίτια σε διάφορους τομείς, όπως οι κεραμικές κασέτες φωνογράφου, οι οποίες απλοποίησαν το σχεδιασμό των συσκευών αναπαραγωγής και έκαναν τα πικάπ φθηνότερα και ευκολότερα στη συντήρηση και κατασκευή. Η ανάπτυξη μετατροπέων υπερήχων επέτρεψε την εύκολη μέτρηση του ιξώδους και της ελαστικότητας των ρευστών και των στερεών, με αποτέλεσμα τεράστια πρόοδο στην έρευνα υλικών. Τα ανακλασόμετρα υπερήχων πεδίου χρόνου στέλνουν έναν υπερηχητικό παλμό σε ένα υλικό και μετρούν τις αντανακλάσεις και τις ασυνέχειες για να βρουν ελαττώματα μέσα σε χυτά μεταλλικά και πέτρινα αντικείμενα, βελτιώνοντας τη δομική ασφάλεια.

Οι απαρχές του πεδίου των συμφερόντων της πιεζοηλεκτρικής ενέργειας κατοχυρώθηκαν με τις κερδοφόρες πατέντες νέων υλικών που αναπτύχθηκαν από κρυστάλλους χαλαζία, τα οποία αξιοποιήθηκαν εμπορικά ως πιεζοηλεκτρικό υλικό. Οι επιστήμονες αναζήτησαν υλικά υψηλότερης απόδοσης και παρά τις προόδους στα υλικά και την ωρίμανση των διαδικασιών παραγωγής, η αγορά των Ηνωμένων Πολιτειών δεν αναπτύχθηκε γρήγορα. Αντίθετα, οι Ιάπωνες κατασκευαστές μοιράστηκαν γρήγορα πληροφορίες και οι νέες εφαρμογές για ανάπτυξη στην πιεζοηλεκτρική βιομηχανία των Ηνωμένων Πολιτειών υπέφεραν σε αντίθεση με τους Ιάπωνες κατασκευαστές.

Πιεζοηλεκτρικοί Κινητήρες

Σε αυτή την ενότητα, θα μιλήσω για το πώς χρησιμοποιείται ο πιεζοηλεκτρισμός στη σύγχρονη τεχνολογία. Από τα μικροσκόπια ανιχνευτή σάρωσης που μπορούν να αναλύουν εικόνες σε κλίμακα ατόμων έως τα πικ-απ για ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες και τις σκανδάλες για τα σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα, ο πιεζοηλεκτρισμός έχει γίνει αναπόσπαστο μέρος πολλών συσκευών. Θα εξερευνήσω την ιστορία του πιεζοηλεκτρισμού και πώς έχει χρησιμοποιηθεί σε διάφορες εφαρμογές.

Μορφές Βάση μικροσκοπίων ανιχνευτή σάρωσης

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι το ηλεκτρικό φορτίο που συσσωρεύεται σε ορισμένα στερεά υλικά, όπως οι κρύσταλλοι, τα κεραμικά και η βιολογική ύλη όπως τα οστά και το DNA. Είναι η απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση και η λέξη πιεζοηλεκτρισμός προέρχεται από την ελληνική λέξη πιέζειν (piezein) που σημαίνει «συμπίεση» ή «πάτημα» και ἤλεκτρον (ēlektron) που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Οι πιεζοηλεκτρικοί κινητήρες είναι συσκευές που χρησιμοποιούν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο για να δημιουργήσουν κίνηση. Αυτό το φαινόμενο είναι η γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων σε κρυσταλλικά υλικά με συμμετρία αντιστροφής. Είναι μια αναστρέψιμη διαδικασία, που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο παρουσιάζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης που προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Παραδείγματα υλικών που παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό είναι οι κρύσταλλοι τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο αξιοποιείται σε χρήσιμες εφαρμογές, όπως παραγωγή και ανίχνευση ήχου, πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet, παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, γεννήτριες ρολογιών και ηλεκτρονικές συσκευές όπως μικροζυγοστάθμιση και ακροφύσια υπερήχων κίνησης για οπτικά συγκροτήματα εξαιρετικά λεπτής εστίασης. Αποτελεί επίσης τη βάση των μικροσκοπίων ανιχνευτή σάρωσης, τα οποία χρησιμοποιούνται για την ανάλυση εικόνων σε κλίμακα ατόμων.

Ο πιεζοηλεκτρισμός ανακαλύφθηκε το 1880 από τους Γάλλους φυσικούς Ζακ και Πιερ Κιουρί. Η θέα ενός πιεζοηλεκτρικού κρυστάλλου και του αντισταθμιστή Curie μπορεί να δει κανείς στο Μουσείο Hunterian στη Σκωτία, το οποίο είναι μια επίδειξη του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου από τους αδελφούς Pierre και Jacques Curie.

Συνδυάζοντας τις γνώσεις τους για τον πυροηλεκτρισμό και την κατανόησή τους για τις υποκείμενες κρυσταλλικές δομές οδήγησαν στην πρόβλεψη του πυροηλεκτρισμού, που τους επέτρεψε να προβλέψουν τη συμπεριφορά των κρυστάλλων. Αυτό αποδείχθηκε από την επίδραση κρυστάλλων όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle. Το τετραένυδρο τρυγικό νάτριο και κάλιο και το άλας χαλαζία και Rochelle παρουσίασαν πιεζοηλεκτρισμό και ένας πιεζοηλεκτρικός δίσκος χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία τάσης όταν παραμορφωνόταν, αν και αυτό ήταν πολύ υπερβολικό από τους Curies.

Προέβλεψαν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, και αυτό συνήχθη μαθηματικά από τις θεμελιώδεις θερμοδυναμικές αρχές του Gabriel Lippmann το 1881. Οι Curies επιβεβαίωσαν αμέσως την ύπαρξη του αντίστροφου φαινομένου και συνέχισαν να αποκτούν ποσοτική απόδειξη της πλήρους αναστρεψιμότητας του ηλεκτρο-ελαστο- μηχανικές παραμορφώσεις σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους.

Για δεκαετίες, ο πιεζοηλεκτρισμός παρέμεινε μια εργαστηριακή περιέργεια μέχρι που έγινε ένα ζωτικό εργαλείο για την ανακάλυψη του πολωνίου και του ραδίου από τον Pierre και τη Marie Curie. Η εργασία τους για την εξερεύνηση και τον ορισμό των κρυσταλλικών δομών που παρουσίαζαν πιεζοηλεκτρισμό κορυφώθηκε με τη δημοσίευση του Lehrbuch der Kristallphysik (Εγχειρίδιο Κρυσταλλικής Φυσικής) του Woldemar Voigt, το οποίο περιέγραψε τις φυσικές τάξεις κρυστάλλων ικανές για πιεζοηλεκτρισμό και όρισε αυστηρά την πιεζοηλεκτρική σταθερά και την τενόα.

Αυτό οδήγησε στην πρακτική εφαρμογή πιεζοηλεκτρικών συσκευών, όπως το σόναρ, το οποίο αναπτύχθηκε κατά τον Α' Παγκόσμιο Πόλεμο. Στη Γαλλία, ο Paul Langevin και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν έναν υπερηχητικό ανιχνευτή υποβρυχίων. Αυτός ο ανιχνευτής αποτελούνταν από έναν μορφοτροπέα κατασκευασμένο από λεπτούς κρυστάλλους χαλαζία κολλημένους προσεκτικά σε χαλύβδινες πλάκες και ένα υδρόφωνο για την ανίχνευση της επιστρεφόμενης ηχούς μετά την εκπομπή ενός παλμού υψηλής συχνότητας από τον μορφοτροπέα. Μετρώντας τον χρόνο που χρειάζεται για να ακούσουν την ηχώ των ηχητικών κυμάτων που αναπηδούν από ένα αντικείμενο, μπόρεσαν να υπολογίσουν την απόσταση του αντικειμένου. Χρησιμοποίησαν πιεζοηλεκτρικό ρεύμα για να κάνουν αυτό το σόναρ επιτυχία και το έργο δημιούργησε μια έντονη ανάπτυξη και ενδιαφέρον για τις πιεζοηλεκτρικές συσκευές για δεκαετίες.

Νέα πιεζοηλεκτρικά υλικά και νέες εφαρμογές για αυτά τα υλικά εξερευνήθηκαν και αναπτύχθηκαν και πιεζοηλεκτρικές συσκευές βρήκαν σπίτια σε πολλούς τομείς, όπως κεραμικά δοχεία φωνογράφου, τα οποία απλοποίησαν τη σχεδίαση της συσκευής και δημιούργησαν φθηνότερα και ακριβέστερα πικάπ που ήταν φθηνότερα στη συντήρηση και ευκολότερα χτίζω. Η ανάπτυξη μετατροπέων υπερήχων επέτρεψε την εύκολη μέτρηση του ιξώδους και της ελαστικότητας των ρευστών και των στερεών, με αποτέλεσμα τεράστια πρόοδο στην έρευνα υλικών. Τα ανακλασόμετρα υπερήχων πεδίου χρόνου στέλνουν έναν υπερηχητικό παλμό σε ένα υλικό και μετρούν τις αντανακλάσεις και τις ασυνέχειες για να βρουν ελαττώματα μέσα σε χυτά μεταλλικά και πέτρινα αντικείμενα, βελτιώνοντας τη δομική ασφάλεια.

Κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες στις Ηνωμένες Πολιτείες

Επίλυση εικόνων σε κλίμακα ατόμων

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι το ηλεκτρικό φορτίο που συσσωρεύεται σε ορισμένα στερεά υλικά όπως οι κρύσταλλοι, τα κεραμικά και η βιολογική ύλη όπως τα οστά και το DNA. Είναι μια απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση και προέρχεται από την ελληνική λέξη «piezein», που σημαίνει συμπίεση ή πίεση. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο προκύπτει από τη γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ της μηχανικής και της ηλεκτρικής κατάστασης σε κρυσταλλικά υλικά με συμμετρία αντιστροφής.

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι μια αναστρέψιμη διαδικασία και τα υλικά που παρουσιάζουν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο παρουσιάζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης που προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Παραδείγματα αυτού περιλαμβάνουν κρυστάλλους τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου, οι οποίοι παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό όταν η στατική τους δομή παραμορφώνεται από την αρχική του διάσταση. Αντίθετα, οι κρύσταλλοι αλλάζουν τη στατική τους διάσταση όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο είναι γνωστό ως αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και χρησιμοποιείται στην παραγωγή κυμάτων υπερήχων.

Οι Γάλλοι φυσικοί Jacques και Pierre Curie ανακάλυψαν τον πιεζοηλεκτρισμό το 1880. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο έχει αξιοποιηθεί για μια ποικιλία χρήσιμων εφαρμογών, όπως η παραγωγή και η ανίχνευση ήχου, η πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, γεννήτριες ρολογιών και ηλεκτρονικών συσκευών όπως μικροζυγών και οδηγούν ακροφύσια υπερήχων. Αποτελεί επίσης τη βάση των μικροσκοπίων ανιχνευτή σάρωσης, τα οποία χρησιμοποιούνται για την ανάλυση εικόνων σε κλίμακα ατόμων.

Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται επίσης σε καθημερινές εφαρμογές, όπως η δημιουργία σπινθήρων για την ανάφλεξη αερίου σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, φακούς, αναπτήρες τσιγάρων και πολλά άλλα. Το πυροηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι ένα υλικό που δημιουργεί ηλεκτρικό δυναμικό ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας, μελετήθηκε από τον Carl Linnaeus και τον Franz Aepinus στα μέσα του 18ου αιώνα. Βασιζόμενοι στη γνώση του René Haüy και του Antoine César Becquerel, υπέθεσαν μια σχέση μεταξύ μηχανικής καταπόνησης και ηλεκτρικού φορτίου, αλλά τα πειράματά τους αποδείχθηκαν ασαφή.

Οι επισκέπτες του Μουσείου Hunterian στη Γλασκώβη μπορούν να δουν έναν πιεζο-κρυστάλλο αντισταθμιστή Curie, μια επίδειξη του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου από τους αδελφούς Pierre και Jacques Curie. Σε συνδυασμό με τις γνώσεις τους για τον πυροηλεκτρισμό και την κατανόηση των υποκείμενων κρυσταλλικών δομών, οδήγησαν στην πρόβλεψη του πυροηλεκτρισμού και την ικανότητα πρόβλεψης της συμπεριφοράς των κρυστάλλων. Αυτό αποδείχθηκε από την επίδραση κρυστάλλων όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle. Το τετραένυδρο τρυγικό νάτριο και κάλιο και το άλας χαλαζία και Rochelle παρουσίασαν πιεζοηλεκτρισμό, ενώ ένας πιεζοηλεκτρικός δίσκος παράγει τάση όταν παραμορφώνεται, αν και η αλλαγή στο σχήμα είναι πολύ υπερβολική. Οι Curies ήταν σε θέση να προβλέψουν το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και το αντίστροφο αποτέλεσμα συνήχθη μαθηματικά από τις θεμελιώδεις θερμοδυναμικές αρχές του Gabriel Lippmann το 1881.

Pickup ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες

Οι πιεζοηλεκτρικοί κινητήρες είναι ηλεκτρικοί κινητήρες που χρησιμοποιούν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο για να μετατρέψουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η ικανότητα ορισμένων υλικών να δημιουργούν ηλεκτρικό φορτίο όταν υποβάλλονται σε μηχανική καταπόνηση. Οι πιεζοηλεκτρικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται σε ποικίλες εφαρμογές, από την τροφοδοσία μικρών συσκευών όπως ρολόγια και ρολόγια μέχρι την τροφοδοσία μεγαλύτερων μηχανών όπως τα ρομπότ και ο ιατρικός εξοπλισμός.

Οι πιεζοηλεκτρικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες pickup. Αυτά τα pickup χρησιμοποιούν το πιεζοηλεκτρικό εφέ για να μετατρέψουν τους κραδασμούς των χορδών της κιθάρας σε ηλεκτρικό σήμα. Αυτό το σήμα στη συνέχεια ενισχύεται και αποστέλλεται σε έναν ενισχυτή, ο οποίος παράγει τον ήχο της κιθάρας. Τα πιεζοηλεκτρικά pickup χρησιμοποιούνται επίσης σε σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα, όπου χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση των κραδασμών των κεφαλών των τυμπάνων και τη μετατροπή τους σε ηλεκτρικό σήμα.

Οι πιεζοηλεκτρικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται επίσης σε μικροσκόπια ανιχνευτή σάρωσης, τα οποία χρησιμοποιούν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο για να μετακινήσουν έναν μικροσκοπικό καθετήρα σε μια επιφάνεια. Αυτό επιτρέπει στο μικροσκόπιο να αναλύει εικόνες σε κλίμακα ατόμων. Οι πιεζοηλεκτρικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται επίσης σε εκτυπωτές inkjet, όπου χρησιμοποιούνται για τη μετακίνηση της κεφαλής εκτύπωσης εμπρός και πίσω στη σελίδα.

Οι πιεζοηλεκτρικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται σε διάφορες άλλες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων ιατρικών συσκευών, εξαρτημάτων αυτοκινήτου και ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης. Χρησιμοποιούνται επίσης σε βιομηχανικές εφαρμογές, όπως στην παραγωγή εξαρτημάτων ακριβείας και στη συναρμολόγηση σύνθετων εξαρτημάτων. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο χρησιμοποιείται επίσης στην παραγωγή κυμάτων υπερήχων, τα οποία χρησιμοποιούνται στην ιατρική απεικόνιση και στην ανίχνευση ελαττωμάτων στα υλικά.

Συνολικά, οι πιεζοηλεκτρικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, από την τροφοδοσία μικρών συσκευών έως την τροφοδοσία μεγαλύτερων μηχανών. Χρησιμοποιούνται σε κιθάρες με ηλεκτρονική ενίσχυση, σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα, μικροσκόπια σάρωσης, εκτυπωτές inkjet, ιατρικές συσκευές, εξαρτήματα αυτοκινήτου και ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο χρησιμοποιείται επίσης στην παραγωγή κυμάτων υπερήχων και στην ανίχνευση ελαττωμάτων στα υλικά.

Ενεργοποιεί σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι το ηλεκτρικό φορτίο που συσσωρεύεται σε ορισμένα στερεά υλικά όπως οι κρύσταλλοι, τα κεραμικά και η βιολογική ύλη όπως τα οστά και το DNA. Είναι η απόκριση αυτών των υλικών στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Η λέξη πιεζοηλεκτρισμός προέρχεται από την ελληνική λέξη «piezein», που σημαίνει «συμπιέζω ή πιέζω» και τη λέξη «elektron», που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Οι πιεζοηλεκτρικοί κινητήρες είναι συσκευές που χρησιμοποιούν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο για να δημιουργήσουν κίνηση. Αυτό το φαινόμενο προκύπτει από τη γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ της μηχανικής και της ηλεκτρικής κατάστασης κρυσταλλικών υλικών με συμμετρία αντιστροφής. Είναι μια αναστρέψιμη διαδικασία, που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο εμφανίζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης που προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Ένα παράδειγμα αυτού είναι οι κρύσταλλοι τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου, οι οποίοι παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό όταν η στατική τους δομή παραμορφώνεται από την αρχική του διάσταση. Αντίθετα, όταν εφαρμόζεται εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, οι κρύσταλλοι αλλάζουν τη στατική τους διάσταση, παράγοντας υπερηχητικά κύματα.

Οι πιεζοηλεκτρικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται σε ποικίλες καθημερινές εφαρμογές, όπως:

• Δημιουργία σπινθήρων για ανάφλεξη αερίου σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης
• Δάδες, αναπτήρες τσιγάρων και υλικά πυροηλεκτρικών εφέ
• Παραγωγή ηλεκτρικού δυναμικού ως απόκριση σε αλλαγή θερμοκρασίας
• Παραγωγή και ανίχνευση ήχου
• Πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet
• Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης
• Γεννήτρια ρολογιών και ηλεκτρονικές συσκευές
• Μικροζυγοί
• Οδηγήστε ακροφύσια υπερήχων και οπτικά συγκροτήματα εξαιρετικά λεπτής εστίασης
• Αποτελεί τη βάση των μικροσκοπίων ανιχνευτή σάρωσης
• Επίλυση εικόνων σε κλίμακα ατόμων
• Παίρνει ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες
• Πυροδοτεί σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα.

Ηλεκτρομηχανική Μοντελοποίηση Πιεζοηλεκτρικών Μετατροπέων

Σε αυτήν την ενότητα, θα διερευνήσω την ηλεκτρομηχανική μοντελοποίηση των πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων. Θα εξετάσω την ιστορία της ανακάλυψης του πιεζοηλεκτρισμού, τα πειράματα που απέδειξαν την ύπαρξή του και την ανάπτυξη πιεζοηλεκτρικών συσκευών και υλικών. Θα συζητήσω επίσης τις συνεισφορές των Γάλλων φυσικών Pierre και Jacques Curie, Carl Linnaeus και Franz Aepinus, Rene Hauy και Antoine Cesar Becquerel, Gabriel Lippmann και Woldemar Voigt.

Οι Γάλλοι φυσικοί Πιερ και Ζακ Κιουρί

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι ένα ηλεκτρομηχανικό φαινόμενο όπου το ηλεκτρικό φορτίο συσσωρεύεται σε ορισμένα στερεά υλικά όπως οι κρύσταλλοι, τα κεραμικά και η βιολογική ύλη όπως τα οστά και το DNA. Αυτό το φορτίο δημιουργείται ως απόκριση σε μια εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Η λέξη «πιεζοηλεκτρισμός» προέρχεται από την ελληνική λέξη «piezein», που σημαίνει «συμπίεση ή συμπίεση» και «elektron», που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο προκύπτει από μια γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων σε υλικά με συμμετρία αντιστροφής. Αυτό το φαινόμενο είναι αναστρέψιμο, πράγμα που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο παρουσιάζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, όπου η εσωτερική παραγωγή μηχανικής καταπόνησης παράγεται ως απόκριση σε ένα εφαρμοζόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Για παράδειγμα, οι κρύσταλλοι τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό όταν η στατική τους δομή παραμορφώνεται από την αρχική του διάσταση. Αντίθετα, όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, οι κρύσταλλοι αλλάζουν τη στατική τους διάσταση, παράγοντας υπερηχητικά κύματα στη διαδικασία γνωστή ως αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.

Το 1880, οι Γάλλοι φυσικοί Pierre και Jacques Curie ανακάλυψαν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και έκτοτε έχει αξιοποιηθεί για μια ποικιλία χρήσιμων εφαρμογών, όπως η παραγωγή και ανίχνευση ήχου, η πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, γεννήτριες ρολογιών και ηλεκτρονικών συσκευές όπως μικροζυγοί και ακροφύσια κίνησης υπερήχων για οπτικά συγκροτήματα εξαιρετικά λεπτής εστίασης. Αποτελεί επίσης τη βάση για τη σάρωση μικροσκοπίων ανιχνευτών, τα οποία μπορούν να αναλύσουν εικόνες σε κλίμακα ατόμων. Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται επίσης σε pickup για ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες και σκανδάλες για σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα.

Ο πιεζοηλεκτρισμός βρίσκει επίσης καθημερινές χρήσεις, όπως η παραγωγή σπινθήρων για την ανάφλεξη αερίου σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, φακούς, αναπτήρες και πολλά άλλα. Το πυροηλεκτρικό φαινόμενο, όπου ένα υλικό δημιουργεί ηλεκτρικό δυναμικό ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας, μελετήθηκε από τον Carl Linnaeus και τον Franz Aepinus στα μέσα του 18ου αιώνα, βασιζόμενοι στη γνώση των René Hauy και Antoine César Becquerel, οι οποίοι υπέθεσαν μια σχέση μεταξύ μηχανική καταπόνηση και ηλεκτρικό φορτίο, αν και τα πειράματά τους αποδείχθηκαν ασαφή.

Συνδυάζοντας τις γνώσεις τους για τον πυροηλεκτρισμό με την κατανόηση των υποκείμενων κρυσταλλικών δομών, οι Curies μπόρεσαν να προκαλέσουν την πρόβλεψη του πυροηλεκτρισμού και να προβλέψουν τη συμπεριφορά των κρυστάλλων. Αυτό αποδείχθηκε στην επίδραση κρυστάλλων όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle. Το τετραένυδρο τρυγικό κάλιο νατρίου και ο χαλαζίας παρουσίασαν επίσης πιεζοηλεκτρισμό. Ένας πιεζοηλεκτρικός δίσκος παράγει μια τάση όταν παραμορφώνεται, αν και αυτό είναι πολύ υπερβολικό στην επίδειξη του Curies. Ήταν επίσης σε θέση να προβλέψουν το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και να το συναγάγουν μαθηματικά από τις θεμελιώδεις θερμοδυναμικές αρχές του Gabriel Lippmann το 1881.

Οι Curies επιβεβαίωσαν αμέσως την ύπαρξη του αντίστροφου φαινομένου και συνέχισαν να αποκτούν ποσοτική απόδειξη της πλήρους αναστρεψιμότητας των ηλεκτρο-ελαστο-μηχανικών παραμορφώσεων σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους. Τις δεκαετίες που ακολούθησαν, ο πιεζοηλεκτρισμός παρέμεινε ένα εργαστηριακό αξιοπερίεργο μέχρι που έγινε ένα ζωτικό εργαλείο για την ανακάλυψη του πολωνίου και του ραδίου από τους Pierre και Marie Curie. Το έργο τους για την εξερεύνηση και τον καθορισμό των κρυσταλλικών δομών που παρουσίαζαν πιεζοηλεκτρισμό κορυφώθηκε με τη δημοσίευση του «Lehrbuch der Kristallphysik» του Woldemar Voigt (Εγχειρίδιο Κρυσταλλικής Φυσικής).

Τα πειράματα αποδείχθηκαν ασαφή

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι ένα ηλεκτρομηχανικό φαινόμενο στο οποίο το ηλεκτρικό φορτίο συσσωρεύεται σε ορισμένα στερεά υλικά, όπως κρύσταλλοι, κεραμικά και βιολογική ύλη όπως οστά και DNA. Είναι η απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση και η λέξη «πιεζοηλεκτρισμός» προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις «piezein», που σημαίνει «συμπίεση ή συμπίεση» και «ēlektron», που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο προκύπτει από τη γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ των μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων των κρυσταλλικών υλικών με συμμετρία αντιστροφής. Είναι μια αναστρέψιμη διαδικασία. Τα υλικά που παρουσιάζουν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο παρουσιάζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης που προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Για παράδειγμα, οι κρύσταλλοι τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό όταν η στατική τους δομή παραμορφώνεται από την αρχική του διάσταση. Αντίθετα, οι κρύσταλλοι μπορούν να αλλάξουν τη στατική τους διάσταση όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, γνωστό ως αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο χρησιμοποιείται στην παραγωγή κυμάτων υπερήχων.

Οι Γάλλοι φυσικοί Pierre και Jacques Curie ανακάλυψαν τον πιεζοηλεκτρισμό το 1880. Έκτοτε έχει χρησιμοποιηθεί για μια ποικιλία χρήσιμων εφαρμογών, όπως η παραγωγή και ανίχνευση ήχου, η πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, γεννήτριες ρολογιών και ηλεκτρονικές συσκευές όπως μικροζυγοί , οδηγήστε ακροφύσια υπερήχων και οπτικά συγκροτήματα εξαιρετικά λεπτής εστίασης. Αποτελεί επίσης τη βάση των μικροσκοπίων ανιχνευτή σάρωσης, τα οποία μπορούν να αναλύσουν εικόνες σε κλίμακα ατόμων. Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται επίσης σε pickup για ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες και σκανδάλες για σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα.

Ο πιεζοηλεκτρισμός βρίσκει καθημερινές χρήσεις στη δημιουργία σπινθήρων για την ανάφλεξη αερίου σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, φακούς, αναπτήρες και πολλά άλλα. Το πυροηλεκτρικό φαινόμενο, στο οποίο ένα υλικό δημιουργεί ηλεκτρικό δυναμικό ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας, μελετήθηκε από τον Carl Linnaeus και τον Franz Aepinus στα μέσα του 18ου αιώνα, βασιζόμενοι στη γνώση του René Hauy και του Antoine César Becquerel, οι οποίοι υπέθεσαν μια σχέση. μεταξύ μηχανικής καταπόνησης και ηλεκτρικού φορτίου. Τα πειράματα αποδείχθηκαν ασαφή.

Η συνδυασμένη γνώση του πυροηλεκτρισμού και η κατανόηση των υποκείμενων κρυσταλλικών δομών οδήγησαν στην πρόβλεψη του πυροηλεκτρισμού και στην ικανότητα πρόβλεψης της συμπεριφοράς των κρυστάλλων. Αυτό αποδείχθηκε στην επίδραση κρυστάλλων όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle. Το τετραένυδρο τρυγικό κάλιο του νατρίου και ο χαλαζίας παρουσίασαν επίσης πιεζοηλεκτρισμό και ένας πιεζοηλεκτρικός δίσκος χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία τάσης όταν παραμορφωνόταν. Αυτό ήταν πολύ υπερβολικό στην επίδειξη του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου από τους Curies.

Οι αδελφοί Pierre και Jacques Curie προέβλεψαν το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και το αντίστροφο αποτέλεσμα συνήχθη μαθηματικά από τις θεμελιώδεις θερμοδυναμικές αρχές από τον Gabriel Lippmann το 1881. Οι Curies επιβεβαίωσαν αμέσως την ύπαρξη του αντίστροφου φαινομένου και συνέχισαν να λάβουν ποσοτική απόδειξη του πλήρους αναστρεψιμότητα ηλεκτρο-ελαστο-μηχανικών παραμορφώσεων σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους.

Για δεκαετίες, ο πιεζοηλεκτρισμός παρέμεινε ένα εργαστηριακό περιέργεια, αλλά ήταν ένα ζωτικό εργαλείο για την ανακάλυψη του πολωνίου και του ραδίου από τον Pierre και τη Marie Curie. Το έργο τους για την εξερεύνηση και τον καθορισμό των κρυσταλλικών δομών που παρουσίαζαν πιεζοηλεκτρισμό κορυφώθηκε με τη δημοσίευση του Lehrbuch der Kristallphysik (Εγχειρίδιο Κρυσταλλικής Φυσικής) του Woldemar Voigt. Αυτό περιέγραψε τις φυσικές κατηγορίες κρυστάλλων ικανές για πιεζοηλεκτρισμό και όρισε αυστηρά τις πιεζοηλεκτρικές σταθερές χρησιμοποιώντας ανάλυση τανυστή. Αυτή ήταν η πρώτη πρακτική εφαρμογή πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων και το σόναρ αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια του Α' Παγκοσμίου Πολέμου. Στη Γαλλία, ο Paul Langevin και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν έναν υπερηχητικό ανιχνευτή υποβρυχίων.

Carl Linnaeus και Franz Aepinus

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι ένα ηλεκτρομηχανικό φαινόμενο κατά το οποίο το ηλεκτρικό φορτίο συσσωρεύεται σε ορισμένα στερεά υλικά όπως κρύσταλλοι, κεραμικά και βιολογική ύλη όπως τα οστά και το DNA. Αυτό το φορτίο δημιουργείται ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Η λέξη πιεζοηλεκτρισμός προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις πιέζειν (piezein) που σημαίνει «συμπίεση ή πίεση» και ἤλεκτρον (ēlektron) που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο προκύπτει από μια γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ των μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων των κρυσταλλικών υλικών με συμμετρία αντιστροφής. Αυτό το φαινόμενο είναι αναστρέψιμο, πράγμα που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρισμό εμφανίζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης που προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Για παράδειγμα, οι κρύσταλλοι τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό όταν η στατική τους δομή παραμορφώνεται από την αρχική του διάσταση. Αντίθετα, οι κρύσταλλοι μπορούν να αλλάξουν τη στατική τους διάσταση όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο είναι γνωστό ως αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και χρησιμοποιείται στην παραγωγή κυμάτων υπερήχων.

Το 1880, οι Γάλλοι φυσικοί Jacques και Pierre Curie ανακάλυψαν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και έκτοτε έχει αξιοποιηθεί για πολλές χρήσιμες εφαρμογές, όπως η παραγωγή και ανίχνευση ήχου, η πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, γεννήτριες ρολογιών, ηλεκτρονικές συσκευές, μικροζυγοί. , οδηγήστε ακροφύσια υπερήχων και οπτικά συγκροτήματα εξαιρετικά λεπτής εστίασης. Αποτελεί επίσης τη βάση για τη σάρωση μικροσκοπίων ανιχνευτή, τα οποία χρησιμοποιούνται για την ανάλυση εικόνων στην κλίμακα των ατόμων. Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται επίσης σε pickup για ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες και σκανδάλες για σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα.

Ο πιεζοηλεκτρισμός βρίσκεται επίσης σε καθημερινές χρήσεις, όπως η δημιουργία σπινθήρων για ανάφλεξη αερίου σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, πυρσούς, αναπτήρες τσιγάρων και το πυροηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο είναι όταν ένα υλικό δημιουργεί ηλεκτρικό δυναμικό ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας. Αυτό το φαινόμενο μελετήθηκε από τον Carl Linnaeus και τον Franz Aepinus στα μέσα του 18ου αιώνα, βασιζόμενοι στη γνώση των René Hauy και Antoine César Becquerel, οι οποίοι υπέθεσαν μια σχέση μεταξύ μηχανικής καταπόνησης και ηλεκτρικού φορτίου, αν και τα πειράματά τους αποδείχθηκαν ασαφή.

Η θέα ενός πιεζο-κρύσταλλου στον αντισταθμιστή Curie στο Μουσείο Hunterian στη Σκωτία είναι μια επίδειξη του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου από τους αδελφούς Pierre και Jacques Curie. Ο συνδυασμός των γνώσεών τους για τον πυροηλεκτρισμό με την κατανόηση των υποκείμενων κρυσταλλικών δομών οδήγησε στην πρόβλεψη του πυροηλεκτρισμού και στην ικανότητα πρόβλεψης της συμπεριφοράς των κρυστάλλων. Αυτό αποδείχθηκε από την επίδραση κρυστάλλων όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle. Το τετραένυδρο τρυγικό κάλιο νατρίου και ο χαλαζίας από το άλας Rochelle παρουσίασαν πιεζοηλεκτρισμό και ένας πιεζοηλεκτρικός δίσκος παράγει μια τάση όταν παραμορφώνεται, αν και αυτό είναι πολύ υπερβολικό στην επίδειξη των Curies.

Η πρόβλεψη του αντίστροφου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου και η μαθηματική του συναγωγή από τις θεμελιώδεις θερμοδυναμικές αρχές έγινε από τον Gabriel Lippmann το 1881. Οι Curies επιβεβαίωσαν αμέσως την ύπαρξη του αντίστροφου φαινομένου και συνέχισαν με ποσοτική απόδειξη της πλήρους αναστρεψιμότητας του ηλεκτρο-ελαστο- μηχανικές παραμορφώσεις σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους. Για δεκαετίες, ο πιεζοηλεκτρισμός παρέμεινε μια εργαστηριακή περιέργεια μέχρι που έγινε ένα ζωτικό εργαλείο για την ανακάλυψη του πολωνίου και του ραδίου από τους Pierre και Marie Curie, οι οποίοι το χρησιμοποίησαν για να εξερευνήσουν και να καθορίσουν κρυσταλλικές δομές που εμφάνιζαν πιεζοηλεκτρισμό. Αυτό κορυφώθηκε με τη δημοσίευση του Lehrbuch der Kristallphysik (Εγχειρίδιο Κρυσταλλικής Φυσικής) του Woldemar Voigt, το οποίο περιέγραψε τις φυσικές τάξεις κρυστάλλων ικανές για πιεζοηλεκτρισμό και όρισε αυστηρά τις πιεζοηλεκτρικές σταθερές χρησιμοποιώντας ανάλυση τανυστή.

Αυτή η πρακτική εφαρμογή των πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων οδήγησε στην ανάπτυξη του σόναρ κατά τη διάρκεια του Α' Παγκοσμίου Πολέμου. Στη Γαλλία, ο Paul Langevin και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν έναν υπερηχητικό ανιχνευτή υποβρυχίων. Ο ανιχνευτής αποτελούνταν από έναν μορφοτροπέα κατασκευασμένο από λεπτούς κρυστάλλους χαλαζία κολλημένους προσεκτικά σε χαλύβδινες πλάκες και ένα υδρόφωνο για την ανίχνευση της επιστρεφόμενης ηχούς μετά την εκπομπή ενός παλμού υψηλής συχνότητας από τον μορφοτροπέα. Μετρώντας τον χρόνο που χρειάζεται για να ακούσουν την ηχώ των ηχητικών κυμάτων που αναπηδούν από ένα αντικείμενο, μπόρεσαν να υπολογίσουν την απόσταση του αντικειμένου. Χρησιμοποίησαν πιεζοηλεκτρισμό για να κάνουν αυτό το σόναρ επιτυχία και το έργο δημιούργησε έντονη ανάπτυξη και ενδιαφέρον για τις πιεζοηλεκτρικές συσκευές

Rene Hauy και Antoine Cesar Becquerel

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι ένα ηλεκτρομηχανικό φαινόμενο που συμβαίνει όταν ορισμένα στερεά υλικά, όπως οι κρύσταλλοι, τα κεραμικά και η βιολογική ύλη όπως τα οστά και το DNA, συσσωρεύουν ηλεκτρικό φορτίο ως απόκριση στην εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Ο πιεζοηλεκτρισμός προέρχεται από την ελληνική λέξη «piezein», που σημαίνει «συμπίεση ή συμπίεση», και «elektron», που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο προκύπτει από μια γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων σε κρυσταλλικά υλικά με συμμετρία αντιστροφής. Αυτό το φαινόμενο είναι αναστρέψιμο, πράγμα που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο παρουσιάζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, ή την εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης που προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Για παράδειγμα, οι κρύσταλλοι τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό όταν η στατική τους δομή παραμορφώνεται από την αρχική του διάσταση. Αντίθετα, οι κρύσταλλοι μπορούν να αλλάξουν τη στατική τους διάσταση όταν εφαρμόζεται εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, με αποτέλεσμα το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο και την παραγωγή κυμάτων υπερήχων.

Οι Γάλλοι φυσικοί Pierre και Jacques Curie ανακάλυψαν το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο το 1880. Αυτό το φαινόμενο έχει αξιοποιηθεί για μια ποικιλία χρήσιμων εφαρμογών, όπως η παραγωγή και ανίχνευση ήχου, η πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, γεννήτριες ρολογιού και ηλεκτρονικές συσκευές όπως οι μικροζυγοί, τα ακροφύσια υπερήχων κίνησης και τα οπτικά συγκροτήματα εξαιρετικά λεπτής εστίασης. Αποτελεί επίσης τη βάση των μικροσκοπίων ανιχνευτή σάρωσης, τα οποία μπορούν να αναλύσουν εικόνες σε μια κλίμακα ατόμων. Ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιείται επίσης σε pickup για ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες και σκανδάλες για σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο μελετήθηκε για πρώτη φορά από τον Carl Linnaeus και τον Franz Aepinus στα μέσα του 18ου αιώνα, βασιζόμενοι στη γνώση των Rene Hauy και Antoine Cesar Becquerel, οι οποίοι υπέθεσαν μια σχέση μεταξύ μηχανικής καταπόνησης και ηλεκτρικού φορτίου. Ωστόσο, τα πειράματα αποδείχθηκαν ασαφή. Σε συνδυασμό με τη γνώση του πυροηλεκτρισμού και την κατανόηση των υποκείμενων κρυσταλλικών δομών, αυτό οδήγησε στην πρόβλεψη του πυροηλεκτρισμού και την ικανότητα πρόβλεψης της συμπεριφοράς των κρυστάλλων. Αυτό αποδείχθηκε στην επίδραση κρυστάλλων όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle. Το τετραένυδρο τρυγικό κάλιο του νατρίου και ο χαλαζίας παρουσίασαν επίσης πιεζοηλεκτρισμό και ένας πιεζοηλεκτρικός δίσκος χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία τάσης όταν παραμορφωνόταν. Αυτό το φαινόμενο ήταν πολύ υπερβολικό στην επίδειξη των Curies στο Μουσείο της Σκωτίας, η οποία έδειξε το άμεσο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο.

Οι αδελφοί Pierre και Jacques Curie συνέχισαν να αποκτούν ποσοτική απόδειξη της πλήρους αναστρεψιμότητας των ηλεκτρο-ελαστο-μηχανικών παραμορφώσεων σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους. Για δεκαετίες, ο πιεζοηλεκτρισμός παρέμεινε μια εργαστηριακή περιέργεια, έως ότου έγινε ένα ζωτικό εργαλείο για την ανακάλυψη του πολωνίου και του ραδίου από τον Pierre και τη Marie Curie. Αυτή η εργασία διερεύνησε και όρισε τις κρυσταλλικές δομές που εμφάνιζαν πιεζοηλεκτρισμό, με αποκορύφωμα τη δημοσίευση του Lehrbuch der Kristallphysik (Εγχειρίδιο Κρυσταλλικής Φυσικής) του Woldemar Voigt.

Οι Curies επιβεβαίωσαν αμέσως την ύπαρξη του αντίστροφου φαινομένου και συνέχισαν να συνάγουν μαθηματικά τις θεμελιώδεις θερμοδυναμικές αρχές του αντίστροφου φαινομένου. Αυτό έγινε από τον Gabriel Lippmann το 1881. Στη συνέχεια, ο πιεζοηλεκτρισμός χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη σόναρ κατά τη διάρκεια του Α' Παγκοσμίου Πολέμου. Στη Γαλλία, ο Paul Langevin και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν έναν υπερηχητικό ανιχνευτή υποβρυχίων. Αυτός ο ανιχνευτής αποτελούνταν από έναν μορφοτροπέα κατασκευασμένο από λεπτούς κρυστάλλους χαλαζία κολλημένους προσεκτικά σε χαλύβδινες πλάκες και ένα υδρόφωνο για την ανίχνευση της επιστρεφόμενης ηχούς. Εκπέμποντας έναν παλμό υψηλής συχνότητας από τον μορφοτροπέα και μετρώντας το χρόνο που χρειάζεται για να ακούσετε την ηχώ των ηχητικών κυμάτων που αναπηδούν από ένα αντικείμενο, θα μπορούσαν να υπολογίσουν την απόσταση από το αντικείμενο.

Η χρήση πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων αναπτύχθηκε περαιτέρω από τα Bell Telephone Laboratories μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο. Ο Frederick R. Lack, που εργαζόταν στο τμήμα μηχανικής ραδιοτηλεφωνίας, ανέπτυξε έναν κομμένο κρύσταλλο που μπορούσε να λειτουργήσει σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Το κρύσταλλο του Lack δεν χρειαζόταν τα βαριά αξεσουάρ των προηγούμενων κρυστάλλων, διευκολύνοντας τη χρήση του σε αεροσκάφη. Αυτή η εξέλιξη επέτρεψε στις Συμμαχικές αεροπορικές δυνάμεις να συμμετέχουν σε συντονισμένες μαζικές επιθέσεις, χρησιμοποιώντας ραδιόφωνο της αεροπορίας. Η ανάπτυξη πιεζοηλεκτρικών συσκευών και υλικών στις Ηνωμένες Πολιτείες κράτησε τις εταιρείες στην ανάπτυξη της αρχής του πολέμου στον τομέα και αναπτύχθηκαν τα ενδιαφέροντα για την εξασφάλιση κερδοφόρων διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας για νέα υλικά. Οι κρύσταλλοι χαλαζία χρησιμοποιήθηκαν εμπορικά ως πιεζοηλεκτρικό υλικό και οι επιστήμονες αναζήτησαν υλικά υψηλότερης απόδοσης. Παρά την πρόοδο στα υλικά και την ωρίμανση των διαδικασιών παραγωγής, οι Η.Π.Α

Γκάμπριελ Λίπμαν

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι ένα ηλεκτρομηχανικό φαινόμενο στο οποίο το ηλεκτρικό φορτίο συσσωρεύεται σε ορισμένα στερεά υλικά, όπως κρύσταλλοι, κεραμικά και βιολογική ύλη όπως οστά και DNA. Είναι το αποτέλεσμα μιας αλληλεπίδρασης μεταξύ μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων σε υλικά με συμμετρία αντιστροφής. Ο πιεζοηλεκτρισμός ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τους Γάλλους φυσικούς Pierre και Jacques Curie το 1880.

Ο πιεζοηλεκτρισμός έχει αξιοποιηθεί για μια ποικιλία χρήσιμων εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής και ανίχνευσης ήχου, της πιεζοηλεκτρικής εκτύπωσης inkjet και της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης. Ο πιεζοηλεκτρισμός προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις πιέζειν (piezein) που σημαίνει «συμπίεση ή πίεση» και ἤλεκτρον (ēlektron) που σημαίνει «κεχριμπαρένιο», μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο είναι αναστρέψιμο, πράγμα που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρισμό εμφανίζουν επίσης το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, στο οποίο η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης προκύπτει από την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου. Για παράδειγμα, οι κρύσταλλοι τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό όταν η στατική τους δομή παραμορφώνεται από την αρχική του διάσταση. Αντίθετα, οι κρύσταλλοι μπορούν να αλλάξουν τη στατική τους διάσταση όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, μια διαδικασία γνωστή ως αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Αυτή η διαδικασία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή κυμάτων υπερήχων.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο έχει μελετηθεί από τα μέσα του 18ου αιώνα, όταν ο Carl Linnaeus και ο Franz Aepinus, βασιζόμενοι στη γνώση των René Hauy και Antoine César Becquerel, έθεσαν μια σχέση μεταξύ μηχανικής καταπόνησης και ηλεκτρικού φορτίου. Ωστόσο, τα πειράματα αποδείχθηκαν ασαφή. Μόνο όταν η συνδυασμένη γνώση του πυροηλεκτρισμού και η κατανόηση των υποκείμενων κρυσταλλικών δομών οδήγησαν στην πρόβλεψη του πυροηλεκτρισμού που οι ερευνητές μπόρεσαν να προβλέψουν τη συμπεριφορά των κρυστάλλων. Αυτό αποδείχθηκε από την επίδραση κρυστάλλων όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle.

Ο Gabriel Lippmann, το 1881, συνήγαγε μαθηματικά τις θεμελιώδεις θερμοδυναμικές αρχές του αντίστροφου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου. Οι Curies επιβεβαίωσαν αμέσως την ύπαρξη του αντίστροφου φαινομένου και συνέχισαν να αποκτούν ποσοτική απόδειξη της πλήρους αναστρεψιμότητας των ηλεκτρο-ελαστο-μηχανικών παραμορφώσεων σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους.

Η πρακτική εφαρμογή των πιεζοηλεκτρικών συσκευών ξεκίνησε με την ανάπτυξη του σόναρ κατά τον Α' Παγκόσμιο Πόλεμο. Ο Paul Langevin και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν έναν υπερηχητικό ανιχνευτή υποβρυχίων. Αυτός ο ανιχνευτής αποτελούνταν από έναν μορφοτροπέα κατασκευασμένο από λεπτούς κρυστάλλους χαλαζία κολλημένους προσεκτικά σε χαλύβδινες πλάκες και ένα υδρόφωνο για την ανίχνευση της επιστρεφόμενης ηχούς. Εκπέμποντας έναν παλμό υψηλής συχνότητας από τον μορφοτροπέα και μετρώντας τον χρόνο που χρειάζεται για να ακούσουν την ηχώ των ηχητικών κυμάτων που αναπηδούν από ένα αντικείμενο, μπόρεσαν να υπολογίσουν την απόσταση από το αντικείμενο. Αυτή η χρήση πιεζοηλεκτρικής ενέργειας για σόναρ ήταν επιτυχής και το έργο δημιούργησε έντονο ενδιαφέρον ανάπτυξης για τις πιεζοηλεκτρικές συσκευές. Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών, νέα πιεζοηλεκτρικά υλικά και νέες εφαρμογές για αυτά τα υλικά εξερευνήθηκαν και αναπτύχθηκαν. Οι πιεζοηλεκτρικές συσκευές βρήκαν σπίτια σε διάφορα πεδία, από κεραμικά δοχεία φωνογράφου που απλοποίησαν τον σχεδιασμό του παίκτη και έκαναν τα φθηνά, ακριβή πικάπ φθηνότερα στη συντήρηση και ευκολότερα στην κατασκευή, μέχρι την ανάπτυξη μετατροπέων υπερήχων που επέτρεπαν την εύκολη μέτρηση του ιξώδους και της ελαστικότητας των υγρών και στερεά, με αποτέλεσμα τεράστια πρόοδο στην έρευνα υλικών. Τα ανακλασόμετρα υπερήχων πεδίου χρόνου στέλνουν έναν υπερηχητικό παλμό σε ένα υλικό και μετρούν τις αντανακλάσεις και τις ασυνέχειες για να βρουν ελαττώματα μέσα σε χυτά μεταλλικά και πέτρινα αντικείμενα, βελτιώνοντας τη δομική ασφάλεια.

Μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες στις Ηνωμένες Πολιτείες, τη Ρωσία και την Ιαπωνία ανακάλυψαν μια νέα κατηγορία συνθετικών υλικών που ονομάζονται σιδηροηλεκτρικά που εμφάνιζαν πιεζοηλεκτρικές σταθερές έως και δέκα φορές υψηλότερες από τα φυσικά υλικά. Αυτό οδήγησε σε έντονη έρευνα για την ανάπτυξη τιτανικού βαρίου και αργότερα τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου, υλικών με συγκεκριμένες ιδιότητες για συγκεκριμένες εφαρμογές. Αναπτύχθηκε ένα σημαντικό παράδειγμα χρήσης πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων

Woldemar Voigt

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι ένα ηλεκτρομηχανικό φαινόμενο στο οποίο το ηλεκτρικό φορτίο συσσωρεύεται σε ορισμένα στερεά υλικά, όπως κρύσταλλοι, κεραμικά και βιολογική ύλη όπως οστά και DNA. Αυτό το φορτίο δημιουργείται ως απόκριση σε μια εφαρμοσμένη μηχανική καταπόνηση. Η λέξη πιεζοηλεκτρισμός προέρχεται από την ελληνική λέξη "piezein", που σημαίνει "συμπίεση ή πίεση" και "elektron", που σημαίνει "κεχριμπαρένιο", μια αρχαία πηγή ηλεκτρικού φορτίου.

Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο προκύπτει από μια γραμμική ηλεκτρομηχανική αλληλεπίδραση μεταξύ των μηχανικών και ηλεκτρικών καταστάσεων των κρυσταλλικών υλικών με συμμετρία αντιστροφής. Αυτό το φαινόμενο είναι αναστρέψιμο, πράγμα που σημαίνει ότι τα υλικά που παρουσιάζουν πιεζοηλεκτρισμό εμφανίζουν επίσης ένα αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, όπου η εσωτερική δημιουργία μηχανικής καταπόνησης προκύπτει από ένα εφαρμοσμένο ηλεκτρικό πεδίο. Για παράδειγμα, οι κρύσταλλοι τιτανικού ζιρκονικού μολύβδου παράγουν μετρήσιμο πιεζοηλεκτρισμό όταν η στατική τους δομή παραμορφώνεται από την αρχική του διάσταση. Αντίθετα, οι κρύσταλλοι μπορούν να αλλάξουν τη στατική τους διάσταση όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, ένα φαινόμενο γνωστό ως αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, το οποίο χρησιμοποιείται στην παραγωγή κυμάτων υπερήχων.

Οι Γάλλοι φυσικοί Pierre και Jacques Curie ανακάλυψαν τον πιεζοηλεκτρισμό το 1880. Το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο έχει από τότε αξιοποιηθεί για μια ποικιλία χρήσιμων εφαρμογών, όπως η παραγωγή και ανίχνευση ήχου, η πιεζοηλεκτρική εκτύπωση inkjet, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας υψηλής τάσης, γεννήτριες ρολογιού και ηλεκτρονικές συσκευές όπως μικροζυγοί και οδηγούν ακροφύσια υπερήχων για εξαιρετικά λεπτή εστίαση οπτικών συγκροτημάτων. Αποτελεί επίσης τη βάση των μικροσκοπίων ανιχνευτή σάρωσης, τα οποία μπορούν να αναλύσουν εικόνες σε κλίμακα ατόμων. Επιπλέον, τα pickups σε ηλεκτρονικά ενισχυμένες κιθάρες και οι σκανδάλες στα σύγχρονα ηλεκτρονικά τύμπανα χρησιμοποιούν το πιεζοηλεκτρικό εφέ.

Ο πιεζοηλεκτρισμός βρίσκει επίσης καθημερινές χρήσεις στη δημιουργία σπινθήρων για την ανάφλεξη αερίου σε συσκευές μαγειρέματος και θέρμανσης, σε φακούς, αναπτήρες και πολλά άλλα. Το πυροηλεκτρικό φαινόμενο, όπου ένα υλικό δημιουργεί ηλεκτρικό δυναμικό ως απόκριση σε μια αλλαγή θερμοκρασίας, μελετήθηκε από τον Carl Linnaeus και τον Franz Aepinus στα μέσα του 18ου αιώνα, βασιζόμενοι στη γνώση από τον Rene Hauy και τον Antoine Cesar Becquerel, οι οποίοι έθεσαν μια σχέση μεταξύ μηχανικών καταπόνηση και ηλεκτρικό φορτίο. Τα πειράματα για να αποδείξουν αυτή τη σχέση αποδείχθηκαν ασαφή.

Η θέα ενός πιεζο-κρύσταλλου στον αντισταθμιστή Curie στο Μουσείο Hunterian στη Σκωτία είναι μια επίδειξη του άμεσου πιεζοηλεκτρικού φαινομένου από τους αδελφούς Pierre και Jacques Curie. Ο συνδυασμός της γνώσης τους για τον πυροηλεκτρισμό με την κατανόηση των υποκείμενων κρυσταλλικών δομών οδήγησε στην πρόβλεψη του πυροηλεκτρισμού, η οποία τους επέτρεψε να προβλέψουν τη συμπεριφορά των κρυστάλλων που έδειξαν στην επίδραση κρυστάλλων όπως η τουρμαλίνη, ο χαλαζίας, το τοπάζι, η ζάχαρη από ζαχαροκάλαμο και το αλάτι Rochelle. . Το τετραένυδρο τρυγικό νάτριο και κάλιο και ο χαλαζίας παρουσίασαν επίσης πιεζοηλεκτρισμό και ένας πιεζοηλεκτρικός δίσκος χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία τάσης όταν παραμορφωνόταν. Αυτή η αλλαγή στο σχήμα ήταν πολύ υπερβολική στην επίδειξη των Curies και συνέχισαν να προβλέψουν το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Το αντίστροφο αποτέλεσμα συνήχθη μαθηματικά από τις θεμελιώδεις θερμοδυναμικές αρχές από τον Gabriel Lippmann το 1881.

Οι Curies επιβεβαίωσαν αμέσως την ύπαρξη του αντίστροφου φαινομένου και συνέχισαν να αποκτούν ποσοτική απόδειξη της πλήρους αναστρεψιμότητας των ηλεκτρο-ελαστο-μηχανικών παραμορφώσεων σε πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους. Τις δεκαετίες που ακολούθησαν, ο πιεζοηλεκτρισμός παρέμεινε ένα εργαστηριακό αξιοπερίεργο, μέχρι που έγινε ζωτικό εργαλείο για την ανακάλυψη του πολωνίου και του ραδίου από τον Pierre Marie Curie, ο οποίος το χρησιμοποίησε για να εξερευνήσει και να καθορίσει κρυσταλλικές δομές που παρουσίαζαν πιεζοηλεκτρισμό. Αυτό κορυφώθηκε με τη δημοσίευση του Lehrbuch der Kristallphysik (Εγχειρίδιο Κρυσταλλικής Φυσικής) του Woldemar Voigt, το οποίο περιέγραψε τις φυσικές τάξεις κρυστάλλων ικανές για πιεζοηλεκτρισμό και όρισε αυστηρά τις πιεζοηλεκτρικές σταθερές χρησιμοποιώντας ανάλυση τανυστή.

Αυτό οδήγησε στην πρακτική εφαρμογή πιεζοηλεκτρικών συσκευών, όπως το σόναρ, το οποίο αναπτύχθηκε κατά τον Α' Παγκόσμιο Πόλεμο. Στη Γαλλία, ο Paul Langevin και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν έναν υπερηχητικό ανιχνευτή υποβρυχίων. Αυτός ο ανιχνευτής αποτελούνταν από έναν μορφοτροπέα κατασκευασμένο από λεπτούς κρυστάλλους χαλαζία κολλημένους προσεκτικά σε χαλύβδινες πλάκες και ένα υδρόφωνο για την ανίχνευση της επιστρεφόμενης ηχούς μετά την εκπομπή ενός παλμού υψηλής συχνότητας από τον μορφοτροπέα. Μετρώντας τον χρόνο που χρειάζεται για να ακούσουν την ηχώ των ηχητικών κυμάτων που αναπηδούν από ένα αντικείμενο, θα μπορούσαν να υπολογίσουν την απόσταση από το αντικείμενο. Χρησιμοποίησαν πιεζοηλεκτρισμό για να κάνουν αυτό το σόναρ επιτυχία και το έργο δημιούργησε έντονη ανάπτυξη και ενδιαφέρον.

Σημαντικές σχέσεις

Πιεζοηλεκτρικοί ενεργοποιητές: Οι πιεζοηλεκτρικοί ενεργοποιητές είναι συσκευές που μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική κίνηση. Χρησιμοποιούνται συνήθως στη ρομποτική, τις ιατρικές συσκευές και άλλες εφαρμογές όπου απαιτείται ακριβής έλεγχος κίνησης.
Πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες: Οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση φυσικών παραμέτρων όπως η πίεση, η επιτάχυνση και οι κραδασμοί. Συχνά χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικές και ιατρικές εφαρμογές, καθώς και σε ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης.
Ο πιεζοηλεκτρισμός στη φύση: Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι ένα φυσικό φαινόμενο σε ορισμένα υλικά και βρίσκεται σε πολλούς ζωντανούς οργανισμούς. Χρησιμοποιείται από ορισμένους οργανισμούς για να αισθανθούν το περιβάλλον τους και να επικοινωνήσουν με άλλους οργανισμούς.

Συμπέρασμα

Ο πιεζοηλεκτρισμός είναι ένα εκπληκτικό φαινόμενο που έχει χρησιμοποιηθεί σε ποικίλες εφαρμογές, από σόναρ έως φυσίγγια φωνογράφου. Έχει μελετηθεί από τα μέσα του 1800 και έχει χρησιμοποιηθεί με μεγάλη επίδραση στην ανάπτυξη της σύγχρονης τεχνολογίας. Αυτή η ανάρτηση ιστολογίου έχει εξερευνήσει την ιστορία και τις χρήσεις του πιεζοηλεκτρισμού και έχει τονίσει τη σημασία αυτού του φαινομένου στην ανάπτυξη της σύγχρονης τεχνολογίας. Για όσους ενδιαφέρονται να μάθουν περισσότερα για τον πιεζοηλεκτρισμό, αυτή η ανάρτηση είναι ένα εξαιρετικό σημείο εκκίνησης.

Είμαι ο Joost Nusselder, ο ιδρυτής της Neaera και έμπορος περιεχομένου, ο μπαμπάς και λατρεύω να δοκιμάζω νέο εξοπλισμό με κιθάρα στο επίκεντρο του πάθους μου, και μαζί με την ομάδα μου, δημιουργώ σε βάθος άρθρα ιστολογίου από το 2020 για να βοηθήσει τους πιστούς αναγνώστες με συμβουλές ηχογράφησης και κιθάρας.

Ρίξτε μια ματιά στο Youtube όπου δοκιμάζω όλο αυτό το εργαλείο:

Εγγραφείτε