La piezoelectricidad es la capacidad de ciertos materiales para generar electricidad cuando se someten a tensión mecánica y viceversa. La palabra proviene del griego piezo que significa presión y electricidad. Fue descubierto por primera vez en 1880, pero el concepto se conoce desde hace mucho tiempo.
El ejemplo más conocido de piezoelectricidad es el cuarzo, pero muchos otros materiales también exhiben este fenómeno. El uso más común de la piezoelectricidad es la producción de ultrasonido.
En este artículo, discutiré qué es la piezoelectricidad, cómo funciona y algunas de las muchas aplicaciones prácticas de este sorprendente fenómeno.
¿Qué es la piezoelectricidad?
La piezoelectricidad es la capacidad de ciertos materiales para generar una carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. Es una interacción electromecánica lineal entre estados mecánicos y eléctricos en materiales cristalinos con simetría de inversión. Los materiales piezoeléctricos se pueden utilizar para generar electricidad de alto voltaje, generadores de reloj, dispositivos electrónicos, microbalanzas, boquillas ultrasónicas de accionamiento y conjuntos ópticos de enfoque ultrafino.
Los materiales piezoeléctricos incluyen cristales, ciertas cerámicas, materia biológica como huesos y ADN y proteínas. Cuando se aplica una fuerza a un material piezoeléctrico, produce una carga eléctrica. Esta carga se puede usar para alimentar dispositivos o crear un voltaje.
Los materiales piezoeléctricos se utilizan en una variedad de aplicaciones, que incluyen:
• Producción y detección de sonido
• Impresión de inyección de tinta piezoeléctrica
• Generación de electricidad de alta tensión
• Generadores de reloj
• Dispositivos electrónicos
• Microbalanzas
• Accionamiento de boquillas ultrasónicas
• Conjuntos ópticos de enfoque ultrafino
• Pastillas para guitarras amplificadas electronicamente
• Disparadores para baterías electrónicas modernas
• Producción de chispas para encender gas
• Dispositivos para cocinar y calentar
• Linternas y encendedores de cigarrillos.
¿Cuál es la historia de la piezoelectricidad?
La piezoelectricidad fue descubierta en 1880 por los físicos franceses Jacques y Pierre Curie. Es la carga eléctrica que se acumula en ciertos materiales sólidos, como cristales, cerámica y materia biológica, en respuesta a la tensión mecánica aplicada. La palabra 'piezoelectricidad' se deriva de la palabra griega 'piezein', que significa 'apretar' o 'presionar', y 'elektron', que significa 'ámbar', una antigua fuente de carga eléctrica.
El efecto piezoeléctrico resulta de la interacción electromecánica lineal entre los estados mecánico y eléctrico de materiales cristalinos con simetría de inversión. Es un proceso reversible, lo que significa que los materiales que exhiben piezoelectricidad también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, que es la generación interna de tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado.
El conocimiento combinado de los Curie sobre piroelectricidad y la comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes dio lugar a la predicción de la piroelectricidad y la capacidad de predecir el comportamiento del cristal. Esto se demostró en el efecto de cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle.
Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y obtuvieron una prueba cuantitativa de la completa reversibilidad de las deformaciones electroelastomecánicas en los cristales piezoeléctricos. Durante décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio hasta que se convirtió en una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie.
La piezoelectricidad se ha aprovechado para muchas aplicaciones útiles, que incluyen la producción y detección de sonido, la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, la generación de electricidad de alto voltaje, los generadores de reloj y los dispositivos electrónicos, las microbalanzas, las boquillas ultrasónicas, el enfoque ultrafino de los conjuntos ópticos y las formas que base de los microscopios de sonda de barrido para resolver imágenes a escala de átomos.
La piezoelectricidad también encuentra usos cotidianos, como generar chispas para encender gas en dispositivos de cocina y calefacción, antorchas, encendedores de cigarrillos y el efecto piroeléctrico, donde un material genera un potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura.
El desarrollo del sonar durante la Primera Guerra Mundial vio el uso de cristales piezoeléctricos desarrollados por Bell Telephone Laboratories. Esto permitió a las fuerzas aéreas aliadas participar en ataques masivos coordinados utilizando la radio de aviación. El desarrollo de dispositivos y materiales piezoeléctricos en los Estados Unidos mantuvo a las empresas en el desarrollo de los comienzos de la guerra en el campo de los intereses, asegurando patentes rentables para nuevos materiales.
Japón vio las nuevas aplicaciones y el crecimiento de la industria piezoeléctrica de los Estados Unidos y rápidamente desarrolló la suya propia. Compartieron información rápidamente y desarrollaron titanato de bario y, posteriormente, materiales de titanato de zirconato de plomo con propiedades específicas para aplicaciones particulares.
La piezoelectricidad ha recorrido un largo camino desde su descubrimiento en 1880 y ahora se usa en una variedad de aplicaciones cotidianas. También se ha utilizado para hacer avances en la investigación de materiales, como los reflectómetros ultrasónicos en el dominio del tiempo, que envían un pulso ultrasónico a través de un material para medir reflejos y discontinuidades para encontrar fallas dentro de objetos de piedra y metal fundido, mejorando la seguridad estructural.
Cómo funciona la piezoelectricidad
En esta sección, exploraré cómo funciona la piezoelectricidad. Veré la acumulación de carga eléctrica en los sólidos, la interacción electromecánica lineal y el proceso reversible que constituye este fenómeno. También discutiré la historia de la piezoelectricidad y sus aplicaciones.
Acumulación de carga eléctrica en sólidos
La piezoelectricidad es la carga eléctrica que se acumula en ciertos materiales sólidos, como cristales, cerámica y materia biológica como el hueso y el ADN. Es una respuesta a la tensión mecánica aplicada, y su nombre proviene de las palabras griegas “piezein” (apretar o presionar) y “ēlektron” (ámbar).
El efecto piezoeléctrico resulta de la interacción electromecánica lineal entre estados mecánicos y eléctricos en materiales cristalinos con simetría de inversión. Es un proceso reversible, lo que significa que los materiales que exhiben piezoelectricidad también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, donde la generación interna de tensión mecánica resulta de un campo eléctrico aplicado. Los ejemplos de materiales que generan piezoelectricidad medible incluyen cristales de titanato de zirconato de plomo.
Los físicos franceses Pierre y Jacques Curie descubrieron la piezoelectricidad en 1880. Desde entonces, se ha explotado para una variedad de aplicaciones útiles, que incluyen la producción y detección de sonido, la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, la generación de electricidad de alto voltaje, generadores de reloj y dispositivos electrónicos como microbalanzas. y accionar boquillas ultrasónicas para enfoque ultrafino de conjuntos ópticos. También constituye la base de los microscopios de sonda de barrido, que pueden resolver imágenes a la escala de los átomos. La piezoelectricidad también se utiliza en pastillas para guitarras amplificadas electrónicamente y disparadores para baterías electrónicas modernas.
La piezoelectricidad encuentra usos cotidianos en la generación de chispas para encender gas, en dispositivos de cocina y calefacción, antorchas, encendedores de cigarrillos y el efecto piroeléctrico, donde un material genera un potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura. Esto fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII, basándose en el conocimiento de René Haüy y Antoine César Becquerel, quienes postularon una relación entre el estrés mecánico y la carga eléctrica. Los experimentos no fueron concluyentes.
La vista de un cristal piezoeléctrico en el compensador Curie en el Museo Hunterian en Escocia es una demostración del efecto piezoeléctrico directo. Los hermanos Pierre y Jacques Curie combinaron su conocimiento de la piroelectricidad con la comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes, lo que dio lugar a la predicción de la piroelectricidad. Pudieron predecir el comportamiento de los cristales y demostraron el efecto en cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle. El tartrato de sodio y potasio tetrahidratado y el cuarzo también exhibieron piezoelectricidad. Un disco piezoeléctrico genera un voltaje cuando se deforma, y el cambio de forma se exagera mucho en la demostración de Curie.
Fueron capaces de predecir el efecto piezoeléctrico inverso, y Gabriel Lippmann dedujo matemáticamente el efecto inverso en 1881. Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y obtuvieron una prueba cuantitativa de la reversibilidad completa de la electroelastografía. deformaciones mecánicas en cristales piezoeléctricos.
Durante décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio, pero fue una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie. Su trabajo para explorar y definir las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad culminó con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física de cristales) de Woldemar Voigt, que describía las clases de cristales naturales capaces de piezoelectricidad y definía rigurosamente las constantes piezoeléctricas a través del análisis tensorial. Esta fue la aplicación práctica de los dispositivos piezoeléctricos, y el sonar se desarrolló durante la Primera Guerra Mundial. En Francia, Paul Langevin y sus compañeros de trabajo desarrollaron un detector submarino ultrasónico.
El detector constaba de un transductor hecho de finos cristales de cuarzo cuidadosamente pegados a placas de acero y un hidrófono para detectar el eco devuelto. Al emitir un alto frecuencia pulso del transductor y midiendo el tiempo que se tarda en escuchar el eco de las ondas sonoras que rebotan en un objeto, pudieron calcular la distancia al objeto. Usaron piezoelectricidad para hacer que el sonar fuera un éxito, y el proyecto generó un intenso desarrollo e interés en los dispositivos piezoeléctricos. Durante décadas, se exploraron y desarrollaron nuevos materiales piezoeléctricos y nuevas aplicaciones para los materiales, y los dispositivos piezoeléctricos encontraron hogar en una variedad de campos. Los cartuchos de fonógrafo de cerámica simplificaron el diseño del reproductor y crearon tocadiscos baratos y precisos que eran más baratos de mantener y más fáciles de construir.
El desarrollo de transductores ultrasónicos permitió medir fácilmente la viscosidad y la elasticidad de fluidos y sólidos, lo que resultó en grandes avances en la investigación de materiales.
Interacción Electromecánica Lineal
La piezoelectricidad es la capacidad de ciertos materiales para generar una carga eléctrica cuando se someten a tensión mecánica. La palabra se deriva de las palabras griegas πιέζειν (piezein) que significa “apretar o apretar” y ἤλεκτρον (ēlektron) que significa “ámbar”, que era una antigua fuente de carga eléctrica.
La piezoelectricidad fue descubierta en 1880 por los físicos franceses Jacques y Pierre Curie. Se basa en la interacción electromecánica lineal entre los estados mecánico y eléctrico de materiales cristalinos con simetría de inversión. Este efecto es reversible, lo que significa que los materiales que exhiben piezoelectricidad también exhiben un efecto piezoeléctrico inverso, por lo que la generación interna de tensión mecánica resulta de un campo eléctrico aplicado. Los ejemplos de materiales que generan piezoelectricidad medible cuando se deforman de su estructura estática incluyen cristales de titanato de zirconato de plomo. Por el contrario, los cristales pueden cambiar su dimensión estática cuando se les aplica un campo eléctrico externo, lo que se conoce como efecto piezoeléctrico inverso y se utiliza en la producción de ondas de ultrasonido.
La piezoelectricidad se ha explotado para una variedad de aplicaciones útiles, tales como:
• Producción y detección de sonido
• Impresión de inyección de tinta piezoeléctrica
• Generación de electricidad de alta tensión
• Generador de reloj
• Dispositivos electrónicos
• Microbalanzas
• Accionamiento de boquillas ultrasónicas
• Conjuntos ópticos de enfoque ultrafino
• Forma la base de los microscopios de sonda de barrido para resolver imágenes a escala de átomos
• Pastillas en guitarras amplificadas electrónicamente
• Disparadores en baterías electrónicas modernas
• Generar chispas para encender gas en dispositivos de cocina y calefacción
• Linternas y encendedores de cigarrillos
La piezoelectricidad también encuentra usos cotidianos en el efecto piroeléctrico, que es un material que genera un potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura. Esto fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII, basándose en el conocimiento de René Haüy y Antoine César Becquerel, quienes postularon una relación entre el estrés mecánico y la carga eléctrica. Sin embargo, los experimentos no fueron concluyentes.
Ver un cristal piezoeléctrico en el compensador Curie en el Museo Hunterian en Escocia es una demostración del efecto piezoeléctrico directo. Fue el trabajo de los hermanos Pierre y Jacques Curie el que exploró y definió las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad, culminando con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física cristalina) de Woldemar Voigt. Esto describió las clases de cristales naturales capaces de piezoelectricidad y definió rigurosamente las constantes piezoeléctricas a través del análisis de tensores, lo que condujo a la aplicación práctica de dispositivos piezoeléctricos.
El sonar se desarrolló durante la Primera Guerra Mundial, cuando el francés Paul Langevin y sus compañeros de trabajo desarrollaron un detector submarino ultrasónico. Este detector consistía en un transductor hecho de finos cristales de cuarzo cuidadosamente pegados a placas de acero y un hidrófono para detectar el eco devuelto después de emitir un pulso de alta frecuencia desde el transductor. Al medir el tiempo que lleva escuchar el eco de las ondas de sonido que rebotan en un objeto, pudieron calcular la distancia del objeto, haciendo uso de la piezoelectricidad. El éxito de este proyecto creó un intenso desarrollo e interés en los dispositivos piezoeléctricos durante décadas, con nuevos materiales piezoeléctricos y nuevas aplicaciones para estos materiales en exploración y desarrollo. Los dispositivos piezoeléctricos encontraron hogar en muchos campos, como los cartuchos de fonógrafo de cerámica, que simplificaron el diseño del reproductor y crearon tocadiscos más baratos y precisos, y más baratos y fáciles de construir y mantener.
El desarrollo de transductores ultrasónicos permitió medir fácilmente la viscosidad y la elasticidad de fluidos y sólidos, lo que resultó en grandes avances en la investigación de materiales. Los reflectómetros ultrasónicos en el dominio del tiempo envían un pulso ultrasónico a un material y miden los reflejos y las discontinuidades para encontrar fallas dentro de objetos de piedra y metal fundido, lo que mejora la seguridad estructural. Después de la Segunda Guerra Mundial, grupos de investigación independientes en los Estados Unidos, Rusia y Japón descubrieron una nueva clase de materiales sintéticos llamados ferroeléctricos, que exhibían constantes piezoeléctricas muchas veces más altas que los materiales naturales. Esto condujo a una intensa investigación para desarrollar titanato de bario y, más tarde, titanato de circonato de plomo, materiales con propiedades específicas para aplicaciones particulares.
Bell Telephone Laboratories desarrolló un ejemplo significativo del uso de cristales piezoeléctricos después de la Segunda Guerra Mundial. Frederick R. Lack, que trabaja en el departamento de ingeniería de radiotelefonía,
Proceso Reversible
La piezoelectricidad es una carga eléctrica que se acumula en ciertos materiales sólidos, como cristales, cerámica y materia biológica como huesos y ADN. Es la respuesta de estos materiales al estrés mecánico aplicado. La palabra 'piezoelectricidad' proviene de las palabras griegas 'piezein' que significa 'apretar' o 'presionar' y 'ēlektron' que significa 'ámbar', una antigua fuente de carga eléctrica.
El efecto piezoeléctrico resulta de la interacción electromecánica lineal entre los estados mecánico y eléctrico de materiales cristalinos con simetría de inversión. Es un proceso reversible, lo que significa que los materiales que exhiben piezoelectricidad también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, que es la generación interna de tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado. Los ejemplos de materiales que generan piezoelectricidad medible incluyen cristales de titanato de zirconato de plomo. Cuando la estructura estática de estos cristales se deforma, vuelven a su dimensión original y, a la inversa, cuando se les aplica un campo eléctrico externo, cambian su dimensión estática, produciendo ondas de ultrasonido.
Los físicos franceses Jacques y Pierre Curie descubrieron la piezoelectricidad en 1880. Desde entonces, ha sido explotada para una variedad de aplicaciones útiles, que incluyen la producción y detección de sonido, la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, la generación de electricidad de alto voltaje, generadores de reloj, dispositivos electrónicos, microbalanzas, Impulsar boquillas ultrasónicas y conjuntos ópticos de enfoque ultrafino. También constituye la base para los microscopios de sonda de barrido, que pueden resolver imágenes a la escala de los átomos. La piezoelectricidad también se usa en pastillas para guitarras amplificadas electrónicamente y disparadores para baterías electrónicas modernas.
La piezoelectricidad también encuentra usos cotidianos, como generar chispas para encender gas en dispositivos de cocina y calefacción, antorchas, encendedores de cigarrillos y más. El efecto piroeléctrico, en el que un material genera un potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, fue estudiado por Carl Linnaeus, Franz Aepinus y René Haüy a mediados del siglo XVIII, basándose en el conocimiento del ámbar. Antoine César Becquerel postuló una relación entre el estrés mecánico y la carga eléctrica, pero los experimentos no fueron concluyentes.
Los visitantes del Museo Hunterian en Glasgow pueden ver el Piezo Crystal Curie Compensator, una demostración del efecto piezoeléctrico directo de los hermanos Pierre y Jacques Curie. La combinación de su conocimiento de la piroelectricidad con la comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes dio lugar a la predicción de la piroelectricidad y la capacidad de predecir el comportamiento del cristal. Esto se demostró con el efecto de cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, el azúcar de caña y la sal de Rochelle. El tetrahidrato de tartrato de sodio y potasio y el cuarzo también exhibieron piezoelectricidad, y se usó un disco piezoeléctrico para generar un voltaje cuando se deformaba. Este cambio de forma fue muy exagerado por los Curie para predecir el efecto piezoeléctrico inverso. El efecto contrario fue deducido matemáticamente de los principios termodinámicos fundamentales por Gabriel Lippmann en 1881.
Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y obtuvieron una prueba cuantitativa de la completa reversibilidad de las deformaciones electroelastomecánicas en los cristales piezoeléctricos. Durante décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio, pero fue una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie. Su trabajo para explorar y definir las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad culminó con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física cristalina) de Woldemar Voigt. Esto describió las clases de cristal natural capaces de piezoelectricidad y definió rigurosamente las constantes piezoeléctricas utilizando análisis de tensor.
La aplicación práctica de los dispositivos piezoeléctricos, como el sonar, se desarrolló durante la Primera Guerra Mundial. En Francia, Paul Langevin y sus compañeros de trabajo desarrollaron un detector submarino ultrasónico. Este detector constaba de un transductor hecho de finos cristales de cuarzo cuidadosamente pegados a placas de acero y un hidrófono para detectar el eco devuelto. Al emitir un pulso de alta frecuencia desde el transductor y medir el tiempo que lleva escuchar el eco de las ondas de sonido que rebotan en un objeto, pudieron calcular la distancia del objeto. Usaron piezoelectricidad para hacer de este sonar un éxito. Este proyecto generó un intenso desarrollo e interés en los dispositivos piezoeléctricos y, a lo largo de las décadas, se exploraron y desarrollaron nuevos materiales piezoeléctricos y nuevas aplicaciones para estos materiales. Dispositivos piezoeléctricos
¿Qué causa la piezoelectricidad?
En esta sección, exploraré los orígenes de la piezoelectricidad y los diversos materiales que exhiben este fenómeno. Veré la palabra griega 'piezein', la antigua fuente de carga eléctrica y el efecto piroeléctrico. También hablaré sobre los descubrimientos de Pierre y Jacques Curie y el desarrollo de dispositivos piezoeléctricos en el siglo XX.
palabra griega piezein
La piezoelectricidad es la acumulación de carga eléctrica en ciertos materiales sólidos, como cristales, cerámica y materia biológica como huesos y ADN. Es causado por la respuesta de estos materiales al estrés mecánico aplicado. La palabra piezoelectricidad proviene de la palabra griega “piezein”, que significa “apretar o apretar”, y “ēlektron”, que significa “ámbar”, una antigua fuente de carga eléctrica.
El efecto piezoeléctrico resulta de la interacción electromecánica lineal entre los estados mecánico y eléctrico de materiales cristalinos con simetría de inversión. Es un proceso reversible, lo que significa que los materiales que exhiben piezoelectricidad también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, que es la generación interna de tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado. Por ejemplo, los cristales de titanato de zirconato de plomo generan piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforma de su dimensión original. Por el contrario, los cristales pueden cambiar su dimensión estática cuando se les aplica un campo eléctrico externo, lo que se conoce como efecto piezoeléctrico inverso y es la producción de ondas de ultrasonido.
Los físicos franceses Jacques y Pierre Curie descubrieron la piezoelectricidad en 1880. El efecto piezoeléctrico se ha explotado para muchas aplicaciones útiles, incluida la producción y detección de sonido, la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, la generación de electricidad de alto voltaje, generadores de reloj y dispositivos electrónicos como microbalanzas. , impulsar boquillas ultrasónicas y conjuntos ópticos de enfoque ultrafino. También constituye la base de los microscopios de sonda de barrido, que pueden resolver imágenes a la escala de los átomos. La piezoelectricidad también se usa en pastillas para guitarras amplificadas electrónicamente y disparadores para baterías electrónicas modernas.
La piezoelectricidad encuentra usos cotidianos, como generar chispas para encender gas en dispositivos de cocina y calefacción, antorchas, encendedores de cigarrillos y más. El efecto piroeléctrico, que es la generación de potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII, basándose en el conocimiento de René Haüy y Antoine César Becquerel, quienes postularon una relación entre Esfuerzo mecánico y carga eléctrica. Los experimentos no fueron concluyentes.
En el museo de Escocia, los visitantes pueden ver un compensador Curie de cristal piezoeléctrico, una demostración del efecto piezoeléctrico directo de los hermanos Pierre y Jacques Curie. La combinación de su conocimiento de la piroelectricidad con la comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes dio lugar a la predicción de la piroelectricidad y la capacidad de predecir el comportamiento del cristal. Esto fue demostrado por el efecto de cristales como turmalina, cuarzo, topacio, azúcar de caña y sal de Rochelle. El tartrato de sodio y potasio tetrahidratado y el cuarzo de la sal de Rochelle exhibieron piezoelectricidad, y un disco piezoeléctrico genera voltaje cuando se deforma. Este cambio de forma está muy exagerado en la demostración de Curie.
Los Curie procedieron a obtener pruebas cuantitativas de la completa reversibilidad de las deformaciones electroelasto-mecánicas en los cristales piezoeléctricos. Durante décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio hasta que se convirtió en una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie. Su trabajo para explorar y definir las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad culminó con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física cristalina) de Woldemar Voigt. Esto describió las clases de cristales naturales capaces de piezoelectricidad y definió rigurosamente las constantes piezoeléctricas a través del análisis tensorial.
Esta aplicación práctica de la piezoelectricidad condujo al desarrollo del sonar durante la Primera Guerra Mundial. En Francia, Paul Langevin y sus compañeros de trabajo desarrollaron un detector submarino ultrasónico. El detector consistía en un transductor hecho de finos cristales de cuarzo pegados cuidadosamente a placas de acero, llamado hidrófono, para detectar el eco devuelto después de emitir un pulso de alta frecuencia. El transductor midió el tiempo que tomó escuchar el eco de las ondas de sonido rebotando en un objeto para calcular la distancia del objeto. El uso de la piezoelectricidad en el sonar fue un éxito y el proyecto generó un intenso desarrollo e interés en los dispositivos piezoeléctricos durante décadas.
Se exploraron y desarrollaron nuevos materiales piezoeléctricos y nuevas aplicaciones para estos materiales, y los dispositivos piezoeléctricos encontraron hogar en muchos campos, como los cartuchos de fonógrafo de cerámica, que simplificaron el diseño del reproductor y crearon tocadiscos más económicos y precisos, más económicos de mantener y más fáciles. para construir. El desarrollo
Antigua fuente de carga eléctrica
La piezoelectricidad es la carga eléctrica que se acumula en ciertos materiales sólidos, como cristales, cerámica y materia biológica como el hueso y el ADN. Es causado por la respuesta del material al estrés mecánico aplicado. La palabra 'piezoelectricidad' proviene de la palabra griega 'piezein', que significa 'apretar o apretar', y la palabra 'elektron', que significa 'ámbar', una antigua fuente de carga eléctrica.
El efecto piezoeléctrico resulta de la interacción electromecánica lineal entre los estados mecánico y eléctrico de materiales cristalinos con simetría de inversión. Es un proceso reversible, lo que significa que los materiales que exhiben piezoelectricidad también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, que es la generación interna de tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado. Por ejemplo, los cristales de titanato de zirconato de plomo generan piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforma de su dimensión original. Por el contrario, cuando se aplica un campo eléctrico externo, los cristales cambian su dimensión estática en un efecto piezoeléctrico inverso, produciendo ondas de ultrasonido.
El efecto piezoeléctrico fue descubierto en 1880 por los físicos franceses Jacques y Pierre Curie. Se aprovecha para una variedad de aplicaciones útiles, que incluyen la producción y detección de sonido, impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, generación de electricidad de alto voltaje, generadores de reloj y dispositivos electrónicos como microbalanzas y boquillas ultrasónicas para enfoque ultrafino de conjuntos ópticos. También forma la base para los microscopios de sonda de barrido, que se utilizan para resolver imágenes en la escala de los átomos. La piezoelectricidad también se usa en pastillas para guitarras amplificadas electrónicamente y disparadores para baterías electrónicas modernas.
La piezoelectricidad encuentra usos cotidianos en la generación de chispas para encender gas en dispositivos de cocina y calefacción, antorchas, encendedores de cigarrillos y más. El efecto piroeléctrico, que es la producción de potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII, basándose en el conocimiento de René Haüy y Antoine César Becquerel, quienes postularon una relación entre la mecánica tensión y carga eléctrica. Sin embargo, sus experimentos no fueron concluyentes.
La vista de un cristal piezoeléctrico y el compensador Curie en el Museo Hunterian en Escocia demuestran el efecto piezoeléctrico directo. Fue el trabajo de los hermanos Pierre y Jacques Curie el que exploró y definió las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad, culminando con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física cristalina) de Woldemar Voigt. Esto describió las clases de cristales naturales capaces de piezoelectricidad y definió rigurosamente las constantes piezoeléctricas a través del análisis de tensores, lo que permitió la aplicación práctica de dispositivos piezoeléctricos.
El sonar fue desarrollado durante la Primera Guerra Mundial por el francés Paul Langevin y sus compañeros de trabajo, quienes desarrollaron un detector submarino ultrasónico. El detector constaba de un transductor hecho de finos cristales de cuarzo cuidadosamente pegados a placas de acero y un hidrófono para detectar el eco devuelto. Al emitir un pulso de alta frecuencia desde el transductor y medir el tiempo que lleva escuchar el eco de las ondas de sonido que rebotan en un objeto, pudieron calcular la distancia al objeto. Usaron piezoelectricidad para hacer de este sonar un éxito. El proyecto generó un intenso desarrollo e interés en los dispositivos piezoeléctricos durante décadas.
piroelectricidad
La piezoelectricidad es la capacidad de ciertos materiales para acumular carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. Es una interacción electromecánica lineal entre los estados mecánico y eléctrico de materiales cristalinos con simetría de inversión. La palabra “piezoelectricidad” se deriva de la palabra griega “piezein”, que significa “apretar o apretar”, y la palabra griega “ēlektron”, que significa “ámbar”, una antigua fuente de carga eléctrica.
El efecto piezoeléctrico fue descubierto por los físicos franceses Jacques y Pierre Curie en 1880. Es un proceso reversible, lo que significa que los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, que es la generación interna de tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado. Los ejemplos de materiales que generan piezoelectricidad medible incluyen cristales de titanato de zirconato de plomo. Cuando una estructura estática se deforma, vuelve a su dimensión original. Por el contrario, cuando se aplica un campo eléctrico externo, se produce el efecto piezoeléctrico inverso, lo que da como resultado la producción de ondas de ultrasonido.
El efecto piezoeléctrico se aprovecha para muchas aplicaciones útiles, incluida la producción y detección de sonido, la impresión piezoeléctrica de inyección de tinta, la generación de electricidad de alto voltaje, los generadores de reloj y los dispositivos electrónicos como microbalanzas, boquillas ultrasónicas de accionamiento y conjuntos ópticos de enfoque ultrafino. También es la base para los microscopios de sonda de barrido, que se utilizan para resolver imágenes en la escala de los átomos. La piezoelectricidad también se utiliza en pastillas para guitarras amplificadas electrónicamente y disparadores para baterías electrónicas modernas.
La piezoelectricidad encuentra usos cotidianos, como generar chispas para encender gas en dispositivos de cocina y calefacción, antorchas, encendedores de cigarrillos y más. El efecto piroeléctrico, que es la producción de potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII, basándose en el conocimiento de René Haüy y Antoine César Becquerel, quienes habían postulado una relación entre el esfuerzo mecánico y la carga eléctrica. Sin embargo, los experimentos no fueron concluyentes.
La vista de un cristal piezoeléctrico en el Museo Curie Compensator en Escocia es una demostración del efecto piezoeléctrico directo. Los hermanos Pierre y Jacques Curie combinaron su conocimiento de la piroelectricidad y su comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes para dar lugar a la comprensión de la piroelectricidad y predecir el comportamiento del cristal. Esto se demostró en el efecto de cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle. Se descubrió que el tetrahidrato de tartrato de potasio y sodio y el cuarzo exhibían piezoelectricidad, y se usó un disco piezoeléctrico para generar un voltaje cuando se deformaba. Esto fue muy exagerado por los Curie para predecir el efecto piezoeléctrico inverso. El efecto contrario fue deducido matemáticamente por los principios termodinámicos fundamentales de Gabriel Lippmann en 1881.
Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y obtuvieron una prueba cuantitativa de la completa reversibilidad de las deformaciones electroelastomecánicas en los cristales piezoeléctricos. En las décadas siguientes, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio hasta que se convirtió en una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie. Su trabajo para explorar y definir las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad culminó con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física cristalina) de Woldemar Voigt.
El desarrollo del sonar fue un éxito y el proyecto generó un intenso desarrollo e interés en los dispositivos piezoeléctricos. En las décadas siguientes, se exploraron y desarrollaron nuevos materiales piezoeléctricos y nuevas aplicaciones para estos materiales. Los dispositivos piezoeléctricos encontraron hogar en muchos campos, como los cartuchos de fonógrafo de cerámica, que simplificaron el diseño del reproductor y crearon tocadiscos más baratos y precisos, más económicos de mantener y más fáciles de construir. El desarrollo de transductores ultrasónicos permitió medir fácilmente la viscosidad y la elasticidad de fluidos y sólidos, lo que resultó en grandes avances en la investigación de materiales. Los reflectómetros ultrasónicos en el dominio del tiempo envían un pulso ultrasónico a un material y miden los reflejos y las discontinuidades para encontrar fallas dentro de objetos de piedra y metal fundido, lo que mejora la seguridad estructural.
Después de la Segunda Guerra Mundial, grupos de investigación independientes en los Estados Unidos, Rusia y Japón descubrieron una nueva clase de materiales sintéticos llamados ferroeléctricos, que exhibían constantes piezoeléctricas que eran
Materiales piezoeléctricos
En esta sección, analizaré los materiales que muestran el efecto piezoeléctrico, que es la capacidad de ciertos materiales para acumular carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. Veré cristales, cerámica, materia biológica, huesos, ADN y proteínas, y cómo responden todos al efecto piezoeléctrico.
Cristales
La piezoelectricidad es la capacidad de ciertos materiales para acumular carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. La palabra piezoelectricidad se deriva de las palabras griegas πιέζειν (piezein) que significa 'apretar' o 'presionar' y ἤλεκτρον (ēlektron) que significa 'ámbar', una antigua fuente de carga eléctrica. Los materiales piezoeléctricos incluyen cristales, cerámica, materia biológica, hueso, ADN y proteínas.
La piezoelectricidad es una interacción electromecánica lineal entre estados mecánicos y eléctricos en materiales cristalinos con simetría de inversión. Este efecto es reversible, lo que significa que los materiales que exhiben piezoelectricidad también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, que es la generación interna de tensión mecánica que resulta de un campo eléctrico aplicado. Los ejemplos de materiales que generan piezoelectricidad medible incluyen cristales de titanato de zirconato de plomo, que pueden deformarse a su dimensión original o, por el contrario, cambiar su dimensión estática cuando se aplica un campo eléctrico externo. Esto se conoce como efecto piezoeléctrico inverso y se utiliza para producir ondas de ultrasonido.
Los físicos franceses Jacques y Pierre Curie descubrieron la piezoelectricidad en 1880. El efecto piezoeléctrico se ha explotado para una variedad de aplicaciones útiles, que incluyen la producción y detección de sonido, la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, la generación de electricidad de alto voltaje, generadores de reloj y dispositivos electrónicos como como microbalanzas, impulsores de boquillas ultrasónicas y conjuntos ópticos de enfoque ultrafino. También forma la base para los microscopios de sonda de barrido, que se utilizan para resolver imágenes en la escala de los átomos. Las pastillas piezoeléctricas también se utilizan en guitarras amplificadas electrónicamente y disparadores en baterías electrónicas modernas.
La piezoelectricidad encuentra usos cotidianos en la generación de chispas para encender gas en dispositivos de cocina y calefacción, así como en antorchas y encendedores de cigarrillos. El efecto piroeléctrico, que es la generación de potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII, basándose en el conocimiento de René Haüy y Antoine César Becquerel, quienes postularon una relación entre la mecánica tensión y carga eléctrica. Los experimentos para probar esta teoría no fueron concluyentes.
La vista de un cristal piezoeléctrico en el compensador Curie del Museo Hunterian de Escocia es una demostración del efecto piezoeléctrico directo. Los hermanos Pierre y Jacques Curie combinaron su conocimiento de la piroelectricidad con la comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes para dar lugar a la predicción de la piroelectricidad. Pudieron predecir el comportamiento de los cristales y demostraron el efecto en cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle. El tartrato de sodio y potasio tetrahidratado y el cuarzo también exhibieron piezoelectricidad. Un disco piezoeléctrico genera voltaje cuando se deforma; el cambio de forma está muy exagerado en la demostración de Curie.
También pudieron predecir el efecto piezoeléctrico inverso y deducir matemáticamente los principios termodinámicos fundamentales detrás de él. Gabriel Lippmann hizo esto en 1881. Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y obtuvieron una prueba cuantitativa de la completa reversibilidad de las deformaciones electroelasto-mecánicas en los cristales piezoeléctricos.
Durante décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio, pero fue una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie. Su trabajo para explorar y definir las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad culminó con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física de cristales) de Woldemar Voigt, que describía las clases de cristales naturales capaces de piezoelectricidad y definía rigurosamente las constantes piezoeléctricas mediante el análisis tensorial.
La aplicación práctica de los dispositivos piezoeléctricos en el sonar se desarrolló durante la Primera Guerra Mundial. En Francia, Paul Langevin y sus compañeros de trabajo desarrollaron un detector submarino ultrasónico. Este detector consistía en un transductor hecho de finos cristales de cuarzo cuidadosamente pegados a placas de acero, llamado hidrófono, para detectar el eco devuelto después de emitir un pulso de alta frecuencia. Al medir el tiempo que lleva escuchar el eco de las ondas de sonido que rebotan en un objeto, pudieron calcular la distancia al objeto. Este uso de la piezoelectricidad en el sonar fue un éxito y el proyecto generó un intenso desarrollo e interés en los dispositivos piezoeléctricos durante décadas.
Cerámicas
Los materiales piezoeléctricos son sólidos que acumulan carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. Piezoelectricidad se deriva de las palabras griegas πιέζειν (piezein) que significa 'apretar' o 'presionar' y ἤλεκτρον (ēlektron) que significa 'ámbar', una antigua fuente de carga eléctrica. Los materiales piezoeléctricos se utilizan en una variedad de aplicaciones, incluida la producción y detección de sonido, la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica y la generación de electricidad de alto voltaje.
Los materiales piezoeléctricos se encuentran en cristales, cerámica, materia biológica, huesos, ADN y proteínas. La cerámica es el material piezoeléctrico más común utilizado en aplicaciones cotidianas. La cerámica está hecha de una combinación de óxidos metálicos, como el titanato de circonato de plomo (PZT), que se calientan a altas temperaturas para formar un sólido. La cerámica es muy duradera y puede soportar temperaturas y presiones extremas.
Las cerámicas piezoeléctricas tienen una variedad de usos, que incluyen:
• Generar chispas para encender gas para cocinar y calentar dispositivos, como antorchas y encendedores de cigarrillos.
• Generación de ondas de ultrasonido para imagen médica.
• Generación de electricidad de alto voltaje para generadores de reloj y dispositivos electrónicos.
• Generación de microbalanzas para uso en pesaje de precisión.
• Boquillas ultrasónicas impulsoras para enfoque ultrafino de conjuntos ópticos.
• Formar la base para los microscopios de sonda de barrido, que pueden resolver imágenes en la escala de los átomos.
• Pastillas para guitarras amplificadas electrónicamente y disparadores para baterías electrónicas modernas.
Las cerámicas piezoeléctricas se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, desde electrónica de consumo hasta imágenes médicas. Son muy duraderos y pueden soportar temperaturas y presiones extremas, lo que los hace ideales para su uso en una variedad de industrias.
Materia biológica
La piezoelectricidad es la capacidad de ciertos materiales para acumular carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. Se deriva de la palabra griega 'piezein', que significa 'apretar o apretar', y 'ēlektron', que significa 'ámbar', una antigua fuente de carga eléctrica.
La materia biológica como el hueso, el ADN y las proteínas se encuentran entre los materiales que exhiben piezoelectricidad. Este efecto es reversible, lo que significa que los materiales que exhiben piezoelectricidad también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, que es la generación interna de tensión mecánica que resulta de un campo eléctrico aplicado. Los ejemplos de estos materiales incluyen cristales de titanato de zirconato de plomo, que generan piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforma de su dimensión original. Por el contrario, cuando se aplica un campo eléctrico externo, los cristales cambian su dimensión estática, produciendo ondas de ultrasonido a través del efecto piezoeléctrico inverso.
El descubrimiento de la piezoelectricidad fue realizado por los físicos franceses Jacques y Pierre Curie en 1880. Desde entonces, se ha explotado para una variedad de aplicaciones útiles, como:
• Producción y detección de sonido
• Impresión de inyección de tinta piezoeléctrica
• Generación de electricidad de alta tensión
• Generador de reloj
• Dispositivos electrónicos
• Microbalanzas
• Accionamiento de boquillas ultrasónicas
• Conjuntos ópticos de enfoque ultrafino
• Forma la base de los microscopios de sonda de barrido
• Resolver imágenes a escala de átomos
• Pastillas en guitarras amplificadas electrónicamente
• Disparadores en baterías electrónicas modernas
La piezoelectricidad también se usa en artículos cotidianos como dispositivos de cocina y calefacción a gas, antorchas, encendedores de cigarrillos y más. El efecto piroeléctrico, que es la producción de potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII. Basándose en el conocimiento de René Haüy y Antoine César Becquerel, postularon una relación entre el estrés mecánico y la carga eléctrica, pero sus experimentos no fueron concluyentes.
La vista de un cristal piezoeléctrico en el Compensador Curie en el Museo Hunterian en Escocia es una demostración del efecto piezoeléctrico directo. Los hermanos Pierre y Jacques Curie combinaron su conocimiento de la piroelectricidad y su comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes para dar lugar a la predicción de la piroelectricidad y al comportamiento del cristal. Así lo demostró el efecto de cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle. El tetrahidrato de tartrato de sodio y potasio y el cuarzo también exhibieron piezoelectricidad, y se usó un disco piezoeléctrico para generar un voltaje cuando se deformaba. Este efecto fue muy exagerado por los Curie para predecir el efecto piezoeléctrico inverso. El efecto contrario fue deducido matemáticamente de los principios termodinámicos fundamentales por Gabriel Lippmann en 1881.
Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y obtuvieron una prueba cuantitativa de la completa reversibilidad de las deformaciones electroelastomecánicas en los cristales piezoeléctricos. Durante décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio hasta que se convirtió en una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie. Su trabajo para explorar y definir las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad culminó con la publicación de 'Lehrbuch der Kristallphysik' (Libro de texto de física cristalina) de Woldemar Voigt.
Hueso
La piezoelectricidad es la capacidad de ciertos materiales para acumular carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. El hueso es uno de esos materiales que exhibe este fenómeno.
El hueso es un tipo de materia biológica que se compone de proteínas y minerales, incluidos el colágeno, el calcio y el fósforo. Es el más piezoeléctrico de todos los materiales biológicos y es capaz de generar un voltaje cuando se somete a estrés mecánico.
El efecto piezoeléctrico en el hueso es el resultado de su estructura única. Está compuesto por una red de fibras de colágeno que están incrustadas en una matriz de minerales. Cuando el hueso se somete a estrés mecánico, las fibras de colágeno se mueven, lo que hace que los minerales se polaricen y generen una carga eléctrica.
El efecto piezoeléctrico en el hueso tiene una serie de aplicaciones prácticas. Se utiliza en imágenes médicas, como imágenes de ultrasonido y rayos X, para detectar fracturas óseas y otras anomalías. También se utiliza en audífonos de conducción ósea, que utilizan el efecto piezoeléctrico para convertir las ondas sonoras en señales eléctricas que se envían directamente al oído interno.
El efecto piezoeléctrico en el hueso también se usa en implantes ortopédicos, como articulaciones artificiales y prótesis. Los implantes utilizan el efecto piezoeléctrico para convertir la energía mecánica en energía eléctrica, que luego se utiliza para alimentar el dispositivo.
Además, se está explorando el efecto piezoeléctrico en el hueso para su uso en el desarrollo de nuevos tratamientos médicos. Por ejemplo, los investigadores están investigando el uso de la piezoelectricidad para estimular el crecimiento óseo y reparar el tejido dañado.
En general, el efecto piezoeléctrico en el hueso es un fenómeno fascinante con una amplia gama de aplicaciones prácticas. Se está utilizando en una variedad de aplicaciones médicas y tecnológicas, y se está explorando su uso en el desarrollo de nuevos tratamientos.
ADN
La piezoelectricidad es la capacidad de ciertos materiales para acumular carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. El ADN es uno de esos materiales que exhibe este efecto. El ADN es una molécula biológica que se encuentra en todos los organismos vivos y se compone de cuatro bases de nucleótidos: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T).
El ADN es una molécula compleja que se puede utilizar para generar carga eléctrica cuando se somete a estrés mecánico. Esto se debe al hecho de que las moléculas de ADN están compuestas por dos cadenas de nucleótidos que se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno. Cuando estos enlaces se rompen, se genera carga eléctrica.
El efecto piezoeléctrico del ADN se ha utilizado en una variedad de aplicaciones, que incluyen:
• Generación de electricidad para implantes médicos
• Detección y medición de fuerzas mecánicas en células
• Desarrollo de sensores a nanoescala
• Creación de biosensores para secuenciación de ADN
• Generación de ondas de ultrasonido para imágenes
El efecto piezoeléctrico del ADN también se está explorando para su uso potencial en el desarrollo de nuevos materiales, como nanocables y nanotubos. Estos materiales podrían usarse para una variedad de aplicaciones, incluido el almacenamiento y la detección de energía.
El efecto piezoeléctrico del ADN se ha estudiado extensamente y se ha encontrado que es altamente sensible al estrés mecánico. Esto lo convierte en una herramienta valiosa para investigadores e ingenieros que buscan desarrollar nuevos materiales y tecnologías.
En conclusión, el ADN es un material que exhibe el efecto piezoeléctrico, que es la capacidad de acumular carga eléctrica en respuesta al estrés mecánico aplicado. Este efecto se ha utilizado en una variedad de aplicaciones, incluidos implantes médicos, sensores a nanoescala y secuenciación de ADN. También se está explorando su uso potencial en el desarrollo de nuevos materiales, como nanocables y nanotubos.
Proteínas
La piezoelectricidad es la capacidad de ciertos materiales para acumular carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. Los materiales piezoeléctricos, como las proteínas, los cristales, la cerámica y la materia biológica, como los huesos y el ADN, exhiben este efecto. Las proteínas, en particular, son un material piezoeléctrico único, ya que están compuestas por una estructura compleja de aminoácidos que pueden deformarse para generar carga eléctrica.
Las proteínas son el tipo más abundante de material piezoeléctrico y se encuentran en una variedad de formas. Se pueden encontrar en forma de enzimas, hormonas y anticuerpos, así como en forma de proteínas estructurales como el colágeno y la queratina. Las proteínas también se encuentran en forma de proteínas musculares, que son responsables de la contracción y relajación muscular.
El efecto piezoeléctrico de las proteínas se debe a que están compuestas por una estructura compleja de aminoácidos. Cuando estos aminoácidos se deforman, generan carga eléctrica. Esta carga eléctrica se puede usar para alimentar una variedad de dispositivos, como sensores y actuadores.
Las proteínas también se utilizan en una variedad de aplicaciones médicas. Por ejemplo, se usan para detectar la presencia de ciertas proteínas en el cuerpo, que pueden usarse para diagnosticar enfermedades. También se utilizan para detectar la presencia de ciertas bacterias y virus, que pueden utilizarse para diagnosticar infecciones.
Las proteínas también se utilizan en una variedad de aplicaciones industriales. Por ejemplo, se utilizan para crear sensores y actuadores para una variedad de procesos industriales. También se utilizan para crear materiales que se pueden utilizar en la construcción de aviones y otros vehículos.
En conclusión, las proteínas son un material piezoeléctrico único que se puede utilizar en una variedad de aplicaciones. Están compuestos por una estructura compleja de aminoácidos que pueden deformarse para generar carga eléctrica y se utilizan en una variedad de aplicaciones médicas e industriales.
Cosecha de energía con piezoelectricidad
En esta sección, discutiré cómo se puede usar la piezoelectricidad para recolectar energía. Examinaré las diversas aplicaciones de la piezoelectricidad, desde la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica hasta los generadores de reloj y las microbalanzas. También exploraré la historia de la piezoelectricidad, desde su descubrimiento por Pierre Curie hasta su uso en la Segunda Guerra Mundial. Finalmente, discutiré el estado actual de la industria piezoeléctrica y el potencial para un mayor crecimiento.
Impresión de inyección de tinta piezoeléctrica
La piezoelectricidad es la capacidad de ciertos materiales para generar una carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. La palabra 'piezoelectricidad' se deriva de las palabras griegas 'piezein' (apretar o apretar) y 'elektron' (ámbar), una antigua fuente de carga eléctrica. Los materiales piezoeléctricos, como los cristales, la cerámica y la materia biológica, como el hueso y el ADN, se utilizan en una variedad de aplicaciones.
La piezoelectricidad se utiliza para generar electricidad de alto voltaje, como generador de reloj, en dispositivos electrónicos y en microbalanzas. También se utiliza para impulsar boquillas ultrasónicas y conjuntos ópticos de enfoque ultrafino. La impresión de inyección de tinta piezoeléctrica es una aplicación popular de esta tecnología. Este es un tipo de impresión que utiliza cristales piezoeléctricos para generar una vibración de alta frecuencia, que se utiliza para expulsar gotas de tinta sobre una página.
El descubrimiento de la piezoelectricidad se remonta a 1880, cuando los físicos franceses Jacques y Pierre Curie descubrieron el efecto. Desde entonces, el efecto piezoeléctrico se ha explotado para una variedad de aplicaciones útiles. La piezoelectricidad se utiliza en artículos cotidianos, como dispositivos de calefacción y cocina a gas, antorchas, encendedores de cigarrillos y pastillas en guitarras amplificadas electrónicamente y disparadores en baterías electrónicas modernas.
La piezoelectricidad también se utiliza en la investigación científica. Es la base para los microscopios de sonda de barrido, que se utilizan para resolver imágenes en una escala de átomos. También se usa en reflectómetros ultrasónicos en el dominio del tiempo, que envían pulsos ultrasónicos a un material y miden los reflejos para detectar discontinuidades y encontrar fallas dentro de objetos de piedra y metal fundido.
El desarrollo de dispositivos y materiales piezoeléctricos ha sido impulsado por la necesidad de un mejor rendimiento y procesos de fabricación más sencillos. En los Estados Unidos, el desarrollo de cristales de cuarzo para uso comercial ha sido un factor importante en el crecimiento de la industria piezoeléctrica. Por el contrario, los fabricantes japoneses han podido compartir información rápidamente y desarrollar nuevas aplicaciones, lo que ha llevado a un rápido crecimiento en el mercado japonés.
La piezoelectricidad ha revolucionado la forma en que usamos la energía, desde elementos cotidianos como encendedores hasta investigaciones científicas avanzadas. Es una tecnología versátil que nos ha permitido explorar y desarrollar nuevos materiales y aplicaciones, y seguirá siendo una parte importante de nuestras vidas en los años venideros.
Generación de Electricidad en Alta Tensión
La piezoelectricidad es la capacidad de ciertos materiales sólidos para acumular carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. La palabra 'piezoelectricidad' se deriva de las palabras griegas 'piezein' que significa 'apretar' o 'presionar' y 'ēlektron' que significa 'ámbar', una antigua fuente de carga eléctrica. La piezoelectricidad es una interacción electromecánica lineal entre estados mecánicos y eléctricos en materiales cristalinos con simetría de inversión.
El efecto piezoeléctrico es un proceso reversible; los materiales que exhiben piezoelectricidad también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, la generación interna de tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado. Por ejemplo, los cristales de titanato de zirconato de plomo generan piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforma de su dimensión original. Por el contrario, los cristales pueden cambiar su dimensión estática cuando se les aplica un campo eléctrico externo, un fenómeno conocido como efecto piezoeléctrico inverso, que se utiliza en la producción de ondas de ultrasonido.
El efecto piezoeléctrico se utiliza en una variedad de aplicaciones, incluida la generación de electricidad de alto voltaje. Los materiales piezoeléctricos se utilizan en la producción y detección de sonido, en la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, en generadores de reloj, en dispositivos electrónicos, en microbalanzas, en boquillas ultrasónicas de accionamiento y en conjuntos ópticos de enfoque ultrafino.
La piezoelectricidad también se usa en aplicaciones cotidianas, como generar chispas para encender gas en dispositivos de cocina y calefacción, en antorchas, encendedores de cigarrillos y materiales con efectos piroeléctricos, que generan potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura. Este efecto fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII, basándose en el conocimiento de René Haüy y Antoine César Becquerel, quienes postularon una relación entre el estrés mecánico y la carga eléctrica, aunque sus experimentos no fueron concluyentes.
El conocimiento combinado de la piroelectricidad y la comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes dio lugar a la predicción de la piroelectricidad y la capacidad de predecir el comportamiento del cristal. Así lo demostró el efecto de cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle. El tetrahidrato de tartrato de sodio y potasio y el cuarzo también exhibieron piezoelectricidad, y se usó un disco piezoeléctrico para generar un voltaje cuando se deformaba. Esto fue muy exagerado en la demostración de Curie del efecto piezoeléctrico directo.
Los hermanos Pierre y Jacques Curie procedieron a obtener pruebas cuantitativas de la completa reversibilidad de las deformaciones electroelastomecánicas en cristales piezoeléctricos. Durante décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio, pero fue una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie. Su trabajo para explorar y definir las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad culminó con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física de cristales) de Woldemar Voigt, que describía las clases de cristales naturales capaces de piezoelectricidad y definía rigurosamente las constantes piezoeléctricas mediante el análisis tensorial.
La aplicación práctica de los dispositivos piezoeléctricos comenzó con el desarrollo del sonar durante la Primera Guerra Mundial. En Francia, Paul Langevin y sus compañeros de trabajo desarrollaron un detector submarino ultrasónico. El detector constaba de un transductor hecho de finos cristales de cuarzo cuidadosamente pegados a placas de acero y un hidrófono para detectar el eco devuelto. Al emitir un pulso de alta frecuencia desde el transductor y medir el tiempo que lleva escuchar el eco de las ondas de sonido que rebotan en un objeto, pudieron calcular la distancia del objeto. Usaron piezoelectricidad para hacer que el sonar fuera un éxito, y el proyecto generó un intenso desarrollo e interés en los dispositivos piezoeléctricos durante las siguientes décadas.
Se exploraron y desarrollaron nuevos materiales piezoeléctricos y nuevas aplicaciones para estos materiales. Los dispositivos piezoeléctricos encontraron hogar en una variedad de campos, como los cartuchos de fonógrafo de cerámica, que simplificaron el diseño del reproductor y crearon tocadiscos más baratos y precisos, más económicos de mantener y más fáciles de construir. El desarrollo de transductores ultrasónicos permitió medir fácilmente la viscosidad y la elasticidad de fluidos y sólidos, lo que resultó en grandes avances en la investigación de materiales. Los reflectómetros ultrasónicos en el dominio del tiempo envían un pulso ultrasónico a un material y miden los reflejos y las discontinuidades para encontrar fallas dentro de objetos de piedra y metal fundido, lo que mejora la seguridad estructural.
La Segunda Guerra Mundial vio grupos de investigación independientes en los Estados Unidos, Rusia y Japón descubrir una nueva clase de materiales sintéticos llamados fer
Generador de reloj
La piezoelectricidad es la capacidad de ciertos materiales para acumular carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. Este fenómeno se ha utilizado para crear una serie de aplicaciones útiles, incluidos los generadores de reloj. Los generadores de reloj son dispositivos que usan piezoelectricidad para generar señales eléctricas con sincronización precisa.
Los generadores de reloj se utilizan en una variedad de aplicaciones, como en computadoras, telecomunicaciones y sistemas automotrices. También se utilizan en dispositivos médicos, como marcapasos, para garantizar la sincronización precisa de las señales eléctricas. Los generadores de reloj también se utilizan en la automatización industrial y la robótica, donde la sincronización precisa es esencial.
El efecto piezoeléctrico se basa en la interacción electromecánica lineal entre estados mecánicos y eléctricos en materiales cristalinos con simetría de inversión. Este efecto es reversible, lo que significa que los materiales que exhiben piezoelectricidad también pueden generar tensión mecánica cuando se aplica un campo eléctrico. Esto se conoce como efecto piezoeléctrico inverso y se utiliza para producir ondas de ultrasonido.
Los generadores de reloj utilizan este efecto piezoeléctrico inverso para generar señales eléctricas con sincronización precisa. El material piezoeléctrico es deformado por un campo eléctrico, lo que hace que vibre a una frecuencia específica. Esta vibración luego se convierte en una señal eléctrica, que se utiliza para generar una señal de sincronización precisa.
Los generadores de reloj se utilizan en una variedad de aplicaciones, desde dispositivos médicos hasta automatización industrial. Son confiables, precisos y fáciles de usar, lo que los convierte en una opción popular para muchas aplicaciones. La piezoelectricidad es una parte importante de la tecnología moderna y los generadores de reloj son solo una de las muchas aplicaciones de este fenómeno.
Dispositivos electrónicos
La piezoelectricidad es la capacidad de ciertos materiales sólidos para acumular carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. Este fenómeno, conocido como efecto piezoeléctrico, se usa en una variedad de dispositivos electrónicos, desde pastillas en guitarras amplificadas electrónicamente hasta disparadores en baterías electrónicas modernas.
Piezoelectricidad se deriva de las palabras griegas πιέζειν (piezein) que significa "apretar" o "presionar" y ἤλεκτρον (ēlektron) que significa "ámbar", una antigua fuente de carga eléctrica. Los materiales piezoeléctricos son cristales, cerámicas y materia biológica, como proteínas óseas y de ADN, que exhiben el efecto piezoeléctrico.
El efecto piezoeléctrico es una interacción electromecánica lineal entre estados mecánicos y eléctricos en materiales cristalinos con simetría de inversión. Es un proceso reversible, lo que significa que los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, que es la generación interna de tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado. Por ejemplo, los cristales de titanato de zirconato de plomo generan piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforma de su dimensión original. Por el contrario, los cristales pueden cambiar su dimensión estática cuando se les aplica un campo eléctrico externo, un fenómeno conocido como efecto piezoeléctrico inverso, que se utiliza en la producción de ondas de ultrasonido.
El descubrimiento de la piezoelectricidad se atribuye a los físicos franceses Pierre y Jacques Curie, quienes demostraron el efecto piezoeléctrico directo en 1880. Su conocimiento combinado de la piroelectricidad y la comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes dieron lugar a la predicción del efecto piroeléctrico y la capacidad de predecir el comportamiento cristalino se demostró con el efecto de cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle.
La piezoelectricidad se ha utilizado en una variedad de aplicaciones cotidianas, como generar chispas para encender gas en dispositivos de cocina y calefacción, antorchas, encendedores de cigarrillos y materiales con efectos piroeléctricos que generan potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura. Esto fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII, basándose en el conocimiento de René Haüy y Antoine César Becquerel, quienes postularon una relación entre el estrés mecánico y la carga eléctrica. Sin embargo, los experimentos no fueron concluyentes hasta que la vista de un cristal piezoeléctrico en el museo del compensador Curie en Escocia demostró el efecto piezoeléctrico directo de los hermanos Curie.
La piezoelectricidad se usa en una variedad de dispositivos electrónicos, desde pastillas en guitarras amplificadas electrónicamente hasta disparadores en baterías electrónicas modernas. También se utiliza en la producción y detección de sonido, impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, generación de electricidad de alto voltaje, generadores de reloj, microbalanzas, boquillas ultrasónicas de accionamiento y conjuntos ópticos de enfoque ultrafino. La piezoelectricidad también es la base de los microscopios de sonda de barrido, que se utilizan para resolver imágenes a la escala de los átomos.
Microbalanzas
La piezoelectricidad es la capacidad de ciertos materiales sólidos para acumular carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. Piezoelectricidad se deriva de las palabras griegas πιέζειν (piezein), que significa "apretar" o "presionar", y ἤλεκτρον (ēlektron), que significa "ámbar", una antigua fuente de carga eléctrica.
La piezoelectricidad se usa en una variedad de aplicaciones cotidianas, como generar chispas para encender gas para cocinar y calentar dispositivos, antorchas, encendedores de cigarrillos y más. También se utiliza en la producción y detección de sonido y en la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica.
La piezoelectricidad también se utiliza para generar electricidad de alto voltaje y es la base de los generadores de reloj y dispositivos electrónicos como las microbalanzas. La piezoelectricidad también se utiliza para impulsar boquillas ultrasónicas y conjuntos ópticos de enfoque ultrafino.
El descubrimiento de la piezoelectricidad se atribuye a los físicos franceses Jacques y Pierre Curie en 1880. Los hermanos Curie combinaron su conocimiento de la piroelectricidad y su comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes para dar lugar al concepto de piezoelectricidad. Pudieron predecir el comportamiento de los cristales y demostraron el efecto en cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle.
El efecto piezoeléctrico se aprovechó para aplicaciones útiles, incluida la producción y detección de sonido. El desarrollo del sonar durante la Primera Guerra Mundial fue un gran avance en el uso de la piezoelectricidad. Después de la Segunda Guerra Mundial, grupos de investigación independientes en los Estados Unidos, Rusia y Japón descubrieron una nueva clase de materiales sintéticos llamados ferroeléctricos, que exhibieron constantes piezoeléctricas hasta diez veces más altas que los materiales naturales.
Esto condujo a una intensa investigación y desarrollo de materiales de titanato de bario y, más tarde, de titanato de zirconato de plomo, que tenían propiedades específicas para aplicaciones particulares. Un ejemplo significativo del uso de cristales piezoeléctricos se desarrolló en Bell Telephone Laboratories después de la Segunda Guerra Mundial.
Frederick R. Lack, que trabajaba en el departamento de ingeniería de radiotelefonía, desarrolló un cristal tallado que funcionaba en una amplia gama de temperaturas. El cristal de Lack no necesitaba los pesados accesorios de los cristales anteriores, facilitando su uso en aeronaves. Este desarrollo permitió a las fuerzas aéreas aliadas participar en ataques masivos coordinados utilizando la radio de aviación.
El desarrollo de dispositivos y materiales piezoeléctricos en los Estados Unidos mantuvo a varias empresas en el negocio y se explotó comercialmente el desarrollo de cristales de cuarzo. Desde entonces, los materiales piezoeléctricos se han utilizado en una variedad de aplicaciones, que incluyen imágenes médicas, limpieza ultrasónica y más.
Boquilla ultrasónica de accionamiento
La piezoelectricidad es la carga eléctrica que se acumula en ciertos materiales sólidos como cristales, cerámica y materia biológica como huesos y ADN. Es una respuesta a la tensión mecánica aplicada y se deriva de las palabras griegas 'piezein', que significa 'apretar' o 'presionar', y 'elektron', que significa 'ámbar', una antigua fuente de carga eléctrica.
El efecto piezoeléctrico es una interacción electromecánica lineal entre los estados mecánico y eléctrico de materiales cristalinos con simetría de inversión. Es un proceso reversible, lo que significa que los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, que es la generación interna de tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado. Un ejemplo de esto son los cristales de titanato de zirconato de plomo, que generan piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforma de su dimensión original. Por el contrario, cuando se aplica un campo eléctrico externo, los cristales cambian su dimensión estática, dando como resultado el efecto piezoeléctrico inverso, que es la producción de ondas de ultrasonido.
Los físicos franceses Jacques y Pierre Curie descubrieron la piezoelectricidad en 1880 y desde entonces ha sido explotada para una variedad de aplicaciones útiles, incluida la producción y detección de sonido. La piezoelectricidad también encuentra usos cotidianos, como generar chispas para encender gas en dispositivos de cocina y calefacción, antorchas, encendedores de cigarrillos y más.
El efecto piroeléctrico, que es el material que genera un potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, fue estudiado por Carl Linnaeus, Franz Aepinus y, a mediados del siglo XVIII, extrayendo el conocimiento de René Haüy y Antoine César Becquerel, quienes postularon la relación entre el estrés mecánico y carga eléctrica. Los experimentos para probar esto no fueron concluyentes.
La vista de un cristal piezoeléctrico en el Compensador Curie del Museo Hunterian de Escocia es una demostración del efecto piezoeléctrico directo de los hermanos Pierre y Jacques Curie. La combinación de su conocimiento de la piroelectricidad y la comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes dio lugar a la predicción de la piroelectricidad y les permitió predecir el comportamiento del cristal. Esto se demostró con el efecto de cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, el azúcar de caña y la sal de Rochelle. El tetrahidrato de tartrato de sodio y potasio y el cuarzo también exhibieron piezoelectricidad, y se usó un disco piezoeléctrico para generar un voltaje cuando se deformaba. Esto fue muy exagerado por los Curie para predecir el efecto piezoeléctrico inverso, que Gabriel Lippmann dedujo matemáticamente de los principios termodinámicos fundamentales en 1881.
Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y obtuvieron una prueba cuantitativa de la completa reversibilidad de las deformaciones electroelastomecánicas en los cristales piezoeléctricos. Durante décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio, pero fue una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie en su trabajo para explorar y definir estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad. Esto culminó con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física de cristales) de Woldemar Voigt, que describía las clases de cristales naturales capaces de generar piezoelectricidad y definía rigurosamente las constantes piezoeléctricas a través del análisis de tensores.
La aplicación práctica de los dispositivos piezoeléctricos comenzó con el sonar, que se desarrolló durante la Primera Guerra Mundial. En Francia, Paul Langevin y sus compañeros de trabajo desarrollaron un detector submarino ultrasónico. El detector consistía en un transductor hecho de finos cristales de cuarzo pegados cuidadosamente a placas de acero, llamado hidrófono, para detectar el eco devuelto después de emitir un pulso de alta frecuencia. Al medir el tiempo que lleva escuchar el eco de las ondas de sonido que rebotan en un objeto, pudieron calcular la distancia del objeto. Este uso de la piezoelectricidad en el sonar fue un éxito y el proyecto generó un intenso desarrollo e interés en los dispositivos piezoeléctricos durante décadas.
Se exploraron y desarrollaron nuevos materiales piezoeléctricos y nuevas aplicaciones para estos materiales, y los dispositivos piezoeléctricos encontraron hogar en campos como los cartuchos de fonógrafo de cerámica, que simplificaron el diseño del reproductor y crearon tocadiscos más económicos y precisos, más económicos de mantener y más fáciles de construir. . El desarrollo de transductores ultrasónicos permitió medir fácilmente la viscosidad y la elasticidad de fluidos y sólidos, lo que resultó en grandes avances en la investigación de materiales. Los reflectómetros ultrasónicos en el dominio del tiempo envían un pulso ultrasónico a través de un material y miden los reflejos y las discontinuidades para encontrar fallas dentro de objetos de piedra y metal fundido.
Conjuntos ópticos de enfoque ultrafino
La piezoelectricidad es la capacidad de ciertos materiales para acumular carga eléctrica cuando se someten a tensión mecánica. Es una interacción electromecánica lineal entre estados eléctricos y mecánicos de materiales cristalinos con simetría de inversión. La piezoelectricidad es un proceso reversible, lo que significa que los materiales que exhiben piezoelectricidad también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, que es la generación interna de tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado.
La piezoelectricidad se ha utilizado en una variedad de aplicaciones, incluida la producción y detección de sonido y la generación de electricidad de alto voltaje. La piezoelectricidad también se utiliza en la impresión de inyección de tinta, generadores de reloj, dispositivos electrónicos, microbalanzas, boquillas ultrasónicas de accionamiento y conjuntos ópticos de enfoque ultrafino.
La piezoelectricidad fue descubierta en 1880 por los físicos franceses Jacques y Pierre Curie. El efecto piezoeléctrico se aprovecha en aplicaciones útiles, como la producción y detección de sonido y la generación de electricidad de alto voltaje. También se utiliza la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, así como generadores de reloj, dispositivos electrónicos, microbalanzas, boquillas ultrasónicas de accionamiento y conjuntos ópticos de enfoque ultrafino.
La piezoelectricidad se ha abierto camino en los usos cotidianos, como generar chispas para encender gas para cocinar y calentar dispositivos, antorchas, encendedores de cigarrillos y materiales con efectos piroeléctricos que generan potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura. Este efecto fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII, basándose en el conocimiento de René Haüy y Antoine César Becquerel, quienes postularon una relación entre el estrés mecánico y la carga eléctrica. Los experimentos no fueron concluyentes.
La vista de un cristal piezoeléctrico en el Compensador Curie del Museo Hunterian de Escocia es una demostración del efecto piezoeléctrico directo de los hermanos Pierre y Jacques Curie. Combinados con su conocimiento de la piroelectricidad y su comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes, dieron lugar a la predicción de la piroelectricidad y la capacidad de predecir el comportamiento del cristal. Esto se demostró en el efecto de cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle.
El tetrahidrato de tartrato de sodio y potasio, y el cuarzo y la sal de Rochelle exhibieron piezoelectricidad, y se usó un disco piezoeléctrico para generar un voltaje cuando se deformaba, aunque el cambio de forma se exageró mucho. Los Curie predijeron el efecto piezoeléctrico inverso, y Gabriel Lippmann dedujo matemáticamente el efecto inverso a partir de los principios termodinámicos fundamentales en 1881. Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y obtuvieron una prueba cuantitativa de la reversibilidad completa de la electro- deformaciones elastomecánicas en cristales piezoeléctricos.
Durante décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio hasta que se convirtió en una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie. Su trabajo para explorar y definir las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad culminó con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física cristalina) de Woldemar Voigt. Esto describió las clases de cristal natural capaces de piezoelectricidad y definió rigurosamente las constantes piezoeléctricas usando análisis tensorial para la aplicación práctica de dispositivos piezoeléctricos.
El desarrollo del sonar fue un proyecto exitoso que generó un intenso desarrollo e interés en los dispositivos piezoeléctricos. Décadas más tarde, se exploraron y desarrollaron nuevos materiales piezoeléctricos y nuevas aplicaciones para estos materiales. Los dispositivos piezoeléctricos encontraron hogar en una variedad de campos, como los cartuchos de fonógrafo de cerámica, que simplificaron el diseño del reproductor e hicieron que los tocadiscos fueran más baratos y fáciles de mantener y construir. El desarrollo de transductores ultrasónicos permitió medir fácilmente la viscosidad y la elasticidad de fluidos y sólidos, lo que resultó en grandes avances en la investigación de materiales. Los reflectómetros ultrasónicos en el dominio del tiempo envían un pulso ultrasónico a un material y miden los reflejos y las discontinuidades para encontrar fallas dentro de objetos de piedra y metal fundido, lo que mejora la seguridad estructural.
Los inicios del campo de los intereses de la piezoelectricidad se aseguraron con las rentables patentes de nuevos materiales desarrollados a partir de cristales de cuarzo, que se explotaron comercialmente como material piezoeléctrico. Los científicos buscaron materiales de mayor rendimiento y, a pesar de los avances en los materiales y la maduración de los procesos de fabricación, el mercado de los Estados Unidos no creció rápidamente. Por el contrario, los fabricantes japoneses compartieron información rápidamente y las nuevas aplicaciones para el crecimiento de la industria piezoeléctrica de los Estados Unidos sufrieron en contraste con los fabricantes japoneses.
Motores piezoeléctricos
En esta sección, hablaré sobre cómo se usa la piezoelectricidad en la tecnología moderna. Desde microscopios de sonda de barrido que pueden resolver imágenes a escala de átomos hasta pastillas para guitarras amplificadas electrónicamente y disparadores para baterías electrónicas modernas, la piezoelectricidad se ha convertido en una parte integral de muchos dispositivos. Exploraré la historia de la piezoelectricidad y cómo se ha utilizado en una variedad de aplicaciones.
Formas Base de microscopios de sonda de barrido
La piezoelectricidad es la carga eléctrica que se acumula en ciertos materiales sólidos, como cristales, cerámica y materia biológica como el hueso y el ADN. Es la respuesta a la tensión mecánica aplicada, y la palabra piezoelectricidad proviene de la palabra griega πιέζειν (piezein) que significa “apretar” o “presionar” y ἤλεκτρον (ēlektron) que significa “ámbar”, una antigua fuente de carga eléctrica.
Los motores piezoeléctricos son dispositivos que utilizan el efecto piezoeléctrico para generar movimiento. Este efecto es la interacción electromecánica lineal entre estados mecánicos y eléctricos en materiales cristalinos con simetría de inversión. Es un proceso reversible, lo que significa que los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, que es la generación interna de tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado. Ejemplos de materiales que generan piezoelectricidad medible son los cristales de titanato de zirconato de plomo.
El efecto piezoeléctrico se aprovecha en aplicaciones útiles, como la producción y detección de sonido, la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, la generación de electricidad de alto voltaje, los generadores de reloj y los dispositivos electrónicos como microbalanzas y boquillas ultrasónicas de accionamiento para conjuntos ópticos de enfoque ultrafino. También constituye la base de los microscopios de sonda de barrido, que se utilizan para resolver imágenes a la escala de los átomos.
La piezoelectricidad fue descubierta en 1880 por los físicos franceses Jacques y Pierre Curie. La vista de un cristal piezoeléctrico y el compensador Curie se puede ver en el Museo Hunterian de Escocia, que es una demostración del efecto piezoeléctrico directo de los hermanos Pierre y Jacques Curie.
La combinación de su conocimiento de la piroelectricidad y su comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes dio lugar a la predicción de la piroelectricidad, que les permitió predecir el comportamiento del cristal. Así lo demostró el efecto de cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle. El tetrahidrato de tartrato de sodio y potasio, y el cuarzo y la sal de Rochelle exhibieron piezoelectricidad, y se usó un disco piezoeléctrico para generar un voltaje cuando se deformaba, aunque los Curie exageraron mucho esto.
También predijeron el efecto piezoeléctrico inverso, y Gabriel Lippmann lo dedujo matemáticamente a partir de los principios termodinámicos fundamentales en 1881. Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y obtuvieron una prueba cuantitativa de la reversibilidad completa de la electroelastografía. deformaciones mecánicas en cristales piezoeléctricos.
Durante décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio hasta que se convirtió en una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie. Su trabajo para explorar y definir las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad culminó con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física de cristales) de Woldemar Voigt, que describía las clases de cristales naturales capaces de piezoelectricidad y definía rigurosamente las constantes piezoeléctricas y el análisis tensorial.
Esto condujo a la aplicación práctica de dispositivos piezoeléctricos, como el sonar, que se desarrolló durante la Primera Guerra Mundial. En Francia, Paul Langevin y sus compañeros de trabajo desarrollaron un detector submarino ultrasónico. Este detector consistía en un transductor hecho de finos cristales de cuarzo cuidadosamente pegados a placas de acero y un hidrófono para detectar el eco devuelto después de emitir un pulso de alta frecuencia desde el transductor. Al medir el tiempo que lleva escuchar el eco de las ondas de sonido que rebotan en un objeto, pudieron calcular la distancia del objeto. Usaron piezoelectricidad para hacer de este sonar un éxito, y el proyecto generó un intenso desarrollo e interés en los dispositivos piezoeléctricos durante décadas.
Se exploraron y desarrollaron nuevos materiales piezoeléctricos y nuevas aplicaciones para estos materiales, y los dispositivos piezoeléctricos encontraron hogar en muchos campos, como los cartuchos de fonógrafo de cerámica, que simplificaron el diseño del reproductor y crearon tocadiscos más baratos y precisos, más económicos de mantener y más fáciles. para construir. El desarrollo de transductores ultrasónicos permitió medir fácilmente la viscosidad y la elasticidad de fluidos y sólidos, lo que resultó en grandes avances en la investigación de materiales. Los reflectómetros ultrasónicos en el dominio del tiempo envían un pulso ultrasónico a un material y miden los reflejos y las discontinuidades para encontrar fallas dentro de objetos de piedra y metal fundido, lo que mejora la seguridad estructural.
Durante la Segunda Guerra Mundial, grupos de investigación independientes en los Estados Unidos
Resolver imágenes a escala de átomos
La piezoelectricidad es la carga eléctrica que se acumula en ciertos materiales sólidos como cristales, cerámica y materia biológica como huesos y ADN. Es una respuesta a la tensión mecánica aplicada y se deriva de la palabra griega 'piezein', que significa apretar o presionar. El efecto piezoeléctrico resulta de la interacción electromecánica lineal entre los estados mecánico y eléctrico en materiales cristalinos con simetría de inversión.
La piezoelectricidad es un proceso reversible, y los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, que es la generación interna de tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado. Ejemplos de esto incluyen cristales de titanato de zirconato de plomo, que generan piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforma de su dimensión original. Por el contrario, los cristales cambian su dimensión estática cuando se les aplica un campo eléctrico externo, lo que se conoce como efecto piezoeléctrico inverso y se utiliza en la producción de ondas de ultrasonido.
Los físicos franceses Jacques y Pierre Curie descubrieron la piezoelectricidad en 1880. El efecto piezoeléctrico se ha explotado para una variedad de aplicaciones útiles, que incluyen la producción y detección de sonido, la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, la generación de electricidad de alto voltaje, generadores de reloj y dispositivos electrónicos como microbalanzas y accionamiento de boquillas ultrasónicas. También constituye la base de los microscopios de sonda de barrido, que se utilizan para resolver imágenes a la escala de los átomos.
La piezoelectricidad también se usa en aplicaciones cotidianas, como generar chispas para encender gas en dispositivos de cocina y calefacción, antorchas, encendedores de cigarrillos y más. El efecto piroeléctrico, que es un material que genera un potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII. Basándose en el conocimiento de René Haüy y Antoine César Becquerel, postularon una relación entre el estrés mecánico y la carga eléctrica, pero sus experimentos no fueron concluyentes.
Los visitantes del Museo Hunterian en Glasgow pueden ver un compensador Curie de cristal piezoeléctrico, una demostración del efecto piezoeléctrico directo de los hermanos Pierre y Jacques Curie. Combinados con su conocimiento de la piroelectricidad y la comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes, dieron lugar a la predicción de la piroelectricidad y la capacidad de predecir el comportamiento del cristal. Así lo demostró el efecto de cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle. El tetrahidrato de tartrato de sodio y potasio, y el cuarzo y la sal de Rochelle exhibieron piezoelectricidad, y un disco piezoeléctrico genera un voltaje cuando se deforma, aunque el cambio de forma es muy exagerado. Los Curie pudieron predecir el efecto piezoeléctrico inverso, y el efecto inverso fue deducido matemáticamente de los principios termodinámicos fundamentales por Gabriel Lippmann en 1881.
Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y obtuvieron una prueba cuantitativa de la completa reversibilidad de las deformaciones electroelastomecánicas en los cristales piezoeléctricos. Durante décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio, pero fue una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie. Su trabajo para explorar y definir estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad culminó con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física cristalina) de Woldemar Voigt.
Pastillas Guitarras amplificadas electrónicamente
Los motores piezoeléctricos son motores eléctricos que utilizan el efecto piezoeléctrico para convertir la energía eléctrica en energía mecánica. El efecto piezoeléctrico es la capacidad de ciertos materiales para generar una carga eléctrica cuando se someten a tensión mecánica. Los motores piezoeléctricos se utilizan en una variedad de aplicaciones, desde alimentar dispositivos pequeños, como relojes, hasta máquinas más grandes, como robots y equipos médicos.
Los motores piezoeléctricos se utilizan en pastillas de guitarras amplificadas electrónicamente. Estas pastillas utilizan el efecto piezoeléctrico para convertir las vibraciones de las cuerdas de la guitarra en una señal eléctrica. Esta señal luego se amplifica y se envía a un amplificador, que produce el sonido de la guitarra. Las pastillas piezoeléctricas también se utilizan en las baterías electrónicas modernas, donde se utilizan para detectar las vibraciones de los parches de batería y convertirlas en una señal eléctrica.
Los motores piezoeléctricos también se usan en microscopios de sonda de barrido, que usan el efecto piezoeléctrico para mover una sonda diminuta a través de una superficie. Esto permite que el microscopio resuelva imágenes a escala de átomos. Los motores piezoeléctricos también se utilizan en las impresoras de inyección de tinta, donde se utilizan para mover el cabezal de impresión de un lado a otro de la página.
Los motores piezoeléctricos se utilizan en una variedad de otras aplicaciones, incluidos dispositivos médicos, componentes automotrices y productos electrónicos de consumo. También se utilizan en aplicaciones industriales, como en la producción de piezas de precisión y en el montaje de componentes complejos. El efecto piezoeléctrico también se utiliza en la producción de ondas de ultrasonido, que se utilizan en imágenes médicas y en la detección de fallas en los materiales.
En general, los motores piezoeléctricos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, desde alimentar dispositivos pequeños hasta máquinas más grandes. Se utilizan en pastillas, guitarras amplificadas electrónicamente, baterías electrónicas modernas, microscopios de sonda de exploración, impresoras de inyección de tinta, dispositivos médicos, componentes de automóviles y productos electrónicos de consumo. El efecto piezoeléctrico también se utiliza en la producción de ondas de ultrasonido y en la detección de fallas en los materiales.
Triggers Baterías Electrónicas Modernas
La piezoelectricidad es la carga eléctrica que se acumula en ciertos materiales sólidos como cristales, cerámica y materia biológica como huesos y ADN. Es la respuesta de estos materiales al estrés mecánico aplicado. La palabra piezoelectricidad se deriva de la palabra griega “piezein”, que significa “apretar o apretar”, y la palabra “elektron”, que significa “ámbar”, una antigua fuente de carga eléctrica.
Los motores piezoeléctricos son dispositivos que utilizan el efecto piezoeléctrico para generar movimiento. Este efecto resulta de la interacción electromecánica lineal entre los estados mecánico y eléctrico de materiales cristalinos con simetría de inversión. Es un proceso reversible, lo que significa que los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, que es la generación interna de tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado. Un ejemplo de esto son los cristales de titanato de zirconato de plomo, que generan piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforma de su dimensión original. Por el contrario, cuando se aplica un campo eléctrico externo, los cristales cambian su dimensión estática, produciendo ondas de ultrasonido.
Los motores piezoeléctricos se utilizan en una variedad de aplicaciones cotidianas, como:
• Generar chispas para encender gas en dispositivos de cocina y calefacción
• Antorchas, mecheros y materiales de efecto piroeléctrico
• Generación de potencial eléctrico en respuesta al cambio de temperatura
• Producción y detección de sonido
• Impresión de inyección de tinta piezoeléctrica
• Generación de electricidad de alta tensión
• Generador de reloj y dispositivos electrónicos
• Microbalanzas
• Impulsar boquillas ultrasónicas y conjuntos ópticos de enfoque ultrafino
• Forma la base de los microscopios de sonda de barrido
• Resolver imágenes a escala de átomos
• Pastillas guitarras amplificadas electrónicamente
• Dispara baterías electrónicas modernas.
Modelado electromecánico de transductores piezoeléctricos
En esta sección, exploraré el modelado electromecánico de transductores piezoeléctricos. Veré la historia del descubrimiento de la piezoelectricidad, los experimentos que probaron su existencia y el desarrollo de dispositivos y materiales piezoeléctricos. También discutiré las contribuciones de los físicos franceses Pierre y Jacques Curie, Carl Linnaeus y Franz Aepinus, Rene Hauy y Antoine Cesar Becquerel, Gabriel Lippmann y Woldemar Voigt.
Los físicos franceses Pierre y Jacques Curie
La piezoelectricidad es un fenómeno electromecánico donde la carga eléctrica se acumula en ciertos materiales sólidos como cristales, cerámica y materia biológica como huesos y ADN. Esta carga se genera en respuesta a un esfuerzo mecánico aplicado. La palabra 'piezoelectricidad' se deriva de la palabra griega 'piezein', que significa 'apretar o apretar', y 'elektron', que significa 'ámbar', una antigua fuente de carga eléctrica.
El efecto piezoeléctrico resulta de una interacción electromecánica lineal entre estados mecánicos y eléctricos en materiales con simetría de inversión. Este efecto es reversible, lo que significa que los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, donde se produce una generación interna de tensión mecánica en respuesta a un campo eléctrico aplicado. Por ejemplo, los cristales de titanato de zirconato de plomo generan piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforma de su dimensión original. Por el contrario, cuando se aplica un campo eléctrico externo, los cristales cambian su dimensión estática, produciendo ondas de ultrasonido en el proceso conocido como efecto piezoeléctrico inverso.
En 1880, los físicos franceses Pierre y Jacques Curie descubrieron el efecto piezoeléctrico y desde entonces ha sido explotado para una variedad de aplicaciones útiles, que incluyen la producción y detección de sonido, la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, la generación de electricidad de alto voltaje, generadores de reloj y electrónica. dispositivos como microbalanzas y boquillas ultrasónicas de accionamiento para conjuntos ópticos de enfoque ultrafino. También constituye la base para los microscopios de sonda de barrido, que pueden resolver imágenes a la escala de los átomos. La piezoelectricidad también se usa en pastillas para guitarras amplificadas electrónicamente y disparadores para baterías electrónicas modernas.
La piezoelectricidad también encuentra usos cotidianos, como generar chispas para encender gas en dispositivos de cocina y calefacción, antorchas, encendedores de cigarrillos y más. El efecto piroeléctrico, donde un material genera un potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII, basándose en el conocimiento de René Hauy y Antoine César Becquerel, quienes postularon una relación entre estrés mecánico y carga eléctrica, aunque sus experimentos no fueron concluyentes.
Al combinar su conocimiento de la piroelectricidad con la comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes, los Curie pudieron dar lugar a la predicción de la piroelectricidad y predecir el comportamiento de los cristales. Esto se demostró en el efecto de cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle. El tartrato de sodio y potasio tetrahidratado y el cuarzo también exhibieron piezoelectricidad. Un disco piezoeléctrico genera un voltaje cuando se deforma, aunque esto se exagera mucho en la demostración de Curie. También pudieron predecir el efecto piezoeléctrico inverso y deducirlo matemáticamente de los principios termodinámicos fundamentales de Gabriel Lippmann en 1881.
Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y obtuvieron una prueba cuantitativa de la completa reversibilidad de las deformaciones electroelastomecánicas en los cristales piezoeléctricos. En las décadas siguientes, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio hasta que se convirtió en una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie. Su trabajo para explorar y definir las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad culminó con la publicación de 'Lehrbuch der Kristallphysik' (Libro de texto de física cristalina) de Woldemar Voigt.
Los experimentos demostraron no ser concluyentes
La piezoelectricidad es un fenómeno electromecánico en el que la carga eléctrica se acumula en ciertos materiales sólidos, como cristales, cerámica y materia biológica como el hueso y el ADN. Es la respuesta a la tensión mecánica aplicada, y la palabra 'piezoelectricidad' se deriva de las palabras griegas 'piezein', que significa 'apretar o presionar', y 'ēlektron', que significa 'ámbar', una antigua fuente de carga eléctrica.
El efecto piezoeléctrico resulta de la interacción electromecánica lineal entre los estados mecánico y eléctrico de materiales cristalinos con simetría de inversión. Es un proceso reversible; los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, que es la generación interna de tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado. Por ejemplo, los cristales de titanato de zirconato de plomo generan piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforma de su dimensión original. Por el contrario, los cristales pueden cambiar su dimensión estática cuando se les aplica un campo eléctrico externo, conocido como efecto piezoeléctrico inverso, que se utiliza en la producción de ondas de ultrasonido.
Los físicos franceses Pierre y Jacques Curie descubrieron la piezoelectricidad en 1880. Desde entonces, se ha explotado para una variedad de aplicaciones útiles, que incluyen la producción y detección de sonido, la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, la generación de electricidad de alto voltaje, generadores de reloj y dispositivos electrónicos como microbalanzas. , impulsar boquillas ultrasónicas y conjuntos ópticos de enfoque ultrafino. También forma la base de los microscopios de sonda de barrido, que pueden resolver imágenes en la escala de los átomos. La piezoelectricidad también se utiliza en pastillas para guitarras amplificadas electrónicamente y disparadores para baterías electrónicas modernas.
La piezoelectricidad encuentra usos cotidianos en la generación de chispas para encender gas en dispositivos de cocina y calefacción, antorchas, encendedores de cigarrillos y más. El efecto piroeléctrico, en el que un material genera un potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII, basándose en el conocimiento de René Hauy y Antoine César Becquerel, quienes postularon una relación entre el esfuerzo mecánico y la carga eléctrica. Los experimentos no fueron concluyentes.
El conocimiento combinado de la piroelectricidad y la comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes dio lugar a la predicción de la piroelectricidad y la capacidad de predecir el comportamiento de los cristales. Esto se demostró en el efecto de cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle. El tetrahidrato de tartrato de sodio y potasio y el cuarzo también exhibieron piezoelectricidad, y se usó un disco piezoeléctrico para generar un voltaje cuando se deformaba. Esto fue muy exagerado en la demostración de Curie del efecto piezoeléctrico directo.
Los hermanos Pierre y Jacques Curie predijeron el efecto piezoeléctrico inverso, y Gabriel Lippmann dedujo matemáticamente el efecto inverso a partir de los principios termodinámicos fundamentales en 1881. Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y procedieron a obtener una prueba cuantitativa del efecto completo. reversibilidad de deformaciones electro-elasto-mecánicas en cristales piezoeléctricos.
Durante décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio, pero fue una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie. Su trabajo para explorar y definir las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad culminó con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física cristalina) de Woldemar Voigt. Esto describió las clases de cristal natural capaces de piezoelectricidad y definió rigurosamente las constantes piezoeléctricas utilizando análisis de tensor. Esta fue la primera aplicación práctica de los transductores piezoeléctricos y el sonar se desarrolló durante la Primera Guerra Mundial. En Francia, Paul Langevin y sus compañeros de trabajo desarrollaron un detector submarino ultrasónico.
Carl Linneo y Franz Aepinus
La piezoelectricidad es un fenómeno electromecánico en el que la carga eléctrica se acumula en ciertos materiales sólidos como cristales, cerámica y materia biológica como huesos y ADN. Esta carga se genera en respuesta a la tensión mecánica aplicada. La palabra piezoelectricidad proviene de las palabras griegas πιέζειν (piezein) que significa “apretar o apretar” y ἤλεκτρον (ēlektron) que significa “ámbar”, una antigua fuente de carga eléctrica.
El efecto piezoeléctrico resulta de una interacción electromecánica lineal entre los estados mecánico y eléctrico de materiales cristalinos con simetría de inversión. Este efecto es reversible, lo que significa que los materiales que exhiben piezoelectricidad también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, que es la generación interna de tensión mecánica que resulta de un campo eléctrico aplicado. Por ejemplo, los cristales de titanato de zirconato de plomo generan piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforma de su dimensión original. Por el contrario, los cristales pueden cambiar su dimensión estática cuando se les aplica un campo eléctrico externo, lo que se conoce como efecto piezoeléctrico inverso y se utiliza en la producción de ondas de ultrasonido.
En 1880, los físicos franceses Jacques y Pierre Curie descubrieron el efecto piezoeléctrico y desde entonces ha sido explotado para muchas aplicaciones útiles, incluida la producción y detección de sonido, impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, generación de electricidad de alto voltaje, generadores de reloj, dispositivos electrónicos, microbalanzas. , impulsar boquillas ultrasónicas y conjuntos ópticos de enfoque ultrafino. También forma la base para los microscopios de sonda de barrido, que se utilizan para resolver imágenes en la escala de los átomos. La piezoelectricidad también se usa en pastillas para guitarras amplificadas electrónicamente y disparadores para baterías electrónicas modernas.
La piezoelectricidad también se encuentra en usos cotidianos, como generar chispas para encender gas en dispositivos de cocina y calefacción, antorchas, encendedores de cigarrillos y el efecto piroeléctrico, que es cuando un material genera un potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura. Este efecto fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII, basándose en el conocimiento de René Hauy y Antoine César Becquerel, quienes postularon una relación entre el estrés mecánico y la carga eléctrica, aunque sus experimentos no fueron concluyentes.
La vista de un cristal piezoeléctrico en el compensador Curie del Museo Hunterian de Escocia es una demostración del efecto piezoeléctrico directo de los hermanos Pierre y Jacques Curie. La combinación de su conocimiento de la piroelectricidad con la comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes dio lugar a la predicción de la piroelectricidad y la capacidad de predecir el comportamiento del cristal. Así lo demostró el efecto de cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle. El tartrato de sodio y potasio tetrahidratado y el cuarzo de la sal de Rochelle exhibieron piezoelectricidad, y un disco piezoeléctrico genera un voltaje cuando se deforma, aunque esto se exagera mucho en la demostración de Curie.
La predicción del efecto piezoeléctrico inverso y su deducción matemática a partir de los principios termodinámicos fundamentales fue realizada por Gabriel Lippmann en 1881. Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y obtuvieron una prueba cuantitativa de la reversibilidad completa de la electroelastografía. deformaciones mecánicas en cristales piezoeléctricos. Durante décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio hasta que se convirtió en una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie, quienes la utilizaron para explorar y definir estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad. Esto culminó con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física de cristales) de Woldemar Voigt, que describía las clases de cristales naturales capaces de generar piezoelectricidad y definía rigurosamente las constantes piezoeléctricas mediante análisis tensorial.
Esta aplicación práctica de transductores piezoeléctricos condujo al desarrollo del sonar durante la Primera Guerra Mundial. En Francia, Paul Langevin y sus compañeros de trabajo desarrollaron un detector submarino ultrasónico. El detector consistía en un transductor hecho de finos cristales de cuarzo cuidadosamente pegados a placas de acero y un hidrófono para detectar el eco devuelto después de emitir un pulso de alta frecuencia desde el transductor. Al medir el tiempo que lleva escuchar el eco de las ondas de sonido que rebotan en un objeto, pudieron calcular la distancia del objeto. Usaron piezoelectricidad para hacer de este sonar un éxito, y el proyecto generó un intenso desarrollo e interés en los dispositivos piezoeléctricos.
René Hauy y Antoine César Becquerel
La piezoelectricidad es un fenómeno electromecánico que ocurre cuando ciertos materiales sólidos, como cristales, cerámica y materia biológica como huesos y ADN, acumulan carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. Piezoelectricidad se deriva de la palabra griega 'piezein', que significa 'apretar o apretar', y 'elektron', que significa 'ámbar', una antigua fuente de carga eléctrica.
El efecto piezoeléctrico resulta de una interacción electromecánica lineal entre estados mecánicos y eléctricos en materiales cristalinos con simetría de inversión. Este efecto es reversible, lo que significa que los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, o generación interna de tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado. Por ejemplo, los cristales de titanato de zirconato de plomo generan piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforma de su dimensión original. Por el contrario, los cristales pueden cambiar su dimensión estática cuando se aplica un campo eléctrico externo, lo que da como resultado el efecto piezoeléctrico inverso y la producción de ondas de ultrasonido.
Los físicos franceses Pierre y Jacques Curie descubrieron el efecto piezoeléctrico en 1880. Este efecto ha sido explotado para una variedad de aplicaciones útiles, que incluyen la producción y detección de sonido, la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, la generación de electricidad de alto voltaje, generadores de reloj y dispositivos electrónicos. como microbalanzas, boquillas ultrasónicas de accionamiento y conjuntos ópticos de enfoque ultrafino. También forma la base de los microscopios de sonda de barrido, que pueden resolver imágenes en una escala de átomos. La piezoelectricidad también se utiliza en pastillas para guitarras amplificadas electrónicamente y disparadores para baterías electrónicas modernas.
El efecto piezoeléctrico fue estudiado por primera vez por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII, basándose en el conocimiento de Rene Hauy y Antoine Cesar Becquerel, quienes postularon una relación entre el estrés mecánico y la carga eléctrica. Sin embargo, los experimentos no fueron concluyentes. Combinado con el conocimiento de la piroelectricidad y la comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes, esto dio lugar a la predicción de la piroelectricidad y la capacidad de predecir el comportamiento del cristal. Esto se demostró en el efecto de cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle. El tetrahidrato de tartrato de sodio y potasio y el cuarzo también exhibieron piezoelectricidad, y se usó un disco piezoeléctrico para generar un voltaje cuando se deformaba. Este efecto fue muy exagerado en la demostración de Curie en el Museo de Escocia, que mostró el efecto piezoeléctrico directo.
Los hermanos Pierre y Jacques Curie procedieron a obtener pruebas cuantitativas de la completa reversibilidad de las deformaciones electroelastomecánicas en cristales piezoeléctricos. Durante décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio, hasta que se convirtió en una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie. Este trabajo exploró y definió las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad, culminando con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física cristalina) de Woldemar Voigt.
Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y procedieron a deducir matemáticamente los principios termodinámicos fundamentales del efecto inverso. Esto fue hecho por Gabriel Lippmann en 1881. La piezoelectricidad se usó entonces para desarrollar un sonar durante la Primera Guerra Mundial. En Francia, Paul Langevin y sus compañeros de trabajo desarrollaron un detector submarino ultrasónico. Este detector constaba de un transductor hecho de finos cristales de cuarzo cuidadosamente pegados a placas de acero y un hidrófono para detectar el eco devuelto. Al emitir un pulso de alta frecuencia desde el transductor y medir el tiempo que lleva escuchar el eco de las ondas de sonido que rebotan en un objeto, pudieron calcular la distancia al objeto.
El uso de cristales piezoeléctricos fue desarrollado por Bell Telephone Laboratories después de la Segunda Guerra Mundial. Frederick R. Lack, que trabajaba en el departamento de ingeniería de radiotelefonía, desarrolló un cristal tallado que podía funcionar en un amplio rango de temperaturas. El cristal de Lack no necesitaba los pesados accesorios de los cristales anteriores, facilitando su uso en aeronaves. Este desarrollo permitió a las fuerzas aéreas aliadas participar en ataques masivos coordinados, utilizando la radio de aviación. El desarrollo de dispositivos y materiales piezoeléctricos en los Estados Unidos mantuvo a las empresas en el desarrollo de los comienzos de la guerra en el campo, y se desarrollaron intereses en obtener patentes rentables para nuevos materiales. Los cristales de cuarzo se explotaron comercialmente como material piezoeléctrico y los científicos buscaron materiales de mayor rendimiento. A pesar de los avances en los materiales y la maduración de los procesos de fabricación, los Estados Unidos
Gabriel Lippmann
La piezoelectricidad es un fenómeno electromecánico en el que la carga eléctrica se acumula en ciertos materiales sólidos, como cristales, cerámica y materia biológica como el hueso y el ADN. Es el resultado de una interacción entre estados mecánicos y eléctricos en materiales con simetría de inversión. La piezoelectricidad fue descubierta por primera vez por los físicos franceses Pierre y Jacques Curie en 1880.
La piezoelectricidad se ha aprovechado para una variedad de aplicaciones útiles, incluida la producción y detección de sonido, la impresión piezoeléctrica de inyección de tinta y la generación de electricidad de alto voltaje. Piezoelectricidad se deriva de las palabras griegas πιέζειν (piezein) que significa “apretar o apretar” y ἤλεκτρον (ēlektron) que significa “ámbar”, una antigua fuente de carga eléctrica.
El efecto piezoeléctrico es reversible, lo que significa que los materiales que exhiben piezoelectricidad también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, en el cual la generación interna de tensión mecánica resulta de la aplicación de un campo eléctrico. Por ejemplo, los cristales de titanato de zirconato de plomo generan piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforma de su dimensión original. Por el contrario, los cristales pueden cambiar su dimensión estática cuando se les aplica un campo eléctrico externo, un proceso conocido como efecto piezoeléctrico inverso. Este proceso se puede utilizar para producir ondas de ultrasonido.
El efecto piezoeléctrico se ha estudiado desde mediados del siglo XVIII, cuando Carl Linnaeus y Franz Aepinus, basándose en el conocimiento de René Hauy y Antoine César Becquerel, propusieron una relación entre el estrés mecánico y la carga eléctrica. Sin embargo, los experimentos no fueron concluyentes. No fue hasta que el conocimiento combinado de la piroelectricidad y la comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes dieron lugar a la predicción de la piroelectricidad que los investigadores pudieron predecir el comportamiento del cristal. Así lo demostró el efecto de cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle.
Gabriel Lippmann, en 1881, dedujo matemáticamente los principios termodinámicos fundamentales del efecto piezoeléctrico inverso. Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y obtuvieron una prueba cuantitativa de la completa reversibilidad de las deformaciones electroelastomecánicas en los cristales piezoeléctricos.
Durante décadas, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio hasta que se convirtió en una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre y Marie Curie. Su trabajo para explorar y definir las estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad culminó con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física cristalina) de Woldemar Voigt. Esto describió las clases de cristales naturales capaces de piezoelectricidad y definió rigurosamente las constantes piezoeléctricas con análisis tensorial.
La aplicación práctica de los dispositivos piezoeléctricos comenzó con el desarrollo del sonar durante la Primera Guerra Mundial. Paul Langevin y sus compañeros de trabajo desarrollaron un detector submarino ultrasónico. Este detector constaba de un transductor hecho de finos cristales de cuarzo cuidadosamente pegados a placas de acero y un hidrófono para detectar el eco devuelto. Al emitir un pulso de alta frecuencia desde el transductor y medir el tiempo que lleva escuchar el eco de las ondas de sonido que rebotan en un objeto, pudieron calcular la distancia al objeto. Este uso de la piezoelectricidad para el sonar fue un éxito y el proyecto generó un intenso interés de desarrollo en los dispositivos piezoeléctricos. Durante décadas, se exploraron y desarrollaron nuevos materiales piezoeléctricos y nuevas aplicaciones para estos materiales. Los dispositivos piezoeléctricos encontraron hogar en una variedad de campos, desde cartuchos de fonógrafo de cerámica que simplificaron el diseño del reproductor e hicieron que los tocadiscos baratos y precisos fueran más baratos de mantener y más fáciles de construir, hasta el desarrollo de transductores ultrasónicos que permitieron medir fácilmente la viscosidad y la elasticidad de los fluidos. y sólidos, dando como resultado grandes avances en la investigación de materiales. Los reflectómetros ultrasónicos en el dominio del tiempo envían un pulso ultrasónico a un material y miden los reflejos y las discontinuidades para encontrar fallas dentro de objetos de piedra y metal fundido, lo que mejora la seguridad estructural.
Después de la Segunda Guerra Mundial, grupos de investigación independientes en los Estados Unidos, Rusia y Japón descubrieron una nueva clase de materiales sintéticos llamados ferroeléctricos que exhibieron constantes piezoeléctricas hasta diez veces más altas que los materiales naturales. Esto condujo a una intensa investigación para desarrollar titanato de bario y, más tarde, titanato de circonato de plomo, materiales con propiedades específicas para aplicaciones particulares. Se desarrolló un ejemplo significativo del uso de cristales piezoeléctricos.
Woldemar Voigt
La piezoelectricidad es un fenómeno electromecánico en el que la carga eléctrica se acumula en ciertos materiales sólidos, como cristales, cerámica y materia biológica como el hueso y el ADN. Esta carga se genera en respuesta a un esfuerzo mecánico aplicado. La palabra piezoelectricidad se deriva de la palabra griega “piezein”, que significa “apretar o apretar”, y “elektron”, que significa “ámbar”, una antigua fuente de carga eléctrica.
El efecto piezoeléctrico resulta de una interacción electromecánica lineal entre los estados mecánico y eléctrico de materiales cristalinos con simetría de inversión. Este efecto es reversible, lo que significa que los materiales que exhiben piezoelectricidad también exhiben un efecto piezoeléctrico inverso, donde la generación interna de tensión mecánica resulta de un campo eléctrico aplicado. Por ejemplo, los cristales de titanato de zirconato de plomo generan piezoelectricidad medible cuando su estructura estática se deforma de su dimensión original. Por el contrario, los cristales pueden cambiar su dimensión estática cuando se les aplica un campo eléctrico externo, un fenómeno conocido como efecto piezoeléctrico inverso, que se utiliza en la producción de ondas de ultrasonido.
Los físicos franceses Pierre y Jacques Curie descubrieron la piezoelectricidad en 1880. Desde entonces, el efecto piezoeléctrico se ha explotado para una variedad de aplicaciones útiles, que incluyen la producción y detección de sonido, la impresión de inyección de tinta piezoeléctrica, la generación de electricidad de alto voltaje, generadores de reloj y dispositivos electrónicos. como microbalanzas y boquillas ultrasónicas de accionamiento para el enfoque ultrafino de conjuntos ópticos. También forma la base de los microscopios de sonda de barrido, que pueden resolver imágenes en la escala de los átomos. Además, las pastillas de las guitarras amplificadas electrónicamente y los disparadores de las baterías electrónicas modernas utilizan el efecto piezoeléctrico.
La piezoelectricidad también encuentra usos cotidianos en la generación de chispas para encender gas en dispositivos de cocina y calefacción, en antorchas, encendedores de cigarrillos y más. El efecto piroeléctrico, en el que un material genera un potencial eléctrico en respuesta a un cambio de temperatura, fue estudiado por Carl Linnaeus y Franz Aepinus a mediados del siglo XVIII, basándose en el conocimiento de Rene Hauy y Antoine Cesar Becquerel, quienes postularon una relación entre la mecánica tensión y carga eléctrica. Los experimentos para probar esta relación no fueron concluyentes.
La vista de un cristal piezoeléctrico en el compensador Curie del Museo Hunterian de Escocia es una demostración del efecto piezoeléctrico directo de los hermanos Pierre y Jacques Curie. La combinación de su conocimiento de la piroelectricidad con la comprensión de las estructuras cristalinas subyacentes dio lugar a la predicción de la piroelectricidad, lo que les permitió predecir el comportamiento cristalino que demostraron en el efecto de cristales como la turmalina, el cuarzo, el topacio, la caña de azúcar y la sal de Rochelle. . El tetrahidrato de tartrato de sodio y potasio y el cuarzo también exhibieron piezoelectricidad, y se usó un disco piezoeléctrico para generar un voltaje cuando se deformaba. Este cambio de forma fue muy exagerado en la demostración de Curie, y continuaron prediciendo el efecto piezoeléctrico inverso. El efecto contrario fue deducido matemáticamente de los principios termodinámicos fundamentales por Gabriel Lippmann en 1881.
Los Curie confirmaron inmediatamente la existencia del efecto inverso y obtuvieron una prueba cuantitativa de la completa reversibilidad de las deformaciones electroelastomecánicas en los cristales piezoeléctricos. En las décadas siguientes, la piezoelectricidad siguió siendo una curiosidad de laboratorio, hasta que se convirtió en una herramienta vital en el descubrimiento del polonio y el radio por parte de Pierre Marie Curie, quien la utilizó para explorar y definir estructuras cristalinas que exhibían piezoelectricidad. Esto culminó con la publicación de Lehrbuch der Kristallphysik (Libro de texto de física de cristales) de Woldemar Voigt, que describía las clases de cristales naturales capaces de generar piezoelectricidad y definía rigurosamente las constantes piezoeléctricas mediante análisis tensorial.
Esto condujo a la aplicación práctica de dispositivos piezoeléctricos, como el sonar, que se desarrolló durante la Primera Guerra Mundial. En Francia, Paul Langevin y sus compañeros de trabajo desarrollaron un detector submarino ultrasónico. Este detector consistía en un transductor hecho de finos cristales de cuarzo cuidadosamente pegados a placas de acero y un hidrófono para detectar el eco devuelto después de emitir un pulso de alta frecuencia desde el transductor. Al medir el tiempo que lleva escuchar el eco de las ondas sonoras que rebotan en un objeto, pudieron calcular la distancia al objeto. Usaron piezoelectricidad para hacer de este sonar un éxito, y el proyecto generó un intenso desarrollo e interés.
Relaciones importantes
- Actuadores piezoeléctricos: Los actuadores piezoeléctricos son dispositivos que convierten la energía eléctrica en movimiento mecánico. Se utilizan comúnmente en robótica, dispositivos médicos y otras aplicaciones donde se requiere un control de movimiento preciso.
- Sensores piezoeléctricos: Los sensores piezoeléctricos se utilizan para medir parámetros físicos como la presión, la aceleración y la vibración. A menudo se utilizan en aplicaciones industriales y médicas, así como en electrónica de consumo.
- Piezoelectricidad en la naturaleza: La piezoelectricidad es un fenómeno que ocurre naturalmente en ciertos materiales y se encuentra en muchos organismos vivos. Algunos organismos lo utilizan para sentir su entorno y comunicarse con otros organismos.
Conclusión
La piezoelectricidad es un fenómeno asombroso que se ha utilizado en una variedad de aplicaciones, desde sonar hasta cartuchos de fonógrafo. Se ha estudiado desde mediados del siglo XIX y se ha utilizado con gran eficacia en el desarrollo de la tecnología moderna. Esta publicación de blog ha explorado la historia y los usos de la piezoelectricidad y ha resaltado la importancia de este fenómeno en el desarrollo de la tecnología moderna. Para aquellos interesados en aprender más sobre la piezoelectricidad, esta publicación es un excelente punto de partida.
Soy Joost Nusselder, el fundador de Neaera y comercializador de contenido, papá, y me encanta probar nuevos equipos con la guitarra en el corazón de mi pasión, y junto con mi equipo, he estado creando artículos de blog detallados desde 2020 para ayudar a los lectores leales con consejos de grabación y guitarra.
