Pietsosähkö: Kattava opas sen mekaniikan ja sovellusten ymmärtämiseen

Pietsosähköisyydellä tarkoitetaan tiettyjen materiaalien kykyä tuottaa sähköä, kun ne altistetaan mekaaniselle rasitukselle ja päinvastoin. Sana tulee kreikan sanasta piezo, joka tarkoittaa painetta ja sähköä. Se löydettiin ensimmäisen kerran vuonna 1880, mutta käsite on ollut tiedossa pitkään.

Tunnetuin esimerkki pietsosähköisyydestä on kvartsi, mutta myös monet muut materiaalit osoittavat tätä ilmiötä. Pietsosähkön yleisin käyttötarkoitus on ultraäänen tuotanto.

Tässä artikkelissa käsittelen mitä pietsosähkö on, miten se toimii ja joitain tämän hämmästyttävän ilmiön monista käytännön sovelluksista.

Mikä on pietsosähkö?

Pietsosähköisyys on tiettyjen materiaalien kyky tuottaa sähkövaraus vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Se on lineaarinen sähkömekaaninen vuorovaikutus mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä kiteisissä materiaaleissa, joilla on inversiosymmetria. Pietsosähköisiä materiaaleja voidaan käyttää tuottamaan suurjännitesähköä, kellogeneraattoreita, elektronisia laitteita, mikrovaakaa, ohjaamaan ultraäänisuuttimia ja erittäin hienojakoisia optisia kokoonpanoja.

Pietsosähköisiä materiaaleja ovat kiteet, tietty keramiikka, biologiset aineet, kuten luu ja DNA, sekä proteiinit. Kun pietsosähköiseen materiaaliin kohdistetaan voima, se tuottaa sähkövarauksen. Tätä varausta voidaan sitten käyttää laitteiden tehostamiseen tai jännitteen luomiseen.

Pietsosähköisiä materiaaleja käytetään monissa sovelluksissa, mukaan lukien:
• Äänen tuottaminen ja havaitseminen
• Pietsosähköinen mustesuihkutulostus
• Korkeajännitesähkön tuotanto
• Kellogeneraattorit
• Elektroniset laitteet
• Mikrovaa'at
• Käytä ultraäänisuuttimia
• Erittäin hienot tarkentavat optiset kokoonpanot
• Sukkula elektronisesti vahvistetuille kitaroille
• Liipaisimet nykyaikaisille elektronisille rumpuille
• Kipinöiden tuottaminen kaasun sytyttämiseksi
• Ruoanlaitto- ja lämmityslaitteet
• Taskulamput ja tupakansytyttimet.

Mikä on pietsosähkön historia?

Ranskalaiset fyysikot Jacques ja Pierre Curie löysivät pietsosähkön vuonna 1880. Se on sähkövaraus, joka kerääntyy tiettyihin kiinteisiin materiaaleihin, kuten kiteisiin, keramiikkaan ja biologisiin aineisiin, vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Sana "pietsosähkö" on johdettu kreikan sanasta "piezein", joka tarkoittaa "purista" tai "purista", ja "elektron", joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä.

Pietsosähköinen vaikutus johtuu lineaarisesta sähkömekaanisesta vuorovaikutuksesta kiteisten materiaalien mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä inversiosymmetrisesti. Se on reversiibeli prosessi, mikä tarkoittaa, että materiaaleissa, joissa on pietsosähköisyyttä, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, joka on mekaanisen jännityksen sisäinen generointi, joka johtuu käytetystä sähkökentästä.

Curien yhdistetty tieto pyrosähköisyydestä ja taustalla olevien kiderakenteiden ymmärtäminen johtivat pyrosähköisyyden ennustamiseen ja kykyyn ennustaa kiteen käyttäytymistä. Tämä osoitettiin kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochelle-suolan vaikutuksesta.

Curiet vahvisti välittömästi käänteisen vaikutuksen olemassaolon ja jatkoi kvantitatiivisen todisteen saamiseksi pietsosähköisten kiteiden sähköelasto-mekaanisten muodonmuutosten täydellisestä palautuvuudesta. Vuosikymmenien ajan pietsosähkö pysyi laboratorion uteliaana, kunnes siitä tuli tärkeä työkalu Pierre ja Marie Curien poloniumin ja radiumin löytämisessä.

Pietsosähköä on hyödynnetty monissa hyödyllisissä sovelluksissa, kuten äänen tuottamisessa ja havaitsemisessa, pietsosähköisessä mustesuihkutulostuksessa, suurjännitesähkön tuottamisessa, kellogeneraattoreissa ja elektronisissa laitteissa, mikrovaa'at, ajaa ultraäänisuuttimet, optisten kokoonpanojen ultrahieno fokusointi ja skannauskoetinmikroskooppien pohjalta kuvien erottamiseksi atomien mittakaavassa.

Pietsosähköllä on myös jokapäiväistä käyttöä, kuten kipinöiden synnyttäminen kaasun sytyttämiseksi ruoanlaitto- ja lämmityslaitteissa, taskulamput, tupakansytyttimet ja pyrosähköinen vaikutus, jossa materiaali synnyttää sähköpotentiaalin vasteena lämpötilan muutokselle.

Luotain kehitettäessä ensimmäisen maailmansodan aikana käytettiin Bell Telephone Laboratoriesin kehittämiä pietsosähköisiä kiteitä. Tämä antoi liittoutuneiden ilmavoimille mahdollisuuden osallistua koordinoituihin joukkohyökkäyksiin käyttämällä ilmailuradiota. Pietsosähköisten laitteiden ja materiaalien kehitys Yhdysvalloissa piti yritykset kehittämässä sodan alkua etujen alalla ja saivat kannattavia patentteja uusille materiaaleille.

Japani näki Yhdysvaltojen pietsosähköteollisuuden uudet sovellukset ja kasvun ja kehitti nopeasti omansa. He jakoivat tietoa nopeasti ja kehittivät bariumtitanaatti- ja myöhemmin lyijyzirkonaattititanaattimateriaaleja, joilla on erityisiä ominaisuuksia tiettyihin sovelluksiin.

Pietsosähköisyys on kulkenut pitkän tien sen keksimisen jälkeen vuonna 1880, ja sitä käytetään nykyään monissa jokapäiväisissä sovelluksissa. Sitä on myös käytetty materiaalitutkimuksen edistymiseen, kuten ultraääniaikaalueen reflektometreihin, jotka lähettävät ultraäänipulssin materiaalin läpi mittaamaan heijastuksia ja epäjatkuvuuksia löytääkseen puutteita valettujen metalli- ja kiviesineiden sisällä, mikä parantaa rakenteellista turvallisuutta.

Kuinka pietsosähkö toimii

Tässä osiossa tutkin, miten pietsosähkö toimii. Tarkastelen sähkövarauksen kertymistä kiinteisiin aineisiin, lineaarista sähkömekaanista vuorovaikutusta ja palautuvaa prosessia, jotka muodostavat tämän ilmiön. Aion myös keskustella pietsosähkön historiasta ja sen sovelluksista.

Sähkövarauksen kerääntyminen kiinteisiin aineisiin

Pietsosähköisyys on sähkövarausta, joka kerääntyy tiettyihin kiinteisiin materiaaleihin, kuten kiteisiin, keramiikkaan ja biologisiin aineisiin, kuten luuhun ja DNA:han. Se on vastaus kohdistettuun mekaaniseen rasitukseen, ja sen nimi tulee kreikan sanoista "piezein" (purista tai paina) ja "ēlektron" (meripihka).

Pietsosähköinen vaikutus johtuu lineaarisesta sähkömekaanisesta vuorovaikutuksesta mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä kiteisissä materiaaleissa, joilla on inversiosymmetria. Se on palautuva prosessi, mikä tarkoittaa, että pietsosähköisillä materiaaleilla on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, jossa sisäisen mekaanisen jännityksen muodostuminen johtuu käytetystä sähkökentästä. Esimerkkejä materiaaleista, jotka tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, ovat lyijysirkonaattititanaattikiteet.

Ranskalaiset fyysikot Pierre ja Jacques Curie löysivät pietsosähkön vuonna 1880. Sitä on sittemmin käytetty useisiin hyödyllisiin sovelluksiin, kuten äänen tuottamiseen ja havaitsemiseen, pietsosähköiseen mustesuihkutulostukseen, suurjännitesähkön tuottamiseen, kellogeneraattoreihin ja elektronisiin laitteisiin, kuten mikrovaaoihin. ja ajavat ultraäänisuuttimet optisten kokoonpanojen ultrahienoon tarkennukseen. Se muodostaa myös perustan pyyhkäisykoettimikroskoopeille, jotka voivat erottaa kuvia atomien mittakaavassa. Pietsosähköä käytetään myös elektronisesti vahvistettujen kitaroiden mikrofoneissa ja nykyaikaisten elektronisten rumpujen triggereissä.

Pietsosähköä käytetään jokapäiväisessä käytössä kipinöiden synnyttämisessä kaasun sytyttämiseksi, ruoanlaitto- ja lämmityslaitteissa, taskulampuissa, tupakansytyttimissä sekä pyrosähköisessä efektissä, jossa materiaali synnyttää sähköpotentiaalin vasteena lämpötilan muutokselle. Carl Linnaeus ja Franz Aepinus tutkivat tätä 18-luvun puolivälissä hyödyntäen René Haüyn ja Antoine César Becquerelin tietoja, jotka esittivät suhteen mekaanisen jännityksen ja sähkövarauksen välillä. Kokeet osoittautuivat epäselviksi.

Näkymä pietsokysteestä Curie-kompensaattorissa Hunterian Museumissa Skotlannissa on osoitus suorasta pietsosähköisestä vaikutuksesta. Veljekset Pierre ja Jacques Curie yhdistivät tietonsa pyrosähköisyydestä taustalla olevien kiderakenteiden ymmärtämiseen, mikä johti pyrosähköisyyden ennustukseen. He pystyivät ennustamaan kiteiden käyttäytymisen ja osoittivat vaikutuksen kiteissä, kuten turmaliinissa, kvartsissa, topaasissa, ruokosokerissa ja Rochelle-suolassa. Natriumkaliumtartraattitetrahydraatti ja kvartsi osoittivat myös pietsosähköisyyttä. Pietsosähköinen levy synnyttää jännitteen muuttuessaan, ja muodon muutos on suuresti liioiteltu Curiesin esittelyssä.

He pystyivät ennustamaan käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen, ja Gabriel Lippmann päätteli käänteisen vaikutuksen matemaattisesti vuonna 1881. Curiet vahvisti välittömästi käänteisen vaikutuksen olemassaolon ja jatkoi kvantitatiivisen todisteen saamiseksi sähköelasto-elastisten aineiden täydellisestä palautuvuudesta. mekaaniset muodonmuutokset pietsosähköisissä kiteissä.

Pietsosähkö oli vuosikymmeniä laboratoriouteliaisuus, mutta se oli tärkeä työkalu Pierre ja Marie Curien poloniumin ja radiumin löytämisessä. Heidän työnsä pietsosähköisyyttä osoittavien kiderakenteiden tutkimiseksi ja määrittelemiseksi huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik -kirjan (Crystal Physicsin oppikirja) julkaisuun, jossa kuvattiin pietsosähköisyyteen kykeneviä luonnollisia kideluokkia ja määriteltiin tarkasti pietsosähköiset vakiot tensorianalyysin avulla. Tämä oli pietsosähköisten laitteiden käytännön sovellus, ja luotain kehitettiin ensimmäisen maailmansodan aikana. Ranskassa Paul Langevin ja hänen työtoverinsa kehittivät ultraääni-sukellusveneilmaisimen.

Ilmaisin koostui a anturin valmistettu ohuista kvartsikiteistä, jotka on liimattu huolellisesti teräslevyihin, ja hydrofonista palaavan kaiun havaitsemiseksi. Lähettämällä korkea taajuus pulssin anturista ja mittaamalla aikaa, joka kuluu esineestä pomppivien ääniaaltojen kaiun kuulemiseen, he pystyivät laskemaan etäisyyden kohteeseen. He käyttivät pietsosähköä luodakseen luotain menestyksen, ja projekti loi intensiivisen kehityksen ja kiinnostuksen pietsosähköisiin laitteisiin. Vuosikymmenten aikana uusia pietsosähköisiä materiaaleja ja materiaalien uusia sovelluksia on tutkittu ja kehitetty, ja pietsosähköisiä laitteita on löytynyt useilta eri aloilta. Keraamiset fonografikasetit yksinkertaistivat soittimen suunnittelua ja luovat halpoja ja tarkkoja levysoittimia, jotka olivat halvempia ylläpitää ja helpompia rakentaa.

Ultraääniantureiden kehitys mahdollisti nesteiden ja kiinteiden aineiden viskositeetin ja elastisuuden helpon mittauksen, mikä johti valtavaan edistykseen materiaalitutkimuksessa.

Lineaarinen sähkömekaaninen vuorovaikutus

Pietsosähköisyys on tiettyjen materiaalien kykyä muodostaa sähkövaraus, kun ne altistetaan mekaaniselle rasitukselle. Sana on johdettu kreikan sanoista πιέζειν (piezein), joka tarkoittaa "puristaa tai painaa" ja ἤλεκτρον (ēlektron), joka tarkoittaa "meripihkaa", joka oli muinainen sähkövarauksen lähde.

Ranskalaiset fyysikot Jacques ja Pierre Curie löysivät pietsosähkön vuonna 1880. Se perustuu lineaariseen sähkömekaaniseen vuorovaikutukseen kiteisten materiaalien mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä inversiosymmetrisesti. Tämä vaikutus on palautuva, mikä tarkoittaa, että materiaaleilla, jotka osoittavat pietsosähköisyyttä, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, jolloin sisäisen mekaanisen jännityksen muodostuminen johtuu käytetystä sähkökentästä. Esimerkkejä materiaaleista, jotka tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä staattisesta rakenteestaan ​​muuttuessaan, ovat lyijysirkonaattititanaattikiteet. Sitä vastoin kiteet voivat muuttaa staattista mittaansa, kun ulkoista sähkökenttää käytetään, mikä tunnetaan käänteisenä pietsosähköisenä efektinä ja jota käytetään ultraääniaaltojen tuotannossa.

Pietsosähköä on hyödynnetty useisiin hyödyllisiin sovelluksiin, kuten:

• Äänen tuottaminen ja havaitseminen
• Pietsosähköinen mustesuihkutulostus
• Korkeajännitesähkön tuotanto
• Kellogeneraattori
• Elektroniset laitteet
• Mikrovaa'at
• Käytä ultraäänisuuttimia
• Erittäin hienot tarkentavat optiset kokoonpanot
• Muodostaa perustan pyyhkäisykoettimikroskoopeille kuvien erottamiseksi atomien mittakaavassa
• Mikrofonit elektronisesti vahvistetuissa kitaroissa
• Liipaisimet nykyaikaisissa elektronisissa rummuissa
• Kipinöiden synnyttäminen kaasun sytyttämiseksi keitto- ja lämmityslaitteissa
• Taskulamput ja tupakansytyttimet

Pietsosähköisyydellä on myös jokapäiväistä käyttöä pyrosähköisessä efektissä, joka on materiaali, joka tuottaa sähköpotentiaalin vasteena lämpötilan muutokselle. Carl Linnaeus ja Franz Aepinus tutkivat tätä 18-luvun puolivälissä hyödyntäen René Haüyn ja Antoine César Becquerelin tietoja, jotka esittivät suhteen mekaanisen jännityksen ja sähkövarauksen välillä. Kokeilut osoittautuivat kuitenkin epäselviksi.

Pietsokysteen katseleminen Curie-kompensaattorissa Hunterian Museumissa Skotlannissa on osoitus suorasta pietsosähköisestä vaikutuksesta. Veljesten Pierre ja Jacques Curien työ tutki ja määritteli pietsosähköisyyttä osoittavia kiderakenteita, mikä huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik -kirjan (Kristallifysiikan oppikirja) julkaisuun. Tämä kuvasi pietsosähköisyyteen kykeneviä luonnollisia kideluokkia ja määritteli tarkasti pietsosähköiset vakiot tensorianalyysin avulla, mikä johti pietsosähköisten laitteiden käytännön soveltamiseen.

Sonar kehitettiin ensimmäisen maailmansodan aikana, kun ranskalainen Paul Langevin ja hänen työtoverinsa kehittivät ultraääni-sukellusveneilmaisimen. Tämä ilmaisin koostui ohuista kvartsikiteistä tehdystä muuntimesta, joka oli liimattu huolellisesti teräslevyihin, ja hydrofonista, joka havaitsi palautetun kaiun sen jälkeen, kun lähettimestä oli lähetetty suurtaajuuspulssi. Mittaamalla aikaa, joka kuluu esineestä pomppivien ääniaaltojen kaiun kuulemiseen, he pystyivät laskemaan kohteen etäisyyden käyttämällä pietsosähköisyyttä. Tämän projektin menestys loi intensiivisen kehityksen ja kiinnostuksen pietsosähköisiin laitteisiin vuosikymmenten aikana, kun uusia pietsosähköisiä materiaaleja ja uusia sovelluksia näille materiaaleille on tutkittu ja kehitetty. Pietsosähköisiä laitteita on löytynyt monilta aloilta, kuten keraamiset fonografikasetit, jotka yksinkertaistivat soittimen suunnittelua ja tekivät halvempia ja tarkempia levysoittimia sekä halvempia ja helpompia rakentaa ja huoltaa.

Ultraääniantureiden kehitys mahdollisti nesteiden ja kiinteiden aineiden viskositeetin ja elastisuuden helpon mittaamisen, mikä johti valtavaan edistykseen materiaalitutkimuksessa. Ultraääniaikaalueen reflektometrit lähettävät ultraäänipulssin materiaaliin ja mittaavat heijastuksia ja epäjatkuvuuksia löytääkseen puutteita valettujen metalli- ja kiviesineiden sisällä, mikä parantaa rakenteellista turvallisuutta. Toisen maailmansodan jälkeen riippumattomat tutkimusryhmät Yhdysvalloissa, Venäjällä ja Japanissa löysivät uuden luokan synteettisiä materiaaleja, joita kutsutaan ferrosähköisiksi ja joiden pietsosähköiset vakiot olivat monta kertaa suurempia kuin luonnollisten materiaalien. Tämä johti intensiiviseen tutkimukseen bariumtitanaatin ja myöhemmin lyijysirkonaattititanaatin kehittämiseksi materiaaleilla, joilla on erityisiä ominaisuuksia tiettyihin sovelluksiin.

Bell Telephone Laboratories kehitti toisen maailmansodan jälkeen merkittävän esimerkin pietsosähköisten kiteiden käytöstä. Frederick R. Lack, joka työskentelee radiopuhelintekniikan osastolla,

Käännettävä prosessi

Pietsosähköisyys on sähkövaraus, joka kerääntyy tiettyihin kiinteisiin materiaaleihin, kuten kiteisiin, keramiikkaan ja biologisiin aineisiin, kuten luuhun ja DNA:han. Se on näiden materiaalien vaste käytettyyn mekaaniseen rasitukseen. Sana "pietsosähkö" tulee kreikan sanoista "piezein", joka tarkoittaa "purista" tai "purista" ja "ēlektron", joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä.

Pietsosähköinen vaikutus johtuu lineaarisesta sähkömekaanisesta vuorovaikutuksesta kiteisten materiaalien mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä inversiosymmetrisesti. Se on reversiibeli prosessi, mikä tarkoittaa, että materiaaleissa, joissa on pietsosähköisyyttä, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, joka on mekaanisen jännityksen sisäinen generointi, joka johtuu käytetystä sähkökentästä. Esimerkkejä materiaaleista, jotka tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, ovat lyijysirkonaattititanaattikiteet. Kun näiden kiteiden staattinen rakenne muuttuu, ne palaavat alkuperäiseen mittaansa, ja päinvastoin, kun ulkoinen sähkökenttä kohdistetaan, ne muuttavat staattista mittaansa tuottaen ultraääniaaltoja.

Ranskalaiset fyysikot Jacques ja Pierre Curie löysivät pietsosähkön vuonna 1880. Sitä on sittemmin hyödynnetty useisiin hyödyllisiin sovelluksiin, kuten äänen tuottamiseen ja havaitsemiseen, pietsosähköiseen mustesuihkutulostukseen, suurjännitesähkön tuottamiseen, kellogeneraattoreihin, elektronisiin laitteisiin, mikrovaakauksiin, ajaa ultraäänisuuttimia ja ultrahienoja tarkennusoptisia kokoonpanoja. Se muodostaa myös perustan skannaaville koetinmikroskoopeille, jotka voivat erottaa kuvia atomien mittakaavassa. Pietsosähköä käytetään myös elektronisesti vahvistettujen kitaroiden mikrofoneissa ja nykyaikaisten elektronisten rumpujen triggereissä.

Pietsosähköllä on myös jokapäiväistä käyttöä, kuten kipinöiden synnyttämistä kaasun sytyttämiseksi ruoanlaitto- ja lämmityslaitteissa, taskulampuissa, tupakansytyttimissä ja muissa. Carl Linnaeus, Franz Aepinus ja René Haüy tutkivat 18-luvun puolivälissä pyrosähköistä vaikutusta, jossa materiaali synnyttää sähköisen potentiaalin vasteena lämpötilan muutokselle. Antoine César Becquerel esitti yhteyden mekaanisen jännityksen ja sähkövarauksen välillä, mutta kokeet osoittautuivat epäselviksi.

Glasgow'n Hunterian-museon vierailijat voivat katsella Piezo Crystal Curie -kompensaattoria, joka on veljesten Pierre ja Jacques Curien esittämä suora pietsosähköinen vaikutus. Yhdistämällä heidän tietämyksensä pyrosähköisyydestä taustalla olevien kiderakenteiden ymmärtämiseen johti pyrosähköisyyden ennustamiseen ja kykyyn ennustaa kiteen käyttäytymistä. Tämä osoitettiin kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochelle-suolan vaikutuksilla. Natrium- ja kaliumtartraattitetrahydraatilla ja kvartsilla oli myös pietsosähköisyyttä, ja pietsosähköistä kiekkoa käytettiin synnyttämään jännite, kun ne muuttuivat. Curiet liioitteli tätä muodon muutosta käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen ennustamiseksi. Gabriel Lippmann päätteli käänteisen vaikutuksen matemaattisesti termodynaamisista perusperiaatteista vuonna 1881.

Curiet vahvisti välittömästi käänteisen vaikutuksen olemassaolon ja jatkoi kvantitatiivisen todisteen saamiseksi pietsosähköisten kiteiden sähköelasto-mekaanisten muodonmuutosten täydellisestä palautuvuudesta. Pietsosähkö oli vuosikymmeniä laboratoriouteliaisuus, mutta se oli tärkeä työkalu Pierre ja Marie Curien poloniumin ja radiumin löytämisessä. Heidän työnsä pietsosähköisyyttä osoittavien kiderakenteiden tutkimiseksi ja määrittelemiseksi huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik -kirjan (Kristallifysiikan oppikirja) julkaisuun. Tämä kuvasi pietsosähköisyyteen kykenevät luonnolliset kideluokat ja määritteli tarkasti pietsosähköiset vakiot tensorianalyysin avulla.

Pietsosähköisten laitteiden, kuten kaikuluotaimen, käytännön sovellus kehitettiin ensimmäisen maailmansodan aikana. Ranskassa Paul Langevin ja hänen työtoverinsa kehittivät ultraääni-sukellusveneilmaisimen. Tämä ilmaisin koostui ohuista kvartsikiteistä tehdystä muuntimesta, joka oli liimattu huolellisesti teräslevyihin, ja hydrofonista palautetun kaiun havaitsemiseksi. Lähettämällä korkeataajuisen pulssin muuntimesta ja mittaamalla aikaa, joka kuluu esineestä pomppivien ääniaaltojen kaiun kuulemiseen, he pystyivät laskemaan kohteen etäisyyden. He käyttivät pietsosähköä tehdäkseen tästä kaikuluotaimesta menestyksen. Tämä projekti synnytti intensiivistä kehitystä ja kiinnostusta pietsosähköisiin laitteisiin, ja vuosikymmenten aikana uusia pietsosähköisiä materiaaleja ja uusia sovelluksia näille materiaaleille on tutkittu ja kehitetty. Pietsosähköiset laitteet

Mikä aiheuttaa pietsosähköisyyttä?

Tässä osiossa tutkin pietsosähkön alkuperää ja erilaisia ​​materiaaleja, jotka osoittavat tämän ilmiön. Tarkastelen kreikan sanaa "piezein", muinaista sähkövarauksen lähdettä ja pyrosähkövaikutusta. Aion myös keskustella Pierre ja Jacques Curien löydöistä ja pietsosähköisten laitteiden kehityksestä 20-luvulla.

Kreikan sana Piezein

Pietsosähköisyys on sähkövarauksen kertymistä tiettyihin kiinteisiin materiaaleihin, kuten kiteisiin, keramiikkaan ja biologisiin aineisiin, kuten luuhun ja DNA:han. Se johtuu näiden materiaalien vasteesta käytettyyn mekaaniseen rasitukseen. Sana pietsosähkö tulee kreikan sanasta "piezein", joka tarkoittaa "puristaa tai painaa", ja "ēlektron", joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä.

Pietsosähköinen vaikutus johtuu lineaarisesta sähkömekaanisesta vuorovaikutuksesta kiteisten materiaalien mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä inversiosymmetrisesti. Se on palautuva prosessi, mikä tarkoittaa, että pietsosähköisillä materiaaleilla on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, joka on käytetyn sähkökentän aiheuttaman mekaanisen jännityksen sisäinen muodostuminen. Esimerkiksi lyijysirkonaattititanaattikiteet tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, kun niiden staattinen rakenne muuttuu alkuperäisestä mittasuhteestaan. Sitä vastoin kiteet voivat muuttaa staattista mittaansa, kun ulkoista sähkökenttää käytetään, mikä tunnetaan käänteisenä pietsosähköisenä efektinä ja on ultraääniaaltojen tuotto.

Ranskalaiset fyysikot Jacques ja Pierre Curie löysivät pietsosähkön vuonna 1880. Pietsosähköistä vaikutusta on hyödynnetty monissa hyödyllisissä sovelluksissa, kuten äänen tuottamisessa ja havaitsemisessa, pietsosähköisessä mustesuihkutulostuksessa, suurjännitesähkön tuottamisessa, kellogeneraattoreissa ja elektronisissa laitteissa, kuten mikrovaaoissa. , ajaa ultraäänisuuttimia ja ultrahienoja tarkennusoptisia kokoonpanoja. Se muodostaa myös perustan pyyhkäisykoettimikroskoopeille, jotka voivat erottaa kuvia atomien mittakaavassa. Pietsosähköä käytetään myös elektronisesti vahvistettujen kitaroiden mikrofoneissa ja nykyaikaisten elektronisten rumpujen triggereissä.

Pietsosähköllä on jokapäiväistä käyttöä, kuten kipinöiden synnyttämistä kaasun sytyttämiseksi ruoanlaitto- ja lämmityslaitteissa, taskulampuissa, tupakansytyttimissä ja muissa. Carl Linnaeus ja Franz Aepinus tutkivat 18-luvun puolivälissä pyrosähköistä vaikutusta, joka on sähköisen potentiaalin synnyttäminen vasteena lämpötilan muutokselle, René Haüyn ja Antoine César Becquerelin tietämyksen pohjalta. mekaaninen rasitus ja sähkövaraus. Kokeet osoittautuivat epäselviksi.

Skotlannin museossa vierailijat voivat katsella pietsokideistä Curie-kompensaattoria, joka on veljesten Pierre ja Jacques Curien osoitus suorasta pietsosähköisestä vaikutuksesta. Yhdistämällä heidän tietämyksensä pyrosähköisyydestä taustalla olevien kiderakenteiden ymmärtämiseen johti pyrosähköisyyden ennustamiseen ja kykyyn ennustaa kiteen käyttäytymistä. Tämä osoitti kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochelle-suolan, vaikutus. Natriumkaliumtartraattitetrahydraatti ja Rochellen suolan kvartsi osoittivat pietsosähköisyyttä, ja pietsosähköinen kiekko synnyttää jännitettä, kun se muuttui. Tämä muodonmuutos on suuresti liioiteltu Curien mielenosoituksissa.

Curiet jatkoi saamaan kvantitatiivisia todisteita pietsosähköisten kiteiden sähköelasto-mekaanisten muodonmuutosten täydellisestä palautuvuudesta. Pietsosähkö oli vuosikymmeniä laboratoriouteliaisuus, kunnes siitä tuli tärkeä työkalu Pierre ja Marie Curien poloniumin ja radiumin löytämisessä. Heidän työnsä pietsosähköisyyttä osoittavien kiderakenteiden tutkimiseksi ja määrittelemiseksi huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik -kirjan (Kristallifysiikan oppikirja) julkaisuun. Tämä kuvasi pietsosähköisyyteen kykeneviä luonnollisia kideluokkia ja määritteli tarkasti pietsosähköiset vakiot tensorianalyysin avulla.

Tämä pietsosähkön käytännöllinen sovellus johti kaikuluotaimen kehittämiseen ensimmäisen maailmansodan aikana. Ranskassa Paul Langevin ja hänen työtoverinsa kehittivät ultraääni-sukellusveneilmaisimen. Ilmaisin koostui ohuista kvartsikiteistä tehdystä muuntimesta, joka oli liimattu huolellisesti teräslevyihin, nimeltään hydrofoni, joka havaitsee palaavan kaiun suurtaajuisen pulssin lähettämisen jälkeen. Muunnin mittasi ajan, joka kului esineestä pomppivien ääniaaltojen kaiun kuulemiseen laskeakseen kohteen etäisyyden. Pietsosähkön käyttö kaikuluotaimessa oli menestys, ja projekti loi intensiivistä kehitystä ja kiinnostusta pietsosähköisiin laitteisiin vuosikymmeniä.

Uusia pietsosähköisiä materiaaleja ja uusia sovelluksia näille materiaaleille tutkittiin ja kehitettiin, ja pietsosähköisiä laitteita löytyi monilta aloilta, kuten keraamiset fonografikasetit, jotka yksinkertaistivat soittimen suunnittelua ja tekivät halvempia, tarkempia levysoittimia, jotka olivat halvempia huoltaa ja helpompia. rakentaa. Kehitys

Muinainen sähkölatauksen lähde

Pietsosähköisyys on sähkövarausta, joka kerääntyy tiettyihin kiinteisiin materiaaleihin, kuten kiteisiin, keramiikkaan ja biologisiin aineisiin, kuten luuhun ja DNA:han. Se johtuu materiaalin reaktiosta mekaaniseen rasitukseen. Sana "pietsosähkö" tulee kreikan sanasta "piezein", joka tarkoittaa "puristaa tai painaa", ja sanasta "elektron", joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä.

Pietsosähköinen vaikutus johtuu lineaarisesta sähkömekaanisesta vuorovaikutuksesta kiteisten materiaalien mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä inversiosymmetrisesti. Se on palautuva prosessi, mikä tarkoittaa, että pietsosähköisillä materiaaleilla on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, joka on käytetyn sähkökentän aiheuttaman mekaanisen jännityksen sisäinen muodostuminen. Esimerkiksi lyijysirkonaattititanaattikiteet tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, kun niiden staattinen rakenne muuttuu alkuperäisestä mittasuhteestaan. Päinvastoin, kun ulkoista sähkökenttää käytetään, kiteet muuttavat staattista mittaansa käänteisessä pietsosähköisessä vaikutuksessa, jolloin syntyy ultraääniaaltoja.

Pietsosähköisen ilmiön löysivät vuonna 1880 ranskalaiset fyysikot Jacques ja Pierre Curie. Sitä hyödynnetään useissa hyödyllisissä sovelluksissa, mukaan lukien äänen tuottaminen ja havaitseminen, pietsosähköinen mustesuihkutulostus, suurjännitesähkön tuottaminen, kellogeneraattorit ja elektroniset laitteet, kuten mikrovaa'at ja ajavat ultraäänisuuttimet optisten kokoonpanojen ultrahienolliseen tarkentamiseen. Se muodostaa myös perustan skannaaville koetinmikroskoopeille, joita käytetään atomien mittakaavan kuvien erottamiseen. Pietsosähköä käytetään myös elektronisesti vahvistettujen kitaroiden mikrofoneissa ja nykyaikaisten elektronisten rumpujen triggereissä.

Pietsosähköllä on jokapäiväistä käyttöä kipinöiden synnyttämiseksi kaasun sytyttämiseksi ruoanlaitto- ja lämmityslaitteissa, taskulampuissa, tupakansytyttimissä ja muissa laitteissa. Carl Linnaeus ja Franz Aepinus tutkivat 18-luvun puolivälissä pyrosähköistä vaikutusta, joka on sähköisen potentiaalin tuottoa vasteena lämpötilan muutokselle, René Haüyn ja Antoine César Becquerelin tietämyksen pohjalta. stressi ja sähkövaraus. Heidän kokeilunsa osoittautuivat kuitenkin epäselviksi.

Näkymä pietsokysteestä ja Curie-kompensaattorista Hunterian Museumissa Skotlannissa osoittavat suoran pietsosähköisen vaikutuksen. Veljesten Pierre ja Jacques Curien työ tutki ja määritteli pietsosähköisyyttä osoittavia kiderakenteita, mikä huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik -kirjan (Kristallifysiikan oppikirja) julkaisuun. Tämä kuvasi pietsosähköisyyteen kykenevät luonnolliset kideluokat ja määritteli tarkasti pietsosähköiset vakiot tensorianalyysin avulla, mikä mahdollistaa pietsosähköisten laitteiden käytännön soveltamisen.

Luotain kehitti ensimmäisen maailmansodan aikana ranskalainen Paul Langevin ja hänen työtoverinsa, jotka kehittivät ultraäänisukellusveneilmaisimen. Ilmaisin koostui ohuista kvartsikiteistä tehdystä muuntimesta, joka oli liimattu huolellisesti teräslevyihin, ja hydrofonista palaavan kaiun havaitsemiseksi. Lähettämällä korkeataajuisen pulssin muuntimesta ja mittaamalla aikaa, joka kuluu esineestä pomppivien ääniaaltojen kaiun kuulemiseen, he pystyivät laskemaan etäisyyden kohteeseen. He käyttivät pietsosähköä tehdäkseen tästä kaikuluotaimesta menestyksen. Projekti loi intensiivistä kehitystä ja kiinnostusta pietsosähköisiin laitteisiin vuosikymmeniä.

Pyrosähkö

Pietsosähköisyys on tiettyjen materiaalien kyky kerätä sähkövarausta vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Se on lineaarinen sähkömekaaninen vuorovaikutus kiteisten materiaalien mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä, jolla on inversiosymmetria. Sana "pietsosähkö" on johdettu kreikan sanasta "piezein", joka tarkoittaa "puristaa tai painaa", ja kreikan sanasta "ēlektron", joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä.

Pietsosähköisen ilmiön löysivät ranskalaiset fyysikot Jacques ja Pierre Curie vuonna 1880. Se on palautuva prosessi, mikä tarkoittaa, että materiaaleissa, joilla on pietsosähköinen vaikutus, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, joka on mekaanisen jännityksen sisäinen generointi, joka johtuu sovelletusta sähkökentästä. Esimerkkejä materiaaleista, jotka tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, ovat lyijysirkonaattititanaattikiteet. Kun staattinen rakenne muuttaa muotoaan, se palaa alkuperäiseen mittaansa. Päinvastoin, kun ulkoista sähkökenttää käytetään, syntyy käänteinen pietsosähköinen vaikutus, mikä johtaa ultraääniaaltojen muodostumiseen.

Pietsosähköistä vaikutusta hyödynnetään monissa hyödyllisissä sovelluksissa, mukaan lukien äänen tuottaminen ja havaitseminen, pietsosähköinen mustesuihkutulostus, suurjännitesähkön tuottaminen, kellogeneraattorit ja elektroniset laitteet, kuten mikrovaa'at, ajaa ultraäänisuuttimet ja ultrahienot optiset kokoonpanot. Se on myös perusta pyyhkäisyanturimikroskoopeille, joita käytetään atomien mittakaavassa olevien kuvien erottamiseen. Pietsosähköä käytetään myös elektronisesti vahvistettujen kitaroiden mikrofoneissa ja nykyaikaisten elektronisten rumpujen triggereissä.

Pietsosähköllä on jokapäiväistä käyttöä, kuten kipinöiden synnyttämistä kaasun sytyttämiseksi ruoanlaitto- ja lämmityslaitteissa, taskulampuissa, tupakansytyttimissä ja muissa. Carl Linnaeus ja Franz Aepinus tutkivat 18-luvun puolivälissä pyrosähköistä vaikutusta, joka on sähköisen potentiaalin tuottoa vasteena lämpötilan muutokselle, perustuen René Haüyn ja Antoine César Becquerelin tietoihin, jotka olivat esittäneet suhteen. mekaanisen rasituksen ja sähkövarauksen välillä. Kokeilut osoittautuivat kuitenkin epäselviksi.

Skotlannin Curie Compensator -museon pietsosähköinen näkymä on osoitus suorasta pietsosähköisestä vaikutuksesta. Veljekset Pierre ja Jacques Curie yhdistivät tietämyksensä pyrosähköisyydestä ja ymmärryksensä taustalla olevista kiderakenteista synnyttääkseen ymmärryksen pyrosähköisyydestä ja ennustaakseen kiteen käyttäytymistä. Tämä osoitettiin kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochelle-suolan vaikutuksesta. Natriumkaliumtartraattitetrahydraatilla ja kvartsilla havaittiin olevan pietsosähköisyyttä, ja pietsosähköistä kiekkoa käytettiin synnyttämään jännite, kun se muuttui. Curiet liioitteli tätä suuresti ennustaakseen käänteistä pietsosähköistä vaikutusta. Gabriel Lippmann päätteli käänteisen vaikutuksen matemaattisesti termodynaamisten perusperiaatteiden avulla vuonna 1881.

Curiet vahvisti välittömästi käänteisen vaikutuksen olemassaolon ja jatkoi kvantitatiivisen todisteen saamiseksi pietsosähköisten kiteiden sähköelasto-mekaanisten muodonmuutosten täydellisestä palautuvuudesta. Seuraavina vuosikymmeninä pietsosähkö pysyi laboratorion uteliaana, kunnes siitä tuli tärkeä työkalu Pierre ja Marie Curien poloniumin ja radiumin löytämisessä. Heidän työnsä pietsosähköisyyttä osoittavien kiderakenteiden tutkimiseksi ja määrittelemiseksi huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik -kirjan (Kristallifysiikan oppikirja) julkaisuun.

Luotainkehitys onnistui, ja projekti synnytti intensiivistä kehitystä ja kiinnostusta pietsosähköisiin laitteisiin. Seuraavina vuosikymmeninä uusia pietsosähköisiä materiaaleja ja uusia sovelluksia näille materiaaleille tutkittiin ja kehitettiin. Pietsosähköiset laitteet löysivät koteja monilta aloilta, kuten keraamiset fonografikasetit, jotka yksinkertaistivat soittimen suunnittelua ja tekivät halvempia, tarkempia levysoittimia, jotka olivat halvempia ylläpitää ja helpompia rakentaa. Ultraääniantureiden kehitys mahdollisti nesteiden ja kiinteiden aineiden viskositeetin ja elastisuuden helpon mittauksen, mikä johti valtavaan edistykseen materiaalitutkimuksessa. Ultraääniaikaalueen reflektometrit lähettävät ultraäänipulssin materiaaliin ja mittaavat heijastuksia ja epäjatkuvuuksia löytääkseen puutteita valettujen metalli- ja kiviesineiden sisällä, mikä parantaa rakenteellista turvallisuutta.

Toisen maailmansodan jälkeen riippumattomat tutkimusryhmät Yhdysvalloissa, Venäjällä ja Japanissa löysivät uuden luokan synteettisiä materiaaleja, joita kutsutaan ferrosähköisiksi ja joiden pietsosähköiset vakiot olivat

Pietsosähköiset materiaalit

Tässä osiossa käsittelen materiaaleja, joilla on pietsosähköinen vaikutus, joka on tiettyjen materiaalien kyky kerätä sähkövarausta vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Tarkastelen kiteitä, keramiikkaa, biologista ainetta, luuta, DNA:ta ja proteiineja ja kuinka ne kaikki reagoivat pietsosähköiseen vaikutukseen.

kiteet

Pietsosähköisyys on tiettyjen materiaalien kyky kerätä sähkövarausta vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Sana pietsosähkö on johdettu kreikan sanoista πιέζειν (piezein), joka tarkoittaa 'purista' tai 'purista', ja ἤλεκτρον (ēlektron), joka tarkoittaa 'meripihkaa', muinaista sähkövarauksen lähdettä. Pietsosähköisiä materiaaleja ovat kiteet, keramiikka, biologiset aineet, luu, DNA ja proteiinit.

Pietsosähköisyys on lineaarista sähkömekaanista vuorovaikutusta mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä kiteisissä materiaaleissa, joilla on inversiosymmetria. Tämä vaikutus on palautuva, mikä tarkoittaa, että materiaaleilla, joilla on pietsosähköisyys, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, joka on mekaanisen jännityksen sisäinen generointi, joka johtuu käytetystä sähkökentästä. Esimerkkejä materiaaleista, jotka tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, ovat lyijysirkonaattititanaattikiteet, jotka voivat muuttaa muotoaan alkuperäiseen kokoonsa tai päinvastoin muuttaa staattista mittaansa, kun ulkoinen sähkökenttä kohdistetaan. Tämä tunnetaan käänteisenä pietsosähköisenä efektinä, ja sitä käytetään tuottamaan ultraääniaaltoja.

Ranskalaiset fyysikot Jacques ja Pierre Curie löysivät pietsosähkön vuonna 1880. Pietsosähköistä vaikutusta on hyödynnetty useissa hyödyllisissä sovelluksissa, mukaan lukien äänen tuottaminen ja havaitseminen, pietsosähköinen mustesuihkutulostus, korkeajännitesähkön tuottaminen, kellogeneraattorit ja elektroniset laitteet, kuten mikrovaakaa, ajaa ultraäänisuuttimia ja ultrahienoja tarkennusoptisia kokoonpanoja. Se muodostaa myös perustan skannaaville koetinmikroskoopeille, joita käytetään atomien mittakaavassa olevien kuvien erottamiseen. Pietsosähköisiä mikrofoneja käytetään myös elektronisesti vahvistetuissa kitaroissa ja triggereitä nykyaikaisissa elektronisissa rumpuissa.

Pietsosähköllä on jokapäiväistä käyttöä kipinöiden synnyttämiseksi kaasun sytyttämiseksi ruoanlaitto- ja lämmityslaitteissa sekä taskulampuissa ja tupakansytyttimissä. Carl Linnaeus ja Franz Aepinus tutkivat 18-luvun puolivälissä pyrosähköistä vaikutusta, joka on sähköisen potentiaalin synnyttäminen vasteena lämpötilan muutokselle, René Haüyn ja Antoine César Becquerelin tiedoista, jotka esittivät suhteen mekaanisten välillä. stressi ja sähkövaraus. Kokeet tämän teorian todistamiseksi eivät olleet vakuuttavia.

Näkymä pietsokysteestä Curie-kompensaattorissa Hunterian Museumissa Skotlannissa on osoitus suorasta pietsosähköisestä vaikutuksesta. Veljekset Pierre ja Jacques Curie yhdistivät tietämyksensä pyrosähköstä taustalla olevien kiderakenteiden ymmärtämiseen synnyttääkseen ennusteen pyrosähköisyydestä. He pystyivät ennustamaan kiteiden käyttäytymisen ja osoittivat vaikutuksen kiteissä, kuten turmaliinissa, kvartsissa, topaasissa, ruokosokerissa ja Rochelle-suolassa. Natriumkaliumtartraattitetrahydraatti ja kvartsi osoittivat myös pietsosähköisyyttä. Pietsosähköinen levy kehittää jännitettä, kun se on muotoutunut; muodonmuutos on suuresti liioiteltu Curien mielenosoituksissa.

He pystyivät myös ennustamaan käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen ja päättelemään matemaattisesti sen taustalla olevat termodynaamiset perusperiaatteet. Gabriel Lippmann teki tämän vuonna 1881. Curiet vahvisti välittömästi käänteisen vaikutuksen olemassaolon ja jatkoi kvantitatiivisen todisteen saamiseksi pietsosähköisten kiteiden sähköelasto-mekaanisten muodonmuutosten täydellisestä palautuvuudesta.

Pietsosähkö oli vuosikymmeniä laboratoriouteliaisuus, mutta se oli tärkeä työkalu Pierre ja Marie Curien poloniumin ja radiumin löytämisessä. Heidän työnsä pietsosähköisyyttä osoittavien kiderakenteiden tutkimiseksi ja määrittämiseksi huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik -kirjan (Kiteetefysiikan oppikirja) julkaisuun, jossa kuvattiin pietsosähköisyyteen kykeneviä luonnollisia kideluokkia ja määriteltiin tarkasti pietsosähköiset vakiot tensorianalyysin avulla.

Pietsosähköisten laitteiden käytännön soveltaminen luotain kehitettiin ensimmäisen maailmansodan aikana. Ranskassa Paul Langevin ja hänen työtoverinsa kehittivät ultraääni-sukellusveneilmaisimen. Tämä ilmaisin koostui ohuista kvartsikiteistä tehdystä muuntimesta, joka oli liimattu huolellisesti teräslevyihin ja jota kutsutaan hydrofoniksi, joka havaitsee palaavan kaiun suurtaajuisen pulssin lähettämisen jälkeen. He pystyivät laskemaan etäisyyden esineeseen mittaamalla ajan, joka kuluu esineestä pomppivien ääniaaltojen kaiun kuulemiseen. Tämä pietsosähkön käyttö kaikuluotaimessa oli menestys, ja projekti loi intensiivistä kehitystä ja kiinnostusta pietsosähköisiin laitteisiin vuosikymmenten aikana.

Keramiikka

Pietsosähköiset materiaalit ovat kiinteitä aineita, jotka keräävät sähkövarausta vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Pietsosähköisyys on johdettu kreikan sanoista πιέζειν (piezein), joka tarkoittaa 'purista' tai 'purista', ja ἤλεκτρον (ēlektron), joka tarkoittaa 'meripihkaa', muinaista sähkövarauksen lähdettä. Pietsosähköisiä materiaaleja käytetään monissa sovelluksissa, mukaan lukien äänen tuottaminen ja havaitseminen, pietsosähköinen mustesuihkutulostus ja korkeajännitesähkön tuottaminen.

Pietsosähköisiä materiaaleja löytyy kiteistä, keramiikasta, biologisista aineista, luusta, DNA:sta ja proteiineista. Keramiikka on yleisimpiä arjen sovelluksissa käytettyjä pietsosähköisiä materiaaleja. Keramiikka valmistetaan metallioksidien, kuten lyijysirkonaattititanaatin (PZT), yhdistelmästä, joka kuumennetaan korkeisiin lämpötiloihin kiinteän aineen muodostamiseksi. Keramiikka on erittäin kestävää ja kestää äärimmäisiä lämpötiloja ja paineita.

Pietsosähköisellä keramiikalla on useita käyttötarkoituksia, mukaan lukien:

• Kipinöiden synnyttäminen kaasun sytyttämiseksi ruoanlaittoon ja lämmityslaitteisiin, kuten taskulamppuihin ja tupakansytyttimiin.
• Ultraääniaaltojen tuottaminen lääketieteellistä kuvantamista varten.
• Korkeajännitesähkön tuottaminen kellogeneraattoreille ja elektroniikkalaitteille.
• Mikrovaakojen luominen tarkkuuspunnituksiin.
• Ultraäänisuuttimet optisten kokoonpanojen ultrahienoon tarkennukseen.
• Luodaan perusta skannaaville koetinmikroskoopeille, joilla voidaan erottaa kuvia atomien mittakaavassa.
• Mikrofonit elektronisesti vahvistetuille kitaroille ja liipaisimet nykyaikaisille elektronisille rumpuille.

Pietsosähköistä keramiikkaa käytetään monenlaisissa sovelluksissa kulutuselektroniikasta lääketieteelliseen kuvantamiseen. Ne ovat erittäin kestäviä ja kestävät äärimmäisiä lämpötiloja ja paineita, joten ne sopivat ihanteellisesti käytettäväksi useilla teollisuudenaloilla.

Biologinen aine

Pietsosähköisyys on tiettyjen materiaalien kyky kerätä sähkövarausta vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Se on johdettu kreikan sanasta "piezein", joka tarkoittaa "puristaa tai painaa", ja "ēlektron", joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä.

Biologiset aineet, kuten luu, DNA ja proteiinit, kuuluvat materiaaleihin, jotka osoittavat pietsosähköisyyttä. Tämä vaikutus on palautuva, mikä tarkoittaa, että materiaaleilla, joilla on pietsosähköisyys, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, joka on mekaanisen jännityksen sisäinen muodostuminen, joka johtuu käytetystä sähkökentästä. Esimerkkejä näistä materiaaleista ovat lyijysirkonaattititanaattikiteet, jotka tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, kun niiden staattinen rakenne muuttuu alkuperäisestä mittasuhteestaan. Päinvastoin, kun ulkoista sähkökenttää käytetään, kiteet muuttavat staattista mittaansa tuottaen ultraääniaaltoja käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen kautta.

Ranskalaiset fyysikot Jacques ja Pierre Curie löysivät pietsosähkön vuonna 1880. Sitä on sittemmin hyödynnetty useisiin hyödyllisiin sovelluksiin, kuten:

• Äänen tuottaminen ja havaitseminen
• Pietsosähköinen mustesuihkutulostus
• Korkeajännitesähkön tuotanto
• Kellogeneraattori
• Elektroniset laitteet
• Mikrovaa'at
• Käytä ultraäänisuuttimia
• Erittäin hienot tarkentavat optiset kokoonpanot
• Muodostaa pohjan pyyhkäisyanturimikroskoopeille
• Erottele kuvia atomien mittakaavassa
• Mikrofonit elektronisesti vahvistetuissa kitaroissa
• Liipaisimet nykyaikaisissa elektronisissa rummuissa

Pietsosähköä käytetään myös jokapäiväisissä esineissä, kuten kaasukeittiö- ja lämmityslaitteissa, taskulampuissa, tupakansytyttimissä ja muissa. Carl Linnaeus ja Franz Aepinus tutkivat 18-luvun puolivälissä pyrosähköistä vaikutusta, joka on sähköisen potentiaalin tuottoa vasteena lämpötilan muutokselle. René Haüyn ja Antoine César Becquerelin tietämyksen pohjalta he esittivät mekaanisen rasituksen ja sähkövarauksen välisen suhteen, mutta heidän kokeilunsa osoittautuivat epäselviksi.

Näkymä pietsokysteestä Skotlannin Hunterian-museon Curie-kompensaattorissa on osoitus suorasta pietsosähköisestä vaikutuksesta. Veljekset Pierre ja Jacques Curie yhdistivät tietämyksensä pyrosähköisyydestä ja ymmärryksensä taustalla olevista kiderakenteista luodakseen ennusteen pyrosähköisyydestä ja ennustaakseen kiteen käyttäytymistä. Tämä osoitti kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochelle-suolan, vaikutus. Natrium- ja kaliumtartraattitetrahydraatilla ja kvartsilla oli myös pietsosähköisyyttä, ja pietsosähköistä kiekkoa käytettiin synnyttämään jännite, kun ne muuttuivat. Curiet liioitteli tätä vaikutusta suuresti ennustaakseen käänteistä pietsosähköistä vaikutusta. Gabriel Lippmann päätteli käänteisen vaikutuksen matemaattisesti termodynaamisista perusperiaatteista vuonna 1881.

Curiet vahvisti välittömästi käänteisen vaikutuksen olemassaolon ja jatkoi kvantitatiivisen todisteen saamiseksi pietsosähköisten kiteiden sähköelasto-mekaanisten muodonmuutosten täydellisestä palautuvuudesta. Pietsosähkö oli vuosikymmeniä laboratoriouteliaisuus, kunnes siitä tuli tärkeä työkalu Pierre ja Marie Curien poloniumin ja radiumin löytämisessä. Heidän työnsä pietsosähköisyyttä osoittavien kiderakenteiden tutkimiseksi ja määrittelemiseksi huipentui Woldemar Voigtin "Lehrbuch der Kristallphysik" -kirjan (kristallifysiikan oppikirja) julkaisemiseen.

luu

Pietsosähköisyys on tiettyjen materiaalien kyky kerätä sähkövarausta vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Luu on yksi tällainen materiaali, joka osoittaa tämän ilmiön.

Luu on eräänlainen biologinen aine, joka koostuu proteiineista ja kivennäisaineista, mukaan lukien kollageeni, kalsium ja fosfori. Se on pietsosähköisin kaikista biologisista materiaaleista ja pystyy tuottamaan jännitteen joutuessaan alttiiksi mekaaniselle rasitukselle.

Luun pietsosähköinen vaikutus johtuu sen ainutlaatuisesta rakenteesta. Se koostuu verkostosta kollageenikuituja, jotka on upotettu mineraalimatriisiin. Kun luu altistuu mekaaniselle rasitukselle, kollageenisäikeet liikkuvat, jolloin mineraalit polarisoituvat ja synnyttävät sähkövarauksen.

Pietsosähköisellä vaikutuksella luussa on useita käytännön sovelluksia. Sitä käytetään lääketieteellisessä kuvantamisessa, kuten ultraääni- ja röntgenkuvauksessa, luunmurtumien ja muiden poikkeavuuksien havaitsemiseksi. Sitä käytetään myös luun johtumiskuulolaitteissa, jotka käyttävät pietsosähköistä vaikutusta muuttamaan ääniaallot sähköisiksi signaaleiksi, jotka lähetetään suoraan sisäkorvaan.

Pietsosähköistä vaikutusta luussa käytetään myös ortopedisissa implanteissa, kuten tekonivelissä ja proteeseissa. Implantit käyttävät pietsosähköistä vaikutusta mekaanisen energian muuntamiseen sähköenergiaksi, jota sitten käytetään laitteen virtalähteenä.

Lisäksi tutkitaan pietsosähköistä vaikutusta luussa käytettäväksi uusien lääkehoitojen kehittämisessä. Esimerkiksi tutkijat tutkivat pietsosähkön käyttöä luun kasvun stimuloimiseen ja vaurioituneen kudoksen korjaamiseen.

Kaiken kaikkiaan luun pietsosähköinen vaikutus on kiehtova ilmiö, jolla on laaja valikoima käytännön sovelluksia. Sitä käytetään useissa lääketieteellisissä ja teknologisissa sovelluksissa, ja sen käyttöä tutkitaan uusien hoitojen kehittämisessä.

DNA

Pietsosähköisyys on tiettyjen materiaalien kyky kerätä sähkövarausta vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. DNA on yksi tällainen materiaali, jolla on tämä vaikutus. DNA on biologinen molekyyli, jota löytyy kaikissa elävissä organismeissa ja se koostuu neljästä nukleotidiemäksestä: adeniinista (A), guaniinista (G), sytosiinista (C) ja tymiinistä (T).

DNA on monimutkainen molekyyli, jota voidaan käyttää sähkövarauksen tuottamiseen mekaanisen rasituksen aikana. Tämä johtuu siitä, että DNA-molekyylit koostuvat kahdesta nukleotidinauhasta, joita vetysidokset pitävät yhdessä. Kun nämä sidokset katkeavat, syntyy sähkövaraus.

DNA:n pietsosähköistä vaikutusta on käytetty useissa sovelluksissa, mukaan lukien:

• Sähköntuotanto lääketieteellisiin implantteihin
• Kennojen mekaanisten voimien havaitseminen ja mittaaminen
• Nanomittakaavan antureiden kehittäminen
• Biosensoreiden luominen DNA-sekvensointiin
• Ultraääniaaltojen luominen kuvantamista varten

DNA:n pietsosähköistä vaikutusta tutkitaan myös sen mahdollisen käytön kannalta uusien materiaalien, kuten nanolankojen ja nanoputkien, kehittämisessä. Näitä materiaaleja voitaisiin käyttää moniin sovelluksiin, mukaan lukien energian varastointi ja tunnistus.

DNA:n pietsosähköistä vaikutusta on tutkittu laajasti ja sen on havaittu olevan erittäin herkkä mekaaniselle rasitukselle. Tämä tekee siitä arvokkaan työkalun tutkijoille ja insinööreille, jotka haluavat kehittää uusia materiaaleja ja teknologioita.

Yhteenvetona voidaan todeta, että DNA on materiaali, jolla on pietsosähköinen vaikutus, joka on kyky kerätä sähkövarausta vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Tätä vaikutusta on käytetty useissa sovelluksissa, mukaan lukien lääketieteelliset implantit, nanomittakaavan anturit ja DNA-sekvensointi. Sen käyttöä tutkitaan myös uusien materiaalien, kuten nanolankojen ja nanoputkien, kehittämisessä.

Proteiinit

Pietsosähköisyys on tiettyjen materiaalien kyky kerätä sähkövarausta vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Pietsosähköiset materiaalit, kuten proteiinit, kiteet, keramiikka ja biologiset aineet, kuten luu ja DNA, osoittavat tämän vaikutuksen. Erityisesti proteiinit ovat ainutlaatuista pietsosähköistä materiaalia, koska ne koostuvat monimutkaisesta aminohapporakenteesta, joka voidaan muuttaa muotoaan sähkövarauksen tuottamiseksi.

Proteiinit ovat yleisin pietsosähköisten materiaalien tyyppi, ja niitä löytyy monissa muodoissa. Niitä löytyy entsyymien, hormonien ja vasta-aineiden muodossa sekä rakenneproteiinien, kuten kollageenin ja keratiinin, muodossa. Proteiineja löytyy myös lihasproteiinien muodossa, jotka vastaavat lihasten supistumisesta ja rentoutumisesta.

Proteiinien pietsosähköinen vaikutus johtuu siitä, että ne koostuvat monimutkaisesta aminohapporakenteesta. Kun nämä aminohapot muuttavat muotoaan, ne synnyttävät sähkövarauksen. Tätä sähkövarausta voidaan sitten käyttää useiden laitteiden, kuten antureiden ja toimilaitteiden, virtalähteenä.

Proteiineja käytetään myös erilaisissa lääketieteellisissä sovelluksissa. Niitä käytetään esimerkiksi tiettyjen proteiinien esiintymisen havaitsemiseen kehossa, joita voidaan käyttää sairauksien diagnosointiin. Niitä käytetään myös tiettyjen bakteerien ja virusten havaitsemiseen, joita voidaan käyttää infektioiden diagnosointiin.

Proteiineja käytetään myös erilaisissa teollisissa sovelluksissa. Niitä käytetään esimerkiksi anturien ja toimilaitteiden luomiseen erilaisiin teollisiin prosesseihin. Niitä käytetään myös materiaalien luomiseen, joita voidaan käyttää lentokoneiden ja muiden ajoneuvojen rakentamisessa.

Yhteenvetona voidaan todeta, että proteiinit ovat ainutlaatuinen pietsosähköinen materiaali, jota voidaan käyttää monissa sovelluksissa. Ne koostuvat monimutkaisesta aminohapporakenteesta, joita voidaan muuttaa sähkövarauksen tuottamiseksi, ja niitä käytetään erilaisissa lääketieteellisissä ja teollisissa sovelluksissa.

Energiankorjuu pietsosähköllä

Tässä osiossa keskustelen kuinka pietsosähköä voidaan käyttää energian keräämiseen. Tarkastelen pietsosähkön eri sovelluksia pietsosähköisestä mustesuihkutulostuksesta kellogeneraattoreihin ja mikrovaakauksiin. Tutkin myös pietsosähkön historiaa Pierre Curien löydöstä sen käyttöön toisessa maailmansodassa. Lopuksi keskustelen pietsosähköteollisuuden nykytilasta ja lisäkasvumahdollisuuksista.

Pietsosähköinen mustesuihkutulostus

Pietsosähköisyys on tiettyjen materiaalien kyky tuottaa sähkövaraus vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Sana "pietsosähkö" on johdettu kreikan sanoista "piezein" (puristaa tai puristaa) ja "elektron" (meripihka), muinaisesta sähkövarauksen lähteestä. Pietsosähköisiä materiaaleja, kuten kiteitä, keramiikkaa ja biologisia aineita, kuten luuta ja DNA:ta, käytetään monissa sovelluksissa.

Pietsosähköä käytetään korkeajännitesähkön tuottamiseen, kellogeneraattorina, elektroniikkalaitteissa ja mikrovaaoissa. Sitä käytetään myös ultraäänisuuttimien ja erittäin hienojen tarkennusoptisten kokoonpanojen ohjaamiseen. Pietsosähköinen mustesuihkutulostus on tämän tekniikan suosittu sovellus. Tämä on tulostustyyppi, joka käyttää pietsosähköisiä kiteitä korkeataajuisen värähtelyn luomiseen, jota käytetään mustepisaroiden työntämiseen sivulle.

Pietsosähköisyys keksittiin vuonna 1880, jolloin ranskalaiset fyysikot Jacques ja Pierre Curie löysivät vaikutuksen. Sen jälkeen pietsosähköistä vaikutusta on hyödynnetty useissa hyödyllisissä sovelluksissa. Pietsosähköä käytetään jokapäiväisissä esineissä, kuten kaasukeittiö- ja lämmityslaitteissa, taskulampuissa, tupakansytyttimissä ja elektronisesti vahvistettujen kitaroiden mikrofoneissa ja moderneissa elektronisissa rumpuissa.

Pietsosähköä käytetään myös tieteellisessä tutkimuksessa. Se on perusta pyyhkäisyanturimikroskoopeille, joita käytetään kuvien erottamiseen atomimittakaavassa. Sitä käytetään myös ultraääniaikaalueen reflektometreissä, jotka lähettävät ultraäänipulsseja materiaaliin ja mittaavat heijastuksia havaitakseen epäjatkuvuuksia ja löytääkseen vikoja valettujen metalli- ja kiviesineiden sisällä.

Pietsosähköisten laitteiden ja materiaalien kehitystä on johtanut tarve parantaa suorituskykyä ja helpompia valmistusprosesseja. Yhdysvalloissa kvartsikiteiden kehittäminen kaupalliseen käyttöön on ollut merkittävä tekijä pietsosähköisen teollisuuden kasvussa. Sen sijaan japanilaiset valmistajat ovat voineet nopeasti jakaa tietoa ja kehittää uusia sovelluksia, mikä on johtanut nopeaan kasvuun Japanin markkinoilla.

Pietsosähkö on mullistanut tapamme käyttää energiaa päivittäisistä tavaroista, kuten sytyttimistä, edistyneeseen tieteelliseen tutkimukseen. Se on monipuolinen teknologia, jonka avulla olemme pystyneet tutkimaan ja kehittämään uusia materiaaleja ja sovelluksia, ja se tulee olemaan tärkeä osa elämäämme tulevina vuosina.

Korkeajännitesähkön tuotanto

Pietsosähköisyys on tiettyjen kiinteiden materiaalien kykyä kerätä sähkövarausta vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Sana "pietsosähkö" on johdettu kreikan sanoista "piezein", joka tarkoittaa "purista" tai "purista" ja "ēlektron", joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä. Pietsosähköisyys on lineaarista sähkömekaanista vuorovaikutusta mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä kiteisissä materiaaleissa, joilla on inversiosymmetria.

Pietsosähköinen vaikutus on palautuva prosessi; materiaaleilla, jotka osoittavat pietsosähköisyyttä, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, sisäisen mekaanisen jännityksen muodostuminen, joka johtuu käytetystä sähkökentästä. Esimerkiksi lyijysirkonaattititanaattikiteet tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, kun niiden staattinen rakenne muuttuu alkuperäisestä mittasuhteestaan. Sitä vastoin kiteet voivat muuttaa staattista mittaansa, kun ulkoista sähkökenttää käytetään, ilmiö, joka tunnetaan nimellä käänteinen pietsosähköinen vaikutus, jota käytetään ultraääniaaltojen tuotannossa.

Pietsosähköistä vaikutusta käytetään monissa sovelluksissa, mukaan lukien korkeajännitesähkön tuottamisessa. Pietsosähköisiä materiaaleja käytetään äänen tuotannossa ja havaitsemisessa, pietsosähköisessä mustesuihkutulostuksessa, kellogeneraattoreissa, elektronisissa laitteissa, mikrovaaka-aineissa, käyttöultraäänisuuttimissa ja ultrahienotarkennusoptisissa kokoonpanoissa.

Pietsosähköä käytetään myös jokapäiväisissä sovelluksissa, kuten kipinöiden synnyttämisessä kaasun sytyttämiseksi keitto- ja lämmityslaitteissa, taskulampuissa, tupakansytyttimissä ja pyrosähköisissä tehostemateriaaleissa, jotka synnyttävät sähköpotentiaalia vasteena lämpötilan muutokselle. Tätä vaikutusta tutkivat Carl Linnaeus ja Franz Aepinus 18-luvun puolivälissä hyödyntäen René Haüyn ja Antoine César Becquerelin tietoja, jotka esittivät suhteen mekaanisen jännityksen ja sähkövarauksen välillä, vaikka heidän kokeilunsa osoittautuivatkin epäselviksi.

Yhdistetty tieto pyrosähköisyydestä ja taustalla olevien kiderakenteiden ymmärtäminen synnytti pyrosähköisyyden ennustamisen ja kyvyn ennustaa kiteen käyttäytymistä. Tämä osoitti kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochelle-suolan, vaikutus. Natriumkaliumtartraattitetrahydraatilla ja kvartsilla oli myös pietsosähköisyyttä, ja pietsosähköistä kiekkoa käytettiin synnyttämään jännite, kun se muuttui. Tämä oli suuresti liioiteltu Curiesin osoittamassa suoraa pietsosähköistä vaikutusta.

Veljekset Pierre ja Jacques Curie jatkoivat kvantitatiivista näyttöä pietsosähköisten kiteiden sähköelasto-mekaanisten muodonmuutosten täydellisestä palautuvuudesta. Pietsosähkö oli vuosikymmeniä laboratoriouteliaisuus, mutta se oli tärkeä työkalu Pierre ja Marie Curien poloniumin ja radiumin löytämisessä. Heidän työnsä pietsosähköisyyttä osoittavien kiderakenteiden tutkimiseksi ja määrittämiseksi huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik -kirjan (Kiteetefysiikan oppikirja) julkaisuun, jossa kuvattiin pietsosähköisyyteen kykeneviä luonnollisia kideluokkia ja määriteltiin tarkasti pietsosähköiset vakiot tensorianalyysin avulla.

Pietsosähköisten laitteiden käytännön soveltaminen alkoi kaikuluotaimen kehittämisellä ensimmäisen maailmansodan aikana. Ranskassa Paul Langevin ja hänen työtoverinsa kehittivät ultraääni-sukellusveneilmaisimen. Ilmaisin koostui ohuista kvartsikiteistä valmistetusta muuntimesta, joka oli liimattu huolellisesti teräslevyihin, ja hydrofonista palaavan kaiun havaitsemiseksi. Lähettämällä korkeataajuisen pulssin muuntimesta ja mittaamalla aikaa, joka kuluu esineestä pomppivien ääniaaltojen kaiun kuulemiseen, he pystyivät laskemaan kohteen etäisyyden. He käyttivät pietsosähköä luodakseen luotain menestyksen, ja projekti loi intensiivisen kehityksen ja kiinnostuksen pietsosähköisistä laitteista seuraavien vuosikymmenten aikana.

Uusia pietsosähköisiä materiaaleja ja uusia sovelluksia näille materiaaleille tutkittiin ja kehitettiin. Pietsosähköisiä laitteita löytyi monilta aloilta, kuten keraamiset fonografipatruunat, jotka yksinkertaistivat soittimen suunnittelua ja tekivät halvempia, tarkempia levysoittimia, jotka olivat halvempia ylläpitää ja helpompia rakentaa. Ultraääniantureiden kehitys mahdollisti nesteiden ja kiinteiden aineiden viskositeetin ja elastisuuden helpon mittauksen, mikä johti valtavaan edistykseen materiaalitutkimuksessa. Ultraääniaikaalueen reflektometrit lähettävät ultraäänipulssin materiaaliin ja mittaavat heijastuksia ja epäjatkuvuuksia löytääkseen puutteita valettujen metalli- ja kiviesineiden sisällä, mikä parantaa rakenteellista turvallisuutta.

Toisessa maailmansodassa riippumattomat tutkimusryhmät Yhdysvalloissa, Venäjällä ja Japanissa löysivät uuden luokan synteettisiä materiaaleja nimeltä fer

Kellon generaattori

Pietsosähköisyys on tiettyjen materiaalien kyky kerätä sähkövarausta vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Tätä ilmiötä on käytetty luomaan useita hyödyllisiä sovelluksia, mukaan lukien kellogeneraattorit. Kellogeneraattorit ovat laitteita, jotka käyttävät pietsosähköä sähköisten signaalien tuottamiseen tarkalla ajoituksella.

Kellogeneraattoreita käytetään monissa sovelluksissa, kuten tietokoneissa, tietoliikenteessä ja autojärjestelmissä. Niitä käytetään myös lääketieteellisissä laitteissa, kuten sydämentahdistimissa, sähköisten signaalien tarkan ajoituksen varmistamiseksi. Kellogeneraattoreita käytetään myös teollisuusautomaatiossa ja robotiikassa, joissa tarkka ajoitus on välttämätöntä.

Pietsosähköinen vaikutus perustuu lineaariseen sähkömekaaniseen vuorovaikutukseen mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä kiteisissä materiaaleissa, joilla on inversiosymmetria. Tämä vaikutus on palautuva, mikä tarkoittaa, että materiaalit, jotka osoittavat pietsosähköisyyttä, voivat myös synnyttää mekaanista rasitusta, kun sähkökenttää käytetään. Tämä tunnetaan käänteisenä pietsosähköisenä efektinä ja sitä käytetään tuottamaan ultraääniaaltoja.

Kellogeneraattorit käyttävät tätä käänteistä pietsosähköistä efektiä tuottaakseen sähköisiä signaaleja tarkalla ajoituksella. Pietsosähköinen materiaali muuttaa muotoaan sähkökentän vaikutuksesta, mikä saa sen värähtelemään tietyllä taajuudella. Tämä värähtely muunnetaan sitten sähköiseksi signaaliksi, jota käytetään luomaan tarkka ajoitussignaali.

Kellogeneraattoreita käytetään monissa sovelluksissa lääketieteellisistä laitteista teollisuusautomaatioon. Ne ovat luotettavia, tarkkoja ja helppokäyttöisiä, joten ne ovat suosittu valinta moniin sovelluksiin. Pietsosähkö on tärkeä osa modernia teknologiaa, ja kellogeneraattorit ovat vain yksi tämän ilmiön monista sovelluksista.

Elektroniset laitteet

Pietsosähköisyys on tiettyjen kiinteiden materiaalien kyky kerätä sähkövarausta vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Tätä pietsosähköisenä efektinä tunnettua ilmiötä käytetään monissa elektronisissa laitteissa elektronisesti vahvistettujen kitaroiden mikrofoneista nykyaikaisten elektronisten rumpujen laukaisimiin.

Pietsosähköisyys on johdettu kreikan sanoista πιέζειν (piezein), joka tarkoittaa "purista" tai "purista" ja ἤλεκτρον (ēlektron), joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä. Pietsosähköiset materiaalit ovat kiteitä, keramiikkaa ja biologisia aineita, kuten luu- ja DNA-proteiineja, joilla on pietsosähköinen vaikutus.

Pietsosähköinen vaikutus on lineaarinen sähkömekaaninen vuorovaikutus mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä kiteisissä materiaaleissa, joilla on inversiosymmetria. Se on reversiibeli prosessi, mikä tarkoittaa, että materiaaleissa, joilla on pietsosähköinen vaikutus, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, joka on mekaanisen jännityksen sisäinen generointi, joka johtuu käytetystä sähkökentästä. Esimerkiksi lyijysirkonaattititanaattikiteet tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, kun niiden staattinen rakenne muuttuu alkuperäisestä mittasuhteestaan. Sitä vastoin kiteet voivat muuttaa staattista mittaansa, kun ulkoista sähkökenttää käytetään, ilmiö, joka tunnetaan nimellä käänteinen pietsosähköinen vaikutus, jota käytetään ultraääniaaltojen tuotannossa.

Pietsosähkön löydön ansioksi ovat ranskalaiset fyysikot Pierre ja Jacques Curie, jotka osoittivat suoran pietsosähköisen vaikutuksen vuonna 1880. Heidän yhdistettynä pyrosähköisenä tuntemuksensa ja taustalla olevien kiderakenteiden ymmärtäminen johtivat pyrosähköisen vaikutuksen ennustamiseen ja kykyyn ennustaa. kiteiden käyttäytyminen osoitettiin kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochelle-suolan vaikutuksilla.

Pietsosähköä on käytetty useissa jokapäiväisissä sovelluksissa, kuten kipinöiden synnyttämisessä kaasun sytyttämiseksi ruoanlaitto- ja lämmityslaitteissa, taskulamppuissa, tupakansytyttimissä ja pyrosähköisissä materiaaleissa, jotka synnyttävät sähköpotentiaalia vasteena lämpötilan muutokselle. Carl Linnaeus ja Franz Aepinus tutkivat tätä 18-luvun puolivälissä hyödyntäen René Haüyn ja Antoine César Becquerelin tietoja, jotka esittivät suhteen mekaanisen jännityksen ja sähkövarauksen välillä. Kokeet osoittautuivat kuitenkin epäselviksi, kunnes Skotlannin Curie-kompensaattorimuseon pietsosähköinen näkymä osoitti Curien veljien suoran pietsosähköisen vaikutuksen.

Pietsosähköä käytetään monissa elektronisissa laitteissa elektronisesti vahvistettujen kitaroiden mikrofoneista nykyaikaisten elektronisten rumpujen liipaisuihin. Sitä käytetään myös äänen tuottamiseen ja havaitsemiseen, pietsosähköiseen mustesuihkutulostukseen, suurjännitesähkön tuottamiseen, kellogeneraattoreihin, mikrotasapainoihin, ohjaaviin ultraäänisuuttimiin ja ultrahienoihin tarkentaviin optisiin kokoonpanoihin. Pietsosähköisyys on myös perusta pyyhkäisykoettimikroskoopeille, joita käytetään atomien mittakaavassa olevien kuvien erottamiseen.

mikrovaa'at

Pietsosähköisyys on tiettyjen kiinteiden materiaalien kyky kerätä sähkövarausta vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Pietsosähköisyys on johdettu kreikan sanoista πιέζειν (piezein), joka tarkoittaa "purista" tai "purista", ja ἤλεκτρον (ēlektron), joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä.

Pietsosähköä käytetään monissa jokapäiväisissä sovelluksissa, kuten kipinöiden tuottamisessa kaasun sytyttämiseksi ruoanlaittoon ja lämmityslaitteisiin, taskulamppuihin, tupakansytyttimiin ja muihin. Sitä käytetään myös äänen tuotannossa ja havaitsemisessa sekä pietsosähköisessä mustesuihkutulostuksessa.

Pietsosähköä käytetään myös korkeajännitesähkön tuottamiseen, ja se on kellogeneraattoreiden ja elektronisten laitteiden, kuten mikrovaakojen, perusta. Pietsosähköä käytetään myös ultraäänisuuttimien ja erittäin hienojakoisten optisten kokoonpanojen ohjaamiseen.

Pietsosähkön löydön ansioksi ranskalaiset fyysikot Jacques ja Pierre Curie vuonna 1880. Curien veljekset yhdistivät tietämyksensä pyrosähköisyydestä ja ymmärryksensä taustalla olevista kiderakenteista synnyttääkseen pietsosähkön käsitteen. He pystyivät ennustamaan kiteiden käyttäytymisen ja osoittivat vaikutuksen kiteissä, kuten turmaliinissa, kvartsissa, topaasissa, ruokosokerissa ja Rochelle-suolassa.

Pietsosähköistä vaikutusta hyödynnettiin hyödyllisissä sovelluksissa, kuten äänen tuottamisessa ja havaitsemisessa. Luotain kehittäminen ensimmäisen maailmansodan aikana oli suuri läpimurto pietsosähkön käytössä. Toisen maailmansodan jälkeen riippumattomat tutkimusryhmät Yhdysvalloissa, Venäjällä ja Japanissa löysivät uuden luokan synteettisiä materiaaleja, joita kutsutaan ferrosähköisiksi ja joiden pietsosähköiset vakiot olivat jopa kymmenen kertaa suuremmat kuin luonnonmateriaalien.

Tämä johti bariumtitanaatti- ja myöhemmin lyijysirkonaattititanaattimateriaalien intensiiviseen tutkimukseen ja kehittämiseen, joilla oli erityisiä ominaisuuksia tiettyihin sovelluksiin. Merkittävä esimerkki pietsosähköisten kiteiden käytöstä kehitettiin Bell Telephone Laboratoriesissa toisen maailmansodan jälkeen.

Frederick R. Lack, joka työskentelee radiopuhelintekniikan osastolla, kehitti leikatun kiteen, joka toimi laajalla lämpötila-alueella. Lackin kristalli ei tarvinnut aikaisempien kristallien raskaita lisävarusteita, mikä helpotti sen käyttöä lentokoneissa. Tämä kehitys antoi liittoutuneiden ilmavoimille mahdollisuuden osallistua koordinoituihin joukkohyökkäyksiin ilmailuradion avulla.

Pietsosähköisten laitteiden ja materiaalien kehitys Yhdysvalloissa piti useita yrityksiä toiminnassa, ja kvartsikiteiden kehitystä hyödynnettiin kaupallisesti. Pietsosähköisiä materiaaleja on sittemmin käytetty useissa sovelluksissa, kuten lääketieteellisessä kuvantamisessa, ultraäänipuhdistuksessa ja muissa.

Aja Ultraäänisuutin

Pietsosähköisyys on sähkövarausta, joka kerääntyy tiettyihin kiinteisiin materiaaleihin, kuten kiteisiin, keramiikkaan ja biologisiin aineisiin, kuten luuhun ja DNA:han. Se on vastaus kohdistettuun mekaaniseen rasitukseen ja on johdettu kreikan sanoista "piezein", joka tarkoittaa "purista" tai "purista", ja "elektron", joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä.

Pietsosähköinen vaikutus on lineaarinen sähkömekaaninen vuorovaikutus kiteisten materiaalien mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä inversiosymmetrisesti. Se on palautuva prosessi, mikä tarkoittaa, että materiaaleilla, joilla on pietsosähköinen vaikutus, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, joka on mekaanisen jännityksen sisäinen generointi, joka johtuu käytetystä sähkökentästä. Esimerkkinä tästä ovat lyijysirkonaattititanaattikiteet, jotka tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, kun niiden staattinen rakenne muuttuu alkuperäisestä mittasuhteesta. Päinvastoin, kun ulkoista sähkökenttää käytetään, kiteet muuttavat staattista mittaansa, mikä johtaa käänteiseen pietsosähköiseen vaikutukseen, joka on ultraääniaaltojen tuotanto.

Ranskalaiset fyysikot Jacques ja Pierre Curie löysivät pietsosähkön vuonna 1880, ja sitä on sittemmin hyödynnetty useisiin hyödyllisiin sovelluksiin, kuten äänen tuottamiseen ja havaitsemiseen. Pietsosähköllä on myös jokapäiväistä käyttöä, kuten kipinöiden synnyttämistä kaasun sytyttämiseksi ruoanlaitto- ja lämmityslaitteissa, taskulampuissa, tupakansytyttimissä ja muissa.

Carl Linnaeus, Franz Aepinus ja 18-luvun puolivälissä tutkivat pyrosähköistä vaikutusta, joka on materiaali, joka synnyttää sähköisen potentiaalin vasteena lämpötilan muutokselle, ja XNUMX-luvun puolivälissä hyödyntäen tietoa René Haüylta ja Antoine César Becquereliltä, ​​jotka esittivät mekaanisen rasituksen ja välisen yhteyden. sähkövaraus. Kokeet tämän todistamiseksi eivät olleet vakuuttavia.

Näkymä pietsokysteestä Skotlannin Hunterian Museumin Curie Compensatorissa on osoitus veljien Pierre ja Jacques Curien suorasta pietsosähköisestä vaikutuksesta. Yhdistämällä heidän tietämyksensä pyrosähköisyydestä ja ymmärtämällä taustalla olevia kiderakenteita, ennustettiin pyrosähköisyyttä ja he pystyivät ennustamaan kiteen käyttäytymistä. Tämä osoitettiin kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochelle-suolan vaikutuksilla. Natrium- ja kaliumtartraattitetrahydraatilla ja kvartsilla oli myös pietsosähköisyyttä, ja pietsosähköistä kiekkoa käytettiin synnyttämään jännite, kun ne muuttuivat. Curiet liioitteli tätä suuresti ennustaakseen käänteistä pietsosähköistä vaikutusta, jonka Gabriel Lippmann päätti matemaattisesti termodynaamisista perusperiaatteista vuonna 1881.

Curiet vahvisti välittömästi käänteisen vaikutuksen olemassaolon ja jatkoi kvantitatiivisen todisteen saamiseksi pietsosähköisten kiteiden sähköelasto-mekaanisten muodonmuutosten täydellisestä palautuvuudesta. Pietsosähkö oli vuosikymmeniä laboratoriouteliaisuus, mutta se oli tärkeä työkalu Pierre ja Marie Curien poloniumin ja radiumin löytämisessä heidän työssään tutkiessaan ja määritellessään pietsosähköisyyttä osoittavia kiderakenteita. Tämä huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik-kirjan (Textbook of Crystal Physics) julkaisemiseen, jossa kuvattiin pietsosähköisyyteen kykenevät luonnolliset kideluokat ja määriteltiin tarkasti pietsosähköiset vakiot tensorianalyysin avulla.

Pietsosähköisten laitteiden käytännön soveltaminen alkoi kaikuluotaimella, joka kehitettiin ensimmäisen maailmansodan aikana. Ranskassa Paul Langevin ja hänen työtoverinsa kehittivät ultraääni-sukellusveneilmaisimen. Ilmaisin koostui ohuista kvartsikiteistä tehdystä muuntimesta, joka oli liimattu huolellisesti teräslevyihin, nimeltään hydrofoni, joka havaitsee palaavan kaiun suurtaajuisen pulssin lähettämisen jälkeen. Mittaamalla aikaa, joka kuluu esineestä pomppivien ääniaaltojen kaiun kuulemiseen, he voivat laskea kohteen etäisyyden. Tämä pietsosähkön käyttö kaikuluotaimessa oli menestys, ja projekti loi intensiivisen kehityksen ja kiinnostuksen pietsosähköisistä laitteista vuosikymmeniä.

Uusia pietsosähköisiä materiaaleja ja uusia sovelluksia näille materiaaleille tutkittiin ja kehitettiin, ja pietsosähköiset laitteet löysivät koteja sellaisilta aloilta, kuten keraamiset fonografikasetit, jotka yksinkertaistivat soittimen suunnittelua ja tekivät halvempia, tarkempia levysoittimia, jotka olivat halvempia ylläpitää ja helpompia rakentaa. . Ultraääniantureiden kehitys mahdollisti nesteiden ja kiinteiden aineiden viskositeetin ja elastisuuden helpon mittauksen, mikä johti valtavaan edistykseen materiaalitutkimuksessa. Ultraääniaikaalueen reflektometrit lähettävät ultraäänipulssin materiaalin läpi ja mittaavat heijastuksia ja epäjatkuvuuksia löytääkseen vikoja valumetalli- ja kiviesineiden sisällä

Erittäin hienot tarkentavat optiset kokoonpanot

Pietsosähköisyys tarkoittaa tiettyjen materiaalien kykyä kerätä sähkövarausta, kun ne altistetaan mekaaniselle rasitukselle. Se on lineaarinen sähkömekaaninen vuorovaikutus kiteisten materiaalien sähköisten ja mekaanisten tilojen välillä, jolla on inversiosymmetria. Pietsosähköisyys on reversiibeli prosessi, mikä tarkoittaa, että materiaaleissa, joissa on pietsosähköä, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, joka on mekaanisen jännityksen sisäinen muodostuminen käytetystä sähkökentästä.

Pietsosähköä on käytetty monissa sovelluksissa, mukaan lukien äänen tuottaminen ja havaitseminen sekä korkeajännitesähkön tuottaminen. Pietsosähköä käytetään myös mustesuihkutulostuksessa, kellogeneraattoreissa, elektronisissa laitteissa, mikrovaakapainoissa, ohjaavissa ultraäänisuuttimissa ja ultrahienoissa tarkennusoptisissa kokoonpanoissa.

Ranskalaiset fyysikot Jacques ja Pierre Curie löysivät pietsosähkön vuonna 1880. Pietsosähköistä vaikutusta hyödynnetään hyödyllisissä sovelluksissa, kuten äänen tuottamisessa ja havaitsemisessa sekä suurjännitesähkön tuottamisessa. Käytetään myös pietsosähköistä mustesuihkutulostusta sekä kellogeneraattoreita, elektronisia laitteita, mikrovaakaa, ajaa ultraäänisuuttimia ja erittäin hienojakoisia optisia kokoonpanoja.

Pietsosähkö on löytänyt tiensä jokapäiväiseen käyttöön, kuten kipinöiden tuottamiseen kaasun sytyttämiseksi ruoanlaittoon ja lämmityslaitteisiin, taskulamppuihin, tupakansytyttimiin ja pyrosähköisiin tehostemateriaaleihin, jotka synnyttävät sähköpotentiaalia vasteena lämpötilan muutokselle. Tätä vaikutusta tutkivat Carl Linnaeus ja Franz Aepinus 18-luvun puolivälissä hyödyntäen René Haüyn ja Antoine César Becquerelin tietoja, jotka esittivät mekaanisen jännityksen ja sähkövarauksen välisen suhteen. Kokeet osoittautuivat epäselviksi.

Näkymä pietsokysteestä Skotlannin Hunterian Museumin Curie Compensatorissa on osoitus veljien Pierre ja Jacques Curien suorasta pietsosähköisestä vaikutuksesta. Yhdessä heidän tietämyksensä pyrosähköisyydestä ja heidän taustalla olevista kiderakenteista he johtivat pyrosähköisyyden ennustamiseen ja kykyyn ennustaa kiteen käyttäytymistä. Tämä osoitettiin kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochelle-suolan vaikutuksesta.

Natrium- ja kaliumtartraattitetrahydraatti sekä kvartsi ja Rochelle-suola osoittivat pietsosähköisyyttä, ja pietsosähköistä kiekkoa käytettiin synnyttämään jännite, kun se muuttui, vaikka muodon muutos oli suuresti liioiteltua. Curiet ennustivat käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen, ja Gabriel Lippmann päätteli käänteisen vaikutuksen matemaattisesti termodynaamisista perusperiaatteista vuonna 1881. Curiet vahvisti välittömästi käänteisen vaikutuksen olemassaolon ja jatkoi kvantitatiivisen todisteen saamiseksi sähkö-elektroniikan täydellisestä palautuvuudesta. elastomekaaniset muodonmuutokset pietsosähköisissä kiteissä.

Pietsosähkö oli vuosikymmeniä laboratoriouteliaisuus, kunnes siitä tuli tärkeä työkalu Pierre ja Marie Curien poloniumin ja radiumin löytämisessä. Heidän työnsä pietsosähköisyyttä osoittavien kiderakenteiden tutkimiseksi ja määrittelemiseksi huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik -kirjan (Kristallifysiikan oppikirja) julkaisuun. Tämä kuvasi pietsosähköisyyteen kykenevät luonnolliset kideluokat ja määritteli tarkasti pietsosähköiset vakiot tensorianalyysin avulla pietsosähköisten laitteiden käytännön soveltamiseen.

Luotainkehitys oli menestysprojekti, joka loi intensiivisen kehityksen ja kiinnostuksen pietsosähköisiin laitteisiin. Vuosikymmeniä myöhemmin uusia pietsosähköisiä materiaaleja ja uusia sovelluksia näille materiaaleille tutkittiin ja kehitettiin. Pietsosähköisiä laitteita löytyi useilta eri aloilta, kuten keraamiset fonografikasetit, jotka yksinkertaistivat soittimen suunnittelua ja tekivät levysoittimista halvempia ja helpompia ylläpitää ja rakentaa. Ultraääniantureiden kehitys mahdollisti nesteiden ja kiinteiden aineiden viskositeetin ja elastisuuden helpon mittauksen, mikä johti valtavaan edistykseen materiaalitutkimuksessa. Ultraääniaikaalueen reflektometrit lähettävät ultraäänipulssin materiaaliin ja mittaavat heijastuksia ja epäjatkuvuuksia löytääkseen puutteita valettujen metalli- ja kiviesineiden sisällä, mikä parantaa rakenteellista turvallisuutta.

Pietsosähköisten etujen alan alku turvattiin kannattavilla patenteilla uusille kvartsikiteistä kehitetyille materiaaleille, joita hyödynnettiin kaupallisesti pietsosähköisenä materiaalina. Tutkijat etsivät tehokkaampia materiaaleja, ja materiaalien edistymisestä ja valmistusprosessien kypsymisestä huolimatta Yhdysvaltojen markkinat eivät kasvaneet nopeasti. Sen sijaan japanilaiset valmistajat jakoivat tietoa nopeasti ja uudet kasvusovellukset Yhdysvaltojen pietsosähköteollisuudessa kärsivät toisin kuin japanilaiset valmistajat.

Pietsosähköiset moottorit

Tässä osiossa puhun siitä, kuinka pietsosähköä käytetään modernissa tekniikassa. Pietsosähköisyydestä on tullut olennainen osa monissa laitteissa pyyhkäisykoetinmikroskoopeista, jotka pystyvät erottamaan kuvia atomien mittakaavassa, elektronisesti vahvistettujen kitaroiden mikrofoneihin ja nykyaikaisten elektronisten rumpujen liipaisimiin. Tutustun pietsosähkön historiaan ja siihen, miten sitä on käytetty erilaisissa sovelluksissa.

Pyyhkäisykoetinmikroskooppien muodot

Pietsosähköisyys on sähkövarausta, joka kerääntyy tiettyihin kiinteisiin materiaaleihin, kuten kiteisiin, keramiikkaan ja biologisiin aineisiin, kuten luuhun ja DNA:han. Se on vastaus kohdistettuun mekaaniseen rasitukseen, ja sana pietsosähkö tulee kreikan sanasta πιέζειν (piezein), joka tarkoittaa "purista" tai "purista" ja ἤλεκτρον (ēlektron), joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä.

Pietsosähköiset moottorit ovat laitteita, jotka käyttävät pietsosähköistä vaikutusta liikkeen luomiseen. Tämä vaikutus on lineaarinen sähkömekaaninen vuorovaikutus mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä kiteisissä materiaaleissa, joilla on inversiosymmetria. Se on reversiibeli prosessi, mikä tarkoittaa, että materiaaleissa, joilla on pietsosähköinen vaikutus, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, joka on mekaanisen jännityksen sisäinen generointi, joka johtuu käytetystä sähkökentästä. Esimerkkejä materiaaleista, jotka tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, ovat lyijysirkonaattititanaattikiteet.

Pietsosähköistä vaikutusta hyödynnetään hyödyllisissä sovelluksissa, kuten äänen tuottamisessa ja havaitsemisessa, pietsosähköisessä mustesuihkutulostuksessa, korkeajännitteisen sähkön tuottamisessa, kellogeneraattoreissa ja elektronisissa laitteissa, kuten mikrovaa'at ja ajavat ultraäänisuuttimet erittäin hienoja optisia kokoonpanoja varten. Se muodostaa myös perustan pyyhkäisykoettimikroskooppeille, joita käytetään kuvien erottamiseen atomien mittakaavassa.

Ranskalaiset fyysikot Jacques ja Pierre Curie löysivät pietsosähkön vuonna 1880. Näkymä pietsokysteestä ja Curie-kompensaattorista on nähtävissä Hunterian Museumissa Skotlannissa, joka on osoitus veljesten Pierre ja Jacques Curien suorasta pietsosähköisestä vaikutuksesta.

Yhdistämällä heidän tietämyksensä pyrosähköisyydestä ja heidän ymmärryksensä taustalla olevista kiderakenteista saivat aikaan pyrosähköisyyden ennusteen, jonka ansiosta he pystyivät ennustamaan kiteen käyttäytymistä. Tämä osoitti kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochelle-suolan, vaikutus. Natrium- ja kaliumtartraattitetrahydraatti sekä kvartsi ja Rochelle-suola osoittivat pietsosähköisyyttä, ja pietsosähköistä kiekkoa käytettiin synnyttämään jännite, kun se muuttui, vaikka Curiet liioitteli tätä suuresti.

He ennustivat myös käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen, ja Gabriel Lippmann päätteli tämän matemaattisesti termodynaamisista perusperiaatteista vuonna 1881. Curiet vahvisti välittömästi käänteisen vaikutuksen olemassaolon ja jatkoi kvantitatiivisen todisteen saamiseksi sähköelasto-elektroniikan täydellisestä palautuvuudesta. mekaaniset muodonmuutokset pietsosähköisissä kiteissä.

Pietsosähkö oli vuosikymmeniä laboratoriouteliaisuus, kunnes siitä tuli tärkeä työkalu Pierre ja Marie Curien poloniumin ja radiumin löytämisessä. Heidän työnsä pietsosähköisyyttä osoittavien kiderakenteiden tutkimiseksi ja määrittelemiseksi huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik -kirjan (Crystal Physicsin oppikirja) julkaisuun, jossa kuvattiin pietsosähköisyyteen kykeneviä luonnollisia kideluokkia ja määriteltiin tarkasti pietsosähköiset vakiot ja tensorianalyysi.

Tämä johti ensimmäisen maailmansodan aikana kehitettyjen pietsosähköisten laitteiden, kuten luotain, käytännön soveltamiseen. Ranskassa Paul Langevin ja hänen työtoverinsa kehittivät ultraääni-sukellusveneilmaisimen. Tämä ilmaisin koostui ohuista kvartsikiteistä tehdystä muuntimesta, joka oli liimattu huolellisesti teräslevyihin, ja hydrofonista, joka havaitsi palautetun kaiun sen jälkeen, kun lähettimestä oli lähetetty suurtaajuuspulssi. Mittaamalla aikaa, joka kuluu esineestä pomppivien ääniaaltojen kaiun kuulemiseen, he pystyivät laskemaan kohteen etäisyyden. He käyttivät pietsosähköä tehdäkseen tästä luotain menestyksestä, ja projekti loi intensiivisen kehityksen ja kiinnostuksen pietsosähköisistä laitteista vuosikymmeniä.

Uusia pietsosähköisiä materiaaleja ja uusia sovelluksia näille materiaaleille tutkittiin ja kehitettiin, ja pietsosähköisiä laitteita löytyi monilta aloilta, kuten keraamiset fonografikasetit, jotka yksinkertaistivat soittimen suunnittelua ja tekivät halvempia ja tarkempia levysoittimia, jotka olivat halvempia huoltaa ja helpompia. rakentaa. Ultraääniantureiden kehitys mahdollisti nesteiden ja kiinteiden aineiden viskositeetin ja elastisuuden helpon mittauksen, mikä johti valtavaan edistykseen materiaalitutkimuksessa. Ultraääniaikaalueen reflektometrit lähettävät ultraäänipulssin materiaaliin ja mittaavat heijastuksia ja epäjatkuvuuksia löytääkseen puutteita valettujen metalli- ja kiviesineiden sisällä, mikä parantaa rakenteellista turvallisuutta.

Toisen maailmansodan aikana riippumattomat tutkimusryhmät Yhdysvalloissa

Ratkaise kuvat atomien mittakaavassa

Pietsosähköisyys on sähkövarausta, joka kerääntyy tiettyihin kiinteisiin materiaaleihin, kuten kiteisiin, keramiikkaan ja biologisiin aineisiin, kuten luuhun ja DNA:han. Se on vastaus kohdistettuun mekaaniseen rasitukseen ja on johdettu kreikan sanasta "piezein", joka tarkoittaa puristaa tai puristaa. Pietsosähköinen vaikutus johtuu lineaarisesta sähkömekaanisesta vuorovaikutuksesta mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä kiteisissä materiaaleissa, joilla on inversiosymmetria.

Pietsosähköisyys on palautuva prosessi, ja materiaaleissa, joilla on pietsosähköinen vaikutus, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, joka on mekaanisen jännityksen sisäinen muodostuminen, joka johtuu käytetystä sähkökentästä. Esimerkkejä tästä ovat lyijysirkonaattititanaattikiteet, jotka tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, kun niiden staattinen rakenne muuttuu alkuperäisestä mittasuhteestaan. Sitä vastoin kiteet muuttavat staattista mittaansa, kun ulkoista sähkökenttää käytetään, mikä tunnetaan käänteisenä pietsosähköisenä efektinä ja jota käytetään ultraääniaaltojen tuottamiseen.

Ranskalaiset fyysikot Jacques ja Pierre Curie löysivät pietsosähkön vuonna 1880. Pietsosähköistä vaikutusta on hyödynnetty useisiin hyödyllisiin sovelluksiin, kuten äänen tuottamiseen ja havaitsemiseen, pietsosähköiseen mustesuihkutulostukseen, korkeajännitesähkön tuottamiseen, kellogeneraattoreihin ja elektronisiin laitteisiin, kuten mikrovaakaa ja ajaa ultraäänisuuttimia. Se muodostaa myös perustan pyyhkäisykoettimikroskoopeille, joita käytetään kuvien erottamiseen atomien mittakaavassa.

Pietsosähköä käytetään myös jokapäiväisissä sovelluksissa, kuten kipinöiden synnyttämiseksi kaasun sytyttämiseksi ruoanlaitto- ja lämmityslaitteissa, taskulampuissa, tupakansytyttimissä ja muissa. Carl Linnaeus ja Franz Aepinus tutkivat pyrosähköistä vaikutusta, joka on materiaali, joka tuottaa sähköpotentiaalin vasteena lämpötilan muutokselle. René Haüyn ja Antoine César Becquerelin tietämyksen pohjalta he esittivät mekaanisen rasituksen ja sähkövarauksen välisen suhteen, mutta heidän kokeilunsa osoittautuivat epäselviksi.

Glasgow'n Hunterian-museon vierailijat voivat katsella pietsokideistä Curie-kompensaattoria, joka esittelee veljesten Pierre ja Jacques Curien suoraa pietsosähköistä vaikutusta. Yhdessä heidän tietämyksensä pyrosähköisyydestä ja taustalla olevien kiderakenteiden ymmärtämisestä he johtivat pyrosähköisyyden ennustamiseen ja kykyyn ennustaa kiteen käyttäytymistä. Tämä osoitti kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochelle-suolan, vaikutus. Natrium- ja kaliumtartraattitetrahydraatti sekä kvartsi ja Rochelle-suola osoittivat pietsosähköisyyttä, ja pietsosähköinen kiekko synnyttää jännitteen, kun se muuttuu, vaikka muodon muutos on suuresti liioiteltu. Curiet pystyivät ennustamaan käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen, ja Gabriel Lippmann päätteli käänteisen vaikutuksen matemaattisesti termodynaamisista perusperiaatteista vuonna 1881.

Curiet vahvisti välittömästi käänteisen vaikutuksen olemassaolon ja jatkoi kvantitatiivisen todisteen saamiseksi pietsosähköisten kiteiden sähköelasto-mekaanisten muodonmuutosten täydellisestä palautuvuudesta. Pietsosähkö oli vuosikymmeniä laboratoriouteliaisuus, mutta se oli tärkeä työkalu Pierre ja Marie Curien poloniumin ja radiumin löytämisessä. Heidän työnsä pietsosähköisyyttä osoittavien kiderakenteiden tutkimiseksi ja määrittelemiseksi huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik -kirjan (Kristallifysiikan oppikirja) julkaisuun.

Mikrofonit Elektronisesti vahvistetut kitarat

Pietsosähköiset moottorit ovat sähkömoottoreita, jotka käyttävät pietsosähköistä vaikutusta sähköenergian muuttamiseksi mekaaniseksi energiaksi. Pietsosähköinen vaikutus on tiettyjen materiaalien kyky muodostaa sähkövaraus, kun ne altistetaan mekaaniselle rasitukselle. Pietsosähköisiä moottoreita käytetään monissa sovelluksissa pienten laitteiden, kuten kellojen, virtalähteestä suurempien koneiden, kuten robottien ja lääketieteellisten laitteiden, tehostamiseen.

Pietsosähköisiä moottoreita käytetään elektronisesti vahvistetuissa kitaroissa. Nämä mikrofonit käyttävät pietsosähköistä vaikutusta muuntaakseen kitaran kielten värähtelyt sähköisiksi signaaliksi. Tämän jälkeen signaali vahvistetaan ja lähetetään vahvistimeen, joka tuottaa kitaran äänen. Pietsosähköisiä antureita käytetään myös nykyaikaisissa elektronisissa rummuissa, joissa niitä käytetään havaitsemaan rumpupäiden värähtelyjä ja muuttamaan ne sähköisiksi signaaliksi.

Pietsosähköisiä moottoreita käytetään myös pyyhkäisykoetinmikroskoopeissa, jotka käyttävät pietsosähköistä vaikutusta liikuttamaan pientä koetinta pinnan poikki. Tämä antaa mikroskoopille mahdollisuuden erottaa kuvat atomien mittakaavassa. Pietsosähköisiä moottoreita käytetään myös mustesuihkutulostimissa, joissa niitä käytetään siirtämään tulostuspäätä edestakaisin sivun poikki.

Pietsosähköisiä moottoreita käytetään monissa muissa sovelluksissa, mukaan lukien lääketieteelliset laitteet, autojen komponentit ja kulutuselektroniikka. Niitä käytetään myös teollisissa sovelluksissa, kuten tarkkuusosien valmistuksessa ja monimutkaisten komponenttien kokoonpanossa. Pietsosähköistä vaikutusta käytetään myös ultraääniaaltojen tuotannossa, joita käytetään lääketieteellisessä kuvantamisessa ja materiaalivirheiden havaitsemisessa.

Kaiken kaikkiaan pietsosähköisiä moottoreita käytetään monenlaisissa sovelluksissa pienten laitteiden tehosta suurempien koneiden tehoon. Niitä käytetään elektronisesti vahvistetuissa kitaroissa, moderneissa elektronisissa rummuissa, skannausanturimikroskoopeissa, mustesuihkutulostimissa, lääketieteellisissä laitteissa, autojen komponenteissa ja kulutuselektroniikassa. Pietsosähköistä vaikutusta käytetään myös ultraääniaaltojen tuotannossa ja materiaalien vikojen havaitsemisessa.

Laukaisee nykyaikaiset elektroniset rummut

Pietsosähköisyys on sähkövarausta, joka kerääntyy tiettyihin kiinteisiin materiaaleihin, kuten kiteisiin, keramiikkaan ja biologisiin aineisiin, kuten luuhun ja DNA:han. Se on näiden materiaalien vaste käytettyyn mekaaniseen rasitukseen. Sana pietsosähkö on johdettu kreikan sanasta "piezein", joka tarkoittaa "puristaa tai painaa", ja sanasta "elektron", joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä.

Pietsosähköiset moottorit ovat laitteita, jotka käyttävät pietsosähköistä vaikutusta liikkeen luomiseen. Tämä vaikutus johtuu lineaarisesta sähkömekaanisesta vuorovaikutuksesta kiteisten materiaalien mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä inversiosymmetrisesti. Se on palautuva prosessi, mikä tarkoittaa, että materiaaleilla, joilla on pietsosähköinen vaikutus, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, joka on mekaanisen jännityksen sisäinen generointi, joka johtuu käytetystä sähkökentästä. Esimerkkinä tästä ovat lyijysirkonaattititanaattikiteet, jotka tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, kun niiden staattinen rakenne muuttuu alkuperäisestä mittasuhteesta. Päinvastoin, kun ulkoista sähkökenttää käytetään, kiteet muuttavat staattista mittaansa tuottaen ultraääniaaltoja.

Pietsosähköisiä moottoreita käytetään monissa jokapäiväisissä sovelluksissa, kuten:

• Kipinöiden synnyttäminen kaasun sytyttämiseksi keitto- ja lämmityslaitteissa
• Taskulamput, tupakansytyttimet ja pyrosähköiset materiaalit
• Sähköpotentiaalin tuottaminen vasteena lämpötilan muutokselle
• Äänen tuottaminen ja havaitseminen
• Pietsosähköinen mustesuihkutulostus
• Korkeajännitesähkön tuotanto
• Kellogeneraattori ja elektroniset laitteet
• Mikrovaa'at
• Käytä ultraäänisuuttimia ja ultrahienoja tarkennusoptisia kokoonpanoja
• Muodostaa pohjan pyyhkäisyanturimikroskoopeille
• Erottele kuvia atomien mittakaavassa
• Mikrofonit elektronisesti vahvistetut kitarat
• Laukaisee nykyaikaiset elektroniset rummut.

Pietsosähköisten muuntimien sähkömekaaninen mallinnus

Tässä osiossa tutkin pietsosähköisten muuntimien sähkömekaanista mallintamista. Tarkastelen pietsosähköisyyden löytämisen historiaa, sen olemassaolon osoittaneita kokeita sekä pietsosähköisten laitteiden ja materiaalien kehitystä. Aion myös keskustella ranskalaisten fyysikkojen Pierre ja Jacques Curien, Carl Linnaeuksen ja Franz Aepinuksen, Rene Hauyn ja Antoine Cesar Becquerelin, Gabriel Lippmannin ja Woldemar Voigtin panoksesta.

Ranskalaiset fyysikot Pierre ja Jacques Curie

Pietsosähköisyys on sähkömekaaninen ilmiö, jossa sähkövaraus kerääntyy tiettyihin kiinteisiin materiaaleihin, kuten kiteisiin, keramiikkaan ja biologisiin aineisiin, kuten luuhun ja DNA:han. Tämä varaus syntyy vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Sana "pietsosähkö" on johdettu kreikan sanasta "piezein", joka tarkoittaa "puristaa tai painaa", ja "elektron", joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä.

Pietsosähköinen vaikutus johtuu lineaarisesta sähkömekaanisesta vuorovaikutuksesta mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä materiaaleissa, joilla on inversiosymmetria. Tämä vaikutus on palautuva, mikä tarkoittaa, että materiaaleilla, joilla on pietsosähköinen vaikutus, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, jolloin syntyy mekaanisen jännityksen sisäinen muodostuminen vasteena käytetylle sähkökentälle. Esimerkiksi lyijysirkonaattititanaattikiteet tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, kun niiden staattinen rakenne muuttuu alkuperäisestä mittasuhteestaan. Päinvastoin, kun ulkoista sähkökenttää käytetään, kiteet muuttavat staattista mittaansa tuottaen ultraääniaaltoja prosessissa, joka tunnetaan nimellä käänteinen pietsosähköinen vaikutus.

Ranskalaiset fyysikot Pierre ja Jacques Curie löysivät pietsosähköisen ilmiön vuonna 1880, ja sitä on sittemmin käytetty useisiin hyödyllisiin sovelluksiin, kuten äänen tuottamiseen ja havaitsemiseen, pietsosähköiseen mustesuihkutulostukseen, suurjännitesähkön tuottamiseen, kellogeneraattoreihin ja elektroniikkaan. laitteet, kuten mikrovaa'at ja ajavat ultraäänisuuttimet ultrahienoille optisille kokoonpanoille. Se muodostaa myös perustan skannaaville koetinmikroskoopeille, jotka voivat erottaa kuvia atomien mittakaavassa. Pietsosähköä käytetään myös elektronisesti vahvistettujen kitaroiden mikrofoneissa ja nykyaikaisten elektronisten rumpujen triggereissä.

Pietsosähköllä on myös jokapäiväistä käyttöä, kuten kipinöiden synnyttämistä kaasun sytyttämiseksi ruoanlaitto- ja lämmityslaitteissa, taskulampuissa, tupakansytyttimissä ja muissa. Carl Linnaeus ja Franz Aepinus tutkivat 18-luvun puolivälissä pyrosähköistä vaikutusta, jossa materiaali synnyttää sähköpotentiaalin reagoiden lämpötilan muutokseen, René Hauyn ja Antoine César Becquerelin tietämyksen pohjalta. mekaaninen rasitus ja sähkövaraus, vaikka heidän kokeensa osoittautuivat epäselviksi.

Yhdistämällä tietonsa pyrosähköisyydestä taustalla olevien kiderakenteiden ymmärtämiseen, Curiet pystyivät ennustamaan pyrosähköisyyttä ja ennustamaan kiteiden käyttäytymistä. Tämä osoitettiin kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochelle-suolan vaikutuksesta. Natriumkaliumtartraattitetrahydraatti ja kvartsi osoittivat myös pietsosähköisyyttä. Pietsosähköinen levy synnyttää jännitteen muuttuessaan, vaikka tämä on suuresti liioiteltua Curiesin esittelyssä. He pystyivät myös ennustamaan käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen ja päättelemään sen matemaattisesti Gabriel Lippmannin vuonna 1881 laatimista termodynaamisista perusperiaatteista.

Curiet vahvisti välittömästi käänteisen vaikutuksen olemassaolon ja jatkoi kvantitatiivisen todisteen saamiseksi pietsosähköisten kiteiden sähköelasto-mekaanisten muodonmuutosten täydellisestä palautuvuudesta. Seuraavina vuosikymmeninä pietsosähkö pysyi laboratorion uteliaana, kunnes siitä tuli tärkeä työkalu Pierre ja Marie Curien poloniumin ja radiumin löytämisessä. Heidän työnsä pietsosähköisyyttä osoittavien kiderakenteiden tutkimiseksi ja määrittelemiseksi huipentui Woldemar Voigtin "Lehrbuch der Kristallphysik" -kirjan (kristallifysiikan oppikirja) julkaisemiseen.

Kokeet osoittautuivat epäselviksi

Pietsosähköisyys on sähkömekaaninen ilmiö, jossa sähkövaraus kerääntyy tiettyihin kiinteisiin materiaaleihin, kuten kiteisiin, keramiikkaan ja biologisiin aineisiin, kuten luuhun ja DNA:han. Se on vastaus kohdistettuun mekaaniseen rasitukseen, ja sana "pietsosähköisyys" on johdettu kreikan sanoista "piezein", joka tarkoittaa "puristaa tai painaa", ja "ēlektron", joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä.

Pietsosähköinen vaikutus johtuu lineaarisesta sähkömekaanisesta vuorovaikutuksesta kiteisten materiaalien mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä inversiosymmetrisesti. Se on palautuva prosessi; materiaaleilla, joilla on pietsosähköinen vaikutus, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, joka on mekaanisen jännityksen sisäinen muodostuminen, joka johtuu käytetystä sähkökentästä. Esimerkiksi lyijysirkonaattititanaattikiteet tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, kun niiden staattinen rakenne muuttuu alkuperäisestä mittasuhteestaan. Sitä vastoin kiteet voivat muuttaa staattista mittaansa, kun ulkoista sähkökenttää käytetään, eli käänteisenä pietsosähköisenä efektinä, jota käytetään ultraääniaaltojen tuotannossa.

Ranskalaiset fyysikot Pierre ja Jacques Curie löysivät pietsosähkön vuonna 1880. Sitä on sittemmin hyödynnetty useisiin hyödyllisiin sovelluksiin, kuten äänen tuottamiseen ja havaitsemiseen, pietsosähköiseen mustesuihkutulostukseen, suurjännitesähkön tuottamiseen, kellogeneraattoreihin ja elektronisiin laitteisiin, kuten mikrovaaoihin. , ajaa ultraäänisuuttimia ja ultrahienoja tarkennusoptisia kokoonpanoja. Se muodostaa myös perustan pyyhkäisykoettimikroskoopeille, jotka voivat erottaa kuvia atomien mittakaavassa. Pietsosähköä käytetään myös elektronisesti vahvistettujen kitaroiden mikrofoneissa ja nykyaikaisten elektronisten rumpujen triggereissä.

Pietsosähköllä on jokapäiväistä käyttöä kipinöiden synnyttämiseksi kaasun sytyttämiseksi ruoanlaitto- ja lämmityslaitteissa, taskulampuissa, tupakansytyttimissä ja muissa laitteissa. Carl Linnaeus ja Franz Aepinus tutkivat 18-luvun puolivälissä pyrosähköistä vaikutusta, jossa materiaali synnyttää sähköisen potentiaalin reagoiden lämpötilan muutokseen perustuen René Hauyn ja Antoine César Becquerelin tietoihin, jotka esittivät suhteen. mekaanisen rasituksen ja sähkövarauksen välillä. Kokeet osoittautuivat epäselviksi.

Yhdistetty pyrosähköisyyden tuntemus ja taustalla olevien kiderakenteiden ymmärtäminen synnytti pyrosähköisyyden ennustamisen ja kyvyn ennustaa kiteiden käyttäytymistä. Tämä osoitettiin kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochelle-suolan vaikutuksesta. Natriumkaliumtartraattitetrahydraatilla ja kvartsilla oli myös pietsosähköisyyttä, ja pietsosähköistä kiekkoa käytettiin synnyttämään jännite, kun se muuttui. Tämä oli suuresti liioiteltu Curiesin osoittamassa suoraa pietsosähköistä vaikutusta.

Veljekset Pierre ja Jacques Curie ennustivat käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen, ja Gabriel Lippmann päätteli käänteisen vaikutuksen matemaattisesti termodynaamisista perusperiaatteista vuonna 1881. Curiet vahvisti välittömästi käänteisen vaikutuksen olemassaolon ja jatkoi kvantitatiivisen todisteen saamiseksi täydellisestä. Pietsosähköisten kiteiden sähköelasto-mekaanisten muodonmuutosten palautuvuus.

Pietsosähkö oli vuosikymmeniä laboratoriouteliaisuus, mutta se oli tärkeä työkalu Pierre ja Marie Curien poloniumin ja radiumin löytämisessä. Heidän työnsä pietsosähköisyyttä osoittavien kiderakenteiden tutkimiseksi ja määrittelemiseksi huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik -kirjan (Kristallifysiikan oppikirja) julkaisuun. Tämä kuvasi pietsosähköisyyteen kykenevät luonnolliset kideluokat ja määritteli tarkasti pietsosähköiset vakiot tensorianalyysin avulla. Tämä oli ensimmäinen käytännön sovellus pietsosähköisille muuntimille, ja luotain kehitettiin ensimmäisen maailmansodan aikana. Ranskassa Paul Langevin ja hänen työtoverinsa kehittivät ultraääni-sukellusveneilmaisimen.

Carl Linnaeus ja Franz Aepinus

Pietsosähköisyys on sähkömekaaninen ilmiö, jossa sähkövaraus kerääntyy tiettyihin kiinteisiin materiaaleihin, kuten kiteisiin, keramiikkaan ja biologisiin aineisiin, kuten luuhun ja DNA:han. Tämä varaus syntyy vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Sana pietsosähkö tulee kreikan sanoista πιέζειν (piezein), joka tarkoittaa "puristaa tai painaa" ja ἤλεκτρον (ēlektron), joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä.

Pietsosähköinen vaikutus johtuu lineaarisesta sähkömekaanisesta vuorovaikutuksesta kiteisten materiaalien mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä inversiosymmetrisesti. Tämä vaikutus on palautuva, mikä tarkoittaa, että materiaaleilla, joilla on pietsosähköisyys, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, joka on mekaanisen jännityksen sisäinen generointi, joka johtuu käytetystä sähkökentästä. Esimerkiksi lyijysirkonaattititanaattikiteet tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, kun niiden staattinen rakenne muuttuu alkuperäisestä mittasuhteestaan. Sitä vastoin kiteet voivat muuttaa staattista mittaansa, kun ulkoista sähkökenttää käytetään, mikä tunnetaan käänteisenä pietsosähköisenä efektinä ja jota käytetään ultraääniaaltojen tuotannossa.

Vuonna 1880 ranskalaiset fyysikot Jacques ja Pierre Curie löysivät pietsosähköisen ilmiön, ja sitä on sittemmin käytetty moniin hyödyllisiin sovelluksiin, kuten äänen tuottamiseen ja havaitsemiseen, pietsosähköiseen mustesuihkutulostukseen, suurjännitesähkön tuottamiseen, kellogeneraattoreihin, elektronisiin laitteisiin ja mikrovaakauksiin. , ajaa ultraäänisuuttimia ja ultrahienoja tarkennusoptisia kokoonpanoja. Se muodostaa myös perustan skannaaville koetinmikroskoopeille, joita käytetään atomien mittakaavassa olevien kuvien erottamiseen. Pietsosähköä käytetään myös elektronisesti vahvistettujen kitaroiden mikrofoneissa ja nykyaikaisten elektronisten rumpujen triggereissä.

Pietsosähköä esiintyy myös jokapäiväisessä käytössä, kuten kipinöiden synnyttämisessä kaasun sytyttämiseksi keitto- ja lämmityslaitteissa, taskulampuissa, tupakansytyttimissä ja pyrosähköisessä efektissä, jolloin materiaali synnyttää sähköpotentiaalin vasteena lämpötilan muutokselle. Tätä vaikutusta tutkivat Carl Linnaeus ja Franz Aepinus 18-luvun puolivälissä hyödyntäen René Hauyn ja Antoine César Becquerelin tietoja, jotka esittivät suhteen mekaanisen jännityksen ja sähkövarauksen välillä, vaikka heidän kokeilunsa osoittautuivatkin epäselviksi.

Näkymä pietsokysteestä Curie-kompensaattorissa Hunterian Museumissa Skotlannissa on osoitus veljien Pierre ja Jacques Curien suorasta pietsosähköisestä vaikutuksesta. Yhdistämällä heidän tietämyksensä pyrosähköisyydestä taustalla olevien kiderakenteiden ymmärtämiseen johti pyrosähköisyyden ennustamiseen ja kykyyn ennustaa kiteen käyttäytymistä. Tämä osoitti kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochelle-suolan, vaikutus. Natriumkaliumtartraattitetrahydraatti ja Rochellen suolan kvartsi osoittivat pietsosähköisyyttä, ja pietsosähköinen kiekko synnyttää jännitteen, kun se muuttuu, vaikka tämä on suuresti liioiteltua Curiesin esittelyssä.

Käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen ennustuksen ja sen matemaattisen päätelmän termodynaamisista perusperiaatteista teki Gabriel Lippmann vuonna 1881. Curiet vahvisti välittömästi käänteisen vaikutuksen olemassaolon ja jatkoi kvantitatiivisen todisteen saamiseksi sähköelasto-elektroniikan täydellisestä palautuvuudesta. mekaaniset muodonmuutokset pietsosähköisissä kiteissä. Pietsosähkö oli vuosikymmeniä laboratoriouteliaisuus, kunnes siitä tuli tärkeä työkalu poloniumin ja radiumin löytämisessä Pierre ja Marie Curie, jotka käyttivät sitä pietsosähköisyyttä osoittavien kiderakenteiden tutkimiseen ja määrittelemiseen. Tämä huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik-kirjan (Textbook of Crystal Physics) julkaisu, jossa kuvattiin pietsosähköisyyteen kykenevät luonnolliset kideluokat ja määriteltiin tarkasti pietsosähköiset vakiot tensorianalyysin avulla.

Tämä pietsosähköisten muuntimien käytännöllinen sovellus johti kaikuluotaimen kehittämiseen ensimmäisen maailmansodan aikana. Ranskassa Paul Langevin ja hänen työtoverinsa kehittivät ultraääni-sukellusveneilmaisimen. Ilmaisin koostui ohuista kvartsikiteistä tehdystä muuntimesta, joka oli liimattu huolellisesti teräslevyihin, ja hydrofonista, joka havaitsi palautetun kaiun sen jälkeen, kun lähettimestä oli lähetetty suurtaajuuspulssi. Mittaamalla aikaa, joka kuluu esineestä pomppivien ääniaaltojen kaiun kuulemiseen, he pystyivät laskemaan kohteen etäisyyden. He käyttivät pietsosähköä tehdäkseen tästä luotain menestyksestä, ja projekti loi intensiivisen kehityksen ja kiinnostuksen pietsosähköisistä laitteista.

Rene Hauy ja Antoine Cesar Becquerel

Pietsosähköisyys on sähkömekaaninen ilmiö, joka tapahtuu, kun tietyt kiinteät materiaalit, kuten kiteet, keramiikka ja biologiset aineet, kuten luu ja DNA, keräävät sähkövarausta vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Pietsosähköisyys on johdettu kreikan sanasta "piezein", joka tarkoittaa "puristaa tai painaa", ja "elektron", joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä.

Pietsosähköinen vaikutus johtuu lineaarisesta sähkömekaanisesta vuorovaikutuksesta mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä kiteisissä materiaaleissa, joilla on inversiosymmetria. Tämä vaikutus on palautuva, mikä tarkoittaa, että materiaaleissa, joilla on pietsosähköinen vaikutus, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus tai sisäisen mekaanisen jännityksen muodostuminen, joka johtuu käytetystä sähkökentästä. Esimerkiksi lyijysirkonaattititanaattikiteet tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, kun niiden staattinen rakenne muuttuu alkuperäisestä mittasuhteestaan. Sitä vastoin kiteet voivat muuttaa staattista mittaansa, kun ulkoista sähkökenttää käytetään, mikä johtaa käänteiseen pietsosähköiseen vaikutukseen ja ultraääniaaltojen tuottamiseen.

Ranskalaiset fyysikot Pierre ja Jacques Curie löysivät pietsosähköisen ilmiön vuonna 1880. Tätä vaikutusta on hyödynnetty useissa hyödyllisissä sovelluksissa, kuten äänen tuottamisessa ja havaitsemisessa, pietsosähköisessä mustesuihkutulostuksessa, suurjännitesähkön tuottamisessa, kellogeneraattoreissa ja elektronisissa laitteissa. kuten mikrovaa'at, ajavat ultraäänisuuttimet ja ultrahienot tarkentavat optiset kokoonpanot. Se muodostaa myös perustan pyyhkäisykoettimikroskoopeille, jotka voivat erottaa kuvia atomien mittakaavassa. Pietsosähköä käytetään myös elektronisesti vahvistettujen kitaroiden mikrofoneissa ja nykyaikaisten elektronisten rumpujen triggereissä.

Pietsosähköistä vaikutusta tutkivat ensimmäisen kerran Carl Linnaeus ja Franz Aepinus 18-luvun puolivälissä hyödyntäen Rene Hauyn ja Antoine Cesar Becquerelin tietoja, jotka esittivät mekaanisen jännityksen ja sähkövarauksen välisen suhteen. Kokeilut osoittautuivat kuitenkin epäselviksi. Yhdessä pyrosähköisyyden tuntemuksen ja taustalla olevien kiderakenteiden ymmärtämisen kanssa tämä johti pyrosähköisyyden ennustamiseen ja kykyyn ennustaa kiteen käyttäytymistä. Tämä osoitettiin kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochelle-suolan vaikutuksesta. Natriumkaliumtartraattitetrahydraatilla ja kvartsilla oli myös pietsosähköisyyttä, ja pietsosähköistä kiekkoa käytettiin synnyttämään jännite, kun se muuttui. Tämä vaikutus oli suuresti liioiteltu Curiesin mielenosoituksessa Skotlannin museossa, joka osoitti suoran pietsosähköisen vaikutuksen.

Veljekset Pierre ja Jacques Curie jatkoivat kvantitatiivista näyttöä pietsosähköisten kiteiden sähköelasto-mekaanisten muodonmuutosten täydellisestä palautuvuudesta. Pietsosähkö oli vuosikymmeniä laboratorion uteliaisuus, kunnes siitä tuli tärkeä työkalu Pierre ja Marie Curien poloniumin ja radiumin löytämisessä. Tässä työssä tutkittiin ja määriteltiin pietsosähköisyyttä osoittavia kiderakenteita, mikä huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik -kirjan (Kristallifysiikan oppikirja) julkaisuun.

Curiet vahvisti välittömästi käänteisen vaikutuksen olemassaolon ja päätteli matemaattisesti käänteisen vaikutuksen termodynaamiset perusperiaatteet. Tämän teki Gabriel Lippmann vuonna 1881. Pietsosähköä käytettiin sitten luotaimen kehittämiseen ensimmäisen maailmansodan aikana. Ranskassa Paul Langevin ja hänen työtoverinsa kehittivät ultraääni-sukellusveneilmaisimen. Tämä ilmaisin koostui ohuista kvartsikiteistä tehdystä muuntimesta, joka oli liimattu huolellisesti teräslevyihin, ja hydrofonista palautetun kaiun havaitsemiseksi. Lähettämällä korkeataajuisen pulssin muuntimesta ja mittaamalla aikaa, joka kuluu esineestä pomppivien ääniaaltojen kaiun kuulemiseen, he voivat laskea etäisyyden kohteeseen.

Bell Telephone Laboratories kehitti pietsosähköisten kiteiden käyttöä edelleen toisen maailmansodan jälkeen. Frederick R. Lack, joka työskentelee radiopuhelintekniikan osastolla, kehitti leikatun kiteen, joka pystyi toimimaan laajalla lämpötila-alueella. Lackin kristalli ei tarvinnut aikaisempien kristallien raskaita lisävarusteita, mikä helpotti sen käyttöä lentokoneissa. Tämä kehitys antoi liittoutuneiden ilmavoimille mahdollisuuden osallistua koordinoituihin joukkohyökkäyksiin käyttämällä ilmailuradiota. Pietsosähköisten laitteiden ja materiaalien kehitys Yhdysvalloissa piti yritykset alan sota-alojen kehittämisessä ja kiinnostus uusien materiaalien kannattavien patenttien hankkimiseen kehittyi. Kvartsikiteitä käytettiin kaupallisesti pietsosähköisenä materiaalina, ja tutkijat etsivät tehokkaampia materiaaleja. Huolimatta materiaalien edistymisestä ja valmistusprosessien kypsymisestä, Yhdysvallat

Gabriel Lippmann

Pietsosähköisyys on sähkömekaaninen ilmiö, jossa sähkövaraus kerääntyy tiettyihin kiinteisiin materiaaleihin, kuten kiteisiin, keramiikkaan ja biologisiin aineisiin, kuten luuhun ja DNA:han. Se on seurausta mekaanisten ja sähköisten tilojen välisestä vuorovaikutuksesta materiaaleissa, joilla on inversiosymmetria. Ranskalaiset fyysikot Pierre ja Jacques Curie löysivät pietsosähkön ensimmäisen kerran vuonna 1880.

Pietsosähköä on hyödynnetty monissa hyödyllisissä sovelluksissa, mukaan lukien äänen tuottaminen ja havaitseminen, pietsosähköinen mustesuihkutulostus ja korkeajännitesähkön tuottaminen. Pietsosähköisyys on johdettu kreikan sanoista πιέζειν (piezein), joka tarkoittaa "puristaa tai painaa" ja ἤλεκτρον (ēlektron), joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä.

Pietsosähköinen vaikutus on palautuva, mikä tarkoittaa, että pietsosähköisillä materiaaleilla on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, jossa mekaanisen jännityksen sisäinen muodostuminen johtuu sähkökentän vaikutuksesta. Esimerkiksi lyijysirkonaattititanaattikiteet tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, kun niiden staattinen rakenne muuttuu alkuperäisestä mittasuhteestaan. Sitä vastoin kiteet voivat muuttaa staattista mittaansa, kun ulkoista sähkökenttää käytetään, prosessi, joka tunnetaan käänteisenä pietsosähköisenä efektinä. Tätä prosessia voidaan käyttää ultraääniaaltojen tuottamiseen.

Pietsosähköistä vaikutusta on tutkittu 18-luvun puolivälistä lähtien, jolloin Carl Linnaeus ja Franz Aepinus esittivät René Hauyn ja Antoine César Becquerelin tietämyksen perusteella yhteyden mekaanisen jännityksen ja sähkövarauksen välille. Kokeilut osoittautuivat kuitenkin epäselviksi. Vasta kun yhdistetty tieto pyrosähköisyydestä ja taustalla olevien kiderakenteiden ymmärtäminen johtivat pyrosähköisyyden ennustukseen, tutkijat pystyivät ennustamaan kiteen käyttäytymistä. Tämä osoitti kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochelle-suolan, vaikutus.

Gabriel Lippmann päätteli vuonna 1881 matemaattisesti käänteisen pietsosähköisen ilmiön termodynaamiset perusperiaatteet. Curiet vahvisti välittömästi käänteisen vaikutuksen olemassaolon ja jatkoi kvantitatiivisen todisteen saamiseksi pietsosähköisten kiteiden sähköelasto-mekaanisten muodonmuutosten täydellisestä palautuvuudesta.

Pietsosähkö oli vuosikymmeniä laboratoriouteliaisuus, kunnes siitä tuli tärkeä työkalu Pierre ja Marie Curien poloniumin ja radiumin löytämisessä. Heidän työnsä pietsosähköisyyttä osoittavien kiderakenteiden tutkimiseksi ja määrittelemiseksi huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik -kirjan (Kristallifysiikan oppikirja) julkaisuun. Tämä kuvasi pietsosähköisyyteen kykenevät luonnolliset kideluokat ja määritteli tarkasti pietsosähköiset vakiot tensorianalyysillä.

Pietsosähköisten laitteiden käytännön soveltaminen alkoi luotainkehityksellä ensimmäisen maailmansodan aikana. Paul Langevin ja hänen työtoverinsa kehittivät ultraääni-sukellusveneilmaisimen. Tämä ilmaisin koostui ohuista kvartsikiteistä tehdystä muuntimesta, joka oli liimattu huolellisesti teräslevyihin, ja hydrofonista palautetun kaiun havaitsemiseksi. Lähettämällä korkeataajuisen pulssin muuntimesta ja mittaamalla aikaa, joka kuluu esineestä pomppivien ääniaaltojen kaiun kuulemiseen, he pystyivät laskemaan etäisyyden kohteeseen. Tämä pietsosähkön käyttö kaikuluotaimissa oli menestys, ja projekti loi voimakkaan kehityskiinnostuksen pietsosähköisiin laitteisiin. Vuosikymmenten aikana uusia pietsosähköisiä materiaaleja ja uusia sovelluksia näille materiaaleille on tutkittu ja kehitetty. Pietsosähköisiä laitteita on löytynyt useilta eri aloilta keraamisista fonografipatruunoista, jotka yksinkertaistivat soittimen suunnittelua ja tekivät halpoja, tarkkoja levysoittimia halvemmiksi ylläpitää ja helpommin rakentaa, ultraäänimuuntimien kehittämiseen, jotka mahdollistivat nesteiden viskositeetin ja kimmoisuuden helpon mittauksen. ja kiinteät aineet, mikä johtaa valtavaan edistykseen materiaalitutkimuksessa. Ultraääniaikaalueen reflektometrit lähettävät ultraäänipulssin materiaaliin ja mittaavat heijastuksia ja epäjatkuvuuksia löytääkseen puutteita valettujen metalli- ja kiviesineiden sisällä, mikä parantaa rakenteellista turvallisuutta.

Toisen maailmansodan jälkeen riippumattomat tutkimusryhmät Yhdysvalloissa, Venäjällä ja Japanissa löysivät uuden luokan synteettisiä materiaaleja, joita kutsutaan ferrosähköisiksi ja joiden pietsosähköiset vakiot olivat jopa kymmenen kertaa suuremmat kuin luonnollisten materiaalien. Tämä johti intensiiviseen tutkimukseen bariumtitanaatin ja myöhemmin lyijysirkonaattititanaatin kehittämiseksi materiaaleilla, joilla on erityisiä ominaisuuksia tiettyihin sovelluksiin. Merkittävä esimerkki pietsosähköisten kiteiden käytöstä kehitettiin

Woldemar Voigt

Pietsosähköisyys on sähkömekaaninen ilmiö, jossa sähkövaraus kerääntyy tiettyihin kiinteisiin materiaaleihin, kuten kiteisiin, keramiikkaan ja biologisiin aineisiin, kuten luuhun ja DNA:han. Tämä varaus syntyy vasteena kohdistetulle mekaaniselle rasitukselle. Sana pietsosähkö on johdettu kreikan sanasta "piezein", joka tarkoittaa "puristaa tai painaa", ja "elektron", joka tarkoittaa "meripihkaa", muinaista sähkövarauksen lähdettä.

Pietsosähköinen vaikutus johtuu lineaarisesta sähkömekaanisesta vuorovaikutuksesta kiteisten materiaalien mekaanisten ja sähköisten tilojen välillä inversiosymmetrisesti. Tämä vaikutus on palautuva, mikä tarkoittaa, että materiaaleilla, joilla on pietsosähköisyys, on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, jossa mekaanisen jännityksen sisäinen muodostuminen johtuu käytetystä sähkökentästä. Esimerkiksi lyijysirkonaattititanaattikiteet tuottavat mitattavissa olevaa pietsosähköä, kun niiden staattinen rakenne muuttuu alkuperäisestä mittasuhteestaan. Sitä vastoin kiteet voivat muuttaa staattista mittaansa, kun ulkoista sähkökenttää käytetään, ilmiö, joka tunnetaan nimellä käänteinen pietsosähköinen vaikutus, jota käytetään ultraääniaaltojen tuotannossa.

Ranskalaiset fyysikot Pierre ja Jacques Curie löysivät pietsosähkön vuonna 1880. Pietsosähköistä vaikutusta on sittemmin käytetty useisiin hyödyllisiin sovelluksiin, kuten äänen tuottamiseen ja havaitsemiseen, pietsosähköiseen mustesuihkutulostukseen, suurjännitesähkön tuottamiseen, kellogeneraattoreihin ja elektronisiin laitteisiin. kuten mikrovaa'at ja ajavat ultraäänisuuttimet optisten kokoonpanojen ultrahienoon tarkennukseen. Se muodostaa myös perustan pyyhkäisykoettimikroskoopeille, jotka voivat erottaa kuvia atomien mittakaavassa. Lisäksi elektronisesti vahvistettujen kitaroiden mikrofonit ja nykyaikaisten elektronisten rumpujen triggerit käyttävät pietsosähköistä vaikutusta.

Pietsosähköä käytetään myös jokapäiväisessä käytössä kipinöiden tuottamisessa kaasun sytyttämiseksi ruoanlaitto- ja lämmityslaitteissa, taskulampuissa, tupakansytyttimissä ja muissa. Carl Linnaeus ja Franz Aepinus tutkivat 18-luvun puolivälissä pyrosähköistä vaikutusta, jossa materiaali synnyttää sähköisen potentiaalin reagoiden lämpötilan muutokseen. Hän hyödyntää Rene Hauyn ja Antoine Cesar Becquerelin tietoja, jotka esittivät suhteen mekaanisten välillä. stressi ja sähkövaraus. Kokeet tämän suhteen osoittamiseksi osoittautuivat epäselviksi.

Näkymä pietsokysteestä Curie-kompensaattorissa Hunterian Museumissa Skotlannissa on osoitus veljien Pierre ja Jacques Curien suorasta pietsosähköisestä vaikutuksesta. Yhdistämällä heidän tietämyksensä pyrosähköisyydestä taustalla olevien kiderakenteiden ymmärtämiseen johti pyrosähköisyyden ennustamiseen, mikä antoi heille mahdollisuuden ennustaa kiteiden käyttäytymistä, jota he osoittivat kiteiden, kuten turmaliinin, kvartsin, topaasin, ruokosokerin ja Rochellen suolan vaikutuksesta. . Natrium- ja kaliumtartraattitetrahydraatilla ja kvartsilla oli myös pietsosähköisyyttä, ja pietsosähköistä kiekkoa käytettiin synnyttämään jännite, kun ne muuttuivat. Tämä muodonmuutos oli suuresti liioiteltu Curien mielenosoituksissa, ja he jatkoivat ennusteen käänteistä pietsosähköistä vaikutusta. Gabriel Lippmann päätteli käänteisen vaikutuksen matemaattisesti termodynaamisista perusperiaatteista vuonna 1881.

Curiet vahvisti välittömästi käänteisen vaikutuksen olemassaolon ja jatkoi kvantitatiivisen todisteen saamiseksi pietsosähköisten kiteiden sähköelasto-mekaanisten muodonmuutosten täydellisestä palautuvuudesta. Seuraavina vuosikymmeninä pietsosähkö pysyi laboratorion uteliaisuutena, kunnes siitä tuli tärkeä työkalu poloniumin ja radiumin löytämisessä Pierre Marie Curien toimesta. Hän käytti sitä tutkiessaan ja määritellessä kiderakenteita, joissa esiintyi pietsosähköisyyttä. Tämä huipentui Woldemar Voigtin Lehrbuch der Kristallphysik-kirjan (Textbook of Crystal Physics) julkaisu, jossa kuvattiin pietsosähköisyyteen kykenevät luonnolliset kideluokat ja määriteltiin tarkasti pietsosähköiset vakiot tensorianalyysin avulla.

Tämä johti ensimmäisen maailmansodan aikana kehitettyjen pietsosähköisten laitteiden, kuten luotain, käytännön soveltamiseen. Ranskassa Paul Langevin ja hänen työtoverinsa kehittivät ultraääni-sukellusveneilmaisimen. Tämä ilmaisin koostui ohuista kvartsikiteistä tehdystä muuntimesta, joka oli liimattu huolellisesti teräslevyihin, ja hydrofonista, joka havaitsi palautetun kaiun sen jälkeen, kun lähettimestä oli lähetetty suurtaajuuspulssi. Mittaamalla aikaa, joka kuluu esineestä pomppivien ääniaaltojen kaiun kuulemiseen, he voivat laskea etäisyyden kohteeseen. He käyttivät pietsosähköä tehdäkseen tästä luotain menestyksestä, ja projekti herätti intensiivistä kehitystä ja kiinnostusta.

Tärkeitä suhteita

• Pietsosähköiset toimilaitteet: Pietsosähköiset toimilaitteet ovat laitteita, jotka muuttavat sähköenergian mekaaniseksi liikkeeksi. Niitä käytetään yleisesti robotiikassa, lääketieteellisissä laitteissa ja muissa sovelluksissa, joissa vaaditaan tarkkaa liikkeenohjausta.
• Pietsosähköiset anturit: Pietsosähköisiä antureita käytetään fyysisten parametrien, kuten paineen, kiihtyvyyden ja tärinän, mittaamiseen. Niitä käytetään usein teollisissa ja lääketieteellisissä sovelluksissa sekä kulutuselektroniikassa.
• Pietsosähköisyys luonnossa: Pietsosähköisyys on luonnossa esiintyvä ilmiö tietyissä materiaaleissa, ja sitä esiintyy monissa elävissä organismeissa. Jotkut organismit käyttävät sitä ympäristönsä aistimiseen ja kommunikointiin muiden organismien kanssa.

Yhteenveto

Pietsosähköisyys on hämmästyttävä ilmiö, jota on käytetty monissa sovelluksissa kaikuluotaimesta fonografipatruunoihin. Sitä on tutkittu 1800-luvun puolivälistä lähtien, ja sitä on käytetty suurella teholla modernin tekniikan kehityksessä. Tämä blogikirjoitus on tutkinut pietsosähkön historiaa ja käyttötapoja sekä korostanut tämän ilmiön merkitystä modernin teknologian kehityksessä. Tämä viesti on loistava lähtökohta niille, jotka ovat kiinnostuneita oppimaan lisää pietsosähköisyydestä.

Olen Joost Nusselder, Neaeran perustaja ja sisältömarkkinoija, isä, ja rakastan uusien laitteiden kokeilemista kitaran kanssa intohimoni ytimessä, ja yhdessä tiimini kanssa olen luonut syvällisiä blogiartikkeleita vuodesta 2020 lähtien. auttamaan uskollisia lukijoita äänitys- ja kitaravinkeillä.

Tarkista minut Youtubesta jossa kokeilen kaikkia näitä varusteita:

Tilaa