Piezoelektricitet je sposobnost određenih materijala da generiraju električnu energiju kada su izloženi mehaničkom naprezanju i obrnuto. Riječ dolazi od grčke riječi piezo što znači pritisak i elektricitet. Prvi put je otkriven 1880. godine, ali koncept je poznat već dugo vremena.
Najpoznatiji primjer piezoelektriciteta je kvarc, ali mnogi drugi materijali također pokazuju ovaj fenomen. Najčešća upotreba piezoelektriciteta je proizvodnja ultrazvuka.
U ovom ću članku raspravljati o tome što je piezoelektricitet, kako djeluje i neke od mnogih praktičnih primjena ovog nevjerojatnog fenomena.
Što je piezoelektricitet?
Piezoelektricitet je sposobnost određenih materijala da generiraju električni naboj kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. To je linearna elektromehanička interakcija između mehaničkih i električnih stanja u kristalnim materijalima s inverzijskom simetrijom. Piezoelektrični materijali mogu se koristiti za generiranje visokonaponske struje, generatore takta, elektroničke uređaje, mikrovage, pogonske ultrazvučne mlaznice i optičke sklopove ultrafinog fokusiranja.
Piezoelektrični materijali uključuju kristale, određenu keramiku, biološku tvar poput kostiju i DNK te proteine. Kada se sila primijeni na piezoelektrični materijal, on proizvodi električni naboj. Taj se naboj zatim može koristiti za napajanje uređaja ili stvaranje napona.
Piezoelektrični materijali koriste se u različitim primjenama, uključujući:
• Proizvodnja i detekcija zvuka
• Piezoelektrični inkjet ispis
• Proizvodnja električne energije visokog napona
• Generatori takta
• Elektronički uređaji
• Mikrovage
• Pogon ultrazvučnih mlaznica
• Optički sklopovi za ultrafino fokusiranje
• Shuttle za elektronički pojačane gitare
• Okidači za moderne elektronske bubnjeve
• Stvaranje iskri za paljenje plina
• Uređaji za kuhanje i grijanje
• Baklje i upaljači za cigarete.
Kakva je povijest piezoelektriciteta?
Piezoelektricitet su 1880. godine otkrili francuski fizičari Jacques i Pierre Curie. To je električni naboj koji se nakuplja u određenim krutim materijalima, kao što su kristali, keramika i biološka tvar, kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Riječ "piezoelektricitet" izvedena je iz grčke riječi "piezein", što znači "stisnuti" ili "pritisnuti", i "elektron", što znači "jantar", drevni izvor električnog naboja.
Piezoelektrični učinak proizlazi iz linearne elektromehaničke interakcije između mehaničkih i električnih stanja kristalnih materijala s inverzijskom simetrijom. To je reverzibilan proces, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektricitet također pokazuju i obrnuti piezoelektrični učinak, što je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje proizlazi iz primijenjenog električnog polja.
Kombinirano znanje bračnog para Curie o piroelektričnosti i razumijevanje temeljnih kristalnih struktura dovelo je do predviđanja piroelektriciteta i sposobnosti predviđanja ponašanja kristala. To se pokazalo u učinku kristala kao što su turmalin, kvarc, topaz, šećer od trske i Rochelle sol.
Curijevi su odmah potvrdili postojanje obrnutog efekta i dobili kvantitativni dokaz potpune reverzibilnosti elektro-elasto-mehaničkih deformacija u piezoelektričnim kristalima. Tijekom desetljeća piezoelektricitet je ostao laboratorijska zanimljivost sve dok nije postao vitalni alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie.
Piezoelektricitet se iskorištava za mnoge korisne primjene, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka, piezoelektrični inkjet ispis, proizvodnju visokonaponske struje, generatore sata i elektroničke uređaje, mikrovage, pogon ultrazvučnih mlaznica, ultrafino fokusiranje optičkih sklopova i oblike osnova skenirajućih sondnih mikroskopa za razlučivanje slika na razini atoma.
Piezoelektricitet također nalazi svakodnevnu upotrebu, kao što je stvaranje iskri za paljenje plina u uređajima za kuhanje i grijanje, bakljama, upaljačima za cigarete i piroelektrični učinak, gdje materijal stvara električni potencijal kao odgovor na promjenu temperature.
U razvoju sonara tijekom Prvog svjetskog rata korišteni su piezoelektrični kristali koje je razvio Bell Telephone Laboratories. To je omogućilo savezničkim zračnim snagama da se uključe u koordinirane masovne napade koristeći zrakoplovni radio. Razvoj piezoelektričnih uređaja i materijala u Sjedinjenim Državama zadržao je tvrtke u razvoju ratnih početaka u području interesa, osiguravajući isplative patente za nove materijale.
Japan je vidio nove primjene i rast piezoelektrične industrije Sjedinjenih Država i brzo je razvio vlastitu. Brzo su razmijenili informacije i razvili barij titanat i kasnije olovo cirkonat titanat materijale sa specifičnim svojstvima za posebne primjene.
Piezoelektricitet je prešao dug put od svog otkrića 1880. godine i sada se koristi u raznim svakodnevnim primjenama. Također se koristi za napredak u istraživanju materijala, kao što su ultrazvučni reflektometri u vremenskoj domeni, koji šalju ultrazvučni puls kroz materijal za mjerenje refleksija i diskontinuiteta kako bi se pronašli nedostaci unutar lijevanog metala i kamenih predmeta, poboljšavajući strukturnu sigurnost.
Kako radi piezoelektricitet
U ovom odjeljku istražit ću kako radi piezoelektricitet. Promatrat ću akumulaciju električnog naboja u čvrstim tijelima, linearnu elektromehaničku interakciju i reverzibilni proces koji čini ovaj fenomen. Također ću raspravljati o povijesti piezoelektriciteta i njegovoj primjeni.
Akumulacija električnog naboja u čvrstim tijelima
Piezoelektricitet je električni naboj koji se nakuplja u određenim krutim materijalima, kao što su kristali, keramika i biološke tvari poput kostiju i DNK. To je odgovor na primijenjeni mehanički stres, a ime mu dolazi od grčkih riječi "piezein" (stisnuti ili pritisnuti) i "ēlektron" (jantar).
Piezoelektrični učinak proizlazi iz linearne elektromehaničke interakcije između mehaničkih i električnih stanja u kristalnim materijalima s inverzijskom simetrijom. To je reverzibilan proces, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektricitet također pokazuju obrnuti piezoelektrični učinak, gdje je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja rezultat primijenjenog električnog polja. Primjeri materijala koji stvaraju mjerljivi piezoelektricitet uključuju kristale olovo cirkonat titanata.
Francuski fizičari Pierre i Jacques Curie otkrili su piezoelektricitet 1880. Od tada se iskorištava za razne korisne primjene, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka, piezoelektrični inkjet ispis, proizvodnju električne energije visokog napona, generatore sata i elektroničke uređaje poput mikrovaga i pogon ultrazvučnih mlaznica za ultrafino fokusiranje optičkih sklopova. Također čini osnovu skenirajućih sondnih mikroskopa, koji mogu razlučiti slike na razini atoma. Piezoelektricitet se također koristi u pickupima za elektronički pojačane gitare i okidačima za moderne elektroničke bubnjeve.
Piezoelektricitet nalazi svakodnevnu primjenu u stvaranju iskri za paljenje plina, u uređajima za kuhanje i grijanje, bakljama, upaljačima za cigarete i piroelektričnom učinku, gdje materijal stvara električni potencijal kao odgovor na promjenu temperature. Ovo su proučavali Carl Linnaeus i Franz Aepinus sredinom 18. stoljeća, oslanjajući se na znanje Renéa Haüya i Antoinea Césara Becquerela, koji su postavili vezu između mehaničkog naprezanja i električnog naboja. Eksperimenti su se pokazali neuvjerljivima.
Pogled na piezo kristal u Curiejevom kompenzatoru u Hunterian muzeju u Škotskoj demonstracija je izravnog piezoelektričnog učinka. Braća Pierre i Jacques Curie spojili su svoje znanje o piroelektricitetu s razumijevanjem temeljnih kristalnih struktura, što je dovelo do predviđanja piroelektriciteta. Uspjeli su predvidjeti ponašanje kristala i demonstrirali učinak u kristalima kao što su turmalin, kvarc, topaz, šećer od trske i Rochelle sol. Natrijev kalijev tartarat tetrahidrat i kvarc također su pokazali piezoelektričnost. Piezoelektrični disk generira napon kada se deformira, a promjena oblika uvelike je preuveličana u Curiesovoj demonstraciji.
Uspjeli su predvidjeti obrnuti piezoelektrični učinak, a obrnuti učinak matematički je izveo Gabriel Lippmann 1881. Curiejevi su odmah potvrdili postojanje obrnutog učinka i dobili kvantitativni dokaz potpune reverzibilnosti elektro-elasto-električnog učinka. mehaničke deformacije u piezoelektričnim kristalima.
Desetljećima je piezoelektricitet bio laboratorijska zanimljivost, ali bio je vitalan alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie. Njihov rad na istraživanju i definiranju kristalnih struktura koje pokazuju piezoelektricitet kulminirao je objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik (Udžbenik kristalne fizike) Woldemara Voigta, koji opisuje prirodne kristalne klase sposobne za piezoelektricitet i rigorozno definira piezoelektrične konstante kroz analizu tenzora. To je bila praktična primjena piezoelektričnih uređaja, a sonar je razvijen tijekom Prvog svjetskog rata. U Francuskoj su Paul Langevin i njegovi suradnici razvili ultrazvučni detektor podmornica.
Detektor se sastojao od a transduktor napravljen od tankih kvarcnih kristala pažljivo zalijepljenih na čelične ploče, i hidrofon za otkrivanje povratnog odjeka. Emitirajući visoku frekvencija pulsa iz sonde i mjerenja vremena potrebnog da se čuje jeka zvučnih valova koji se odbijaju od objekta, uspjeli su izračunati udaljenost do objekta. Koristili su piezoelektricitet kako bi sonar bio uspješan, a projekt je stvorio intenzivan razvoj i interes za piezoelektrične uređaje. Tijekom desetljeća istraženi su i razvijeni novi piezoelektrični materijali i nove primjene materijala, a piezoelektrični uređaji našli su svoje mjesto u raznim područjima. Keramički gramofonski ulošci pojednostavili su dizajn svirača i stvorili jeftine i točne gramofone koji su bili jeftiniji za održavanje i lakši za izradu.
Razvoj ultrazvučnih sondi omogućio je jednostavno mjerenje viskoznosti i elastičnosti tekućina i krutina, što je rezultiralo velikim napretkom u istraživanju materijala.
Linearna elektromehanička interakcija
Piezoelektricitet je sposobnost određenih materijala da generiraju električni naboj kada su izloženi mehaničkom naprezanju. Riječ je izvedena iz grčkih riječi πιέζειν (piezein) što znači "stisnuti ili pritisnuti" i ἤλεκτρον (ēlektron) što znači "jantar", koji je bio drevni izvor električnog naboja.
Piezoelektricitet su 1880. godine otkrili francuski fizičari Jacques i Pierre Curie. Temelji se na linearnoj elektromehaničkoj interakciji između mehaničkih i električnih stanja kristalnih materijala s inverzijskom simetrijom. Ovaj učinak je reverzibilan, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektricitet također pokazuju obrnuti piezoelektrični učinak, pri čemu unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja proizlazi iz primijenjenog električnog polja. Primjeri materijala koji stvaraju mjerljivi piezoelektricitet kada se deformiraju iz svoje statičke strukture uključuju kristale olovo cirkonat titanata. Nasuprot tome, kristali mogu promijeniti svoju statičku dimenziju kada se primijeni vanjsko električno polje, što je poznato kao inverzni piezoelektrični učinak i koristi se u proizvodnji ultrazvučnih valova.
Piezoelektricitet se iskorištava za razne korisne primjene, kao što su:
• Proizvodnja i detekcija zvuka
• Piezoelektrični inkjet ispis
• Proizvodnja električne energije visokog napona
• Generator takta
• Elektronički uređaji
• Mikrovage
• Pogon ultrazvučnih mlaznica
• Optički sklopovi za ultrafino fokusiranje
• Tvori osnovu skenirajućih sondnih mikroskopa za razlučivanje slika na razini atoma
• Pickupi u gitarama s elektroničkim pojačalom
• Okidači u modernim elektroničkim bubnjevima
• Stvaranje iskri za paljenje plina u uređajima za kuhanje i grijanje
• Baklje i upaljači za cigarete
Piezoelektricitet također nalazi svakodnevnu primjenu u piroelektričnom učinku, što je materijal koji stvara električni potencijal kao odgovor na promjenu temperature. Ovo su proučavali Carl Linnaeus i Franz Aepinus sredinom 18. stoljeća, oslanjajući se na znanje Renéa Haüya i Antoinea Césara Becquerela, koji su postavili vezu između mehaničkog naprezanja i električnog naboja. Međutim, eksperimenti su se pokazali neuvjerljivima.
Gledanje piezo kristala u Curiejevom kompenzatoru u Hunterian muzeju u Škotskoj demonstracija je izravnog piezoelektričnog učinka. Rad braće Pierrea i Jacquesa Curiea istraživao je i definirao kristalne strukture koje pokazuju piezoelektricitet, što je kulminiralo objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik (Udžbenik kristalne fizike) Woldemara Voigta. Ovo je opisalo prirodne kristalne klase sposobne za piezoelektricitet i rigorozno definiralo piezoelektrične konstante kroz analizu tenzora, što je dovelo do praktične primjene piezoelektričnih uređaja.
Sonar je razvijen tijekom Prvog svjetskog rata, kada su Francuz Paul Langevin i njegovi suradnici razvili ultrazvučni detektor podmornica. Ovaj se detektor sastojao od pretvornika izrađenog od tankih kvarcnih kristala pažljivo zalijepljenih na čelične ploče i hidrofona za otkrivanje povratnog eha nakon emitiranja visokofrekventnog pulsa iz pretvornika. Mjerenjem vremena potrebnog da se čuje odjek zvučnih valova koji se odbijaju od objekta, uspjeli su izračunati udaljenost objekta koristeći piezoelektricitet. Uspjeh ovog projekta stvorio je intenzivan razvoj i interes za piezoelektrične uređaje tijekom desetljeća, s novim piezoelektričnim materijalima i novim primjenama tih materijala koji se istražuju i razvijaju. Piezoelektrični uređaji našli su svoje mjesto u mnogim područjima, poput keramičkih gramofonskih uložaka, koji su pojednostavili dizajn svirača i napravili jeftinije i točnije gramofone, jeftinije i lakše za izradu i održavanje.
Razvoj ultrazvučnih sondi omogućio je jednostavno mjerenje viskoznosti i elastičnosti tekućina i krutina, što je rezultiralo velikim napretkom u istraživanju materijala. Ultrazvučni reflektometri u vremenskoj domeni šalju ultrazvučni puls u materijal i mjere refleksije i diskontinuitete kako bi pronašli nedostatke unutar lijevanih metalnih i kamenih predmeta, poboljšavajući strukturnu sigurnost. Nakon Drugog svjetskog rata, neovisne istraživačke skupine u Sjedinjenim Državama, Rusiji i Japanu otkrile su novu klasu sintetičkih materijala nazvanih feroelektrici, koji su pokazali piezoelektrične konstante mnogo puta veće od prirodnih materijala. To je dovelo do intenzivnog istraživanja za razvoj barij titanata, a kasnije i olovo cirkonat titanata, materijala sa specifičnim svojstvima za posebne primjene.
Značajan primjer upotrebe piezoelektričnih kristala razvio je Bell Telephone Laboratories nakon Drugog svjetskog rata. Frederick R. Lack, radio u inženjerskom odjelu za radiotelefoniju,
Reverzibilni proces
Piezoelektricitet je električni naboj koji se nakuplja u određenim krutim materijalima, kao što su kristali, keramika i biološke tvari poput kostiju i DNK. To je odgovor ovih materijala na primijenjeni mehanički stres. Riječ "piezoelektricitet" dolazi od grčkih riječi "piezein" što znači "stisnuti" ili "pritisnuti" i "ēlektron" što znači "jantar", drevni izvor električnog naboja.
Piezoelektrični učinak proizlazi iz linearne elektromehaničke interakcije između mehaničkih i električnih stanja kristalnih materijala s inverzijskom simetrijom. To je reverzibilan proces, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektricitet također pokazuju i obrnuti piezoelektrični učinak, što je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje proizlazi iz primijenjenog električnog polja. Primjeri materijala koji stvaraju mjerljivi piezoelektricitet uključuju kristale olovo cirkonat titanata. Kada se statička struktura ovih kristala deformira, oni se vraćaju na svoju izvornu dimenziju, i obrnuto, kada se primijeni vanjsko električno polje, oni mijenjaju svoju statičku dimenziju, proizvodeći ultrazvučne valove.
Francuski fizičari Jacques i Pierre Curie otkrili su piezoelektricitet 1880. Od tada se iskorištava za razne korisne primjene, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka, piezoelektrični inkjet ispis, proizvodnju električne energije visokog napona, generatore sata, elektroničke uređaje, mikrovage, pogonske ultrazvučne mlaznice i optički sklopovi ultrafinog fokusiranja. Također čini osnovu za skenirajuće mikroskope sonde, koji mogu razlučiti slike na razini atoma. Piezoelektricitet se također koristi u pickupima za elektronički pojačane gitare i okidačima za moderne elektroničke bubnjeve.
Piezoelektricitet također nalazi svakodnevnu upotrebu, kao što je stvaranje iskri za paljenje plina u uređajima za kuhanje i grijanje, bakljama, upaljačima za cigarete i još mnogo toga. Piroelektrični učinak, pri čemu materijal stvara električni potencijal kao odgovor na promjenu temperature, proučavali su Carl Linnaeus, Franz Aepinus i René Haüy sredinom 18. stoljeća, oslanjajući se na znanje o jantaru. Antoine César Becquerel postavio je vezu između mehaničkog naprezanja i električnog naboja, ali eksperimenti su se pokazali neuvjerljivima.
Posjetitelji Hunterian Museuma u Glasgowu mogu vidjeti Piezo Crystal Curiejev kompenzator, demonstraciju izravnog piezoelektričnog učinka braće Pierrea i Jacquesa Curieja. Kombinacija njihovog znanja o piroelektricitetu s razumijevanjem temeljnih kristalnih struktura dovela je do predviđanja piroelektriciteta i sposobnosti predviđanja ponašanja kristala. To je dokazano djelovanjem kristala poput turmalina, kvarca, topaza, šećerne trske i Rochelle soli. Natrijev i kalijev tartarat tetrahidrat i kvarc također su pokazali piezoelektricitet, a piezoelektrični disk korišten je za generiranje napona kada je deformiran. Ovu promjenu oblika uvelike su preuveličali Curijevi kako bi predvidjeli obrnuti piezoelektrični učinak. Gabriel Lippmann 1881. matematički je izveo obrnuti učinak iz temeljnih termodinamičkih načela.
Curijevi su odmah potvrdili postojanje obrnutog efekta i dobili kvantitativni dokaz potpune reverzibilnosti elektro-elasto-mehaničkih deformacija u piezoelektričnim kristalima. Desetljećima je piezoelektricitet bio laboratorijska zanimljivost, ali bio je vitalan alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie. Njihov rad na istraživanju i definiranju kristalnih struktura koje pokazuju piezoelektricitet kulminirao je objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik Woldemara Voigta (Udžbenik fizike kristala). Ovo opisuje prirodne kristalne klase sposobne za piezoelektricitet i rigorozno definira piezoelektrične konstante korištenjem tenzorske analize.
Praktična primjena piezoelektričnih uređaja, kao što je sonar, razvijena je tijekom Prvog svjetskog rata. U Francuskoj su Paul Langevin i njegovi suradnici razvili ultrazvučni detektor podmornica. Taj se detektor sastojao od pretvornika izrađenog od tankih kvarcnih kristala pažljivo zalijepljenih na čelične ploče i hidrofona za otkrivanje povratnog eha. Emitiranjem visokofrekventnog pulsa iz sonde i mjerenjem vremena potrebnog da se čuje odjek zvučnih valova koji se odbijaju od objekta, uspjeli su izračunati udaljenost objekta. Koristili su piezoelektricitet kako bi ovaj sonar bio uspješan. Ovaj projekt stvorio je intenzivan razvoj i interes za piezoelektrične uređaje, a tijekom desetljeća su istraživani i razvijani novi piezoelektrični materijali i nove primjene tih materijala. Piezoelektrični uređaji
Što uzrokuje piezoelektricitet?
U ovom odjeljku istražit ću podrijetlo piezoelektriciteta i različite materijale koji pokazuju ovaj fenomen. Gledat ću grčku riječ 'piezein', drevni izvor električnog naboja i učinak piroelektričnosti. Također ću raspravljati o otkrićima Pierrea i Jacquesa Curiea i razvoju piezoelektričnih uređaja u 20. stoljeću.
Grčka riječ Piezein
Piezoelektricitet je akumulacija električnog naboja u određenim čvrstim materijalima, kao što su kristali, keramika i biološke tvari poput kostiju i DNK. To je uzrokovano odgovorom ovih materijala na primijenjeni mehanički stres. Riječ piezoelektricitet dolazi od grčke riječi "piezein", što znači "stisnuti ili pritisnuti", i "ēlektron", što znači "jantar", drevni izvor električnog naboja.
Piezoelektrični učinak proizlazi iz linearne elektromehaničke interakcije između mehaničkih i električnih stanja kristalnih materijala s inverzijskom simetrijom. To je reverzibilan proces, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektricitet također pokazuju obrnuti piezoelektrični učinak, što je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje je rezultat primijenjenog električnog polja. Na primjer, kristali olovnog cirkonat titanata stvaraju mjerljivu piezoelektričnost kada se njihova statička struktura deformira u odnosu na izvornu dimenziju. Nasuprot tome, kristali mogu promijeniti svoju statičku dimenziju kada se primijeni vanjsko električno polje, što je poznato kao inverzni piezoelektrični učinak i predstavlja proizvodnju ultrazvučnih valova.
Francuski fizičari Jacques i Pierre Curie otkrili su piezoelektricitet 1880. godine. Piezoelektrični učinak iskorišten je za mnoge korisne primjene, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka, piezoelektrični inkjet ispis, proizvodnju visokonaponske struje, generatore sata i elektroničke uređaje poput mikrovaga , pogonske ultrazvučne mlaznice i optički sklopovi ultrafinog fokusiranja. Također čini osnovu skenirajućih sondnih mikroskopa, koji mogu razlučiti slike na razini atoma. Piezoelektricitet se također koristi u pickupima za elektronički pojačane gitare i okidačima za moderne elektroničke bubnjeve.
Piezoelektricitet nalazi svakodnevnu upotrebu, kao što je stvaranje iskri za paljenje plina u uređajima za kuhanje i grijanje, bakljama, upaljačima za cigarete itd. Piroelektrični učinak, koji je stvaranje električnog potencijala kao odgovor na promjenu temperature, proučavali su Carl Linnaeus i Franz Aepinus sredinom 18. stoljeća, oslanjajući se na znanje Renéa Haüya i Antoinea Césara Becquerela, koji su postavili vezu između mehaničko naprezanje i električni naboj. Eksperimenti su se pokazali neuvjerljivima.
U muzeju u Škotskoj posjetitelji mogu vidjeti piezo kristalni Curiejev kompenzator, demonstraciju izravnog piezoelektričnog učinka braće Pierrea i Jacquesa Curieja. Kombinacija njihovog znanja o piroelektricitetu s razumijevanjem temeljnih kristalnih struktura dovela je do predviđanja piroelektriciteta i sposobnosti predviđanja ponašanja kristala. To je dokazano djelovanjem kristala poput turmalina, kvarca, topaza, šećerne trske i Rochelle soli. Natrij kalijev tartarat tetrahidrat i kvarc iz Rochelle soli pokazali su piezoelektricitet, a piezoelektrični disk stvara napon kada se deformira. Ova promjena oblika uvelike je preuveličana u Curijevoj demonstraciji.
Curijevi su potom dobili kvantitativni dokaz potpune reverzibilnosti elektro-elasto-mehaničkih deformacija u piezoelektričnim kristalima. Desetljećima je piezoelektricitet bio laboratorijska zanimljivost sve dok nije postao ključni alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie. Njihov rad na istraživanju i definiranju kristalnih struktura koje pokazuju piezoelektricitet kulminirao je objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik Woldemara Voigta (Udžbenik fizike kristala). Ovo opisuje prirodne kristalne klase sposobne za piezoelektricitet i rigorozno definira piezoelektrične konstante kroz analizu tenzora.
Ova praktična primjena piezoelektriciteta dovela je do razvoja sonara tijekom Prvog svjetskog rata. U Francuskoj su Paul Langevin i njegovi suradnici razvili ultrazvučni detektor podmornica. Detektor se sastojao od pretvarača izrađenog od tankih kvarcnih kristala pažljivo zalijepljenih na čelične ploče, nazvanog hidrofon, za otkrivanje povratnog eha nakon emitiranja visokofrekventnog pulsa. Pretvornik je mjerio vrijeme potrebno da se čuje odjek zvučnih valova koji se odbijaju od objekta kako bi izračunao udaljenost objekta. Korištenje piezoelektriciteta u sonaru bilo je uspješno, a projekt je desetljećima stvarao intenzivan razvoj i interes za piezoelektrične uređaje.
Istraženi su i razvijeni novi piezoelektrični materijali i nove primjene za te materijale, a piezoelektrični uređaji našli su svoje mjesto u mnogim područjima, poput keramičkih gramofonskih uložaka, koji su pojednostavili dizajn svirača i stvorili jeftinije, preciznije gramofone koji su bili jeftiniji za održavanje i lakši graditi. Razvoj
Drevni izvor električnog naboja
Piezoelektricitet je električni naboj koji se nakuplja u određenim krutim materijalima, kao što su kristali, keramika i biološke tvari poput kostiju i DNK. To je uzrokovano odgovorom materijala na primijenjeni mehanički stres. Riječ "piezoelektricitet" dolazi od grčke riječi "piezein", što znači "stisnuti ili pritisnuti", i riječi "elektron", što znači "jantar", drevni izvor električnog naboja.
Piezoelektrični učinak proizlazi iz linearne elektromehaničke interakcije između mehaničkih i električnih stanja kristalnih materijala s inverzijskom simetrijom. To je reverzibilan proces, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektricitet također pokazuju obrnuti piezoelektrični učinak, što je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje je rezultat primijenjenog električnog polja. Na primjer, kristali olovnog cirkonat titanata stvaraju mjerljivu piezoelektričnost kada se njihova statička struktura deformira u odnosu na izvornu dimenziju. Obrnuto, kada se primijeni vanjsko električno polje, kristali mijenjaju svoju statičku dimenziju u inverznom piezoelektričnom učinku, proizvodeći ultrazvučne valove.
Piezoelektrični efekt otkrili su 1880. francuski fizičari Jacques i Pierre Curie. Iskorištava se za razne korisne primjene, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka, piezoelektrični inkjet ispis, proizvodnju električne energije visokog napona, generatore takta i elektroničke uređaje poput mikrovaga i pogonskih ultrazvučnih mlaznica za ultrafino fokusiranje optičkih sklopova. Također čini osnovu za skenirajuće mikroskope sonde, koji se koriste za razlučivanje slika na razini atoma. Piezoelektricitet se također koristi u pickupima za elektronički pojačane gitare i okidačima za moderne elektroničke bubnjeve.
Piezoelektricitet nalazi svakodnevnu primjenu u stvaranju iskri za paljenje plina u uređajima za kuhanje i grijanje, bakljama, upaljačima za cigarete itd. Piroelektrični učinak, koji je proizvodnja električnog potencijala kao odgovor na promjenu temperature, proučavali su Carl Linnaeus i Franz Aepinus sredinom 18. stoljeća, oslanjajući se na znanje Renéa Haüya i Antoinea Césara Becquerela koji su postavili vezu između mehaničkih stres i električni naboj. Međutim, njihovi pokusi pokazali su se neuvjerljivima.
Pogled na piezo kristal i Curiejev kompenzator u Hunterian muzeju u Škotskoj demonstrira izravni piezoelektrični učinak. Rad braće Pierrea i Jacquesa Curiea istraživao je i definirao kristalne strukture koje pokazuju piezoelektricitet, što je kulminiralo objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik (Udžbenik kristalne fizike) Woldemara Voigta. Ovo opisuje prirodne kristalne klase sposobne za piezoelektricitet i rigorozno definira piezoelektrične konstante kroz analizu tenzora, dopuštajući praktičnu primjenu piezoelektričnih uređaja.
Sonar je tijekom Prvog svjetskog rata razvio Francuz Paul Langevin i njegovi suradnici, koji su razvili ultrazvučni detektor podmornica. Detektor se sastojao od pretvornika izrađenog od tankih kvarcnih kristala pažljivo zalijepljenih na čelične ploče i hidrofona za otkrivanje povratnog eha. Emitiranjem visokofrekventnog pulsa iz sonde i mjerenjem vremena potrebnog da se čuje odjek zvučnih valova koji se odbijaju od objekta, uspjeli su izračunati udaljenost do objekta. Koristili su piezoelektricitet kako bi ovaj sonar bio uspješan. Projekt je desetljećima stvarao intenzivan razvoj i interes za piezoelektrične uređaje.
Piroelektricitet
Piezoelektricitet je sposobnost određenih materijala da akumuliraju električni naboj kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. To je linearna elektromehanička interakcija između mehaničkih i električnih stanja kristalnih materijala s inverzijskom simetrijom. Riječ "piezoelektricitet" izvedena je iz grčke riječi "piezein", što znači "stisnuti ili pritisnuti", i grčke riječi "ēlektron", što znači "jantar", drevni izvor električnog naboja.
Piezoelektrični učinak otkrili su francuski fizičari Jacques i Pierre Curie 1880. godine. To je reverzibilan proces, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektrični učinak također pokazuju i obrnuti piezoelektrični učinak, što je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje proizlazi iz primijenjenog električnog polja. Primjeri materijala koji stvaraju mjerljivi piezoelektricitet uključuju kristale olovo cirkonat titanata. Kada se statična konstrukcija deformira, vraća se u prvobitnu dimenziju. Nasuprot tome, kada se primijeni vanjsko električno polje, proizvodi se obrnuti piezoelektrični učinak, što rezultira proizvodnjom ultrazvučnih valova.
Piezoelektrični efekt iskorištava se za mnoge korisne primjene, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka, piezoelektrični inkjet ispis, proizvodnju visokonaponske struje, generatore takta i elektroničke uređaje kao što su mikrovage, pogonske ultrazvučne mlaznice i optički sklopovi ultrafinog fokusiranja. To je također osnova za skenirajuće mikroskope sonde, koji se koriste za razlučivanje slika na razini atoma. Piezoelektricitet se također koristi u pickupima za elektronički pojačane gitare i okidačima za moderne elektroničke bubnjeve.
Piezoelektricitet nalazi svakodnevnu upotrebu, kao što je stvaranje iskri za paljenje plina u uređajima za kuhanje i grijanje, bakljama, upaljačima za cigarete itd. Piroelektrični učinak, koji je proizvodnja električnog potencijala kao odgovor na promjenu temperature, proučavali su Carl Linnaeus i Franz Aepinus sredinom 18. stoljeća, oslanjajući se na znanje Renéa Haüya i Antoinea Césara Becquerela, koji su pretpostavili povezanost između mehaničkog naprezanja i električnog naboja. Međutim, eksperimenti su se pokazali neuvjerljivima.
Pogled na piezo kristal u muzeju Curie Compensator u Škotskoj demonstracija je izravnog piezoelektričnog učinka. Braća Pierre i Jacques Curie spojili su svoje znanje o piroelektricitetu i svoje razumijevanje temeljnih kristalnih struktura kako bi doveli do razumijevanja piroelektriciteta i predvidjeli ponašanje kristala. To se pokazalo u učinku kristala poput turmalina, kvarca, topaza, šećerne trske i Rochelle soli. Utvrđeno je da natrijev kalijev tartarat tetrahidrat i kvarc pokazuju piezoelektricitet, a piezoelektrični disk korišten je za generiranje napona kada je deformiran. Ovo su uvelike preuveličali Curijevi kako bi predvidjeli obrnuti piezoelektrični učinak. Gabriel Lippmann 1881. matematički je izveo obrnuti učinak temeljnim termodinamičkim principima.
Curijevi su odmah potvrdili postojanje obrnutog efekta i dobili kvantitativni dokaz potpune reverzibilnosti elektro-elasto-mehaničkih deformacija u piezoelektričnim kristalima. U desetljećima koja su uslijedila, piezoelektricitet je ostao laboratorijska zanimljivost sve dok nije postao vitalni alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie. Njihov rad na istraživanju i definiranju kristalnih struktura koje pokazuju piezoelektricitet kulminirao je objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik Woldemara Voigta (Udžbenik fizike kristala).
Razvoj sonara bio je uspješan, a projekt je izazvao intenzivan razvoj i interes za piezoelektrične uređaje. U desetljećima koja su uslijedila istraženi su i razvijeni novi piezoelektrični materijali i nove primjene tih materijala. Piezoelektrični uređaji našli su svoje mjesto u mnogim područjima, poput keramičkih gramofonskih uložaka, koji su pojednostavili dizajn svirača i stvorili jeftinije, preciznije gramofone koji su bili jeftiniji za održavanje i lakši za izradu. Razvoj ultrazvučnih sondi omogućio je jednostavno mjerenje viskoznosti i elastičnosti tekućina i krutina, što je rezultiralo velikim napretkom u istraživanju materijala. Ultrazvučni reflektometri u vremenskoj domeni šalju ultrazvučni puls u materijal i mjere refleksije i diskontinuitete kako bi pronašli nedostatke unutar lijevanih metalnih i kamenih predmeta, poboljšavajući strukturnu sigurnost.
Nakon Drugog svjetskog rata, neovisne istraživačke skupine u Sjedinjenim Državama, Rusiji i Japanu otkrile su novu klasu sintetičkih materijala nazvanih feroelektrici, koji su pokazali piezoelektrične konstante koje su
Piezoelektrični materijali
U ovom odjeljku raspravljat ću o materijalima koji pokazuju piezoelektrični učinak, što je sposobnost određenih materijala da akumuliraju električni naboj kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Promatrat ću kristale, keramiku, biološku tvar, kosti, DNK i proteine, i kako svi oni reagiraju na piezoelektrični učinak.
kristali
Piezoelektricitet je sposobnost određenih materijala da akumuliraju električni naboj kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Riječ piezoelektricitet izvedena je iz grčkih riječi πιέζειν (piezein) što znači 'stisnuti' ili 'pritisnuti' i ἤλεκτρον (ēlektron) što znači 'jantar', drevni izvor električnog naboja. Piezoelektrični materijali uključuju kristale, keramiku, biološku tvar, kost, DNK i proteine.
Piezoelektricitet je linearna elektromehanička interakcija između mehaničkih i električnih stanja u kristalnim materijalima s inverzijskom simetrijom. Ovaj učinak je reverzibilan, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektricitet također pokazuju obrnuti piezoelektrični učinak, što je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje je rezultat primijenjenog električnog polja. Primjeri materijala koji generiraju mjerljivi piezoelektricitet uključuju kristale olovo cirkonat titanata, koji se mogu deformirati do svoje izvorne dimenzije ili obrnuto, promijeniti svoju statičku dimenziju kada se primijeni vanjsko električno polje. To je poznato kao inverzni piezoelektrični učinak, a koristi se za proizvodnju ultrazvučnih valova.
Francuski fizičari Jacques i Pierre Curie otkrili su piezoelektricitet 1880. godine. Piezoelektrični učinak iskorištavao se za niz korisnih primjena, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka, piezoelektrični inkjet ispis, proizvodnju električne energije visokog napona, generatore sata i elektroničke uređaje kao što su kao mikrovage, pogonske ultrazvučne mlaznice i optički sklopovi ultrafinog fokusiranja. Također čini osnovu za skenirajuće mikroskope sonde, koji se koriste za razlučivanje slika na razini atoma. Piezoelektrični pickupovi također se koriste u elektronički pojačanim gitarama i okidačima u modernim elektroničkim bubnjevima.
Piezoelektricitet nalazi svakodnevnu primjenu u stvaranju iskri za paljenje plina u uređajima za kuhanje i grijanje, kao i u bakljama i upaljačima za cigarete. Piroelektrični učinak, koji je stvaranje električnog potencijala kao odgovor na promjenu temperature, proučavali su Carl Linnaeus i Franz Aepinus sredinom 18. stoljeća, oslanjajući se na znanje Renéa Haüya i Antoinea Césara Becquerela, koji su postavili vezu između mehaničkih stres i električni naboj. Eksperimenti koji su dokazali ovu teoriju bili su neuvjerljivi.
Pogled na piezo kristal u Curiejevom kompenzatoru u Hunterian muzeju u Škotskoj demonstracija je izravnog piezoelektričnog učinka. Braća Pierre i Jacques Curie spojili su svoje znanje o piroelektricitetu s razumijevanjem temeljnih kristalnih struktura kako bi doveli do predviđanja piroelektriciteta. Uspjeli su predvidjeti ponašanje kristala i demonstrirali učinak u kristalima kao što su turmalin, kvarc, topaz, šećer od trske i Rochelle sol. Natrijev kalijev tartarat tetrahidrat i kvarc također su pokazali piezoelektričnost. Piezoelektrični disk stvara napon kada je deformiran; promjena oblika uvelike je pretjerana u demonstraciji Curievih.
Također su bili u mogućnosti predvidjeti obrnuti piezoelektrični učinak i matematički izvesti temeljne termodinamičke principe koji stoje iza njega. Gabriel Lippmann je to učinio 1881. Curiejevi su odmah potvrdili postojanje obrnutog efekta i dobili kvantitativni dokaz potpune reverzibilnosti elektro-elasto-mehaničkih deformacija u piezoelektričnim kristalima.
Desetljećima je piezoelektricitet bio laboratorijska zanimljivost, ali bio je vitalan alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie. Njihov rad na istraživanju i definiranju kristalnih struktura koje pokazuju piezoelektricitet kulminirao je objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik (Udžbenik kristalne fizike) Woldemara Voigta, koji je opisao prirodne kristalne klase sposobne za piezoelektricitet i rigorozno definirao piezoelektrične konstante korištenjem tenzorske analize.
Praktična primjena piezoelektričnih uređaja u sonaru razvijena je tijekom Prvog svjetskog rata. U Francuskoj su Paul Langevin i njegovi suradnici razvili ultrazvučni detektor podmornica. Ovaj se detektor sastojao od pretvornika izrađenog od tankih kvarcnih kristala pažljivo zalijepljenih na čelične ploče, nazvanog hidrofon, za otkrivanje povratnog eha nakon emitiranja visokofrekventnog pulsa. Mjerenjem vremena potrebnog da se čuje odjek zvučnih valova koji se odbijaju od objekta, uspjeli su izračunati udaljenost do objekta. Ova uporaba piezoelektriciteta u sonaru bila je uspješna, a projekt je tijekom desetljeća stvorio intenzivan razvoj i interes za piezoelektrične uređaje.
Keramika
Piezoelektrični materijali su čvrste tvari koje akumuliraju električni naboj kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Piezoelektricitet je izveden iz grčkih riječi πιέζειν (piezein) što znači 'stisnuti' ili 'pritisnuti' i ἤλεκτρον (ēlektron) što znači 'jantar', drevni izvor električnog naboja. Piezoelektrični materijali koriste se u različitim primjenama, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka, piezoelektrični inkjet ispis i proizvodnju električne energije visokog napona.
Piezoelektrični materijali nalaze se u kristalima, keramici, biološkoj tvari, kostima, DNK i proteinima. Keramika je najčešći piezoelektrični materijal koji se koristi u svakodnevnoj primjeni. Keramika se izrađuje od kombinacije metalnih oksida, kao što je olovo cirkonat titanat (PZT), koji se zagrijavaju na visoke temperature kako bi se stvorila krutina. Keramika je vrlo izdržljiva i može izdržati ekstremne temperature i pritiske.
Piezoelektrična keramika ima različite namjene, uključujući:
• Stvaranje iskri za paljenje plina za uređaje za kuhanje i grijanje, poput baklji i upaljača za cigarete.
• Generiranje ultrazvučnih valova za medicinsko snimanje.
• Proizvodnja električne energije visokog napona za generatore sata i elektroničke uređaje.
• Generiranje mikrovaga za korištenje u preciznom vaganju.
• Pogonske ultrazvučne mlaznice za ultrafino fokusiranje optičkih sklopova.
• Formiranje temelja za skenirajuće mikroskope sonde, koji mogu razlučiti slike na razini atoma.
• Pickupi za elektronički pojačane gitare i okidači za moderne elektroničke bubnjeve.
Piezoelektrična keramika koristi se u širokom rasponu primjena, od potrošačke elektronike do medicinskih slika. Vrlo su izdržljivi i mogu izdržati ekstremne temperature i pritiske, što ih čini idealnim za korištenje u raznim industrijama.
Biološka materija
Piezoelektricitet je sposobnost određenih materijala da akumuliraju električni naboj kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Izvedeno je iz grčke riječi 'piezein', što znači 'stisnuti ili pritisnuti', i 'ēlektron', što znači 'jantar', drevni izvor električnog naboja.
Biološke tvari kao što su kosti, DNK i proteini su među materijalima koji pokazuju piezoelektricitet. Ovaj učinak je reverzibilan, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektricitet također pokazuju obrnuti piezoelektrični učinak, što je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje je rezultat primijenjenog električnog polja. Primjeri ovih materijala uključuju kristale olovo cirkonat titanata, koji stvaraju mjerljiv piezoelektricitet kada se njihova statička struktura deformira u odnosu na izvornu dimenziju. Obrnuto, kada se primijeni vanjsko električno polje, kristali mijenjaju svoju statičku dimenziju, proizvodeći ultrazvučne valove kroz inverzni piezoelektrični učinak.
Francuski fizičari Jacques i Pierre Curie otkrili su piezoelektricitet 1880. godine. Od tada se iskorištava za razne korisne primjene, kao što su:
• Proizvodnja i detekcija zvuka
• Piezoelektrični inkjet ispis
• Proizvodnja električne energije visokog napona
• Generator takta
• Elektronički uređaji
• Mikrovage
• Pogon ultrazvučnih mlaznica
• Optički sklopovi za ultrafino fokusiranje
• Čini osnovu skenirajućih sondnih mikroskopa
• Razlučite slike na razini atoma
• Pickupi u gitarama s elektroničkim pojačalom
• Okidači u modernim elektroničkim bubnjevima
Piezoelektricitet se također koristi u svakodnevnim predmetima kao što su plinski uređaji za kuhanje i grijanje, baklje, upaljači za cigarete itd. Piroelektrični učinak, odnosno stvaranje električnog potencijala kao odgovor na promjenu temperature, proučavali su Carl Linnaeus i Franz Aepinus sredinom 18. stoljeća. Oslanjajući se na znanje Renéa Haüyja i Antoinea Césara Becquerela, postavili su vezu između mehaničkog naprezanja i električnog naboja, ali njihovi eksperimenti pokazali su se neuvjerljivima.
Pogled na piezo kristal u Curiejevom kompenzatoru u Hunterian muzeju u Škotskoj demonstracija je izravnog piezoelektričnog učinka. Braća Pierre i Jacques Curie spojili su svoje znanje o piroelektričnosti i svoje razumijevanje temeljnih kristalnih struktura kako bi doveli do predviđanja piroelektriciteta i predviđanja ponašanja kristala. To je dokazano djelovanjem kristala poput turmalina, kvarca, topaza, šećerne trske i Rochelle soli. Natrijev i kalijev tartarat tetrahidrat i kvarc također su pokazali piezoelektricitet, a piezoelektrični disk korišten je za generiranje napona kada je deformiran. Ovaj učinak su uvelike preuveličali Curijevi kako bi predvidjeli obrnuti piezoelektrični učinak. Gabriel Lippmann 1881. matematički je izveo obrnuti učinak iz temeljnih termodinamičkih načela.
Curijevi su odmah potvrdili postojanje obrnutog efekta i dobili kvantitativni dokaz potpune reverzibilnosti elektro-elasto-mehaničkih deformacija u piezoelektričnim kristalima. Desetljećima je piezoelektricitet bio laboratorijska zanimljivost sve dok nije postao ključni alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie. Njihov rad na istraživanju i definiranju kristalnih struktura koje pokazuju piezoelektricitet kulminirao je objavljivanjem "Lehrbuch der Kristallphysik" Woldemara Voigta (Udžbenik fizike kristala).
Kost
Piezoelektricitet je sposobnost određenih materijala da akumuliraju električni naboj kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Kost je jedan takav materijal koji pokazuje ovaj fenomen.
Kost je vrsta biološke tvari koja se sastoji od proteina i minerala, uključujući kolagen, kalcij i fosfor. Najpiezoelektričniji je od svih bioloških materijala i sposoban je generirati napon kada je izložen mehaničkom naprezanju.
Piezoelektrični učinak u kosti rezultat je njezine jedinstvene strukture. Sastoji se od mreže kolagenih vlakana koja su ugrađena u matricu minerala. Kada je kost izložena mehaničkom naprezanju, kolagena vlakna se pomiču, uzrokujući polarizaciju minerala i stvaranje električnog naboja.
Piezoelektrični učinak u kosti ima brojne praktične primjene. Koristi se u medicinskim slikama, kao što su ultrazvuk i rendgenske slike, za otkrivanje prijeloma kostiju i drugih abnormalnosti. Također se koristi u slušnim pomagalima za koštanu vodljivost, koja koriste piezoelektrični učinak za pretvaranje zvučnih valova u električne signale koji se šalju izravno u unutarnje uho.
Piezoelektrični učinak u kosti također se koristi u ortopedskim implantatima, kao što su umjetni zglobovi i protetski udovi. Implantati koriste piezoelektrični učinak za pretvaranje mehaničke energije u električnu, koja se zatim koristi za napajanje uređaja.
Osim toga, piezoelektrični učinak u kostima se istražuje za korištenje u razvoju novih medicinskih tretmana. Na primjer, istraživači istražuju korištenje piezoelektriciteta za poticanje rasta kostiju i popravak oštećenog tkiva.
Sve u svemu, piezoelektrični učinak u kostima fascinantan je fenomen sa širokim rasponom praktičnih primjena. Koristi se u raznim medicinskim i tehnološkim primjenama, a istražuje se i za upotrebu u razvoju novih tretmana.
DNA
Piezoelektricitet je sposobnost određenih materijala da akumuliraju električni naboj kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. DNK je jedan takav materijal koji pokazuje ovaj učinak. DNK je biološka molekula koja se nalazi u svim živim organizmima i sastoji se od četiri nukleotidne baze: adenin (A), gvanin (G), citozin (C) i timin (T).
DNK je složena molekula koja se može koristiti za stvaranje električnog naboja kada je izložena mehaničkom stresu. To je zbog činjenice da su molekule DNA sastavljene od dva lanca nukleotida koji se drže zajedno vodikovim vezama. Kada se te veze pokidaju, stvara se električni naboj.
Piezoelektrični učinak DNA korišten je u raznim primjenama, uključujući:
• Proizvodnja električne energije za medicinske implantate
• Detekcija i mjerenje mehaničkih sila u stanicama
• Razvoj senzora nanomjere
• Izrada biosenzora za sekvenciranje DNA
• Generiranje ultrazvučnih valova za snimanje
Piezoelektrični učinak DNK također se istražuje za njegovu potencijalnu upotrebu u razvoju novih materijala, kao što su nanožice i nanocijevi. Ti se materijali mogu koristiti za različite primjene, uključujući pohranu energije i senzore.
Piezoelektrični učinak DNK opsežno je proučavan i utvrđeno je da je vrlo osjetljiv na mehanički stres. To ga čini vrijednim alatom za istraživače i inženjere koji žele razviti nove materijale i tehnologije.
Zaključno, DNK je materijal koji pokazuje piezoelektrični učinak, što je sposobnost akumuliranja električnog naboja kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Ovaj se učinak koristi u raznim primjenama, uključujući medicinske implantate, senzore na nanomjernoj razini i sekvenciranje DNA. Također se istražuje njegova potencijalna upotreba u razvoju novih materijala, kao što su nanožice i nanocijevi.
Proteini
Piezoelektricitet je sposobnost određenih materijala da akumuliraju električni naboj kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Piezoelektrični materijali, poput proteina, kristala, keramike i biološke tvari poput kostiju i DNK, pokazuju ovaj učinak. Konkretno, proteini su jedinstveni piezoelektrični materijal, budući da se sastoje od složene strukture aminokiselina koje se mogu deformirati kako bi generirale električni naboj.
Proteini su najzastupljenija vrsta piezoelektričnog materijala, a nalaze se u različitim oblicima. Mogu se naći u obliku enzima, hormona i antitijela, kao i u obliku strukturnih proteina poput kolagena i keratina. Proteini se također nalaze u obliku mišićnih proteina, koji su odgovorni za kontrakciju i opuštanje mišića.
Piezoelektrični učinak proteina posljedica je činjenice da su sastavljeni od složene strukture aminokiselina. Kada se te aminokiseline deformiraju, stvaraju električni naboj. Taj se električni naboj zatim može koristiti za napajanje raznih uređaja, kao što su senzori i aktuatori.
Proteini se također koriste u raznim medicinskim primjenama. Na primjer, koriste se za otkrivanje prisutnosti određenih proteina u tijelu, koji se mogu koristiti za dijagnosticiranje bolesti. Također se koriste za otkrivanje prisutnosti određenih bakterija i virusa, što se može koristiti za dijagnosticiranje infekcija.
Proteini se također koriste u raznim industrijskim primjenama. Na primjer, koriste se za izradu senzora i pokretača za razne industrijske procese. Također se koriste za stvaranje materijala koji se mogu koristiti u konstrukciji zrakoplova i drugih vozila.
Zaključno, proteini su jedinstven piezoelektrični materijal koji se može koristiti u različitim primjenama. Sastoje se od složene strukture aminokiselina koje se mogu deformirati radi stvaranja električnog naboja, a koriste se u raznim medicinskim i industrijskim primjenama.
Prikupljanje energije pomoću piezoelektriciteta
U ovom odjeljku raspravljat ću o tome kako se piezoelektricitet može koristiti za prikupljanje energije. Promatrat ću različite primjene piezoelektriciteta, od piezoelektričnog inkjet tiska do generatora takta i mikrovaga. Također ću istraživati povijest piezoelektriciteta, od njegovog otkrića Pierrea Curieja do njegove upotrebe u Drugom svjetskom ratu. Na kraju, raspravljat ću o trenutnom stanju piezoelektrične industrije i potencijalu za daljnji rast.
Piezoelektrični inkjet ispis
Piezoelektricitet je sposobnost određenih materijala da generiraju električni naboj kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Riječ 'piezoelektricitet' potječe od grčkih riječi 'piezein' (stisnuti ili pritisnuti) i 'elektron' (jantar), drevni izvor električnog naboja. Piezoelektrični materijali, poput kristala, keramike i biološke tvari poput kostiju i DNK, koriste se u različitim primjenama.
Piezoelektricitet se koristi za stvaranje električne energije visokog napona, kao generator takta, u elektroničkim uređajima i mikrovagama. Također se koristi za pokretanje ultrazvučnih mlaznica i optičkih sklopova ultrafinog fokusiranja. Piezoelektrični inkjet ispis popularna je primjena ove tehnologije. Ovo je vrsta ispisa koja koristi piezoelektrične kristale za generiranje visokofrekventnih vibracija, koje se koriste za izbacivanje kapljica tinte na stranicu.
Otkriće piezoelektriciteta datira iz 1880. godine, kada su francuski fizičari Jacques i Pierre Curie otkrili efekt. Od tada se piezoelektrični učinak iskorištava za razne korisne primjene. Piezoelektricitet se koristi u svakodnevnim predmetima kao što su plinski uređaji za kuhanje i grijanje, baklje, upaljači za cigarete i dizalice u elektronički pojačanim gitarama i okidači u modernim elektroničkim bubnjevima.
Piezoelektricitet se također koristi u znanstvenim istraživanjima. To je osnova za skenirajuće mikroskope sonde, koji se koriste za razlučivanje slika na ljestvici atoma. Također se koristi u ultrazvučnim reflektometrima u vremenskoj domeni, koji šalju ultrazvučne impulse u materijal i mjere refleksije za otkrivanje diskontinuiteta i pronalaženje nedostataka unutar lijevanih metalnih i kamenih predmeta.
Razvoj piezoelektričnih uređaja i materijala potaknut je potrebom za boljom izvedbom i lakšim procesima proizvodnje. U Sjedinjenim Državama, razvoj kvarcnih kristala za komercijalnu upotrebu bio je glavni čimbenik u rastu piezoelektrične industrije. Nasuprot tome, japanski proizvođači bili su u mogućnosti brzo razmjenjivati informacije i razvijati nove aplikacije, što je dovelo do brzog rasta na japanskom tržištu.
Piezoelektricitet je revolucionirao način na koji koristimo energiju, od svakodnevnih predmeta poput upaljača do naprednih znanstvenih istraživanja. To je svestrana tehnologija koja nam je omogućila istraživanje i razvoj novih materijala i primjena te će i dalje biti važan dio naših života u godinama koje dolaze.
Proizvodnja električne energije visokog napona
Piezoelektricitet je sposobnost određenih čvrstih materijala da akumuliraju električni naboj kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Riječ "piezoelektricitet" izvedena je iz grčkih riječi "piezein" što znači "stisnuti" ili "pritisnuti" i "ēlektron" što znači "jantar", drevni izvor električnog naboja. Piezoelektricitet je linearna elektromehanička interakcija između mehaničkih i električnih stanja u kristalnim materijalima s inverzijskom simetrijom.
Piezoelektrični učinak je reverzibilan proces; materijali koji pokazuju piezoelektricitet također pokazuju obrnuti piezoelektrični učinak, unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje je rezultat primijenjenog električnog polja. Na primjer, kristali olovnog cirkonat titanata stvaraju mjerljivu piezoelektričnost kada se njihova statička struktura deformira u odnosu na izvornu dimenziju. Nasuprot tome, kristali mogu promijeniti svoju statičku dimenziju kada se primijeni vanjsko električno polje, fenomen poznat kao inverzni piezoelektrični efekt, koji se koristi u proizvodnji ultrazvučnih valova.
Piezoelektrični učinak koristi se u različitim primjenama, uključujući proizvodnju električne energije visokog napona. Piezoelektrični materijali koriste se u proizvodnji i detekciji zvuka, u piezoelektričnom inkjet ispisu, u generatorima takta, u elektroničkim uređajima, u mikrovagama, u pogonskim ultrazvučnim mlaznicama i u ultrafinim fokusirajućim optičkim sklopovima.
Piezoelektricitet se također koristi u svakodnevnim primjenama, kao što je stvaranje iskri za paljenje plina u uređajima za kuhanje i grijanje, u bakljama, upaljačima za cigarete i materijalima s piroelektričnim učinkom, koji stvaraju električni potencijal kao odgovor na promjenu temperature. Ovaj su učinak sredinom 18. stoljeća proučavali Carl Linnaeus i Franz Aepinus, oslanjajući se na znanje Renéa Haüya i Antoinea Césara Becquerela, koji su postavili vezu između mehaničkog naprezanja i električnog naboja, iako se njihovi eksperimenti nisu pokazali uvjerljivima.
Kombinirano znanje o piroelektricitetu i razumijevanje temeljnih kristalnih struktura dovelo je do predviđanja piroelektriciteta i sposobnosti predviđanja ponašanja kristala. To je dokazano djelovanjem kristala poput turmalina, kvarca, topaza, šećerne trske i Rochelle soli. Natrijev kalijev tartarat tetrahidrat i kvarc također su pokazali piezoelektricitet, a piezoelektrični disk korišten je za generiranje napona kada je deformiran. To je bilo uvelike pretjerano u Curiesovoj demonstraciji izravnog piezoelektričnog učinka.
Braća Pierre i Jacques Curie dobili su kvantitativni dokaz potpune reverzibilnosti elektro-elasto-mehaničkih deformacija u piezoelektričnim kristalima. Desetljećima je piezoelektricitet bio laboratorijska zanimljivost, ali bio je vitalan alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie. Njihov rad na istraživanju i definiranju kristalnih struktura koje pokazuju piezoelektricitet kulminirao je objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik (Udžbenik kristalne fizike) Woldemara Voigta, koji je opisao prirodne kristalne klase sposobne za piezoelektricitet i rigorozno definirao piezoelektrične konstante korištenjem tenzorske analize.
Praktična primjena piezoelektričnih uređaja započela je razvojem sonara tijekom Prvog svjetskog rata. U Francuskoj je Paul Langevin sa svojim suradnicima razvio ultrazvučni detektor podmornica. Detektor se sastojao od pretvornika izrađenog od tankih kvarcnih kristala pažljivo zalijepljenih na čelične ploče i hidrofona za otkrivanje povratnog eha. Emitiranjem visokofrekventnog pulsa iz sonde i mjerenjem vremena potrebnog da se čuje odjek zvučnih valova koji se odbijaju od objekta, uspjeli su izračunati udaljenost objekta. Koristili su piezoelektricitet kako bi sonar bio uspješan, a projekt je stvorio intenzivan razvoj i interes za piezoelektrične uređaje tijekom sljedećih desetljeća.
Istraženi su i razvijeni novi piezoelektrični materijali i nove primjene tih materijala. Piezoelektrični uređaji našli su svoje domove u raznim područjima, poput keramičkih gramofonskih uložaka, koji su pojednostavili dizajn svirača i napravili jeftinije, preciznije gramofone koji su bili jeftiniji za održavanje i lakši za izradu. Razvoj ultrazvučnih sondi omogućio je jednostavno mjerenje viskoznosti i elastičnosti tekućina i krutina, što je rezultiralo velikim napretkom u istraživanju materijala. Ultrazvučni reflektometri u vremenskoj domeni šalju ultrazvučni puls u materijal i mjere refleksije i diskontinuitete kako bi pronašli nedostatke unutar lijevanih metalnih i kamenih predmeta, poboljšavajući strukturnu sigurnost.
U Drugom svjetskom ratu nezavisne istraživačke grupe u Sjedinjenim Državama, Rusiji i Japanu otkrile su novu klasu sintetičkih materijala nazvanih fer
Generator takta
Piezoelektricitet je sposobnost određenih materijala da akumuliraju električni naboj kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Ovaj se fenomen koristi za stvaranje niza korisnih aplikacija, uključujući generatore takta. Generatori sata su uređaji koji koriste piezoelektricitet za generiranje električnih signala s preciznim vremenom.
Generatori takta koriste se u raznim aplikacijama, kao što su računala, telekomunikacije i automobilski sustavi. Također se koriste u medicinskim uređajima, poput srčanih stimulatora, kako bi se osiguralo točno mjerenje vremena električnih signala. Generatori takta također se koriste u industrijskoj automatizaciji i robotici, gdje je precizno mjerenje vremena bitno.
Piezoelektrični učinak temelji se na linearnoj elektromehaničkoj interakciji između mehaničkih i električnih stanja u kristalnim materijalima s inverzijskom simetrijom. Ovaj učinak je reverzibilan, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektricitet također mogu generirati mehaničko naprezanje kada se primijeni električno polje. To je poznato kao inverzni piezoelektrični učinak i koristi se za proizvodnju ultrazvučnih valova.
Generatori sata koriste ovaj inverzni piezoelektrični učinak za generiranje električnih signala s preciznim vremenskim rasporedom. Piezoelektrični materijal je deformiran električnim poljem, što uzrokuje njegovo vibriranje na određenoj frekvenciji. Ta se vibracija zatim pretvara u električni signal koji se koristi za generiranje preciznog vremenskog signala.
Generatori takta koriste se u raznim primjenama, od medicinskih uređaja do industrijske automatizacije. Pouzdani su, točni i jednostavni za korištenje, što ih čini popularnim izborom za mnoge primjene. Piezoelektricitet je važan dio moderne tehnologije, a generatori takta samo su jedna od brojnih primjena ovog fenomena.
Elektronički uređaji
Piezoelektricitet je sposobnost određenih čvrstih materijala da akumuliraju električni naboj kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Ovaj fenomen, poznat kao piezoelektrični efekt, koristi se u raznim elektroničkim uređajima, od magneta u gitarama s elektroničkim pojačanjem do okidača u modernim elektroničkim bubnjevima.
Piezoelektricitet je izveden iz grčkih riječi πιέζειν (piezein) što znači "stisnuti" ili "pritisnuti" i ἤλεκτρον (ēlektron) što znači "jantar", drevni izvor električnog naboja. Piezoelektrični materijali su kristali, keramika i biološke tvari kao što su kosti i DNA proteini, koji pokazuju piezoelektrični učinak.
Piezoelektrični učinak je linearna elektromehanička interakcija između mehaničkih i električnih stanja u kristalnim materijalima s inverzijskom simetrijom. To je reverzibilan proces, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektrični učinak također pokazuju i obrnuti piezoelektrični učinak, što je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje proizlazi iz primijenjenog električnog polja. Na primjer, kristali olovnog cirkonat titanata stvaraju mjerljivu piezoelektričnost kada se njihova statička struktura deformira u odnosu na izvornu dimenziju. Nasuprot tome, kristali mogu promijeniti svoju statičku dimenziju kada se primijeni vanjsko električno polje, fenomen poznat kao inverzni piezoelektrični efekt, koji se koristi u proizvodnji ultrazvučnih valova.
Za otkriće piezoelektriciteta zaslužni su francuski fizičari Pierre i Jacques Curie, koji su 1880. demonstrirali izravan piezoelektrični učinak. Njihovo zajedničko znanje o piroelektričnosti i razumijevanje temeljnih kristalnih struktura dovelo je do predviđanja piroelektričnog učinka i sposobnosti predviđanja ponašanje kristala dokazano je učinkom kristala kao što su turmalin, kvarc, topaz, šećer od trske i Rochelle sol.
Piezoelektricitet se koristi u raznim svakodnevnim primjenama, kao što je stvaranje iskri za paljenje plina u uređajima za kuhanje i grijanje, bakljama, upaljačima za cigarete i materijalima s piroelektričnim učinkom koji stvaraju električni potencijal kao odgovor na promjenu temperature. Ovo su proučavali Carl Linnaeus i Franz Aepinus sredinom 18. stoljeća, oslanjajući se na znanje Renéa Haüya i Antoinea Césara Becquerela, koji su postavili vezu između mehaničkog naprezanja i električnog naboja. Međutim, eksperimenti su se pokazali neuvjerljivim sve dok pogled na piezo kristal u muzeju Curie kompenzatora u Škotskoj nije pokazao izravni piezoelektrični učinak braće Curie.
Piezoelektricitet se koristi u raznim elektroničkim uređajima, od magneta u gitarama s elektroničkim pojačanjem do okidača u modernim elektroničkim bubnjevima. Također se koristi u proizvodnji i detekciji zvuka, piezoelektričnom inkjet ispisu, proizvodnji električne energije visokog napona, generatorima sata, mikrovagama, pogonskim ultrazvučnim mlaznicama i ultrafinim fokusirajućim optičkim sklopovima. Piezoelektricitet je također osnova za skenirajuće mikroskope sonde, koji se koriste za razlučivanje slika na razini atoma.
Mikrobalansi
Piezoelektricitet je sposobnost određenih čvrstih materijala da akumuliraju električni naboj kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Piezoelektricitet je izveden iz grčkih riječi πιέζειν (piezein), što znači "stisnuti" ili "pritisnuti", i ἤλεκτρον (ēlektron), što znači "jantar", drevni izvor električnog naboja.
Piezoelektricitet se koristi u raznim svakodnevnim primjenama, kao što je stvaranje iskri za paljenje plina za uređaje za kuhanje i grijanje, baklje, upaljače za cigarete itd. Također se koristi u proizvodnji i detekciji zvuka, te u piezoelektričnom inkjet ispisu.
Piezoelektricitet se također koristi za stvaranje električne energije visokog napona, a osnova je generatora sata i elektroničkih uređaja kao što su mikrovage. Piezoelektricitet se također koristi za pokretanje ultrazvučnih mlaznica i optičkih sklopova ultrafinog fokusiranja.
Za otkriće piezoelektriciteta zaslužni su francuski fizičari Jacques i Pierre Curie 1880. godine. Braća Curie udružila su svoje znanje o piroelektricitetu i svoje razumijevanje temeljnih kristalnih struktura da bi doveli do koncepta piezoelektriciteta. Uspjeli su predvidjeti ponašanje kristala i demonstrirali učinak u kristalima kao što su turmalin, kvarc, topaz, šećer od trske i Rochelle sol.
Piezoelektrični učinak iskorišten je za korisne primjene, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka. Razvoj sonara tijekom Prvog svjetskog rata bio je veliki napredak u korištenju piezoelektriciteta. Nakon Drugog svjetskog rata, neovisne istraživačke skupine u Sjedinjenim Državama, Rusiji i Japanu otkrile su novu klasu sintetičkih materijala nazvanih feroelektrici, koji su pokazali piezoelektrične konstante do deset puta veće od prirodnih materijala.
To je dovelo do intenzivnog istraživanja i razvoja barij titanata i kasnije olovo cirkonat titanata materijala, koji su imali specifična svojstva za posebne primjene. Značajan primjer upotrebe piezoelektričnih kristala razvijen je u Bell Telephone Laboratories nakon Drugog svjetskog rata.
Frederick R. Lack, radeći u inženjerskom odjelu za radiotelefoniju, razvio je brušeni kristal koji je radio u širokom rasponu temperatura. Lackov kristal nije trebao teške dodatke prijašnjih kristala, što je olakšalo njegovu upotrebu u zrakoplovima. Ovaj razvoj omogućio je savezničkim zračnim snagama da se uključe u koordinirane masovne napade koristeći zrakoplovni radio.
Razvoj piezoelektričnih uređaja i materijala u Sjedinjenim Državama zadržao je nekoliko tvrtki u poslovanju, a razvoj kvarcnih kristala bio je komercijalno iskorišten. Piezoelektrični materijali od tada se koriste u različitim primjenama, uključujući medicinsko snimanje, ultrazvučno čišćenje i još mnogo toga.
Pogonska ultrazvučna mlaznica
Piezoelektricitet je električni naboj koji se nakuplja u određenim krutim materijalima kao što su kristali, keramika i biološke tvari poput kostiju i DNK. To je odgovor na primijenjeni mehanički stres i izvedeno je iz grčkih riječi 'piezein', što znači 'stisnuti' ili 'pritisnuti', i 'elektron', što znači 'jantar', drevni izvor električnog naboja.
Piezoelektrični efekt je linearna elektromehanička interakcija između mehaničkih i električnih stanja kristalnih materijala s inverzijskom simetrijom. To je reverzibilan proces, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektrični učinak također pokazuju i obrnuti piezoelektrični učinak, što je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje proizlazi iz primijenjenog električnog polja. Primjer za to su kristali olovo cirkonat titanata, koji stvaraju mjerljiv piezoelektricitet kada se njihova statička struktura deformira u odnosu na izvornu dimenziju. Obrnuto, kada se primijeni vanjsko električno polje, kristali mijenjaju svoju statičku dimenziju, što rezultira obrnutim piezoelektričnim učinkom, a to je proizvodnja ultrazvučnih valova.
Francuski fizičari Jacques i Pierre Curie otkrili su piezoelektricitet 1880. godine i od tada se iskorištava za razne korisne primjene, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka. Piezoelektricitet također nalazi svakodnevnu upotrebu, kao što je stvaranje iskri za paljenje plina u uređajima za kuhanje i grijanje, bakljama, upaljačima za cigarete i još mnogo toga.
Piroelektrični učinak, koji je materijal koji stvara električni potencijal kao odgovor na promjenu temperature, proučavali su Carl Linnaeus, Franz Aepinus, a sredinom 18. stoljeća crpeći znanje od Renéa Haüya i Antoinea Césara Becquerela koji su postavili vezu između mehaničkog naprezanja i električno punjenje. Eksperimenti koji su to dokazali bili su neuvjerljivi.
Pogled na piezo kristal u Curiejevom kompenzatoru u Hunterian muzeju u Škotskoj demonstracija je izravnog piezoelektričnog učinka braće Pierrea i Jacquesa Curieja. Kombinacija njihovog znanja o piroelektricitetu i razumijevanja temeljnih kristalnih struktura dovela je do predviđanja piroelektriciteta i omogućila im je predvidjeti ponašanje kristala. To je dokazano djelovanjem kristala poput turmalina, kvarca, topaza, šećerne trske i Rochelle soli. Natrijev i kalijev tartarat tetrahidrat i kvarc također su pokazali piezoelektricitet, a piezoelektrični disk korišten je za generiranje napona kada je deformiran. Ovo su uvelike preuveličali Curijevi kako bi predvidjeli obrnuti piezoelektrični učinak, koji je Gabriel Lippmann 1881. godine matematički izveo iz temeljnih termodinamičkih načela.
Curijevi su odmah potvrdili postojanje obrnutog efekta i dobili kvantitativni dokaz potpune reverzibilnosti elektro-elasto-mehaničkih deformacija u piezoelektričnim kristalima. Desetljećima je piezoelektricitet ostao laboratorijska zanimljivost, ali je bio vitalni alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie u njihovom radu na istraživanju i definiranju kristalnih struktura koje su pokazivale piezoelektricitet. Ovo je kulminiralo objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik (Udžbenik kristalne fizike) Woldemara Voigta, koji opisuje prirodne kristalne klase sposobne za piezoelektricitet i rigorozno definira piezoelektrične konstante kroz analizu tenzora.
Praktična primjena piezoelektričnih uređaja započela je sonarom koji je razvijen tijekom Prvog svjetskog rata. U Francuskoj je Paul Langevin sa suradnicima razvio ultrazvučni detektor podmornica. Detektor se sastojao od pretvarača izrađenog od tankih kvarcnih kristala pažljivo zalijepljenih na čelične ploče, nazvanog hidrofon, za otkrivanje povratnog eha nakon emitiranja visokofrekventnog pulsa. Mjerenjem vremena potrebnog da se čuje odjek zvučnih valova koji se odbijaju od objekta, mogli su izračunati udaljenost objekta. Ova uporaba piezoelektriciteta u sonaru bila je uspješna, a projekt je desetljećima stvarao intenzivan razvoj i interes za piezoelektrične uređaje.
Istraženi su i razvijeni novi piezoelektrični materijali i nove primjene za te materijale, a piezoelektrični uređaji našli su svoje domove u područjima kao što su keramičke fonografske kazete, koje su pojednostavile dizajn svirača i stvorile jeftinije, preciznije gramofone koji su bili jeftiniji za održavanje i lakši za izradu . Razvoj ultrazvučnih sondi omogućio je jednostavno mjerenje viskoznosti i elastičnosti tekućina i krutina, što je rezultiralo velikim napretkom u istraživanju materijala. Ultrazvučni reflektometri u vremenskoj domeni šalju ultrazvučni puls kroz materijal i mjere refleksije i diskontinuitete kako bi pronašli nedostatke unutar lijevanih metalnih i kamenih predmeta
Optički sklopovi za ultrafino fokusiranje
Piezoelektricitet je sposobnost određenih materijala da akumuliraju električni naboj kada su izloženi mehaničkom naprezanju. To je linearna elektromehanička interakcija između električnih i mehaničkih stanja kristalnih materijala s inverzijskom simetrijom. Piezoelektricitet je reverzibilan proces, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektricitet također pokazuju obrnuti piezoelektrični učinak, što je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje je rezultat primijenjenog električnog polja.
Piezoelektricitet se koristi u raznim primjenama, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka i proizvodnju električne energije visokog napona. Piezoelektricitet se također koristi u inkjet ispisu, generatorima takta, elektroničkim uređajima, mikrovagama, pogonskim ultrazvučnim mlaznicama i ultrafinim fokusirajućim optičkim sklopovima.
Piezoelektricitet su 1880. godine otkrili francuski fizičari Jacques i Pierre Curie. Piezoelektrični učinak iskorištava se u korisnim primjenama, kao što je proizvodnja i detekcija zvuka i proizvodnja električne energije visokog napona. Također se koristi piezoelektrični inkjet ispis, kao i generatori takta, elektronički uređaji, mikrovage, pogonske ultrazvučne mlaznice i optički sklopovi za ultrafino fokusiranje.
Piezoelektricitet je pronašao svoj put u svakodnevnu upotrebu, kao što je stvaranje iskri za paljenje plina za uređaje za kuhanje i grijanje, baklje, upaljače za cigarete i materijale s piroelektričnim učinkom koji stvaraju električni potencijal kao odgovor na promjenu temperature. Ovaj učinak proučavali su Carl Linnaeus i Franz Aepinus sredinom 18. stoljeća, oslanjajući se na znanje Renéa Haüya i Antoinea Césara Becquerela koji su postavili vezu između mehaničkog naprezanja i električnog naboja. Eksperimenti su se pokazali neuvjerljivima.
Pogled na piezo kristal u Curiejevom kompenzatoru u Hunterian muzeju u Škotskoj demonstracija je izravnog piezoelektričnog učinka braće Pierrea i Jacquesa Curieja. U kombinaciji sa svojim znanjem o piroelektricitetu i razumijevanjem temeljnih kristalnih struktura, doveli su do predviđanja piroelektriciteta i sposobnosti predviđanja ponašanja kristala. To se pokazalo u učinku kristala poput turmalina, kvarca, topaza, šećerne trske i Rochelle soli.
Natrijev i kalijev tartarat tetrahidrat, kvarc i Rochelle sol pokazali su piezoelektricitet, a piezoelektrični disk korišten je za generiranje napona kada se deformirao, iako je promjena oblika bila uvelike pretjerana. Curijevi su predvidjeli obrnuti piezoelektrični učinak, a obrnuti učinak je 1881. Gabriel Lippmann matematički izveo iz temeljnih termodinamičkih načela. Curijevi su odmah potvrdili postojanje obrnutog učinka i dobili kvantitativne dokaze potpune reverzibilnosti elektro- elasto-mehaničke deformacije u piezoelektričnim kristalima.
Desetljećima je piezoelektricitet bio laboratorijska zanimljivost sve dok nije postao ključni alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie. Njihov rad na istraživanju i definiranju kristalnih struktura koje pokazuju piezoelektricitet kulminirao je objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik Woldemara Voigta (Udžbenik fizike kristala). Ovo opisuje prirodne kristalne klase sposobne za piezoelektricitet i rigorozno definira piezoelektrične konstante korištenjem tenzorske analize za praktičnu primjenu piezoelektričnih uređaja.
Razvoj sonara bio je uspješan projekt koji je stvorio intenzivan razvoj i interes za piezoelektrične uređaje. Desetljećima kasnije istraženi su i razvijeni novi piezoelektrični materijali i nove primjene tih materijala. Piezoelektrični uređaji našli su svoje domove u raznim područjima, poput keramičkih fonografskih uložaka, koji su pojednostavili dizajn svirača i učinili gramofone jeftinijima i lakšima za održavanje i izradu. Razvoj ultrazvučnih sondi omogućio je jednostavno mjerenje viskoznosti i elastičnosti tekućina i krutina, što je rezultiralo velikim napretkom u istraživanju materijala. Ultrazvučni reflektometri u vremenskoj domeni šalju ultrazvučni puls u materijal i mjere refleksije i diskontinuitete kako bi pronašli nedostatke unutar lijevanih metalnih i kamenih predmeta, poboljšavajući strukturnu sigurnost.
Počeci polja interesa za piezoelektričnost osigurani su profitabilnim patentima novih materijala razvijenih iz kristala kvarca, koji su komercijalno iskorišteni kao piezoelektrični materijal. Znanstvenici su tražili materijale s boljim učinkom, a unatoč napretku u materijalima i sazrijevanju proizvodnih procesa, tržište Sjedinjenih Država nije brzo raslo. Nasuprot tome, japanski proizvođači brzo su razmjenjivali informacije i nove aplikacije za rast u piezoelektričnoj industriji Sjedinjenih Država pretrpjele su štetu za razliku od japanskih proizvođača.
Piezoelektrični motori
U ovom odjeljku govorit ću o tome kako se piezoelektricitet koristi u modernoj tehnologiji. Od mikroskopa sa skenirajućim sondama koji mogu razlučiti slike na razini atoma do magneta za elektronički pojačane gitare i okidača za moderne elektroničke bubnjeve, piezoelektricitet je postao sastavni dio mnogih uređaja. Istražit ću povijest piezoelektriciteta i kako se koristio u raznim primjenama.
Osnova oblika skenirajućih sondnih mikroskopa
Piezoelektricitet je električni naboj koji se nakuplja u određenim krutim materijalima, kao što su kristali, keramika i biološke tvari poput kostiju i DNK. To je odgovor na primijenjeni mehanički stres, a riječ piezoelektricitet dolazi od grčke riječi πιέζειν (piezein) što znači "stisnuti" ili "pritisnuti" i ἤλεκτρον (ēlektron) što znači "jantar", drevni izvor električnog naboja.
Piezoelektrični motori su uređaji koji koriste piezoelektrični učinak za generiranje gibanja. Ovaj učinak je linearna elektromehanička interakcija između mehaničkih i električnih stanja u kristalnim materijalima s inverzijskom simetrijom. To je reverzibilan proces, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektrični učinak također pokazuju i obrnuti piezoelektrični učinak, što je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje proizlazi iz primijenjenog električnog polja. Primjeri materijala koji stvaraju mjerljivi piezoelektricitet su kristali olovo cirkonat titanata.
Piezoelektrični učinak iskorištava se u korisnim primjenama, kao što je proizvodnja i detekcija zvuka, piezoelektrični inkjet ispis, proizvodnja električne energije visokog napona, generatori sata i elektronički uređaji poput mikrovaga i pogonskih ultrazvučnih mlaznica za optičke sklopove ultrafinog fokusiranja. Također čini osnovu skenirajućih sondnih mikroskopa, koji se koriste za razlučivanje slika na razini atoma.
Piezoelektricitet su 1880. godine otkrili francuski fizičari Jacques i Pierre Curie. Pogled na piezo kristal i Curiejev kompenzator može se vidjeti u Hunterian muzeju u Škotskoj, što je demonstracija izravnog piezoelektričnog učinka braće Pierrea i Jacquesa Curieja.
Kombinacija njihovog znanja o piroelektricitetu i razumijevanja temeljnih kristalnih struktura dovela je do predviđanja piroelektriciteta, što im je omogućilo predviđanje ponašanja kristala. To je dokazano djelovanjem kristala poput turmalina, kvarca, topaza, šećerne trske i Rochelle soli. Natrijev i kalijev tartarat tetrahidrat, kvarc i Rochelleova sol pokazali su piezoelektricitet, a piezoelektrični disk korišten je za generiranje napona kada se deformirao, iako su to uvelike preuveličali Curijevi.
Također su predvidjeli obrnuti piezoelektrični učinak, a to je 1881. Gabriel Lippmann matematički izveo iz temeljnih termodinamičkih načela. Curiejevi su odmah potvrdili postojanje obrnutog učinka i dobili kvantitativni dokaz potpune reverzibilnosti elektro-elasto-električnog učinka. mehaničke deformacije u piezoelektričnim kristalima.
Desetljećima je piezoelektricitet bio laboratorijska zanimljivost sve dok nije postao ključni alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie. Njihov rad na istraživanju i definiranju kristalnih struktura koje pokazuju piezoelektricitet kulminirao je objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik (Udžbenik kristalne fizike) Woldemara Voigta, koji opisuje prirodne kristalne klase sposobne za piezoelektricitet i rigorozno definira piezoelektrične konstante i analizu tenzora.
To je dovelo do praktične primjene piezoelektričnih uređaja, kao što je sonar, koji je razvijen tijekom Prvog svjetskog rata. U Francuskoj su Paul Langevin i njegovi suradnici razvili ultrazvučni detektor podmornica. Ovaj se detektor sastojao od pretvornika izrađenog od tankih kvarcnih kristala pažljivo zalijepljenih na čelične ploče i hidrofona za otkrivanje povratnog eha nakon emitiranja visokofrekventnog pulsa iz pretvornika. Mjerenjem vremena potrebnog da se čuje odjek zvučnih valova koji se odbijaju od objekta, uspjeli su izračunati udaljenost objekta. Koristili su piezoelektricitet kako bi ovaj sonar bio uspješan, a projekt je desetljećima stvarao intenzivan razvoj i interes za piezoelektrične uređaje.
Istraženi su i razvijeni novi piezoelektrični materijali i nove primjene za te materijale, a piezoelektrični uređaji našli su svoje mjesto u mnogim područjima, poput keramičkih gramofonskih uložaka, koji su pojednostavili dizajn svirača i napravili jeftinije i preciznije gramofone koji su bili jeftiniji za održavanje i lakši graditi. Razvoj ultrazvučnih sondi omogućio je jednostavno mjerenje viskoznosti i elastičnosti tekućina i krutina, što je rezultiralo velikim napretkom u istraživanju materijala. Ultrazvučni reflektometri u vremenskoj domeni šalju ultrazvučni puls u materijal i mjere refleksije i diskontinuitete kako bi pronašli nedostatke unutar lijevanih metalnih i kamenih predmeta, poboljšavajući strukturnu sigurnost.
Tijekom Drugog svjetskog rata, neovisne istraživačke grupe u Ujedinjenom
Razriješite slike na razini atoma
Piezoelektricitet je električni naboj koji se nakuplja u određenim krutim materijalima kao što su kristali, keramika i biološke tvari poput kostiju i DNK. To je odgovor na primijenjeni mehanički stres i izvedeno je iz grčke riječi 'piezein', što znači stisnuti ili pritisnuti. Piezoelektrični učinak proizlazi iz linearne elektromehaničke interakcije između mehaničkih i električnih stanja u kristalnim materijalima s inverzijskom simetrijom.
Piezoelektricitet je reverzibilan proces, a materijali koji pokazuju piezoelektrični učinak također pokazuju obrnuti piezoelektrični učinak, što je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje proizlazi iz primijenjenog električnog polja. Primjeri za to uključuju kristale olovo cirkonat titanata, koji stvaraju mjerljiv piezoelektricitet kada se njihova statička struktura deformira u odnosu na izvornu dimenziju. Nasuprot tome, kristali mijenjaju svoju statičku dimenziju kada se primijeni vanjsko električno polje, što je poznato kao inverzni piezoelektrični učinak i koristi se u proizvodnji ultrazvučnih valova.
Francuski fizičari Jacques i Pierre Curie otkrili su piezoelektricitet 1880. godine. Piezoelektrični učinak se iskorištavao za niz korisnih primjena, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka, piezoelektrični inkjet ispis, proizvodnju električne energije visokog napona, generatore sata i elektroničke uređaje poput mikrovage i pogonske ultrazvučne mlaznice. Također čini osnovu skenirajućih sondnih mikroskopa, koji se koriste za razlučivanje slika na razini atoma.
Piezoelektricitet se također koristi u svakodnevnim primjenama, kao što je stvaranje iskri za paljenje plina u uređajima za kuhanje i grijanje, bakljama, upaljačima za cigarete itd. Piroelektrični učinak, koji je materijal koji stvara električni potencijal kao odgovor na promjenu temperature, proučavali su Carl Linnaeus i Franz Aepinus sredinom 18. stoljeća. Oslanjajući se na znanje Renéa Haüyja i Antoinea Césara Becquerela, postavili su vezu između mehaničkog naprezanja i električnog naboja, ali njihovi eksperimenti pokazali su se neuvjerljivima.
Posjetitelji Hunterian Museuma u Glasgowu mogu vidjeti piezo kristalni Curiejev kompenzator, demonstraciju izravnog piezoelektričnog učinka braće Pierrea i Jacquesa Curieja. U kombinaciji sa svojim znanjem o piroelektričnosti i razumijevanjem temeljnih kristalnih struktura, doveli su do predviđanja piroelektriciteta i sposobnosti predviđanja ponašanja kristala. To je dokazano djelovanjem kristala poput turmalina, kvarca, topaza, šećerne trske i Rochelle soli. Natrijev i kalijev tartarat tetrahidrat te kvarc i Rochelle sol pokazali su piezoelektricitet, a piezoelektrični disk stvara napon kada se deformira, iako je promjena oblika uvelike pretjerana. Curijevi su mogli predvidjeti obrnuti piezoelektrični učinak, a obrnuti učinak je Gabriel Lippmann 1881. godine matematički izveo iz temeljnih termodinamičkih načela.
Curijevi su odmah potvrdili postojanje obrnutog efekta i dobili kvantitativni dokaz potpune reverzibilnosti elektro-elasto-mehaničkih deformacija u piezoelektričnim kristalima. Desetljećima je piezoelektricitet bio laboratorijska zanimljivost, ali bio je vitalan alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie. Njihov rad na istraživanju i definiranju kristalnih struktura koje pokazuju piezoelektricitet kulminirao je objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik Woldemara Voigta (Udžbenik fizike kristala).
Pickupi Elektronički pojačane gitare
Piezoelektrični motori su električni motori koji koriste piezoelektrični učinak za pretvaranje električne energije u mehaničku. Piezoelektrični učinak je sposobnost određenih materijala da generiraju električni naboj kada su izloženi mehaničkom naprezanju. Piezoelektrični motori koriste se u različitim primjenama, od napajanja malih uređaja kao što su satovi i satovi do napajanja većih strojeva kao što su roboti i medicinska oprema.
Piezoelektrični motori koriste se u gitarama s elektronskim pojačalom. Ovi magneti koriste piezoelektrični efekt za pretvaranje vibracija žica gitare u električni signal. Taj se signal zatim pojačava i šalje u pojačalo koje proizvodi zvuk gitare. Piezoelektrični dizači također se koriste u modernim elektroničkim bubnjevima, gdje se koriste za otkrivanje vibracija glava bubnja i njihovo pretvaranje u električni signal.
Piezoelektrični motori također se koriste u skenirajućim mikroskopima sa sondom, koji koriste piezoelektrični učinak za pomicanje sićušne sonde po površini. To omogućuje mikroskopu razlučivanje slika na razini atoma. Piezoelektrični motori također se koriste u inkjet pisačima, gdje se koriste za pomicanje ispisne glave naprijed-natrag po stranici.
Piezoelektrični motori koriste se u nizu drugih aplikacija, uključujući medicinske uređaje, automobilske komponente i potrošačku elektroniku. Također se koriste u industrijskim primjenama, kao što je proizvodnja preciznih dijelova i sastavljanje složenih komponenti. Piezoelektrični učinak također se koristi u proizvodnji ultrazvučnih valova, koji se koriste u medicinskom snimanju i otkrivanju nedostataka u materijalima.
Općenito, piezoelektrični motori koriste se u širokom rasponu primjena, od napajanja malih uređaja do napajanja većih strojeva. Koriste se u pickupima, gitarama s elektroničkim pojačanjem, modernim elektroničkim bubnjevima, mikroskopima za skeniranje, inkjet pisačima, medicinskim uređajima, automobilskim komponentama i potrošačkoj elektronici. Piezoelektrični učinak također se koristi u proizvodnji ultrazvučnih valova i u otkrivanju grešaka u materijalima.
Okida moderne elektroničke bubnjeve
Piezoelektricitet je električni naboj koji se nakuplja u određenim krutim materijalima kao što su kristali, keramika i biološke tvari poput kostiju i DNK. To je odgovor ovih materijala na primijenjeni mehanički stres. Riječ piezoelektricitet izvedena je iz grčke riječi "piezein", što znači "stisnuti ili pritisnuti", i riječi "elektron", što znači "jantar", drevni izvor električnog naboja.
Piezoelektrični motori su uređaji koji koriste piezoelektrični učinak za generiranje gibanja. Ovaj učinak proizlazi iz linearne elektromehaničke interakcije između mehaničkih i električnih stanja kristalnih materijala s inverzijskom simetrijom. To je reverzibilan proces, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektrični učinak također pokazuju i obrnuti piezoelektrični učinak, što je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje proizlazi iz primijenjenog električnog polja. Primjer za to su kristali olovo cirkonat titanata, koji stvaraju mjerljiv piezoelektricitet kada se njihova statička struktura deformira u odnosu na izvornu dimenziju. Obrnuto, kada se primijeni vanjsko električno polje, kristali mijenjaju svoju statičku dimenziju, proizvodeći ultrazvučne valove.
Piezoelektrični motori se koriste u različitim svakodnevnim aplikacijama, kao što su:
• Stvaranje iskri za paljenje plina u uređajima za kuhanje i grijanje
• Baklje, upaljači za cigarete i materijali s piroelektričnim učinkom
• Stvaranje električnog potencijala kao odgovor na promjenu temperature
• Proizvodnja i detekcija zvuka
• Piezoelektrični inkjet ispis
• Proizvodnja električne energije visokog napona
• Generator sata i elektronički uređaji
• Mikrovage
• Pogon ultrazvučnih mlaznica i optičkih sklopova ultrafinog fokusiranja
• Čini osnovu skenirajućih sondnih mikroskopa
• Razlučite slike na razini atoma
• Pickupi elektronički pojačanih gitara
• Okida moderne elektronske bubnjeve.
Elektromehaničko modeliranje piezoelektričnih pretvarača
U ovom odjeljku istraživat ću elektromehaničko modeliranje piezoelektričnih pretvarača. Razmotrit ću povijest otkrića piezoelektriciteta, pokuse koji su dokazali njegovo postojanje i razvoj piezoelektričnih uređaja i materijala. Također ću raspravljati o doprinosima francuskih fizičara Pierrea i Jacquesa Curiea, Carla Linnaeusa i Franza Aepina, Renea Hauya i Antoinea Cesara Becquerela, Gabriela Lippmanna i Woldemara Voigta.
Francuski fizičari Pierre i Jacques Curie
Piezoelektricitet je elektromehanički fenomen gdje se električni naboj akumulira u određenim čvrstim materijalima kao što su kristali, keramika i biološke tvari poput kostiju i DNK. Ovaj naboj se stvara kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Riječ "piezoelektricitet" izvedena je iz grčke riječi "piezein", što znači "stisnuti ili pritisnuti", i "elektron", što znači "jantar", drevni izvor električnog naboja.
Piezoelektrični učinak proizlazi iz linearne elektromehaničke interakcije između mehaničkih i električnih stanja u materijalima s inverzijskom simetrijom. Ovaj učinak je reverzibilan, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektrični učinak također pokazuju i obrnuti piezoelektrični učinak, gdje se stvara unutarnje mehaničko naprezanje kao odgovor na primijenjeno električno polje. Na primjer, kristali olovnog cirkonat titanata stvaraju mjerljivu piezoelektričnost kada se njihova statička struktura deformira u odnosu na izvornu dimenziju. Obrnuto, kada se primijeni vanjsko električno polje, kristali mijenjaju svoju statičku dimenziju, proizvodeći ultrazvučne valove u procesu poznatom kao inverzni piezoelektrični učinak.
Godine 1880. francuski fizičari Pierre i Jacques Curie otkrili su piezoelektrični učinak i od tada se iskorištava za niz korisnih primjena, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka, piezoelektrični inkjet ispis, proizvodnju električne energije visokog napona, generatore sata i elektroniku uređaji kao što su mikrovage i pogonske ultrazvučne mlaznice za optičke sklopove ultrafinog fokusiranja. Također čini osnovu za skenirajuće mikroskope sonde, koji mogu razlučiti slike na razini atoma. Piezoelektricitet se također koristi u pickupima za elektronički pojačane gitare i okidačima za moderne elektroničke bubnjeve.
Piezoelektricitet također nalazi svakodnevnu upotrebu, kao što je stvaranje iskri za paljenje plina u uređajima za kuhanje i grijanje, bakljama, upaljačima za cigarete i još mnogo toga. Piroelektrični učinak, gdje materijal stvara električni potencijal kao odgovor na promjenu temperature, proučavali su Carl Linnaeus i Franz Aepinus sredinom 18. stoljeća, oslanjajući se na znanje Renéa Hauya i Antoinea Césara Becquerela, koji su pretpostavili vezu između mehanički stres i električni naboj, iako su se njihovi eksperimenti pokazali neuvjerljivima.
Kombinirajući svoje znanje o piroelektricitetu s razumijevanjem temeljnih kristalnih struktura, Curijevi su uspjeli dati povoda za predviđanje piroelektriciteta i predvidjeti ponašanje kristala. To se pokazalo u učinku kristala poput turmalina, kvarca, topaza, šećerne trske i Rochelle soli. Natrijev kalijev tartarat tetrahidrat i kvarc također su pokazali piezoelektričnost. Piezoelektrični disk generira napon kada se deformira, iako je to uvelike pretjerano u Curiesovoj demonstraciji. Također su mogli predvidjeti obrnuti piezoelektrični učinak i matematički ga izvesti iz temeljnih termodinamičkih principa Gabriela Lippmanna 1881. godine.
Curijevi su odmah potvrdili postojanje obrnutog efekta i dobili kvantitativni dokaz potpune reverzibilnosti elektro-elasto-mehaničkih deformacija u piezoelektričnim kristalima. U desetljećima koja su uslijedila, piezoelektricitet je ostao laboratorijska zanimljivost sve dok nije postao vitalni alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie. Njihov rad na istraživanju i definiranju kristalnih struktura koje pokazuju piezoelektricitet kulminirao je objavljivanjem "Lehrbuch der Kristallphysik" Woldemara Voigta (Udžbenik fizike kristala).
Eksperimenti su pokazali neuvjerljive
Piezoelektricitet je elektromehanički fenomen u kojem se električni naboj nakuplja u određenim krutim materijalima, kao što su kristali, keramika i biološke tvari poput kostiju i DNK. To je odgovor na primijenjeni mehanički stres, a riječ "piezoelektricitet" izvedena je iz grčkih riječi "piezein", što znači "stisnuti ili pritisnuti", i "ēlektron", što znači "jantar", drevni izvor električnog naboja.
Piezoelektrični učinak proizlazi iz linearne elektromehaničke interakcije između mehaničkih i električnih stanja kristalnih materijala s inverzijskom simetrijom. To je reverzibilan proces; materijali koji pokazuju piezoelektrični učinak također pokazuju obrnuti piezoelektrični učinak, što je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje je rezultat primijenjenog električnog polja. Na primjer, kristali olovnog cirkonat titanata stvaraju mjerljivu piezoelektričnost kada se njihova statička struktura deformira u odnosu na izvornu dimenziju. Nasuprot tome, kristali mogu promijeniti svoju statičku dimenziju kada se primijeni vanjsko električno polje, poznato kao inverzni piezoelektrični učinak, koji se koristi u proizvodnji ultrazvučnih valova.
Francuski fizičari Pierre i Jacques Curie otkrili su piezoelektricitet 1880. Od tada se iskorištava za razne korisne primjene, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka, piezoelektrični inkjet ispis, proizvodnju električne energije visokog napona, generatore sata i elektroničke uređaje poput mikrovaga , pogonske ultrazvučne mlaznice i optički sklopovi ultrafinog fokusiranja. Također čini osnovu skenirajućih sondnih mikroskopa, koji mogu razlučiti slike na razini atoma. Piezoelektricitet se također koristi u pickupima za elektronički pojačane gitare i okidačima za moderne elektroničke bubnjeve.
Piezoelektricitet nalazi svakodnevnu primjenu u stvaranju iskri za paljenje plina u uređajima za kuhanje i grijanje, bakljama, upaljačima za cigarete itd. Piroelektrični učinak, u kojem materijal stvara električni potencijal kao odgovor na promjenu temperature, proučavali su Carl Linnaeus i Franz Aepinus sredinom 18. stoljeća, oslanjajući se na znanje Renéa Hauya i Antoinea Césara Becquerela, koji su postavili vezu između mehaničkog naprezanja i električnog naboja. Eksperimenti su se pokazali neuvjerljivima.
Kombinirano znanje o piroelektricitetu i razumijevanje temeljnih kristalnih struktura dovelo je do predviđanja piroelektriciteta i sposobnosti predviđanja ponašanja kristala. To se pokazalo u učinku kristala poput turmalina, kvarca, topaza, šećerne trske i Rochelle soli. Natrijev kalijev tartarat tetrahidrat i kvarc također su pokazali piezoelektricitet, a piezoelektrični disk korišten je za generiranje napona kada je deformiran. To je bilo uvelike pretjerano u Curiesovoj demonstraciji izravnog piezoelektričnog učinka.
Braća Pierre i Jacques Curie predvidjeli su obrnuti piezoelektrični učinak, a obrnuti učinak je 1881. Gabriel Lippmann matematički izveo iz temeljnih termodinamičkih načela. Curijevi su odmah potvrdili postojanje obrnutog učinka i dobili kvantitativne dokaze potpunog reverzibilnost elektro-elasto-mehaničkih deformacija u piezoelektričnim kristalima.
Desetljećima je piezoelektricitet bio laboratorijska zanimljivost, ali bio je vitalan alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie. Njihov rad na istraživanju i definiranju kristalnih struktura koje pokazuju piezoelektricitet kulminirao je objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik Woldemara Voigta (Udžbenik fizike kristala). Ovo opisuje prirodne kristalne klase sposobne za piezoelektricitet i rigorozno definira piezoelektrične konstante korištenjem tenzorske analize. Ovo je bila prva praktična primjena piezoelektričnih pretvarača, a sonar je razvijen tijekom Prvog svjetskog rata. U Francuskoj su Paul Langevin i njegovi suradnici razvili ultrazvučni detektor podmornica.
Carl Linnaeus i Franz Aepinus
Piezoelektricitet je elektromehanički fenomen u kojem se električni naboj nakuplja u određenim čvrstim materijalima kao što su kristali, keramika i biološke tvari poput kostiju i DNK. Ovaj naboj se stvara kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Riječ piezoelektricitet dolazi od grčkih riječi πιέζειν (piezein) što znači "stisnuti ili pritisnuti" i ἤλεκτρον (ēlektron) što znači "jantar", drevni izvor električnog naboja.
Piezoelektrični učinak proizlazi iz linearne elektromehaničke interakcije između mehaničkih i električnih stanja kristalnih materijala s inverzijskom simetrijom. Ovaj učinak je reverzibilan, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektricitet također pokazuju obrnuti piezoelektrični učinak, što je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje je rezultat primijenjenog električnog polja. Na primjer, kristali olovnog cirkonat titanata stvaraju mjerljivu piezoelektričnost kada se njihova statička struktura deformira u odnosu na izvornu dimenziju. Nasuprot tome, kristali mogu promijeniti svoju statičku dimenziju kada se primijeni vanjsko električno polje, što je poznato kao inverzni piezoelektrični učinak i koristi se u proizvodnji ultrazvučnih valova.
Godine 1880. francuski fizičari Jacques i Pierre Curie otkrili su piezoelektrični učinak i od tada se iskorištava za mnoge korisne primjene, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka, piezoelektrični inkjet ispis, proizvodnju električne energije visokog napona, generatore sata, elektroničke uređaje, mikrovage , pogonske ultrazvučne mlaznice i optički sklopovi ultrafinog fokusiranja. Također čini osnovu za skenirajuće mikroskope sonde, koji se koriste za razlučivanje slika na razini atoma. Piezoelektricitet se također koristi u pickupima za elektronički pojačane gitare i okidačima za moderne elektroničke bubnjeve.
Piezoelektricitet se također nalazi u svakodnevnoj upotrebi, kao što je stvaranje iskri za paljenje plina u uređajima za kuhanje i grijanje, bakljama, upaljačima za cigarete i piroelektrični učinak, što je kada materijal stvara električni potencijal kao odgovor na promjenu temperature. Ovaj učinak proučavali su Carl Linnaeus i Franz Aepinus sredinom 18. stoljeća, oslanjajući se na znanje Renéa Hauya i Antoinea Césara Becquerela, koji su postavili vezu između mehaničkog naprezanja i električnog naboja, iako se njihovi eksperimenti nisu pokazali uvjerljivima.
Pogled na piezo kristal u Curiejevom kompenzatoru u Hunterian muzeju u Škotskoj demonstracija je izravnog piezoelektričnog učinka braće Pierrea i Jacquesa Curieja. Kombinacija njihovog znanja o piroelektricitetu s razumijevanjem temeljnih kristalnih struktura dovela je do predviđanja piroelektriciteta i sposobnosti predviđanja ponašanja kristala. To je dokazano djelovanjem kristala poput turmalina, kvarca, topaza, šećerne trske i Rochelle soli. Natrijev kalijev tartarat tetrahidrat i kvarc iz Rochelleove soli pokazali su piezoelektricitet, a piezoelektrični disk generira napon kada se deformira, iako je to uvelike pretjerano u Curiesevoj demonstraciji.
Predviđanje obrnutog piezoelektričnog učinka i njegovu matematičku dedukciju iz temeljnih termodinamičkih načela napravio je Gabriel Lippmann 1881. Curiejevi su odmah potvrdili postojanje obrnutog učinka i dobili kvantitativni dokaz potpune reverzibilnosti elektro-elasto-električnog učinka. mehaničke deformacije u piezoelektričnim kristalima. Desetljećima je piezoelektricitet bio laboratorijska zanimljivost sve dok nije postao vitalni alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie, koji su ga koristili za istraživanje i definiranje kristalnih struktura koje su pokazivale piezoelektricitet. To je kulminiralo objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik (Udžbenik kristalne fizike) Woldemara Voigta, koji je opisao prirodne kristalne klase sposobne za piezoelektricitet i rigorozno definirao piezoelektrične konstante korištenjem tenzorske analize.
Ova praktična primjena piezoelektričnih pretvarača dovela je do razvoja sonara tijekom Prvog svjetskog rata. U Francuskoj su Paul Langevin i njegovi suradnici razvili ultrazvučni detektor podmornica. Detektor se sastojao od pretvornika izrađenog od tankih kvarcnih kristala pažljivo zalijepljenih na čelične ploče i hidrofona za otkrivanje povratnog eha nakon emitiranja visokofrekventnog pulsa iz pretvornika. Mjerenjem vremena potrebnog da se čuje odjek zvučnih valova koji se odbijaju od objekta, uspjeli su izračunati udaljenost objekta. Koristili su piezoelektricitet kako bi ovaj sonar bio uspješan, a projekt je stvorio intenzivan razvoj i interes za piezoelektrične uređaje
Rene Hauy i Antoine Cesar Becquerel
Piezoelektricitet je elektromehanički fenomen koji se javlja kada određeni čvrsti materijali, poput kristala, keramike i bioloških tvari poput kostiju i DNK, akumuliraju električni naboj kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Piezoelektricitet je izveden iz grčke riječi 'piezein', što znači 'stisnuti ili pritisnuti', i 'elektron', što znači 'jantar', drevni izvor električnog naboja.
Piezoelektrični učinak proizlazi iz linearne elektromehaničke interakcije između mehaničkih i električnih stanja u kristalnim materijalima s inverzijskom simetrijom. Ovaj učinak je reverzibilan, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektrični učinak također pokazuju i obrnuti piezoelektrični učinak, odnosno unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja koje je rezultat primijenjenog električnog polja. Na primjer, kristali olovnog cirkonat titanata stvaraju mjerljivu piezoelektričnost kada se njihova statička struktura deformira u odnosu na izvornu dimenziju. Nasuprot tome, kristali mogu promijeniti svoju statičku dimenziju kada se primijeni vanjsko električno polje, što rezultira obrnutim piezoelektričnim učinkom i proizvodnjom ultrazvučnih valova.
Francuski fizičari Pierre i Jacques Curie otkrili su piezoelektrični učinak 1880. godine. Taj se učinak iskorištavao za razne korisne primjene, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka, piezoelektrični inkjet ispis, proizvodnju električne energije visokog napona, generatore sata i elektroničke uređaje poput mikrovaga, pogonskih ultrazvučnih mlaznica i optičkih sklopova ultrafinog fokusiranja. Također čini osnovu skenirajućih sondnih mikroskopa, koji mogu razlučiti slike na razini atoma. Piezoelektricitet se također koristi u pickupima za elektronički pojačane gitare i okidačima za moderne elektroničke bubnjeve.
Piezoelektrični učinak prvi su proučavali Carl Linnaeus i Franz Aepinus sredinom 18. stoljeća, oslanjajući se na znanje Renea Hauya i Antoinea Cesara Becquerela, koji su postavili vezu između mehaničkog naprezanja i električnog naboja. Međutim, eksperimenti su se pokazali neuvjerljivima. U kombinaciji sa znanjem o piroelektričnosti i razumijevanjem temeljnih kristalnih struktura, ovo je dovelo do predviđanja piroelektriciteta i sposobnosti predviđanja ponašanja kristala. To se pokazalo u učinku kristala poput turmalina, kvarca, topaza, šećerne trske i Rochelle soli. Natrijev kalijev tartarat tetrahidrat i kvarc također su pokazali piezoelektricitet, a piezoelektrični disk korišten je za generiranje napona kada je deformiran. Taj je učinak uvelike preuveličan u demonstraciji Curievih u Muzeju Škotske, koja je pokazala izravan piezoelektrični učinak.
Braća Pierre i Jacques Curie dobili su kvantitativni dokaz potpune reverzibilnosti elektro-elasto-mehaničkih deformacija u piezoelektričnim kristalima. Desetljećima je piezoelektricitet bio laboratorijska zanimljivost, sve dok nije postao ključni alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie. Ovaj rad je istraživao i definirao kristalne strukture koje su pokazivale piezoelektricitet, što je kulminiralo objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik Woldemara Voigta (Udžbenik fizike kristala).
Curijevi su odmah potvrdili postojanje obrnutog učinka i nastavili matematički izvoditi temeljna termodinamička načela obrnutog učinka. To je učinio Gabriel Lippmann 1881. Piezoelektricitet je zatim korišten za razvoj sonara tijekom Prvog svjetskog rata. U Francuskoj, Paul Langevin i njegovi suradnici razvili su ultrazvučni detektor podmornica. Taj se detektor sastojao od pretvornika izrađenog od tankih kvarcnih kristala pažljivo zalijepljenih na čelične ploče i hidrofona za otkrivanje povratnog eha. Emitiranjem visokofrekventnog pulsa iz sonde i mjerenjem vremena potrebnog da se čuje odjek zvučnih valova koji se odbijaju od objekta, mogli su izračunati udaljenost do objekta.
Korištenje piezoelektričnih kristala dalje je razvio Bell Telephone Laboratories nakon Drugog svjetskog rata. Frederick R. Lack, radeći u inženjerskom odjelu za radiotelefoniju, razvio je rezani kristal koji je mogao raditi u širokom rasponu temperatura. Lackov kristal nije trebao teške dodatke prijašnjih kristala, što je olakšalo njegovu upotrebu u zrakoplovima. Ovaj razvoj omogućio je savezničkim zračnim snagama da se uključe u koordinirane masovne napade, koristeći zrakoplovni radio. Razvoj piezoelektričnih uređaja i materijala u Sjedinjenim Državama zadržao je tvrtke u razvoju ratnih početaka na tom području, a razvili su se i interesi za osiguravanje isplativih patenata za nove materijale. Kvarcni kristali su se komercijalno iskorištavali kao piezoelektrični materijali, a znanstvenici su tragali za materijalima s boljim učinkom. Unatoč napretku u materijalima i sazrijevanju proizvodnih procesa, Sjedinjene Države
Gabriel Lippmann
Piezoelektricitet je elektromehanički fenomen u kojem se električni naboj nakuplja u određenim krutim materijalima, kao što su kristali, keramika i biološke tvari poput kostiju i DNK. To je rezultat interakcije između mehaničkih i električnih stanja u materijalima s inverzijskom simetrijom. Piezoelektricitet su prvi otkrili francuski fizičari Pierre i Jacques Curie 1880. godine.
Piezoelektricitet se iskorištava za razne korisne primjene, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka, piezoelektrični inkjet ispis i proizvodnju električne energije visokog napona. Piezoelektricitet je izveden iz grčkih riječi πιέζειν (piezein) što znači "stisnuti ili pritisnuti" i ἤλεκτρον (ēlektron) što znači "jantar", drevni izvor električnog naboja.
Piezoelektrični učinak je reverzibilan, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektricitet također pokazuju obrnuti piezoelektrični učinak, u kojem je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja rezultat primjene električnog polja. Na primjer, kristali olovnog cirkonat titanata stvaraju mjerljivu piezoelektričnost kada se njihova statička struktura deformira u odnosu na izvornu dimenziju. Nasuprot tome, kristali mogu promijeniti svoju statičku dimenziju kada se primijeni vanjsko električno polje, proces poznat kao inverzni piezoelektrični učinak. Ovaj proces se može koristiti za proizvodnju ultrazvučnih valova.
Piezoelektrični učinak se proučava od sredine 18. stoljeća, kada su Carl Linnaeus i Franz Aepinus, oslanjajući se na znanje Renéa Hauya i Antoinea Césara Becquerela, postavili vezu između mehaničkog naprezanja i električnog naboja. Međutim, eksperimenti su se pokazali neuvjerljivima. Istraživači nisu uspjeli predvidjeti ponašanje kristala tek kada je kombinirano znanje o piroelektričnosti i razumijevanje temeljnih kristalnih struktura dovelo do predviđanja piroelektriciteta. To je dokazano djelovanjem kristala poput turmalina, kvarca, topaza, šećerne trske i Rochelle soli.
Gabriel Lippmann je 1881. godine matematički izveo temeljne termodinamičke principe obrnutog piezoelektričnog učinka. Curijevi su odmah potvrdili postojanje obrnutog efekta i dobili kvantitativni dokaz potpune reverzibilnosti elektro-elasto-mehaničkih deformacija u piezoelektričnim kristalima.
Desetljećima je piezoelektricitet bio laboratorijska zanimljivost sve dok nije postao ključni alat u otkriću polonija i radija od strane Pierrea i Marie Curie. Njihov rad na istraživanju i definiranju kristalnih struktura koje pokazuju piezoelektricitet kulminirao je objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik Woldemara Voigta (Udžbenik fizike kristala). Ovo opisuje prirodne kristalne klase sposobne za piezoelektricitet i rigorozno definira piezoelektrične konstante s tenzorskom analizom.
Praktična primjena piezoelektričnih uređaja započela je razvojem sonara tijekom Prvog svjetskog rata. Paul Langevin i njegovi suradnici razvili su ultrazvučni detektor podmornica. Taj se detektor sastojao od pretvornika izrađenog od tankih kvarcnih kristala pažljivo zalijepljenih na čelične ploče i hidrofona za otkrivanje povratnog eha. Emitiranjem visokofrekventnog pulsa iz sonde i mjerenjem vremena potrebnog da se čuje odjek zvučnih valova koji se odbijaju od objekta, uspjeli su izračunati udaljenost do objekta. Ova uporaba piezoelektriciteta za sonar bila je uspješna, a projekt je stvorio intenzivan razvojni interes za piezoelektrične uređaje. Tijekom desetljeća istraženi su i razvijeni novi piezoelektrični materijali i nove primjene tih materijala. Piezoelektrični uređaji našli su svoje domove u raznim područjima, od keramičkih fonografskih uložaka koji su pojednostavili dizajn svirača i učinili jeftinije, precizne gramofone jeftinijima za održavanje i lakšima za izradu, do razvoja ultrazvučnih pretvarača koji su omogućili jednostavno mjerenje viskoznosti i elastičnosti tekućina i krutine, što je rezultiralo velikim napretkom u istraživanju materijala. Ultrazvučni reflektometri u vremenskoj domeni šalju ultrazvučni puls u materijal i mjere refleksije i diskontinuitete kako bi pronašli nedostatke unutar lijevanih metalnih i kamenih predmeta, poboljšavajući strukturnu sigurnost.
Nakon Drugog svjetskog rata, neovisne istraživačke skupine u Sjedinjenim Državama, Rusiji i Japanu otkrile su novu klasu sintetičkih materijala nazvanih feroelektrici koji su pokazali piezoelektrične konstante do deset puta veće od prirodnih materijala. To je dovelo do intenzivnog istraživanja za razvoj barij titanata, a kasnije i olovo cirkonat titanata, materijala sa specifičnim svojstvima za posebne primjene. Razvijen je značajan primjer uporabe piezoelektričnih kristala
Woldemar Voigt
Piezoelektricitet je elektromehanički fenomen u kojem se električni naboj nakuplja u određenim krutim materijalima, kao što su kristali, keramika i biološke tvari poput kostiju i DNK. Ovaj naboj se stvara kao odgovor na primijenjeni mehanički stres. Riječ piezoelektricitet izvedena je iz grčke riječi "piezein", što znači "stisnuti ili pritisnuti", i "elektron", što znači "jantar", drevni izvor električnog naboja.
Piezoelektrični učinak proizlazi iz linearne elektromehaničke interakcije između mehaničkih i električnih stanja kristalnih materijala s inverzijskom simetrijom. Ovaj učinak je reverzibilan, što znači da materijali koji pokazuju piezoelektricitet također pokazuju obrnuti piezoelektrični učinak, gdje je unutarnje stvaranje mehaničkog naprezanja rezultat primijenjenog električnog polja. Na primjer, kristali olovnog cirkonat titanata stvaraju mjerljivu piezoelektričnost kada se njihova statička struktura deformira u odnosu na izvornu dimenziju. Nasuprot tome, kristali mogu promijeniti svoju statičku dimenziju kada se primijeni vanjsko električno polje, fenomen poznat kao inverzni piezoelektrični efekt, koji se koristi u proizvodnji ultrazvučnih valova.
Francuski fizičari Pierre i Jacques Curie otkrili su piezoelektricitet 1880. godine. Piezoelektrični učinak od tada se iskorištava za razne korisne primjene, uključujući proizvodnju i detekciju zvuka, piezoelektrični inkjet ispis, proizvodnju električne energije visokog napona, generatore sata i elektroničke uređaje poput mikrovaga i pogonskih ultrazvučnih mlaznica za ultrafino fokusiranje optičkih sklopova. Također čini osnovu skenirajućih sondnih mikroskopa, koji mogu razlučiti slike na razini atoma. Osim toga, pikapi u elektronički pojačanim gitarama i okidači u modernim elektroničkim bubnjevima koriste piezoelektrični učinak.
Piezoelektricitet također nalazi svakodnevnu primjenu u stvaranju iskri za paljenje plina u uređajima za kuhanje i grijanje, u bakljama, upaljačima za cigarete i još mnogo toga. Piroelektrični učinak, gdje materijal stvara električni potencijal kao odgovor na promjenu temperature, proučavali su Carl Linnaeus i Franz Aepinus sredinom 18. stoljeća, oslanjajući se na znanje Renea Hauya i Antoinea Cesara Becquerela, koji su postavili vezu između mehaničkih stres i električni naboj. Eksperimenti koji dokazuju ovaj odnos pokazali su se neuvjerljivima.
Pogled na piezo kristal u Curiejevom kompenzatoru u Hunterian muzeju u Škotskoj demonstracija je izravnog piezoelektričnog učinka braće Pierrea i Jacquesa Curieja. Kombinacija njihovog znanja o piroelektričnosti s razumijevanjem temeljnih kristalnih struktura dovela je do predviđanja piroelektriciteta, što im je omogućilo predviđanje ponašanja kristala koje su pokazali u učinku kristala kao što su turmalin, kvarc, topaz, šećer od trske i Rochelle sol . Natrijev i kalijev tartarat tetrahidrat i kvarc također su pokazali piezoelektricitet, a piezoelektrični disk korišten je za generiranje napona kada je deformiran. Ova promjena oblika bila je uvelike preuveličana u Curiesovoj demonstraciji, a oni su nastavili predviđati obrnuti piezoelektrični učinak. Gabriel Lippmann 1881. matematički je izveo obrnuti učinak iz temeljnih termodinamičkih načela.
Curijevi su odmah potvrdili postojanje obrnutog efekta i dobili kvantitativni dokaz potpune reverzibilnosti elektro-elasto-mehaničkih deformacija u piezoelektričnim kristalima. U desetljećima koja su uslijedila, piezoelektricitet je ostao laboratorijska zanimljivost, sve dok nije postao vitalni alat u otkriću polonija i radija Pierre Marie Curie, koji ga je koristio za istraživanje i definiranje kristalnih struktura koje su pokazivale piezoelektricitet. To je kulminiralo objavljivanjem Lehrbuch der Kristallphysik (Udžbenik kristalne fizike) Woldemara Voigta, koji je opisao prirodne kristalne klase sposobne za piezoelektricitet i rigorozno definirao piezoelektrične konstante korištenjem tenzorske analize.
To je dovelo do praktične primjene piezoelektričnih uređaja, kao što je sonar, koji je razvijen tijekom Prvog svjetskog rata. U Francuskoj su Paul Langevin i njegovi suradnici razvili ultrazvučni detektor podmornica. Ovaj se detektor sastojao od pretvornika izrađenog od tankih kvarcnih kristala pažljivo zalijepljenih na čelične ploče i hidrofona za otkrivanje povratnog eha nakon emitiranja visokofrekventnog pulsa iz pretvornika. Mjerenjem vremena potrebnog da se čuje odjek zvučnih valova koji se odbijaju od objekta, mogli su izračunati udaljenost do objekta. Koristili su piezoelektricitet kako bi ovaj sonar bio uspješan, a projekt je izazvao intenzivan razvoj i interes za njega.
Važni odnosi
- Piezoelektrični aktuatori: Piezoelektrični aktuatori su uređaji koji pretvaraju električnu energiju u mehaničko gibanje. Obično se koriste u robotici, medicinskim uređajima i drugim aplikacijama gdje je potrebna precizna kontrola pokreta.
- Piezoelektrični senzori: Piezoelektrični senzori koriste se za mjerenje fizičkih parametara kao što su tlak, ubrzanje i vibracije. Često se koriste u industrijskim i medicinskim aplikacijama, kao iu potrošačkoj elektronici.
- Piezoelektricitet u prirodi: Piezoelektricitet je prirodni fenomen u određenim materijalima, a nalazi se u mnogim živim organizmima. Neki ga organizmi koriste za osjet okoline i komunikaciju s drugim organizmima.
Zaključak
Piezoelektricitet je nevjerojatan fenomen koji se koristi u raznim primjenama, od sonara do fonografskih uložaka. Proučava se od sredine 1800-ih i korišten je s velikim učinkom u razvoju moderne tehnologije. Ovaj post na blogu istražio je povijest i upotrebu piezoelektriciteta te je istaknuo važnost ovog fenomena u razvoju moderne tehnologije. Za one koji žele naučiti više o piezoelektricitetu, ovaj je post odlična polazna točka.
Ja sam Joost Nusselder, osnivač Neaere i marketer sadržaja, tata i volim isprobavati novu opremu s gitarom u srcu moje strasti, a zajedno sa svojim timom stvaram detaljne članke na blogu od 2020. pomoći vjernim čitateljima savjetima za snimanje i gitaru.
