A piezoelektromosság bizonyos anyagok azon képessége, hogy villamos energiát termeljenek, amikor mechanikai igénybevételnek vannak kitéve, és fordítva. A szó a görög piezo szóból származik, ami nyomást és elektromosságot jelent. Először 1880-ban fedezték fel, de a koncepció már régóta ismert.
A piezoelektromosság legismertebb példája a kvarc, de sok más anyag is mutatja ezt a jelenséget. A piezoelektromosság leggyakoribb felhasználási módja az ultrahang előállítása.
Ebben a cikkben megvitatom, mi az a piezoelektromosság, hogyan működik, és ennek a csodálatos jelenségnek néhány gyakorlati alkalmazását.
Mi az a piezoelektromosság?
A piezoelektromosság bizonyos anyagok azon képessége, hogy az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására elektromos töltést generálnak. Ez egy lineáris elektromechanikus kölcsönhatás mechanikai és elektromos állapotok között inverziós szimmetriájú kristályos anyagokban. A piezoelektromos anyagok felhasználhatók nagyfeszültségű elektromosság, óragenerátorok, elektronikus eszközök, mikromérlegek, meghajtó ultrahangos fúvókák és ultrafinom fókuszáló optikai egységek előállítására.
A piezoelektromos anyagok közé tartoznak a kristályok, bizonyos kerámiák, biológiai anyagok, például csont és DNS, valamint fehérjék. Ha egy piezoelektromos anyagra erőt fejtenek ki, az elektromos töltést hoz létre. Ezt a töltést ezután eszközök táplálására vagy feszültség létrehozására lehet használni.
A piezoelektromos anyagokat számos alkalmazásban használják, beleértve:
• Hang előállítása és érzékelése
• Piezoelektromos tintasugaras nyomtatás
• Nagyfeszültségű villamos energia előállítása
• Óragenerátorok
• Elektronikus eszközök
• Mikromérlegek
• Hajtsa meg az ultrahangos fúvókákat
• Ultrafinom fókuszáló optikai egységek
• Pickup elektronikusan erősített gitárokhoz
• Kioldók modern elektronikus dobokhoz
• Szikraképzés a gáz meggyújtásához
• Főző- és fűtőberendezések
• Fáklyák és szivargyújtók.
Mi a piezoelektromosság története?
A piezoelektromosságot Jacques és Pierre Curie francia fizikusok fedezték fel 1880-ban. Ez az elektromos töltés, amely bizonyos szilárd anyagokban, például kristályokban, kerámiákban és biológiai anyagokban halmozódik fel az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására. A „piezoelektromosság” szó a görög „piezein” szóból származik, amely „nyomni” vagy „nyomni”, és az „elektron”, azaz „borostyán”, az elektromos töltés ősi forrása.
A piezoelektromos hatás a kristályos anyagok mechanikai és elektromos állapota közötti lineáris elektromechanikai kölcsönhatásból ered, inverziós szimmetriával. Ez egy reverzibilis folyamat, ami azt jelenti, hogy a piezoelektromosságot mutató anyagok fordított piezoelektromos hatást is mutatnak, ami az alkalmazott elektromos térből adódó belső mechanikai feszültség keletkezése.
A Curie-k piroelektromossággal kapcsolatos ismeretei és a mögöttes kristályszerkezetek megértése a piroelektromosság előrejelzését és a kristály viselkedésének előrejelzésének képességét eredményezte. Ezt a kristályok, például a turmalin, a kvarc, a topáz, a nádcukor és a Rochelle-só hatásában igazolták.
Curie-k azonnal megerősítették a fordított hatás létezését, majd kvantitatív bizonyítékot szereztek a piezoelektromos kristályok elektro-elaszto-mechanikai deformációinak teljes visszafordíthatóságára. Az évtizedek során a piezoelektromosság laboratóriumi érdekesség maradt, amíg létfontosságú eszközzé vált Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésében.
A piezoelektromosságot számos hasznos alkalmazásra használták ki, beleértve a hangok előállítását és észlelését, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatást, a nagyfeszültségű elektromos áram előállítását, az óragenerátorokat és az elektronikus eszközöket, a mikromérlegeket, a meghajtó ultrahangos fúvókákat, az optikai egységek ultrafinom fókuszálását és a pásztázó szonda mikroszkópok alapja a képek atomok léptékű felbontására.
A piezoelektromosság mindennapi felhasználásra is alkalmas, mint például a főző- és fűtőberendezésekben, fáklyákban, szivargyújtókban gázok meggyújtására szolgáló szikrák, valamint a piroelektromos effektus, amikor egy anyag a hőmérsékletváltozás hatására elektromos potenciált generál.
A szonár első világháború alatti fejlesztése során a Bell Telephone Laboratories által kifejlesztett piezoelektromos kristályokat alkalmazták. Ez lehetővé tette a szövetséges légierők számára, hogy összehangolt tömeges támadásokat hajtsanak végre a légi rádió segítségével. A piezoelektromos eszközök és anyagok kifejlesztése az Egyesült Államokban tartotta a vállalatokat az érdeklődési körökben a háborús kezdetek fejlesztésében, és nyereséges szabadalmakat biztosított az új anyagok számára.
Japán látta az Egyesült Államok piezoelektromos iparának új alkalmazásait és növekedését, és gyorsan kifejlesztette a sajátját. Gyorsan megosztották egymással az információkat, és kifejlesztettek bárium-titanát, majd később ólom-cirkonát-titanát anyagokat, amelyek speciális tulajdonságokkal rendelkeznek bizonyos alkalmazásokhoz.
A piezoelektromosság hosszú utat tett meg 1880-as felfedezése óta, és ma már számos mindennapi alkalmazásban használják. Használták az anyagkutatás terén is, például az ultrahangos időtartományú reflektométerek terén, amelyek ultrahang impulzust küldenek át egy anyagon, hogy mérjék a visszaverődéseket és a folytonossági zavarokat, hogy hibákat találjanak az öntött fém- és kőtárgyak belsejében, javítva ezzel a szerkezeti biztonságot.
Hogyan működik a piezoelektromosság
Ebben a részben azt vizsgálom, hogyan működik a piezoelektromosság. Meg fogom vizsgálni az elektromos töltés felhalmozódását szilárd anyagokban, a lineáris elektromechanikus kölcsönhatást és a reverzibilis folyamatot, amelyek ezt a jelenséget alkotják. Szó lesz a piezoelektromosság történetéről és alkalmazásairól is.
Elektromos töltés felhalmozódása szilárd testekben
A piezoelektromosság az az elektromos töltés, amely bizonyos szilárd anyagokban, például kristályokban, kerámiákban és biológiai anyagokban, például csontokban és DNS-ben halmozódik fel. Az alkalmazott mechanikai igénybevételre adott válasz, neve a görög „piezein” (préselés) és „ēlektron” (borostyán) szavakból származik.
A piezoelektromos hatás az inverziós szimmetriájú kristályos anyagok mechanikai és elektromos állapota közötti lineáris elektromechanikai kölcsönhatás eredménye. Ez egy reverzibilis folyamat, ami azt jelenti, hogy a piezoelektromosságot mutató anyagok fordított piezoelektromos hatást is mutatnak, ahol az alkalmazott elektromos tér belső mechanikai igénybevételét eredményezi. A mérhető piezoelektromosságot generáló anyagok példái közé tartoznak az ólomcirkonát-titanát kristályok.
Pierre és Jacques Curie francia fizikusok 1880-ban fedezték fel a piezoelektromosságot. Azóta számos hasznos alkalmazásra használják, beleértve a hangok előállítását és észlelését, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatást, a nagyfeszültségű elektromosság előállítását, az óragenerátorokat és az elektronikus eszközöket, például a mikromérlegeket. és meghajtó ultrahangos fúvókák az optikai egységek ultrafinom fókuszálásához. Ez képezi a pásztázó szonda mikroszkópok alapját is, amelyek az atomok léptékében képesek feloldani a képeket. A piezoelektromosságot az elektronikusan erősített gitárok hangszedőiben és a modern elektronikus dobok triggereiben is használják.
A piezoelektromosság mindennapi felhasználása a gáz meggyújtására szolgáló szikragenerálásban, a főző- és fűtőberendezésekben, a fáklyákban, a szivargyújtókban, valamint a piroelektromos effektusban, ahol egy anyag a hőmérsékletváltozás hatására elektromos potenciált generál. Ezt Carl Linnaeus és Franz Aepinus tanulmányozta a 18. század közepén René Haüy és Antoine César Becquerel tudására támaszkodva, akik összefüggést állítottak fel a mechanikai igénybevétel és az elektromos töltés között. A kísérletek nem bizonyultak meggyőzőnek.
A skóciai Hunterian Múzeum Curie-kompenzátorában látható piezokristály a közvetlen piezoelektromos hatás demonstrációja. Pierre és Jacques Curie testvérek a piroelektromossággal kapcsolatos tudásukat egyesítették a mögöttes kristályszerkezetek megértésével, ami a piroelektromosság előrejelzéséhez vezetett. Meg tudták jósolni a kristály viselkedését, és kimutatták a hatást olyan kristályokban, mint a turmalin, kvarc, topáz, nádcukor és Rochelle só. A nátrium-kálium-tartarát-tetrahidrát és a kvarc szintén piezoelektromosságot mutatott. A piezoelektromos korong deformálásakor feszültséget generál, és Curie-ék bemutatóján az alakváltozást erősen eltúlozzák.
Meg tudták jósolni a fordított piezoelektromos hatást, és a fordított hatást Gabriel Lippmann matematikailag levezette 1881-ben. Curieék azonnal megerősítették a fordított effektus létezését, majd kvantitatív bizonyítékot szereztek az elektro-elasztoelektromos hatás teljes visszafordíthatóságára. mechanikai deformációk piezoelektromos kristályokban.
Évtizedekig a piezoelektromosság laboratóriumi érdekesség maradt, de létfontosságú eszköz volt Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésében. A piezoelektromos kristályszerkezetek feltárására és meghatározására irányuló munkájuk Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizika Tankönyve) publikálásával tetőzött, amely leírja a piezoelektromosságra képes természetes kristályosztályokat, és szigorúan meghatározta a piezoelektromos állandókat tenzoranalízissel. Ez volt a piezoelektromos eszközök gyakorlati alkalmazása, és az első világháború alatt fejlesztették ki a szonárt. Franciaországban Paul Langevin és munkatársai egy ultrahangos tengeralattjáró-detektort fejlesztettek ki.
A detektor a energiaátalakító acéllemezekre gondosan ragasztott vékony kvarckristályokból és hidrofonból a visszatérő visszhang érzékelésére. Magas kibocsátásával frekvencia A jelátalakító impulzusát, és megmérve azt az időt, amely alatt meghallják a tárgyról visszaverődő hanghullámok visszhangját, ki tudták számítani a tárgy távolságát. Piezoelektromosságot használtak a szonár sikerére, és a projekt intenzív fejlesztést és érdeklődést váltott ki a piezoelektromos eszközök iránt. Az évtizedek során új piezoelektromos anyagokat és új alkalmazásokat tártak fel és fejlesztettek ki, és a piezoelektromos eszközök számos területen találtak otthonra. A kerámia fonográf kazetták leegyszerűsítették a lejátszó kialakítását, és olcsó és pontos lemezjátszókhoz készültek, amelyek karbantartása olcsóbb és könnyebben megépíthető.
Az ultrahangos jelátalakítók fejlesztése lehetővé tette a folyadékok és szilárd anyagok viszkozitásának és rugalmasságának könnyű mérését, ami hatalmas előrelépést eredményezett az anyagkutatásban.
Lineáris elektromechanikus kölcsönhatás
A piezoelektromosság bizonyos anyagok azon képessége, hogy mechanikai igénybevételnek kitéve elektromos töltést generálnak. A szó a görög πιέζειν (piezein) szavakból származik, jelentése „szorítani vagy megnyomni”, és a ἤλεκτρον (ēlektron) jelentése „borostyán”, amely az elektromos töltés ősi forrása volt.
A piezoelektromosságot Jacques és Pierre Curie francia fizikusok fedezték fel 1880-ban. A kristályos anyagok mechanikai és elektromos állapota közötti lineáris elektromechanikai kölcsönhatáson alapul, inverziós szimmetriával. Ez a hatás reverzibilis, ami azt jelenti, hogy a piezoelektromosságot mutató anyagok fordított piezoelektromos hatást is mutatnak, így az alkalmazott elektromos tér belső mechanikai igénybevételét eredményezi. Példák az olyan anyagokra, amelyek statikus szerkezetükből deformálódva mérhető piezoelektromosságot generálnak, az ólom-cirkonát-titanát kristályok. Ezzel szemben a kristályok megváltoztathatják statikus méretüket, ha külső elektromos mezőt alkalmaznak, amelyet inverz piezoelektromos hatásnak neveznek, és ultrahanghullámok előállítására használják.
A piezoelektromosságot számos hasznos alkalmazásra használták ki, mint például:
• Hang előállítása és érzékelése
• Piezoelektromos tintasugaras nyomtatás
• Nagyfeszültségű villamos energia előállítása
• Óragenerátor
• Elektronikus eszközök
• Mikromérlegek
• Hajtsa meg az ultrahangos fúvókákat
• Ultrafinom fókuszáló optikai egységek
• Alapját képezi a pásztázó szonda mikroszkópoknak, hogy az atomok léptékében feloldják a képeket
• Hangszedők elektronikusan erősített gitárokban
• Triggerek a modern elektronikus dobokban
• Szikra generálása gáz meggyújtásához a főző- és fűtőberendezésekben
• Fáklyák és szivargyújtók
A piezoelektromosság a piroelektromos effektusban is mindennapi felhasználásra talál, amely olyan anyag, amely a hőmérsékletváltozás hatására elektromos potenciált generál. Ezt Carl Linnaeus és Franz Aepinus tanulmányozta a 18. század közepén René Haüy és Antoine César Becquerel tudására támaszkodva, akik összefüggést állítottak fel a mechanikai igénybevétel és az elektromos töltés között. A kísérletek azonban nem bizonyultak meggyőzőnek.
Egy piezokristály megtekintése a skóciai Hunterian Múzeum Curie-kompenzátorában a közvetlen piezoelektromos hatás demonstrációja. Pierre és Jacques Curie testvérek munkája volt az, amely feltárta és meghatározta a piezoelektromos kristályszerkezeteket, és Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizika Tankönyve) kiadásában tetőzött. Ez leírta a piezoelektromosságra képes természetes kristályosztályokat, és szigorúan meghatározta a piezoelektromos állandókat tenzoranalízissel, ami a piezoelektromos eszközök gyakorlati alkalmazásához vezetett.
A szonárt az első világháború alatt fejlesztették ki, amikor a francia Paul Langevin és munkatársai kifejlesztettek egy ultrahangos tengeralattjáró-detektort. Ez a detektor egy vékony kvarckristályokból készült jelátalakítóból állt, amelyet gondosan acéllemezekre ragasztottak, és egy hidrofonból, amely érzékeli a visszatérő visszhangot, miután a jelátalakítóból nagyfrekvenciás impulzust bocsátott ki. A tárgyról visszapattanó hanghullámok visszhangjának hallásához szükséges idő mérésével a piezoelektromosságot felhasználva ki tudták számítani a tárgy távolságát. A projekt sikere intenzív fejlesztést és érdeklődést váltott ki a piezoelektromos eszközök iránt az évtizedek során, új piezoelektromos anyagokat és ezeknek az anyagoknak új alkalmazásait vizsgálták és fejlesztették. A piezoelektromos eszközök számos területen találtak otthonra, például a kerámia fonográf kazetták, amelyek leegyszerűsítették a lejátszók tervezését, és olcsóbb és pontosabb lemezjátszókat tettek lehetővé, valamint olcsóbban és könnyebben építhetők és karbantarthatók.
Az ultrahangos jelátalakítók fejlesztése lehetővé tette a folyadékok és szilárd anyagok viszkozitásának és rugalmasságának könnyű mérését, ami hatalmas előrelépést eredményezett az anyagkutatásban. Az ultrahangos időtartományú reflektométerek ultrahang impulzust küldenek egy anyagba, és mérik a visszaverődéseket és a folytonossági hiányokat, hogy hibákat találjanak az öntött fém- és kőtárgyak belsejében, javítva a szerkezeti biztonságot. A második világháborút követően az Egyesült Államokban, Oroszországban és Japánban független kutatócsoportok felfedezték a szintetikus anyagok új osztályát, az úgynevezett ferroelektromos anyagokat, amelyek piezoelektromos állandója sokszorosa a természetes anyagokénak. Ez intenzív kutatásokhoz vezetett a bárium-titanát, majd később az ólom-cirkonát-titanát olyan anyagok kifejlesztéséhez, amelyek speciális tulajdonságokkal rendelkeznek bizonyos alkalmazásokhoz.
A piezoelektromos kristályok alkalmazásának jelentős példáját a Bell Telephone Laboratories fejlesztette ki a második világháború után. Frederick R. Lack, a rádiótelefon mérnöki osztályon dolgozik,
Visszafordítható folyamat
A piezoelektromosság olyan elektromos töltés, amely bizonyos szilárd anyagokban, például kristályokban, kerámiákban és biológiai anyagokban, például csontokban és DNS-ben halmozódik fel. Ezeknek az anyagoknak a reakciója az alkalmazott mechanikai igénybevételre. A „piezoelektromosság” szó a görög „piezein” szóból származik, ami „nyomni” vagy „nyomni” és az „ēlektron” jelentése „borostyán”, az elektromos töltés ősi forrása.
A piezoelektromos hatás a kristályos anyagok mechanikai és elektromos állapota közötti lineáris elektromechanikai kölcsönhatásból ered, inverziós szimmetriával. Ez egy reverzibilis folyamat, ami azt jelenti, hogy a piezoelektromosságot mutató anyagok fordított piezoelektromos hatást is mutatnak, ami az alkalmazott elektromos térből adódó belső mechanikai feszültség keletkezése. A mérhető piezoelektromosságot generáló anyagok példái közé tartoznak az ólomcirkonát-titanát kristályok. Amikor ezeknek a kristályoknak a statikus szerkezete deformálódik, visszatérnek eredeti méretükhöz, és fordítva, ha külső elektromos mezőt alkalmaznak, megváltoztatják statikus méretüket, ultrahanghullámokat generálva.
Jacques és Pierre Curie francia fizikusok 1880-ban fedezték fel a piezoelektromosságot. Azóta számos hasznos alkalmazásra használják, beleértve a hangok előállítását és észlelését, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatást, a nagyfeszültségű elektromosság előállítását, az óragenerátorokat, az elektronikai eszközöket, a mikromérlegeket, meghajtó ultrahangos fúvókák és ultrafinom fókuszáló optikai egységek. Ez képezi a pásztázó szonda mikroszkópok alapját is, amelyek az atomok léptékében képesek feloldani a képeket. A piezoelektromosságot elektronikusan erősített gitárok hangszedőiben és modern elektronikus dobok triggereiben is használják.
A piezoelektromosság mindennapi felhasználásra is alkalmas, például szikrákat generál a gáz meggyújtására főző- és fűtőberendezésekben, zseblámpákban, szivargyújtókban és egyebekben. Carl Linnaeus, Franz Aepinus és René Haüy tanulmányozta a 18. század közepén a borostyánról szerzett ismeretei alapján a piroelektromos hatást, amelyben egy anyag elektromos potenciált hoz létre a hőmérséklet-változás hatására. Antoine César Becquerel összefüggést állított fel a mechanikai igénybevétel és az elektromos töltés között, de a kísérletek nem bizonyultak meggyőzőnek.
A glasgow-i Hunterian Múzeum látogatói megtekinthetik a Piezo Crystal Curie Kompenzátort, amely a Pierre és Jacques Curie testvérek közvetlen piezoelektromos hatásának bemutatója. A piroelektromossággal kapcsolatos ismereteiket a mögöttes kristályszerkezetek megértésével ötvözve a piroelektromosság előrejelzése és a kristály viselkedésének előrejelzésének képessége született. Ezt a kristályok, például a turmalin, a kvarc, a topáz, a nádcukor és a Rochelle-só hatásával igazolták. A nátrium- és kálium-tartarát-tetrahidrát és a kvarc szintén piezoelektromosságot mutatott, és deformáció esetén piezoelektromos korongot használtak a feszültség létrehozására. Ezt az alakváltozást Curie-k erősen eltúlozták, hogy megjósolják a fordított piezoelektromos hatást. A fordított hatást Gabriel Lippmann matematikailag vezette le az alapvető termodinamikai elvekből 1881-ben.
Curie-k azonnal megerősítették a fordított hatás létezését, majd kvantitatív bizonyítékot szereztek a piezoelektromos kristályok elektro-elaszto-mechanikai deformációinak teljes visszafordíthatóságára. Évtizedekig a piezoelektromosság laboratóriumi érdekesség maradt, de létfontosságú eszköz volt Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésében. A piezoelektromosságot mutató kristályszerkezetek feltárására és meghatározására irányuló munkájuk Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizika Tankönyve) kiadásában tetőzött. Ez leírta a piezoelektromosságra képes természetes kristályosztályokat, és szigorúan meghatározta a piezoelektromos állandókat tenzoranalízis segítségével.
A piezoelektromos eszközök, például a szonár gyakorlati alkalmazását az első világháború alatt fejlesztették ki. Franciaországban Paul Langevin és munkatársai ultrahangos tengeralattjáró-detektort fejlesztettek ki. Ez a detektor egy vékony, acéllemezekre gondosan ragasztott kvarckristályokból készült jelátalakítóból és egy hidrofonból állt, amely érzékelte a visszatérő visszhangot. A jelátalakítóból nagyfrekvenciás impulzust bocsátottak ki, és megmérték, mennyi idő alatt hallják a tárgyról visszaverődő hanghullámok visszhangját, így ki tudták számítani a tárgy távolságát. Piezoelektromos energiát használtak a szonár sikeréhez. Ez a projekt intenzív fejlesztést és érdeklődést váltott ki a piezoelektromos eszközök iránt, és az évtizedek során új piezoelektromos anyagokat és új alkalmazásokat fedeztek fel és fejlesztettek ki. Piezoelektromos eszközök
Mi okozza a piezoelektromosságot?
Ebben a részben a piezoelektromosság eredetét és a különféle anyagokat fogom feltárni, amelyek ezt a jelenséget mutatják. Megnézem a görög „piezein” szót, az elektromos töltés ősi forrását és a piroelektromos hatást. Szó lesz Pierre és Jacques Curie felfedezéseiről és a piezoelektromos eszközök XX. századi fejlesztéséről is.
Görög szó Piezein
A piezoelektromosság az elektromos töltés felhalmozódása bizonyos szilárd anyagokban, például kristályokban, kerámiákban és olyan biológiai anyagokban, mint a csont és a DNS. Ezt ezen anyagoknak az alkalmazott mechanikai igénybevételre adott válasza okozza. A piezoelektromosság szó a görög „piezein” szóból származik, ami „nyomni vagy megnyomni”, és az „ēlektron” szóból, azaz „borostyánkő”, az elektromos töltés ősi forrása.
A piezoelektromos hatás a kristályos anyagok mechanikai és elektromos állapota közötti lineáris elektromechanikai kölcsönhatásból ered, inverziós szimmetriával. Ez egy reverzibilis folyamat, ami azt jelenti, hogy a piezoelektromosságot mutató anyagok fordított piezoelektromos hatást is mutatnak, ami az alkalmazott elektromos térből származó mechanikai feszültség belső generálása. Például az ólom-cirkonát-titanát kristályok mérhető piezoelektromosságot hoznak létre, ha statikus szerkezetük deformálódik eredeti méretéhez képest. Ezzel szemben a kristályok megváltoztathatják statikus méretüket, ha külső elektromos mezőt alkalmaznak, amit inverz piezoelektromos hatásnak neveznek, és ultrahanghullámokat keltenek.
Jacques és Pierre Curie francia fizikusok 1880-ban fedezték fel a piezoelektromosságot. A piezoelektromos hatást számos hasznos alkalmazásban használták ki, beleértve a hangok előállítását és észlelését, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatást, a nagyfeszültségű elektromosság előállítását, az óragenerátorokat és az elektronikus eszközöket, például a mikromérlegeket. , meghajtó ultrahangos fúvókák és ultrafinom fókuszáló optikai szerelvények. Ez képezi a pásztázó szonda mikroszkópok alapját is, amelyek az atomok léptékében képesek feloldani a képeket. A piezoelektromosságot elektronikusan erősített gitárok hangszedőiben és modern elektronikus dobok triggereiben is használják.
A piezoelektromosság mindennapi felhasználásra talál, például szikrákat generál a gáz meggyújtására főző- és fűtőberendezésekben, zseblámpákban, szivargyújtókban stb. A piroelektromos hatást, amely a hőmérséklet változására adott elektromos potenciál generálása, Carl Linnaeus és Franz Aepinus tanulmányozta a 18. század közepén René Haüy és Antoine César Becquerel tudására támaszkodva, akik összefüggést feltételeztek mechanikai igénybevétel és elektromos töltés. A kísérletek nem bizonyultak meggyőzőnek.
A skóciai múzeumban a látogatók megtekinthetnek egy piezokristály Curie kompenzátort, amely a Pierre és Jacques Curie testvérek közvetlen piezoelektromos hatásának demonstrációja. A piroelektromossággal kapcsolatos ismereteiket a mögöttes kristályszerkezetek megértésével ötvözve a piroelektromosság előrejelzése és a kristály viselkedésének előrejelzése volt a lehetőség. Ezt a kristályok, például a turmalin, a kvarc, a topáz, a nádcukor és a Rochelle-só hatása bizonyította. A nátrium-kálium-tartarát-tetrahidrát és a Rochelle-sóból származó kvarc piezoelektromosságot mutatott, és a piezoelektromos korong deformálódáskor feszültséget generál. Ez az alakváltozás erősen eltúlzott Curie-k demonstrációjában.
Curieék kvantitatív bizonyítékot szereztek a piezoelektromos kristályok elektro-elaszto-mechanikai deformációinak teljes visszafordíthatóságára. Évtizedekig a piezoelektromosság laboratóriumi érdekesség maradt, mígnem Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésének létfontosságú eszközévé vált. A piezoelektromosságot mutató kristályszerkezetek feltárására és meghatározására irányuló munkájuk Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizika Tankönyve) kiadásában tetőzött. Ez leírta a piezoelektromosságra képes természetes kristályosztályokat, és szigorúan meghatározta a piezoelektromos állandókat tenzoranalízissel.
A piezoelektromosságnak ez a gyakorlati alkalmazása vezetett a szonár kifejlesztéséhez az első világháború alatt. Franciaországban Paul Langevin és munkatársai ultrahangos tengeralattjáró-detektort fejlesztettek ki. A detektor egy acéllemezekre gondosan ragasztott vékony kvarckristályokból készült jelátalakítóból, úgynevezett hidrofonból állt, hogy érzékelje a nagyfrekvenciás impulzus kibocsátása után visszatérő visszhangot. A jelátalakító megmérte azt az időt, amely alatt meghallja a tárgyról visszapattanó hanghullámok visszhangját, hogy kiszámítsa a tárgy távolságát. A piezoelektromosság szonárokban való alkalmazása sikeres volt, és a projekt évtizedeken át intenzív fejlesztést és érdeklődést váltott ki a piezoelektromos eszközök iránt.
Új piezoelektromos anyagokat és új alkalmazásokat fedeztek fel és fejlesztettek ki ezekre az anyagokra, és számos területen találtak otthonra piezoelektromos eszközök, például a kerámia fonográf kazetták, amelyek leegyszerűsítették a lejátszó kialakítását, és olcsóbb, pontosabb lemezlejátszókat tettek lehetővé, amelyek karbantartása olcsóbb és könnyebb volt. építeni. A fejlesztés
Az elektromos töltés ősi forrása
A piezoelektromosság az az elektromos töltés, amely bizonyos szilárd anyagokban, például kristályokban, kerámiákban és biológiai anyagokban, például csontokban és DNS-ben halmozódik fel. Ezt az anyagnak az alkalmazott mechanikai igénybevételre adott válasza okozza. A „piezoelektromosság” szó a görög „piezein” szóból származik, ami azt jelenti, hogy „nyomni vagy megnyomni”, valamint az „elektron” szóból, ami „borostyánt”, az elektromos töltés ősi forrását jelenti.
A piezoelektromos hatás a kristályos anyagok mechanikai és elektromos állapota közötti lineáris elektromechanikai kölcsönhatásból ered, inverziós szimmetriával. Ez egy reverzibilis folyamat, ami azt jelenti, hogy a piezoelektromosságot mutató anyagok fordított piezoelektromos hatást is mutatnak, ami az alkalmazott elektromos térből származó mechanikai feszültség belső generálása. Például az ólom-cirkonát-titanát kristályok mérhető piezoelektromosságot hoznak létre, ha statikus szerkezetük deformálódik eredeti méretéhez képest. Ezzel szemben, amikor külső elektromos mezőt alkalmaznak, a kristályok inverz piezoelektromos effektussal megváltoztatják statikus méretüket, ultrahanghullámokat hozva létre.
A piezoelektromos hatást Jacques és Pierre Curie francia fizikusok fedezték fel 1880-ban. Számos hasznos alkalmazásra használják, beleértve a hangok előállítását és észlelését, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatást, a nagyfeszültségű villamos energia előállítását, az óragenerátorokat és az olyan elektronikus eszközöket, mint a mikromérlegek és a meghajtó ultrahangos fúvókák az optikai egységek ultrafinom fókuszálásához. Ez képezi a pásztázó szonda mikroszkópok alapját is, amelyek az atomok léptékű képfelbontására szolgálnak. A piezoelektromosságot elektronikusan erősített gitárok hangszedőiben és modern elektronikus dobok triggereiben is használják.
A piezoelektromosság mindennapi felhasználási területe a főző- és fűtőberendezésekben, fáklyákban, szivargyújtókban és egyebekben gázok meggyújtásához szükséges szikra. A piroelektromos hatást, amely a hőmérséklet változására adott elektromos potenciál képződése, Carl Linnaeus és Franz Aepinus tanulmányozta a 18. század közepén, René Haüy és Antoine César Becquerel tudására támaszkodva, akik a mechanikai hatások közötti kapcsolatot feltételezték. stressz és elektromos töltés. Kísérleteik azonban nem bizonyultak meggyőzőnek.
A skóciai Hunterian Múzeumban egy piezokristály és a Curie-kompenzátor látványa a közvetlen piezoelektromos hatást mutatja. Pierre és Jacques Curie testvérek munkája volt az, amely feltárta és meghatározta azokat a kristályszerkezeteket, amelyek piezoelektromosságot mutattak, és Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizika Tankönyve) kiadásában tetőzött. Ez leírta a piezoelektromosságra képes természetes kristályosztályokat, és szigorúan meghatározta a piezoelektromos állandókat tenzoranalízissel, lehetővé téve a piezoelektromos eszközök gyakorlati alkalmazását.
A szonárt az első világháború alatt fejlesztették ki a francia Paul Langevin és munkatársai, akik ultrahangos tengeralattjáró-detektort fejlesztettek ki. A detektor egy vékony, acéllemezekre gondosan ragasztott kvarckristályokból készült jelátalakítóból és egy hidrofonból állt, amely a visszatérő visszhangot érzékelte. A jelátalakítóból nagyfrekvenciás impulzust bocsátottak ki, és megmérték, mennyi idő alatt hallják a tárgyról visszaverődő hanghullámok visszhangját, így ki tudták számítani a tárgy távolságát. Piezoelektromos energiát használtak a szonár sikeréhez. A projekt évtizedeken át intenzív fejlesztést és érdeklődést váltott ki a piezoelektromos eszközök iránt.
Piroelektromosság
A piezoelektromosság bizonyos anyagok azon képessége, hogy elektromos töltést halmoznak fel az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására. Ez egy lineáris elektromechanikus kölcsönhatás a kristályos anyagok mechanikai és elektromos állapota között inverziós szimmetriával. A „piezoelektromosság” szó a görög „piezein” szóból származik, ami azt jelenti, hogy „nyomni vagy megnyomni”, valamint a görög „ēlektron” szóból, ami „borostyánt” jelent, az elektromos töltés ősi forrását.
A piezoelektromos hatást Jacques és Pierre Curie francia fizikusok fedezték fel 1880-ban. Ez egy reverzibilis folyamat, vagyis a piezoelektromos hatást mutató anyagok is mutatják a fordított piezoelektromos effektust, ami az alkalmazott elektromos térből származó mechanikai feszültség belső generálása. A mérhető piezoelektromosságot generáló anyagok példái közé tartoznak az ólomcirkonát-titanát kristályok. Ha egy statikus szerkezet deformálódik, akkor visszatér eredeti méretéhez. Ezzel szemben, amikor külső elektromos mezőt alkalmazunk, inverz piezoelektromos hatás jön létre, ami ultrahanghullámokat eredményez.
A piezoelektromos hatást számos hasznos alkalmazásban használják ki, beleértve a hangok előállítását és észlelését, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatást, a nagyfeszültségű elektromos áram előállítását, az óragenerátorokat és az elektronikus eszközöket, például a mikromérlegeket, a meghajtó ultrahangos fúvókákat és az ultrafinom fókuszáló optikai egységeket. Ez az alapja a pásztázó szondamikroszkópoknak is, amelyek az atomok léptékű képfelbontására szolgálnak. A piezoelektromosságot az elektronikusan erősített gitárok hangszedőiben és a modern elektronikus dobok triggereiben is használják.
A piezoelektromosság mindennapi felhasználásra talál, például szikrákat generál a gáz meggyújtására főző- és fűtőberendezésekben, zseblámpákban, szivargyújtókban stb. A piroelektromos hatást, amely a hőmérséklet változására adott elektromos potenciál termelése, Carl Linnaeus és Franz Aepinus tanulmányozta a 18. század közepén, René Haüy és Antoine César Becquerel tudására támaszkodva, akik kapcsolatot feltételeztek. mechanikai igénybevétel és elektromos töltés között. A kísérletek azonban nem bizonyultak meggyőzőnek.
A skóciai Curie Compensator Múzeum piezokristályának képe a közvetlen piezoelektromos hatás demonstrációja. Pierre és Jacques Curie testvérek a piroelektromossággal kapcsolatos ismereteiket és a mögöttes kristályszerkezetekre vonatkozó ismereteiket egyesítették, hogy megértsék a piroelektromosságot és megjósolják a kristály viselkedését. Ezt a kristályok, például a turmalin, a kvarc, a topáz, a nádcukor és a Rochelle-só hatásában igazolták. A nátrium-kálium-tartarát-tetrahidrát és a kvarc piezoelektromosságot mutatott, és deformáció esetén piezoelektromos korongot használtak a feszültség generálására. Ezt Curieék erősen eltúlozták, hogy megjósolják a fordított piezoelektromos hatást. A fordított hatást matematikailag levezette az alapvető termodinamikai elvek alapján Gabriel Lippmann 1881-ben.
Curie-k azonnal megerősítették a fordított hatás létezését, majd kvantitatív bizonyítékot szereztek a piezoelektromos kristályok elektro-elaszto-mechanikai deformációinak teljes visszafordíthatóságára. A következő évtizedekben a piezoelektromosság továbbra is laboratóriumi érdekesség maradt, mígnem létfontosságú eszközzé vált Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésében. A piezoelektromosságot mutató kristályszerkezetek feltárására és meghatározására irányuló munkájuk Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizika Tankönyve) kiadásában tetőzött.
A szonár fejlesztése sikeres volt, és a projekt intenzív fejlesztést és érdeklődést váltott ki a piezoelektromos eszközök iránt. A következő évtizedekben új piezoelektromos anyagokat és ezeknek az anyagoknak új alkalmazásait fedezték fel és fejlesztették ki. A piezoelektromos eszközök számos területen találtak otthonra, például a kerámia fonográf kazetták, amelyek leegyszerűsítették a lejátszó kialakítását, és olcsóbb, pontosabb lemezjátszókat tettek lehetővé, amelyek karbantartása olcsóbb és könnyebben felépíthető. Az ultrahangos jelátalakítók fejlesztése lehetővé tette a folyadékok és szilárd anyagok viszkozitásának és rugalmasságának egyszerű mérését, ami hatalmas előrelépést eredményezett az anyagkutatásban. Az ultrahangos időtartományú reflektométerek ultrahang impulzust küldenek egy anyagba, és mérik a visszaverődéseket és a folytonossági hiányokat, hogy hibákat találjanak az öntött fém- és kőtárgyak belsejében, javítva a szerkezeti biztonságot.
A második világháborút követően az Egyesült Államokban, Oroszországban és Japánban független kutatócsoportok fedezték fel a szintetikus anyagok új osztályát, az úgynevezett ferroelektromos anyagokat, amelyek piezoelektromos állandókat mutattak.
Piezoelektromos anyagok
Ebben a részben azokról az anyagokról lesz szó, amelyek piezoelektromos hatást mutatnak, ami bizonyos anyagok azon képessége, hogy elektromos töltést halmoznak fel az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására. Meg fogom nézni a kristályokat, a kerámiákat, a biológiai anyagokat, a csontokat, a DNS-t és a fehérjéket, és azt, hogy ezek hogyan reagálnak a piezoelektromos hatásra.
Kristályok
A piezoelektromosság bizonyos anyagok azon képessége, hogy elektromos töltést halmoznak fel az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására. A piezoelektromosság szó a görög πιέζειν (piezein) szavakból származik, jelentése 'prés' vagy 'prés', és ἤλεκτρον (ēlektron) jelentése 'borostyán, az elektromos töltés ősi forrása. A piezoelektromos anyagok közé tartoznak a kristályok, kerámiák, biológiai anyagok, csontok, DNS és fehérjék.
A piezoelektromosság lineáris elektromechanikus kölcsönhatás a mechanikai és elektromos állapotok között inverziós szimmetriájú kristályos anyagokban. Ez a hatás reverzibilis, vagyis a piezoelektromosságot mutató anyagok fordított piezoelektromos effektust is mutatnak, ami az alkalmazott elektromos térből adódó belső mechanikai feszültség keletkezése. A mérhető piezoelektromosságot generáló anyagok példái közé tartoznak az ólom-cirkonát-titanát kristályok, amelyek eredeti méretükre deformálódhatnak, vagy fordítva, megváltoztathatják statikus méretüket külső elektromos tér hatására. Ezt inverz piezoelektromos hatásnak nevezik, és ultrahanghullámok előállítására használják.
Jacques és Pierre Curie francia fizikusok 1880-ban fedezték fel a piezoelektromosságot. A piezoelektromos hatást számos hasznos alkalmazásra használták ki, beleértve a hangok előállítását és észlelését, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatást, a nagyfeszültségű elektromosság előállítását, az óragenerátorokat és az elektronikus eszközöket, mint pl. mikromérlegként, meghajtó ultrahangos fúvókákként és ultrafinom fókuszáló optikai egységként. Ez képezi a pásztázó szonda mikroszkópok alapját is, amelyek az atomok léptékű képfelbontására szolgálnak. Piezoelektromos hangszedőket is használnak elektronikusan erősített gitárokban és triggereket a modern elektronikus dobokban.
A piezoelektromosság mindennapi felhasználása a főző- és fűtőberendezésekben, valamint a fáklyákban és a szivargyújtókban lévő gázok meggyújtására szolgáló szikra előállításában. A piroelektromos hatást, amely a hőmérséklet változására adott elektromos potenciál generálása, Carl Linnaeus és Franz Aepinus tanulmányozta a 18. század közepén, René Haüy és Antoine César Becquerel tudására támaszkodva, akik a mechanika közötti kapcsolatot feltételezték. stressz és elektromos töltés. Az elmélet bizonyítására irányuló kísérletek nem voltak meggyőzőek.
A skóciai Hunterian Múzeum Curie-kompenzátorában látható piezokristály a közvetlen piezoelektromos hatás demonstrációja. Pierre és Jacques Curie testvérek a piroelektromossággal kapcsolatos ismereteiket a mögöttes kristályszerkezetek megértésével egyesítették, hogy megjósolják a piroelektromosságot. Meg tudták jósolni a kristály viselkedését, és kimutatták a hatást olyan kristályokban, mint a turmalin, kvarc, topáz, nádcukor és Rochelle só. A nátrium-kálium-tartarát-tetrahidrát és a kvarc szintén piezoelektromosságot mutatott. A piezoelektromos lemez deformálva feszültséget generál; az alakváltozást erősen eltúlozzák Curieék demonstrációja.
Ezenkívül meg tudták jósolni a fordított piezoelektromos hatást, és matematikailag levezetni a mögötte meghúzódó alapvető termodinamikai elveket. Gabriel Lippmann ezt 1881-ben tette meg. A Curie-k azonnal megerősítették a fordított hatás létezését, majd kvantitatív bizonyítékot szereztek a piezoelektromos kristályok elektro-elaszto-mechanikai deformációinak teljes visszafordíthatóságára.
Évtizedekig a piezoelektromosság laboratóriumi érdekesség maradt, de létfontosságú eszköz volt Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésében. A piezoelektromosságot mutató kristályszerkezetek feltárására és meghatározására irányuló munkájuk Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizikai Tankönyv) publikációjában csúcsosodott ki, amely leírta a piezoelektromosságra képes természetes kristályosztályokat, és szigorúan meghatározta a piezoelektromos állandókat tenzoranalízis segítségével.
A piezoelektromos eszközök szonárokban való gyakorlati alkalmazását az első világháború alatt fejlesztették ki. Franciaországban Paul Langevin és munkatársai ultrahangos tengeralattjáró-detektort fejlesztettek ki. Ez a detektor vékony kvarckristályokból készült, acéllemezekre gondosan ragasztott jelátalakítóból, úgynevezett hidrofonból állt, hogy érzékelje a nagyfrekvenciás impulzus kibocsátása után visszatérő visszhangot. A tárgyról visszaverődő hanghullámok visszhangjának hallásához szükséges idő mérésével ki tudták számítani a tárgy távolságát. A piezoelektromosságnak ez a szonárban történő alkalmazása sikeres volt, és a projekt az évtizedek során intenzív fejlesztést és érdeklődést váltott ki a piezoelektromos eszközök iránt.
Kerámia
A piezoelektromos anyagok olyan szilárd anyagok, amelyek elektromos töltést halmoznak fel az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására. A piezoelektromosság a görög πιέζειν (piezein) szavakból származik, jelentése 'prés' vagy 'prés', és ἤλεκτρον (ēlektron) jelentése 'borostyán, az elektromos töltés ősi forrása. A piezoelektromos anyagokat számos alkalmazásban használják, beleértve a hang előállítását és érzékelését, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatást és a nagyfeszültségű villamos energia előállítását.
A piezoelektromos anyagok kristályokban, kerámiákban, biológiai anyagokban, csontokban, DNS-ben és fehérjékben találhatók. A kerámia a mindennapi alkalmazásokban használt piezoelektromos anyagok közül a leggyakoribb. A kerámiák fém-oxidok, például ólom-cirkonát-titanát (PZT) kombinációjából készülnek, amelyeket magas hőmérsékletre hevítenek, hogy szilárd anyagot képezzenek. A kerámiák rendkívül tartósak, és ellenállnak a szélsőséges hőmérsékleteknek és nyomásoknak.
A piezoelektromos kerámiák számos felhasználási területtel rendelkeznek, többek között:
• Szikra generálása gáz meggyújtásához főző- és fűtőberendezésekben, például zseblámpákban és szivargyújtókban.
• Ultrahanghullámok generálása orvosi képalkotáshoz.
• Nagyfeszültségű villamos energia előállítása óragenerátorokhoz és elektronikus eszközökhöz.
• Mikromérlegek előállítása precíziós mérésekhez.
• Ultrahangos fúvókák az optikai egységek ultrafinom fókuszálásához.
• A pásztázó szonda mikroszkópok alapjainak megteremtése, amelyek az atomok léptékében képesek feloldani a képeket.
• Hangszedők elektronikusan erősített gitárokhoz és triggerek a modern elektronikus dobokhoz.
A piezoelektromos kerámiákat a fogyasztói elektronikától az orvosi képalkotásig széles körben használják. Rendkívül tartósak és ellenállnak a szélsőséges hőmérsékleteknek és nyomásoknak, így ideálisak különféle iparágakban történő használatra.
Biológiai anyag
A piezoelektromosság bizonyos anyagok azon képessége, hogy elektromos töltést halmoznak fel az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására. A görög „piezein” szóból származik, amely „szorítani vagy megnyomni”, és az „ēlektron”, azaz „borostyán”, az elektromos töltés ősi forrása.
A biológiai anyagok, például a csont, a DNS és a fehérjék a piezoelektromos anyagok közé tartoznak. Ez a hatás reverzibilis, ami azt jelenti, hogy a piezoelektromosságot mutató anyagok fordított piezoelektromos hatást is mutatnak, ami az alkalmazott elektromos térből adódó belső mechanikai feszültség keletkezése. Ilyen anyagok például az ólom-cirkonát-titanát kristályok, amelyek mérhető piezoelektromosságot hoznak létre, ha statikus szerkezetük deformálódik az eredeti méretétől. Ezzel szemben, amikor külső elektromos mezőt alkalmaznak, a kristályok megváltoztatják statikus méretüket, és ultrahanghullámokat hoznak létre az inverz piezoelektromos hatás révén.
A piezoelektromosság felfedezését Jacques és Pierre Curie francia fizikusok tették 1880-ban. Azóta számos hasznos alkalmazásra használják fel, mint például:
• Hang előállítása és érzékelése
• Piezoelektromos tintasugaras nyomtatás
• Nagyfeszültségű villamos energia előállítása
• Óragenerátor
• Elektronikus eszközök
• Mikromérlegek
• Hajtsa meg az ultrahangos fúvókákat
• Ultrafinom fókuszáló optikai egységek
• A pásztázó szonda mikroszkópok alapját képezi
• Képek felbontása az atomok léptékében
• Hangszedők elektronikusan erősített gitárokban
• Triggerek a modern elektronikus dobokban
A piezoelektromos energiát olyan mindennapi cikkekben is használják, mint például gázfőző- és fűtőberendezések, fáklyák, szivargyújtók stb. A piroelektromos hatást, amely a hőmérsékletváltozás hatására elektromos potenciál termelése, Carl Linnaeus és Franz Aepinus tanulmányozta a 18. század közepén. René Haüy és Antoine César Becquerel tudására támaszkodva összefüggést állítottak fel a mechanikai igénybevétel és az elektromos töltés között, de kísérleteik eredménytelennek bizonyultak.
A skóciai Hunterian Múzeum Curie-kompenzátorában látható piezokristály a közvetlen piezoelektromos hatás demonstrációja. Pierre és Jacques Curie testvérek piroelektromos ismereteiket és a mögöttes kristályszerkezetek megértését egyesítették, hogy megjósolják a piroelektromosságot és megjósolják a kristály viselkedését. Ezt a kristályok, például a turmalin, a kvarc, a topáz, a nádcukor és a Rochelle-só hatása bizonyította. A nátrium- és kálium-tartarát-tetrahidrát és a kvarc szintén piezoelektromosságot mutatott, és deformáció esetén piezoelektromos korongot használtak a feszültség létrehozására. Ezt a hatást Curieék erősen eltúlozták, hogy megjósolják a fordított piezoelektromos hatást. A fordított hatást Gabriel Lippmann matematikailag vezette le az alapvető termodinamikai elvekből 1881-ben.
Curie-k azonnal megerősítették a fordított hatás létezését, majd kvantitatív bizonyítékot szereztek a piezoelektromos kristályok elektro-elaszto-mechanikai deformációinak teljes visszafordíthatóságára. Évtizedekig a piezoelektromosság laboratóriumi érdekesség maradt, mígnem Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésének létfontosságú eszközévé vált. A piezoelektromosságot mutató kristályszerkezetek feltárására és meghatározására irányuló munkájuk Woldemar Voigt „Lehrbuch der Kristallphysik” (Kristályfizika Tankönyve) kiadásában tetőzött.
Csont
A piezoelektromosság bizonyos anyagok azon képessége, hogy elektromos töltést halmoznak fel az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására. A csont az egyik ilyen anyag, amely ezt a jelenséget mutatja.
A csont egyfajta biológiai anyag, amely fehérjékből és ásványi anyagokból áll, beleértve a kollagént, a kalciumot és a foszfort. Ez a legpiezoelektromosabb az összes biológiai anyag közül, és mechanikai igénybevétel esetén képes feszültséget generálni.
A piezoelektromos hatás a csontban egyedülálló szerkezetének eredménye. Kollagén rostok hálózatából áll, amelyek ásványi anyagok mátrixába vannak beágyazva. Amikor a csont mechanikai igénybevételnek van kitéve, a kollagén rostok elmozdulnak, aminek következtében az ásványi anyagok polarizálódnak, és elektromos töltést generálnak.
A piezoelektromos hatásnak a csontokban számos gyakorlati alkalmazása van. Az orvosi képalkotásban, például ultrahang- és röntgenképalkotásban használják csonttörések és egyéb rendellenességek kimutatására. Csontvezetési hallókészülékekben is használják, amelyek piezoelektromos effektust használnak a hanghullámok elektromos jelekké történő átalakítására, amelyeket közvetlenül a belső fülbe küldenek.
A csont piezoelektromos hatását ortopéd implantátumoknál is alkalmazzák, például műízületeknél és végtagprotéziseknél. Az implantátumok a piezoelektromos hatást használják a mechanikai energia elektromos energiává alakítására, amelyet azután az eszköz táplálására használnak.
Ezen túlmenően a csont piezoelektromos hatását új orvosi kezelések kifejlesztésében való felhasználása céljából vizsgálják. A kutatók például a piezoelektromosság használatát vizsgálják a csontnövekedés serkentésére és a sérült szövetek helyreállítására.
Összességében a piezoelektromos hatás a csontokban lenyűgöző jelenség, számos gyakorlati alkalmazással. Számos orvosi és technológiai alkalmazásban használják, és új kezelések kifejlesztésében való felhasználását kutatják.
DNS
A piezoelektromosság bizonyos anyagok azon képessége, hogy elektromos töltést halmoznak fel az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására. A DNS az egyik ilyen anyag, amely kifejti ezt a hatást. A DNS egy biológiai molekula, amely minden élő szervezetben megtalálható, és négy nukleotidbázisból áll: adenin (A), guanin (G), citozin (C) és timin (T).
A DNS egy összetett molekula, amely felhasználható elektromos töltés generálására, ha mechanikai igénybevételnek van kitéve. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a DNS-molekulák két nukleotidszálból állnak, amelyeket hidrogénkötések tartanak össze. Amikor ezek a kötések megszakadnak, elektromos töltés keletkezik.
A DNS piezoelektromos hatását számos alkalmazásban használták, többek között:
• Elektromos áram előállítása orvosi implantátumokhoz
• Mechanikai erők észlelése és mérése a cellákban
• Nanoméretű érzékelők fejlesztése
• Bioszenzorok készítése DNS szekvenáláshoz
• Ultrahanghullámok generálása képalkotáshoz
A DNS piezoelektromos hatását is vizsgálják új anyagok, például nanovezetékek és nanocsövek kifejlesztésében való lehetséges felhasználása érdekében. Ezek az anyagok sokféle alkalmazásra használhatók, beleértve az energiatárolást és az érzékelést.
A DNS piezoelektromos hatását alaposan tanulmányozták, és azt találták, hogy nagyon érzékeny a mechanikai igénybevételre. Ez értékes eszközzé teszi a kutatók és mérnökök számára, akik új anyagokat és technológiákat szeretnének kifejleszteni.
Összefoglalva, a DNS egy olyan anyag, amely piezoelektromos hatást fejt ki, vagyis az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására elektromos töltést képes felhalmozni. Ezt a hatást számos alkalmazásban alkalmazták, beleértve az orvosi implantátumokat, a nanoméretű érzékelőket és a DNS-szekvenálást. Azt is vizsgálják, hogy új anyagok, például nanohuzalok és nanocsövek kifejlesztésében felhasználható-e.
Fehérjék
A piezoelektromosság bizonyos anyagok azon képessége, hogy elektromos töltést halmoznak fel az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására. A piezoelektromos anyagok, mint például a fehérjék, kristályok, kerámiák és olyan biológiai anyagok, mint a csont és a DNS, mutatják ezt a hatást. A fehérjék különösen egyedi piezoelektromos anyagok, mivel aminosavak összetett szerkezetéből állnak, amelyek deformációjával elektromos töltést generálhatnak.
A fehérjék a piezoelektromos anyagok legelterjedtebb típusai, és sokféle formában megtalálhatók. Megtalálhatók enzimek, hormonok és antitestek formájában, valamint strukturális fehérjék, például kollagén és keratin formájában. A fehérjék izomfehérjék formájában is megtalálhatók, amelyek az izomösszehúzódásért és -ellazulásért felelősek.
A fehérjék piezoelektromos hatása annak a ténynek köszönhető, hogy aminosavak összetett szerkezetéből állnak. Amikor ezek az aminosavak deformálódnak, elektromos töltést generálnak. Ezt az elektromos töltést ezután különféle eszközök, például érzékelők és működtetők táplálására lehet használni.
A fehérjéket számos orvosi alkalmazásban is használják. Például bizonyos fehérjék jelenlétének kimutatására szolgálnak a szervezetben, amelyek segítségével betegségeket diagnosztizálhatnak. Ezenkívül bizonyos baktériumok és vírusok jelenlétének kimutatására is szolgálnak, amelyek segítségével fertőzések diagnosztizálhatók.
A fehérjéket különféle ipari alkalmazásokban is használják. Például érzékelők és aktuátorok létrehozására használják különféle ipari folyamatokhoz. Emellett olyan anyagok létrehozására is használják őket, amelyek felhasználhatók repülőgépek és más járművek építésénél.
Összefoglalva, a fehérjék egyedülálló piezoelektromos anyag, amely különféle alkalmazásokban használható. Összetett szerkezetű aminosavakból állnak, amelyek elektromos töltést generálva deformálhatók, és számos orvosi és ipari alkalmazásban használatosak.
Energia betakarítás piezoelektromossággal
Ebben a részben arról fogok beszélni, hogyan használható a piezoelektromosság energiagyűjtésre. Megvizsgálom a piezoelektromosság különféle alkalmazásait, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatástól az óragenerátorokig és a mikromérlegekig. Feltárom a piezoelektromosság történetét is, Pierre Curie felfedezésétől a második világháborúban való felhasználásáig. Végül a piezoelektromos ipar jelenlegi helyzetéről és a további növekedés lehetőségeiről fogok beszélni.
Piezoelektromos tintasugaras nyomtatás
A piezoelektromosság bizonyos anyagok azon képessége, hogy az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására elektromos töltést generálnak. A „piezoelektromosság” szó a görög „piezein” (nyomni vagy préselni) és „elektron” (borostyán) szavakból származik, amelyek egy ősi elektromos töltésforrás. A piezoelektromos anyagokat, például kristályokat, kerámiákat és olyan biológiai anyagokat, mint a csont és a DNS, különféle alkalmazásokban használják.
A piezoelektromos energiát nagyfeszültségű villamos energia előállítására használják, óragenerátorként, elektronikai eszközökben és mikromérlegekben. Ultrahangos fúvókák és ultrafinom fókuszáló optikai egységek meghajtására is használható. A piezoelektromos tintasugaras nyomtatás népszerű alkalmazása ennek a technológiának. Ez egy olyan típusú nyomtatás, amely piezoelektromos kristályokat használ nagyfrekvenciás rezgés létrehozására, amely tintacseppeket lövell ki az oldalra.
A piezoelektromosság felfedezése 1880-ra nyúlik vissza, amikor Jacques és Pierre Curie francia fizikusok felfedezték a hatást. Azóta a piezoelektromos hatást számos hasznos alkalmazásra használják ki. A piezoelektromosságot olyan mindennapi cikkekben használják, mint a gázfőző- és fűtőberendezések, zseblámpák, szivargyújtók, elektronikusan erősített gitárok hangszedői és modern elektronikus dobok triggerei.
A piezoelektromosságot tudományos kutatásokban is használják. Ez az alapja a pásztázó szonda mikroszkópoknak, amelyeket atomskálák szerinti képek felbontására használnak. Használják ultrahangos időtartományú reflektométerekben is, amelyek ultrahang impulzusokat küldenek egy anyagba, és mérik a visszaverődéseket, hogy észleljék a folytonossági zavarokat és hibákat találjanak az öntött fém- és kőtárgyak belsejében.
A piezoelektromos eszközök és anyagok fejlesztését a jobb teljesítmény és a könnyebb gyártási folyamatok iránti igény vezérelte. Az Egyesült Államokban a kvarckristályok kereskedelmi felhasználásra történő kifejlesztése a piezoelektromos ipar növekedésének egyik fő tényezője. Ezzel szemben a japán gyártók képesek voltak gyorsan megosztani az információkat és új alkalmazásokat fejleszteni, ami gyors növekedést eredményezett a japán piacon.
A piezoelektromosság forradalmasította az energiafelhasználás módját, a mindennapi cikkektől, például az öngyújtóktól a fejlett tudományos kutatásokig. Ez egy sokoldalú technológia, amely lehetővé tette számunkra, hogy új anyagokat és alkalmazásokat fedezzünk fel és fejlesszünk ki, és az elkövetkező években is fontos része lesz életünknek.
Nagyfeszültségű villamos energia előállítása
A piezoelektromosság bizonyos szilárd anyagok azon képessége, hogy elektromos töltést halmoznak fel az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására. A „piezoelektromosság” szó a görög „piezein” szóból származik, ami „szorítás” vagy „prés”, és „ēlektron” jelentése „borostyán”, az elektromos töltés ősi forrása. A piezoelektromosság lineáris elektromechanikus kölcsönhatás a mechanikai és elektromos állapotok között inverziós szimmetriájú kristályos anyagokban.
A piezoelektromos hatás visszafordítható folyamat; a piezoelektromosságot mutató anyagok fordított piezoelektromos hatást is mutatnak, vagyis az alkalmazott elektromos térből adódó belső mechanikai igénybevételt. Például az ólom-cirkonát-titanát kristályok mérhető piezoelektromosságot hoznak létre, ha statikus szerkezetük deformálódik eredeti méretéhez képest. Ezzel szemben a kristályok megváltoztathatják statikus méretüket, ha külső elektromos mezőt alkalmaznak, ezt a jelenséget inverz piezoelektromos effektusnak nevezik, amelyet ultrahanghullámok előállításához használnak.
A piezoelektromos hatást számos alkalmazásban használják, beleértve a nagyfeszültségű villamos energia előállítását. A piezoelektromos anyagokat hang előállításában és érzékelésében, piezoelektromos tintasugaras nyomtatásban, óragenerátorokban, elektronikai eszközökben, mikromérlegekben, meghajtó ultrahangos fúvókákban és ultrafinom fókuszáló optikai egységekben használják.
A piezoelektromosságot mindennapi alkalmazásokban is használják, például szikrákat generálnak a gáz meggyújtására főző- és fűtőberendezésekben, fáklyákban, szivargyújtókban és piroelektromos hatású anyagokban, amelyek a hőmérséklet változására reagálva elektromos potenciált generálnak. Ezt a hatást Carl Linnaeus és Franz Aepinus tanulmányozta a 18. század közepén René Haüy és Antoine César Becquerel tudására támaszkodva, akik összefüggést feltételeztek a mechanikai igénybevétel és az elektromos töltés között, bár kísérleteik nem bizonyultak meggyőzőnek.
A piroelektromosság ismerete és a mögöttes kristályszerkezetek megértése együttesen adott okot a piroelektromosság előrejelzéséhez és a kristály viselkedésének előrejelzéséhez. Ezt a kristályok, például a turmalin, a kvarc, a topáz, a nádcukor és a Rochelle-só hatása bizonyította. A nátrium-kálium-tartarát-tetrahidrát és a kvarc szintén piezoelektromosságot mutatott, és deformáció esetén piezoelektromos korongot használtak a feszültség előállítására. Ezt erősen eltúlozták a közvetlen piezoelektromos hatás Curies-féle demonstrációjában.
Pierre és Jacques Curie testvérek kvantitatív bizonyítékot szereztek a piezoelektromos kristályok elektro-elaszto-mechanikai deformációinak teljes visszafordíthatóságára. Évtizedekig a piezoelektromosság laboratóriumi érdekesség maradt, de létfontosságú eszköz volt Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésében. A piezoelektromosságot mutató kristályszerkezetek feltárására és meghatározására irányuló munkájuk Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizikai Tankönyv) publikációjában csúcsosodott ki, amely leírta a piezoelektromosságra képes természetes kristályosztályokat, és szigorúan meghatározta a piezoelektromos állandókat tenzoranalízis segítségével.
A piezoelektromos eszközök gyakorlati alkalmazása a szonár kifejlesztésével kezdődött az első világháború alatt. Franciaországban Paul Langevin és munkatársai ultrahangos tengeralattjáró-detektort fejlesztettek ki. A detektor egy vékony, acéllemezekre gondosan ragasztott kvarckristályokból készült jelátalakítóból és egy hidrofonból állt, amely a visszatérő visszhangot érzékelte. A jelátalakítóból nagyfrekvenciás impulzust bocsátottak ki, és megmérték, mennyi idő alatt hallják a tárgyról visszaverődő hanghullámok visszhangját, így ki tudták számítani a tárgy távolságát. Piezoelektromosságot használtak a szonár sikeréhez, és a projekt intenzív fejlesztést és érdeklődést váltott ki a piezoelektromos eszközök iránt a következő évtizedekben.
Új piezoelektromos anyagokat és ezeknek az anyagoknak új alkalmazásait vizsgálták és fejlesztették ki. A piezoelektromos eszközök számos területen találtak otthonra, például a kerámia fonográf-patronok, amelyek leegyszerűsítették a lejátszó kialakítását, és olcsóbb, pontosabb lemezjátszókat tettek lehetővé, amelyek karbantartása olcsóbb és könnyebben felépíthető. Az ultrahangos jelátalakítók fejlesztése lehetővé tette a folyadékok és szilárd anyagok viszkozitásának és rugalmasságának könnyű mérését, ami hatalmas előrelépést eredményezett az anyagkutatásban. Az ultrahangos időtartományú reflektométerek ultrahang impulzust küldenek egy anyagba, és mérik a visszaverődéseket és a folytonossági hiányokat, hogy hibákat találjanak az öntött fém- és kőtárgyak belsejében, javítva a szerkezeti biztonságot.
A második világháborúban független kutatócsoportok az Egyesült Államokban, Oroszországban és Japánban fedezték fel a szintetikus anyagok új osztályát, a fert.
Óragenerátor
A piezoelektromosság bizonyos anyagok azon képessége, hogy elektromos töltést halmoznak fel az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására. Ezt a jelenséget számos hasznos alkalmazás létrehozására használták fel, beleértve az óragenerátorokat is. Az óragenerátorok olyan eszközök, amelyek piezoelektromos áramot használnak elektromos jelek pontos időzítésű generálására.
Az óragenerátorokat számos alkalmazásban használják, például számítógépekben, távközlésben és autóipari rendszerekben. Orvosi eszközökben, például szívritmus-szabályozókban is használják az elektromos jelek pontos időzítésének biztosítására. Az óragenerátorokat az ipari automatizálásban és a robotikában is használják, ahol elengedhetetlen a pontos időzítés.
A piezoelektromos hatás az inverziós szimmetriájú kristályos anyagok mechanikai és elektromos állapota közötti lineáris elektromechanikai kölcsönhatáson alapul. Ez a hatás reverzibilis, ami azt jelenti, hogy a piezoelektromosságot mutató anyagok mechanikai feszültséget is generálhatnak elektromos tér alkalmazásakor. Ezt inverz piezoelektromos hatásnak nevezik, és ultrahanghullámok előállítására használják.
Az óragenerátorok ezt az inverz piezoelektromos effektust használják az elektromos jelek pontos időzítésű generálására. A piezoelektromos anyagot elektromos tér deformálja, ami meghatározott frekvencián rezeg. Ezt a rezgést ezután elektromos jellé alakítják, amelyet a pontos időzítési jel generálására használnak.
Az óragenerátorokat számos alkalmazásban használják, az orvosi eszközöktől az ipari automatizálásig. Megbízhatóak, pontosak és könnyen használhatók, így számos alkalmazás számára népszerű választás. A piezoelektromosság a modern technológia fontos része, és az óragenerátorok csak egy a jelenség számos alkalmazási köréből.
Elektronikus eszközök
A piezoelektromosság bizonyos szilárd anyagok azon képessége, hogy elektromos töltést halmoznak fel az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására. Ezt a piezoelektromos effektusként ismert jelenséget számos elektronikus eszközben alkalmazzák, az elektronikusan erősített gitárok hangszedőitől a modern elektronikus dobok triggereiig.
A piezoelektromosság a görög πιέζειν (piezein) szavakból származik, jelentése „nyomni” vagy „prés”, és a ἤλεκτρον (ēlektron), jelentése „borostyán”, az elektromos töltés ősi forrása. A piezoelektromos anyagok kristályok, kerámiák és biológiai anyagok, például csont- és DNS-fehérjék, amelyek piezoelektromos hatást mutatnak.
A piezoelektromos hatás lineáris elektromechanikai kölcsönhatás a mechanikai és elektromos állapotok között inverziós szimmetriájú kristályos anyagokban. Ez egy reverzibilis folyamat, ami azt jelenti, hogy a piezoelektromos hatást mutató anyagok a fordított piezoelektromos effektust is mutatják, ami az alkalmazott elektromos térből adódó belső mechanikai feszültség keletkezése. Például az ólom-cirkonát-titanát kristályok mérhető piezoelektromosságot hoznak létre, ha statikus szerkezetük deformálódik eredeti méretéhez képest. Ezzel szemben a kristályok megváltoztathatják statikus méretüket, ha külső elektromos mezőt alkalmaznak, ezt a jelenséget inverz piezoelektromos effektusnak nevezik, amelyet ultrahanghullámok előállításához használnak.
A piezoelektromosság felfedezése Pierre és Jacques Curie francia fizikusok nevéhez fűződik, akik 1880-ban demonstrálták a közvetlen piezoelektromos hatást. A piroelektromossággal kapcsolatos ismereteik és a mögöttes kristályszerkezetek megértése együttesen lehetővé tette a piroelektromos hatás előrejelzését és az előrejelzési képességet. A kristály viselkedését olyan kristályok hatására mutatták ki, mint a turmalin, kvarc, topáz, nádcukor és Rochelle só.
A piezoelektromos energiát számos mindennapi alkalmazásban használták, például szikrát generálnak gáz meggyújtására főző- és fűtőberendezésekben, fáklyákban, szivargyújtókban és piroelektromos hatású anyagokban, amelyek a hőmérséklet-változás hatására elektromos potenciált generálnak. Ezt Carl Linnaeus és Franz Aepinus tanulmányozta a 18. század közepén René Haüy és Antoine César Becquerel tudására támaszkodva, akik összefüggést állítottak fel a mechanikai igénybevétel és az elektromos töltés között. A kísérletek azonban nem bizonyultak meggyőzőnek, egészen addig, amíg a skóciai Curie-kompenzátor múzeumban egy piezokristály képe nem mutatta be a Curie-testvérek közvetlen piezoelektromos hatását.
A piezoelektromosságot számos elektronikus eszközben használják, az elektronikusan erősített gitárok hangszedőitől a modern elektronikus dobok triggereiig. Hangok előállítására és észlelésére, piezoelektromos tintasugaras nyomtatásra, nagyfeszültségű villamos energia előállítására, óragenerátorokra, mikromérlegekre, meghajtó ultrahangos fúvókákra és ultrafinom fókuszáló optikai egységekre is használják. A piezoelektromosság a pásztázó szonda mikroszkópok alapja is, amelyek az atomok méretarányú képfelbontására szolgálnak.
Mikromérlegek
A piezoelektromosság bizonyos szilárd anyagok azon képessége, hogy elektromos töltést halmoznak fel az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására. A piezoelektromosság a görög πιέζειν (piezein) szavakból származik, jelentése „préselés” vagy „prés”, és a ἤλεκτρον (ēlektron), jelentése „borostyán”, az elektromos töltés ősi forrása.
A piezoelektromos energiát számos mindennapi alkalmazásban használják, például szikrákat generálnak a gáz meggyújtására főző- és fűtőberendezésekben, fáklyákban, szivargyújtókban stb. Hanggyártásban és hangérzékelésben, valamint piezoelektromos tintasugaras nyomtatásban is használják.
A piezoelektromos áramot nagyfeszültségű villamos energia előállítására is használják, és ez az óragenerátorok és az elektronikus eszközök, például a mikromérlegek alapja. A piezoelektromosságot ultrahangos fúvókák és ultrafinom fókuszáló optikai egységek meghajtására is használják.
A piezoelektromosság felfedezése Jacques és Pierre Curie francia fizikusok nevéhez fűződik 1880-ban. A Curie fivérek piroelektromos ismereteiket és a mögöttes kristályszerkezetek megértését egyesítették, hogy megszülethessen a piezoelektromosság fogalma. Meg tudták jósolni a kristály viselkedését, és kimutatták a hatást olyan kristályokban, mint a turmalin, kvarc, topáz, nádcukor és Rochelle só.
A piezoelektromos hatást hasznos alkalmazásokhoz használták ki, beleértve a hangok előállítását és detektálását. A szonár kifejlesztése az I. világháború során jelentős áttörést jelentett a piezoelektromosság használatában. A második világháborút követően az Egyesült Államokban, Oroszországban és Japánban független kutatócsoportok felfedezték a szintetikus anyagok új osztályát, az úgynevezett ferroelektromos anyagokat, amelyek piezoelektromos állandója akár tízszer nagyobb, mint a természetes anyagoké.
Ez a bárium-titanát, majd később az ólom-cirkonát-titanát anyagok intenzív kutatásához és fejlesztéséhez vezetett, amelyek speciális tulajdonságokkal rendelkeztek bizonyos alkalmazásokhoz. A piezoelektromos kristályok alkalmazásának jelentős példáját a Bell Telephone Laboratories fejlesztette ki a második világháború után.
Frederick R. Lack, a rádiótelefon-mérnöki osztályon dolgozó kifejlesztett egy vágott kristályt, amely széles hőmérséklet-tartományban működött. A Lack kristályának nem volt szüksége a korábbi kristályok nehéz tartozékaira, ami megkönnyítette a repülőgépekben való használatát. Ez a fejlemény lehetővé tette a szövetséges légierők számára, hogy összehangolt tömeges támadásokat hajtsanak végre a légi rádió segítségével.
A piezoelektromos eszközök és anyagok kifejlesztése az Egyesült Államokban több céget is életben tartott, és a kvarckristályok fejlesztését kereskedelmileg is hasznosították. A piezoelektromos anyagokat azóta számos alkalmazásban használják, beleértve az orvosi képalkotást, az ultrahangos tisztítást és még sok mást.
Hajtás ultrahangos fúvóka
A piezoelektromosság az az elektromos töltés, amely bizonyos szilárd anyagokban, például kristályokban, kerámiákban és biológiai anyagokban, például csontokban és DNS-ben halmozódik fel. Ez az alkalmazott mechanikai igénybevételre adott válasz, és a görög „piezein” szóból származik, amely „nyomni” vagy „nyomni”, és az „elektron”, azaz „borostyán”, az elektromos töltés ősi forrása.
A piezoelektromos hatás egy lineáris elektromechanikai kölcsönhatás a kristályos anyagok mechanikai és elektromos állapota között inverziós szimmetriával. Ez egy reverzibilis folyamat, vagyis a piezoelektromos hatást mutató anyagok egyúttal fordított piezoelektromos hatást is mutatnak, ami az alkalmazott elektromos térből adódó belső mechanikai feszültség keletkezése. Példa erre az ólom-cirkonát-titanát kristályok, amelyek mérhető piezoelektromosságot generálnak, ha statikus szerkezetük az eredeti méretéhez képest deformálódik. Ezzel szemben, amikor külső elektromos mezőt alkalmaznak, a kristályok megváltoztatják statikus méretüket, ami inverz piezoelektromos hatást eredményez, ami ultrahanghullámok létrehozása.
Jacques és Pierre Curie francia fizikusok 1880-ban fedezték fel a piezoelektromosságot, és azóta számos hasznos alkalmazásra használják, beleértve a hangok előállítását és észlelését. A piezoelektromosság mindennapi felhasználásra is alkalmas, például szikrákat generál a gáz meggyújtására főző- és fűtőberendezésekben, zseblámpákban, szivargyújtókban és egyebekben.
A piroelektromos hatást, amely a hőmérsékletváltozás hatására elektromos potenciált generáló anyag, Carl Linnaeus, Franz Aepinus tanulmányozta, és a 18. század közepén René Haüy és Antoine César Becquerel tudását támasztotta alá, akik a mechanikai igénybevétel és a mechanikai igénybevétel közötti kapcsolatot feltételezték. elektromos töltés. Az ezt bizonyító kísérletek nem voltak meggyőzőek.
A skóciai Hunterian Múzeum Curie-kompenzátorában látható piezokristály a Pierre és Jacques Curie testvérek közvetlen piezoelektromos hatásának demonstrációja. A piroelektromossággal kapcsolatos ismereteik és a mögöttes kristályszerkezetek megértése ötvözte a piroelektromosság előrejelzését, és lehetővé tette számukra a kristály viselkedésének előrejelzését. Ezt a kristályok, például a turmalin, a kvarc, a topáz, a nádcukor és a Rochelle-só hatásával igazolták. A nátrium- és kálium-tartarát-tetrahidrát és a kvarc szintén piezoelektromosságot mutatott, és deformáció esetén piezoelektromos korongot használtak a feszültség létrehozására. Ezt Curie-k nagymértékben eltúlozták, hogy megjósolják a fordított piezoelektromos hatást, amelyet Gabriel Lippmann 1881-ben matematikailag levezetett az alapvető termodinamikai elvekből.
Curie-k azonnal megerősítették a fordított hatás létezését, majd kvantitatív bizonyítékot szereztek a piezoelektromos kristályok elektro-elaszto-mechanikai deformációinak teljes visszafordíthatóságára. Évtizedekig a piezoelektromosság laboratóriumi érdekesség maradt, de létfontosságú eszköz volt Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésében a piezoelektromosságot mutató kristályszerkezetek feltárására és meghatározására irányuló munkájuk során. Ez Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizika Tankönyve) kiadásában csúcsosodott ki, amely leírja a piezoelektromosságra képes természetes kristályosztályokat, és tenzoranalízissel szigorúan meghatározta a piezoelektromos állandókat.
A piezoelektromos eszközök gyakorlati alkalmazása a szonárral kezdődött, amelyet az első világháború alatt fejlesztettek ki. Franciaországban Paul Langevin és munkatársai ultrahangos tengeralattjáró-detektort fejlesztettek ki. A detektor egy acéllemezekre gondosan ragasztott vékony kvarckristályokból készült jelátalakítóból, úgynevezett hidrofonból állt, hogy érzékelje a nagyfrekvenciás impulzus kibocsátása után visszatérő visszhangot. A tárgyról visszaverődő hanghullámok visszhangjának hallásához szükséges idő mérésével kiszámíthatják a tárgy távolságát. A piezoelektromosságnak ez a szonárban való felhasználása sikeres volt, és a projekt évtizedeken át intenzív fejlesztést és érdeklődést váltott ki a piezoelektromos eszközök iránt.
Új piezoelektromos anyagokat és új alkalmazásokat fedeztek fel és fejlesztettek ki ezekre az anyagokra, és a piezoelektromos eszközök otthonra találtak olyan területeken, mint például a kerámia fonográf kazetták, amelyek leegyszerűsítették a lejátszó kialakítását, és olcsóbb, pontosabb lemezlejátszókat tettek lehetővé, amelyek karbantartása olcsóbb és könnyebben megépíthető. . Az ultrahangos jelátalakítók fejlesztése lehetővé tette a folyadékok és szilárd anyagok viszkozitásának és rugalmasságának könnyű mérését, ami hatalmas előrelépést eredményezett az anyagkutatásban. Az ultrahangos időtartományú reflektométerek ultrahang impulzust küldenek át egy anyagon, és mérik a visszaverődéseket és a folytonossági hiányosságokat, hogy hibákat találjanak az öntött fém- és kőtárgyak belsejében
Ultrafinom fókuszáló optikai egységek
A piezoelektromosság bizonyos anyagok azon képessége, hogy elektromos töltést halmoznak fel, amikor mechanikai igénybevételnek vannak kitéve. Ez egy lineáris elektromechanikus kölcsönhatás a kristályos anyagok elektromos és mechanikai állapotai között inverziós szimmetriával. A piezoelektromosság reverzibilis folyamat, vagyis a piezoelektromosságot mutató anyagok fordított piezoelektromos hatást is mutatnak, ami az alkalmazott elektromos térből származó mechanikai feszültség belső generálása.
A piezoelektromosságot számos alkalmazásban használták, beleértve a hangok előállítását és érzékelését, valamint a nagyfeszültségű villamos energia előállítását. A piezoelektromosságot tintasugaras nyomtatásban, óragenerátorokban, elektronikus eszközökben, mikromérlegekben, meghajtó ultrahangos fúvókákban és ultrafinom fókuszáló optikai egységekben is használják.
A piezoelektromosságot Jacques és Pierre Curie francia fizikusok fedezték fel 1880-ban. A piezoelektromos hatást hasznos alkalmazásokban használják ki, mint például a hang előállítása és érzékelése, valamint a nagyfeszültségű elektromosság előállítása. Használnak piezoelektromos tintasugaras nyomtatást is, valamint óragenerátorokat, elektronikus eszközöket, mikromérlegeket, meghajtó ultrahangos fúvókákat és ultrafinom fókuszáló optikai egységeket.
A piezoelektromosság megtalálta az utat a mindennapi használatba, például szikrákat generál, amelyek meggyújtják a főző- és fűtőberendezések gázait, zseblámpákat, szivargyújtókat és piroelektromos hatású anyagokat, amelyek a hőmérséklet-változás hatására elektromos potenciált generálnak. Ezt a hatást Carl Linnaeus és Franz Aepinus tanulmányozta a 18. század közepén, René Haüy és Antoine César Becquerel tudására támaszkodva, akik összefüggést állítottak fel a mechanikai igénybevétel és az elektromos töltés között. A kísérletek nem bizonyultak meggyőzőnek.
A skóciai Hunterian Múzeum Curie-kompenzátorában látható piezokristály a Pierre és Jacques Curie testvérek közvetlen piezoelektromos hatásának demonstrációja. A piroelektromossággal kapcsolatos ismereteikkel és a mögöttes kristályszerkezetek megértésével kombinálva a piroelektromosság előrejelzését és a kristály viselkedésének előrejelzésének képességét eredményezték. Ezt a kristályok, például a turmalin, a kvarc, a topáz, a nádcukor és a Rochelle-só hatásában igazolták.
A nátrium- és kálium-tartarát-tetrahidrát, valamint a kvarc és a Rochelle-só piezoelektromosságot mutatott, és piezoelektromos korongot használtak feszültség létrehozására deformáció esetén, bár az alakváltozást erősen eltúlozták. Curie-k megjósolták a fordított piezoelektromos hatást, a fordított hatást pedig matematikailag levezette az alapvető termodinamikai elvekből Gabriel Lippmann 1881-ben. A Curie-k azonnal megerősítették a fordított hatás létezését, majd kvantitatív bizonyítékot szereztek az elektro- elaszto-mechanikai deformációk piezoelektromos kristályokban.
Évtizedekig a piezoelektromosság laboratóriumi érdekesség maradt, mígnem Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésének létfontosságú eszközévé vált. A piezoelektromosságot mutató kristályszerkezetek feltárására és meghatározására irányuló munkájuk Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizika Tankönyve) kiadásában tetőzött. Ez leírta a piezoelektromosságra képes természetes kristályosztályokat, és szigorúan meghatározta a piezoelektromos állandókat tenzoranalízis segítségével a piezoelektromos eszközök gyakorlati alkalmazásához.
A szonár fejlesztése sikeres projekt volt, amely intenzív fejlesztést és érdeklődést váltott ki a piezoelektromos eszközök iránt. Évtizedekkel később új piezoelektromos anyagokat és ezeknek az anyagoknak új alkalmazásait fedezték fel és fejlesztették ki. A piezoelektromos eszközök számos területen találtak otthonra, például a kerámia fonográf kazettákban, amelyek leegyszerűsítették a lejátszók tervezését, és olcsóbbá, könnyebben karbantarthatóvá és összerakhatóvá tették a lemezjátszókat. Az ultrahangos jelátalakítók fejlesztése lehetővé tette a folyadékok és szilárd anyagok viszkozitásának és rugalmasságának egyszerű mérését, ami hatalmas előrelépést eredményezett az anyagkutatásban. Az ultrahangos időtartományú reflektométerek ultrahang impulzust küldenek egy anyagba, és mérik a visszaverődéseket és a folytonossági hiányokat, hogy hibákat találjanak az öntött fém- és kőtárgyak belsejében, javítva a szerkezeti biztonságot.
A piezoelektromos érdeklődési kör kezdetét a kvarckristályokból kifejlesztett új anyagok jövedelmező szabadalmai biztosították, amelyeket piezoelektromos anyagként használtak kereskedelmi forgalomba. A tudósok nagyobb teljesítményű anyagok után kutattak, és az anyagok fejlődése és a gyártási folyamatok fejlettsége ellenére az Egyesült Államok piaca nem nőtt gyorsan. Ezzel szemben a japán gyártók gyorsan megosztották az információkat, és az Egyesült Államok piezoelektromos iparának új növekedési alkalmazásai szenvedtek, ellentétben a japán gyártókkal.
Piezoelektromos motorok
Ebben a részben arról fogok beszélni, hogyan használják a piezoelektromosságot a modern technológiában. A pásztázó szonda mikroszkópoktól, amelyek az atomok léptékében képesek feloldani a képeket, az elektronikusan erősített gitárok hangszedőiig és a modern elektronikus dobok triggereiig, a piezoelektromosság számos eszköz szerves részévé vált. Feltárom a piezoelektromosság történetét és azt, hogy hogyan használták fel különféle alkalmazásokban.
Formák A pásztázó szonda mikroszkópok alapjai
A piezoelektromosság az az elektromos töltés, amely bizonyos szilárd anyagokban, például kristályokban, kerámiákban és biológiai anyagokban, például csontokban és DNS-ben halmozódik fel. Ez az alkalmazott mechanikai igénybevételre adott válasz, és a piezoelektromosság szó a görög πιέζειν (piezein) szóból ered, jelentése „prés” vagy „prés”, és a ἤλεκτρον (ēlektron), jelentése „borostyán”, az elektromos töltés ősi forrása.
A piezoelektromos motorok olyan eszközök, amelyek a piezoelektromos hatást használják mozgás létrehozására. Ez a hatás lineáris elektromechanikai kölcsönhatás a mechanikai és elektromos állapotok között inverziós szimmetriájú kristályos anyagokban. Ez egy reverzibilis folyamat, ami azt jelenti, hogy a piezoelektromos hatást mutató anyagok a fordított piezoelektromos effektust is mutatják, ami az alkalmazott elektromos térből adódó belső mechanikai feszültség keletkezése. A mérhető piezoelektromosságot generáló anyagok példái az ólom-cirkonát-titanát kristályok.
A piezoelektromos effektust hasznos alkalmazásokban használják ki, mint például a hang előállítása és érzékelése, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatás, a nagyfeszültségű elektromosság előállítása, az óragenerátorok és az olyan elektronikai eszközök, mint a mikromérlegek és a meghajtó ultrahangos fúvókák ultrafinom optikai egységekhez. Ez képezi a pásztázó szonda mikroszkópok alapját is, amelyek az atomok léptékű képfelbontására szolgálnak.
A piezoelektromosságot Jacques és Pierre Curie francia fizikusok fedezték fel 1880-ban. A piezokristály és a Curie-kompenzátor képe látható a skóciai Hunterian Múzeumban, amely Pierre és Jacques Curie testvérek közvetlen piezoelektromos hatását mutatja be.
A piroelektromossággal kapcsolatos ismereteik és a mögöttes kristályszerkezetek megértése révén a piroelektromosság előrejelzése született, ami lehetővé tette számukra a kristály viselkedésének előrejelzését. Ezt a kristályok, például a turmalin, a kvarc, a topáz, a nádcukor és a Rochelle-só hatása bizonyította. A nátrium- és kálium-tartarát-tetrahidrát, valamint a kvarc és a Rochelle-só piezoelektromosságot mutatott, és deformáció esetén piezoelektromos korongot használtak feszültség generálására, bár ezt Curieék erősen eltúlozták.
Megjósolták a fordított piezoelektromos hatást is, amit Gabriel Lippmann 1881-ben matematikailag levezetett a termodinamikai alapelvekből. Curie-k azonnal megerősítették a fordított hatás létezését, majd kvantitatív bizonyítékot szereztek az elektro-elasztoelektromos folyamatok teljes visszafordíthatóságára. mechanikai deformációk piezoelektromos kristályokban.
Évtizedekig a piezoelektromosság laboratóriumi érdekesség maradt, mígnem Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésének létfontosságú eszközévé vált. A piezoelektromos kristályszerkezetek feltárására és meghatározására irányuló munkájuk Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizika Tankönyve) publikálásával tetőzött, amely leírta a piezoelektromosságra képes természetes kristályosztályokat, és szigorúan meghatározta a piezoelektromos állandókat és a tenzoranalízist.
Ez a piezoelektromos eszközök gyakorlati alkalmazásához vezetett, mint például a szonár, amelyet az első világháború alatt fejlesztettek ki. Franciaországban Paul Langevin és munkatársai ultrahangos tengeralattjáró-detektort fejlesztettek ki. Ez a detektor egy vékony kvarckristályokból készült jelátalakítóból állt, amelyet gondosan acéllemezekre ragasztottak, és egy hidrofonból, amely érzékeli a visszatérő visszhangot, miután a jelátalakítóból nagyfrekvenciás impulzust bocsátott ki. A tárgyról visszaverődő hanghullámok visszhangjának hallásához szükséges idő mérésével ki tudták számítani a tárgy távolságát. Piezoelektromosságot használtak a szonár sikeréhez, és a projekt évtizedeken át intenzív fejlesztést és érdeklődést váltott ki a piezoelektromos eszközök iránt.
Új piezoelektromos anyagokat és új alkalmazásokat fedeztek fel és fejlesztettek ki ezekre az anyagokra, és a piezoelektromos eszközök számos területen otthonra találtak, például a kerámia fonográf kazetták, amelyek leegyszerűsítették a lejátszó kialakítását, és olcsóbb és pontosabb lemezjátszókat tettek lehetővé, amelyek karbantartása olcsóbb és könnyebb volt. építeni. Az ultrahangos jelátalakítók fejlesztése lehetővé tette a folyadékok és szilárd anyagok viszkozitásának és rugalmasságának könnyű mérését, ami hatalmas előrelépést eredményezett az anyagkutatásban. Az ultrahangos időtartományú reflektométerek ultrahang impulzust küldenek egy anyagba, és mérik a visszaverődéseket és a folytonossági hiányokat, hogy hibákat találjanak az öntött fém- és kőtárgyak belsejében, javítva a szerkezeti biztonságot.
A második világháború alatt független kutatócsoportok az Egyesült Államokban
Képek feloldása atomok léptékében
A piezoelektromosság az az elektromos töltés, amely bizonyos szilárd anyagokban, például kristályokban, kerámiákban és biológiai anyagokban, például csontokban és DNS-ben halmozódik fel. Ez az alkalmazott mechanikai igénybevételre adott válasz, és a görög „piezein” szóból származik, ami azt jelenti, hogy összenyomni vagy megnyomni. A piezoelektromos hatás az inverziós szimmetriájú kristályos anyagok mechanikai és elektromos állapota közötti lineáris elektromechanikai kölcsönhatás eredménye.
A piezoelektromosság reverzibilis folyamat, és a piezoelektromos hatást mutató anyagok is mutatják a fordított piezoelektromos hatást, amely az alkalmazott elektromos térből származó mechanikai feszültség belső generálása. Példák erre az ólom-cirkonát-titanát kristályok, amelyek mérhető piezoelektromosságot generálnak, ha statikus szerkezetük deformálódik az eredeti méretéhez képest. Ezzel szemben a kristályok megváltoztatják statikus méretüket, amikor külső elektromos mezőt alkalmaznak, amelyet inverz piezoelektromos hatásnak neveznek, és ultrahanghullámok előállítására használják.
Jacques és Pierre Curie francia fizikusok 1880-ban fedezték fel a piezoelektromosságot. A piezoelektromos hatást számos hasznos alkalmazásra használták ki, beleértve a hangok előállítását és észlelését, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatást, a nagyfeszültségű elektromosság előállítását, az óragenerátorokat és az olyan elektronikus eszközöket, mint pl. mikromérlegek és meghajtó ultrahangos fúvókák. Ez képezi a pásztázó szonda mikroszkópok alapját is, amelyek az atomok léptékű képfelbontására szolgálnak.
A piezoelektromos energiát mindennapi alkalmazásokban is használják, például szikrákat generálnak a gáz meggyújtásához főző- és fűtőberendezésekben, zseblámpákban, szivargyújtókban stb. A piroelektromos hatást, amely egy olyan anyag, amely a hőmérséklet változására elektromos potenciált generál, Carl Linnaeus és Franz Aepinus tanulmányozta a 18. század közepén. René Haüy és Antoine César Becquerel tudására támaszkodva összefüggést állítottak fel a mechanikai igénybevétel és az elektromos töltés között, de kísérleteik eredménytelennek bizonyultak.
A glasgow-i Hunterian Múzeum látogatói megtekinthetnek egy piezokristály Curie kompenzátort, amely a Pierre és Jacques Curie testvérek közvetlen piezoelektromos hatását mutatja be. A piroelektromossággal kapcsolatos ismereteikkel és a mögöttes kristályszerkezetek megértésével kombinálva a piroelektromosság előrejelzését és a kristály viselkedésének előrejelzésének képességét eredményezték. Ezt a kristályok, például a turmalin, a kvarc, a topáz, a nádcukor és a Rochelle-só hatása bizonyította. A nátrium- és kálium-tartarát-tetrahidrát, valamint a kvarc és a Rochelle-só piezoelektromosságot mutatott, a piezoelektromos korong pedig deformálódáskor feszültséget generál, bár az alakváltozás erősen eltúlzott. A Curie-k meg tudták jósolni a fordított piezoelektromos hatást, és a fordított hatást Gabriel Lippmann 1881-ben matematikailag levezette az alapvető termodinamikai elvekből.
Curie-k azonnal megerősítették a fordított hatás létezését, majd kvantitatív bizonyítékot szereztek a piezoelektromos kristályok elektro-elaszto-mechanikai deformációinak teljes visszafordíthatóságára. Évtizedekig a piezoelektromosság laboratóriumi érdekesség maradt, de létfontosságú eszköz volt Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésében. A piezoelektromosságot mutató kristályszerkezetek feltárására és meghatározására irányuló munkájuk Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizika Tankönyve) kiadásában tetőzött.
Hangszedők elektronikusan erősített gitárok
A piezoelektromos motorok olyan villanymotorok, amelyek piezoelektromos hatást használnak az elektromos energia mechanikai energiává alakítására. A piezoelektromos hatás bizonyos anyagok azon képessége, hogy mechanikai igénybevételnek kitéve elektromos töltést generálnak. A piezoelektromos motorokat különféle alkalmazásokban használják, a kisméretű eszközök, például órák és a nagyobb gépek, például robotok és orvosi berendezések táplálásáig.
A piezoelektromos motorokat elektronikusan erősített gitárok hangszedőiben használják. Ezek a hangszedők piezoelektromos effektust használnak a gitárhúrok rezgésének elektromos jellé alakítására. Ezt a jelet ezután felerősítik, és egy erősítőhöz küldik, amely a gitár hangját állítja elő. A piezoelektromos hangszedőket a modern elektronikus dobokban is használják, ahol a dobfejek rezgésének érzékelésére és elektromos jellé alakítására szolgálnak.
A piezoelektromos motorokat pásztázó szonda mikroszkópokban is használják, amelyek piezoelektromos effektust használnak egy apró szonda mozgatására a felületen. Ez lehetővé teszi, hogy a mikroszkóp az atomok léptékében feloldja a képeket. A piezoelektromos motorokat a tintasugaras nyomtatókban is használják, ahol a nyomtatófejet előre-hátra mozgatják az oldalon.
A piezoelektromos motorokat számos más alkalmazásban használják, beleértve az orvosi eszközöket, az autóipari alkatrészeket és a fogyasztói elektronikát. Ipari alkalmazásokban is használatosak, például precíziós alkatrészek gyártásánál és összetett alkatrészek összeszerelésénél. A piezoelektromos hatást ultrahanghullámok előállítására is használják, amelyeket az orvosi képalkotásban és az anyagok hibáinak észlelésében használnak.
Összességében a piezoelektromos motorokat az alkalmazások széles skálájában használják, a kis eszközök táplálásától a nagyobb gépek táplálásáig. Használják hangszedőkben, elektronikusan erősített gitárokban, modern elektronikus dobokban, pásztázó szonda mikroszkópokban, tintasugaras nyomtatókban, orvosi eszközökben, autóalkatrészekben és fogyasztói elektronikai cikkekben. A piezoelektromos hatást az ultrahanghullámok előállítására és az anyagok hibáinak kimutatására is használják.
Kiváltja a modern elektronikus dobokat
A piezoelektromosság az az elektromos töltés, amely bizonyos szilárd anyagokban, például kristályokban, kerámiákban és biológiai anyagokban, például csontokban és DNS-ben halmozódik fel. Ezeknek az anyagoknak a reakciója az alkalmazott mechanikai igénybevételre. A piezoelektromosság szó a görög „piezein” szóból származik, ami „szorítani vagy megnyomni”, és az „elektron” szóból, ami „borostyánt” jelent, az elektromos töltés ősi forrását.
A piezoelektromos motorok olyan eszközök, amelyek a piezoelektromos hatást használják mozgás létrehozására. Ez a hatás a kristályos anyagok mechanikai és elektromos állapota közötti lineáris elektromechanikai kölcsönhatásból ered, inverziós szimmetriával. Ez egy reverzibilis folyamat, vagyis a piezoelektromos hatást mutató anyagok egyúttal fordított piezoelektromos hatást is mutatnak, ami az alkalmazott elektromos térből adódó belső mechanikai feszültség keletkezése. Példa erre az ólom-cirkonát-titanát kristályok, amelyek mérhető piezoelektromosságot generálnak, ha statikus szerkezetük az eredeti méretéhez képest deformálódik. Ezzel szemben, amikor külső elektromos mezőt alkalmaznak, a kristályok megváltoztatják statikus méretüket, ultrahanghullámokat termelve.
A piezoelektromos motorokat számos mindennapi alkalmazásban használják, mint például:
• Szikra generálása gáz meggyújtásához a főző- és fűtőberendezésekben
• Fáklyák, szivargyújtók és piroelektromos hatású anyagok
• Elektromos potenciál generálása a hőmérsékletváltozás hatására
• Hang előállítása és érzékelése
• Piezoelektromos tintasugaras nyomtatás
• Nagyfeszültségű villamos energia előállítása
• Óragenerátor és elektronikus eszközök
• Mikromérlegek
• Hajtsa meg az ultrahangos fúvókákat és az ultrafinom fókuszáló optikai egységeket
• A pásztázó szonda mikroszkópok alapját képezi
• Képek felbontása az atomok léptékében
• Elektronikusan erősített gitárok hangszedői
• Kioldja a modern elektronikus dobokat.
Piezoelektromos átalakítók elektromechanikai modellezése
Ebben a részben a piezoelektromos átalakítók elektromechanikus modellezését vizsgálom. Megnézem a piezoelektromosság felfedezésének történetét, a létezését bizonyító kísérleteket, valamint a piezoelektromos eszközök és anyagok fejlődését. Szó lesz még Pierre és Jacques Curie francia fizikusok, Carl Linnaeus és Franz Aepinus, Rene Hauy és Antoine Cesar Becquerel, Gabriel Lippmann és Woldemar Voigt hozzászólásairól.
Pierre és Jacques Curie francia fizikusok
A piezoelektromosság egy elektromechanikai jelenség, amelyben az elektromos töltés felhalmozódik bizonyos szilárd anyagokban, például kristályokban, kerámiákban és biológiai anyagokban, például csontokban és DNS-ben. Ez a töltés az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására jön létre. A „piezoelektromosság” szó a görög „piezein” szóból származik, amely „nyomni vagy megnyomni”, és az „elektron”, azaz „borostyán”, az elektromos töltés ősi forrása.
A piezoelektromos hatás az inverziós szimmetriájú anyagok mechanikai és elektromos állapotai közötti lineáris elektromechanikai kölcsönhatás eredménye. Ez a hatás reverzibilis, ami azt jelenti, hogy a piezoelektromos hatást mutató anyagok fordított piezoelektromos hatást is mutatnak, ahol az alkalmazott elektromos tér hatására belső mechanikai feszültség keletkezik. Például az ólom-cirkonát-titanát kristályok mérhető piezoelektromosságot hoznak létre, ha statikus szerkezetük deformálódik eredeti méretéhez képest. Ezzel szemben, amikor külső elektromos mezőt alkalmaznak, a kristályok megváltoztatják statikus méretüket, ultrahanghullámokat hozva létre az inverz piezoelektromos hatásként ismert folyamat során.
1880-ban Pierre és Jacques Curie francia fizikusok felfedezték a piezoelektromos effektust, és azóta számos hasznos alkalmazásra használják, beleértve a hangok előállítását és érzékelését, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatást, a nagyfeszültségű elektromosság előállítását, az óragenerátorokat és az elektronikát. eszközök, például mikromérlegek és meghajtó ultrahangos fúvókák ultrafinom fókuszáló optikai egységekhez. Ez képezi a pásztázó szonda mikroszkópok alapját is, amelyek az atomok léptékében képesek feloldani a képeket. A piezoelektromosságot elektronikusan erősített gitárok hangszedőiben és modern elektronikus dobok triggereiben is használják.
A piezoelektromosság mindennapi felhasználásra is alkalmas, például szikrákat generál a gáz meggyújtására főző- és fűtőberendezésekben, zseblámpákban, szivargyújtókban és egyebekben. Carl Linnaeus és Franz Aepinus tanulmányozta a piroelektromos hatást a 18. század közepén, René Hauy és Antoine César Becquerel tudására támaszkodva, akik a hőmérséklet változására reagálva elektromos potenciált generálnak. mechanikai igénybevétel és elektromos töltés, bár kísérleteik nem bizonyultak meggyőzőnek.
A piroelektromossággal kapcsolatos ismereteiket a mögöttes kristályszerkezetek megértésével kombinálva a Curie-k képesek voltak a piroelektromosság előrejelzésére és a kristályok viselkedésének előrejelzésére. Ezt a kristályok, például a turmalin, a kvarc, a topáz, a nádcukor és a Rochelle-só hatásában igazolták. A nátrium-kálium-tartarát-tetrahidrát és a kvarc szintén piezoelektromosságot mutatott. A piezoelektromos lemez deformálásakor feszültséget generál, bár ez Curie-k demonstrációjában erősen eltúlzott. Meg tudták jósolni a fordított piezoelektromos hatást is, és matematikailag le is vezették azt Gabriel Lippmann 1881-es termodinamikai alapelveiből.
Curie-k azonnal megerősítették a fordított hatás létezését, majd kvantitatív bizonyítékot szereztek a piezoelektromos kristályok elektro-elaszto-mechanikai deformációinak teljes visszafordíthatóságára. A következő évtizedekben a piezoelektromosság továbbra is laboratóriumi érdekesség maradt, mígnem létfontosságú eszközzé vált Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésében. A piezoelektromosságot mutató kristályszerkezetek feltárására és meghatározására irányuló munkájuk Woldemar Voigt „Lehrbuch der Kristallphysik” (Kristályfizika Tankönyve) kiadásában tetőzött.
A kísérletek nem bizonyultak meggyőzőnek
A piezoelektromosság egy elektromechanikai jelenség, amelyben az elektromos töltés felhalmozódik bizonyos szilárd anyagokban, például kristályokban, kerámiákban és biológiai anyagokban, például csontokban és DNS-ben. Ez az alkalmazott mechanikai igénybevételre adott válasz, és a „piezoelektromosság” szó a görög „piezein” szavakból származik, amelyek jelentése „szorítani vagy megnyomni”, és az „ēlektron”, azaz „borostyán”, az elektromos töltés ősi forrása.
A piezoelektromos hatás a kristályos anyagok mechanikai és elektromos állapota közötti lineáris elektromechanikai kölcsönhatásból ered, inverziós szimmetriával. Ez egy visszafordítható folyamat; A piezoelektromos hatást mutató anyagok fordított piezoelektromos hatást is mutatnak, ami egy alkalmazott elektromos térből származó mechanikai feszültség belső generálása. Például az ólom-cirkonát-titanát kristályok mérhető piezoelektromosságot hoznak létre, ha statikus szerkezetük deformálódik eredeti méretéhez képest. Ezzel szemben a kristályok megváltoztathatják statikus méretüket, ha külső elektromos mezőt alkalmaznak, amelyet inverz piezoelektromos hatásnak neveznek, és amelyet ultrahanghullámok előállítására használnak.
Pierre és Jacques Curie francia fizikusok 1880-ban fedezték fel a piezoelektromosságot. Azóta számos hasznos alkalmazásra használják, beleértve a hangok előállítását és észlelését, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatást, a nagyfeszültségű elektromosság előállítását, az óragenerátorokat és az elektronikus eszközöket, például a mikromérlegeket. , meghajtó ultrahangos fúvókák és ultrafinom fókuszáló optikai szerelvények. Ez képezi a pásztázó szonda mikroszkópok alapját is, amelyek az atomok léptékében képesek feloldani a képeket. A piezoelektromosságot az elektronikusan erősített gitárok hangszedőiben és a modern elektronikus dobok triggereiben is használják.
A piezoelektromosság mindennapi felhasználási területe a főző- és fűtőberendezésekben, fáklyákban, szivargyújtókban és egyebekben gázok meggyújtásához szükséges szikra. Carl Linnaeus és Franz Aepinus tanulmányozta a 18. század közepén a piroelektromos hatást, amelyben egy anyag a hőmérséklet változására elektromos potenciált generál, René Hauy és Antoine César Becquerel tudására támaszkodva, akik egy kapcsolatot feltételeztek. mechanikai igénybevétel és elektromos töltés között. A kísérletek nem bizonyultak meggyőzőnek.
A piroelektromosság ismerete és a mögöttes kristályszerkezetek megértése együttesen adott okot a piroelektromosság előrejelzéséhez és a kristályok viselkedésének előrejelzéséhez. Ezt a kristályok, például a turmalin, a kvarc, a topáz, a nádcukor és a Rochelle-só hatásában igazolták. A nátrium-kálium-tartarát-tetrahidrát és a kvarc szintén piezoelektromosságot mutatott, és deformáció esetén piezoelektromos korongot használtak a feszültség előállítására. Ezt erősen eltúlozták a közvetlen piezoelektromos hatás Curies-féle demonstrációjában.
Pierre és Jacques Curie testvérek megjósolták a fordított piezoelektromos hatást, a fordított hatást pedig matematikailag levezette az alapvető termodinamikai elvekből Gabriel Lippmann 1881-ben. Curie-k azonnal megerősítették a fordított hatás létezését, majd kvantitatív bizonyítékot szereztek a teljességre. piezoelektromos kristályok elektro-elaszto-mechanikai deformációinak visszafordíthatósága.
Évtizedekig a piezoelektromosság laboratóriumi érdekesség maradt, de létfontosságú eszköz volt Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésében. A piezoelektromosságot mutató kristályszerkezetek feltárására és meghatározására irányuló munkájuk Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizika Tankönyve) kiadásában tetőzött. Ez leírta a piezoelektromosságra képes természetes kristályosztályokat, és szigorúan meghatározta a piezoelektromos állandókat tenzoranalízis segítségével. Ez volt a piezoelektromos jelátalakítók első gyakorlati alkalmazása, és a szonárt az első világháború alatt fejlesztették ki. Franciaországban Paul Langevin és munkatársai ultrahangos tengeralattjáró-detektort fejlesztettek ki.
Carl Linnaeus és Franz Aepinus
A piezoelektromosság egy elektromechanikai jelenség, amelyben az elektromos töltés felhalmozódik bizonyos szilárd anyagokban, például kristályokban, kerámiákban és biológiai anyagokban, például csontokban és DNS-ben. Ez a töltés az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására jön létre. A piezoelektromosság szó a görög πιέζειν (piezein) szavakból származik, jelentése „szorítani vagy megnyomni”, és a ἤλεκτρον (ēlektron), jelentése „borostyán”, az elektromos töltés ősi forrása.
A piezoelektromos hatás a kristályos anyagok mechanikai és elektromos állapota közötti lineáris elektromechanikai kölcsönhatás eredménye, inverziós szimmetriával. Ez a hatás reverzibilis, vagyis a piezoelektromosságot mutató anyagok fordított piezoelektromos effektust is mutatnak, ami az alkalmazott elektromos térből adódó belső mechanikai feszültség keletkezése. Például az ólom-cirkonát-titanát kristályok mérhető piezoelektromosságot hoznak létre, ha statikus szerkezetük deformálódik eredeti méretéhez képest. Ezzel szemben a kristályok megváltoztathatják statikus méretüket, ha külső elektromos mezőt alkalmaznak, amelyet inverz piezoelektromos hatásnak neveznek, és ultrahanghullámok előállítására használják.
1880-ban Jacques és Pierre Curie francia fizikusok felfedezték a piezoelektromos effektust, és azóta számos hasznos alkalmazásra használják, beleértve a hang előállítását és érzékelését, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatást, a nagyfeszültségű elektromosság előállítását, az óragenerátorokat, az elektronikai eszközöket, a mikromérlegeket. , meghajtó ultrahangos fúvókák és ultrafinom fókuszáló optikai szerelvények. Ez képezi a pásztázó szonda mikroszkópok alapját is, amelyek az atomok léptékű képfelbontására szolgálnak. A piezoelektromosságot elektronikusan erősített gitárok hangszedőiben és modern elektronikus dobok triggereiben is használják.
A piezoelektromosság a mindennapi felhasználásban is megtalálható, például szikrák generálásával, amelyek gázt gyújtanak meg a főző- és fűtőberendezésekben, zseblámpákban, szivargyújtókban, valamint a piroelektromos effektusban, amikor egy anyag a hőmérséklet változására reagálva elektromos potenciált generál. Ezt a hatást Carl Linnaeus és Franz Aepinus tanulmányozta a 18. század közepén René Hauy és Antoine César Becquerel tudására támaszkodva, akik összefüggést feltételeztek a mechanikai igénybevétel és az elektromos töltés között, bár kísérleteik nem bizonyultak meggyőzőnek.
A skóciai Hunterian Múzeum Curie-kompenzátorában lévő piezokristály látványa Pierre és Jacques Curie testvérek közvetlen piezoelektromos hatásának demonstrációja. A piroelektromossággal kapcsolatos ismereteiket a mögöttes kristályszerkezetek megértésével ötvözve a piroelektromosság előrejelzése és a kristály viselkedésének előrejelzése volt a lehetőség. Ezt a kristályok, például a turmalin, a kvarc, a topáz, a nádcukor és a Rochelle-só hatása bizonyította. A nátrium-kálium-tartarát-tetrahidrát és a Rochelle-sóból származó kvarc piezoelektromosságot mutatott, a piezoelektromos korong pedig deformálódáskor feszültséget generál, bár ez a Curie-féle demonstrációban erősen eltúlzott.
A fordított piezoelektromos hatás előrejelzését és annak matematikai levezetését az alapvető termodinamikai elvekből Gabriel Lippmann készítette 1881-ben. Curie-k azonnal megerősítették a fordított hatás létezését, majd kvantitatív bizonyítékot szereztek az elektro-elasztoelektromos effektusok teljes reverzibilitására. mechanikai deformációk piezoelektromos kristályokban. Évtizedekig a piezoelektromosság laboratóriumi érdekesség maradt, mígnem létfontosságú eszközzé vált Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésében, akik a piezoelektromosságot mutató kristályszerkezetek feltárására és meghatározására használták fel. Ez Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizika Tankönyve) publikációjában csúcsosodott ki, amely leírta a piezoelektromosságra képes természetes kristályosztályokat, és tenzoranalízis segítségével szigorúan meghatározta a piezoelektromos állandókat.
A piezoelektromos jelátalakítóknak ez a gyakorlati alkalmazása vezetett a szonár kifejlesztéséhez az első világháború alatt. Franciaországban Paul Langevin és munkatársai ultrahangos tengeralattjáró-detektort fejlesztettek ki. A detektor egy vékony, acéllemezekre gondosan ragasztott kvarckristályokból készült jelátalakítóból és egy hidrofonból állt, amely a jelátalakítóból nagyfrekvenciás impulzus kibocsátása után visszatérő visszhangot érzékelte. A tárgyról visszaverődő hanghullámok visszhangjának hallásához szükséges idő mérésével ki tudták számítani a tárgy távolságát. Piezoelektromosságot használtak a szonár sikeréhez, és a projekt intenzív fejlesztést és érdeklődést váltott ki a piezoelektromos eszközök iránt.
Rene Hauy és Antoine Cesar Becquerel
A piezoelektromosság egy elektromechanikai jelenség, amely akkor fordul elő, amikor bizonyos szilárd anyagok, például kristályok, kerámiák és biológiai anyagok, például csont és DNS, elektromos töltést halmoznak fel az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására. A piezoelektromosság a görög „piezein” szóból származik, amely „nyomni vagy megnyomni”, és az „elektron”, azaz „borostyán”, az elektromos töltés ősi forrása.
A piezoelektromos hatás az inverziós szimmetriájú kristályos anyagok mechanikai és elektromos állapotai közötti lineáris elektromechanikai kölcsönhatás eredménye. Ez a hatás reverzibilis, ami azt jelenti, hogy a piezoelektromos hatást mutató anyagok a fordított piezoelektromos hatást is mutatják, vagyis az alkalmazott elektromos tér hatására belső mechanikai feszültség keletkezik. Például az ólom-cirkonát-titanát kristályok mérhető piezoelektromosságot hoznak létre, ha statikus szerkezetük deformálódik eredeti méretéhez képest. Ezzel szemben a kristályok megváltoztathatják statikus méretüket, amikor külső elektromos mezőt alkalmaznak, ami inverz piezoelektromos hatást és ultrahanghullámokat eredményez.
Pierre és Jacques Curie francia fizikusok 1880-ban fedezték fel a piezoelektromos effektust. Ezt a hatást számos hasznos alkalmazásban használták ki, beleértve a hangok előállítását és érzékelését, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatást, a nagyfeszültségű villamos energia előállítását, az óragenerátorokat és az elektronikus eszközöket. például mikromérlegek, meghajtó ultrahangos fúvókák és ultrafinom fókuszáló optikai szerelvények. Ez képezi a pásztázó szonda mikroszkópok alapját is, amelyek atomskálán képesek feloldani a képeket. A piezoelektromosságot az elektronikusan erősített gitárok hangszedőiben és a modern elektronikus dobok triggereiben is használják.
A piezoelektromos hatást először Carl Linnaeus és Franz Aepinus tanulmányozta a 18. század közepén, Rene Hauy és Antoine Cesar Becquerel tudására támaszkodva, akik a mechanikai igénybevétel és az elektromos töltés közötti kapcsolatot feltételezték. A kísérletek azonban nem bizonyultak meggyőzőnek. A piroelektromosság ismeretével és a mögöttes kristályszerkezetek megértésével kombinálva ez a piroelektromosság előrejelzését és a kristály viselkedésének előrejelzésének képességét eredményezte. Ezt a kristályok, például a turmalin, a kvarc, a topáz, a nádcukor és a Rochelle-só hatásában igazolták. A nátrium-kálium-tartarát-tetrahidrát és a kvarc szintén piezoelektromosságot mutatott, és deformáció esetén piezoelektromos korongot használtak a feszültség generálására. Ezt a hatást erősen eltúlozták Curie-k demonstrációján a Museum of Scotlandban, amely a közvetlen piezoelektromos hatást mutatta be.
Pierre és Jacques Curie testvérek kvantitatív bizonyítékot szereztek a piezoelektromos kristályok elektro-elaszto-mechanikai deformációinak teljes visszafordíthatóságára. Évtizedekig a piezoelektromosság laboratóriumi érdekesség maradt, mígnem Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésének létfontosságú eszközévé vált. Ez a munka feltárta és meghatározta azokat a kristályszerkezeteket, amelyek piezoelektromosságot mutattak, és Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizika Tankönyve) kiadásában csúcsosodott ki.
Curie-k azonnal megerősítették a fordított hatás létezését, majd matematikailag levezették a fordított hatás termodinamikai alapelveit. Ezt Gabriel Lippmann tette meg 1881-ben. Az első világháború idején a piezoelektromos energiát szonár kifejlesztésére használták. Franciaországban Paul Langevin és munkatársai ultrahangos tengeralattjáró-detektort fejlesztettek ki. Ez a detektor egy vékony, acéllemezekre gondosan ragasztott kvarckristályokból készült jelátalakítóból és egy hidrofonból állt, amely érzékelte a visszatérő visszhangot. A jelátalakítóból nagyfrekvenciás impulzust bocsátanak ki, és megmérik, mennyi idő alatt hallják a tárgyról visszaverődő hanghullámok visszhangját, így kiszámíthatják a tárgy távolságát.
A piezoelektromos kristályok használatát a Bell Telephone Laboratories fejlesztette tovább a második világháborút követően. Frederick R. Lack, a rádiótelefon-mérnöki osztályon dolgozó kifejlesztett egy vágott kristályt, amely széles hőmérséklet-tartományban képes működni. A Lack kristályának nem volt szüksége a korábbi kristályok nehéz tartozékaira, ami megkönnyítette a repülőgépekben való használatát. Ez a fejlemény lehetővé tette a szövetséges légierők számára, hogy összehangolt tömeges támadásokat hajtsanak végre a légi rádió segítségével. A piezoelektromos eszközök és anyagok kifejlesztése az Egyesült Államokban tartotta a vállalatokat a háborús idők kezdetén a területen, és kibontakozott az érdeklődés az új anyagok jövedelmező szabadalmak biztosításában. A kvarckristályokat kereskedelmi forgalomban használták piezoelektromos anyagként, és a tudósok nagyobb teljesítményű anyagokat kerestek. Az anyagok fejlődése és a gyártási folyamatok érése ellenére az Egyesült Államok
Gabriel Lippmann
A piezoelektromosság egy elektromechanikai jelenség, amelyben az elektromos töltés felhalmozódik bizonyos szilárd anyagokban, például kristályokban, kerámiákban és biológiai anyagokban, például csontokban és DNS-ben. Ez az inverziós szimmetriájú anyagok mechanikai és elektromos állapota közötti kölcsönhatás eredménye. A piezoelektromosságot először Pierre és Jacques Curie francia fizikusok fedezték fel 1880-ban.
A piezoelektromosságot számos hasznos alkalmazásra használták ki, beleértve a hangok előállítását és észlelését, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatást és a nagyfeszültségű villamos energia előállítását. A piezoelektromosság a görög πιέζειν (piezein) szavakból származik, jelentése „szorítani vagy megnyomni”, és a ἤλεκτρον (ēlektron), jelentése „borostyán”, az elektromos töltés ősi forrása.
A piezoelektromos hatás reverzibilis, ami azt jelenti, hogy a piezoelektromosságot mutató anyagok fordított piezoelektromos hatást is mutatnak, amelyben a mechanikai feszültség belső generálása elektromos tér hatására jön létre. Például az ólom-cirkonát-titanát kristályok mérhető piezoelektromosságot hoznak létre, ha statikus szerkezetük deformálódik eredeti méretéhez képest. Ezzel szemben a kristályok megváltoztathatják statikus méretüket, ha külső elektromos mezőt alkalmaznak, ezt a folyamatot inverz piezoelektromos hatásnak nevezik. Ez az eljárás ultrahanghullámok előállítására használható.
A piezoelektromos hatást a 18. század közepe óta vizsgálják, amikor Carl Linnaeus és Franz Aepinus René Hauy és Antoine César Becquerel tudására támaszkodva összefüggést állított fel a mechanikai igénybevétel és az elektromos töltés között. A kísérletek azonban nem bizonyultak meggyőzőnek. A kutatók csak akkor tudták megjósolni a kristály viselkedését, amíg a piroelektromosság ismerete és a mögöttes kristályszerkezetek megértése nem adott okot a piroelektromosság előrejelzéséhez. Ezt a kristályok, például a turmalin, a kvarc, a topáz, a nádcukor és a Rochelle-só hatása bizonyította.
Gabriel Lippmann 1881-ben matematikailag levezette a fordított piezoelektromos hatás termodinamikai alapelveit. Curie-k azonnal megerősítették a fordított hatás létezését, majd kvantitatív bizonyítékot szereztek a piezoelektromos kristályok elektro-elaszto-mechanikai deformációinak teljes visszafordíthatóságára.
Évtizedekig a piezoelektromosság laboratóriumi érdekesség maradt, mígnem Pierre és Marie Curie polónium és rádium felfedezésének létfontosságú eszközévé vált. A piezoelektromosságot mutató kristályszerkezetek feltárására és meghatározására irányuló munkájuk Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizika Tankönyve) kiadásában tetőzött. Ez leírta a piezoelektromosságra képes természetes kristályosztályokat, és szigorúan meghatározta a piezoelektromos állandókat tenzoranalízissel.
A piezoelektromos eszközök gyakorlati alkalmazása a szonár kifejlesztésével kezdődött az első világháború alatt. Paul Langevin és munkatársai kifejlesztettek egy ultrahangos tengeralattjáró-detektort. Ez a detektor egy vékony, acéllemezekre gondosan ragasztott kvarckristályokból készült jelátalakítóból és egy hidrofonból állt, amely érzékelte a visszatérő visszhangot. Azáltal, hogy a jelátalakítóból nagyfrekvenciás impulzust bocsátottak ki, és megmérték, mennyi idő alatt hallják a tárgyról visszaverődő hanghullámok visszhangját, ki tudták számítani a tárgy távolságát. A piezoelektromosságnak ez a szonárhoz való felhasználása sikeres volt, és a projekt intenzív fejlesztési érdeklődést váltott ki a piezoelektromos eszközök iránt. Az évtizedek során új piezoelektromos anyagokat és ezeknek az anyagoknak új alkalmazásait tárták fel és fejlesztették ki. A piezoelektromos eszközök számos területen találtak otthonra, a kerámia fonográf kazettáktól kezdve, amelyek leegyszerűsítették a lejátszó tervezését és olcsóbbá tették az olcsó, pontos lemezjátszók karbantartását és könnyebb megépítését, az ultrahangos átalakítók fejlesztéséig, amelyek lehetővé tették a folyadékok viszkozitásának és rugalmasságának egyszerű mérését. és szilárd anyagok, ami hatalmas előrelépést eredményezett az anyagkutatásban. Az ultrahangos időtartományú reflektométerek ultrahang impulzust küldenek egy anyagba, és mérik a visszaverődéseket és a folytonossági hiányokat, hogy hibákat találjanak az öntött fém- és kőtárgyak belsejében, javítva a szerkezeti biztonságot.
A második világháborút követően az Egyesült Államokban, Oroszországban és Japánban független kutatócsoportok fedezték fel a szintetikus anyagok új osztályát, az úgynevezett ferroelektromos anyagokat, amelyek piezoelektromos állandója akár tízszer nagyobb, mint a természetes anyagoké. Ez intenzív kutatásokhoz vezetett a bárium-titanát, majd később az ólom-cirkonát-titanát olyan anyagok kifejlesztéséhez, amelyek speciális tulajdonságokkal rendelkeznek bizonyos alkalmazásokhoz. A piezoelektromos kristályok alkalmazásának jelentős példáját fejlesztették ki
Woldemar Voigt
A piezoelektromosság egy elektromechanikai jelenség, amelyben az elektromos töltés felhalmozódik bizonyos szilárd anyagokban, például kristályokban, kerámiákban és biológiai anyagokban, például csontokban és DNS-ben. Ez a töltés az alkalmazott mechanikai igénybevétel hatására jön létre. A piezoelektromosság szó a görög „piezein” szóból származik, ami azt jelenti, hogy „nyomni vagy megnyomni”, és az „elektron”, ami „borostyánt” jelent, amely az elektromos töltés ősi forrása.
A piezoelektromos hatás a kristályos anyagok mechanikai és elektromos állapota közötti lineáris elektromechanikai kölcsönhatás eredménye, inverziós szimmetriával. Ez a hatás reverzibilis, ami azt jelenti, hogy a piezoelektromosságot mutató anyagok fordított piezoelektromos hatást is mutatnak, ahol a belső mechanikai feszültség keletkezése egy alkalmazott elektromos térből származik. Például az ólom-cirkonát-titanát kristályok mérhető piezoelektromosságot hoznak létre, ha statikus szerkezetük deformálódik eredeti méretéhez képest. Ezzel szemben a kristályok megváltoztathatják statikus méretüket, ha külső elektromos mezőt alkalmaznak, ezt a jelenséget inverz piezoelektromos effektusnak nevezik, amelyet ultrahanghullámok előállításához használnak.
Pierre és Jacques Curie francia fizikusok 1880-ban fedezték fel a piezoelektromosságot. A piezoelektromos hatást azóta számos hasznos alkalmazásra használják, beleértve a hangok előállítását és észlelését, a piezoelektromos tintasugaras nyomtatást, a nagyfeszültségű villamos energia előállítását, az óragenerátorokat és az elektronikus eszközöket. mint a mikromérlegek és a meghajtó ultrahangos fúvókák az optikai egységek ultrafinom fókuszálásához. Ez képezi a pásztázó szonda mikroszkópok alapját is, amelyek az atomok léptékében képesek feloldani a képeket. Ezenkívül az elektronikusan erősített gitárok hangszedői és a modern elektronikus dobok triggerei piezoelektromos effektust alkalmaznak.
A piezoelektromosság mindennapi felhasználása a főző- és fűtőberendezésekben, fáklyákban, szivargyújtókban és egyebekben gáz meggyújtására szolgáló szikra előállításában is megtalálható. Carl Linnaeus és Franz Aepinus a 18. század közepén tanulmányozta a piroelektromos hatást, amikor egy anyag a hőmérséklet változására elektromos potenciált generál, Rene Hauy és Antoine Cesar Becquerel tudására támaszkodva, akik a mechanika közötti kapcsolatot feltételezték. stressz és elektromos töltés. A kapcsolat bizonyítására irányuló kísérletek nem bizonyultak meggyőzőnek.
A skóciai Hunterian Múzeum Curie-kompenzátorában lévő piezokristály látványa Pierre és Jacques Curie testvérek közvetlen piezoelektromos hatásának demonstrációja. A piroelektromossággal kapcsolatos ismereteiket a mögöttes kristályszerkezetek megértésével ötvözve a piroelektromosság előrejelzését eredményezte, ami lehetővé tette számukra, hogy megjósolják a kristályok viselkedését, amelyet olyan kristályok hatására mutattak ki, mint a turmalin, kvarc, topáz, nádcukor és Rochelle só. . A nátrium- és kálium-tartarát-tetrahidrát és a kvarc szintén piezoelektromosságot mutatott, és deformáció esetén piezoelektromos korongot használtak a feszültség létrehozására. Ezt az alakváltozást erősen eltúlozták Curie-k demonstrációjában, és tovább jósolták a fordított piezoelektromos hatást. A fordított hatást Gabriel Lippmann matematikailag vezette le az alapvető termodinamikai elvekből 1881-ben.
Curie-k azonnal megerősítették a fordított hatás létezését, majd kvantitatív bizonyítékot szereztek a piezoelektromos kristályok elektro-elaszto-mechanikai deformációinak teljes visszafordíthatóságára. A következő évtizedekben a piezoelektromosság továbbra is laboratóriumi érdekesség maradt, mígnem létfontosságú eszközzé vált Pierre Marie Curie polónium és rádium felfedezésében, aki a piezoelektromosságot mutató kristályszerkezetek feltárására és meghatározására használta. Ez Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (Kristályfizika Tankönyve) publikációjában csúcsosodott ki, amely leírta a piezoelektromosságra képes természetes kristályosztályokat, és tenzoranalízis segítségével szigorúan meghatározta a piezoelektromos állandókat.
Ez a piezoelektromos eszközök gyakorlati alkalmazásához vezetett, mint például a szonár, amelyet az első világháború alatt fejlesztettek ki. Franciaországban Paul Langevin és munkatársai ultrahangos tengeralattjáró-detektort fejlesztettek ki. Ez a detektor egy vékony kvarckristályokból készült jelátalakítóból állt, amelyet gondosan acéllemezekre ragasztottak, és egy hidrofonból, amely érzékeli a visszatérő visszhangot, miután a jelátalakítóból nagyfrekvenciás impulzust bocsátott ki. A tárgyról visszaverődő hanghullámok visszhangjának hallásához szükséges idő mérésével kiszámíthatják a tárgy távolságát. Piezoelektromos energiát használtak a szonár sikeréhez, és a projekt intenzív fejlesztést és érdeklődést váltott ki.
Fontos kapcsolatok
- Piezoelektromos aktuátorok: A piezoelektromos aktuátorok olyan eszközök, amelyek az elektromos energiát mechanikus mozgássá alakítják. Általában robotikában, orvosi eszközökben és más alkalmazásokban használják, ahol pontos mozgásvezérlésre van szükség.
- Piezoelektromos érzékelők: A piezoelektromos érzékelők fizikai paraméterek, például nyomás, gyorsulás és rezgés mérésére szolgálnak. Gyakran használják ipari és orvosi alkalmazásokban, valamint a fogyasztói elektronikában.
- Piezoelektromosság a természetben: A piezoelektromosság bizonyos anyagokban természetesen előforduló jelenség, és számos élő szervezetben megtalálható. Egyes élőlények környezetük érzékelésére és más élőlényekkel való kommunikációra használják.
Következtetés
A piezoelektromosság egy csodálatos jelenség, amelyet számos alkalmazásban alkalmaztak, a szonártól a fonográf kazettákig. Az 1800-as évek közepe óta tanulmányozták, és nagy eredménnyel használták a modern technológia fejlesztésében. Ez a blogbejegyzés feltárta a piezoelektromosság történetét és felhasználási módjait, és rávilágított ennek a jelenségnek a fontosságára a modern technológia fejlődésében. Azok számára, akik szeretnének többet megtudni a piezoelektromosságról, ez a bejegyzés nagyszerű kiindulópont.
Joost Nusselder vagyok, a Neaera alapítója és tartalommarketing-szakember, apa, és szenvedélyem középpontjában szeretek új berendezéseket kipróbálni gitárral, és csapatommal együtt 2020 óta készítek mélyreható blogcikkeket. hogy segítse a hűséges olvasókat felvételi és gitártippekkel.
