Պիեզոէլեկտրականություն. Համապարփակ ուղեցույց՝ հասկանալու դրա մեխանիզմը և կիրառությունները

Պիեզոէլեկտրականությունը որոշակի նյութերի կարողությունն է արտադրել էլեկտրաէներգիա, երբ ենթարկվում են մեխանիկական սթրեսի և հակառակը: Բառը գալիս է հունարեն piezo-ից, որը նշանակում է ճնշում և էլեկտրականություն: Այն առաջին անգամ հայտնաբերվել է 1880 թվականին, սակայն հայեցակարգը հայտնի է եղել վաղուց։

Պիեզոէլեկտրականության ամենահայտնի օրինակը քվարցն է, բայց շատ այլ նյութեր նույնպես ցուցադրում են այս երևույթը: Պիեզոէլեկտրական էներգիայի ամենատարածված օգտագործումը ուլտրաձայնի արտադրությունն է:

Այս հոդվածում ես կքննարկեմ, թե ինչ է պիեզոէլեկտրականությունը, ինչպես է այն աշխատում և այս զարմանալի երևույթի բազմաթիվ գործնական կիրառությունները:

Ի՞նչ է պիեզոէլեկտրականությունը:

Պիեզոէլեկտրականությունը որոշակի նյութերի կարողությունն է՝ առաջացնել էլեկտրական լիցք՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: Այն բյուրեղային նյութերում մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցություն է՝ ինվերսիայի համաչափությամբ։ Պիեզոէլեկտրական նյութերը կարող են օգտագործվել բարձր լարման էլեկտրաէներգիա, ժամացույցի գեներատորներ, էլեկտրոնային սարքեր, միկրոբալանսներ, ուլտրաձայնային վարդակներ վարելու և չափազանց նուրբ կենտրոնացման օպտիկական հավաքներ ստեղծելու համար:

Պիեզոէլեկտրական նյութերը ներառում են բյուրեղներ, որոշակի կերամիկա, կենսաբանական նյութեր, ինչպիսիք են ոսկորները և ԴՆԹ-ն և սպիտակուցները: Երբ պիեզոէլեկտրական նյութի վրա ուժ է գործադրվում, այն արտադրում է էլեկտրական լիցք։ Այդ լիցքը կարող է օգտագործվել սարքերի սնուցման կամ լարման ստեղծման համար:

Պիեզոէլեկտրական նյութերը օգտագործվում են մի շարք ծրագրերում, ներառյալ.
• Ձայնի արտադրություն և հայտնաբերում
• Պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրություն
• Բարձր լարման էլեկտրաէներգիայի արտադրություն
• Ժամացույցի գեներատորներ
• Էլեկտրոնային սարքեր
• Միկրոբալանսներ
• Ուլտրաձայնային վարդակներ վարել
• Գերմանրակենտրոն օպտիկական հավաքույթներ
• Վերցումներ էլեկտրոնային ուժեղացված կիթառների համար
• Ժամանակակից էլեկտրոնային թմբուկների ձգան
• Գազի բռնկման համար կայծերի արտադրություն
• Խոհարարական և տաքացնող սարքեր
• Ջահեր և ծխախոտի կրակայրիչներ.

Ո՞րն է պիեզոէլեկտրականության պատմությունը:

Պիեզոէլեկտրականությունը հայտնաբերվել է 1880 թվականին ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Ժակ և Պիեռ Կյուրիների կողմից։ Դա էլեկտրական լիցքն է, որը կուտակվում է որոշակի պինդ նյութերում, ինչպիսիք են բյուրեղները, կերամիկաները և կենսաբանական նյութերը՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: «Պիեզոէլեկտրականություն» բառը ծագել է հունարեն «piezein» բառից, որը նշանակում է «սեղմել» կամ «սեղմել» և «elektron», որը նշանակում է «սաթ», էլեկտրական լիցքի հնագույն աղբյուր:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը առաջանում է բյուրեղային նյութերի մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցությունից՝ ինվերսիոն համաչափությամբ։ Դա շրջելի գործընթաց է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրականություն ցուցադրող նյութերը ցուցադրում են նաև հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որը կիրառական էլեկտրական դաշտից առաջացող մեխանիկական լարվածության ներքին առաջացումն է:

Կյուրիների պիրոէլեկտրականության և հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնման համակցված գիտելիքները հանգեցրին պիրոէլեկտրականության կանխատեսմանը և բյուրեղների վարքագիծը կանխատեսելու կարողությանը: Դա ապացուցվել է այնպիսի բյուրեղների ազդեցությամբ, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը:

Կյուրիները անմիջապես հաստատեցին հակադարձ էֆեկտի առկայությունը և շարունակեցին ձեռք բերել քանակական ապացույց պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում էլեկտրաէլաստո-մեխանիկական դեֆորմացիաների ամբողջական շրջելիության վերաբերյալ: Տասնամյակների ընթացքում պիեզոէլեկտրականությունը մնաց լաբորատոր հետաքրքրություն, մինչև այն դարձավ կենսական գործիք Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման գործում:

Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվել է բազմաթիվ օգտակար ծրագրերի համար, ներառյալ ձայնի արտադրությունը և հայտնաբերումը, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրությունը, բարձր լարման էլեկտրականության արտադրությունը, ժամացույցի գեներատորները և էլեկտրոնային սարքերը, միկրոբալանսը, ուլտրաձայնային վարդակները, օպտիկական հավաքույթների ծայրահեղ նուրբ կենտրոնացումը և ձևերը: ատոմների մասշտաբով պատկերները լուծելու համար սկանավոր զոնդի մանրադիտակների հիմքը:

Պիեզոէլեկտրականությունը գտնում է նաև առօրյա կիրառություն, ինչպիսիք են խոհարարության և ջեռուցման սարքերում գազի բռնկման համար կայծեր առաջացնելը, ջահերը, ծխախոտի կրակայրիչները և պիրոէլեկտրական էֆեկտը, որտեղ նյութը առաջացնում է էլեկտրական ներուժ՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության:

Առաջին Համաշխարհային պատերազմի ժամանակ սոնարների զարգացումը տեսավ Bell Telephone Laboratories-ի կողմից մշակված պիեզոէլեկտրական բյուրեղների օգտագործումը: Սա թույլ տվեց դաշնակիցների օդային ուժերին ներգրավվել համակարգված զանգվածային հարձակումների՝ օգտագործելով ավիացիոն ռադիո: Միացյալ Նահանգներում պիեզոէլեկտրական սարքերի և նյութերի զարգացումը ընկերություններին պահում էր շահերի ոլորտում պատերազմական սկզբնաղբյուրների զարգացման մեջ՝ ապահովելով նոր նյութերի շահավետ արտոնագրեր:

Ճապոնիան տեսավ Միացյալ Նահանգների պիեզոէլեկտրական արդյունաբերության նոր կիրառություններն ու աճը և արագ զարգացրեց իրենց սեփականը: Նրանք արագորեն փոխանակեցին տեղեկատվությունը և մշակեցին բարիումի տիտանատ և հետագայում կապարի ցիրկոնատ տիտանատ նյութեր, որոնք ունեն հատուկ հատկություններ որոշակի կիրառությունների համար:

Պիեզոէլեկտրականությունը երկար ճանապարհ է անցել 1880 թվականին իր հայտնաբերումից ի վեր, և այժմ այն ​​օգտագործվում է ամենօրյա տարբեր կիրառություններում: Այն նաև օգտագործվել է նյութերի հետազոտության մեջ առաջընթաց գրանցելու համար, ինչպիսիք են ուլտրաձայնային ժամանակի ռեֆլեկտաչափերը, որոնք ուլտրաձայնային իմպուլս են ուղարկում նյութի միջով` չափելու արտացոլանքներն ու ընդհատումները` մետաղական և քարե առարկաների ներսում թերություններ գտնելու համար, ինչը բարելավում է կառուցվածքի անվտանգությունը:

Ինչպես է աշխատում պիեզոէլեկտրականությունը

Այս բաժնում ես կուսումնասիրեմ, թե ինչպես է աշխատում պիեզոէլեկտրականությունը: Ես կքննարկեմ պինդ մարմիններում էլեկտրական լիցքի կուտակումը, գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցությունը և շրջելի գործընթացը, որոնք կազմում են այս երևույթը: Ես նաև կքննարկեմ պիեզոէլեկտրականության պատմությունը և դրա կիրառությունները:

Էլեկտրական լիցքի կուտակում պինդ մարմիններում

Պիեզոէլեկտրականությունը էլեկտրական լիցքն է, որը կուտակվում է որոշակի պինդ նյութերում, ինչպիսիք են բյուրեղները, կերամիկաները և կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորը և ԴՆԹ-ն: Այն կիրառվող մեխանիկական սթրեսի պատասխանն է, և դրա անունը ծագել է հունարեն «piezein» (սեղմել կամ սեղմել) և «ēlektron» (սաթ) բառերից:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը առաջանում է մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցությունից բյուրեղային նյութերում ինվերսիոն համաչափությամբ: Դա շրջելի գործընթաց է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող նյութերը ցուցադրում են նաև հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որտեղ մեխանիկական լարվածության ներքին առաջացումը առաջանում է կիրառական էլեկտրական դաշտից: Նյութերի օրինակներ, որոնք առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, ներառում են կապարի ցիրկոնատ տիտանատ բյուրեղները:

Ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Պիեռ և Ժակ Կյուրին հայտնաբերել են պիեզոէլեկտրականությունը 1880 թվականին: Այն ժամանակից ի վեր այն օգտագործվել է մի շարք օգտակար կիրառությունների համար, այդ թվում՝ ձայնի արտադրության և հայտնաբերման, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրության, բարձր լարման էլեկտրականության, ժամացույցի գեներատորների և էլեկտրոնային սարքերի, ինչպիսիք են միկրոբալանսը: և վարել ուլտրաձայնային վարդակներ օպտիկական հավաքույթների ծայրահեղ նուրբ կենտրոնացման համար: Այն նաև հիմք է հանդիսանում սկանավորող զոնդերի մանրադիտակների համար, որոնք կարող են լուծել պատկերները ատոմների մասշտաբով: Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է նաև էլեկտրոնային եղանակով ուժեղացված կիթառների պիկապներում, իսկ ժամանակակից էլեկտրոնային թմբուկների համար տրիգերները:

Պիեզոէլեկտրականությունն ամենօրյա օգտագործում է գազը բռնկելու համար կայծեր առաջացնելու, ճաշ պատրաստելու և տաքացնող սարքերում, ջահերում, ծխախոտի կրակայրիչներում և պիրոէլեկտրական էֆեկտում, որտեղ նյութը առաջացնում է էլեկտրական ներուժ՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության: Սա ուսումնասիրվել է Կարլ Լիննեուսի և Ֆրանց Էպինուսի կողմից 18-րդ դարի կեսերին՝ հիմնվելով Ռենե Հաուի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի գիտելիքների վրա, ովքեր ենթադրում էին կապ մեխանիկական սթրեսի և էլեկտրական լիցքի միջև: Փորձերն անորոշ էին։

Շոտլանդիայի Հանթերյան թանգարանի Կյուրիի կոմպենսատորում պիեզո բյուրեղի տեսքը ուղղակի պիեզոէլեկտրական էֆեկտի ցուցադրումն է: Պիեռ և Ժակ Կյուրի եղբայրները միավորել են պիրոէլեկտրականության մասին իրենց գիտելիքները հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնման հետ, ինչը հիմք է տվել պիրոէլեկտրականության կանխատեսմանը: Նրանք կարողացան կանխատեսել բյուրեղների վարքը և ցույց տվեցին ազդեցությունը բյուրեղների վրա, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը: Նատրիումի կալիումի տարտրատ տետրահիդրատը և քվարցը նույնպես դրսևորեցին պիեզոէլեկտրականություն: Պիեզոէլեկտրական սկավառակը դեֆորմացման ժամանակ առաջացնում է լարում, և ձևի փոփոխությունը խիստ չափազանցված է Կյուրիների ցուցադրման ժամանակ:

Նրանք կարողացան կանխատեսել հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը, և հակադարձ էֆեկտը մաթեմատիկորեն հանգեցրեց Գաբրիել Լիպմանը 1881 թվականին: Կյուրիները անմիջապես հաստատեցին հակադարձ էֆեկտի գոյությունը և շարունակեցին ստանալ էլեկտրաէլաստո-ի ամբողջական շրջելիության քանակական ապացույց: մեխանիկական դեֆորմացիաներ պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում.

Տասնամյակներ շարունակ պիեզոէլեկտրականությունը մնում էր լաբորատոր հետաքրքրություն, սակայն այն կենսական գործիք էր Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման գործում: Պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող բյուրեղային կառուցվածքները ուսումնասիրելու և սահմանելու նրանց աշխատանքը գագաթնակետին հասավ Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրապարակմամբ, որը նկարագրում էր բնական բյուրեղների դասերը, որոնք կարող են պիեզոէլեկտրականություն և խստորեն սահմանում էր պիեզոէլեկտրական հաստատունների վերլուծությունը: Սա պիեզոէլեկտրական սարքերի գործնական կիրառումն էր, և սոնարը ստեղծվեց Առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ: Ֆրանսիայում Պոլ Լանգևինը և նրա գործընկերները մշակեցին ուլտրաձայնային սուզանավերի դետեկտոր:

Դետեկտորը բաղկացած էր ա transducer պատրաստված է բարակ քվարց բյուրեղներից, որոնք խնամքով սոսնձված են պողպատե թիթեղների վրա, և հիդրոֆոն՝ վերադարձված արձագանքը հայտնաբերելու համար: Արտանետելով բարձր հաճախություն զարկերակը փոխարկիչից և չափելով այն ժամանակը, որը պահանջվում է լսելու ձայնային ալիքների արձագանքը, որոնք ցատկում են առարկայից, նրանք կարողացան հաշվարկել մինչև օբյեկտ հեռավորությունը: Նրանք օգտագործեցին պիեզոէլեկտրականություն՝ սոնարը հաջողության հասնելու համար, և նախագիծը ինտենսիվ զարգացում և հետաքրքրություն առաջացրեց պիեզոէլեկտրական սարքերի նկատմամբ: Տասնամյակների ընթացքում ուսումնասիրվել և մշակվել են նոր պիեզոէլեկտրական նյութեր և նյութերի նոր կիրառություններ, և պիեզոէլեկտրական սարքերը գտել են տներ տարբեր ոլորտներում: Կերամիկական ֆոնոգրաֆի փամփուշտները պարզեցրել են նվագարկիչի դիզայնը և ստեղծել էժան և ճշգրիտ ձայնագրիչներ, որոնք ավելի էժան են պահպանելու և ավելի հեշտ կառուցելու համար:

Ուլտրաձայնային փոխարկիչների մշակումը թույլ տվեց հեշտ չափել հեղուկների և պինդ մարմինների մածուցիկությունը և առաձգականությունը, ինչը հանգեցրեց նյութերի հետազոտության հսկայական առաջընթացի:

Գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցություն

Պիեզոէլեկտրականությունը որոշակի նյութերի կարողությունն է էլեկտրական լիցք առաջացնելու, երբ ենթարկվում են մեխանիկական սթրեսի: Բառը ծագել է հունարեն «πιέζειν» (piezein) բառերից, որոնք նշանակում են «սեղմել կամ սեղմել» և ἤλεκτρον (ēlektron), որը նշանակում է «սաթ», որը հնագույն էլեկտրական լիցքի աղբյուր էր։

Պիեզոէլեկտրականությունը հայտնաբերվել է 1880 թվականին ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Ժակ և Պիեռ Կյուրիների կողմից։ Այն հիմնված է ինվերսիայի համաչափությամբ բյուրեղային նյութերի մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցության վրա։ Այս էֆեկտը շրջելի է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրականություն ցուցադրող նյութերը նույնպես ցուցադրում են հակադարձ պիեզոէլեկտրական ազդեցություն, որի արդյունքում մեխանիկական լարման ներքին առաջացումը առաջանում է կիրառական էլեկտրական դաշտից: Նյութերի օրինակներ, որոնք առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, երբ դեֆորմացվում են իրենց ստատիկ կառուցվածքից, ներառում են կապարի ցիրկոնատ տիտանատի բյուրեղները: Ընդհակառակը, բյուրեղները կարող են փոխել իրենց ստատիկ չափը, երբ կիրառվում է արտաքին էլեկտրական դաշտ, որը հայտնի է որպես հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ և օգտագործվում է ուլտրաձայնային ալիքների արտադրության մեջ:

Best strings for electric guitar

Share

Watch on

Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվել է մի շարք օգտակար ծրագրերի համար, ինչպիսիք են.

• Ձայնի արտադրություն և հայտնաբերում
• Պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրություն
• Բարձր լարման էլեկտրաէներգիայի արտադրություն
• Ժամացույցի գեներատոր
• Էլեկտրոնային սարքեր
• Միկրոբալանսներ
• Ուլտրաձայնային վարդակներ վարել
• Գերմանրակենտրոն օպտիկական հավաքույթներ
• Հիմք է կազմում սկանավորող զոնդերի մանրադիտակները՝ պատկերները ատոմների մասշտաբով լուծելու համար
• Պիկապներ էլեկտրոնային եղանակով ուժեղացված կիթառներով
• Ժամանակակից էլեկտրոնային թմբուկների ձգանները
• Խոհարարության և ջեռուցման սարքերում գազի բռնկման համար կայծեր առաջացնելը
• Ջահեր և ծխախոտի կրակայրիչներ

Պիեզոէլեկտրականությունը նաև ամենօրյա կիրառություն է գտնում պիրոէլեկտրական էֆեկտում, որը նյութ է, որն առաջացնում է էլեկտրական պոտենցիալ՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության: Սա ուսումնասիրվել է Կարլ Լիննեուսի և Ֆրանց Էպինուսի կողմից 18-րդ դարի կեսերին՝ հիմնվելով Ռենե Հաուի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի գիտելիքների վրա, ովքեր ենթադրում էին կապ մեխանիկական սթրեսի և էլեկտրական լիցքի միջև: Այնուամենայնիվ, փորձերը անորոշ էին։

Շոտլանդիայի Հանթերյան թանգարանում Կյուրիի կոմպենսատորում պիեզո բյուրեղի դիտումը ուղղակի պիեզոէլեկտրական էֆեկտի ցուցադրումն է: Պիեռ և Ժակ Կյուրի եղբայրների աշխատանքն էր, որ ուսումնասիրեց և սահմանեց պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող բյուրեղային կառուցվածքները, ինչը ավարտվեց Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրատարակությամբ: Սա նկարագրեց բնական բյուրեղների դասերը, որոնք ընդունակ են պիեզոէլեկտրականություն և խստորեն սահմանեց պիեզոէլեկտրական հաստատունները թենզորային վերլուծության միջոցով, ինչը հանգեցրեց պիեզոէլեկտրական սարքերի գործնական կիրառմանը:

Sonar-ը մշակվել է Առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ, երբ ֆրանսիացի Պոլ Լանգևինը և նրա գործընկերները մշակել են ուլտրաձայնային սուզանավերի դետեկտոր: Այս դետեկտորը բաղկացած էր բարակ քվարց բյուրեղներից պատրաստված փոխարկիչից, որոնք խնամքով սոսնձված էին պողպատե թիթեղների վրա, և հիդրոֆոնից, որը հայտնաբերում էր վերադարձվող արձագանքը փոխարկիչից բարձր հաճախականության իմպուլս արձակելուց հետո: Չափելով այն ժամանակը, որը պահանջվում է լսելու ձայնային ալիքների արձագանքը, որոնք ցատկում են առարկայից, նրանք կարողացան հաշվարկել օբյեկտի հեռավորությունը՝ օգտագործելով պիեզոէլեկտրականությունը: Այս նախագծի հաջողությունը տասնամյակների ընթացքում ինտենսիվ զարգացում և հետաքրքրություն ստեղծեց պիեզոէլեկտրական սարքերի նկատմամբ՝ ուսումնասիրելով և մշակելով նոր պիեզոէլեկտրական նյութեր և այդ նյութերի նոր կիրառություններ: Պիեզոէլեկտրական սարքերը գտել են տներ բազմաթիվ ոլորտներում, ինչպիսիք են կերամիկական ֆոնոգրաֆի փամփուշտները, որոնք պարզեցրել են նվագարկչի դիզայնը և ստեղծել ավելի էժան և ճշգրիտ ձայնագրիչներ, ինչպես նաև ավելի էժան և հեշտ կառուցել և պահպանել:

Ուլտրաձայնային փոխարկիչների մշակումը թույլ տվեց հեշտ չափել հեղուկների և պինդ մարմինների մածուցիկությունը և առաձգականությունը, ինչը հանգեցրեց նյութերի հետազոտության հսկայական առաջընթացի: Ուլտրաձայնային ժամանակի տիրույթի ռեֆլեկտաչափերը ուլտրաձայնային իմպուլս են ուղարկում նյութի մեջ և չափում արտացոլումները և ընդհատումները՝ մետաղական և քարե առարկաների ներսում թերություններ գտնելու համար՝ բարելավելով կառուցվածքի անվտանգությունը: Երկրորդ համաշխարհային պատերազմից հետո ԱՄՆ-ում, Ռուսաստանում և Ճապոնիայում անկախ հետազոտական ​​խմբերը հայտնաբերեցին սինթետիկ նյութերի նոր դաս, որը կոչվում է ֆերոէլեկտրիկներ, որոնք ցույց էին տալիս պիեզոէլեկտրական հաստատունները շատ անգամ ավելի բարձր, քան բնական նյութերը: Սա հանգեցրեց բարիումի տիտանատի, իսկ ավելի ուշ կապարի ցիրկոնատ տիտանատի մշակման ինտենսիվ հետազոտությունների՝ որոշակի կիրառությունների համար հատուկ հատկություններով նյութեր:

Պիեզոէլեկտրական բյուրեղների օգտագործման նշանակալից օրինակ մշակվել է Bell Telephone Laboratories-ի կողմից Երկրորդ համաշխարհային պատերազմից հետո: Ֆրեդերիկ Ռ. Լաքը, աշխատելով ռադիոհեռախոսային ինժեներական բաժնում,

Հետադարձելի գործընթաց

Պիեզոէլեկտրականությունը էլեկտրական լիցք է, որը կուտակվում է որոշակի պինդ նյութերում, ինչպիսիք են բյուրեղները, կերամիկաները և կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորը և ԴՆԹ-ն: Դա այս նյութերի արձագանքն է կիրառվող մեխանիկական սթրեսին: «Պիեզոէլեկտրականություն» բառը ծագել է հունարեն «piezein» բառերից, որը նշանակում է «սեղմել» կամ «սեղմել» և «ēlektron» նշանակում է «սաթ»՝ հնագույն էլեկտրական լիցքի աղբյուր։

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը առաջանում է բյուրեղային նյութերի մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցությունից՝ ինվերսիոն համաչափությամբ։ Դա շրջելի գործընթաց է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրականություն ցուցադրող նյութերը ցուցադրում են նաև հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որը կիրառական էլեկտրական դաշտից առաջացող մեխանիկական լարվածության ներքին առաջացումն է: Նյութերի օրինակներ, որոնք առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, ներառում են կապարի ցիրկոնատ տիտանատ բյուրեղները: Երբ այս բյուրեղների ստատիկ կառուցվածքը դեֆորմացվում է, նրանք վերադառնում են իրենց սկզբնական չափմանը, և հակառակը, երբ արտաքին էլեկտրական դաշտ է կիրառվում, նրանք փոխում են իրենց ստատիկ չափը՝ առաջացնելով ուլտրաձայնային ալիքներ։

Ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Ժակ և Պիեռ Կյուրին հայտնաբերեցին պիեզոէլեկտրականությունը 1880 թվականին: Այդ ժամանակվանից այն օգտագործվել է մի շարք օգտակար կիրառությունների համար, այդ թվում՝ ձայնի արտադրության և հայտնաբերման, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրության, բարձր լարման էլեկտրականության, ժամացույցի գեներատորների, էլեկտրոնային սարքերի, միկրոբալանսի, վարել ուլտրաձայնային վարդակներ և չափազանց նուրբ կենտրոնացման օպտիկական հավաքներ: Այն նաև հիմք է հանդիսանում զոնդերի մանրադիտակների սկանավորման համար, որոնք կարող են լուծել պատկերները ատոմների մասշտաբով: Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է նաև էլեկտրոնային եղանակով ուժեղացված կիթառների պիկապներում և ժամանակակից էլեկտրոնային հարվածային գործիքների ձգանների համար:

Պիեզոէլեկտրականությունը նաև առօրյա կիրառություն է գտնում, օրինակ՝ կերակուր պատրաստելու և տաքացնող սարքերում, ջահեր, ծխախոտի կրակայրիչներ և այլն, գազի բռնկման համար կայծեր առաջացնելը և այլն: Պիրոէլեկտրական էֆեկտը, որտեղ նյութը առաջացնում է էլեկտրական ներուժ՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության, ուսումնասիրվել է Կարլ Լինեուսի, Ֆրանց Էպինուսի և Ռենե Հաուի կողմից 18-րդ դարի կեսերին՝ հիմնվելով սաթի մասին գիտելիքների վրա: Անտուան ​​Սեզար Բեկերելը մեխանիկական սթրեսի և էլեկտրական լիցքի միջև փոխհարաբերություն դրեց, բայց փորձերը անորոշ էին:

Գլազգոյի Hunterian թանգարանի այցելուները կարող են դիտել Piezo Crystal Curie Compensator-ը, որը ցույց է տալիս Պիեռ և Ժակ Կյուրի եղբայրների անմիջական պիեզոէլեկտրական էֆեկտը: Պիրոէլեկտրականության մասին իրենց գիտելիքները համադրելը հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնման հետ առաջացրել է պիրոէլեկտրականության կանխատեսում և բյուրեղների վարքագիծը կանխատեսելու կարողություն: Դա ապացուցվեց բյուրեղների ազդեցությամբ, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը: Նատրիումի և կալիումի տարտրատ տետրահիդրատը և քվարցը նույնպես դրսևորեցին պիեզոէլեկտրականություն, և պիեզոէլեկտրական սկավառակը օգտագործվեց դեֆորմացման ժամանակ լարման առաջացման համար: Ձևի այս փոփոխությունը խիստ ուռճացված էր Կյուրիների կողմից՝ կանխատեսելու հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը: Հակադարձ էֆեկտը մաթեմատիկորեն դուրս է բերվել Գաբրիել Լիպմանի հիմնարար թերմոդինամիկական սկզբունքներից 1881 թվականին։

Կյուրիները անմիջապես հաստատեցին հակադարձ էֆեկտի առկայությունը և շարունակեցին ձեռք բերել քանակական ապացույց պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում էլեկտրաէլաստո-մեխանիկական դեֆորմացիաների ամբողջական շրջելիության վերաբերյալ: Տասնամյակներ շարունակ պիեզոէլեկտրականությունը մնում էր լաբորատոր հետաքրքրություն, սակայն այն կենսական գործիք էր Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման գործում: Նրանց աշխատանքը՝ բացահայտելու և սահմանելու բյուրեղային կառուցվածքները, որոնք ցուցադրում էին պիեզոէլեկտրականություն, գագաթնակետին հասավ Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրատարակությամբ: Սա նկարագրեց բնական բյուրեղների դասերը, որոնք ընդունակ են պիեզոէլեկտրականություն և խստորեն սահմանեց պիեզոէլեկտրական հաստատունները՝ օգտագործելով թենզորային վերլուծություն:

Պիեզոէլեկտրական սարքերի գործնական կիրառումը, ինչպիսին է սոնարը, մշակվել է Առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ։ Ֆրանսիայում Պոլ Լանգևինը և նրա գործընկերները մշակել են ուլտրաձայնային սուզանավերի դետեկտոր։ Այս դետեկտորը բաղկացած էր բարակ քվարց բյուրեղներից պատրաստված փոխարկիչից, որոնք խնամքով սոսնձված էին պողպատե թիթեղների վրա, և հիդրոֆոնից՝ վերադարձվող արձագանքը հայտնաբերելու համար։ Փոխարկիչից բարձր հաճախականության իմպուլս արձակելով և չափելով այն ժամանակը, որը պահանջվում է լսելու ձայնային ալիքների արձագանքը, որոնք ցատկում են առարկայից, նրանք կարողացան հաշվարկել օբյեկտի հեռավորությունը: Նրանք օգտագործել են պիեզոէլեկտրականություն՝ այս սոնարը հաջողության հասնելու համար: Այս նախագիծը ինտենսիվ զարգացում և հետաքրքրություն առաջացրեց պիեզոէլեկտրական սարքերի նկատմամբ, և տասնամյակների ընթացքում ուսումնասիրվեցին և մշակվեցին նոր պիեզոէլեկտրական նյութեր և այդ նյութերի նոր կիրառություններ: Պիեզոէլեկտրական սարքեր

Ինչն է առաջացնում պիեզոէլեկտրականություն:

Այս բաժնում ես կուսումնասիրեմ պիեզոէլեկտրականության ծագումը և տարբեր նյութերը, որոնք ցուցադրում են այս երևույթը: Ես կդիտարկեմ հունարեն «piezein» բառը՝ էլեկտրական լիցքի հնագույն աղբյուրը և պիրոէլեկտրականության էֆեկտը: Ես նաև կքննարկեմ Պիեռ և Ժակ Կյուրիների հայտնագործությունները և 20-րդ դարում պիեզոէլեկտրական սարքերի զարգացումը:

Հունարեն բառ Piezein

Պիեզոէլեկտրականությունը էլեկտրական լիցքի կուտակումն է որոշակի պինդ նյութերում, ինչպիսիք են բյուրեղները, կերամիկաները և կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորը և ԴՆԹ-ն: Դա պայմանավորված է այս նյութերի արձագանքով կիրառվող մեխանիկական սթրեսին: Պիեզոէլեկտրականություն բառը ծագել է հունարեն «piezein» բառից, որը նշանակում է «սեղմել կամ սեղմել» և «ēlektron», որը նշանակում է «սաթ», հնագույն էլեկտրական լիցքի աղբյուր:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը առաջանում է բյուրեղային նյութերի մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցությունից՝ ինվերսիոն համաչափությամբ։ Դա շրջելի գործընթաց է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող նյութերը ցուցադրում են նաև հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որը կիրառական էլեկտրական դաշտից առաջացող մեխանիկական լարվածության ներքին առաջացումն է: Օրինակ, կապարի ցիրկոնատ տիտանատի բյուրեղները առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, երբ դրանց ստատիկ կառուցվածքը դեֆորմացվում է իր սկզբնական չափից: Ընդհակառակը, բյուրեղները կարող են փոխել իրենց ստատիկ չափը, երբ կիրառվում է արտաքին էլեկտրական դաշտ, որը հայտնի է որպես հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ և հանդիսանում է ուլտրաձայնային ալիքների արտադրություն:

Ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Ժակ և Պիեռ Կյուրիները պիեզոէլեկտրականություն հայտնաբերեցին 1880 թվականին: Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը օգտագործվել է բազմաթիվ օգտակար կիրառությունների համար, այդ թվում՝ ձայնի արտադրության և հայտնաբերման, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրության, բարձր լարման էլեկտրականության, ժամացույցի գեներատորների և էլեկտրոնային սարքերի, ինչպիսիք են միկրոբալանսը: , վարել ուլտրաձայնային վարդակներ և չափազանց նուրբ կենտրոնացման օպտիկական հավաքներ: Այն նաև հիմք է հանդիսանում սկանավորող զոնդերի մանրադիտակների համար, որոնք կարող են լուծել պատկերները ատոմների մասշտաբով: Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է նաև էլեկտրոնային եղանակով ուժեղացված կիթառների պիկապներում և ժամանակակից էլեկտրոնային հարվածային գործիքների ձգանների համար:

Պիեզոէլեկտրականությունը գտնում է ամենօրյա կիրառություն, ինչպես, օրինակ, կերակուր պատրաստելու և տաքացնող սարքերի, ջահերի, ծխախոտի կրակայրիչների և այլնի մեջ գազի բռնկման համար կայծեր առաջացնելը: Պիրոէլեկտրական էֆեկտը, որն իրենից ներկայացնում է էլեկտրական պոտենցիալի առաջացում՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության, ուսումնասիրվել է Կարլ Լինեուսի և Ֆրանց Էպինուսի կողմից 18-րդ դարի կեսերին՝ հիմնվելով Ռենե Հաուի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի գիտելիքների վրա, ովքեր առաջ քաշեցին հարաբերություններ մեխանիկական սթրես և էլեկտրական լիցք: Փորձերն անորոշ էին։

Շոտլանդիայի թանգարանում այցելուները կարող են դիտել պիեզո-բյուրեղյա Կյուրիի փոխհատուցիչը, որը ցույց է տալիս Պիեռ և Ժակ Կյուրի եղբայրների անմիջական պիեզոէլեկտրական էֆեկտը: Պիրոէլեկտրականության մասին իրենց գիտելիքները համադրելը հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնման հետ առաջացրել է պիրոէլեկտրականության կանխատեսում և բյուրեղների վարքագիծը կանխատեսելու կարողություն: Դա ցույց տվեց բյուրեղների ազդեցությունը, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը: Նատրիումի կալիումի տարտրատ տետրահիդրատը և Ռոշելի աղի քվարցը դրսևորեցին պիեզոէլեկտրականություն, իսկ պիեզոէլեկտրական սկավառակը դեֆորմացման ժամանակ առաջացնում է լարում: Ձևի այս փոփոխությունը խիստ չափազանցված է Կյուրիների ցուցադրության մեջ:

Կյուրիները շարունակեցին ձեռք բերել պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում էլեկտրաէլաստո-մեխանիկական դեֆորմացիաների ամբողջական շրջելիության քանակական ապացույցներ։ Տասնամյակներ շարունակ պիեզոէլեկտրականությունը մնաց լաբորատոր հետաքրքրություն, մինչև այն դարձավ կենսական գործիք Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման գործում: Նրանց աշխատանքը՝ բացահայտելու և սահմանելու բյուրեղային կառուցվածքները, որոնք ցուցադրում էին պիեզոէլեկտրականություն, գագաթնակետին հասավ Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրատարակությամբ: Սա նկարագրեց բնական բյուրեղների դասերը, որոնք ընդունակ են պիեզոէլեկտրականություն և խստորեն սահմանեց պիեզոէլեկտրական հաստատունները թենզորային վերլուծության միջոցով:

Պիեզոէլեկտրականության այս գործնական կիրառումը հանգեցրեց առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ սոնարների զարգացմանը: Ֆրանսիայում Պոլ Լանգևինը և նրա գործընկերները մշակեցին ուլտրաձայնային սուզանավերի դետեկտոր: Դետեկտորը բաղկացած էր բարակ քվարց բյուրեղներից պատրաստված փոխարկիչից, որը խնամքով սոսնձված էր պողպատե թիթեղների վրա, որը կոչվում էր հիդրոֆոն՝ բարձր հաճախականության իմպուլս արձակելուց հետո վերադարձված արձագանքը հայտնաբերելու համար: Փոխակերպիչը չափեց այն ժամանակը, որը պահանջվեց լսելու ձայնային ալիքների արձագանքը, որոնք ցատկում էին առարկայից՝ հաշվարկելու օբյեկտի հեռավորությունը: Սոնարում պիեզոէլեկտրական էներգիայի օգտագործումը հաջողություն ունեցավ, և նախագիծը տասնամյակներ շարունակ ինտենսիվ զարգացում և հետաքրքրություն առաջացրեց պիեզոէլեկտրական սարքերի նկատմամբ:

Հետազոտվել և մշակվել են նոր պիեզոէլեկտրական նյութեր և այդ նյութերի նոր կիրառություններ, և պիեզոէլեկտրական սարքերը գտել են տներ բազմաթիվ ոլորտներում, ինչպիսիք են կերամիկական ֆոնոգրաֆիկ փամփուշտները, որոնք պարզեցրել են նվագարկչի դիզայնը և ստեղծել ավելի էժան, ճշգրիտ ձայնագրիչներ, որոնք ավելի էժան են և ավելի հեշտ է պահպանել: կառուցել. Զարգացումը

Էլեկտրական լիցքավորման հնագույն աղբյուր

Պիեզոէլեկտրականությունը էլեկտրական լիցքն է, որը կուտակվում է որոշակի պինդ նյութերում, ինչպիսիք են բյուրեղները, կերամիկաները և կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորը և ԴՆԹ-ն: Այն առաջանում է կիրառվող մեխանիկական սթրեսին նյութի արձագանքից: «Պիեզոէլեկտրականություն» բառը ծագել է հունարեն «piezein» բառից, որը նշանակում է «սեղմել կամ սեղմել», և «էլեկտրոն» բառից, որը նշանակում է «սաթ»՝ էլեկտրական լիցքի հնագույն աղբյուր։

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը առաջանում է բյուրեղային նյութերի մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցությունից՝ ինվերսիոն համաչափությամբ։ Դա շրջելի գործընթաց է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող նյութերը ցուցադրում են նաև հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որը կիրառական էլեկտրական դաշտից առաջացող մեխանիկական լարվածության ներքին առաջացումն է: Օրինակ, կապարի ցիրկոնատ տիտանատի բյուրեղները առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, երբ դրանց ստատիկ կառուցվածքը դեֆորմացվում է իր սկզբնական չափից: Ընդհակառակը, երբ արտաքին էլեկտրական դաշտը կիրառվում է, բյուրեղները փոխում են իրենց ստատիկ չափը հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտով, առաջացնելով ուլտրաձայնային ալիքներ:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը հայտնաբերվել է 1880 թվականին ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Ժակ և Պիեռ Կյուրիների կողմից։ Այն օգտագործվում է մի շարք օգտակար ծրագրերի համար, ներառյալ ձայնի արտադրությունն ու հայտնաբերումը, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրությունը, բարձր լարման էլեկտրաէներգիայի արտադրությունը, ժամացույցի գեներատորները և էլեկտրոնային սարքերը, ինչպիսիք են միկրոբալանսը և ուլտրաձայնային վարդակները՝ օպտիկական հավաքների ծայրահեղ նուրբ կենտրոնացման համար: Այն նաև հիմք է հանդիսանում զոնդային մանրադիտակների սկանավորման համար, որոնք օգտագործվում են ատոմների մասշտաբով պատկերները լուծելու համար։ Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է նաև էլեկտրոնային եղանակով ուժեղացված կիթառների պիկապներում և ժամանակակից էլեկտրոնային հարվածային գործիքների ձգաններում:

Պիեզոէլեկտրականությունը ամենօրյա կիրառություն է գտնում կայծեր առաջացնելու համար, որոնք գազ են վառում ճաշ պատրաստելու և տաքացնող սարքերում, ջահերում, ծխախոտի կրակայրիչներում և այլն: Պիրոէլեկտրական էֆեկտը, որը էլեկտրական պոտենցիալի արտադրությունն է՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության, ուսումնասիրվել է Կարլ Լինեուսի և Ֆրանց Էպինուսի կողմից 18-րդ դարի կեսերին՝ հենվելով Ռենե Հաուի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի գիտելիքների վրա, ովքեր առաջ քաշեցին մեխանիկական կապը։ սթրես և էլեկտրական լիցք: Այնուամենայնիվ, նրանց փորձերը անորոշ էին:

Շոտլանդիայի Հանթերյան թանգարանում պիեզո բյուրեղի և Կյուրիի փոխհատուցիչի տեսքը ցույց է տալիս ուղղակի պիեզոէլեկտրական էֆեկտը: Պիեռ և Ժակ Կյուրի եղբայրների աշխատանքն էր, որ ուսումնասիրեց և սահմանեց պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող բյուրեղային կառուցվածքները, ինչը ավարտվեց Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրատարակությամբ: Սա նկարագրում էր բնական բյուրեղների դասերը, որոնք ընդունակ են պիեզոէլեկտրականություն և խստորեն սահմանում էր պիեզոէլեկտրական հաստատունները թենզորային վերլուծության միջոցով՝ թույլ տալով պիեզոէլեկտրական սարքերի գործնական կիրառումը:

Sonar-ը մշակվել է Առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ ֆրանսիացի Պոլ Լանգևինի և նրա գործընկերների կողմից, ովքեր մշակել են ուլտրաձայնային սուզանավերի դետեկտոր: Դետեկտորը բաղկացած էր բարակ քվարց բյուրեղներից պատրաստված փոխակերպիչից, որոնք խնամքով սոսնձված էին պողպատե թիթեղների վրա, և հիդրոֆոնից՝ վերադարձված արձագանքը հայտնաբերելու համար։ Փոխարկիչից բարձր հաճախականության իմպուլս արձակելով և չափելով այն ժամանակը, որը պահանջվում է լսելու ձայնային ալիքների արձագանքը, որոնք ցատկում են առարկայից, նրանք կարողացան հաշվարկել մինչև օբյեկտ հեռավորությունը: Նրանք օգտագործել են պիեզոէլեկտրականություն՝ այս սոնարը հաջողության հասնելու համար: Նախագիծը տասնամյակներ շարունակ ինտենսիվ զարգացում և հետաքրքրություն առաջացրեց պիեզոէլեկտրական սարքերի նկատմամբ:

Պիրոէլեկտրականություն

Պիեզոէլեկտրականությունը որոշակի նյութերի կարողությունն է՝ կուտակել էլեկտրական լիցք՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: Այն բյուրեղային նյութերի մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցություն է՝ ինվերսիայի համաչափությամբ։ «Պիեզոէլեկտրականություն» բառը ծագել է հունարեն «piezein» բառից, որը նշանակում է «սեղմել կամ սեղմել», և հունարեն «ēlektron» բառից, որը նշանակում է «սաթ», հնագույն էլեկտրական լիցքի աղբյուր։

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը հայտնաբերվել է ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Ժակ և Պիեռ Կյուրիների կողմից 1880 թվականին: Դա շրջելի գործընթաց է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ ցուցադրող նյութերը ցուցադրում են նաև հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որը կիրառական էլեկտրական դաշտի արդյունքում առաջացող մեխանիկական լարման ներքին առաջացումն է: Նյութերի օրինակներ, որոնք առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, ներառում են կապարի ցիրկոնատ տիտանատ բյուրեղները: Երբ ստատիկ կառուցվածքը դեֆորմացվում է, այն վերադառնում է իր սկզբնական չափմանը: Եվ հակառակը, երբ արտաքին էլեկտրական դաշտ է կիրառվում, առաջանում է հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որի արդյունքում առաջանում են ուլտրաձայնային ալիքներ:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը օգտագործվում է բազմաթիվ օգտակար ծրագրերի համար, այդ թվում՝ ձայնի արտադրության և հայտնաբերման, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրության, բարձր լարման էլեկտրականության, ժամացույցի գեներատորների և էլեկտրոնային սարքերի, ինչպիսիք են միկրոբալանսը, շարժիչ ուլտրաձայնային վարդակները և չափազանց նուրբ կենտրոնացման օպտիկական հավաքները: Այն նաև հիմք է հանդիսանում զոնդային մանրադիտակների սկանավորման համար, որոնք օգտագործվում են ատոմների մասշտաբով պատկերները լուծելու համար։ Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է նաև էլեկտրոնային եղանակով ուժեղացված կիթառների պիկապներում, իսկ ժամանակակից էլեկտրոնային թմբուկների համար տրիգերները:

Պիեզոէլեկտրականությունը գտնում է ամենօրյա կիրառություն, ինչպես, օրինակ, կերակուր պատրաստելու և տաքացնող սարքերի, ջահերի, ծխախոտի կրակայրիչների և այլնի մեջ գազի բռնկման համար կայծեր առաջացնելը: Պիրոէլեկտրական էֆեկտը, որն իրենից ներկայացնում է էլեկտրական ներուժի արտադրություն՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության, ուսումնասիրվել է Կարլ Լինեուսի և Ֆրանց Էպինուսի կողմից 18-րդ դարի կեսերին՝ հիմնվելով Ռենե Հաուի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի գիտելիքների վրա, ովքեր իրենց հարաբերություններն էին առաջադրում։ մեխանիկական սթրեսի և էլեկտրական լիցքի միջև: Այնուամենայնիվ, փորձերը անորոշ էին։

Շոտլանդիայի Curie Compensator թանգարանում պիեզո բյուրեղի տեսքը ուղղակի պիեզոէլեկտրական էֆեկտի ցուցադրումն է: Եղբայրները՝ Պիեռ և Ժակ Կյուրիները, համատեղեցին պիրոէլեկտրականության մասին իրենց գիտելիքները և հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնումը, որպեսզի առաջացնեն պիրոէլեկտրականության ըմբռնում և կանխատեսել բյուրեղների վարքագիծը: Դա ապացուցվեց բյուրեղների ազդեցությամբ, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը: Պարզվել է, որ նատրիումի կալիումի տարտրատ տետրահիդրատը և քվարցը դրսևորում են պիեզոէլեկտրականություն, իսկ պիեզոէլեկտրական սկավառակը օգտագործվել է դեֆորմացման ժամանակ լարման առաջացման համար: Սա խիստ ուռճացված էր Կյուրիների կողմից՝ կանխատեսելու հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը: Հակադարձ էֆեկտը մաթեմատիկորեն հանգեցրել է Գաբրիել Լիպմանի հիմնարար թերմոդինամիկական սկզբունքներին 1881 թ.

Կյուրիները անմիջապես հաստատեցին հակադարձ էֆեկտի առկայությունը և շարունակեցին ձեռք բերել քանակական ապացույց պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում էլեկտրաէլաստո-մեխանիկական դեֆորմացիաների ամբողջական շրջելիության վերաբերյալ: Հետագա տասնամյակներում պիեզոէլեկտրականությունը մնաց լաբորատոր հետաքրքրության առարկա, մինչև այն դարձավ կենսական գործիք Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման գործում: Նրանց աշխատանքը՝ բացահայտելու և սահմանելու բյուրեղային կառուցվածքները, որոնք ցուցադրում էին պիեզոէլեկտրականություն, գագաթնակետին հասավ Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրատարակությամբ:

Սոնար-ի մշակումը հաջողություն ունեցավ, և նախագիծը բուռն զարգացում և հետաքրքրություն առաջացրեց պիեզոէլեկտրական սարքերի նկատմամբ: Հետագա տասնամյակների ընթացքում ուսումնասիրվեցին և մշակվեցին նոր պիեզոէլեկտրական նյութեր և այդ նյութերի նոր կիրառություններ: Պիեզոէլեկտրական սարքերը գտել են տներ բազմաթիվ ոլորտներում, ինչպիսիք են կերամիկական ֆոնոգրաֆիկ քարթրիջները, որոնք պարզեցրել են նվագարկչի դիզայնը և ստեղծել են ավելի էժան, ճշգրիտ ձայնագրիչներ, որոնք ավելի էժան են պահպանելու և ավելի հեշտ է կառուցել: Ուլտրաձայնային փոխարկիչների մշակումը թույլ տվեց հեշտ չափել հեղուկների և պինդ մարմինների մածուցիկությունը և առաձգականությունը, ինչը հանգեցրեց նյութերի հետազոտության հսկայական առաջընթացի: Ուլտրաձայնային ժամանակի տիրույթի ռեֆլեկտաչափերը ուլտրաձայնային իմպուլս են ուղարկում նյութի մեջ և չափում արտացոլումները և ընդհատումները՝ մետաղական և քարե առարկաների ներսում թերություններ գտնելու համար՝ բարելավելով կառուցվածքի անվտանգությունը:

Երկրորդ համաշխարհային պատերազմից հետո ԱՄՆ-ում, Ռուսաստանում և Ճապոնիայում անկախ հետազոտական ​​խմբերը հայտնաբերեցին սինթետիկ նյութերի նոր դաս, որը կոչվում էր ֆերոէլեկտրիկներ, որոնք ցուցադրում էին պիեզոէլեկտրական հաստատուններ, որոնք

Պիեզոէլեկտրական նյութեր

Այս բաժնում ես կքննարկեմ այն ​​նյութերը, որոնք ցուցադրում են պիեզոէլեկտրական էֆեկտը, որը որոշակի նյութերի կարողությունն է կուտակել էլեկտրական լիցքը՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: Ես կդիտարկեմ բյուրեղները, կերամիկան, կենսաբանական նյութը, ոսկորները, ԴՆԹ-ն և սպիտակուցները, և թե ինչպես են դրանք բոլորն արձագանքում պիեզոէլեկտրական էֆեկտին:

բյուրեղներ

Պիեզոէլեկտրականությունը որոշակի նյութերի կարողությունն է՝ կուտակել էլեկտրական լիցք՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: Պիեզոէլեկտրականություն բառը ծագել է հունարեն πιέζειν (piezein) բառերից, որոնք նշանակում են «սեղմել» կամ «սեղմել» և ἤλεκτρον (ēlektron), որը նշանակում է «սաթ», հնագույն էլեկտրական լիցքի աղբյուր։ Պիեզոէլեկտրական նյութերը ներառում են բյուրեղներ, կերամիկա, կենսաբանական նյութեր, ոսկորներ, ԴՆԹ և սպիտակուցներ:

Պիեզոէլեկտրականությունը բյուրեղային նյութերում մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցություն է ինվերսիայի համաչափությամբ: Այս էֆեկտը շրջելի է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրականություն ցուցադրող նյութերը նույնպես ցուցադրում են հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը, որը կիրառական էլեկտրական դաշտից առաջացող մեխանիկական լարվածության ներքին առաջացումն է: Նյութերի օրինակները, որոնք առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, ներառում են կապարի ցիրկոնատ տիտանատ բյուրեղները, որոնք կարող են դեֆորմացվել իրենց սկզբնական չափսերին կամ հակառակը փոխել իրենց ստատիկ չափերը, երբ արտաքին էլեկտրական դաշտը կիրառվի: Սա հայտնի է որպես հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ և օգտագործվում է ուլտրաձայնային ալիքներ արտադրելու համար:

Ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Ժակ և Պիեռ Կյուրին հայտնաբերել են պիեզոէլեկտրականությունը 1880 թվականին: Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը օգտագործվել է մի շարք օգտակար կիրառությունների համար, այդ թվում՝ ձայնի արտադրության և հայտնաբերման, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրության, բարձր լարման էլեկտրականության, ժամացույցի գեներատորների և էլեկտրոնային սարքերի արտադրության համար: որպես միկրոբալանսներ, շարժիչ ուլտրաձայնային վարդակներ և չափազանց նուրբ կենտրոնացման օպտիկական հավաքներ: Այն նաև հիմք է հանդիսանում զոնդերի մանրադիտակների սկանավորման համար, որոնք օգտագործվում են ատոմների մասշտաբով պատկերները լուծելու համար։ Պիեզոէլեկտրական պիկապները օգտագործվում են նաև էլեկտրոնային եղանակով ուժեղացված կիթառներում և ժամանակակից էլեկտրոնային հարվածային գործիքներում:

Պիեզոէլեկտրաէներգիան ամենօրյա օգտագործում է կերակուր պատրաստելու և տաքացնող սարքերում, ինչպես նաև ջահերում և ծխախոտի կրակայրիչներում գազի բռնկման համար կայծ առաջացնելու համար: Պիրոէլեկտրական էֆեկտը, որը էլեկտրական ներուժի առաջացումն է՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության, ուսումնասիրվել է Կարլ Լինեուսի և Ֆրանց Էպինուսի կողմից 18-րդ դարի կեսերին՝ հենվելով Ռենե Հաուի և Անտուան ​​Սեզար Բեքերելի գիտելիքների վրա, ովքեր ենթադրում էին մեխանիկական կապը: սթրես և էլեկտրական լիցք: Այս տեսությունն ապացուցելու փորձերը վերջնական չէին:

Շոտլանդիայի Հանթերյան թանգարանի Կյուրիի կոմպենսատորում պիեզո բյուրեղի տեսքը ուղղակի պիեզոէլեկտրական էֆեկտի ցուցադրումն է: Պիեռ և Ժակ Կյուրի եղբայրները համատեղեցին պիրոէլեկտրականության մասին իրենց գիտելիքները հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնման հետ՝ առաջացնելով պիրոէլեկտրականության կանխատեսումը: Նրանք կարողացան կանխատեսել բյուրեղների վարքը և ցույց տվեցին ազդեցությունը բյուրեղների վրա, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը: Նատրիումի կալիումի տարտրատ տետրահիդրատը և քվարցը նույնպես դրսևորեցին պիեզոէլեկտրականություն: Պիեզոէլեկտրական սկավառակը դեֆորմացման ժամանակ առաջացնում է լարում. Կյուրիների ցուցադրության մեջ ձևի փոփոխությունը խիստ չափազանցված է:

Նրանք կարողացան նաև կանխատեսել հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը և մաթեմատիկորեն եզրակացնել դրա հիմքում ընկած հիմնարար թերմոդինամիկական սկզբունքները: Գաբրիել Լիպմանը դա արեց 1881 թվականին: Կյուրիները անմիջապես հաստատեցին հակադարձ էֆեկտի գոյությունը և շարունակեցին ձեռք բերել քանակական ապացույցներ պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում էլեկտրաէլաստո-մեխանիկական դեֆորմացիաների ամբողջական շրջելիության վերաբերյալ:

Տասնամյակներ շարունակ պիեզոէլեկտրականությունը մնում էր լաբորատոր հետաքրքրություն, սակայն այն կենսական գործիք էր Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման գործում: Պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող բյուրեղային կառուցվածքները ուսումնասիրելու և սահմանելու նրանց աշխատանքը ավարտվեց Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրապարակմամբ, որը նկարագրում էր բնական բյուրեղների դասերը, որոնք կարող են պիեզոէլեկտրականություն և խստորեն սահմանում էր պիեզոէլեկտրական հաստատունների վերլուծությունը:

Սոնարում պիեզոէլեկտրական սարքերի գործնական կիրառումը մշակվել է Առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ: Ֆրանսիայում Պոլ Լանգևինը և նրա գործընկերները մշակել են ուլտրաձայնային սուզանավերի դետեկտոր: Այս դետեկտորը բաղկացած էր բարակ քվարց բյուրեղներից պատրաստված փոխարկիչից, որը խնամքով սոսնձված էր պողպատե թիթեղների վրա, որը կոչվում է հիդրոֆոն, բարձր հաճախականության իմպուլս արձակելուց հետո վերադարձված արձագանքը հայտնաբերելու համար: Չափելով այն ժամանակը, որը պահանջվում է լսելու ձայնային ալիքների արձագանքը, որոնք ցատկում են առարկայից, նրանք կարողացան հաշվարկել մինչև օբյեկտ հեռավորությունը: Պիեզոէլեկտրական էներգիայի այս օգտագործումը սոնարում հաջողություն ունեցավ, և նախագիծը տասնամյակների ընթացքում ինտենսիվ զարգացում և հետաքրքրություն առաջացրեց պիեզոէլեկտրական սարքերի նկատմամբ:

խեցեգործություն

Պիեզոէլեկտրական նյութերը պինդ մարմիններ են, որոնք կուտակում են էլեկտրական լիցք՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի։ Պիեզոէլեկտրականությունը ծագել է հունարեն πιέζειν (piezein) բառերից, որոնք նշանակում են «սեղմել» կամ «սեղմել» և ἤλεκτρον (ēlektron), որը նշանակում է «սաթ»՝ էլեկտրական լիցքի հնագույն աղբյուր։ Պիեզոէլեկտրական նյութերն օգտագործվում են մի շարք ծրագրերում, ներառյալ ձայնի արտադրությունն ու հայտնաբերումը, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրությունը և բարձր լարման էլեկտրաէներգիայի արտադրությունը:

Պիեզոէլեկտրական նյութերը հայտնաբերված են բյուրեղներում, կերամիկաներում, կենսաբանական նյութերում, ոսկորներում, ԴՆԹ-ում և սպիտակուցներում։ Կերամիկան ամենատարածված պիեզոէլեկտրական նյութերն են, որոնք օգտագործվում են առօրյա կյանքում: Կերամիկան պատրաստվում է մետաղական օքսիդների համակցությունից, ինչպիսին է կապարի ցիրկոնատ տիտանատը (PZT), որոնք տաքացվում են բարձր ջերմաստիճանների մեջ՝ ձևավորելով պինդ նյութ: Կերամիկան շատ դիմացկուն է և կարող է դիմակայել ծայրահեղ ջերմաստիճաններին և ճնշումներին:

Պիեզոէլեկտրական կերամիկան ունի մի շարք կիրառումներ, այդ թվում՝

• Կայծերի առաջացում՝ գազը կերակուր պատրաստելու և տաքացնող սարքերի համար, ինչպիսիք են ջահերը և ծխախոտի կրակայրիչները:
• Բժշկական պատկերավորման համար ուլտրաձայնային ալիքների առաջացում:
• Ժամացույցի գեներատորների և էլեկտրոնային սարքերի համար բարձր լարման էլեկտրաէներգիայի արտադրություն:
• Ճշգրիտ կշռման մեջ օգտագործելու համար միկրոբալանսի ստեղծում:
• Ուլտրաձայնային վարդակներ վարելը օպտիկական հավաքույթների ծայրահեղ նուրբ կենտրոնացման համար:
• Հիմք ստեղծելով զոնդային մանրադիտակների սկանավորման համար, որոնք կարող են լուծել պատկերները ատոմների մասշտաբով:
• Էլեկտրոնային ուժեղացված կիթառների պիկապներ և ժամանակակից էլեկտրոնային հարվածային գործիքների ձգան:

Պիեզոէլեկտրական կերամիկան օգտագործվում է կիրառությունների լայն շրջանակում՝ սպառողական էլեկտրոնիկայից մինչև բժշկական պատկերներ: Նրանք շատ դիմացկուն են և կարող են դիմակայել ծայրահեղ ջերմաստիճաններին և ճնշումներին, ինչը նրանց դարձնում է իդեալական տարբեր ոլորտներում օգտագործելու համար:

Կենսաբանական նյութ

Պիեզոէլեկտրականությունը որոշակի նյութերի կարողությունն է՝ կուտակել էլեկտրական լիցք՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: Այն առաջացել է հունարեն «piezein» բառից, որը նշանակում է «սեղմել կամ սեղմել» և «ēlektron»՝ «սաթ»՝ էլեկտրական լիցքի հնագույն աղբյուրից։

Կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորները, ԴՆԹ-ն և սպիտակուցները, պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող նյութերից են: Այս էֆեկտը շրջելի է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրականություն ցուցադրող նյութերը ցուցադրում են նաև հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որը կիրառական էլեկտրական դաշտից առաջացող մեխանիկական լարման ներքին առաջացումն է: Այս նյութերի օրինակները ներառում են կապարի ցիրկոնատ տիտանատի բյուրեղները, որոնք առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, երբ դրանց ստատիկ կառուցվածքը դեֆորմացվում է իր սկզբնական չափից: Ընդհակառակը, երբ արտաքին էլեկտրական դաշտ է կիրառվում, բյուրեղները փոխում են իրենց ստատիկ հարթությունը՝ հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտի միջոցով առաջացնելով ուլտրաձայնային ալիքներ:

Պիեզոէլեկտրականության հայտնաբերումը կատարվել է ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Ժակ և Պիեռ Կյուրիների կողմից 1880 թվականին: Այն ժամանակից ի վեր այն օգտագործվել է մի շարք օգտակար կիրառությունների համար, ինչպիսիք են.

• Ձայնի արտադրություն և հայտնաբերում
• Պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրություն
• Բարձր լարման էլեկտրաէներգիայի արտադրություն
• Ժամացույցի գեներատոր
• Էլեկտրոնային սարքեր
• Միկրոբալանսներ
• Ուլտրաձայնային վարդակներ վարել
• Գերմանրակենտրոն օպտիկական հավաքույթներ
• Սկանավորման զոնդային մանրադիտակների հիմքն է
• Պատկերները լուծել ատոմների մասշտաբով
• Պիկապներ էլեկտրոնային եղանակով ուժեղացված կիթառներով
• Ժամանակակից էլեկտրոնային թմբուկների ձգանները

Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է նաև առօրյա իրերում, ինչպիսիք են գազի պատրաստման և ջեռուցման սարքերը, ջահերը, ծխախոտի կրակայրիչները և այլն: Պիրոէլեկտրական էֆեկտը, որը էլեկտրական ներուժի արտադրությունն է՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության, ուսումնասիրվել է Կարլ Լիննեուսի և Ֆրանց Էպինուսի կողմից 18-րդ դարի կեսերին։ Հիմք ընդունելով Ռենե Հաուի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի գիտելիքները՝ նրանք հայտնաբերեցին կապ մեխանիկական սթրեսի և էլեկտրական լիցքի միջև, սակայն նրանց փորձերը անորոշ էին:

Շոտլանդիայի Հանթերյան թանգարանի Curie Compensator-ում պիեզո բյուրեղի տեսքը ուղղակի պիեզոէլեկտրական էֆեկտի ցուցադրումն է: Եղբայրները՝ Պիեռ և Ժակ Կյուրիները, միավորեցին պիրոէլեկտրականության մասին իրենց գիտելիքները և հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնումը, որպեսզի առաջացնեն պիրոէլեկտրականության կանխատեսումը և բյուրեղների վարքը կանխատեսելու համար: Դա ցույց տվեց բյուրեղների ազդեցությունը, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը: Նատրիումի և կալիումի տարտրատ տետրահիդրատը և քվարցը նույնպես դրսևորեցին պիեզոէլեկտրականություն, և պիեզոէլեկտրական սկավառակը օգտագործվեց դեֆորմացման ժամանակ լարման առաջացման համար: Այս էֆեկտը խիստ ուռճացված էր Կյուրիների կողմից՝ կանխատեսելու հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը: Հակադարձ էֆեկտը մաթեմատիկորեն դուրս է բերվել Գաբրիել Լիպմանի հիմնարար թերմոդինամիկական սկզբունքներից 1881 թվականին։

Կյուրիները անմիջապես հաստատեցին հակադարձ էֆեկտի առկայությունը և շարունակեցին ձեռք բերել քանակական ապացույց պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում էլեկտրաէլաստո-մեխանիկական դեֆորմացիաների ամբողջական շրջելիության վերաբերյալ: Տասնամյակներ շարունակ պիեզոէլեկտրականությունը մնաց լաբորատոր հետաքրքրություն, մինչև այն դարձավ կենսական գործիք Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման գործում: Նրանց աշխատանքը՝ բացահայտելու և սահմանելու բյուրեղային կառուցվածքները, որոնք ցուցադրում էին պիեզոէլեկտրականություն, գագաթնակետին հասավ Վոլդեմար Ֆոյգտի «Lehrbuch der Kristallphysik» (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրապարակմամբ:

Ոսկոր

Պիեզոէլեկտրականությունը որոշակի նյութերի կարողությունն է՝ կուտակել էլեկտրական լիցք՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: Ոսկորը նման նյութերից մեկն է, որն արտահայտում է այս երեւույթը:

Ոսկորը կենսաբանական նյութի մի տեսակ է, որը բաղկացած է սպիտակուցներից և հանքանյութերից, ներառյալ կոլագենը, կալցիումը և ֆոսֆորը: Այն բոլոր կենսաբանական նյութերից ամենապիեզոէլեկտրականն է և ունակ է առաջացնել լարում, երբ ենթարկվում է մեխանիկական սթրեսի:

Ոսկրում պիեզոէլեկտրական ազդեցությունը նրա յուրահատուկ կառուցվածքի արդյունք է: Այն կազմված է կոլագենային մանրաթելերի ցանցից, որոնք ներկառուցված են հանքանյութերի մատրիցայում: Երբ ոսկորը ենթարկվում է մեխանիկական սթրեսի, կոլագենի մանրաթելերը շարժվում են՝ պատճառ դառնալով հանքանյութերի բևեռացման և էլեկտրական լիցք առաջացնելու։

Ոսկրում պիեզոէլեկտրական էֆեկտը մի շարք գործնական կիրառություններ ունի։ Այն օգտագործվում է բժշկական պատկերազարդման մեջ, ինչպիսիք են ուլտրաձայնային և ռենտգեն պատկերումը, ոսկորների կոտրվածքները և այլ աննորմալությունները հայտնաբերելու համար: Այն նաև օգտագործվում է ոսկրային հաղորդակցման լսողական սարքերում, որոնք օգտագործում են պիեզոէլեկտրական էֆեկտը ձայնային ալիքները էլեկտրական ազդանշանների վերածելու համար, որոնք ուղղակիորեն ուղարկվում են ներքին ականջին:

Ոսկորում պիեզոէլեկտրական էֆեկտն օգտագործվում է նաև օրթոպեդիկ իմպլանտների մեջ, ինչպիսիք են արհեստական ​​հոդերը և վերջույթների պրոթեզը: Իմպլանտներն օգտագործում են պիեզոէլեկտրական էֆեկտը՝ մեխանիկական էներգիան էլեկտրական էներգիայի փոխակերպելու համար, որն այնուհետև օգտագործվում է սարքը սնուցելու համար:

Բացի այդ, ուսումնասիրվում է ոսկրում պիեզոէլեկտրական էֆեկտը՝ նոր բժշկական բուժումների մշակման համար օգտագործելու համար: Օրինակ, հետազոտողները ուսումնասիրում են պիեզոէլեկտրական էներգիայի օգտագործումը ոսկրերի աճը խթանելու և վնասված հյուսվածքը վերականգնելու համար:

Ընդհանուր առմամբ, ոսկորներում պիեզոէլեկտրական էֆեկտը հետաքրքրաշարժ երևույթ է, որն ունի գործնական կիրառությունների լայն շրջանակ: Այն օգտագործվում է մի շարք բժշկական և տեխնոլոգիական կիրառություններում և ուսումնասիրվում է նոր բուժման մշակման համար օգտագործելու համար:

ԴՆԹ -

Պիեզոէլեկտրականությունը որոշակի նյութերի կարողությունն է՝ կուտակել էլեկտրական լիցք՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: ԴՆԹ-ն այդպիսի նյութերից մեկն է, որն արտահայտում է այս ազդեցությունը: ԴՆԹ-ն կենսաբանական մոլեկուլ է, որը գտնվում է բոլոր կենդանի օրգանիզմներում և կազմված է չորս նուկլեոտիդային հիմքերից՝ ադենին (A), գուանին (G), ցիտոզին (C) և թիմին (T):

ԴՆԹ-ն բարդ մոլեկուլ է, որը կարող է օգտագործվել էլեկտրական լիցք առաջացնելու համար, երբ ենթարկվում է մեխանիկական սթրեսի: Դա պայմանավորված է նրանով, որ ԴՆԹ-ի մոլեկուլները կազմված են նուկլեոտիդների երկու շղթաներից, որոնք իրար են պահում ջրածնային կապերով։ Երբ այդ կապերը կոտրվում են, առաջանում է էլեկտրական լիցք:

ԴՆԹ-ի պիեզոէլեկտրական էֆեկտը օգտագործվել է տարբեր կիրառություններում, այդ թվում՝

• Բժշկական իմպլանտների համար էլեկտրաէներգիայի արտադրություն
• Բջիջներում մեխանիկական ուժերի հայտնաբերում և չափում
• Նանոմաշտաբի սենսորների մշակում
• ԴՆԹ-ի հաջորդականության բիոսենսորների ստեղծում
• Պատկերման համար ուլտրաձայնային ալիքների առաջացում

ԴՆԹ-ի պիեզոէլեկտրական էֆեկտը նույնպես ուսումնասիրվում է նոր նյութերի, ինչպիսիք են նանոհաղորդալարերը և նանոխողովակները, դրա պոտենցիալ օգտագործման համար: Այս նյութերը կարող են օգտագործվել մի շարք ծրագրերի համար, ներառյալ էներգիայի պահպանման և ընկալման համար:

ԴՆԹ-ի պիեզոէլեկտրական ազդեցությունը լայնորեն ուսումնասիրվել է և պարզվել է, որ այն շատ զգայուն է մեխանիկական սթրեսի նկատմամբ: Սա այն դարձնում է արժեքավոր գործիք հետազոտողների և ինժեներների համար, ովքեր ձգտում են զարգացնել նոր նյութեր և տեխնոլոգիաներ:

Եզրափակելով, ԴՆԹ-ն նյութ է, որն արտահայտում է պիեզոէլեկտրական էֆեկտը, որը էլեկտրական լիցք կուտակելու ունակությունն է՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: Այս էֆեկտն օգտագործվել է տարբեր ծրագրերում, ներառյալ բժշկական իմպլանտները, նանոմաշտաբի սենսորները և ԴՆԹ-ի հաջորդականությունը: Այն նաև ուսումնասիրվում է նոր նյութերի մշակման համար, ինչպիսիք են նանոլարերը և նանոխողովակները, դրա պոտենցիալ օգտագործման համար:

Սպիտակուցներ

Պիեզոէլեկտրականությունը որոշակի նյութերի կարողությունն է՝ կուտակել էլեկտրական լիցք՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: Պիեզոէլեկտրական նյութերը, ինչպիսիք են սպիտակուցները, բյուրեղները, կերամիկաները և կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորը և ԴՆԹ-ն, ցուցադրում են այս ազդեցությունը: Սպիտակուցները, մասնավորապես, յուրահատուկ պիեզոէլեկտրական նյութ են, քանի որ դրանք կազմված են ամինաթթուների բարդ կառուցվածքից, որոնք կարող են դեֆորմացվել էլեկտրական լիցք առաջացնելու համար։

Սպիտակուցները պիեզոէլեկտրական նյութի ամենաառատ տեսակն են, և դրանք հայտնաբերված են տարբեր ձևերով: Նրանք կարող են հայտնաբերվել ֆերմենտների, հորմոնների և հակամարմինների տեսքով, ինչպես նաև կառուցվածքային սպիտակուցների տեսքով, ինչպիսիք են կոլագենը և կերատինը: Սպիտակուցները հայտնաբերված են նաև մկանային սպիտակուցների տեսքով, որոնք պատասխանատու են մկանների կծկման և թուլացման համար:

Սպիտակուցների պիեզոէլեկտրական ազդեցությունը պայմանավորված է նրանով, որ դրանք կազմված են ամինաթթուների բարդ կառուցվածքից։ Երբ այս ամինաթթուները դեֆորմացվում են, դրանք առաջացնում են էլեկտրական լիցք: Այնուհետև այս էլեկտրական լիցքը կարող է օգտագործվել տարբեր սարքերի, օրինակ՝ սենսորների և ակտուատորների սնուցման համար:

Սպիտակուցները օգտագործվում են նաև տարբեր բժշկական կիրառություններում: Օրինակ՝ դրանք օգտագործվում են օրգանիզմում որոշակի սպիտակուցների առկայությունը հայտնաբերելու համար, որոնք կարող են օգտագործվել հիվանդությունների ախտորոշման համար։ Դրանք նաև օգտագործվում են որոշ բակտերիաների և վիրուսների առկայությունը հայտնաբերելու համար, որոնք կարող են օգտագործվել վարակների ախտորոշման համար:

Սպիտակուցները օգտագործվում են նաև մի շարք արդյունաբերական կիրառություններում: Օրինակ, դրանք օգտագործվում են տարբեր արդյունաբերական գործընթացների համար սենսորներ և շարժիչներ ստեղծելու համար: Դրանք նաև օգտագործվում են նյութեր ստեղծելու համար, որոնք կարող են օգտագործվել ինքնաթիռների և այլ մեքենաների կառուցման մեջ:

Եզրափակելով, սպիտակուցները եզակի պիեզոէլեկտրական նյութ են, որը կարող է օգտագործվել տարբեր ծրագրերում: Դրանք կազմված են ամինաթթուների բարդ կառուցվածքից, որոնք կարող են դեֆորմացվել էլեկտրական լիցք առաջացնելու համար, և դրանք օգտագործվում են բժշկական և արդյունաբերական մի շարք ծրագրերում:

Էներգիայի հավաքում պիեզոէլեկտրական էներգիայով

Այս բաժնում ես կքննարկեմ, թե ինչպես կարելի է պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործել էներգիա հավաքելու համար: Ես կդիտարկեմ պիեզոէլեկտրականության տարբեր կիրառությունները՝ պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրությունից մինչև ժամացույցի գեներատորներ և միկրոբալանսը: Ես նաև կուսումնասիրեմ պիեզոէլեկտրականության պատմությունը՝ Պիեռ Կյուրիի կողմից դրա հայտնաբերումից մինչև Երկրորդ համաշխարհային պատերազմում դրա օգտագործումը: Ի վերջո, ես կքննարկեմ պիեզոէլեկտրական արդյունաբերության ներկա վիճակը և հետագա աճի ներուժը:

Պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրություն

Պիեզոէլեկտրականությունը որոշակի նյութերի կարողությունն է՝ առաջացնել էլեկտրական լիցք՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: «Պիեզոէլեկտրականություն» բառը ծագել է հունարեն «piezein» (սեղմել կամ սեղմել) և «elektron» (սաթ) բառերից, որը հնագույն էլեկտրական լիցքի աղբյուր է։ Պիեզոէլեկտրական նյութերը, ինչպիսիք են բյուրեղները, կերամիկաները և կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորը և ԴՆԹ-ն, օգտագործվում են տարբեր կիրառություններում:

Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է բարձր լարման էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար, որպես ժամացույցի գեներատոր, էլեկտրոնային սարքերում և միկրոբալանսի մեջ։ Այն նաև օգտագործվում է ուլտրաձայնային վարդակներ և ծայրահեղ նուրբ կենտրոնացման օպտիկական հավաքներ վարելու համար: Պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրությունը այս տեխնոլոգիայի հայտնի կիրառությունն է: Սա տպագրության տեսակ է, որն օգտագործում է պիեզոէլեկտրական բյուրեղներ՝ բարձր հաճախականության թրթռում առաջացնելու համար, որն օգտագործվում է թանաքի կաթիլները էջի վրա թափելու համար:

Պիեզոէլեկտրականության հայտնաբերումը սկսվում է 1880 թվականին, երբ ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Ժակ և Պիեռ Կյուրիները հայտնաբերեցին այդ էֆեկտը։ Այդ ժամանակից ի վեր, պիեզոէլեկտրական էֆեկտը օգտագործվել է մի շարք օգտակար ծրագրերի համար: Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է ամենօրյա պարագաներում, ինչպիսիք են գազի պատրաստման և ջեռուցման սարքերը, ջահերը, ծխախոտի կրակայրիչները և էլեկտրոնային ուժեղացված կիթառների պիկապները և ժամանակակից էլեկտրոնային հարվածային գործիքների ձգանները:

Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է նաև գիտական ​​հետազոտություններում։ Այն հիմք է հանդիսանում զոնդերի մանրադիտակների սկանավորման համար, որոնք օգտագործվում են ատոմների մասշտաբով պատկերները լուծելու համար։ Այն նաև օգտագործվում է ուլտրաձայնային ժամանակի տիրույթի ռեֆլեկտաչափերում, որոնք ուլտրաձայնային իմպուլսներ են ուղարկում նյութի մեջ և չափում արտացոլումները՝ հայտնաբերելու ընդհատումները և հայտնաբերելու թերությունները մետաղական և քարե առարկաների ներսում:

Պիեզոէլեկտրական սարքերի և նյութերի զարգացումը պայմանավորված է ավելի լավ կատարողականությամբ և ավելի հեշտ արտադրական գործընթացներով: Միացյալ Նահանգներում առևտրային օգտագործման համար քվարց բյուրեղների մշակումը պիեզոէլեկտրական արդյունաբերության աճի հիմնական գործոնն է: Ի հակադրություն, ճապոնական արտադրողները կարողացել են արագորեն փոխանակել տեղեկատվությունը և մշակել նոր հավելվածներ՝ հանգեցնելով ճապոնական շուկայում արագ աճի:

Պիեզոէլեկտրականությունը հեղափոխել է էներգիայի օգտագործման եղանակը՝ սկսած առօրյա իրերից, ինչպիսիք են կրակայրիչները մինչև առաջադեմ գիտական ​​հետազոտություններ: Այն բազմակողմանի տեխնոլոգիա է, որը մեզ հնարավորություն է տվել ուսումնասիրել և մշակել նոր նյութեր և հավելվածներ, և այն կշարունակի մնալ մեր կյանքի կարևոր մասը գալիք տարիներ:

Բարձրավոլտ էլեկտրաէներգիայի արտադրություն

Պիեզոէլեկտրականությունը որոշակի պինդ նյութերի կարողությունն է՝ կուտակելու էլեկտրական լիցք՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: «Պիեզոէլեկտրականություն» բառը ծագել է հունարեն «piezein» բառերից, որը նշանակում է «սեղմել» կամ «սեղմել» և «ēlektron» նշանակում է «սաթ»՝ էլեկտրական լիցքի հնագույն աղբյուր։ Պիեզոէլեկտրականությունը բյուրեղային նյութերում մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցություն է ինվերսիայի համաչափությամբ:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը շրջելի գործընթաց է. Պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող նյութերը նաև ցուցադրում են հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ՝ կիրառական էլեկտրական դաշտից առաջացող մեխանիկական լարման ներքին առաջացում: Օրինակ, կապարի ցիրկոնատ տիտանատի բյուրեղները առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, երբ դրանց ստատիկ կառուցվածքը դեֆորմացվում է իր սկզբնական չափից: Ընդհակառակը, բյուրեղները կարող են փոխել իրենց ստատիկ չափը, երբ կիրառվում է արտաքին էլեկտրական դաշտ, մի երևույթ, որը հայտնի է որպես հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որն օգտագործվում է ուլտրաձայնային ալիքների արտադրության մեջ:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտն օգտագործվում է մի շարք ծրագրերում, ներառյալ բարձր լարման էլեկտրաէներգիայի արտադրությունը: Պիեզոէլեկտրական նյութերն օգտագործվում են ձայնի արտադրության և հայտնաբերման, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրության, ժամացույցի գեներատորների, էլեկտրոնային սարքերի, միկրոբալանսների, շարժիչի ուլտրաձայնային վարդակների և չափազանց նուրբ կենտրոնացման օպտիկական հավաքների մեջ:

Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է նաև առօրյա կիրառություններում, ինչպիսիք են խոհարարության և ջեռուցման սարքերում գազի բռնկման համար կայծեր առաջացնելը, ջահերը, ծխախոտի կրակայրիչները և պիրոէլեկտրական ազդեցության նյութերը, որոնք առաջացնում են էլեկտրական ներուժ՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության: Այս էֆեկտն ուսումնասիրվել է Կարլ Լինեուսի և Ֆրանց Էպինուսի կողմից 18-րդ դարի կեսերին՝ հիմնվելով Ռենե Հաուի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի գիտելիքների վրա, ովքեր կապ են հաստատել մեխանիկական սթրեսի և էլեկտրական լիցքի միջև, թեև նրանց փորձերը անորոշ են եղել:

Պիրոէլեկտրականության համակցված գիտելիքները և հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնումը հիմք են տվել պիրոէլեկտրականության կանխատեսմանը և բյուրեղների վարքագիծը կանխատեսելու կարողությանը: Դա ցույց տվեց բյուրեղների ազդեցությունը, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը: Նատրիումի կալիումի տարտրատ տետրահիդրատը և քվարցը նույնպես դրսևորեցին պիեզոէլեկտրականություն, և պիեզոէլեկտրական սկավառակը օգտագործվեց դեֆորմացման ժամանակ լարման առաջացման համար: Սա խիստ չափազանցված էր Կյուրիների կողմից ուղղակի պիեզոէլեկտրական էֆեկտի ցուցադրման ժամանակ:

Պիեռ և Ժակ Կյուրի եղբայրները շարունակեցին ձեռք բերել քանակական ապացույց պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում էլեկտրաէլաստո-մեխանիկական դեֆորմացիաների ամբողջական շրջելիության վերաբերյալ։ Տասնամյակներ շարունակ պիեզոէլեկտրականությունը մնում էր լաբորատոր հետաքրքրություն, սակայն այն կենսական գործիք էր Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման գործում: Պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող բյուրեղային կառուցվածքները ուսումնասիրելու և սահմանելու նրանց աշխատանքը ավարտվեց Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրապարակմամբ, որը նկարագրում էր բնական բյուրեղների դասերը, որոնք կարող են պիեզոէլեկտրականություն և խստորեն սահմանում էր պիեզոէլեկտրական հաստատունների վերլուծությունը:

Պիեզոէլեկտրական սարքերի գործնական կիրառումը սկսվեց Առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ սոնարների ստեղծմամբ: Ֆրանսիայում Պոլ Լանգևինը և նրա գործընկերները մշակեցին ուլտրաձայնային սուզանավերի դետեկտոր: Դետեկտորը բաղկացած էր փոխարկիչից, որը պատրաստված էր բարակ քվարց բյուրեղներից, որոնք խնամքով սոսնձված էին պողպատե թիթեղների վրա, և հիդրոֆոնից, որը հայտնաբերում էր վերադարձվող արձագանքը: Փոխարկիչից բարձր հաճախականության իմպուլս արձակելով և չափելով այն ժամանակը, որը պահանջվում է լսելու ձայնային ալիքների արձագանքը, որոնք ցատկում են առարկայից, նրանք կարողացան հաշվարկել օբյեկտի հեռավորությունը: Նրանք օգտագործեցին պիեզոէլեկտրականություն՝ սոնարը հաջողության հասնելու համար, և նախագիծը ինտենսիվ զարգացում և հետաքրքրություն առաջացրեց պիեզոէլեկտրական սարքերի նկատմամբ հաջորդ տասնամյակների ընթացքում:

Հետազոտվել և մշակվել են նոր պիեզոէլեկտրական նյութեր և այդ նյութերի նոր կիրառություններ: Պիեզոէլեկտրական սարքերը գտել են տներ տարբեր ոլորտներում, ինչպիսիք են կերամիկական ֆոնոգրաֆիկ քարթրիջները, որոնք պարզեցրել են նվագարկչի դիզայնը և ստեղծել են ավելի էժան, ճշգրիտ ձայնագրիչներ, որոնք ավելի էժան են պահպանելը և հեշտ է կառուցել: Ուլտրաձայնային փոխարկիչների մշակումը թույլ տվեց հեշտ չափել հեղուկների և պինդ մարմինների մածուցիկությունը և առաձգականությունը, ինչը հանգեցրեց նյութերի հետազոտության հսկայական առաջընթացի: Ուլտրաձայնային ժամանակի տիրույթի ռեֆլեկտաչափերը ուլտրաձայնային իմպուլս են ուղարկում նյութի մեջ և չափում արտացոլումները և ընդհատումները՝ մետաղական և քարե առարկաների ներսում թերություններ գտնելու համար՝ բարելավելով կառուցվածքի անվտանգությունը:

Երկրորդ համաշխարհային պատերազմում ԱՄՆ-ում, Ռուսաստանում և Ճապոնիայում անկախ հետազոտական ​​խմբերը հայտնաբերել են սինթետիկ նյութերի նոր դաս, որը կոչվում է ֆեր:

Ժամացույցի գեներատոր

Պիեզոէլեկտրականությունը որոշակի նյութերի կարողությունն է՝ կուտակել էլեկտրական լիցք՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: Այս ֆենոմենն օգտագործվել է մի շարք օգտակար հավելվածներ ստեղծելու համար, այդ թվում՝ ժամացույցի գեներատորներ։ Ժամացույցի գեներատորները սարքեր են, որոնք օգտագործում են պիեզոէլեկտրականություն՝ ճշգրիտ ժամանակացույցով էլեկտրական ազդանշաններ առաջացնելու համար:

Ժամացույցի գեներատորները օգտագործվում են տարբեր ծրագրերում, ինչպիսիք են համակարգիչները, հեռահաղորդակցությունը և ավտոմոբիլային համակարգերը: Դրանք նաև օգտագործվում են բժշկական սարքերում, ինչպիսիք են սրտի ռիթմավարները, էլեկտրական ազդանշանների ճշգրիտ ժամանակը ապահովելու համար: Ժամացույցի գեներատորները օգտագործվում են նաև արդյունաբերական ավտոմատացման և ռոբոտաշինության մեջ, որտեղ ճշգրիտ ժամանակը կարևոր է:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը հիմնված է մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցության վրա բյուրեղային նյութերում ինվերսիայի համաչափությամբ: Այս ազդեցությունը շրջելի է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող նյութերը կարող են նաև առաջացնել մեխանիկական լարվածություն, երբ կիրառվում է էլեկտրական դաշտ: Սա հայտնի է որպես հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ և օգտագործվում է ուլտրաձայնային ալիքներ արտադրելու համար:

Ժամացույցի գեներատորներն օգտագործում են այս հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը՝ ճշգրիտ ժամանակացույցով էլեկտրական ազդանշաններ առաջացնելու համար: Պիեզոէլեկտրական նյութը դեֆորմացվում է էլեկտրական դաշտի պատճառով, որն առաջացնում է որոշակի հաճախականությամբ թրթռում։ Այս թրթռումը այնուհետև վերածվում է էլեկտրական ազդանշանի, որն օգտագործվում է ճշգրիտ ժամանակի ազդանշան ստեղծելու համար:

Ժամացույցի գեներատորներն օգտագործվում են տարբեր կիրառություններում՝ բժշկական սարքերից մինչև արդյունաբերական ավտոմատացում: Դրանք հուսալի են, ճշգրիտ և հեշտ օգտագործման համար, ինչը նրանց դարձնում է հանրաճանաչ ընտրություն շատ ծրագրերի համար: Պիեզոէլեկտրականությունը ժամանակակից տեխնոլոգիայի կարևոր մասն է, և ժամացույցի գեներատորները այս երևույթի բազմաթիվ կիրառություններից միայն մեկն են:

Էլեկտրոնային սարքեր

Պիեզոէլեկտրականությունը որոշակի պինդ նյութերի կարողությունն է՝ կուտակելու էլեկտրական լիցք՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: Այս երևույթը, որը հայտնի է որպես պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, օգտագործվում է մի շարք էլեկտրոնային սարքերում՝ էլեկտրոնային ուժեղացված կիթառների պիկապներից մինչև ժամանակակից էլեկտրոնային հարվածային գործիքների ձգանները:

Պիեզոէլեկտրականությունը ծագել է հունարեն πιέζειν (piezein) բառերից, որոնք նշանակում են «սեղմել» կամ «սեղմել» և ἤλεκτρον (ēlektron), որը նշանակում է «սաթ», հնագույն էլեկտրական լիցքի աղբյուր։ Պիեզոէլեկտրական նյութերը բյուրեղներ են, կերամիկա և կենսաբանական նյութեր, ինչպիսիք են ոսկորները և ԴՆԹ-ի սպիտակուցները, որոնք ցուցադրում են պիեզոէլեկտրական ազդեցություն:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը բյուրեղային նյութերում մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցություն է ինվերսիայի համաչափությամբ: Դա շրջելի պրոցես է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ ցուցադրող նյութերը ցուցադրում են նաև հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որը կիրառական էլեկտրական դաշտից առաջացող մեխանիկական լարվածության ներքին առաջացումն է: Օրինակ, կապարի ցիրկոնատ տիտանատի բյուրեղները առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, երբ դրանց ստատիկ կառուցվածքը դեֆորմացվում է իր սկզբնական չափից: Ընդհակառակը, բյուրեղները կարող են փոխել իրենց ստատիկ չափը, երբ կիրառվում է արտաքին էլեկտրական դաշտ, մի երևույթ, որը հայտնի է որպես հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որն օգտագործվում է ուլտրաձայնային ալիքների արտադրության մեջ:

Պիեզոէլեկտրականության բացահայտումը վերագրվում է ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Պիեռ և Ժակ Կյուրիներին, ովքեր ցույց տվեցին ուղղակի պիեզոէլեկտրական էֆեկտը 1880 թվականին: Պիրոէլեկտրականության մասին նրանց համակցված գիտելիքները և հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնումը առաջ բերեցին պիրոէլեկտրական էֆեկտի կանխատեսումը և կանխատեսելու հնարավորությունը: բյուրեղային վարքագիծը դրսևորվել է բյուրեղների ազդեցությամբ, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը:

Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվել է մի շարք առօրյա կիրառություններում, ինչպիսիք են կերակուրի և ջեռուցման սարքերում գազի բռնկման համար կայծեր առաջացնելը, ջահերը, ծխախոտի կրակայրիչները և պիրոէլեկտրական ազդեցության նյութերը, որոնք առաջացնում են էլեկտրական ներուժ՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության: Սա ուսումնասիրվել է Կարլ Լիննեուսի և Ֆրանց Էպինուսի կողմից 18-րդ դարի կեսերին՝ հիմնվելով Ռենե Հաուի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի գիտելիքների վրա, ովքեր ենթադրում էին կապ մեխանիկական սթրեսի և էլեկտրական լիցքի միջև: Այնուամենայնիվ, փորձերը անորոշ էին, մինչև Շոտլանդիայի Կյուրիի կոմպենսատորի թանգարանի պիեզո բյուրեղի տեսքը ցույց տվեց Կյուրի եղբայրների անմիջական պիեզոէլեկտրական ազդեցությունը:

Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է տարբեր էլեկտրոնային սարքերում՝ սկսած էլեկտրոնային եղանակով ուժեղացված կիթառների պիկապներից մինչև ժամանակակից էլեկտրոնային հարվածային գործիքների ձգանները: Այն նաև օգտագործվում է ձայնի արտադրության և հայտնաբերման, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրության, բարձր լարման էլեկտրաէներգիայի արտադրության, ժամացույցի գեներատորների, միկրոբալանսի, շարժիչ ուլտրաձայնային վարդակների և չափազանց նուրբ կենտրոնացման օպտիկական հավաքների համար: Պիեզոէլեկտրականությունը նաև հիմք է հանդիսանում զոնդային մանրադիտակների սկանավորման համար, որոնք օգտագործվում են ատոմների մասշտաբով պատկերները լուծելու համար։

Միկրոբալանսներ

Պիեզոէլեկտրականությունը որոշակի պինդ նյութերի կարողությունն է՝ կուտակելու էլեկտրական լիցք՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: Պիեզոէլեկտրականությունը ծագել է հունարեն πιέζειν (piezein) բառերից, որը նշանակում է «սեղմել» կամ «սեղմել» և ἤλεκτρον (ēlektron), որը նշանակում է «սաթ», հնագույն էլեկտրական լիցքի աղբյուր։

Պիեզոէլեկտրականությունն օգտագործվում է մի շարք առօրյա կիրառություններում, օրինակ՝ կայծեր առաջացնելու համար՝ գազ վառելու համար ճաշ պատրաստելու և տաքացնող սարքերի, ջահերի, ծխախոտի կրակայրիչների և այլնի համար: Այն նաև օգտագործվում է ձայնի արտադրության և հայտնաբերման, ինչպես նաև պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրության մեջ։

Պիեզոէլեկտրականությունը նաև օգտագործվում է բարձր լարման էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար և հանդիսանում է ժամացույցի գեներատորների և էլեկտրոնային սարքերի հիմքը, ինչպիսիք են միկրոբալանսը: Պիեզոէլեկտրականությունը նաև օգտագործվում է ուլտրաձայնային վարդակներ և ծայրահեղ նուրբ կենտրոնացման օպտիկական հավաքներ վարելու համար:

Պիեզոէլեկտրականության հայտնագործությունը վերագրվում է ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Ժակ և Պիեռ Կյուրիներին 1880 թվականին: Կյուրի եղբայրները միավորեցին պիրոէլեկտրականության մասին իրենց գիտելիքները և հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների իմացությունը՝ առաջացնելով պիեզոէլեկտրականություն հասկացությունը: Նրանք կարողացան կանխատեսել բյուրեղների վարքը և ցույց տվեցին ազդեցությունը բյուրեղների վրա, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը օգտագործվել է օգտակար ծրագրերի համար, ներառյալ ձայնի արտադրությունը և հայտնաբերումը: Առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ սոնարների զարգացումը մեծ առաջընթաց էր պիեզոէլեկտրական էներգիայի օգտագործման մեջ: Երկրորդ համաշխարհային պատերազմից հետո ԱՄՆ-ում, Ռուսաստանում և Ճապոնիայում անկախ հետազոտական ​​խմբերը հայտնաբերեցին սինթետիկ նյութերի նոր դաս, որը կոչվում է ֆերոէլեկտրիկներ, որոնք ցույց էին տալիս պիեզոէլեկտրական հաստատունները մինչև տասը անգամ ավելի բարձր, քան բնական նյութերը:

Սա հանգեցրեց բարիումի տիտանատի, իսկ ավելի ուշ կապարի ցիրկոնատ տիտանատի նյութերի ինտենսիվ հետազոտության և զարգացմանը, որոնք ունեին հատուկ հատկություններ որոշակի կիրառությունների համար: Պիեզոէլեկտրական բյուրեղների օգտագործման նշանակալից օրինակ մշակվել է Bell Telephone Laboratories-ում Երկրորդ համաշխարհային պատերազմից հետո:

Ֆրեդերիկ Ռ. Լաքը, աշխատելով ռադիոհեռախոսային ինժեներական բաժնում, մշակեց կտրված բյուրեղ, որը գործում էր ջերմաստիճանների լայն տիրույթում: Լեքսի բյուրեղը կարիք չուներ նախկին բյուրեղների ծանր պարագաների, ինչը հեշտացնում էր դրա օգտագործումը ինքնաթիռներում: Այս զարգացումը թույլ տվեց դաշնակիցների օդային ուժերին ներգրավվել համակարգված զանգվածային հարձակումների՝ օգտագործելով ավիացիոն ռադիո:

Միացյալ Նահանգներում պիեզոէլեկտրական սարքերի և նյութերի մշակումը թույլ տվեց մի քանի ընկերությունների բիզնեսում պահել, և քվարց բյուրեղների զարգացումը առևտրային շահագործվեց: Այդ ժամանակից ի վեր պիեզոէլեկտրական նյութերը օգտագործվել են մի շարք ծրագրերում, ներառյալ բժշկական պատկերազարդումը, ուլտրաձայնային մաքրումը և այլն:

Drive ուլտրաձայնային վարդակ

Պիեզոէլեկտրականությունը էլեկտրական լիցքն է, որը կուտակվում է որոշակի պինդ նյութերում, ինչպիսիք են բյուրեղները, կերամիկաները և կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորը և ԴՆԹ-ն: Այն պատասխան է կիրառվող մեխանիկական սթրեսին և առաջացել է հունարեն «piezein» բառերից, որը նշանակում է «սեղմել» կամ «սեղմել» և «elektron», որը նշանակում է «սաթ»՝ էլեկտրական լիցքի հնագույն աղբյուր:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը բյուրեղային նյութերի մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցություն է՝ ինվերսիայի համաչափությամբ։ Դա շրջելի գործընթաց է, այսինքն՝ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ ցուցադրող նյութերը նույնպես ցուցադրում են հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը, որը կիրառական էլեկտրական դաշտից առաջացող մեխանիկական լարման ներքին առաջացումն է: Դրա օրինակն է կապարի ցիրկոնատ տիտանատի բյուրեղները, որոնք առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, երբ նրանց ստատիկ կառուցվածքը դեֆորմացվում է իր սկզբնական չափից: Ընդհակառակը, երբ արտաքին էլեկտրական դաշտ է կիրառվում, բյուրեղները փոխում են իրենց ստատիկ չափը, ինչի արդյունքում առաջանում է հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որը ուլտրաձայնային ալիքների արտադրությունն է:

Ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Ժակ և Պիեռ Կյուրիները 1880 թվականին հայտնաբերեցին պիեզոէլեկտրականություն, և այդ ժամանակվանից այն օգտագործվել է մի շարք օգտակար կիրառումների համար, ներառյալ ձայնի արտադրությունն ու հայտնաբերումը: Պիեզոէլեկտրականությունը նաև առօրյա կիրառություն է գտնում, օրինակ՝ կերակուր պատրաստելու և տաքացնող սարքերում, ջահեր, ծխախոտի կրակայրիչներ և այլն, գազի բռնկման համար կայծեր առաջացնելը և այլն:

Պիրոէլեկտրական էֆեկտը, որը նյութ է, որն առաջացնում է էլեկտրական պոտենցիալ՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության, ուսումնասիրվել է Կարլ Լինեուսի, Ֆրանց Էպինուսի կողմից և 18-րդ դարի կեսերին՝ ստանալով գիտելիքներ Ռենե Հայից և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելից, ովքեր սահմանել են մեխանիկական սթրեսի և փոխհարաբերությունները: էլեկտրական լիցք. Սա ապացուցելու փորձերը անորոշ էին:

Շոտլանդիայի Հանթերյան թանգարանի Curie Compensator-ում պիեզո բյուրեղի տեսքը Պիեռ և Ժակ Կյուրի եղբայրների անմիջական պիեզոէլեկտրական էֆեկտի ցուցադրումն է: Պիրոէլեկտրականության մասին նրանց գիտելիքների համադրումը և հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնումը հիմք են տվել պիրոէլեկտրականության կանխատեսմանը և թույլ են տվել նրանց կանխատեսել բյուրեղների վարքը: Դա ապացուցվեց բյուրեղների ազդեցությամբ, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը: Նատրիումի և կալիումի տարտրատ տետրահիդրատը և քվարցը նույնպես դրսևորեցին պիեզոէլեկտրականություն, և պիեզոէլեկտրական սկավառակը օգտագործվեց դեֆորմացման ժամանակ լարման առաջացման համար: Սա խիստ ուռճացված էր Կյուրիների կողմից՝ կանխատեսելու հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը, որը մաթեմատիկորեն բխում էր Գաբրիել Լիպմանի հիմնարար թերմոդինամիկական սկզբունքներից 1881 թվականին։

Կյուրիները անմիջապես հաստատեցին հակադարձ էֆեկտի առկայությունը և շարունակեցին ձեռք բերել քանակական ապացույց պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում էլեկտրաէլաստո-մեխանիկական դեֆորմացիաների ամբողջական շրջելիության վերաբերյալ: Տասնամյակներ շարունակ պիեզոէլեկտրականությունը մնում էր լաբորատոր հետաքրքրություն, բայց կարևոր գործիք էր Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման գործում՝ պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող բյուրեղային կառուցվածքների ուսումնասիրման և սահմանման մեջ: Սա ավարտվեց Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրապարակմամբ, որը նկարագրում էր բնական բյուրեղների դասերը, որոնք ընդունակ են պիեզոէլեկտրականություն և խստորեն սահմանում էր պիեզոէլեկտրական հաստատունները թենզորային վերլուծության միջոցով:

Պիեզոէլեկտրական սարքերի գործնական կիրառումը սկսվել է սոնարով, որը մշակվել է Առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ։ Ֆրանսիայում Պոլ Լանգևինը և նրա գործընկերները մշակել են սուզանավերի ուլտրաձայնային դետեկտոր։ Դետեկտորը բաղկացած էր բարակ քվարց բյուրեղներից պատրաստված փոխարկիչից, որը խնամքով սոսնձված էր պողպատե թիթեղների վրա, որը կոչվում էր հիդրոֆոն՝ բարձր հաճախականության իմպուլս արձակելուց հետո վերադարձված արձագանքը հայտնաբերելու համար: Չափելով այն ժամանակը, որն անհրաժեշտ է լսելու ձայնային ալիքների արձագանքը, որոնք ցատկում են առարկայից, նրանք կարող էին հաշվարկել օբյեկտի հեռավորությունը: Սոնարում պիեզոէլեկտրական էներգիայի այս օգտագործումը հաջողություն ունեցավ, և նախագիծը տասնամյակներ շարունակ ինտենսիվ զարգացում և հետաքրքրություն առաջացրեց պիեզոէլեկտրական սարքերի նկատմամբ:

Հետազոտվել և մշակվել են նոր պիեզոէլեկտրական նյութեր և այդ նյութերի նոր կիրառություններ, և պիեզոէլեկտրական սարքերը գտել են տներ այնպիսի ոլորտներում, ինչպիսիք են կերամիկական ֆոնոգրաֆիկ փամփուշտները, որոնք պարզեցրել են նվագարկչի ձևավորումը և ստեղծել ավելի էժան, ճշգրիտ ձայնագրիչներ, որոնք ավելի էժան են պահպանելը և հեշտ է կառուցել: . Ուլտրաձայնային փոխարկիչների մշակումը թույլ տվեց հեշտ չափել հեղուկների և պինդ մարմինների մածուցիկությունը և առաձգականությունը, ինչը հանգեցրեց նյութերի հետազոտության հսկայական առաջընթացի: Ուլտրաձայնային ժամանակի ռեֆլեկտաչափերը ուլտրաձայնային իմպուլս են ուղարկում նյութի միջով և չափում արտացոլումները և ընդհատումները՝ մետաղական և քարե առարկաների ներսում թերություններ գտնելու համար։

Գերմանրակենտրոն օպտիկական հավաքներ

Պիեզոէլեկտրականությունը որոշակի նյութերի՝ մեխանիկական սթրեսի ենթարկվելու դեպքում էլեկտրական լիցք կուտակելու ունակությունն է։ Այն բյուրեղային նյութերի էլեկտրական և մեխանիկական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցություն է՝ ինվերսիայի համաչափությամբ։ Պիեզոէլեկտրականությունը շրջելի գործընթաց է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրականություն ցուցադրող նյութերը ցուցադրում են նաև հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որը կիրառական էլեկտրական դաշտից առաջացող մեխանիկական լարվածության ներքին առաջացումն է:

Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվել է մի շարք ծրագրերում, ներառյալ ձայնի արտադրությունն ու հայտնաբերումը, ինչպես նաև բարձր լարման էլեկտրաէներգիայի արտադրությունը: Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է նաև թանաքային տպագրության, ժամացույցի գեներատորների, էլեկտրոնային սարքերի, միկրոբալանսների, ուլտրաձայնային վարդակների և ծայրահեղ նուրբ կենտրոնացման օպտիկական հավաքների մեջ:

Պիեզոէլեկտրականությունը հայտնաբերվել է 1880 թվականին ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Ժակ և Պիեռ Կյուրիների կողմից։ Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը օգտագործվում է այնպիսի օգտակար կիրառություններում, ինչպիսիք են ձայնի արտադրությունն ու հայտնաբերումը, ինչպես նաև բարձր լարման էլեկտրաէներգիայի արտադրությունը: Օգտագործվում է նաև պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրություն, ինչպես նաև ժամացույցի գեներատորներ, էլեկտրոնային սարքեր, միկրոբալանսը, շարժիչ ուլտրաձայնային վարդակներ և չափազանց նուրբ կենտրոնացման օպտիկական հավաքներ:

Պիեզոէլեկտրականությունն իր ճանապարհն է գտել առօրյա օգտագործման մեջ, ինչպիսիք են՝ առաջացնելով կայծեր՝ կերակուր պատրաստելու և տաքացնող սարքերի համար գազ վառելու համար, ջահեր, ծխախոտի կրակայրիչներ և պիրոէլեկտրական ազդեցություն ունեցող նյութեր, որոնք առաջացնում են էլեկտրական ներուժ՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության: Այս էֆեկտն ուսումնասիրվել է Կարլ Լիննեուսի և Ֆրանց Էպինուսի կողմից 18-րդ դարի կեսերին՝ հիմնվելով Ռենե Հաուի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի գիտելիքների վրա, ովքեր կապ են հաստատել մեխանիկական սթրեսի և էլեկտրական լիցքի միջև: Փորձերն անորոշ էին։

Շոտլանդիայի Հանթերյան թանգարանի Curie Compensator-ում պիեզո բյուրեղի տեսքը Պիեռ և Ժակ Կյուրի եղբայրների անմիջական պիեզոէլեկտրական էֆեկտի ցուցադրումն է: Համակցված պիրոէլեկտրականության մասին իրենց գիտելիքների և հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնման հետ՝ նրանք հիմք են տվել պիրոէլեկտրականության կանխատեսմանը և բյուրեղների վարքագիծը կանխատեսելու կարողությանը: Դա ապացուցվեց բյուրեղների ազդեցությամբ, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը:

Նատրիումի և կալիումի տարտրատ քառահիդրատը, քվարցի և Ռոշելի աղը դրսևորում էին պիեզոէլեկտրականություն, իսկ պիեզոէլեկտրական սկավառակը օգտագործվում էր լարման առաջացման համար, երբ դեֆորմացվում էր, թեև ձևի փոփոխությունը խիստ չափազանցված էր: Կյուրիները կանխագուշակեցին հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը, իսկ հակադարձ էֆեկտը մաթեմատիկորեն դուրս բերվեց Գաբրիել Լիպմանի հիմնարար թերմոդինամիկ սկզբունքներից 1881 թվականին: Կյուրիները անմիջապես հաստատեցին հակադարձ էֆեկտի գոյությունը և սկսեցին ստանալ էլեկտրաէներգիայի ամբողջական շրջելիության քանակական ապացույց: էլաստո-մեխանիկական դեֆորմացիաներ պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում.

Տասնամյակներ շարունակ պիեզոէլեկտրականությունը մնաց լաբորատոր հետաքրքրություն, մինչև այն դարձավ կենսական գործիք Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման գործում: Նրանց աշխատանքը՝ բացահայտելու և սահմանելու բյուրեղային կառուցվածքները, որոնք ցուցադրում էին պիեզոէլեկտրականություն, գագաթնակետին հասավ Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրատարակությամբ: Սա նկարագրեց բնական բյուրեղների դասերը, որոնք ընդունակ են պիեզոէլեկտրականություն և խստորեն սահմանեց պիեզոէլեկտրական հաստատունները՝ օգտագործելով տենզորային վերլուծությունը պիեզոէլեկտրական սարքերի գործնական կիրառման համար:

Սոնար-ի մշակումը հաջողված նախագիծ էր, որը բուռն զարգացում և հետաքրքրություն առաջացրեց պիեզոէլեկտրական սարքերի նկատմամբ: Տասնամյակներ անց ուսումնասիրվեցին և մշակվեցին նոր պիեզոէլեկտրական նյութեր և այդ նյութերի նոր կիրառություններ: Պիեզոէլեկտրական սարքերը գտել են տներ տարբեր ոլորտներում, ինչպիսիք են կերամիկական ֆոնոգրաֆիկ փամփուշտները, որոնք պարզեցրել են նվագարկիչների դիզայնը և ձայնագրիչներն ավելի էժան ու հեշտ պահելը և կառուցելը: Ուլտրաձայնային փոխարկիչների մշակումը թույլ տվեց հեշտ չափել հեղուկների և պինդ մարմինների մածուցիկությունը և առաձգականությունը, ինչը հանգեցրեց նյութերի հետազոտության հսկայական առաջընթացի: Ուլտրաձայնային ժամանակի տիրույթի ռեֆլեկտաչափերը ուլտրաձայնային իմպուլս են ուղարկում նյութի մեջ և չափում արտացոլումները և ընդհատումները՝ մետաղական և քարե առարկաների ներսում թերություններ գտնելու համար՝ բարելավելով կառուցվածքի անվտանգությունը:

Պիեզոէլեկտրական հետաքրքրությունների ոլորտի սկիզբն ապահովվեց քվարց բյուրեղներից մշակված նոր նյութերի շահավետ արտոնագրերով, որոնք առևտրային կերպով օգտագործվում էին որպես պիեզոէլեկտրական նյութ: Գիտնականները փնտրում էին ավելի բարձր արդյունավետությամբ նյութեր, և չնայած նյութերի առաջընթացին և արտադրական գործընթացների հասունացմանը, Միացյալ Նահանգների շուկան արագ չաճեց: Ի հակադրություն, ճապոնական արտադրողները արագորեն փոխանակեցին տեղեկատվությունը, և Միացյալ Նահանգների պիեզոէլեկտրական արդյունաբերության աճի նոր ծրագրերը տուժեցին ի տարբերություն ճապոնական արտադրողների:

Պիեզոէլեկտրական շարժիչներ

Այս բաժնում ես կխոսեմ այն ​​մասին, թե ինչպես է օգտագործվում պիեզոէլեկտրականությունը ժամանակակից տեխնոլոգիաներում: Սկսած սկանավորող զոնդային մանրադիտակներից, որոնք կարող են լուծել ատոմների մասշտաբով պատկերները մինչև էլեկտրոնային ուժեղացված կիթառների պիկապները և ժամանակակից էլեկտրոնային հարվածային գործիքների ձգանները, պիեզոէլեկտրականությունը դարձել է շատ սարքերի անբաժանելի մասը: Ես կուսումնասիրեմ պիեզոէլեկտրականության պատմությունը և ինչպես է այն օգտագործվել տարբեր ծրագրերում:

Ձևավորում է սկանավորման զոնդերի մանրադիտակների հիմքը

Պիեզոէլեկտրականությունը էլեկտրական լիցքն է, որը կուտակվում է որոշակի պինդ նյութերում, ինչպիսիք են բյուրեղները, կերամիկաները և կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորը և ԴՆԹ-ն: Այն կիրառվող մեխանիկական սթրեսի արձագանքն է, և պիեզոէլեկտրականություն բառը ծագում է հունարեն πιέζειν (piezein) բառից, որը նշանակում է «սեղմել» կամ «սեղմել» և ἤλεκτρον (ēlektron), որը նշանակում է «սաթ», հնագույն էլեկտրական լիցքի աղբյուր:

Պիեզոէլեկտրական շարժիչները սարքեր են, որոնք օգտագործում են պիեզոէլեկտրական էֆեկտը շարժում առաջացնելու համար: Այս էֆեկտը բյուրեղային նյութերում մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցությունն է ինվերսիայի համաչափությամբ: Դա շրջելի պրոցես է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ ցուցադրող նյութերը ցուցադրում են նաև հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որը կիրառական էլեկտրական դաշտից առաջացող մեխանիկական լարվածության ներքին առաջացումն է: Չափելի պիեզոէլեկտրականություն առաջացնող նյութերի օրինակներ են կապարի ցիրկոնատ տիտանատի բյուրեղները:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտն օգտագործվում է այնպիսի օգտակար կիրառություններում, ինչպիսիք են ձայնի արտադրությունը և հայտնաբերումը, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրությունը, բարձր լարման էլեկտրաէներգիայի արտադրությունը, ժամացույցի գեներատորները և էլեկտրոնային սարքերը, ինչպիսիք են միկրոբալանսը և ուլտրաձայնային վարդակները՝ գերմանրակենտրոն օպտիկական հավաքների համար: Այն նաև հիմք է հանդիսանում սկանավորող զոնդերի մանրադիտակների համար, որոնք օգտագործվում են ատոմների մասշտաբով պատկերները լուծելու համար։

Պիեզոէլեկտրականությունը հայտնաբերվել է 1880 թվականին ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Ժակ և Պիեռ Կյուրիների կողմից։ Պիեզո բյուրեղի և Կյուրիի փոխհատուցիչի տեսարանը կարելի է տեսնել Շոտլանդիայի Հանթերյան թանգարանում, որը ցույց է տալիս Պիեռ և Ժակ Կյուրի եղբայրների անմիջական պիեզոէլեկտրական էֆեկտը:

Համատեղելով պիրոէլեկտրականության մասին իրենց գիտելիքները և հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնումը, տեղիք տվեց պիրոէլեկտրականության կանխատեսմանը, ինչը նրանց թույլ տվեց կանխատեսել բյուրեղների վարքագիծը: Դա ցույց տվեց բյուրեղների ազդեցությունը, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը: Նատրիումի և կալիումի տարտրատ տետրահիդրատը, քվարցի և Ռոշելի աղը դրսևորում էին պիեզոէլեկտրականություն, իսկ պիեզոէլեկտրական սկավառակը օգտագործվում էր դեֆորմացման ժամանակ լարման առաջացման համար, թեև դա խիստ չափազանցված էր Կյուրիների կողմից:

Նրանք նաև կանխատեսեցին հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը, և դա մաթեմատիկորեն հանգեցրեց Գաբրիել Լիպմանի հիմնարար թերմոդինամիկական սկզբունքներին 1881 թվականին: Կյուրիները անմիջապես հաստատեցին հակադարձ էֆեկտի գոյությունը և շարունակեցին ստանալ էլեկտրաէլաստո-ի ամբողջական շրջելիության քանակական ապացույց: մեխանիկական դեֆորմացիաներ պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում.

Տասնամյակներ շարունակ պիեզոէլեկտրականությունը մնաց լաբորատոր հետաքրքրություն, մինչև այն դարձավ կենսական գործիք Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման գործում: Պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող բյուրեղային կառուցվածքները ուսումնասիրելու և սահմանելու նրանց աշխատանքը գագաթնակետին հասավ Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրատարակությամբ, որը նկարագրում էր բնական բյուրեղների դասերը, որոնք կարող են պիեզոէլեկտրականություն և խստորեն սահմանում էր պիեզոէլեկտրական հաստատուն վերլուծություն:

Սա հանգեցրեց պիեզոէլեկտրական սարքերի գործնական կիրառմանը, ինչպիսին է սոնարը, որը մշակվել էր Առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ: Ֆրանսիայում Պոլ Լանգևինը և նրա գործընկերները մշակեցին ուլտրաձայնային սուզանավային դետեկտոր: Այս դետեկտորը բաղկացած էր բարակ քվարց բյուրեղներից պատրաստված փոխարկիչից, որոնք խնամքով սոսնձված էին պողպատե թիթեղների վրա, և հիդրոֆոնից, որը հայտնաբերում էր վերադարձվող արձագանքը փոխարկիչից բարձր հաճախականության իմպուլս արձակելուց հետո: Չափելով այն ժամանակը, որն անհրաժեշտ է լսելու ձայնային ալիքների արձագանքը, որոնք ցատկում են առարկայից, նրանք կարողացան հաշվարկել օբյեկտի հեռավորությունը: Նրանք օգտագործեցին պիեզոէլեկտրականություն այս սոնարը հաջողության հասնելու համար, և նախագիծը տասնամյակներ շարունակ ինտենսիվ զարգացում և հետաքրքրություն առաջացրեց պիեզոէլեկտրական սարքերի նկատմամբ:

Հետազոտվել և մշակվել են նոր պիեզոէլեկտրական նյութեր և այդ նյութերի նոր կիրառություններ, և պիեզոէլեկտրական սարքերը գտել են տներ բազմաթիվ ոլորտներում, ինչպիսիք են կերամիկական ֆոնոգրաֆիկ քարթրիջները, որոնք պարզեցրել են նվագարկչի դիզայնը և ստեղծել են ավելի էժան և ճշգրիտ ձայնագրիչներ, որոնք ավելի էժան են և ավելի հեշտ է պահպանել: կառուցել. Ուլտրաձայնային փոխարկիչների մշակումը թույլ տվեց հեշտ չափել հեղուկների և պինդ մարմինների մածուցիկությունը և առաձգականությունը, ինչը հանգեցրեց նյութերի հետազոտության հսկայական առաջընթացի: Ուլտրաձայնային ժամանակի տիրույթի ռեֆլեկտաչափերը ուլտրաձայնային իմպուլս են ուղարկում նյութի մեջ և չափում արտացոլումները և ընդհատումները՝ մետաղական և քարե առարկաների ներսում թերություններ գտնելու համար՝ բարելավելով կառուցվածքի անվտանգությունը:

Երկրորդ համաշխարհային պատերազմի ժամանակ անկախ հետազոտական ​​խմբերը Միացյալ Նահանգներում

Լուծել պատկերները ատոմների մասշտաբով

Պիեզոէլեկտրականությունը էլեկտրական լիցքն է, որը կուտակվում է որոշակի պինդ նյութերում, ինչպիսիք են բյուրեղները, կերամիկաները և կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորը և ԴՆԹ-ն: Այն պատասխան է կիրառվող մեխանիկական սթրեսին և առաջացել է հունարեն «piezein» բառից, որը նշանակում է սեղմել կամ սեղմել: Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը առաջանում է մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցությունից բյուրեղային նյութերում ինվերսիոն համաչափությամբ:

Պիեզոէլեկտրականությունը շրջելի պրոցես է, և պիեզոէլեկտրական էֆեկտ ցուցադրող նյութերը ցուցադրում են նաև հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որը կիրառական էլեկտրական դաշտից առաջացող մեխանիկական լարվածության ներքին առաջացումն է: Դրա օրինակները ներառում են կապարի ցիրկոնատ տիտանատի բյուրեղները, որոնք առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, երբ դրանց ստատիկ կառուցվածքը դեֆորմացվում է իր սկզբնական չափից: Ընդհակառակը, բյուրեղները փոխում են իրենց ստատիկ չափերը, երբ կիրառվում է արտաքին էլեկտրական դաշտ, որը հայտնի է որպես հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ և օգտագործվում է ուլտրաձայնային ալիքների արտադրության մեջ:

Ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Ժակ և Պիեռ Կյուրին հայտնաբերել են պիեզոէլեկտրականությունը 1880 թվականին: Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը օգտագործվել է մի շարք օգտակար կիրառությունների համար, այդ թվում՝ ձայնի արտադրության և հայտնաբերման, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրության, բարձր լարման էլեկտրականության, ժամացույցի գեներատորների և էլեկտրոնային սարքերի արտադրման համար: միկրոբալանսներ և վարել ուլտրաձայնային վարդակներ: Այն նաև հիմք է հանդիսանում սկանավորող զոնդերի մանրադիտակների համար, որոնք օգտագործվում են ատոմների մասշտաբով պատկերները լուծելու համար։

Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է նաև առօրյա կիրառություններում, ինչպիսիք են խոհարարության և ջեռուցման սարքերում, ջահերը, ծխախոտի կրակայրիչները և այլն, գազի բռնկման համար կայծ առաջացնելը: Պիրոէլեկտրական էֆեկտը, որը նյութ է, որն առաջացնում է էլեկտրական պոտենցիալ՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության, ուսումնասիրվել է Կարլ Լինեուսի և Ֆրանց Էպինուսի կողմից 18-րդ դարի կեսերին։ Հիմք ընդունելով Ռենե Հաուի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի գիտելիքները՝ նրանք հայտնաբերեցին կապ մեխանիկական սթրեսի և էլեկտրական լիցքի միջև, սակայն նրանց փորձերը անորոշ էին:

Գլազգոյի Հանթերյան թանգարանի այցելուները կարող են դիտել պիեզո-բյուրեղյա Կյուրիի փոխհատուցիչը, որը ցույց է տալիս Պիեռ և Ժակ Կյուրի եղբայրների անմիջական պիեզոէլեկտրական էֆեկտը: Համակցված պիրոէլեկտրականության մասին իրենց գիտելիքների և հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնման հետ՝ նրանք հիմք են տվել պիրոէլեկտրականության կանխատեսմանը և բյուրեղների վարքագիծը կանխատեսելու կարողությանը: Դա ցույց տվեց բյուրեղների ազդեցությունը, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը: Նատրիումի և կալիումի տարտրատ տետրահիդրատը, քվարցի և Ռոշելի աղը դրսևորում էին պիեզոէլեկտրականություն, իսկ պիեզոէլեկտրական սկավառակը դեֆորմացման ժամանակ առաջացնում է լարում, թեև ձևի փոփոխությունը խիստ չափազանցված է: Կյուրիները կարողացան կանխատեսել հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը, և հակադարձ էֆեկտը մաթեմատիկորեն հանգեցվեց Գաբրիել Լիպմանի հիմնարար թերմոդինամիկական սկզբունքներից 1881 թվականին։

Կյուրիները անմիջապես հաստատեցին հակադարձ էֆեկտի առկայությունը և շարունակեցին ձեռք բերել քանակական ապացույց պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում էլեկտրաէլաստո-մեխանիկական դեֆորմացիաների ամբողջական շրջելիության վերաբերյալ: Տասնամյակներ շարունակ պիեզոէլեկտրականությունը մնում էր լաբորատոր հետաքրքրություն, սակայն այն կենսական գործիք էր Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման գործում: Պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող բյուրեղային կառուցվածքները ուսումնասիրելու և սահմանելու նրանց աշխատանքը գագաթնակետին հասավ Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրատարակությամբ:

Պիկապներ՝ էլեկտրոնային ուժեղացված կիթառներ

Պիեզոէլեկտրական շարժիչները էլեկտրական շարժիչներ են, որոնք օգտագործում են պիեզոէլեկտրական էֆեկտը՝ էլեկտրական էներգիան մեխանիկական էներգիայի վերածելու համար։ Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը որոշակի նյութերի կարողությունն է՝ առաջացնել էլեկտրական լիցք, երբ ենթարկվում են մեխանիկական սթրեսի: Պիեզոէլեկտրական շարժիչներն օգտագործվում են մի շարք ծրագրերում՝ սկսած փոքր սարքերի սնուցումից, ինչպիսիք են ժամացույցները և ժամացույցները, մինչև ավելի մեծ մեքենաներ, ինչպիսիք են ռոբոտները և բժշկական սարքավորումները:

Պիեզոէլեկտրական շարժիչները օգտագործվում են էլեկտրոնային եղանակով ուժեղացված կիթառների պիկապներում: Այս պիկապներն օգտագործում են պիեզոէլեկտրական էֆեկտը՝ կիթառի լարերի թրթռումները էլեկտրական ազդանշանի վերածելու համար: Այնուհետև այս ազդանշանն ուժեղանում է և ուղարկվում ուժեղացուցիչ, որն արտադրում է կիթառի ձայնը: Պիեզոէլեկտրական պիկապները օգտագործվում են նաև ժամանակակից էլեկտրոնային թմբուկներում, որտեղ դրանք օգտագործվում են թմբուկի գլխիկների թրթռումները հայտնաբերելու և դրանք էլեկտրական ազդանշանի վերածելու համար:

Պիեզոէլեկտրական շարժիչները օգտագործվում են նաև սկանավորող զոնդերի մանրադիտակներում, որոնք օգտագործում են պիեզոէլեկտրական էֆեկտը՝ փոքր զոնդը մակերեսով տեղափոխելու համար: Սա թույլ է տալիս մանրադիտակին լուծել պատկերները ատոմների մասշտաբով: Պիեզոէլեկտրական շարժիչները նույնպես օգտագործվում են թանաքային տպիչներում, որտեղ դրանք օգտագործվում են տպիչի գլուխը էջով ետ և առաջ տեղափոխելու համար:

Պիեզոէլեկտրական շարժիչները օգտագործվում են մի շարք այլ ծրագրերում, ներառյալ բժշկական սարքերը, ավտոմոբիլային բաղադրիչները և սպառողական էլեկտրոնիկա: Դրանք օգտագործվում են նաև արդյունաբերական կիրառություններում, օրինակ՝ ճշգրիտ մասերի արտադրության և բարդ բաղադրիչների հավաքման մեջ: Պիեզոէլեկտրական էֆեկտն օգտագործվում է նաև ուլտրաձայնային ալիքների արտադրության մեջ, որոնք օգտագործվում են բժշկական պատկերավորման և նյութերի թերությունների հայտնաբերման համար:

Ընդհանուր առմամբ, պիեզոէլեկտրական շարժիչները օգտագործվում են կիրառությունների լայն շրջանակում՝ փոքր սարքերի սնուցումից մինչև ավելի մեծ մեքենաների սնուցում: Դրանք օգտագործվում են էլեկտրոնային եղանակով ուժեղացված կիթառների, ժամանակակից էլեկտրոնային հարվածային գործիքների, սկանավորող զոնդերի մանրադիտակների, թանաքային տպիչների, բժշկական սարքերի, ավտոմոբիլային բաղադրիչների և սպառողական էլեկտրոնիկայի մեջ: Պիեզոէլեկտրական էֆեկտն օգտագործվում է նաև ուլտրաձայնային ալիքների արտադրության և նյութերի թերությունների հայտնաբերման համար:

Գործարկում է ժամանակակից էլեկտրոնային հարվածային գործիքներ

Պիեզոէլեկտրականությունը էլեկտրական լիցքն է, որը կուտակվում է որոշակի պինդ նյութերում, ինչպիսիք են բյուրեղները, կերամիկաները և կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորը և ԴՆԹ-ն: Դա այս նյութերի արձագանքն է կիրառվող մեխանիկական սթրեսին: Պիեզոէլեկտրականություն բառը ծագել է հունարեն «piezein» բառից, որը նշանակում է «սեղմել կամ սեղմել», և «elektron» բառից, որը նշանակում է «սաթ», հնագույն էլեկտրական լիցքի աղբյուր:

Պիեզոէլեկտրական շարժիչները սարքեր են, որոնք օգտագործում են պիեզոէլեկտրական էֆեկտը շարժում առաջացնելու համար: Այս էֆեկտը բյուրեղային նյութերի մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցությունից է ինվերսիոն համաչափությամբ: Դա շրջելի գործընթաց է, այսինքն՝ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ ցուցադրող նյութերը նույնպես ցուցադրում են հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը, որը կիրառական էլեկտրական դաշտից առաջացող մեխանիկական լարման ներքին առաջացումն է: Դրա օրինակն է կապարի ցիրկոնատ տիտանատի բյուրեղները, որոնք առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, երբ նրանց ստատիկ կառուցվածքը դեֆորմացվում է իր սկզբնական չափից: Ընդհակառակը, երբ արտաքին էլեկտրական դաշտ է կիրառվում, բյուրեղները փոխում են իրենց ստատիկ հարթությունը՝ առաջացնելով ուլտրաձայնային ալիքներ։

Պիեզոէլեկտրական շարժիչները օգտագործվում են մի շարք ամենօրյա ծրագրերում, ինչպիսիք են.

• Խոհարարության և ջեռուցման սարքերում գազի բռնկման համար կայծեր առաջացնելը
• Ջահեր, ծխախոտի կրակայրիչներ և պիրոէլեկտրական ազդեցության նյութեր
• Ջերմաստիճանի փոփոխությանն ի պատասխան էլեկտրական ներուժի առաջացում
• Ձայնի արտադրություն և հայտնաբերում
• Պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրություն
• Բարձր լարման էլեկտրաէներգիայի արտադրություն
• Ժամացույցի գեներատոր և էլեկտրոնային սարքեր
• Միկրոբալանսներ
• Քշեք ուլտրաձայնային վարդակներ և չափազանց նուրբ կենտրոնացման օպտիկական հավաքույթներ
• Սկանավորման զոնդային մանրադիտակների հիմքն է
• Պատկերները լուծել ատոմների մասշտաբով
• Վերցնում է էլեկտրոնային եղանակով ուժեղացված կիթառներ
• Գործարկում է ժամանակակից էլեկտրոնային թմբուկները:

Պիեզոէլեկտրական փոխարկիչների էլեկտրամեխանիկական մոդելավորում

Այս բաժնում ես կուսումնասիրեմ պիեզոէլեկտրական փոխարկիչների էլեկտրամեխանիկական մոդելավորումը: Ես կանդրադառնամ պիեզոէլեկտրականության հայտնաբերման պատմությանը, փորձերին, որոնք ապացուցել են դրա գոյությունը և պիեզոէլեկտրական սարքերի և նյութերի մշակմանը: Ես նաև կքննարկեմ ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Պիեռ և Ժակ Կյուրիների, Կարլ Լինեի և Ֆրանց Էպինուսի, Ռենե Հոյի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի, Գաբրիել Լիպմանի և Վոլդեմար Ֆոյգտի ներդրումները:

Ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Պիեռ և Ժակ Կյուրիներ

Պիեզոէլեկտրականությունը էլեկտրամեխանիկական երևույթ է, երբ էլեկտրական լիցքը կուտակվում է որոշակի պինդ նյութերում, ինչպիսիք են բյուրեղները, կերամիկաները և կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորը և ԴՆԹ-ն: Այս լիցքը առաջանում է ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: «Պիեզոէլեկտրականություն» բառը ծագել է հունարեն «piezein» բառից, որը նշանակում է «սեղմել կամ սեղմել» և «elektron», որը նշանակում է «սաթ», էլեկտրական լիցքի հնագույն աղբյուր։

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը առաջանում է մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցությունից ինվերսիայի սիմետրիա ունեցող նյութերում: Այս էֆեկտը շրջելի է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ ցուցադրող նյութերը ցուցադրում են նաև հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որտեղ մեխանիկական լարման ներքին առաջացումը առաջանում է ի պատասխան կիրառական էլեկտրական դաշտի: Օրինակ, կապարի ցիրկոնատ տիտանատի բյուրեղները առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, երբ դրանց ստատիկ կառուցվածքը դեֆորմացվում է իր սկզբնական չափից: Ընդհակառակը, երբ արտաքին էլեկտրական դաշտ է կիրառվում, բյուրեղները փոխում են իրենց ստատիկ չափը, առաջացնելով ուլտրաձայնային ալիքներ այն գործընթացում, որը հայտնի է որպես հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ:

1880 թվականին ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Պիեռ և Ժակ Կյուրիները հայտնաբերեցին պիեզոէլեկտրական էֆեկտը և այն ժամանակից ի վեր այն օգտագործվել է մի շարք օգտակար կիրառությունների համար, ներառյալ ձայնի արտադրությունն ու հայտնաբերումը, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրությունը, բարձր լարման էլեկտրականության արտադրությունը, ժամացույցի գեներատորները և էլեկտրոնային: սարքեր, ինչպիսիք են միկրոբալանսները և ուլտրաձայնային վարդակները՝ չափազանց նուրբ կենտրոնացման օպտիկական հավաքույթների համար: Այն նաև հիմք է հանդիսանում զոնդերի մանրադիտակների սկանավորման համար, որոնք կարող են լուծել պատկերները ատոմների մասշտաբով: Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է նաև էլեկտրոնային եղանակով ուժեղացված կիթառների պիկապներում և ժամանակակից էլեկտրոնային հարվածային գործիքների ձգանների համար:

Պիեզոէլեկտրականությունը նաև առօրյա կիրառություն է գտնում, օրինակ՝ կերակուր պատրաստելու և տաքացնող սարքերում, ջահեր, ծխախոտի կրակայրիչներ և այլն, գազի բռնկման համար կայծեր առաջացնելը և այլն: Պիրոէլեկտրական էֆեկտը, որտեղ նյութը առաջացնում է էլեկտրական պոտենցիալ՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության, ուսումնասիրվել է Կարլ Լինեուսի և Ֆրանց Էպինուսի կողմից 18-րդ դարի կեսերին՝ հենվելով Ռենե Հաուի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի գիտելիքների վրա, ովքեր առաջ քաշեցին հարաբերություններ մեխանիկական սթրեսը և էլեկտրական լիցքը, թեև նրանց փորձերը անորոշ էին:

Համատեղելով պիրոէլեկտրականության մասին իրենց գիտելիքները հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնման հետ՝ Կյուրիները կարողացան առաջացնել պիրոէլեկտրականության կանխատեսում և կանխատեսել բյուրեղների վարքագիծը: Դա ապացուցվեց բյուրեղների ազդեցությամբ, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը: Նատրիումի կալիումի տարտրատ տետրահիդրատը և քվարցը նույնպես դրսևորեցին պիեզոէլեկտրականություն: Պիեզոէլեկտրական սկավառակը դեֆորմացման ժամանակ առաջացնում է լարում, թեև դա խիստ չափազանցված է Կյուրիների ցուցադրման մեջ: Նրանք կարողացան նաև կանխատեսել հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը և մաթեմատիկորեն այն եզրակացնել Գաբրիել Լիպմանի հիմնարար թերմոդինամիկական սկզբունքներից 1881 թ.

Կյուրիները անմիջապես հաստատեցին հակադարձ էֆեկտի առկայությունը և շարունակեցին ձեռք բերել քանակական ապացույց պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում էլեկտրաէլաստո-մեխանիկական դեֆորմացիաների ամբողջական շրջելիության վերաբերյալ: Հետագա տասնամյակներում պիեզոէլեկտրականությունը մնաց լաբորատոր հետաքրքրության առարկա, մինչև այն դարձավ կենսական գործիք Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման գործում: Նրանց աշխատանքը՝ բացահայտելու և սահմանելու բյուրեղային կառուցվածքները, որոնք ցուցադրում էին պիեզոէլեկտրականություն, գագաթնակետին հասավ Վոլդեմար Ֆոյգտի «Lehrbuch der Kristallphysik» (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրապարակմամբ:

Փորձերն ապացուցեցին անորոշ

Պիեզոէլեկտրականությունը էլեկտրամեխանիկական երևույթ է, երբ էլեկտրական լիցքը կուտակվում է որոշակի պինդ նյութերում, ինչպիսիք են բյուրեղները, կերամիկաները և կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորը և ԴՆԹ-ն: Այն կիրառվող մեխանիկական սթրեսի արձագանքն է, և «պիեզոէլեկտրականություն» բառը ծագել է հունարեն «piezein» բառերից, որը նշանակում է «սեղմել կամ սեղմել» և «ēlektron», որը նշանակում է «սաթ», էլեկտրական լիցքի հնագույն աղբյուր:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը առաջանում է բյուրեղային նյութերի մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցությունից՝ ինվերսիոն համաչափությամբ։ Դա շրջելի գործընթաց է; Պիեզոէլեկտրական էֆեկտ ցուցադրող նյութերը նաև ցուցադրում են հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որը կիրառական էլեկտրական դաշտից առաջացող մեխանիկական լարվածության ներքին առաջացումն է: Օրինակ, կապարի ցիրկոնատ տիտանատի բյուրեղները առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, երբ դրանց ստատիկ կառուցվածքը դեֆորմացվում է իր սկզբնական չափից: Ընդհակառակը, բյուրեղները կարող են փոխել իրենց ստատիկ չափը, երբ կիրառվում է արտաքին էլեկտրական դաշտ, որը հայտնի է որպես հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որն օգտագործվում է ուլտրաձայնային ալիքների արտադրության մեջ:

Ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Պիեռ և Ժակ Կյուրին հայտնաբերել են պիեզոէլեկտրականությունը 1880 թվականին: Այն ժամանակից ի վեր այն օգտագործվել է մի շարք օգտակար կիրառությունների համար, այդ թվում՝ ձայնի արտադրության և հայտնաբերման, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրության, բարձր լարման էլեկտրականության, ժամացույցի գեներատորների և էլեկտրոնային սարքերի, ինչպիսիք են միկրոբալանսը: , վարել ուլտրաձայնային վարդակներ և չափազանց նուրբ կենտրոնացման օպտիկական հավաքներ: Այն նաև հիմք է հանդիսանում սկանավորող զոնդերի մանրադիտակների համար, որոնք կարող են լուծել պատկերները ատոմների մասշտաբով: Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է նաև էլեկտրոնային եղանակով ուժեղացված կիթառների պիկապներում, իսկ ժամանակակից էլեկտրոնային թմբուկների համար տրիգերները:

Պիեզոէլեկտրականությունը ամենօրյա կիրառություն է գտնում կայծեր առաջացնելու համար, որոնք գազ են վառում ճաշ պատրաստելու և տաքացնող սարքերում, ջահերում, ծխախոտի կրակայրիչներում և այլն: Պիրոէլեկտրական էֆեկտը, որի դեպքում նյութը առաջացնում է էլեկտրական պոտենցիալ՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության, ուսումնասիրվել է Կարլ Լինեուսի և Ֆրանց Էպինուսի կողմից 18-րդ դարի կեսերին՝ հենվելով Ռենե Հաուի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի գիտելիքների վրա, ովքեր առաջ քաշեցին հարաբերություններ։ մեխանիկական սթրեսի և էլեկտրական լիցքի միջև: Փորձերն անորոշ էին։

Պիրոէլեկտրականության համակցված գիտելիքները և հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնումը հիմք են տվել պիրոէլեկտրականության կանխատեսմանը և բյուրեղների վարքագիծը կանխատեսելու կարողությանը: Դա ապացուցվեց բյուրեղների ազդեցությամբ, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը: Նատրիումի կալիումի տարտրատ տետրահիդրատը և քվարցը նույնպես դրսևորեցին պիեզոէլեկտրականություն, և պիեզոէլեկտրական սկավառակը օգտագործվեց դեֆորմացման ժամանակ լարման առաջացման համար: Սա խիստ չափազանցված էր Կյուրիների կողմից ուղղակի պիեզոէլեկտրական էֆեկտի ցուցադրման ժամանակ:

Պիեռ և Ժակ Կյուրի եղբայրները կանխագուշակեցին հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը, իսկ հակադարձ էֆեկտը մաթեմատիկորեն դուրս բերվեց Գաբրիել Լիպմանի հիմնարար թերմոդինամիկ սկզբունքներից 1881 թվականին: Կյուրիները անմիջապես հաստատեցին հակադարձ էֆեկտի գոյությունը և շարունակեցին ստանալ ամբողջականության քանակական ապացույց: Պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում էլեկտրաէլաստո-մեխանիկական դեֆորմացիաների շրջելիությունը.

Տասնամյակներ շարունակ պիեզոէլեկտրականությունը մնում էր լաբորատոր հետաքրքրություն, սակայն այն կենսական գործիք էր Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման գործում: Պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող բյուրեղային կառուցվածքները ուսումնասիրելու և սահմանելու նրանց աշխատանքը գագաթնակետին հասավ Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik-ի (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրապարակմամբ: Սա նկարագրեց բնական բյուրեղների դասերը, որոնք ընդունակ են պիեզոէլեկտրականություն և խստորեն սահմանեց պիեզոէլեկտրական հաստատունները՝ օգտագործելով թենզորային վերլուծություն: Սա պիեզոէլեկտրական փոխարկիչների առաջին գործնական կիրառումն էր, և սոնարը ստեղծվել է Առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ: Ֆրանսիայում Պոլ Լանգևինը և նրա գործընկերները մշակեցին ուլտրաձայնային սուզանավային դետեկտոր:

Կարլ Լինեուսը և Ֆրանց Էպինուսը

Պիեզոէլեկտրականությունը էլեկտրամեխանիկական երևույթ է, որի դեպքում էլեկտրական լիցքը կուտակվում է որոշակի պինդ նյութերում, ինչպիսիք են բյուրեղները, կերամիկաները և կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորը և ԴՆԹ-ն: Այս լիցքը առաջանում է ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: Պիեզոէլեկտրականություն բառը ծագել է հունարեն πιέζειν (piezein) բառերից, որը նշանակում է «սեղմել կամ սեղմել» և ἤλεκτρον (ēlektron), որը նշանակում է «սաթ», հնագույն էլեկտրական լիցքի աղբյուր։

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը առաջանում է բյուրեղային նյութերի մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցությունից՝ ինվերսիայի համաչափությամբ: Այս էֆեկտը շրջելի է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրականություն ցուցադրող նյութերը նույնպես ցուցադրում են հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը, որը կիրառական էլեկտրական դաշտից առաջացող մեխանիկական լարվածության ներքին առաջացումն է: Օրինակ, կապարի ցիրկոնատ տիտանատի բյուրեղները առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, երբ դրանց ստատիկ կառուցվածքը դեֆորմացվում է իր սկզբնական չափից: Ընդհակառակը, բյուրեղները կարող են փոխել իրենց ստատիկ չափը, երբ կիրառվում է արտաքին էլեկտրական դաշտ, որը հայտնի է որպես հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ և օգտագործվում է ուլտրաձայնային ալիքների արտադրության մեջ:

1880 թվականին ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Ժակ և Պիեռ Կյուրին հայտնաբերեցին պիեզոէլեկտրական էֆեկտը, և այդ ժամանակվանից այն օգտագործվել է բազմաթիվ օգտակար կիրառությունների համար, ներառյալ ձայնի արտադրությունը և հայտնաբերումը, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրությունը, բարձր լարման էլեկտրականության արտադրությունը, ժամացույցի գեներատորները, էլեկտրոնային սարքերը, միկրոբալանսը: , վարել ուլտրաձայնային վարդակներ և չափազանց նուրբ կենտրոնացման օպտիկական հավաքներ: Այն նաև հիմք է հանդիսանում զոնդերի մանրադիտակների սկանավորման համար, որոնք օգտագործվում են ատոմների մասշտաբով պատկերները լուծելու համար։ Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է նաև էլեկտրոնային եղանակով ուժեղացված կիթառների պիկապներում և ժամանակակից էլեկտրոնային հարվածային գործիքների ձգանների համար:

Պիեզոէլեկտրականությունը հայտնաբերվում է նաև առօրյա օգտագործման մեջ, ինչպիսիք են խոհարարության և ջեռուցման սարքերում գազի բռնկման համար կայծեր առաջացնելը, ջահերը, ծխախոտի կրակայրիչները և պիրոէլեկտրական էֆեկտը, երբ նյութը առաջացնում է էլեկտրական ներուժ՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության: Այս էֆեկտն ուսումնասիրվել է Կարլ Լիննեուսի և Ֆրանց Էպինուսի կողմից 18-րդ դարի կեսերին՝ հիմնվելով Ռենե Հաուի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի գիտելիքների վրա, ովքեր կապ են հաստատել մեխանիկական սթրեսի և էլեկտրական լիցքի միջև, թեև նրանց փորձերը անորոշ են եղել:

Շոտլանդիայի Հանթերյան թանգարանի Կյուրիի կոմպենսատորի պիեզո բյուրեղի տեսքը Պիեռ և Ժակ Կյուրի եղբայրների անմիջական պիեզոէլեկտրական էֆեկտի ցուցադրումն է: Պիրոէլեկտրականության մասին իրենց գիտելիքները համադրելը հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնման հետ առաջացրել է պիրոէլեկտրականության կանխատեսում և բյուրեղների վարքագիծը կանխատեսելու կարողություն: Դա ցույց տվեց բյուրեղների ազդեցությունը, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը: Նատրիումի կալիումի տարտրատ տետրահիդրատը և Ռոշելի աղի քվարցը դրսևորեցին պիեզոէլեկտրականություն, իսկ պիեզոէլեկտրական սկավառակը դեֆորմացման ժամանակ առաջացնում է լարում, թեև դա խիստ չափազանցված է Կյուրիների ցուցադրության մեջ:

Հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտի կանխատեսումը և դրա մաթեմատիկական հանումը հիմնարար թերմոդինամիկական սկզբունքներից կատարվել է Գաբրիել Լիպմանի կողմից 1881 թվականին: Կյուրիները անմիջապես հաստատեցին հակադարձ էֆեկտի առկայությունը և շարունակեցին ստանալ էլեկտրաէլաստո-ի ամբողջական շրջելիության քանակական ապացույց: մեխանիկական դեֆորմացիաներ պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում. Տասնամյակներ շարունակ պիեզոէլեկտրականությունը մնաց լաբորատոր հետաքրքրություն, մինչև այն դարձավ կենսական գործիք Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման համար, ովքեր այն օգտագործեցին պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող բյուրեղային կառուցվածքները ուսումնասիրելու և սահմանելու համար: Սա ավարտվեց Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik-ի (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրապարակմամբ, որը նկարագրում էր բնական բյուրեղների դասերը, որոնք ընդունակ են պիեզոէլեկտրականություն և խստորեն սահմանում էր պիեզոէլեկտրական հաստատունները՝ օգտագործելով թենզորային վերլուծություն:

Պիեզոէլեկտրական փոխարկիչների այս գործնական կիրառումը հանգեցրեց առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ sonar-ի ստեղծմանը: Ֆրանսիայում Պոլ Լանգևինը և նրա գործընկերները մշակեցին ուլտրաձայնային սուզանավերի դետեկտոր: Դետեկտորը բաղկացած էր բարակ քվարց բյուրեղներից պատրաստված փոխարկիչից, որը խնամքով սոսնձված էր պողպատե թիթեղներին, և հիդրոֆոնից, որը հայտնաբերում էր վերադարձվող արձագանքը փոխարկիչից բարձր հաճախականության իմպուլս արձակելուց հետո: Չափելով այն ժամանակը, որն անհրաժեշտ է լսելու ձայնային ալիքների արձագանքը, որոնք ցատկում են առարկայից, նրանք կարողացան հաշվարկել օբյեկտի հեռավորությունը: Նրանք օգտագործեցին պիեզոէլեկտրականություն այս սոնարը հաջողության հասնելու համար, և նախագիծը ինտենսիվ զարգացում և հետաքրքրություն առաջացրեց պիեզոէլեկտրական սարքերի նկատմամբ:

Ռենե Հոյ և Անտուան ​​Սեզար Բեկերել

Պիեզոէլեկտրականությունը էլեկտրամեխանիկական երևույթ է, որը տեղի է ունենում, երբ որոշ պինդ նյութեր, ինչպիսիք են բյուրեղները, կերամիկան և կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորը և ԴՆԹ-ն, կուտակում են էլեկտրական լիցք՝ ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: Պիեզոէլեկտրականությունը ծագել է հունարեն «piezein» բառից, որը նշանակում է «սեղմել կամ սեղմել» և «elektron»՝ «սաթի»՝ էլեկտրական լիցքի հնագույն աղբյուրից։

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը առաջանում է մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցությունից բյուրեղային նյութերում ինվերսիոն սիմետրիկությամբ: Այս էֆեկտը շրջելի է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ ցուցադրող նյութերը ցուցադրում են նաև հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, կամ կիրառական էլեկտրական դաշտից բխող մեխանիկական լարվածության ներքին առաջացում: Օրինակ, կապարի ցիրկոնատ տիտանատի բյուրեղները առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, երբ դրանց ստատիկ կառուցվածքը դեֆորմացվում է իր սկզբնական չափից: Ընդհակառակը, բյուրեղները կարող են փոխել իրենց ստատիկ չափը, երբ կիրառվում է արտաքին էլեկտրական դաշտ, ինչը հանգեցնում է հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտի և ուլտրաձայնային ալիքների արտադրությանը:

Ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Պիեռ և Ժակ Կյուրին հայտնաբերել են պիեզոէլեկտրական էֆեկտը 1880 թվականին: Այս էֆեկտը օգտագործվել է մի շարք օգտակար կիրառությունների համար, ներառյալ ձայնի արտադրությունն ու հայտնաբերումը, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրությունը, բարձր լարման էլեկտրականության արտադրությունը, ժամացույցի գեներատորները և էլեկտրոնային սարքերը: ինչպես միկրոբալանսները, վարել ուլտրաձայնային վարդակներ և չափազանց նուրբ կենտրոնացման օպտիկական հավաքներ: Այն նաև հիմք է հանդիսանում սկանավորող զոնդերի մանրադիտակների համար, որոնք կարող են լուծել պատկերները ատոմների մասշտաբով: Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվում է նաև էլեկտրոնային եղանակով ուժեղացված կիթառների պիկապներում, իսկ ժամանակակից էլեկտրոնային հարվածային գործիքների ձգանները:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտն առաջին անգամ ուսումնասիրվել է Կարլ Լիննեուսի և Ֆրանց Էպինուսի կողմից 18-րդ դարի կեսերին՝ հիմնվելով Ռենե Հաուի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի գիտելիքների վրա, ովքեր կապ են հաստատել մեխանիկական սթրեսի և էլեկտրական լիցքի միջև: Այնուամենայնիվ, փորձերը անորոշ էին։ Համակցված պիրոէլեկտրականության մասին գիտելիքների և հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնման հետ՝ սա հիմք է տվել պիրոէլեկտրականության կանխատեսմանը և բյուրեղների վարքագիծը կանխատեսելու կարողությանը: Դա ապացուցվեց բյուրեղների ազդեցությամբ, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը: Նատրիումի կալիումի տարտրատ տետրահիդրատը և քվարցը նույնպես դրսևորեցին պիեզոէլեկտրականություն, և պիեզոէլեկտրական սկավառակը օգտագործվեց դեֆորմացման ժամանակ լարման առաջացման համար: Այս էֆեկտը խիստ ուռճացված էր Շոտլանդիայի թանգարանում Կյուրիների ցուցադրության ժամանակ, որը ցույց էր տալիս ուղղակի պիեզոէլեկտրական էֆեկտը։

Պիեռ և Ժակ Կյուրի եղբայրները շարունակեցին ձեռք բերել քանակական ապացույց պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում էլեկտրաէլաստո-մեխանիկական դեֆորմացիաների ամբողջական շրջելիության վերաբերյալ։ Տասնամյակներ շարունակ պիեզոէլեկտրականությունը մնաց լաբորատոր հետաքրքրություն, մինչև այն դարձավ կենսական գործիք Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման գործում: Այս աշխատությունը ուսումնասիրեց և սահմանեց բյուրեղային կառուցվածքները, որոնք դրսևորում էին պիեզոէլեկտրականություն, ինչը հանգեցրեց Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik-ի (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրապարակմանը:

Կյուրիները անմիջապես հաստատեցին հակադարձ էֆեկտի գոյությունը և մաթեմատիկորեն անցան հակադարձ էֆեկտի հիմնարար թերմոդինամիկական սկզբունքները: Դա արվել է Գաբրիել Լիպմանի կողմից 1881թ.-ին: Այնուհետև պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվել է առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ սոնար ստեղծելու համար: Ֆրանսիայում Պոլ Լանգևինը և նրա գործընկերները մշակել են ուլտրաձայնային սուզանավերի դետեկտոր: Այս դետեկտորը բաղկացած էր բարակ քվարց բյուրեղներից պատրաստված փոխարկիչից, որոնք խնամքով սոսնձված էին պողպատե թիթեղների վրա, և հիդրոֆոնից՝ վերադարձվող արձագանքը հայտնաբերելու համար։ Փոխակերպիչից բարձր հաճախականության իմպուլս արձակելով և չափելով այն ժամանակը, որը պահանջվում է լսելու ձայնային ալիքների արձագանքը, որոնք ցատկում են առարկայից, նրանք կարող էին հաշվարկել մինչև օբյեկտ հեռավորությունը:

Պիեզոէլեկտրական բյուրեղների օգտագործումը հետագայում զարգացավ Bell Telephone Laboratories-ի կողմից Երկրորդ համաշխարհային պատերազմից հետո: Ֆրեդերիկ Ռ. Լաքը, աշխատելով ռադիոհեռախոսային ինժեներական բաժնում, մշակեց կտրված բյուրեղ, որը կարող էր աշխատել ջերմաստիճանների լայն տիրույթում: Լեքսի բյուրեղը կարիք չուներ նախկին բյուրեղների ծանր պարագաների, ինչը հեշտացնում էր դրա օգտագործումը ինքնաթիռներում: Այս զարգացումը թույլ տվեց դաշնակիցների օդային ուժերին ներգրավվել համակարգված զանգվածային հարձակումների՝ օգտագործելով ավիացիոն ռադիո։ ԱՄՆ-ում պիեզոէլեկտրական սարքերի և նյութերի զարգացումը ընկերություններին պահում էր այդ ոլորտում պատերազմական սկզբնաղբյուրների զարգացման մեջ, և նոր նյութերի համար շահավետ արտոնագրեր ապահովելու շահագրգռվածությունը զարգացավ: Քվարց բյուրեղները կոմերցիոն կերպով օգտագործվում էին որպես պիեզոէլեկտրական նյութ, և գիտնականները փնտրում էին ավելի բարձր արդյունավետության նյութեր: Չնայած նյութերի առաջընթացին և արտադրական գործընթացների հասունացմանը, ԱՄՆ

Գաբրիել Լիպման

Պիեզոէլեկտրականությունը էլեկտրամեխանիկական երևույթ է, երբ էլեկտրական լիցքը կուտակվում է որոշակի պինդ նյութերում, ինչպիսիք են բյուրեղները, կերամիկաները և կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորը և ԴՆԹ-ն: Այն ինվերսիայի սիմետրիա ունեցող նյութերում մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների փոխազդեցության արդյունք է։ Պիեզոէլեկտրականությունն առաջին անգամ հայտնաբերել են ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Պիեռ և Ժակ Կյուրիները 1880 թվականին։

Պիեզոէլեկտրականությունը օգտագործվել է մի շարք օգտակար ծրագրերի համար, ներառյալ ձայնի արտադրությունն ու հայտնաբերումը, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրությունը և բարձր լարման էլեկտրաէներգիայի արտադրությունը: Պիեզոէլեկտրականությունը ծագել է հունարեն πιέζειν (piezein) բառերից, որը նշանակում է «սեղմել կամ սեղմել» և ἤλεκτρον (ēlektron), որը նշանակում է «սաթ», հնագույն էլեկտրական լիցքի աղբյուր։

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը շրջելի է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող նյութերը ցուցադրում են նաև հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որի դեպքում մեխանիկական լարման ներքին առաջացումը առաջանում է էլեկտրական դաշտի կիրառման արդյունքում: Օրինակ, կապարի ցիրկոնատ տիտանատի բյուրեղները առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, երբ դրանց ստատիկ կառուցվածքը դեֆորմացվում է իր սկզբնական չափից: Ընդհակառակը, բյուրեղները կարող են փոխել իրենց ստատիկ չափը, երբ կիրառվում է արտաքին էլեկտրական դաշտ, մի գործընթաց, որը հայտնի է որպես հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ: Այս գործընթացը կարող է օգտագործվել ուլտրաձայնային ալիքներ արտադրելու համար:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտն ուսումնասիրվել է 18-րդ դարի կեսերից, երբ Կարլ Լիննեուսը և Ֆրանց Էպինուսը, հիմնվելով Ռենե Հաուի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի գիտելիքների վրա, սահմանեցին կապ մեխանիկական սթրեսի և էլեկտրական լիցքի միջև: Այնուամենայնիվ, փորձերը անորոշ էին։ Միայն պիրոէլեկտրականության մասին համակցված գիտելիքների և հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնման արդյունքում հետազոտողները կարողացան կանխատեսել բյուրեղների վարքագիծը: Դա ցույց տվեց բյուրեղների ազդեցությունը, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգնաշաքարը և Ռոշելի աղը:

Գաբրիել Լիպմանը 1881 թվականին մաթեմատիկորեն եզրակացրեց հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտի հիմնարար ջերմադինամիկ սկզբունքները։ Կյուրիները անմիջապես հաստատեցին հակադարձ էֆեկտի առկայությունը և շարունակեցին ձեռք բերել քանակական ապացույց պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում էլեկտրաէլաստո-մեխանիկական դեֆորմացիաների ամբողջական շրջելիության վերաբերյալ:

Տասնամյակներ շարունակ պիեզոէլեկտրականությունը մնաց լաբորատոր հետաքրքրություն, մինչև այն դարձավ կենսական գործիք Պիեռ և Մարի Կյուրիների կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման գործում: Նրանց աշխատանքը՝ բացահայտելու և սահմանելու բյուրեղային կառուցվածքները, որոնք ցուցադրում էին պիեզոէլեկտրականություն, գագաթնակետին հասավ Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրատարակությամբ: Սա նկարագրեց բնական բյուրեղների դասերը, որոնք ընդունակ են պիեզոէլեկտրականություն և խստորեն սահմանեց պիեզոէլեկտրական հաստատունները թենզորային վերլուծությամբ:

Պիեզոէլեկտրական սարքերի գործնական կիրառումը սկսվեց Առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ սոնարների ստեղծմամբ: Փոլ Լանգևինը և նրա գործընկերները մշակեցին սուզանավերի ուլտրաձայնային դետեկտոր: Այս դետեկտորը բաղկացած էր բարակ քվարց բյուրեղներից պատրաստված փոխարկիչից, որոնք խնամքով սոսնձված էին պողպատե թիթեղների վրա, և հիդրոֆոնից՝ վերադարձվող արձագանքը հայտնաբերելու համար։ Փոխարկիչից բարձր հաճախականության իմպուլս արձակելով և չափելով այն ժամանակը, որը անհրաժեշտ է լսելու ձայնային ալիքների արձագանքը, որոնք ցատկում են առարկայից, նրանք կարողացան հաշվարկել մինչև օբյեկտ հեռավորությունը: Պիեզոէլեկտրական էներգիայի այս օգտագործումը սոնարների համար հաջողություն էր, և նախագիծը զարգացրեց ինտենսիվ հետաքրքրություն պիեզոէլեկտրական սարքերի նկատմամբ: Տասնամյակների ընթացքում ուսումնասիրվել և մշակվել են նոր պիեզոէլեկտրական նյութեր և այդ նյութերի նոր կիրառություններ: Պիեզոէլեկտրական սարքերը գտել են տներ տարբեր ոլորտներում՝ սկսած կերամիկական ֆոնոգրաֆիկ փամփուշտներից, որոնք պարզեցրել են նվագարկչի դիզայնը և էժան, ճշգրիտ ձայնագրիչներն ավելի էժան են դարձնում պահպանման և ավելի հեշտ կառուցելու համար, մինչև ուլտրաձայնային փոխարկիչների մշակումը, որոնք թույլ են տալիս հեշտ չափել հեղուկների մածուցիկությունը և առաձգականությունը: և պինդ մարմինները, ինչը հանգեցնում է նյութերի հետազոտության հսկայական առաջընթացի: Ուլտրաձայնային ժամանակի տիրույթի ռեֆլեկտաչափերը ուլտրաձայնային իմպուլս են ուղարկում նյութի մեջ և չափում արտացոլումները և ընդհատումները՝ մետաղական և քարե առարկաների ներսում թերություններ գտնելու համար՝ բարելավելով կառուցվածքի անվտանգությունը:

Երկրորդ համաշխարհային պատերազմից հետո ԱՄՆ-ում, Ռուսաստանում և Ճապոնիայում անկախ հետազոտական ​​խմբերը հայտնաբերեցին սինթետիկ նյութերի նոր դաս, որը կոչվում է ֆերոէլեկտրիկներ, որոնք ցույց էին տալիս պիեզոէլեկտրական հաստատունները մինչև տասը անգամ ավելի բարձր, քան բնական նյութերը: Սա հանգեցրեց բարիումի տիտանատի, իսկ ավելի ուշ կապարի ցիրկոնատ տիտանատի մշակման ինտենսիվ հետազոտությունների՝ որոշակի կիրառությունների համար հատուկ հատկություններով նյութեր: Մշակվել է պիեզոէլեկտրական բյուրեղների օգտագործման նշանակալի օրինակ

Վոլդեմար Ֆոյգտ

Պիեզոէլեկտրականությունը էլեկտրամեխանիկական երևույթ է, երբ էլեկտրական լիցքը կուտակվում է որոշակի պինդ նյութերում, ինչպիսիք են բյուրեղները, կերամիկաները և կենսաբանական նյութերը, ինչպիսիք են ոսկորը և ԴՆԹ-ն: Այս լիցքը առաջանում է ի պատասխան կիրառվող մեխանիկական սթրեսի: Պիեզոէլեկտրականություն բառը ծագել է հունարեն «piezein» բառից, որը նշանակում է «սեղմել կամ սեղմել», և «elektron», որը նշանակում է «սաթ», հնագույն էլեկտրական լիցքի աղբյուր:

Պիեզոէլեկտրական էֆեկտը առաջանում է բյուրեղային նյութերի մեխանիկական և էլեկտրական վիճակների գծային էլեկտրամեխանիկական փոխազդեցությունից՝ ինվերսիայի համաչափությամբ: Այս էֆեկտը շրջելի է, ինչը նշանակում է, որ պիեզոէլեկտրականություն ցուցադրող նյութերը նույնպես ցուցադրում են հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որտեղ մեխանիկական լարվածության ներքին առաջացումը առաջանում է կիրառական էլեկտրական դաշտից: Օրինակ, կապարի ցիրկոնատ տիտանատի բյուրեղները առաջացնում են չափելի պիեզոէլեկտրականություն, երբ դրանց ստատիկ կառուցվածքը դեֆորմացվում է իր սկզբնական չափից: Ընդհակառակը, բյուրեղները կարող են փոխել իրենց ստատիկ չափը, երբ կիրառվում է արտաքին էլեկտրական դաշտ, մի երևույթ, որը հայտնի է որպես հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտ, որն օգտագործվում է ուլտրաձայնային ալիքների արտադրության մեջ:

Ֆրանսիացի ֆիզիկոսներ Պիեռ և Ժակ Կյուրին հայտնաբերել են պիեզոէլեկտրականությունը 1880 թվականին: Պիեզոէլեկտրական էֆեկտն այն ժամանակվանից օգտագործվել է մի շարք օգտակար կիրառությունների համար, այդ թվում՝ ձայնի արտադրության և հայտնաբերման, պիեզոէլեկտրական թանաքային տպագրության, բարձր լարման էլեկտրականության, ժամացույցի գեներատորների և էլեկտրոնային սարքերի արտադրության համար: ինչպես միկրոբալանսը և վարում են ուլտրաձայնային վարդակներ՝ օպտիկական հավաքույթների ծայրահեղ նուրբ կենտրոնացման համար: Այն նաև հիմք է հանդիսանում սկանավորող զոնդերի մանրադիտակների համար, որոնք կարող են լուծել պատկերները ատոմների մասշտաբով: Բացի այդ, էլեկտրոնային ուժեղացված կիթառների պիկապները և ժամանակակից էլեկտրոնային հարվածային գործիքների ձգանները օգտագործում են պիեզոէլեկտրական էֆեկտը:

Պիեզոէլեկտրականությունը նաև ամենօրյա կիրառություն է գտնում կերակուր պատրաստելու և տաքացնող սարքերում, ջահերում, ծխախոտի կրակայրիչներում և այլնում գազի բռնկման համար կայծեր առաջացնելու համար: Պիրոէլեկտրական էֆեկտը, որտեղ նյութը առաջացնում է էլեկտրական պոտենցիալ՝ ի պատասխան ջերմաստիճանի փոփոխության, ուսումնասիրվել է Կարլ Լինեուսի և Ֆրանց Էպինուսի կողմից 18-րդ դարի կեսերին՝ հենվելով Ռենե Հոյի և Անտուան ​​Սեզար Բեկերելի գիտելիքների վրա, ովքեր ենթադրում էին մեխանիկական հարաբերություններ: սթրես և էլեկտրական լիցք: Այս հարաբերություններն ապացուցելու փորձերը անորոշ են եղել:

Շոտլանդիայի Հանթերյան թանգարանի Կյուրիի կոմպենսատորի պիեզո բյուրեղի տեսքը Պիեռ և Ժակ Կյուրի եղբայրների անմիջական պիեզոէլեկտրական էֆեկտի ցուցադրումն է: Համատեղելով պիրոէլեկտրականության մասին իրենց գիտելիքները հիմքում ընկած բյուրեղային կառուցվածքների ըմբռնման հետ առաջացրել են պիրոէլեկտրականության կանխատեսումը, ինչը նրանց թույլ է տվել կանխատեսել բյուրեղների վարքագիծը, որը նրանք դրսևորել են բյուրեղների ազդեցությունից, ինչպիսիք են տուրմալինը, քվարցը, տոպազը, եղեգի շաքարը և Ռոշելի աղը: . Նատրիումի և կալիումի տարտրատ տետրահիդրատը և քվարցը նույնպես դրսևորեցին պիեզոէլեկտրականություն, և պիեզոէլեկտրական սկավառակը օգտագործվեց դեֆորմացման ժամանակ լարման առաջացման համար: Ձևի այս փոփոխությունը խիստ ուռճացված էր Կյուրիների ցուցադրության ժամանակ, և նրանք շարունակեցին կանխատեսել հակադարձ պիեզոէլեկտրական էֆեկտը: Հակադարձ էֆեկտը մաթեմատիկորեն դուրս է բերվել Գաբրիել Լիպմանի հիմնարար թերմոդինամիկական սկզբունքներից 1881 թվականին։

Կյուրիները անմիջապես հաստատեցին հակադարձ էֆեկտի առկայությունը և շարունակեցին ձեռք բերել քանակական ապացույց պիեզոէլեկտրական բյուրեղներում էլեկտրաէլաստո-մեխանիկական դեֆորմացիաների ամբողջական շրջելիության վերաբերյալ: Հետագա տասնամյակներում պիեզոէլեկտրականությունը մնաց լաբորատոր հետաքրքրություն, մինչև այն դարձավ կենսական գործիք Պիեռ Մարի Կյուրիի կողմից պոլոնիումի և ռադիումի հայտնաբերման համար, ով այն օգտագործեց պիեզոէլեկտրականություն դրսևորող բյուրեղային կառուցվածքները ուսումնասիրելու և սահմանելու համար: Սա ավարտվեց Վոլդեմար Ֆոյգտի Lehrbuch der Kristallphysik-ի (Բյուրեղների ֆիզիկայի դասագիրք) հրապարակմամբ, որը նկարագրում էր բնական բյուրեղների դասերը, որոնք ընդունակ են պիեզոէլեկտրականություն և խստորեն սահմանում էր պիեզոէլեկտրական հաստատունները՝ օգտագործելով թենզորային վերլուծություն:

Սա հանգեցրեց պիեզոէլեկտրական սարքերի գործնական կիրառմանը, ինչպիսին է սոնարը, որը մշակվել էր Առաջին համաշխարհային պատերազմի ժամանակ: Ֆրանսիայում Պոլ Լանգևինը և նրա գործընկերները մշակեցին ուլտրաձայնային սուզանավային դետեկտոր: Այս դետեկտորը բաղկացած էր բարակ քվարց բյուրեղներից պատրաստված փոխարկիչից, որոնք խնամքով սոսնձված էին պողպատե թիթեղների վրա, և հիդրոֆոնից, որը հայտնաբերում էր վերադարձվող արձագանքը փոխարկիչից բարձր հաճախականության իմպուլս արձակելուց հետո: Չափելով այն ժամանակը, որը պահանջվում է լսելու ձայնային ալիքների արձագանքը, որոնք ցատկում են առարկայից, նրանք կարող էին հաշվարկել հեռավորությունը մինչև օբյեկտ: Նրանք օգտագործեցին պիեզոէլեկտրականություն այս սոնարը հաջողության հասնելու համար, և նախագիծը բուռն զարգացում և հետաքրքրություն առաջացրեց:

Կարևոր հարաբերություններ

• Պիեզոէլեկտրական ակտուատորներ. Պիեզոէլեկտրական շարժիչներն էլեկտրական էներգիան մեխանիկական շարժման վերածող սարքեր են: Դրանք սովորաբար օգտագործվում են ռոբոտաշինության, բժշկական սարքերի և այլ ծրագրերում, որտեղ անհրաժեշտ է ճշգրիտ շարժման կառավարում:
• Պիեզոէլեկտրական սենսորներ. Պիեզոէլեկտրական սենսորները օգտագործվում են ֆիզիկական պարամետրերը չափելու համար, ինչպիսիք են ճնշումը, արագացումը և թրթռումը: Նրանք հաճախ օգտագործվում են արդյունաբերական և բժշկական ծրագրերում, ինչպես նաև սպառողական էլեկտրոնիկայի մեջ:
• Պիեզոէլեկտրականությունը բնության մեջ. Պիեզոէլեկտրականությունը բնական երևույթ է որոշակի նյութերում և հանդիպում է շատ կենդանի օրգանիզմներում: Այն օգտագործվում է որոշ օրգանիզմների կողմից՝ իրենց միջավայրը զգալու և այլ օրգանիզմների հետ հաղորդակցվելու համար։

Եզրափակում

Պիեզոէլեկտրականությունը զարմանալի երևույթ է, որն օգտագործվել է տարբեր կիրառություններում՝ սոնարից մինչև ֆոնոգրաֆիկ փամփուշտներ: Այն ուսումնասիրվել է 1800-ականների կեսերից և մեծ ազդեցություն է ունեցել ժամանակակից տեխնոլոգիաների զարգացման գործում: Այս բլոգային գրառումը ուսումնասիրել է պիեզոէլեկտրական էներգիայի պատմությունն ու օգտագործումը և ընդգծել այս երևույթի կարևորությունը ժամանակակից տեխնոլոգիաների զարգացման մեջ: Նրանց համար, ովքեր ցանկանում են ավելին իմանալ պիեզոէլեկտրականության մասին, այս գրառումը հիանալի մեկնարկային կետ է:

Ես Joost Nusselder-ն եմ՝ Neaera-ի հիմնադիրը և բովանդակության շուկայավարը, հայրս, և սիրում եմ կիթառով նոր սարքավորումներ փորձել իմ կրքի հիմքում, և իմ թիմի հետ միասին 2020 թվականից ստեղծում եմ բլոգի խորը հոդվածներ: օգնելու հավատարիմ ընթերցողներին ձայնագրության և կիթառի վերաբերյալ խորհուրդներով:

Ստուգեք ինձ Youtube- ում որտեղ ես փորձում եմ այս ամբողջ հանդերձանքը.

Բաժանորդագրվել