פיזואלקטריות היא היכולת של חומרים מסוימים לייצר חשמל כאשר הם נתונים ללחץ מכני ולהיפך. המילה באה מיוונית piezo שפירושה לחץ, וחשמל. הוא התגלה לראשונה בשנת 1880, אך המושג ידוע כבר זמן רב.
הדוגמה הידועה ביותר לפיזואלקטריות היא קוורץ, אך גם חומרים רבים אחרים מציגים תופעה זו. השימוש הנפוץ ביותר בפיזואלקטריות הוא הפקת אולטרסאונד.
במאמר זה, אדון במה זה פיזואלקטריות, כיצד היא פועלת, וכמה מהיישומים המעשיים הרבים של התופעה המדהימה הזו.
מהי פיזואלקטריות?
פיזואלקטריות היא היכולת של חומרים מסוימים ליצור מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני המופעל. זוהי אינטראקציה אלקטרו-מכאנית ליניארית בין מצבים מכניים וחשמליים בחומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. ניתן להשתמש בחומרים פיזואלקטריים לייצור חשמל במתח גבוה, גנרטורים של שעונים, מכשירים אלקטרוניים, מיקרו-איזונים, הנעת חרירים קוליים ומכלולים אופטיים עם מיקוד עדין במיוחד.
חומרים פיזואלקטריים כוללים גבישים, קרמיקה מסוימת, חומר ביולוגי כמו עצם ו-DNA וחלבונים. כאשר מופעל כוח על חומר פיזואלקטרי, הוא מייצר מטען חשמלי. לאחר מכן ניתן להשתמש במטען זה כדי להפעיל מכשירים או ליצור מתח.
חומרים פיזואלקטריים משמשים במגוון יישומים, כולל:
• הפקה וזיהוי סאונד
• הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית
• ייצור חשמל במתח גבוה
• מחוללי שעונים
• מכשירים אלקטרוניים
• מיקרואיזונים
• כונן חרירי אולטרסאונד
• מכלולים אופטיים של מיקוד עדין במיוחד
• טנדרים עבור גיטרות מוגברות אלקטרונית
• טריגרים לתופים אלקטרוניים מודרניים
• ייצור ניצוצות להצתת גז
• מכשירי בישול וחימום
• לפידים ומציתים.
מהי ההיסטוריה של פיאזואלקטריות?
פיזואלקטריות התגלתה בשנת 1880 על ידי הפיזיקאים הצרפתים ז'אק ופייר קירי. זהו המטען החשמלי המצטבר בחומרים מוצקים מסוימים, כגון גבישים, קרמיקה וחומר ביולוגי, בתגובה ללחץ מכני המופעל. המילה 'פיזואלקטריות' נגזרת מהמילה היוונית 'piezein', שפירושה 'לסחוט' או 'לחץ', ו'אלקטרון', שמשמעותה 'ענבר', מקור קדום למטען חשמלי.
האפקט הפיאזואלקטרי נובע מהאינטראקציה האלקטרו-מכאנית ליניארית בין המצבים המכניים והחשמליים של חומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. זהו תהליך הפיך, כלומר חומרים המפגינים פיזואלקטריות מציגים גם את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך, שהוא היצירה הפנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מיושם.
הידע המשולב של בני הזוג קיורי בפירוא-חשמליות והבנת מבני הגביש הבסיסיים הולידו את חיזוי הפירוא-חשמליות ואת היכולת לחזות התנהגות גבישים. זה הוכח בהשפעה של גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל.
הקיורי אישרו מיד את קיומו של האפקט ההפוך, והמשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של דפורמציות אלקטרו-אלסטו-מכניות בגבישים פיזואלקטריים. במהלך עשרות השנים, פיזואלקטריות נותרה סקרנות מעבדתית עד שהפכה לכלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי.
פיאזואלקטריות נוצלה ליישומים שימושיים רבים, כולל הפקה וזיהוי של קול, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, ייצור חשמל במתח גבוה, גנרטורים של שעונים והתקנים אלקטרוניים, מיקרואיזונים, חרירי כונן קולי, מיקוד עדין במיוחד של מכלולים אופטיים, והצורות של בסיס של סריקת מיקרוסקופים לבדיקת תמונות בקנה מידה של אטומים.
פיזואלקטריות מוצאת גם שימושים יומיומיים, כמו יצירת ניצוצות להצתת גז במכשירי בישול וחימום, לפידים, מציתים והאפקט הפירואלקטרי, שבו חומר מייצר פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי בטמפרטורה.
בפיתוח הסונאר במהלך מלחמת העולם הראשונה נעשה שימוש בקריסטלים פיזואלקטריים שפותחו על ידי מעבדות טלפון בל. זה אפשר לחילות האוויר של בעלות הברית לעסוק בהתקפות המוניות מתואמות באמצעות רדיו תעופה. הפיתוח של מכשירים וחומרים פיזואלקטריים בארצות הברית החזיק חברות בפיתוח התחלות של ימי מלחמה בתחום האינטרסים, והשיג פטנטים רווחיים לחומרים חדשים.
יפן ראתה את היישומים והצמיחה החדשים של התעשייה הפיאזואלקטרית של ארצות הברית ופיתחה במהירות משלהם. הם שיתפו מידע במהירות ופיתחו חומרים בריום טיטנאט ומאוחר יותר עופרת זירקונט טיטנאט עם תכונות ספציפיות ליישומים מסוימים.
פיזואלקטריות עברה דרך ארוכה מאז גילויה בשנת 1880, וכיום נעשה בה שימוש במגוון יישומים יומיומיים. הוא שימש גם להתקדמות בחקר החומרים, כמו מדי רפלקציית תחום זמן קולי, השולחים פולס קולי דרך חומר כדי למדוד השתקפויות וחוסר המשכיות כדי למצוא פגמים בתוך חפצי מתכת ואבן יצוקים, מה שמשפר את הבטיחות המבנית.
כיצד פועלת פיזואלקטריות
בחלק זה, אני אבדוק כיצד פועלת פיזואלקטריות. אני אסתכל על הצטברות מטען חשמלי במוצקים, האינטראקציה האלקטרו-מכאנית הליניארית, והתהליך הפיך שמרכיב את התופעה הזו. אני גם אדון בהיסטוריה של פיאזואלקטריות ויישומיה.
הצטברות מטען חשמלי במוצקים
פיזואלקטריות היא המטען החשמלי המצטבר בחומרים מוצקים מסוימים, כגון גבישים, קרמיקה וחומר ביולוגי כמו עצם ו-DNA. זוהי תגובה ללחץ מכני מופעל, ושמה מגיע מהמילים היווניות "piezein" (לחיצה או לחיצה) ו-"ēlektron" (ענבר).
האפקט הפיאזואלקטרי נובע מהאינטראקציה האלקטרו-מכאנית ליניארית בין מצבים מכניים לחשמליים בחומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. זהו תהליך הפיך, כלומר חומרים המפגינים פיזואלקטריות מציגים גם את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך, שבו יצירה פנימית של מתח מכני נובעת משדה חשמלי מופעל. דוגמאות לחומרים המייצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כוללות גבישי עופרת זירקונט טיטנאט.
הפיזיקאים הצרפתים פייר וז'אק קירי גילו פיאזואלקטריות בשנת 1880. מאז הוא נוצל למגוון יישומים שימושיים, כולל הפקה וזיהוי של קול, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, ייצור חשמל במתח גבוה, מחוללי שעונים והתקנים אלקטרוניים כמו מיקרו-איזונים. והנעת חרירי קולי למיקוד עדין במיוחד של מכלולים אופטיים. זה גם מהווה בסיס לסריקת מיקרוסקופים של בדיקה, שיכולים לפתור תמונות בקנה מידה של אטומים. Piezoelectricity משמש גם בפיקאפים לגיטרות מוגברות אלקטרונית, וטריגרים לתופים אלקטרוניים מודרניים.
פיזואלקטריות מוצאת שימושים יומיומיים ביצירת ניצוצות להצתת גז, במכשירי בישול וחימום, לפידים, מציתים, והאפקט הפירואלקטרי, שבו חומר מייצר פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי בטמפרטורה. זה נחקר על ידי קרל לינאוס ופרנץ אפינוס באמצע המאה ה-18, תוך הסתמכות על ידע של רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל, שהניחו קשר בין מתח מכני למטען חשמלי. הניסויים התבררו כבלתי מתקבלים על הדעת.
המראה של גביש פייזו ב-Curie compensator במוזיאון Hunterian בסקוטלנד הוא הדגמה של האפקט הפייזואלקטרי הישיר. האחים פייר וז'אק קירי שילבו את הידע שלהם בפירואלקטריות עם הבנה של מבני הגביש הבסיסיים, מה שהוליד את חיזוי הפירואלקטריות. הם הצליחו לחזות את התנהגות הגבישים והדגימו את ההשפעה בגבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל. נתרן אשלגן טרטרט טטרהידרט וקוורץ גם הפגינו פיזואלקטריות. דיסק פיזואלקטרי מייצר מתח כאשר הוא מעוות, והשינוי בצורה מוגזמת מאוד בהפגנת הקורייז.
הם הצליחו לחזות את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך, והאפקט ההפוך הוסק מתמטית על ידי גבריאל ליפמן ב-1881. הקיורי אישרו מיד את קיומו של האפקט ההפוך, והמשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של אלקטרו-אלסטו- עיוותים מכניים בגבישים פיזואלקטריים.
במשך עשרות שנים, פיאזואלקטריות נותרה סקרנות מעבדתית, אבל היא הייתה כלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי. עבודתם לחקור ולהגדיר את מבני הגביש שהפגינו פיזואלקטריות הגיעה לשיאה בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik (ספר הלימוד לפיזיקת קריסטל) מאת וולדמר, שתיאר את כיתות הגביש הטבעיות המסוגלות לפיזואלקטריות והגדיר בקפדנות את הקבועים הפיאזואלקטריים באמצעות ניתוח טנזור. זה היה היישום המעשי של מכשירים פיזואלקטריים, והסונאר פותח במהלך מלחמת העולם הראשונה. בצרפת, פול לנגווין ועמיתיו לעבודה פיתחו גלאי צוללת קולי.
הגלאי כלל א מתמר עשוי מגבישי קוורץ דקים המודבקים בקפידה על לוחות פלדה, והידרופון לזיהוי ההד המוחזר. על ידי פליטת גבוה תדר דופק מהמתמר ומדידת הזמן שלוקח לשמוע את הד גלי הקול המקפצים מעצם, הם הצליחו לחשב את המרחק לעצם. הם השתמשו בפיזואלקטריות כדי להפוך את הסונאר להצלחה, והפרויקט יצר פיתוח אינטנסיבי ועניין במכשירים פיזואלקטריים. במהלך עשרות השנים, נחקרו ופותחו חומרים פיזואלקטריים חדשים ויישומים חדשים לחומרים, והתקנים פיזואלקטריים מצאו בית במגוון תחומים. מחסניות פונוגרף קרמיות פשטו את עיצוב הנגן ויוצרו נגני תקליטים זולים ומדויקים שהיו זולים יותר לתחזוקה וקלים יותר לבנייה.
הפיתוח של מתמרים קוליים אפשרו מדידה קלה של צמיגות וגמישות של נוזלים ומוצקים, מה שהביא להתקדמות עצומה במחקר החומרים.
אינטראקציה אלקטרו-מכאנית ליניארית
פיזואלקטריות היא היכולת של חומרים מסוימים ליצור מטען חשמלי כאשר הם נתונים ללחץ מכני. המילה נגזרת מהמילים היווניות πιέζειν (piezein) שמשמעותן "לסחוט או ללחוץ" ו-ἤλεκτρον (ēlektron) שמשמעותה "ענבר", שהיה מקור קדום למטען חשמלי.
פיזואלקטריות התגלתה בשנת 1880 על ידי הפיזיקאים הצרפתים ז'אק ופייר קירי. הוא מבוסס על האינטראקציה האלקטרו-מכאנית ליניארית בין המצבים המכניים והחשמליים של חומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. אפקט זה הפיך, כלומר חומרים המציגים פיזואלקטריות מציגים גם אפקט פיזואלקטרי הפוך, לפיו יצירה פנימית של מתח מכני נובעת משדה חשמלי מופעל. דוגמאות לחומרים היוצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כאשר הם מעוותים מהמבנה הסטטי שלהם כוללות גבישי עופרת זירקונט טיטנאט. לעומת זאת, גבישים יכולים לשנות את הממד הסטטי שלהם כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, הידוע כאפקט פיזואלקטרי הפוך ומשמש לייצור גלי אולטרסאונד.
פיאזואלקטריות נוצלה למגוון יישומים שימושיים, כגון:
• הפקה וזיהוי סאונד
• הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית
• ייצור חשמל במתח גבוה
• מחולל שעונים
• מכשירים אלקטרוניים
• מיקרואיזונים
• כונן חרירי אולטרסאונד
• מכלולים אופטיים של מיקוד עדין במיוחד
• מהווה את הבסיס לסריקת מיקרוסקופי בדיקה לפתרון תמונות בקנה מידה של אטומים
• פיקאפים בגיטרות מוגברות אלקטרונית
• טריגרים בתופים אלקטרוניים מודרניים
• יצירת ניצוצות להצתת גז במכשירי בישול וחימום
• לפידים ומציתים
פיזואלקטריות מוצאת שימושים יומיומיים גם באפקט הפירואלקטרי, שהוא חומר שיוצר פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי בטמפרטורה. זה נחקר על ידי קרל לינאוס ופרנץ אפינוס באמצע המאה ה-18, תוך הסתמכות על ידע של רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל, שהניחו קשר בין מתח מכני למטען חשמלי. עם זאת, הניסויים התבררו כבלתי חד משמעיים.
צפייה בקריסטל פיזו במפצה הקורי במוזיאון האנטריאן בסקוטלנד היא הדגמה של האפקט הפיאזואלקטרי הישיר. עבודתם של האחים פייר וז'אק קירי היא שחקרה והגדירה את מבני הגביש שהפגינו פיזואלקטריות, והגיעה לשיאה בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik (ספר הלימוד לפיזיקת הקריסטל) מאת וולדר פויגה. זה תיאר את כיתות הגביש הטבעיות המסוגלות לפיזואלקטריות והגדיר בקפדנות את הקבועים הפיאזואלקטריים באמצעות ניתוח טנזור, מה שהוביל ליישום מעשי של מכשירים פיזואלקטריים.
סונר פותח במהלך מלחמת העולם הראשונה, כאשר פול לנגווין הצרפתי ועמיתיו לעבודה פיתחו גלאי צוללת קולי. גלאי זה כלל מתמר העשוי מגבישי קוורץ דקים המודבקים בקפידה על לוחות פלדה, והידרופון לזיהוי ההד המוחזר לאחר פליטת פולס בתדר גבוה מהמתמר. על ידי מדידת הזמן שלוקח לשמוע את ההד של גלי הקול המקפצים מעצם, הם הצליחו לחשב את המרחק של האובייקט, תוך שימוש בפיזואלקטריות. הצלחתו של פרויקט זה יצרה התפתחות אינטנסיבית ועניין במכשירים פיזואלקטריים במהלך עשרות השנים, כאשר חומרים פיזואלקטריים חדשים ויישומים חדשים לחומרים אלו נחקרו ופותחו. מכשירים פיזואלקטריים מצאו בתים בתחומים רבים, כמו מחסניות פונוגרף קרמיות, אשר פשטו את עיצוב הנגנים ועשו נגני תקליטים זולים ומדויקים יותר, וזולים וקלים יותר לבנייה ולתחזוקה.
הפיתוח של מתמרים קוליים אפשרו מדידה קלה של הצמיגות והאלסטיות של נוזלים ומוצקים, מה שהביא להתקדמות עצומה במחקר החומרים. מדי רפלקציית תחום זמן אולטרסאונד שולחים דופק אולטראסוני לתוך חומר ומודדים את ההשתקפויות וחוסר המשכיות כדי למצוא פגמים בתוך חפצי מתכת ואבן יצוקים, מה שמשפר את הבטיחות המבנית. לאחר מלחמת העולם השנייה, קבוצות מחקר עצמאיות בארצות הברית, רוסיה ויפן גילו סוג חדש של חומרים סינתטיים הנקראים פרואלקטריים, שהציגו קבועים פיזואלקטריים גבוהים פי כמה מחומרים טבעיים. זה הוביל למחקר אינטנסיבי לפיתוח בריום טיטנאט, ומאוחר יותר עופרת זירקונט טיטנאט, חומרים בעלי תכונות ספציפיות ליישומים מסוימים.
דוגמה משמעותית לשימוש בגבישים פיזואלקטריים פותחה על ידי מעבדות טלפון בל בעקבות מלחמת העולם השנייה. פרדריק ר. לאק, עובד במחלקה להנדסת רדיו טלפוניה,
תהליך הפיך
פיזואלקטריות היא מטען חשמלי המצטבר בחומרים מוצקים מסוימים, כגון גבישים, קרמיקה וחומר ביולוגי כמו עצם ו-DNA. זוהי התגובה של חומרים אלה ללחץ מכני מיושם. המילה 'פיזואלקטריות' מגיעה מהמילים היווניות 'piezein' שמשמעותן 'סחיטה' או 'לחץ' ו-'ēlektron' שמשמעותה 'ענבר', מקור קדום למטען חשמלי.
האפקט הפיאזואלקטרי נובע מהאינטראקציה האלקטרו-מכאנית ליניארית בין המצבים המכניים והחשמליים של חומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. זהו תהליך הפיך, כלומר חומרים המפגינים פיזואלקטריות מציגים גם את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך, שהוא היצירה הפנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מיושם. דוגמאות לחומרים המייצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כוללות גבישי עופרת זירקונט טיטנאט. כאשר המבנה הסטטי של הגבישים הללו מעוות, הם חוזרים לממד המקורי שלהם, ולהפך, כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, הם משנים את הממד הסטטי שלהם, ומייצרים גלי אולטרסאונד.
הפיזיקאים הצרפתים ז'אק ופייר קירי גילו את הפיאזואלקטריות בשנת 1880. מאז הוא נוצל למגוון יישומים שימושיים, כולל הפקה וזיהוי של קול, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, ייצור חשמל במתח גבוה, מחוללי שעונים, מכשירים אלקטרוניים, מיקרו-איזונים, כונן חרירי קולי, ומכלולים אופטיים של מיקוד עדין במיוחד. זה גם מהווה בסיס לסריקת מיקרוסקופים של בדיקה, שיכולים לפתור תמונות בקנה מידה של אטומים. Piezoelectricity משמש גם בפיקאפים לגיטרות מוגברות אלקטרונית וטריגרים לתופים אלקטרוניים מודרניים.
פיזואלקטריות מוצאת גם שימושים יומיומיים, כמו יצירת ניצוצות להדלקת גז במכשירי בישול וחימום, לפידים, מציתים ועוד. האפקט הפירואלקטרי, שבו חומר מייצר פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי בטמפרטורה, נחקר על ידי קרל לינאוס, פרנץ אפינוס ורנה האוי באמצע המאה ה-18, תוך הסתמכות על ידע על ענבר. אנטואן סזאר בקרל הציג קשר בין מתח מכני למטען חשמלי, אך הניסויים הוכיחו שהם אינם חד משמעיים.
מבקרים במוזיאון האנטריאן בגלזגו יכולים לצפות ב-Piezo Crystal Curie Compensator, הדגמה של האפקט הפייזואלקטרי הישיר של האחים פייר וז'אק קירי. שילוב הידע שלהם בפירואלקטריות עם הבנה של מבני הגביש הבסיסיים הוליד את חיזוי הפירואלקטריות ואת היכולת לחזות התנהגות גבישים. זה הוכח בהשפעה של גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל. נתרן ואשלגן טרטרט טטרהידראט וקוורץ הפגינו גם פיזואלקטריות, ודיסק פיזואלקטרי שימש ליצירת מתח בעת עיוות. השינוי הזה בצורה הוגזמה מאוד על ידי הקורי כדי לחזות את האפקט הפיזואלקטרי ההפוך. ההשפעה ההפוכה נגזרה מתמטית מעקרונות תרמודינמיים בסיסיים על ידי גבריאל ליפמן ב-1881.
הקיורי אישרו מיד את קיומו של האפקט ההפוך, והמשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של דפורמציות אלקטרו-אלסטו-מכניות בגבישים פיזואלקטריים. במשך עשרות שנים, פיאזואלקטריות נותרה סקרנות מעבדתית, אבל היא הייתה כלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי. עבודתם לחקור ולהגדיר את מבני הגביש שהפגינו פיזואלקטריות הגיעה לשיאה בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik (ספר לימוד לפיזיקת קריסטל) מאת וולדר פויגט. זה תיאר את מחלקות הגביש הטבעי המסוגלים לפיזואלקטריות והגדיר בקפדנות את הקבועים הפיאזואלקטריים באמצעות ניתוח טנזור.
היישום המעשי של מכשירים פיזואלקטריים, כגון סונאר, פותח במהלך מלחמת העולם הראשונה. בצרפת, פול לנגווין ועמיתיו לעבודה פיתחו גלאי צוללת קולי. גלאי זה כלל מתמר העשוי מגבישי קוורץ דקים המודבקים בקפידה על לוחות פלדה, והידרופון לזיהוי ההד המוחזר. על ידי פליטת פולס בתדר גבוה מהמתמר ומדידת הזמן שלוקח לשמוע את ההד של גלי הקול המקפצים מעצם, הם הצליחו לחשב את המרחק של האובייקט. הם השתמשו בפיאזואלקטריות כדי להפוך את הסונאר הזה להצלחה. פרויקט זה יצר פיתוח ועניין אינטנסיבי במכשירים פיזואלקטריים, ובמשך עשרות השנים נחקרו ופותחו חומרים פיזואלקטריים חדשים ויישומים חדשים לחומרים אלו. מכשירים פיזואלקטריים
מה גורם לפיזואלקטריות?
בחלק זה, אני אחקור את מקורותיה של פיאזואלקטריות ואת החומרים השונים שמציגים תופעה זו. אני אסתכל על המילה היוונית 'piezein', המקור העתיק של המטען החשמלי, ואפקט הפירואלקטריות. אני גם אדון בתגליותיהם של פייר וז'אק קירי ובפיתוח של מכשירים פיזואלקטריים במאה ה-20.
המילה היוונית Piezein
פיזואלקטריות היא הצטברות של מטען חשמלי בחומרים מוצקים מסוימים, כגון גבישים, קרמיקה וחומר ביולוגי כמו עצם ודנ"א. זה נגרם על ידי התגובה של חומרים אלה ללחץ מכני מופעל. המילה piezoelectricity מגיעה מהמילה היוונית "piezein", שמשמעותה "לסחוט או ללחוץ", ו-"ēlektron", שמשמעותה "ענבר", מקור עתיק של מטען חשמלי.
האפקט הפיאזואלקטרי נובע מהאינטראקציה האלקטרו-מכאנית ליניארית בין המצבים המכניים והחשמליים של חומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. זהו תהליך הפיך, כלומר חומרים המציגים פיזואלקטריות מציגים גם את האפקט הפייזואלקטרי ההפוך, שהוא יצירה פנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מיושם. לדוגמה, גבישי עופרת זירקונט טיטנאט מייצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כאשר המבנה הסטטי שלהם מעוות מהממד המקורי שלו. לעומת זאת, גבישים יכולים לשנות את הממד הסטטי שלהם כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, הידוע כאפקט פיזואלקטרי הפוך והוא ייצור גלי אולטרסאונד.
הפיזיקאים הצרפתים ז'אק ופייר קירי גילו פיזואלקטריות בשנת 1880. האפקט הפייזואלקטרי נוצל ליישומים שימושיים רבים, כולל הפקה וזיהוי של קול, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, ייצור חשמל במתח גבוה, מחוללי שעון והתקנים אלקטרוניים כמו מיקרו-איזונים. , כונן חרירי קולי, ומכלולים אופטיים של מיקוד עדין במיוחד. זה גם מהווה בסיס לסריקת מיקרוסקופים של בדיקה, שיכולים לפתור תמונות בקנה מידה של אטומים. Piezoelectricity משמש גם בפיקאפים לגיטרות מוגברות אלקטרונית וטריגרים לתופים אלקטרוניים מודרניים.
פיזואלקטריות מוצאת שימושים יומיומיים, כמו יצירת ניצוצות להדלקת גז במכשירי בישול וחימום, לפידים, מציתים ועוד. האפקט הפירואלקטרי, שהוא יצירת פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי בטמפרטורה, נחקר על ידי קרל לינאוס ופרנץ אפינוס באמצע המאה ה-18, תוך הסתמכות על הידע של רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל, שהניחו קשר בין מתח מכני ומטען חשמלי. הניסויים התבררו כבלתי חד משמעיים.
במוזיאון בסקוטלנד, המבקרים יכולים לצפות ב-Piezo Crystal Curie compensator, הדגמה של האפקט הפייזואלקטרי הישיר של האחים פייר וז'אק קירי. שילוב הידע שלהם בפירואלקטריות עם הבנה של מבני הגביש הבסיסיים הוליד את חיזוי הפירואלקטריות ואת היכולת לחזות את התנהגות הגביש. זה הוכח על ידי ההשפעה של גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל. נתרן אשלגן טרטרט טטרהידרט וקוורץ ממלח רושל הפגינו פיזואלקטריות, ודיסק פיזואלקטרי יוצר מתח כאשר הוא מעוות. שינוי הצורה הזה מוגזם מאוד בהפגנת הקורייז.
בני הזוג קיורי המשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של עיוותים אלקטרו-אלסטו-מכניים בגבישים פיזואלקטריים. במשך עשרות שנים, פיאזואלקטריות נשארה סקרנות מעבדתית עד שהפכה לכלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי. עבודתם לחקור ולהגדיר את מבני הגביש שהפגינו פיזואלקטריות הגיעה לשיאה בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik (ספר הלימוד לפיזיקת הקריסטל) מאת וולדמר ווייג. זה תיאר את מחלקות הגביש הטבעיות המסוגלות לפיזואלקטריות והגדיר בקפדנות את הקבועים הפיאזואלקטריים באמצעות ניתוח טנזור.
יישום מעשי זה של פיאזואלקטריות הוביל לפיתוח סונאר במהלך מלחמת העולם הראשונה. בצרפת, פול לנגווין ועמיתיו לעבודה פיתחו גלאי צוללת קולי. הגלאי כלל מתמר העשוי מגבישי קוורץ דקים המודבקים בקפידה על לוחות פלדה, הנקראים הידרופון, כדי לזהות את ההד המוחזר לאחר פליטת פולס בתדר גבוה. המתמר מדד את הזמן שנדרש לשמוע את הד גלי הקול המקפצים מעצם כדי לחשב את המרחק של האובייקט. השימוש בפיזואלקטריות בסונאר נחל הצלחה, והפרויקט יצר התפתחות ועניין אינטנסיביים במכשירים פיזואלקטריים במשך עשרות שנים.
חומרים פיזואלקטריים חדשים ויישומים חדשים לחומרים אלו נחקרו ופותחו, והתקנים פיזואלקטריים מצאו בית בתחומים רבים, כמו מחסניות פונוגרף קרמיות, אשר פשטו את עיצוב הנגן ויוצרו נגני תקליטים זולים ומדויקים יותר, שהיו זולים יותר לתחזוקה וקלים יותר. לבנות. הפיתוח
מקור עתיק של מטען חשמלי
פיזואלקטריות היא המטען החשמלי המצטבר בחומרים מוצקים מסוימים, כגון גבישים, קרמיקה וחומר ביולוגי כמו עצם ו-DNA. זה נגרם על ידי התגובה של החומר ללחץ מכני מופעל. המילה 'פיזואלקטריות' מגיעה מהמילה היוונית 'piezein' שפירושה 'לסחוט או ללחוץ', ומהמילה 'אלקטרון' שפירושה 'ענבר', מקור קדום למטען חשמלי.
האפקט הפיאזואלקטרי נובע מהאינטראקציה האלקטרו-מכאנית ליניארית בין המצבים המכניים והחשמליים של חומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. זהו תהליך הפיך, כלומר חומרים המציגים פיזואלקטריות מציגים גם את האפקט הפייזואלקטרי ההפוך, שהוא יצירה פנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מיושם. לדוגמה, גבישי עופרת זירקונט טיטנאט מייצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כאשר המבנה הסטטי שלהם מעוות מהממד המקורי שלו. לעומת זאת, כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, הגבישים משנים את הממד הסטטי שלהם באפקט פיזואלקטרי הפוך, ומייצרים גלי אולטרסאונד.
האפקט הפיאזואלקטרי התגלה בשנת 1880 על ידי הפיזיקאים הצרפתים ז'אק ופייר קירי. הוא מנוצל למגוון יישומים שימושיים, כולל הפקה וזיהוי של סאונד, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, ייצור חשמל במתח גבוה, גנרטורים של שעונים, והתקנים אלקטרוניים כמו מיקרו-איזונים וחרירי הפעלה קוליים למיקוד עדין במיוחד של מכלולים אופטיים. זה גם מהווה בסיס לסריקת מיקרוסקופים של בדיקה, המשמשים לזיהוי תמונות בקנה מידה של אטומים. Piezoelectricity משמש גם בפיקאפים לגיטרות מוגברות אלקטרונית וטריגרים לתופים אלקטרוניים מודרניים.
פיזואלקטריות מוצאת שימושים יומיומיים ביצירת ניצוצות להדלקת גז במכשירי בישול וחימום, לפידים, מציתים ועוד. האפקט הפירואלקטרי, שהוא ייצור של פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי בטמפרטורה, נחקר על ידי קרל לינאוס ופרנץ אפינוס באמצע המאה ה-18, תוך הסתמכות על הידע של רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל שהעמידו קשר בין מכני. מתח ומטען חשמלי. עם זאת, הניסויים שלהם הוכיחו שהם לא חד משמעיים.
הנוף של גביש פיזו והמפצה הקורי במוזיאון האנטריאן בסקוטלנד מדגימים את האפקט הפייזואלקטרי הישיר. עבודתם של האחים פייר וז'אק קירי היא שחקרה והגדירה את מבני הגביש שהפגינו פיזואלקטריות, והגיעה לשיאה בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik (ספר הלימוד לפיזיקת הקריסטל) מאת וולדר פויגה. זה תיאר את כיתות הגביש הטבעיות המסוגלות לפיזואלקטריות והגדיר בקפדנות את הקבועים הפיאזואלקטריים באמצעות ניתוח טנזור, מה שאיפשר יישום מעשי של מכשירים פיזואלקטריים.
סונר פותח במהלך מלחמת העולם הראשונה על ידי פול לנגווין הצרפתי ועמיתיו לעבודה, שפיתחו גלאי צוללת קולי. הגלאי כלל מתמר העשוי מגבישי קוורץ דקים המודבקים בקפידה על לוחות פלדה, והידרופון לזיהוי ההד המוחזר. על ידי פליטת פולס בתדר גבוה מהמתמר ומדידת הזמן שלוקח לשמוע את ההד של גלי הקול המקפצים מעצם, הם הצליחו לחשב את המרחק לעצם. הם השתמשו בפיאזואלקטריות כדי להפוך את הסונאר הזה להצלחה. הפרויקט יצר התפתחות אינטנסיבית והתעניינות במכשירים פיזואלקטריים במשך עשרות שנים.
פירואלקטריות
פיזואלקטריות היא היכולת של חומרים מסוימים לצבור מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני המופעל. זוהי אינטראקציה אלקטרו-מכאנית ליניארית בין המצבים המכאניים והחשמליים של חומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. המילה "פיזואלקטריות" נגזרת מהמילה היוונית "piezein", שפירושה "לסחוט או ללחוץ", ומהמילה היוונית "ēlektron", שפירושה "ענבר", מקור קדום למטען חשמלי.
האפקט הפיאזואלקטרי התגלה על ידי הפיזיקאים הצרפתים ז'אק ופייר קירי בשנת 1880. זהו תהליך הפיך, כלומר חומרים המציגים את האפקט הפיאזואלקטרי מציגים גם את האפקט הפייזואלקטרי ההפוך, שהוא היצירה הפנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מיושם. דוגמאות לחומרים המייצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כוללות גבישי עופרת זירקונט טיטנאט. כאשר מבנה סטטי מעוות, הוא חוזר למימד המקורי שלו. לעומת זאת, כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, נוצר האפקט הפייזואלקטרי ההפוך, וכתוצאה מכך לייצור גלי אולטרסאונד.
האפקט הפיאזואלקטרי מנוצל ליישומים שימושיים רבים, כולל הפקה וזיהוי של קול, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, ייצור חשמל במתח גבוה, גנרטורים של שעונים והתקנים אלקטרוניים כגון מיקרו-איזונים, חרירי כונן קולי ומכלולים אופטיים עדינים במיוחד. זה גם הבסיס לסריקת מיקרוסקופי בדיקה, המשמשים לזיהוי תמונות בקנה מידה של אטומים. Piezoelectricity משמש גם בפיקאפים לגיטרות מוגברות אלקטרונית, וטריגרים לתופים אלקטרוניים מודרניים.
פיזואלקטריות מוצאת שימושים יומיומיים, כמו יצירת ניצוצות להדלקת גז במכשירי בישול וחימום, לפידים, מציתים ועוד. האפקט הפירואלקטרי, שהוא ייצור של פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי בטמפרטורה, נחקר על ידי קרל לינאוס ופרנץ אפינוס באמצע המאה ה-18, תוך הסתמכות על הידע של רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל, שהניחו מערכת יחסים בין מתח מכני למטען חשמלי. עם זאת, הניסויים התבררו כבלתי חד משמעיים.
הנוף של גביש פיזו במוזיאון Curie Compensator בסקוטלנד הוא הדגמה של האפקט הפייזואלקטרי הישיר. האחים פייר וז'אק קירי שילבו את הידע שלהם על פיירואלקטריות והבנתם את מבני הגביש הבסיסיים כדי להוליד את ההבנה של פירואלקטריות ולחזות את התנהגות הגבישים. זה הוכח בהשפעה של גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל. נתרן אשלגן טרטרט טטרהידרט וקוורץ התגלו כמפגינים פיזואלקטריות, ודיסק פיזואלקטרי שימש ליצירת מתח בעת עיוות. זה היה מוגזם מאוד על ידי הקיורי כדי לחזות את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך. ההשפעה ההפוכה נגזרה מתמטית על ידי עקרונות תרמודינמיים בסיסיים על ידי גבריאל ליפמן ב-1881.
הקיורי אישרו מיד את קיומו של האפקט ההפוך, והמשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של דפורמציות אלקטרו-אלסטו-מכניות בגבישים פיזואלקטריים. בעשורים שלאחר מכן, פיאזואלקטריות נותרה סקרנות מעבדתית עד שהפכה לכלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי. עבודתם לחקור ולהגדיר את מבני הגביש שהפגינו פיזואלקטריות הגיעה לשיאה בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik (ספר לימוד לפיזיקת קריסטל) מאת וולדר פויגט.
פיתוח הסונאר נחל הצלחה, והפרויקט יצר התפתחות ועניין אינטנסיבי במכשירים פיזואלקטריים. בעשורים שלאחר מכן נחקרו ופותחו חומרים פיזואלקטריים חדשים ויישומים חדשים לחומרים אלו. מכשירים פיזואלקטריים מצאו בתים בתחומים רבים, כמו מחסניות פונוגרף קרמיות, אשר פשטו את עיצוב הנגן ויצרו נגני תקליטים זולים ומדויקים יותר, שהיו זולים יותר לתחזוקה וקלים יותר לבנייה. הפיתוח של מתמרים קוליים אפשרו מדידה קלה של צמיגות וגמישות של נוזלים ומוצקים, מה שהביא להתקדמות עצומה במחקר החומרים. מדי רפלקציית תחום זמן אולטרסאונד שולחים דופק אולטראסוני לתוך חומר ומודדים את ההשתקפויות וחוסר המשכיות כדי למצוא פגמים בתוך חפצי מתכת ואבן יצוקים, מה שמשפר את הבטיחות המבנית.
לאחר מלחמת העולם השנייה, קבוצות מחקר עצמאיות בארצות הברית, רוסיה ויפן גילו סוג חדש של חומרים סינתטיים הנקראים פרואלקטריים, שהציגו קבועים פיזואלקטריים שהיו
חומרים פיזואלקטריים
בחלק זה, אדון בחומרים המציגים את האפקט הפיאזואלקטרי, שהוא היכולת של חומרים מסוימים לצבור מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני המופעל. אני אסתכל על גבישים, קרמיקה, חומר ביולוגי, עצם, DNA וחלבונים, וכיצד כולם מגיבים לאפקט הפיזואלקטרי.
גבישים
פיזואלקטריות היא היכולת של חומרים מסוימים לצבור מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני המופעל. המילה piezoelectricity נגזרת מהמילים היווניות πιέζειν (piezein) שמשמעותן 'סחיטה' או 'לחץ' ו-ἤλεκτρον (ēlektron) שמשמעותה 'ענבר', מקור עתיק למטען חשמלי. חומרים פיזואלקטריים כוללים גבישים, קרמיקה, חומר ביולוגי, עצם, DNA וחלבונים.
פיזואלקטריות היא אינטראקציה אלקטרו-מכאנית ליניארית בין מצבים מכניים וחשמליים בחומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. אפקט זה הפיך, כלומר חומרים המציגים פיזואלקטריות מציגים גם את ההשפעה הפיזואלקטרית ההפוכה, שהוא היצירה הפנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מופעל. דוגמאות לחומרים המייצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כוללות גבישי עופרת זירקונט טיטנאט, אשר יכולים להיות מעוותים לממד המקורי שלהם או להיפך, לשנות את הממד הסטטי שלהם כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני. זה ידוע בתור אפקט פיזואלקטרי הפוך, והוא משמש לייצור גלי אולטרסאונד.
הפיזיקאים הצרפתים ז'אק ופייר קירי גילו פיזואלקטריות בשנת 1880. האפקט הפייזואלקטרי נוצל למגוון יישומים שימושיים, כולל הפקה וזיהוי של קול, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, ייצור חשמל במתח גבוה, מחוללי שעון ומכשירים אלקטרוניים כגון כמו איזונים מיקרו, כונן חרירי קולי, ומכלולים אופטיים מיקוד עדין במיוחד. זה גם מהווה בסיס לסריקת מיקרוסקופים של בדיקה, המשמשים לזיהוי תמונות בקנה מידה של אטומים. טנדרים פיזואלקטריים משמשים גם בגיטרות מוגברות אלקטרונית ובטריגרים בתופים אלקטרוניים מודרניים.
פיזואלקטריות מוצאת שימושים יומיומיים ביצירת ניצוצות להדלקת גז במכשירי בישול וחימום, כמו גם בלפידים ובמציתים. האפקט הפירואלקטרי, שהוא יצירת פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי בטמפרטורה, נחקר על ידי קרל לינאוס ופרנץ אפינוס באמצע המאה ה-18, תוך הסתמכות על ידע של רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל, שהעמידו קשר בין מכאניות. מתח ומטען חשמלי. ניסויים להוכחת תיאוריה זו לא היו חד משמעיים.
המראה של גביש פייזו ב-Curie compensator במוזיאון Hunterian בסקוטלנד הוא הדגמה של האפקט הפייזואלקטרי הישיר. האחים פייר וז'אק קירי שילבו את הידע שלהם בפירואלקטריות עם הבנה של מבני הגביש הבסיסיים כדי להוליד את חיזוי הפירואלקטריות. הם הצליחו לחזות את התנהגות הגבישים והדגימו את ההשפעה בגבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל. נתרן אשלגן טרטרט טטרהידרט וקוורץ גם הפגינו פיזואלקטריות. דיסק פיזואלקטרי יוצר מתח כאשר הוא מעוות; השינוי בצורה מוגזמת מאוד בהפגנת הקורייז.
הם גם הצליחו לחזות את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך ולהסיק מתמטית את העקרונות התרמודינמיים הבסיסיים מאחוריו. גבריאל ליפמן עשה זאת בשנת 1881. הקורייז אישרו מיד את קיומו של ההשפעה ההפוכה, והמשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של דפורמציות אלקטרו-אלסטו-מכניות בגבישים פיזואלקטריים.
במשך עשרות שנים, פיאזואלקטריות נותרה סקרנות מעבדתית, אבל היא הייתה כלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי. עבודתם לחקור ולהגדיר את מבני הגביש שהפגינו פיזואלקטריות הגיעה לשיאה בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik (ספר הלימוד לפיזיקת קריסטל) מאת Woldemar Voigt, שתיאר את כיתות הגביש הטבעיות המסוגלות לפיזואלקטריות והגדיר בקפדנות את הקבועים הפייזואלקטריים באמצעות ניתוח טנזור.
היישום המעשי של מכשירים פיזואלקטריים בסונאר פותח במהלך מלחמת העולם הראשונה. בצרפת, פול לנגווין ועמיתיו לעבודה פיתחו גלאי צוללת קולי. גלאי זה היה מורכב מתמר העשוי מגבישי קוורץ דקים המודבקים בקפידה על לוחות פלדה, הנקראים הידרופון, כדי לזהות את ההד המוחזר לאחר פליטת פולס בתדר גבוה. על ידי מדידת הזמן שלוקח לשמוע את ההד של גלי הקול המקפצים מעצם, הם הצליחו לחשב את המרחק לעצם. שימוש זה בפיזואלקטריות בסונאר זכה להצלחה, והפרויקט יצר התפתחות ועניין אינטנסיביים במכשירים פיזואלקטריים במהלך עשרות השנים.
קרמיקה
חומרים פיזואלקטריים הם מוצקים שצוברים מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני המופעל. פיזואלקטריות נגזרת מהמילים היווניות πιέζειν (piezein) שמשמעותן 'סחיטה' או 'לחץ' ו-ἤλεκτρον (ēlektron) שמשמעותה 'ענבר', מקור קדום למטען חשמלי. חומרים פיאזואלקטריים משמשים במגוון יישומים, כולל הפקה וזיהוי של קול, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית וייצור חשמל במתח גבוה.
חומרים פיזואלקטריים נמצאים בקריסטלים, קרמיקה, חומר ביולוגי, עצם, DNA וחלבונים. קרמיקה היא החומרים הפיאזואלקטריים הנפוצים ביותר בשימוש ביישומים יומיומיים. קרמיקה עשויה משילוב של תחמוצות מתכת, כגון עופרת זירקונט טיטנאט (PZT), אשר מחוממות לטמפרטורות גבוהות ליצירת מוצק. קרמיקה עמידה מאוד ויכולה לעמוד בטמפרטורות ולחצים קיצוניים.
לקרמיקה פיזואלקטרית יש מגוון שימושים, כולל:
• יצירת ניצוצות להצתת גז למכשירי בישול וחימום, כגון לפידים ומציתים.
• יצירת גלי אולטרסאונד להדמיה רפואית.
• הפקת חשמל במתח גבוה למחוללי שעונים ולמכשירים אלקטרוניים.
• יצירת מיקרואיזונים לשימוש בשקילה מדויקת.
• חרירי הפעלה קוליים למיקוד עדין במיוחד של מכלולים אופטיים.
• יצירת בסיס לסריקת מיקרוסקופים של בדיקה, שיכולים לפתור תמונות בקנה מידה של אטומים.
• פיקאפים לגיטרות מוגברות אלקטרונית וטריגרים לתופים אלקטרוניים מודרניים.
קרמיקה פיזואלקטרית משמשת במגוון רחב של יישומים, החל מאלקטרוניקה צרכנית ועד להדמיה רפואית. הם עמידים מאוד ויכולים לעמוד בטמפרטורות ולחצים קיצוניים, מה שהופך אותם לאידיאליים לשימוש במגוון תעשיות.
חומר ביולוגי
פיזואלקטריות היא היכולת של חומרים מסוימים לצבור מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני המופעל. הוא נגזר מהמילה היוונית 'piezein', שפירושה 'לסחוט או ללחוץ', ו-'ēlektron', שמשמעותה 'ענבר', מקור עתיק למטען חשמלי.
חומר ביולוגי כמו עצם, DNA וחלבונים הם בין החומרים שמפגינים פיזואלקטריות. אפקט זה הפיך, כלומר חומרים המציגים פיזואלקטריות מציגים גם את האפקט הפייזואלקטרי ההפוך, שהוא יצירה פנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מופעל. דוגמאות לחומרים אלו כוללים גבישי עופרת זירקונט טיטנאט, היוצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כאשר המבנה הסטטי שלהם מעוות מהממד המקורי שלו. לעומת זאת, כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, הגבישים משנים את הממד הסטטי שלהם, ומייצרים גלי אולטרסאונד דרך האפקט הפיזואלקטרי ההפוך.
גילוי הפיאזואלקטריות נעשה על ידי הפיזיקאים הצרפתים ז'אק ופייר קירי בשנת 1880. מאז הוא נוצל למגוון יישומים שימושיים, כגון:
• הפקה וזיהוי סאונד
• הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית
• ייצור חשמל במתח גבוה
• מחולל שעונים
• מכשירים אלקטרוניים
• מיקרואיזונים
• כונן חרירי אולטרסאונד
• מכלולים אופטיים של מיקוד עדין במיוחד
• מהווה בסיס לסריקת מיקרוסקופים בדיקה
• פתרון תמונות בקנה מידה של אטומים
• פיקאפים בגיטרות מוגברות אלקטרונית
• טריגרים בתופים אלקטרוניים מודרניים
פיזואלקטריות משמשת גם בפריטים יומיומיים כמו מכשירי בישול וחימום בגז, לפידים, מציתים ועוד. האפקט הפירואלקטרי, שהוא ייצור של פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי טמפרטורה, נחקר על ידי קרל לינאוס ופרנץ אפינוס באמצע המאה ה-18. בהסתמך על הידע של רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל, הם הניחו קשר בין מתח מכני למטען חשמלי, אך הניסויים שלהם הוכיחו שהם לא חד משמעיים.
המראה של גביש פיזו ב-Curie Compensator במוזיאון Hunterian בסקוטלנד הוא הדגמה של האפקט הפייזואלקטרי הישיר. האחים פייר וז'אק קירי שילבו את הידע שלהם על פיירו-חשמליות והבנתם את מבני הגביש הבסיסיים כדי להוליד את חיזוי הפיירו-חשמליות ולחזות את התנהגות הגביש. זה הוכח על ידי ההשפעה של גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל. נתרן ואשלגן טרטרט טטרהידראט וקוורץ הפגינו גם פיזואלקטריות, ודיסק פיזואלקטרי שימש ליצירת מתח בעת עיוות. האפקט הזה הוגזם מאוד על ידי הקיורי כדי לחזות את האפקט הפיזואלקטרי ההפוך. ההשפעה ההפוכה נגזרה מתמטית מעקרונות תרמודינמיים בסיסיים על ידי גבריאל ליפמן ב-1881.
הקיורי אישרו מיד את קיומו של האפקט ההפוך, והמשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של דפורמציות אלקטרו-אלסטו-מכניות בגבישים פיזואלקטריים. במשך עשרות שנים, פיאזואלקטריות נשארה סקרנות מעבדתית עד שהפכה לכלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי. עבודתם לחקור ולהגדיר את מבני הקריסטל שהפגינו פיזואלקטריות הגיעה לשיאה בפרסום "Lehrbuch der Kristallphysik" (ספר הלימוד לפיזיקת הקריסטל) של וולדמר וויגט.
עצם
פיזואלקטריות היא היכולת של חומרים מסוימים לצבור מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני המופעל. עצם היא חומר כזה שמציג תופעה זו.
עצם היא סוג של חומר ביולוגי המורכב מחלבונים ומינרלים, כולל קולגן, סידן וזרחן. זהו החומר הפיאזואלקטרי ביותר מבין כל החומרים הביולוגיים, והוא מסוגל ליצור מתח כאשר הוא נתון ללחץ מכני.
האפקט הפיאזואלקטרי בעצם הוא תוצאה של המבנה הייחודי שלה. הוא מורכב מרשת של סיבי קולגן המשובצים במטריצה של מינרלים. כאשר העצם נתונה ללחץ מכני, סיבי הקולגן נעים, מה שגורם למינרלים להיות מקוטבים וליצור מטען חשמלי.
לאפקט הפיאזואלקטרי בעצם יש מספר יישומים מעשיים. הוא משמש בהדמיה רפואית, כגון הדמיית אולטרסאונד וקרני רנטגן, כדי לזהות שברים בעצמות וחריגות אחרות. הוא משמש גם במכשירי שמיעה להולכת עצם, המשתמשים באפקט הפיאזואלקטרי כדי להמיר גלי קול לאותות חשמליים הנשלחים ישירות לאוזן הפנימית.
האפקט הפיאזואלקטרי בעצם משמש גם בשתלים אורטופדיים, כגון מפרקים מלאכותיים וגפיים תותבות. השתלים משתמשים באפקט הפיאזואלקטרי כדי להמיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית, המשמשת לאחר מכן להפעלת המכשיר.
בנוסף, האפקט הפיאזואלקטרי בעצם נחקר לשימוש בפיתוח טיפולים רפואיים חדשים. לדוגמה, חוקרים חוקרים את השימוש בפיזואלקטריות כדי לעורר את צמיחת העצם ולתקן רקמה פגומה.
בסך הכל, האפקט הפיאזואלקטרי בעצם הוא תופעה מרתקת עם מגוון רחב של יישומים מעשיים. הוא נמצא בשימוש במגוון יישומים רפואיים וטכנולוגיים, ונבדק לשימוש בפיתוח טיפולים חדשים.
ה-DNA
פיזואלקטריות היא היכולת של חומרים מסוימים לצבור מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני המופעל. DNA הוא חומר כזה שמפגין השפעה זו. DNA הוא מולקולה ביולוגית שנמצאת בכל האורגניזמים החיים והיא מורכבת מארבעה בסיסי נוקלאוטידים: אדנין (A), גואנין (G), ציטוזין (C) ותימין (T).
DNA הוא מולקולה מורכבת שניתן להשתמש בה ליצירת מטען חשמלי כאשר היא נתונה ללחץ מכני. זה נובע מהעובדה שמולקולות ה-DNA מורכבות משני גדילים של נוקלאוטידים המוחזקים יחד בקשרי מימן. כאשר הקשרים הללו נשברים, נוצר מטען חשמלי.
ההשפעה הפיזואלקטרית של DNA שימשה במגוון יישומים, כולל:
• הפקת חשמל לשתלים רפואיים
• איתור ומדידה של כוחות מכניים בתאים
• פיתוח חיישנים בקנה מידה ננו
• יצירת חיישנים ביולוגיים לרצף DNA
• יצירת גלי אולטרסאונד להדמיה
ההשפעה הפיזואלקטרית של ה-DNA נחקרת גם עבור השימוש הפוטנציאלי שלו בפיתוח חומרים חדשים, כגון ננו-חוטים וננו-צינורות. חומרים אלה יכולים לשמש עבור מגוון רחב של יישומים, כולל אחסון אנרגיה וחישה.
ההשפעה הפיזואלקטרית של ה-DNA נחקרה רבות ונמצאה כרגישה מאוד ללחץ מכני. זה הופך אותו לכלי בעל ערך עבור חוקרים ומהנדסים המחפשים לפתח חומרים וטכנולוגיות חדשות.
לסיכום, DNA הוא חומר המפגין את האפקט הפיאזואלקטרי, שהוא היכולת לצבור מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני המופעל. אפקט זה שימש במגוון יישומים, כולל שתלים רפואיים, חיישנים בקנה מידה ננו, וריצוף DNA. זה גם נחקר עבור השימוש הפוטנציאלי שלו בפיתוח חומרים חדשים, כגון ננו-חוטים וננו-צינורות.
חלבונים
פיזואלקטריות היא היכולת של חומרים מסוימים לצבור מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני המופעל. חומרים פיזואלקטריים, כגון חלבונים, גבישים, קרמיקה וחומרים ביולוגיים כמו עצם ו-DNA, מציגים השפעה זו. חלבונים, בפרט, הם חומר פיזואלקטרי ייחודי, שכן הם מורכבים ממבנה מורכב של חומצות אמינו הניתנות לעיוות כדי ליצור מטען חשמלי.
חלבונים הם הסוג הנפוץ ביותר של חומר פיזואלקטרי, והם נמצאים במגוון צורות. ניתן למצוא אותם בצורה של אנזימים, הורמונים ונוגדנים, כמו גם בצורה של חלבונים מבניים כמו קולגן וקרטין. חלבונים נמצאים גם בצורת חלבוני שריר, האחראים על כיווץ והרפיה של השרירים.
ההשפעה הפיזואלקטרית של חלבונים נובעת מהעובדה שהם מורכבים ממבנה מורכב של חומצות אמינו. כאשר חומצות אמינו אלו מעוותות, הן יוצרות מטען חשמלי. לאחר מכן ניתן להשתמש במטען חשמלי זה להפעלת מגוון מכשירים, כגון חיישנים ומפעילים.
חלבונים משמשים גם במגוון יישומים רפואיים. לדוגמה, הם משמשים לזיהוי נוכחות של חלבונים מסוימים בגוף, שבאמצעותם ניתן לאבחן מחלות. הם משמשים גם לאיתור נוכחות של חיידקים ווירוסים מסוימים, אשר ניתן להשתמש בהם כדי לאבחן זיהומים.
חלבונים משמשים גם במגוון יישומים תעשייתיים. לדוגמה, הם משמשים ליצירת חיישנים ומפעילים למגוון תהליכים תעשייתיים. הם משמשים גם ליצירת חומרים שניתן להשתמש בהם בבניית מטוסים וכלי רכב אחרים.
לסיכום, חלבונים הם חומר פיזואלקטרי ייחודי שניתן להשתמש בו במגוון יישומים. הם מורכבים ממבנה מורכב של חומצות אמינו הניתנות לעיוות כדי ליצור מטען חשמלי, והן משמשות במגוון יישומים רפואיים ותעשייתיים.
קצירת אנרגיה עם פיזואלקטריות
בחלק זה, אדון כיצד ניתן להשתמש בפיזואלקטריות לקצירת אנרגיה. אני אסתכל על היישומים השונים של פיאזואלקטריות, מהדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית ועד למחוללי שעונים ומאזנים מיקרוניים. אני גם אחקור את ההיסטוריה של פיאזואלקטריות, מגילויה על ידי פייר קירי ועד השימוש בה במלחמת העולם השנייה. לבסוף, אני אדון במצב הנוכחי של התעשייה הפיזואלקטרית ובפוטנציאל לצמיחה נוספת.
הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית
פיזואלקטריות היא היכולת של חומרים מסוימים ליצור מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני המופעל. המילה 'פיזואלקטריות' נגזרת מהמילים היווניות 'piezein' (לסחוט או ללחוץ) ו'אלקטרון' (ענבר), מקור עתיק של מטען חשמלי. חומרים פיזואלקטריים, כגון גבישים, קרמיקה וחומרים ביולוגיים כמו עצם ו-DNA, משמשים במגוון יישומים.
פיזואלקטריות משמשת לייצור חשמל במתח גבוה, כמחולל שעון, במכשירים אלקטרוניים ובאיזונים מיקרוניים. הוא משמש גם להנעת חרירים קוליים ומכלולים אופטיים של מיקוד עדין במיוחד. הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית היא יישום פופולרי של טכנולוגיה זו. זהו סוג של הדפסה המשתמשת בקריסטלים פיזואלקטריים כדי ליצור רטט בתדר גבוה, המשמש להוצאת טיפות דיו על דף.
הגילוי של פיזואלקטריות מתחיל ב-1880, כאשר הפיזיקאים הצרפתים ז'אק ופייר קירי גילו את ההשפעה. מאז, האפקט הפיאזואלקטרי נוצל למגוון יישומים שימושיים. פיזואלקטריות משמשת בפריטים יומיומיים כגון מכשירי בישול וחימום בגז, לפידים, מציתים ופיקאפים בגיטרות מוגברות אלקטרונית ובטריגרים בתופים אלקטרוניים מודרניים.
פיזואלקטריות משמשת גם במחקר מדעי. זהו הבסיס לסריקת מיקרוסקופי בדיקה, המשמשים לפתרון תמונות בקנה מידה של אטומים. הוא משמש גם ברפלקמטרים של תחום זמן קולי, השולחים פולסים קוליים לתוך חומר ומודד את ההשתקפויות כדי לזהות אי רציפות ולמצוא פגמים בתוך חפצי מתכת ואבן יצוקים.
הפיתוח של מכשירים וחומרים פיזואלקטריים הונע על ידי הצורך בביצועים טובים יותר ותהליכי ייצור קלים יותר. בארצות הברית, פיתוח גבישי קוורץ לשימוש מסחרי היווה גורם מרכזי בצמיחת התעשייה הפיזואלקטרית. לעומת זאת, יצרנים יפניים הצליחו לחלוק מידע במהירות ולפתח אפליקציות חדשות, מה שהוביל לצמיחה מהירה בשוק היפני.
פיזואלקטריות חוללה מהפכה בדרך שבה אנו משתמשים באנרגיה, מפריטים יומיומיים כמו מציתים ועד למחקר מדעי מתקדם. זוהי טכנולוגיה רב-תכליתית שאפשרה לנו לחקור ולפתח חומרים ויישומים חדשים, והיא תמשיך להיות חלק חשוב מחיינו במשך שנים רבות.
ייצור חשמל במתח גבוה
פיזואלקטריות היא היכולת של חומרים מוצקים מסוימים לצבור מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני המופעל. המילה 'פיזואלקטריות' נגזרת מהמילים היווניות 'piezein' שמשמעותן 'סחיטה' או 'לחץ' ו-'ēlektron' שמשמעותה 'ענבר', מקור עתיק של מטען חשמלי. פיזואלקטריות היא אינטראקציה אלקטרו-מכאנית ליניארית בין מצבים מכניים וחשמליים בחומרים גבישיים עם סימטריית היפוך.
האפקט הפיאזואלקטרי הוא תהליך הפיך; חומרים המציגים פיזואלקטריות מציגים גם את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך, היצירה הפנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מיושם. לדוגמה, גבישי עופרת זירקונט טיטנאט מייצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כאשר המבנה הסטטי שלהם מעוות מהממד המקורי שלו. לעומת זאת, גבישים יכולים לשנות את הממד הסטטי שלהם כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, תופעה המכונה אפקט פיזואלקטרי הפוך, המשמש בייצור גלי אולטרסאונד.
האפקט הפיאזואלקטרי משמש במגוון יישומים, כולל ייצור חשמל במתח גבוה. חומרים פיזואלקטריים משמשים להפקה וזיהוי של קול, בהדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, במחוללי שעונים, במכשירים אלקטרוניים, במאזנים מיקרוניים, בחרירי אולטרא-קולי הנעה ובמכלולים אופטיים של מיקוד עדין במיוחד.
פיזואלקטריות משמשת גם ביישומים יומיומיים, כגון יצירת ניצוצות להצתת גז במכשירי בישול וחימום, בלפידים, מציתים וחומרי אפקט פירואלקטריים, המייצרים פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי בטמפרטורה. השפעה זו נחקרה על ידי קרל לינאוס ופרנץ אפינוס באמצע המאה ה-18, תוך הסתמכות על ידע של רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל, שהעמידו קשר בין מתח מכני למטען חשמלי, אם כי הניסויים שלהם הוכיחו שהם אינם חד משמעיים.
הידע המשולב של פירו-חשמליות וההבנה של מבני הגביש הבסיסיים הולידו את חיזוי הפירו-חשמליות ואת היכולת לחזות התנהגות גבישים. זה הוכח על ידי ההשפעה של גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל. נתרן אשלגן טרטרט טטרהידרט וקוורץ גם הפגינו פיזואלקטריות, ודיסק פיזואלקטרי שימש ליצירת מתח בעת עיוות. זה היה מוגזם מאוד בהדגמת הקוריז של האפקט הפיאזואלקטרי הישיר.
האחים פייר וז'אק קירי המשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של דפורמציות אלקטרו-אלסטו-מכניות בגבישים פיזואלקטריים. במשך עשרות שנים, פיאזואלקטריות נותרה סקרנות מעבדתית, אבל היא הייתה כלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי. עבודתם לחקור ולהגדיר את מבני הגביש שהפגינו פיזואלקטריות הגיעה לשיאה בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik (ספר הלימוד לפיזיקת קריסטל) מאת Woldemar Voigt, שתיאר את כיתות הגביש הטבעיות המסוגלות לפיזואלקטריות והגדיר בקפדנות את הקבועים הפייזואלקטריים באמצעות ניתוח טנזור.
היישום המעשי של מכשירים פיזואלקטריים החל עם פיתוח הסונאר במהלך מלחמת העולם הראשונה. בצרפת, פול לנגווין ועמיתיו לעבודה פיתחו גלאי צוללת קולי. הגלאי כלל מתמר העשוי מגבישי קוורץ דקים המודבקים בקפידה על לוחות פלדה, והידרופון לזיהוי ההד המוחזר. על ידי פליטת פולס בתדר גבוה מהמתמר ומדידת הזמן שלוקח לשמוע את ההד של גלי הקול המקפצים מעצם, הם הצליחו לחשב את המרחק של האובייקט. הם השתמשו בפיזואלקטריות כדי להפוך את הסונאר להצלחה, והפרויקט יצר התפתחות ועניין אינטנסיביים במכשירים פיזואלקטריים במהלך העשורים הבאים.
חומרים פיזואלקטריים חדשים ויישומים חדשים לחומרים אלה נחקרו ופותחו. מכשירים פיזואלקטריים מצאו בתים במגוון תחומים, כמו מחסניות פונוגרף קרמיות, אשר פשטו את עיצוב הנגן ויצרו נגני תקליטים זולים ומדויקים יותר, שהיו זולים יותר לתחזוקה וקלים יותר לבנייה. הפיתוח של מתמרים קוליים אפשרו מדידה קלה של צמיגות וגמישות של נוזלים ומוצקים, מה שהביא להתקדמות עצומה במחקר החומרים. מדי רפלקציית תחום זמן אולטרסאונד שולחים דופק אולטראסוני לתוך חומר ומודדים את ההשתקפויות וחוסר המשכיות כדי למצוא פגמים בתוך חפצי מתכת ואבן יצוקים, מה שמשפר את הבטיחות המבנית.
מלחמת העולם השנייה ראתה קבוצות מחקר עצמאיות בארצות הברית, רוסיה ויפן גילו סוג חדש של חומרים סינתטיים בשם fer
מחולל שעונים
פיזואלקטריות היא היכולת של חומרים מסוימים לצבור מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני המופעל. תופעה זו שימשה ליצירת מספר יישומים שימושיים, כולל מחוללי שעונים. מחוללי שעונים הם מכשירים המשתמשים בפיזואלקטריות כדי ליצור אותות חשמליים בתזמון מדויק.
מחוללי שעונים משמשים במגוון יישומים, כגון במחשבים, טלקומוניקציה ומערכות רכב. הם משמשים גם במכשירים רפואיים, כמו קוצבי לב, כדי להבטיח תזמון מדויק של אותות חשמליים. גנרטורים של שעונים משמשים גם באוטומציה תעשייתית ורובוטיקה, שם חיוני תזמון מדויק.
האפקט הפיאזואלקטרי מבוסס על אינטראקציה אלקטרו-מכאנית ליניארית בין מצבים מכניים וחשמליים בחומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. אפקט זה הפיך, כלומר חומרים המפגינים פיזואלקטריות יכולים גם ליצור עומס מכני כאשר מופעל שדה חשמלי. זה ידוע בתור אפקט פיזואלקטרי הפוך ומשמש לייצור גלי אולטרסאונד.
מחוללי שעונים משתמשים באפקט פיזואלקטרי הפוך זה כדי ליצור אותות חשמליים בתזמון מדויק. החומר הפיאזואלקטרי מעוות על ידי שדה חשמלי, הגורם לו לרטוט בתדר מסוים. רטט זה מומר לאחר מכן לאות חשמלי, המשמש ליצירת אות תזמון מדויק.
מחוללי שעונים משמשים במגוון יישומים, ממכשירים רפואיים ועד אוטומציה תעשייתית. הם אמינים, מדויקים וקלים לשימוש, מה שהופך אותם לבחירה פופולרית עבור יישומים רבים. פיזואלקטריות היא חלק חשוב מהטכנולוגיה המודרנית, ומחוללי שעונים הם רק אחד מהיישומים הרבים של תופעה זו.
מכשירים אלקטרוניים
פיזואלקטריות היא היכולת של חומרים מוצקים מסוימים לצבור מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני המופעל. תופעה זו, המכונה אפקט פיזואלקטרי, משמשת במגוון מכשירים אלקטרוניים, החל מפיקאפים בגיטרות מוגברות אלקטרונית ועד טריגרים בתופים אלקטרוניים מודרניים.
פיזואלקטריות נגזרת מהמילים היווניות πιέζειν (piezein) שמשמעותן "סחיטה" או "לחץ" ו-ἤλεκτρον (ēlektron) שמשמעותה "ענבר", מקור קדום למטען חשמלי. חומרים פיזואלקטריים הם גבישים, קרמיקה וחומרים ביולוגיים כמו עצם וחלבוני DNA, המפגינים את האפקט הפייזואלקטרי.
האפקט הפיאזואלקטרי הוא אינטראקציה אלקטרו-מכאנית ליניארית בין מצבים מכניים וחשמליים בחומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. זהו תהליך הפיך, כלומר חומרים המציגים את האפקט הפיאזואלקטרי מציגים גם את האפקט הפייזואלקטרי ההפוך, שהוא יצירה פנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מופעל. לדוגמה, גבישי עופרת זירקונט טיטנאט מייצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כאשר המבנה הסטטי שלהם מעוות מהממד המקורי שלו. לעומת זאת, גבישים יכולים לשנות את הממד הסטטי שלהם כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, תופעה המכונה אפקט פיזואלקטרי הפוך, המשמש בייצור גלי אולטרסאונד.
גילוי הפיאזואלקטריות מיוחס לזכות הפיזיקאים הצרפתים פייר וז'אק קירי, שהדגימו את האפקט הפיאזואלקטרי הישיר בשנת 1880. הידע המשולב שלהם בפירוא-חשמליות והבנת מבני הגביש הבסיסיים הולידו את החיזוי של האפקט הפירואלקטרי, ואת היכולת לחזות. התנהגות גבישים הודגמה בהשפעה של גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל.
נעשה שימוש בפיזואלקטריות במגוון יישומים יומיומיים, כגון יצירת ניצוצות להצתת גז במכשירי בישול וחימום, לפידים, מציתים וחומרי אפקט פירואלקטריים המייצרים פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי בטמפרטורה. זה נחקר על ידי קרל לינאוס ופרנץ אפינוס באמצע המאה ה-18, תוך הסתמכות על ידע של רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל, שהניחו קשר בין מתח מכני למטען חשמלי. עם זאת, הניסויים לא הוכחו כבלתי מתקבלים על הדעת, עד שהמראה של גביש פיזו במוזיאון המפצה של קירי בסקוטלנד הדגים את האפקט הפיאזואלקטרי הישיר של האחים קירי.
פיזואלקטריות משמשת במגוון מכשירים אלקטרוניים, החל מפיקאפים בגיטרות מוגברות אלקטרונית ועד טריגרים בתופים אלקטרוניים מודרניים. הוא משמש גם בייצור וזיהוי של סאונד, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, יצירת חשמל במתח גבוה, גנרטורים של שעונים, מיקרו-איזונים, חרירי כונן קולי ומכלולים אופטיים מיקוד עדין במיוחד. פיזואלקטריות היא גם הבסיס לסריקת מיקרוסקופים של בדיקה, המשמשים לזיהוי תמונות בקנה מידה של אטומים.
איזון מיקרו
פיזואלקטריות היא היכולת של חומרים מוצקים מסוימים לצבור מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני המופעל. פיזואלקטריות נגזרת מהמילים היווניות πιέζειν (piezein), שמשמעותן "סחיטה" או "לחץ", ו-ἤλεκτρον (ēlektron), שמשמעותה "ענבר", מקור קדום למטען חשמלי.
פיזואלקטריות משמשת במגוון יישומים יומיומיים, כגון יצירת ניצוצות להצתת גז למכשירי בישול וחימום, לפידים, מציתים ועוד. הוא משמש גם בהפקה וזיהוי של קול, ובהדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית.
פיזואלקטריות משמשת גם להפקת חשמל במתח גבוה, והיא הבסיס למחוללי שעונים ולמכשירים אלקטרוניים כגון מיקרואיזונים. פיזואלקטריות משמשת גם להנעת חרירי אולטרסאונד ומכלולים אופטיים של מיקוד עדין במיוחד.
גילוי הפיאזואלקטריות מיוחס לזכות הפיזיקאים הצרפתים ז'אק ופייר קירי בשנת 1880. האחים קירי שילבו את הידע שלהם על פירו-חשמל והבנתם את מבני הגביש הבסיסיים כדי להוליד את המושג פיזואלקטריות. הם הצליחו לחזות את התנהגות הגבישים והדגימו את ההשפעה בגבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל.
האפקט הפיאזואלקטרי נוצל ליישומים שימושיים, כולל הפקה וזיהוי של קול. התפתחות הסונאר במהלך מלחמת העולם הראשונה הייתה פריצת דרך גדולה בשימוש בפיזואלקטריות. לאחר מלחמת העולם השנייה, קבוצות מחקר עצמאיות בארצות הברית, רוסיה ויפן גילו סוג חדש של חומרים סינתטיים הנקראים פרואלקטריים, שהציגו קבועים פיזואלקטריים הגבוהים עד פי עשרה מחומרים טבעיים.
זה הוביל למחקר ופיתוח אינטנסיביים של בריום טיטנאט ומאוחר יותר עופרת זירקונט טיטנאט, שהיו בעלי תכונות ספציפיות ליישומים מסוימים. דוגמה משמעותית לשימוש בגבישים פיזואלקטריים פותחה במעבדות טלפון בל בעקבות מלחמת העולם השנייה.
פרדריק ר. לאק, שעבד במחלקה להנדסת רדיו טלפוניה, פיתח קריסטל חתוך שפעל בטווח רחב של טמפרטורות. הקריסטל של לאק לא נזקק לאביזרים הכבדים של גבישים קודמים, מה שהקל על השימוש בו במטוסים. התפתחות זו אפשרה לחילות האוויר של בעלות הברית לעסוק בהתקפות המוניות מתואמות באמצעות רדיו תעופה.
הפיתוח של מכשירים וחומרים פיזואלקטריים בארצות הברית החזיק כמה חברות בפעילות, והפיתוח של גבישי קוורץ נוצל באופן מסחרי. מאז נעשה שימוש בחומרים פיזואלקטריים במגוון יישומים, לרבות הדמיה רפואית, ניקוי קולי ועוד.
זרבובית אולטרסאונד כונן
פיזואלקטריות היא המטען החשמלי המצטבר בחומרים מוצקים מסוימים כגון גבישים, קרמיקה וחומר ביולוגי כמו עצם ו-DNA. זוהי תגובה ללחץ מכני מופעל והיא נגזרת מהמילים היווניות 'piezein', שמשמעותן 'סחיטה' או 'לחץ', ו-'elektron', שמשמעותה 'ענבר', מקור עתיק של מטען חשמלי.
האפקט הפיאזואלקטרי הוא אינטראקציה אלקטרו-מכאנית ליניארית בין המצבים המכניים והחשמליים של חומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. זהו תהליך הפיך, כלומר חומרים המציגים את האפקט הפיאזואלקטרי מציגים גם את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך, שהוא היצירה הפנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מופעל. דוגמה לכך היא גבישי עופרת זירקונט טיטנאט, היוצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כאשר המבנה הסטטי שלהם מעוות מהממד המקורי שלו. לעומת זאת, כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, הגבישים משנים את הממד הסטטי שלהם, וכתוצאה מכך נוצר אפקט פיזואלקטרי הפוך, שהוא ייצור גלי אולטרסאונד.
הפיזיקאים הצרפתים ז'אק ופייר קירי גילו פייזואלקטריות בשנת 1880 ומאז הוא נוצל למגוון יישומים שימושיים, כולל הפקה וזיהוי של קול. פיזואלקטריות מוצאת גם שימושים יומיומיים, כמו יצירת ניצוצות להדלקת גז במכשירי בישול וחימום, לפידים, מציתים ועוד.
האפקט הפירואלקטרי, שהוא החומר המייצר פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי טמפרטורה, נחקר על ידי קרל לינאוס, פרנץ אפינוס, ואמצע המאה ה-18, תוך שהם שואבים ידע מרנה האוי ואנטואן סזאר בקארל שהעמידו את הקשר בין מתח מכני מטען חשמלי. ניסויים להוכיח זאת לא היו חד משמעיים.
המבט של גביש פיזו ב-Curie Compensator במוזיאון Hunterian בסקוטלנד הוא הדגמה של האפקט הפייזואלקטרי הישיר של האחים פייר וז'אק קירי. שילוב הידע שלהם על פירו-חשמליות והבנת מבני הגביש הבסיסיים הולידו את חיזוי הפירו-חשמליות ואפשרו להם לחזות את התנהגות הגביש. זה הוכח בהשפעה של גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל. נתרן ואשלגן טרטרט טטרהידראט וקוורץ הפגינו גם פיזואלקטריות, ודיסק פיזואלקטרי שימש ליצירת מתח בעת עיוות. זה היה מוגזם מאוד על ידי ה-Curies כדי לחזות את האפקט הפיזואלקטרי ההפוך, שהוסק מתמטית מעקרונות תרמודינמיים בסיסיים על ידי גבריאל ליפמן ב-1881.
הקיורי אישרו מיד את קיומו של האפקט ההפוך, והמשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של דפורמציות אלקטרו-אלסטו-מכניות בגבישים פיזואלקטריים. במשך עשרות שנים, פיזואלקטריות נותרה סקרנות מעבדתית, אך הייתה כלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי בעבודתם לחקור ולהגדיר מבני גביש שהפגינו פיזואלקטריות. זה הגיע לשיאו בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik של Woldemar Voigt (ספר לימוד לפיזיקת קריסטל), שתיאר את כיתות הגבישים הטבעיים המסוגלים לפיזואלקטריות והגדיר בקפדנות את הקבועים הפיאזואלקטריים באמצעות ניתוח טנזור.
היישום המעשי של מכשירים פיזואלקטריים החל בסונאר, שפותח במהלך מלחמת העולם הראשונה. בצרפת, פול לנגווין ועמיתיו לעבודה פיתחו גלאי צוללת קולי. הגלאי כלל מתמר העשוי מגבישי קוורץ דקים המודבקים בקפידה על לוחות פלדה, הנקראים הידרופון, כדי לזהות את ההד המוחזר לאחר פליטת פולס בתדר גבוה. על ידי מדידת הזמן שלוקח לשמוע את ההד של גלי הקול המקפצים מעצם, הם יכלו לחשב את המרחק של האובייקט. שימוש זה בפיזואלקטריות בסונאר זכה להצלחה, והפרויקט יצר התפתחות אינטנסיבית ועניין במכשירים פיזואלקטריים במשך עשרות שנים.
נחקרו ופותחו חומרים פיזואלקטריים חדשים ויישומים חדשים לחומרים אלה, והתקנים פיזואלקטריים מצאו בית בתחומים כמו מחסניות פונוגרף קרמיות, מה שפשט את עיצוב הנגן ויוצר נגני תקליטים זולים ומדויקים יותר שהיו זולים יותר לתחזוקה וקלים יותר לבנייה. . הפיתוח של מתמרים קוליים אפשרו מדידה קלה של צמיגות וגמישות של נוזלים ומוצקים, מה שהביא להתקדמות עצומה במחקר החומרים. מדי רפלקציית תחום זמן על-קולי שולחים דופק על-קולי דרך חומר ומודדים את ההשתקפויות וחוסר המשכיות כדי למצוא פגמים בתוך חפצי מתכת ואבן יצוקים
מכלולים אופטיים ממוקדים במיוחד
פיזואלקטריות היא היכולת של חומרים מסוימים לצבור מטען חשמלי כאשר הם נתונים ללחץ מכני. זוהי אינטראקציה אלקטרו-מכאנית ליניארית בין מצבים חשמליים למכאניים של חומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. פיזואלקטריות היא תהליך הפיך, כלומר חומרים המציגים פיזואלקטריות מציגים גם את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך, שהוא היצירה הפנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מופעל.
נעשה שימוש בפיזואלקטריות במגוון יישומים, כולל הפקה וזיהוי של קול, וייצור חשמל במתח גבוה. פיזואלקטריות משמשת גם בהדפסת הזרקת דיו, מחוללי שעונים, מכשירים אלקטרוניים, מיקרו-איזונים, חרירי כונן קולי ומכלולים אופטיים מיקוד עדין במיוחד.
פיזואלקטריות התגלתה בשנת 1880 על ידי הפיזיקאים הצרפתים ז'אק ופייר קירי. האפקט הפיאזואלקטרי מנוצל ביישומים שימושיים, כגון הפקה וזיהוי של קול, וייצור חשמל במתח גבוה. נעשה שימוש גם בהדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, כמו גם במחוללי שעונים, מכשירים אלקטרוניים, מיקרו-איזונים, חרירי כונן קולי ומכלולים אופטיים עם מיקוד עדין במיוחד.
פיזואלקטריות מצאה את דרכה לשימושים יומיומיים, כגון יצירת ניצוצות להצתת גז עבור מכשירי בישול וחימום, לפידים, מציתים וחומרי אפקט פירואלקטריים המייצרים פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי בטמפרטורה. אפקט זה נחקר על ידי קרל לינאוס ופרנץ אפינוס באמצע המאה ה-18, תוך הסתמכות על ידע של רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל שהעמידו קשר בין מתח מכני למטען חשמלי. הניסויים התבררו כבלתי חד משמעיים.
המבט של גביש פיזו ב-Curie Compensator במוזיאון Hunterian בסקוטלנד הוא הדגמה של האפקט הפייזואלקטרי הישיר של האחים פייר וז'אק קירי. בשילוב עם הידע שלהם על פירו-חשמליות והבנתם את מבני הגביש הבסיסיים, הם הולידו את חיזוי הפירו-חשמליות ואת היכולת לחזות התנהגות גבישים. זה הוכח בהשפעה של גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל.
נתרן ואשלגן טרטרט טטרה-הידראט, וקוורץ ומלח רושל הפגינו פיזואלקטריות, ודיסק פיזואלקטרי שימש ליצירת מתח בעת עיוות, אם כי השינוי בצורתו היה מוגזם מאוד. הקיורי חזו את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך, והאפקט ההפוך נגזר מתמטית מעקרונות תרמודינמיים בסיסיים על ידי גבריאל ליפמן ב-1881. הקיורי אישרו מיד את קיומו של האפקט ההפוך, והמשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של אלקטרו- דפורמציות אלסטו-מכניות בגבישים פיזואלקטריים.
במשך עשרות שנים, פיזואלקטריות נשארה סקרנות מעבדתית עד שהפכה לכלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי. עבודתם לחקור ולהגדיר את מבני הגביש שהפגינו פיזואלקטריות הגיעה לשיאה בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik (ספר לימוד לפיזיקת קריסטל) מאת וולדר פויגט. זה תיאר את כיתות הגביש הטבעיות המסוגלות לפיזואלקטריות והגדיר בקפדנות את הקבועים הפיאזואלקטריים תוך שימוש בניתוח טנסור ליישום מעשי של מכשירים פיזואלקטריים.
פיתוח הסונאר היה פרויקט הצלחה שיצר פיתוח אינטנסיבי ועניין במכשירים פיזואלקטריים. עשרות שנים מאוחר יותר, חומרים פיזואלקטריים חדשים ויישומים חדשים לחומרים אלה נחקרו ופותחו. מכשירים פיזואלקטריים מצאו בתים במגוון תחומים, כמו מחסניות פונוגרף קרמיות, שפשטו את עיצוב הנגנים והפכו את נגני התקליטים לזולים יותר וקלים יותר לתחזוקה ובנייה. הפיתוח של מתמרים קוליים אפשרו מדידה קלה של צמיגות וגמישות של נוזלים ומוצקים, מה שהביא להתקדמות עצומה במחקר החומרים. מדי רפלקציית תחום זמן אולטרסאונד שולחים דופק אולטראסוני לתוך חומר ומודדים את ההשתקפויות וחוסר המשכיות כדי למצוא פגמים בתוך חפצי מתכת ואבן יצוקים, מה שמשפר את הבטיחות המבנית.
ראשיתו של תחום האינטרסים של פיאזואלקטריות הובטחה באמצעות פטנטים רווחיים של חומרים חדשים שפותחו מגבישי קוורץ, אשר נוצלו באופן מסחרי כחומר פיזואלקטרי. מדענים חיפשו חומרים בעלי ביצועים גבוהים יותר, ולמרות ההתקדמות בחומרים ובהתבגרות של תהליכי ייצור, השוק בארצות הברית לא צמח במהירות. לעומת זאת, יצרנים יפניים שיתפו מידע במהירות ויישומים חדשים לצמיחה בתעשיית הפיזואלקטריים של ארצות הברית סבלו בניגוד ליצרנים היפניים.
מנועים פיזואלקטריים
בסעיף זה, אני אדבר על האופן שבו נעשה שימוש בפיזואלקטריות בטכנולוגיה מודרנית. מסריקת מיקרוסקופים של בדיקה שיכולים לפתור תמונות בקנה מידה של אטומים ועד פיקאפים לגיטרות מוגברות אלקטרונית וטריגרים לתופים אלקטרוניים מודרניים, פיאזואלקטריות הפכה לחלק בלתי נפרד ממכשירים רבים. אני אבדוק את ההיסטוריה של פיאזואלקטריות וכיצד נעשה בה שימוש במגוון יישומים.
מהווה בסיס לסריקת מיקרוסקופים בדיקה
פיזואלקטריות היא המטען החשמלי המצטבר בחומרים מוצקים מסוימים, כגון גבישים, קרמיקה וחומר ביולוגי כמו עצם ו-DNA. זוהי התגובה ללחץ מכני מופעל, והמילה piezoelectricity מגיעה מהמילה היוונית πιέζειν (piezein) שמשמעותה "לחיצה" או "לחץ" ו-ἤλεκτρον (ēlektron) שמשמעותה "ענבר", מקור עתיק למטען חשמלי.
מנועים פיזואלקטריים הם מכשירים המשתמשים באפקט הפיאזואלקטרי כדי ליצור תנועה. אפקט זה הוא האינטראקציה האלקטרו-מכאנית ליניארית בין מצבים מכניים לחשמליים בחומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. זהו תהליך הפיך, כלומר חומרים המציגים את האפקט הפיאזואלקטרי מציגים גם את האפקט הפייזואלקטרי ההפוך, שהוא יצירה פנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מופעל. דוגמאות לחומרים המייצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה הם גבישי עופרת זירקונט טיטנאט.
האפקט הפיאזואלקטרי מנוצל ביישומים שימושיים, כגון הפקה וזיהוי של קול, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, יצירת חשמל במתח גבוה, גנרטורים של שעונים, והתקנים אלקטרוניים כמו מיקרו-איזונים וחרירי הפעלה קוליים עבור מכלולים אופטיים מיקוד עדין במיוחד. זה גם מהווה בסיס לסריקת מיקרוסקופים של בדיקה, המשמשים לפתרון תמונות בקנה מידה של אטומים.
פיזואלקטריות התגלתה בשנת 1880 על ידי הפיזיקאים הצרפתים ז'אק ופייר קירי. ניתן לראות את הנוף של גביש פיזו ושל מפצה קירי במוזיאון האנטריאן בסקוטלנד, שהוא הדגמה של האפקט הפיזואלקטרי הישיר של האחים פייר וז'אק קירי.
השילוב של הידע שלהם על פירו-חשמליות והבנתם את מבני הגביש הבסיסיים הוליד את חיזוי הפיירו-חשמליות, מה שאפשר להם לחזות את התנהגות הגביש. זה הוכח על ידי ההשפעה של גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל. נתרן ואשלגן טרטרט טטרה-הידראט, וקוורץ ומלח רושל הפגינו פיזואלקטריות, ודיסק פיזואלקטרי שימש ליצירת מתח כשהוא מעוות, אם כי זה היה מוגזם מאוד על ידי הקיורי.
הם גם חזו את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך, וזה הוסק מתמטית מעקרונות תרמודינמיים בסיסיים על ידי גבריאל ליפמן ב-1881. הקיורי אישרו מיד את קיומו של האפקט ההפוך, והמשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של האלקטרו-אלסטו- עיוותים מכניים בגבישים פיזואלקטריים.
במשך עשרות שנים, פיזואלקטריות נשארה סקרנות מעבדתית עד שהפכה לכלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי. עבודתם לחקור ולהגדיר את מבני הגביש שהפגינו פיזואלקטריות הגיעה לשיאה בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik (ספר הלימוד לפיזיקת קריסטל) של וולדמר וויגט, שתיאר את כיתות הגביש הטבעיות המסוגלות לפיזואלקטריות והגדיר בקפדנות את הקבועים הפייזואלקטריים וניתוח הטנזור.
זה הוביל ליישום מעשי של מכשירים פיזואלקטריים, כמו סונאר, שפותח במהלך מלחמת העולם הראשונה. בצרפת, פול לנגווין ועמיתיו לעבודה פיתחו גלאי צוללת קולי. גלאי זה כלל מתמר העשוי מגבישי קוורץ דקים המודבקים בקפידה על לוחות פלדה, והידרופון לזיהוי ההד המוחזר לאחר פליטת פולס בתדר גבוה מהמתמר. על ידי מדידת הזמן שלוקח לשמוע את ההד של גלי הקול המקפצים מעצם, הם הצליחו לחשב את המרחק של העצם. הם השתמשו בפיזואלקטריות כדי להפוך את הסונאר הזה להצלחה, והפרויקט יצר פיתוח ועניין אינטנסיבי במכשירים פיזואלקטריים במשך עשרות שנים.
חומרים פיזואלקטריים חדשים ויישומים חדשים לחומרים אלו נחקרו ופותחו, והתקנים פיזואלקטריים מצאו בית בתחומים רבים, כמו מחסניות פונוגרף קרמיות, שפשטו את עיצוב הנגן והפכו לנגני תקליטים זולים ומדויקים יותר, שהיו זולים יותר לתחזוקה וקלים יותר. לבנות. הפיתוח של מתמרים קוליים אפשרו מדידה קלה של צמיגות וגמישות של נוזלים ומוצקים, מה שהביא להתקדמות עצומה במחקר החומרים. מדי רפלקציית תחום זמן אולטרסאונד שולחים דופק אולטראסוני לתוך חומר ומודדים את ההשתקפויות וחוסר המשכיות כדי למצוא פגמים בתוך חפצי מתכת ואבן יצוקים, מה שמשפר את הבטיחות המבנית.
במהלך מלחמת העולם השנייה, קבוצות מחקר עצמאיות בארצות הברית
פתור תמונות בקנה מידה של אטומים
פיזואלקטריות היא המטען החשמלי המצטבר בחומרים מוצקים מסוימים כגון גבישים, קרמיקה וחומר ביולוגי כמו עצם ו-DNA. זוהי תגובה ללחץ מכני מופעל והיא נגזרת מהמילה היוונית 'piezein', שמשמעותה ללחוץ או ללחוץ. האפקט הפיאזואלקטרי נובע מהאינטראקציה האלקטרו-מכאנית ליניארית בין המצבים המכניים והחשמליים בחומרים גבישיים עם סימטריית היפוך.
פיזואלקטריות היא תהליך הפיך, וחומרים המציגים את האפקט הפיאזואלקטרי מציגים גם את האפקט הפיזואלקטרי ההפוך, שהוא יצירה פנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מופעל. דוגמאות לכך כוללות גבישי עופרת זירקונט טיטנאט, היוצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כאשר המבנה הסטטי שלהם מעוות מהממד המקורי שלו. לעומת זאת, גבישים משנים את הממד הסטטי שלהם כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, המכונה אפקט פיזואלקטרי הפוך ומשמש לייצור גלי אולטרסאונד.
הפיזיקאים הצרפתים ז'אק ופייר קירי גילו פיזואלקטריות בשנת 1880. האפקט הפייזואלקטרי נוצל למגוון יישומים שימושיים, כולל הפקה וזיהוי של קול, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, ייצור חשמל במתח גבוה, מחוללי שעון ומכשירים אלקטרוניים כמו מיקרו-איזון וחרירי הפעלה קוליים. זה גם מהווה בסיס לסריקת מיקרוסקופים של בדיקה, המשמשים לפתרון תמונות בקנה מידה של אטומים.
פיזואלקטריות משמשת גם ביישומים יומיומיים, כמו יצירת ניצוצות להצתת גז במכשירי בישול וחימום, לפידים, מציתים ועוד. האפקט הפירואלקטרי, שהוא חומר היוצר פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי טמפרטורה, נחקר על ידי קרל לינאוס ופרנץ אפינוס באמצע המאה ה-18. בהסתמך על הידע של רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל, הם הניחו קשר בין מתח מכני למטען חשמלי, אך הניסויים שלהם הוכיחו שהם לא חד משמעיים.
המבקרים במוזיאון האנטריאן בגלזגו יכולים לצפות ב-Piezo Crystal Curie compensator, הדגמה של האפקט הפייזואלקטרי הישיר של האחים פייר וז'אק קירי. בשילוב עם הידע שלהם על פירו-חשמליות והבנה של מבני הגביש הבסיסיים, הם הולידו את חיזוי הפירו-חשמליות ואת היכולת לחזות התנהגות גבישים. זה הוכח על ידי ההשפעה של גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל. נתרן ואשלגן טרטרט טטרהידרט, וקוורץ ומלח רושל הפגינו פיזואלקטריות, ודיסק פיזואלקטרי יוצר מתח כאשר הוא מעוות, אם כי השינוי בצורה מוגזמת מאוד. בני הזוג קיורי הצליחו לחזות את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך, והאפקט ההפוך נגזר מתמטית מעקרונות תרמודינמיים בסיסיים על ידי גבריאל ליפמן ב-1881.
הקיורי אישרו מיד את קיומו של האפקט ההפוך, והמשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של דפורמציות אלקטרו-אלסטו-מכניות בגבישים פיזואלקטריים. במשך עשרות שנים, פיאזואלקטריות נותרה סקרנות מעבדתית, אבל היא הייתה כלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי. עבודתם לחקור ולהגדיר מבני גביש שהפגינו פיזואלקטריות הגיעה לשיאה בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik (ספר הלימוד לפיזיקת הקריסטל) מאת וולדמר פויגה.
טנדרים גיטרות מוגברות אלקטרונית
מנועים פיזואלקטריים הם מנועים חשמליים המשתמשים באפקט הפיאזואלקטרי כדי להמיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית. האפקט הפיאזואלקטרי הוא היכולת של חומרים מסוימים ליצור מטען חשמלי כאשר הם נתונים ללחץ מכני. מנועים פיזואלקטריים משמשים במגוון יישומים, החל מהפעלת מכשירים קטנים כמו שעונים ושעונים ועד להנעת מכונות גדולות יותר כמו רובוטים וציוד רפואי.
מנועים פיזואלקטריים משמשים בטנדרים גיטרות מוגברות אלקטרונית. פיקאפים אלה משתמשים באפקט הפיאזואלקטרי כדי להמיר את הרעידות של מיתרי הגיטרה לאות חשמלי. לאחר מכן אות זה מוגבר ונשלח למגבר, שמפיק את צליל הגיטרה. טנדרים פיזואלקטריים משמשים גם בתופים אלקטרוניים מודרניים, שם הם משמשים לזיהוי תנודות ראשי התוף ולהמיר אותם לאות חשמלי.
מנועים פיזואלקטריים משמשים גם בסריקת מיקרוסקופים של בדיקה, המשתמשים באפקט הפיאזואלקטרי כדי להזיז בדיקה זעירה על פני משטח. זה מאפשר למיקרוסקופ לפתור תמונות בקנה מידה של אטומים. מנועים פיזואלקטריים משמשים גם במדפסות הזרקת דיו, שם הם משמשים להזזת ראש ההדפסה קדימה ואחורה על פני הדף.
מנועים פיזואלקטריים משמשים במגוון יישומים אחרים, כולל מכשירים רפואיים, רכיבי רכב ואלקטרוניקה צריכה. הם משמשים גם ביישומים תעשייתיים, כגון בייצור חלקים מדויקים ובהרכבה של רכיבים מורכבים. האפקט הפיאזואלקטרי משמש גם בייצור גלי אולטרסאונד, המשמשים בהדמיה רפואית ובאיתור פגמים בחומרים.
בסך הכל, מנועים פיזואלקטריים משמשים במגוון רחב של יישומים, מהפעלת מכשירים קטנים ועד הפעלת מכונות גדולות יותר. הם משמשים בטנדרים גיטרות מוגברות אלקטרונית, תופים אלקטרוניים מודרניים, מיקרוסקופים של בדיקה סריקה, מדפסות הזרקת דיו, מכשירים רפואיים, רכיבי רכב ואלקטרוניקה צריכה. האפקט הפיאזואלקטרי משמש גם בייצור גלי אולטרסאונד ובזיהוי פגמים בחומרים.
מפעיל תופים אלקטרוניים מודרניים
פיזואלקטריות היא המטען החשמלי המצטבר בחומרים מוצקים מסוימים כגון גבישים, קרמיקה וחומר ביולוגי כמו עצם ו-DNA. זוהי התגובה של חומרים אלה ללחץ מכני מיושם. המילה piezoelectricity נגזרת מהמילה היוונית "piezein", שפירושה "לסחוט או ללחוץ", ומהמילה "אלקטרון", שפירושה "ענבר", מקור קדום למטען חשמלי.
מנועים פיזואלקטריים הם מכשירים המשתמשים באפקט הפיאזואלקטרי כדי ליצור תנועה. השפעה זו נובעת מהאינטראקציה האלקטרו-מכאנית ליניארית בין המצבים המכניים והחשמליים של חומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. זהו תהליך הפיך, כלומר חומרים המציגים את האפקט הפיאזואלקטרי מציגים גם את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך, שהוא היצירה הפנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מופעל. דוגמה לכך היא גבישי עופרת זירקונט טיטנאט, היוצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כאשר המבנה הסטטי שלהם מעוות מהממד המקורי שלו. לעומת זאת, כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, הגבישים משנים את הממד הסטטי שלהם, ומייצרים גלי אולטרסאונד.
מנועים פיזואלקטריים משמשים במגוון יישומים יומיומיים, כגון:
• יצירת ניצוצות להצתת גז במכשירי בישול וחימום
• לפידים, מציתים וחומרי אפקט פירואלקטרי
• יצירת פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי טמפרטורה
• הפקה וזיהוי סאונד
• הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית
• ייצור חשמל במתח גבוה
• מחולל שעונים ומכשירים אלקטרוניים
• מיקרואיזונים
• כונן חרירי קולי ומכלולים אופטיים מיקוד עדין במיוחד
• מהווה בסיס לסריקת מיקרוסקופים בדיקה
• פתרון תמונות בקנה מידה של אטומים
• פיקאפים של גיטרות מוגברות אלקטרונית
• מפעיל תופים אלקטרוניים מודרניים.
מידול אלקטרומכני של מתמרים פיזואלקטריים
בחלק זה, אני אחקור את המודל האלקטרומכני של מתמרים פיזואלקטריים. אני אסתכל על ההיסטוריה של גילוי הפיאזואלקטריות, הניסויים שהוכיחו את קיומה ופיתוחם של מכשירים וחומרים פיזואלקטריים. אדון גם בתרומותיהם של הפיזיקאים הצרפתים פייר וז'אק קירי, קרל לינאוס ופרנץ אפינוס, רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל, גבריאל ליפמן ו-וולדמר וויגט.
הפיזיקאים הצרפתים פייר וז'אק קירי
פיזואלקטריות היא תופעה אלקטרומכנית שבה מצטבר מטען חשמלי בחומרים מוצקים מסוימים כגון גבישים, קרמיקה וחומר ביולוגי כמו עצם ודנ"א. מטען זה נוצר בתגובה ללחץ מכני המופעל. המילה 'פיזואלקטריות' נגזרת מהמילה היוונית 'piezein', שמשמעותה 'לסחוט או ללחוץ', ו'אלקטרון', שמשמעותה 'ענבר', מקור עתיק של מטען חשמלי.
האפקט הפיאזואלקטרי נובע מאינטראקציה אלקטרו-מכאנית ליניארית בין מצבים מכניים לחשמליים בחומרים עם סימטריית היפוך. אפקט זה הפיך, כלומר חומרים המציגים את האפקט הפיאזואלקטרי מציגים גם את האפקט הפייזואלקטרי ההפוך, שבו נוצר יצירה פנימית של מתח מכני בתגובה לשדה חשמלי מופעל. לדוגמה, גבישי עופרת זירקונט טיטנאט מייצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כאשר המבנה הסטטי שלהם מעוות מהממד המקורי שלו. לעומת זאת, כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, הגבישים משנים את הממד הסטטי שלהם, ומייצרים גלי אולטרסאונד בתהליך המכונה אפקט פיזואלקטרי הפוך.
בשנת 1880, הפיזיקאים הצרפתים פייר וז'אק קירי גילו את האפקט הפיאזואלקטרי ומאז הוא נוצל למגוון יישומים שימושיים, כולל הפקה וזיהוי של קול, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, ייצור חשמל במתח גבוה, גנרטורים של שעונים, ומחוללי שעון אלקטרוניים. התקנים כגון מיקרו-איזונים וחירי אולטרסאונד כונן עבור מכלולים אופטיים של מיקוד עדין במיוחד. זה גם מהווה בסיס לסריקת מיקרוסקופים של בדיקה, שיכולים לפתור תמונות בקנה מידה של אטומים. Piezoelectricity משמש גם בפיקאפים לגיטרות מוגברות אלקטרונית וטריגרים לתופים אלקטרוניים מודרניים.
פיזואלקטריות מוצאת גם שימושים יומיומיים, כמו יצירת ניצוצות להדלקת גז במכשירי בישול וחימום, לפידים, מציתים ועוד. האפקט הפירואלקטרי, שבו חומר מייצר פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי בטמפרטורה, נחקר על ידי קרל לינאוס ופרנץ אפינוס באמצע המאה ה-18, תוך הסתמכות על הידע של רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל, שהניחו קשר בין מתח מכני ומטען חשמלי, אם כי הניסויים שלהם הוכיחו שהם לא חד משמעיים.
על ידי שילוב הידע שלהם על פירו-חשמליות עם הבנה של מבני הגביש הבסיסיים, הקיורי הצליחו להוליד את חיזוי הפירו-חשמליות ולחזות את התנהגות הגבישים. זה הוכח בהשפעה של גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל. נתרן אשלגן טרטרט טטרהידרט וקוורץ גם הפגינו פיזואלקטריות. דיסק פיזואלקטרי יוצר מתח כאשר הוא מעוות, אם כי זה מוגזם מאוד בהפגנת הקורייז. הם גם הצליחו לחזות את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך ולהסיק אותו מתמטית מעקרונות תרמודינמיים בסיסיים של גבריאל ליפמן ב-1881.
הקיורי אישרו מיד את קיומו של האפקט ההפוך, והמשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של דפורמציות אלקטרו-אלסטו-מכניות בגבישים פיזואלקטריים. בעשורים שלאחר מכן, פיאזואלקטריות נותרה סקרנות מעבדתית עד שהפכה לכלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי. עבודתם לחקור ולהגדיר את מבני הקריסטל שהפגינו פיזואלקטריות הגיעה לשיאה בפרסום "Lehrbuch der Kristallphysik" (ספר הלימוד לפיזיקת הקריסטל) של וולדמר וויגט.
הניסויים הוכחו כבלתי מתקבלים על הדעת
פיזואלקטריות היא תופעה אלקטרו-מכאנית שבה מצטבר מטען חשמלי בחומרים מוצקים מסוימים, כגון גבישים, קרמיקה וחומר ביולוגי כמו עצם ו-DNA. זוהי התגובה ללחץ מכני מופעל, והמילה 'פיזואלקטריות' נגזרת מהמילים היווניות 'piezein', שמשמעותן 'לסחוט או ללחוץ', ו-'ēlektron', שמשמעותה 'ענבר', מקור קדום למטען חשמלי.
האפקט הפיאזואלקטרי נובע מהאינטראקציה האלקטרו-מכאנית ליניארית בין המצבים המכניים והחשמליים של חומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. זהו תהליך הפיך; חומרים המציגים את האפקט הפיאזואלקטרי מציגים גם את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך, שהוא יצירה פנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מופעל. לדוגמה, גבישי עופרת זירקונט טיטנאט מייצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כאשר המבנה הסטטי שלהם מעוות מהממד המקורי שלו. לעומת זאת, גבישים יכולים לשנות את הממד הסטטי שלהם כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, המכונה אפקט פיזואלקטרי הפוך, המשמש בייצור גלי אולטרסאונד.
הפיזיקאים הצרפתים פייר וז'אק קירי גילו פיאזואלקטריות בשנת 1880. מאז הוא נוצל למגוון יישומים שימושיים, כולל הפקה וזיהוי של קול, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, ייצור חשמל במתח גבוה, מחוללי שעונים והתקנים אלקטרוניים כמו מיקרו-איזונים. , כונן חרירי קולי, ומכלולים אופטיים של מיקוד עדין במיוחד. זה גם מהווה בסיס לסריקת מיקרוסקופים של בדיקה, שיכולים לפתור תמונות בקנה מידה של אטומים. Piezoelectricity משמש גם בפיקאפים לגיטרות מוגברות אלקטרונית, וטריגרים לתופים אלקטרוניים מודרניים.
פיזואלקטריות מוצאת שימושים יומיומיים ביצירת ניצוצות להדלקת גז במכשירי בישול וחימום, לפידים, מציתים ועוד. האפקט הפירואלקטרי, שבו חומר מייצר פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי בטמפרטורה, נחקר על ידי קרל לינאוס ופרנץ אפינוס באמצע המאה ה-18, תוך הסתמכות על הידע של רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל, שהניחו קשר בין מתח מכני למטען חשמלי. הניסויים התבררו כבלתי חד משמעיים.
הידע המשולב של פירו-חשמליות והבנת מבני הגביש הבסיסיים הולידו את חיזוי הפיירו-חשמליות ואת היכולת לחזות את התנהגות הגבישים. זה הוכח בהשפעה של גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל. נתרן אשלגן טרטרט טטרהידרט וקוורץ גם הפגינו פיזואלקטריות, ודיסק פיזואלקטרי שימש ליצירת מתח בעת עיוות. זה היה מוגזם מאוד בהדגמת הקוריז של האפקט הפיאזואלקטרי הישיר.
האחים פייר וז'אק קירי חזו את האפקט הפיזואלקטרי ההפוך, והאפקט ההפוך נגזר מתמטית מעקרונות תרמודינמיים בסיסיים על ידי גבריאל ליפמן בשנת 1881. הקיורי אישרו מיד את קיומו של האפקט ההפוך, והמשיכו להשיג הוכחה כמותית לשלמות הפיכות של עיוותים אלקטרו-אלסטו-מכאניים בגבישים פיזואלקטריים.
במשך עשרות שנים, פיאזואלקטריות נותרה סקרנות מעבדתית, אבל היא הייתה כלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי. עבודתם לחקור ולהגדיר את מבני הגביש שהפגינו פיזואלקטריות הגיעה לשיאה בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik (ספר לימוד לפיזיקת קריסטל) מאת וולדר פויגט. זה תיאר את מחלקות הגביש הטבעי המסוגלים לפיזואלקטריות והגדיר בקפדנות את הקבועים הפיאזואלקטריים באמצעות ניתוח טנזור. זה היה היישום המעשי הראשון של מתמרים פיזואלקטריים, והסונאר פותח במהלך מלחמת העולם הראשונה. בצרפת, פול לנגווין ועמיתיו לעבודה פיתחו גלאי צוללת קולי.
קרל לינאוס ופרנץ אפינוס
פיזואלקטריות היא תופעה אלקטרו-מכאנית שבה מצטבר מטען חשמלי בחומרים מוצקים מסוימים כגון גבישים, קרמיקה וחומר ביולוגי כמו עצם ו-DNA. מטען זה נוצר בתגובה ללחץ מכני המופעל. המילה piezoelectricity מגיעה מהמילים היווניות πιέζειν (piezein) שמשמעותן "לסחוט או ללחוץ" ו-ἤλεκτρον (ēlektron) שמשמעותה "ענבר", מקור קדום למטען חשמלי.
האפקט הפיאזואלקטרי נובע מאינטראקציה אלקטרו-מכאנית ליניארית בין המצבים המכניים והחשמליים של חומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. אפקט זה הפיך, כלומר חומרים המציגים פיזואלקטריות מציגים גם את ההשפעה הפיזואלקטרית ההפוכה, שהוא היצירה הפנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מופעל. לדוגמה, גבישי עופרת זירקונט טיטנאט מייצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כאשר המבנה הסטטי שלהם מעוות מהממד המקורי שלו. לעומת זאת, גבישים יכולים לשנות את הממד הסטטי שלהם כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, הידוע כאפקט פיזואלקטרי הפוך ומשמש לייצור גלי אולטרסאונד.
בשנת 1880, הפיזיקאים הצרפתים ז'אק ופייר קירי גילו את האפקט הפיאזואלקטרי ומאז הוא נוצל ליישומים שימושיים רבים, כולל הפקה וזיהוי של קול, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, ייצור חשמל במתח גבוה, מחוללי שעונים, מכשירים אלקטרוניים, מיקרואיזונים. , כונן חרירי קולי, ומכלולים אופטיים של מיקוד עדין במיוחד. זה גם מהווה בסיס לסריקת מיקרוסקופים של בדיקה, המשמשים לזיהוי תמונות בקנה מידה של אטומים. Piezoelectricity משמש גם בפיקאפים לגיטרות מוגברות אלקטרונית וטריגרים לתופים אלקטרוניים מודרניים.
פיזואלקטריות מצויה גם בשימושים יומיומיים, כגון יצירת ניצוצות להדלקת גז במכשירי בישול וחימום, לפידים, מציתים והאפקט הפירואלקטרי, כלומר כאשר חומר מייצר פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי בטמפרטורה. אפקט זה נחקר על ידי קרל לינאוס ופרנץ אפינוס באמצע המאה ה-18, תוך הסתמכות על ידע מרנה האוי ואנטואן סזאר בקוורל, שהעמידו קשר בין מתח מכני למטען חשמלי, אם כי הניסויים שלהם הוכיחו שהם אינם חד משמעיים.
המבט של גביש פיזו במפצה קירי במוזיאון האנטריאן בסקוטלנד הוא הדגמה של האפקט הפייזואלקטרי הישיר של האחים פייר וז'אק קירי. שילוב הידע שלהם בפירואלקטריות עם הבנה של מבני הגביש הבסיסיים הוליד את חיזוי הפירואלקטריות ואת היכולת לחזות את התנהגות הגביש. זה הוכח על ידי ההשפעה של גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל. נתרן אשלגן טרטרט טטרה-הידראט וקוורץ ממלח רושל הפגינו פיזואלקטריות, ודיסק פיזואלקטרי יוצר מתח כאשר הוא מעוות, אם כי זה מוגזם מאוד בהפגנת הקורייז.
החיזוי של האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך וההסקת המתמטית שלו מעקרונות תרמודינמיים בסיסיים נעשתה על ידי גבריאל ליפמן בשנת 1881. הקיורי אישרו מיד את קיומו של האפקט ההפוך, והמשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של אלקטרו-אלסטו- עיוותים מכניים בגבישים פיזואלקטריים. במשך עשרות שנים, פיזואלקטריות נשארה סקרנות מעבדתית עד שהפכה לכלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי, שהשתמשו בו כדי לחקור ולהגדיר מבני גביש שהפגינו פיזואלקטריות. זה הגיע לשיאו בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik של Woldemar Voigt (ספר לימוד לפיזיקת קריסטל), שתיאר את כיתות הגבישים הטבעיים המסוגלים לפיזואלקטריות והגדיר בקפדנות את הקבועים הפיאזואלקטריים באמצעות ניתוח טנזור.
יישום מעשי זה של מתמרים פיזואלקטריים הוביל לפיתוח סונאר במהלך מלחמת העולם הראשונה. בצרפת, פול לנגווין ועמיתיו לעבודה פיתחו גלאי צוללת קולי. הגלאי כלל מתמר העשוי מגבישי קוורץ דקים המודבקים בקפידה על לוחות פלדה, והידרופון לזיהוי ההד המוחזר לאחר פליטת פולס בתדר גבוה מהמתמר. על ידי מדידת הזמן שלוקח לשמוע את ההד של גלי הקול המקפצים מעצם, הם הצליחו לחשב את המרחק של העצם. הם השתמשו בפיזואלקטריות כדי להפוך את הסונאר הזה להצלחה, והפרויקט יצר פיתוח אינטנסיבי ועניין במכשירים פיזואלקטריים
רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל
פיזואלקטריות היא תופעה אלקטרו-מכאנית המתרחשת כאשר חומרים מוצקים מסוימים, כגון גבישים, קרמיקה וחומר ביולוגי כמו עצם ו-DNA, צוברים מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני המופעל. פיזואלקטריות נגזרת מהמילה היוונית 'piezein', שפירושה 'לסחוט או ללחוץ', ו-'elektron', שמשמעותה 'ענבר', מקור עתיק של מטען חשמלי.
האפקט הפיאזואלקטרי נובע מאינטראקציה אלקטרו-מכאנית ליניארית בין מצבים מכניים לחשמליים בחומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. אפקט זה הפיך, כלומר חומרים המציגים את האפקט הפיאזואלקטרי מציגים גם את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך, או יצירה פנימית של מתח מכני הנובע משדה חשמלי מופעל. לדוגמה, גבישי עופרת זירקונט טיטנאט מייצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כאשר המבנה הסטטי שלהם מעוות מהממד המקורי שלו. לעומת זאת, גבישים יכולים לשנות את הממד הסטטי שלהם כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, וכתוצאה מכך לאפקט פיזואלקטרי הפוך ולהפקת גלי אולטרסאונד.
הפיזיקאים הצרפתים פייר וז'אק קירי גילו את האפקט הפיאזואלקטרי בשנת 1880. אפקט זה נוצל למגוון יישומים שימושיים, כולל הפקה וזיהוי של קול, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, ייצור חשמל במתח גבוה, מחוללי שעון ומכשירים אלקטרוניים כמו מיקרו-איזונים, חרירי כונן קולי, ומכלולים אופטיים של מיקוד עדין במיוחד. זה גם מהווה בסיס לסריקת מיקרוסקופים של בדיקה, שיכולים לפתור תמונות בקנה מידה של אטומים. Piezoelectricity משמש גם בפיקאפים לגיטרות מוגברות אלקטרונית, וטריגרים לתופים אלקטרוניים מודרניים.
האפקט הפיאזואלקטרי נחקר לראשונה על ידי קרל לינאוס ופרנץ אפינוס באמצע המאה ה-18, תוך הסתמכות על ידע של רנה האוי ואנטואן סזאר בקוורל, שהעמידו קשר בין מתח מכני למטען חשמלי. עם זאת, הניסויים התבררו כבלתי חד משמעיים. בשילוב עם ידע של פירו-חשמליות, והבנה של מבני הגביש הבסיסיים, זה הוליד את החיזוי של פירו-חשמליות, ואת היכולת לחזות התנהגות גבישים. זה הוכח בהשפעה של גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל. נתרן אשלגן טרטרט טטרהידרט וקוורץ גם הפגינו פיזואלקטריות, ודיסק פיזואלקטרי שימש ליצירת מתח בעת עיוות. האפקט הזה היה מוגזם מאוד בהפגנת הקורייז במוזיאון סקוטלנד, שהראתה את האפקט הפייזואלקטרי הישיר.
האחים פייר וז'אק קירי המשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של דפורמציות אלקטרו-אלסטו-מכניות בגבישים פיזואלקטריים. במשך עשרות שנים, פיאזואלקטריות נשארה סקרנות מעבדתית, עד שהפכה לכלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי. עבודה זו חקרה והגדירה את מבני הגביש שהפגינו פיזואלקטריות, שהגיעה לשיאה בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik (ספר הלימוד לפיזיקת הקריסטל) מאת וולדמר ווייג.
הקורייז אישרו מיד את קיומו של האפקט ההפוך, והמשיכו להסיק מתמטית את העקרונות התרמודינמיים הבסיסיים של האפקט ההפוך. זה נעשה על ידי גבריאל ליפמן בשנת 1881. פיזואלקטריות שימשה אז לפיתוח סונאר במהלך מלחמת העולם הראשונה. בצרפת, פול לנגווין ועמיתיו לעבודה פיתחו גלאי צוללת קולי. גלאי זה כלל מתמר העשוי מגבישי קוורץ דקים המודבקים בקפידה על לוחות פלדה, והידרופון לזיהוי ההד המוחזר. על ידי פליטת פולס בתדר גבוה מהמתמר ומדידת הזמן שלוקח לשמוע את ההד של גלי הקול המקפצים מעצם, הם יכלו לחשב את המרחק לעצם.
השימוש בגבישים פיזואלקטריים פותח עוד יותר על ידי מעבדות טלפון בל בעקבות מלחמת העולם השנייה. פרדריק ר. לאק, שעבד במחלקה להנדסת רדיו טלפוניה, פיתח גביש חתוך שיכול לפעול בטווח רחב של טמפרטורות. הקריסטל של לאק לא נזקק לאביזרים הכבדים של גבישים קודמים, מה שהקל על השימוש בו במטוסים. התפתחות זו אפשרה לחילות האוויר של בעלות הברית לעסוק בהתקפות המוניות מתואמות, באמצעות רדיו תעופה. הפיתוח של מכשירים וחומרים פיזואלקטריים בארצות הברית החזיק חברות בפיתוח התחלות של ימי מלחמה בתחום, ופיתוח אינטרסים בהבטחת פטנטים רווחיים לחומרים חדשים. גבישי קוורץ נוצלו באופן מסחרי כחומר פיזואלקטרי, ומדענים חיפשו חומרים בעלי ביצועים גבוהים יותר. למרות ההתקדמות בחומרים והתבגרות של תהליכי ייצור, ארצות הברית
גבריאל ליפמן
פיזואלקטריות היא תופעה אלקטרו-מכאנית שבה מצטבר מטען חשמלי בחומרים מוצקים מסוימים, כגון גבישים, קרמיקה וחומר ביולוגי כמו עצם ו-DNA. היא תוצאה של אינטראקציה בין מצבים מכניים וחשמליים בחומרים עם סימטריית היפוך. פיזואלקטריות התגלתה לראשונה על ידי הפיזיקאים הצרפתים פייר וז'אק קירי בשנת 1880.
פיאזואלקטריות נוצלה למגוון יישומים שימושיים, כולל הפקה וזיהוי של קול, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית וייצור חשמל במתח גבוה. פיזואלקטריות נגזרת מהמילים היווניות πιέζειν (piezein) שמשמעותן "לסחוט או ללחוץ" ו-ἤλεκτρον (ēlektron) שמשמעותה "ענבר", מקור קדום למטען חשמלי.
האפקט הפיאזואלקטרי הוא הפיך, כלומר חומרים המפגינים פיזואלקטריות מציגים גם את האפקט הפיאזואלקטרי ההפוך, שבו היצירה הפנימית של מתח מכני נובעת מהפעלת שדה חשמלי. לדוגמה, גבישי עופרת זירקונט טיטנאט מייצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כאשר המבנה הסטטי שלהם מעוות מהממד המקורי שלו. לעומת זאת, גבישים יכולים לשנות את הממד הסטטי שלהם כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, תהליך המכונה אפקט פיזואלקטרי הפוך. תהליך זה יכול לשמש להפקת גלי אולטרסאונד.
האפקט הפיאזואלקטרי נחקר מאז אמצע המאה ה-18, כאשר קרל לינאוס ופרנץ אפינוס, בהסתמך על הידע של רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל, הציגו קשר בין מתח מכני למטען חשמלי. עם זאת, הניסויים התבררו כבלתי חד משמעיים. רק כשהידע המשולב של פירו-חשמליות והבנה של מבני הגביש הבסיסיים הולידו את ניבוי הפיירו-חשמליות, הצליחו החוקרים לחזות את התנהגות הגבישים. זה הוכח על ידי ההשפעה של גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל.
גבריאל ליפמן, בשנת 1881, הסיק מתמטית את העקרונות התרמודינמיים הבסיסיים של האפקט הפיזואלקטרי ההפוך. הקיורי אישרו מיד את קיומו של האפקט ההפוך, והמשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של דפורמציות אלקטרו-אלסטו-מכניות בגבישים פיזואלקטריים.
במשך עשרות שנים, פיזואלקטריות נשארה סקרנות מעבדתית עד שהפכה לכלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר ומארי קירי. עבודתם לחקור ולהגדיר את מבני הגביש שהפגינו פיזואלקטריות הגיעה לשיאה בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik (ספר לימוד לפיזיקת קריסטל) מאת וולדר פויגט. זה תיאר את מחלקות הגביש הטבעי המסוגלים לפיזואלקטריות והגדיר בקפדנות את הקבועים הפיאזואלקטריים עם ניתוח טנזור.
היישום המעשי של מכשירים פיזואלקטריים החל עם פיתוח הסונאר במהלך מלחמת העולם הראשונה. פול לנגווין ועמיתיו לעבודה פיתחו גלאי צוללת קולי. גלאי זה כלל מתמר העשוי מגבישי קוורץ דקים המודבקים בקפידה על לוחות פלדה, והידרופון לזיהוי ההד המוחזר. על ידי פליטת פולס בתדר גבוה מהמתמר ומדידת הזמן שלוקח לשמוע את הד גלי הקול המקפצים מעצם, הם הצליחו לחשב את המרחק לעצם. השימוש הזה בפיזואלקטריות לסונאר היה הצלחה, והפרויקט יצר עניין פיתוח אינטנסיבי במכשירים פיזואלקטריים. במהלך עשרות השנים, נחקרו ופותחו חומרים פיזואלקטריים חדשים ויישומים חדשים לחומרים אלה. מכשירים פיזואלקטריים מצאו בתים במגוון תחומים, ממחסניות פונוגרף קרמיות שפשטו את עיצוב הנגנים והפכו את נגני התקליטים הזולים והמדויקים לזולים יותר לתחזוקה וקלים יותר לבנייה, ועד לפיתוח מתמרים אולטרסאונדים שאפשרו מדידה קלה של צמיגות וגמישות נוזלים. ומוצקים, וכתוצאה מכך התקדמות עצומה בחקר החומרים. מדי רפלקציית תחום זמן אולטרסאונד שולחים דופק אולטראסוני לתוך חומר ומודדים את ההשתקפויות וחוסר המשכיות כדי למצוא פגמים בתוך חפצי מתכת ואבן יצוקים, מה שמשפר את הבטיחות המבנית.
לאחר מלחמת העולם השנייה, קבוצות מחקר עצמאיות בארצות הברית, רוסיה ויפן גילו סוג חדש של חומרים סינתטיים הנקראים פרואלקטריים שהציגו קבועים פיזואלקטריים הגבוהים עד פי עשרה מחומרים טבעיים. זה הוביל למחקר אינטנסיבי לפיתוח בריום טיטנאט, ומאוחר יותר עופרת זירקונט טיטנאט, חומרים בעלי תכונות ספציפיות ליישומים מסוימים. פותחה דוגמה משמעותית לשימוש בגבישים פיזואלקטריים
וולדר וויגט
פיזואלקטריות היא תופעה אלקטרו-מכאנית שבה מצטבר מטען חשמלי בחומרים מוצקים מסוימים, כגון גבישים, קרמיקה וחומר ביולוגי כמו עצם ו-DNA. מטען זה נוצר בתגובה ללחץ מכני המופעל. המילה piezoelectricity נגזרת מהמילה היוונית "piezein", שפירושה "לסחוט או ללחוץ", ו"אלקטרון", שפירושה "ענבר", מקור עתיק של מטען חשמלי.
האפקט הפיאזואלקטרי נובע מאינטראקציה אלקטרו-מכאנית ליניארית בין המצבים המכניים והחשמליים של חומרים גבישיים עם סימטריית היפוך. אפקט זה הפיך, כלומר חומרים המציגים פיזואלקטריות מציגים גם אפקט פיזואלקטרי הפוך, כאשר היצור הפנימי של מתח מכני נובע משדה חשמלי מופעל. לדוגמה, גבישי עופרת זירקונט טיטנאט מייצרים פיזואלקטריות ניתנת למדידה כאשר המבנה הסטטי שלהם מעוות מהממד המקורי שלו. לעומת זאת, גבישים יכולים לשנות את הממד הסטטי שלהם כאשר מופעל שדה חשמלי חיצוני, תופעה המכונה אפקט פיזואלקטרי הפוך, המשמש בייצור גלי אולטרסאונד.
הפיזיקאים הצרפתים פייר וז'אק קירי גילו פיזואלקטריות בשנת 1880. האפקט הפייזואלקטרי נוצל מאז למגוון יישומים שימושיים, כולל הפקה וזיהוי של קול, הדפסת הזרקת דיו פיזואלקטרית, ייצור חשמל במתח גבוה, מחוללי שעון ומכשירים אלקטרוניים כמו מיקרו-איזונים וחרירי הפעלה קוליים למיקוד עדין במיוחד של מכלולים אופטיים. זה גם מהווה בסיס לסריקת מיקרוסקופים של בדיקה, שיכולים לפתור תמונות בקנה מידה של אטומים. בנוסף, פיקאפים בגיטרות מוגברות אלקטרונית וטריגרים בתופים אלקטרוניים מודרניים משתמשים באפקט הפיאזואלקטרי.
פיזואלקטריות מוצאת גם שימושים יומיומיים ביצירת ניצוצות להדלקת גז במכשירי בישול וחימום, בלפידים, מציתים ועוד. האפקט הפירואלקטרי, שבו חומר מייצר פוטנציאל חשמלי בתגובה לשינוי בטמפרטורה, נחקר על ידי קרל לינאוס ופרנץ אפינוס באמצע המאה ה-18, תוך הסתמכות על ידע של רנה האוי ואנטואן סזאר בקארל, שהניחו קשר בין מכאניות. מתח ומטען חשמלי. ניסויים להוכחת קשר זה התבררו כבלתי חד משמעיים.
המבט של גביש פיזו במפצה קירי במוזיאון האנטריאן בסקוטלנד הוא הדגמה של האפקט הפייזואלקטרי הישיר של האחים פייר וז'אק קירי. שילוב הידע שלהם בפירואלקטריות עם הבנה של מבני הגביש הבסיסיים הוליד את חיזוי הפירואלקטריות, שאפשרה להם לחזות את התנהגות הגבישים שהם הפגינו בהשפעת גבישים כמו טורמלין, קוורץ, טופז, סוכר קנים ומלח רושל. . נתרן ואשלגן טרטרט טטרהידראט וקוורץ הפגינו גם פיזואלקטריות, ודיסק פיזואלקטרי שימש ליצירת מתח בעת עיוות. שינוי הצורה הזה היה מוגזם מאוד בהפגנת הקיורי, והם המשיכו לחזות את האפקט הפיזואלקטרי ההפוך. ההשפעה ההפוכה נגזרה מתמטית מעקרונות תרמודינמיים בסיסיים על ידי גבריאל ליפמן ב-1881.
הקיורי אישרו מיד את קיומו של האפקט ההפוך, והמשיכו להשיג הוכחה כמותית להפיכות מוחלטת של דפורמציות אלקטרו-אלסטו-מכניות בגבישים פיזואלקטריים. בעשורים שלאחר מכן, פייזואלקטריות נותרה סקרנות מעבדתית, עד שהפכה לכלי חיוני בגילוי הפולוניום והרדיום על ידי פייר מארי קירי, שהשתמש בו כדי לחקור ולהגדיר מבני גביש שהפגינו פיזואלקטריות. זה הגיע לשיאו בפרסום הספר Lehrbuch der Kristallphysik של Woldemar Voigt (ספר לימוד לפיזיקת קריסטל), שתיאר את כיתות הגבישים הטבעיים המסוגלים לפיזואלקטריות והגדיר בקפדנות את הקבועים הפיאזואלקטריים באמצעות ניתוח טנזור.
זה הוביל ליישום מעשי של מכשירים פיזואלקטריים, כמו סונאר, שפותח במהלך מלחמת העולם הראשונה. בצרפת, פול לנגווין ועמיתיו לעבודה פיתחו גלאי צוללת קולי. גלאי זה כלל מתמר העשוי מגבישי קוורץ דקים המודבקים בקפידה על לוחות פלדה, והידרופון לזיהוי ההד המוחזר לאחר פליטת פולס בתדר גבוה מהמתמר. על ידי מדידת הזמן שלוקח לשמוע את ההד של גלי הקול המקפצים מעצם, הם יכלו לחשב את המרחק לעצם. הם השתמשו בפיאזואלקטריות כדי להפוך את הסונאר הזה להצלחה, והפרויקט יצר התפתחות ועניין אינטנסיביים.
יחסים חשובים
- מפעילים פיזואלקטריים: מפעילים פיזואלקטריים הם מכשירים הממירים אנרגיה חשמלית לתנועה מכנית. הם נמצאים בשימוש נפוץ ברובוטיקה, מכשירים רפואיים ויישומים אחרים שבהם נדרשת בקרת תנועה מדויקת.
- חיישנים פיזואלקטריים: חיישנים פיזואלקטריים משמשים למדידת פרמטרים פיזיים כגון לחץ, תאוצה ורטט. הם משמשים לעתים קרובות ביישומים תעשייתיים ורפואיים, כמו גם במוצרי אלקטרוניקה.
- פיזואלקטריות בטבע: פיזואלקטריות היא תופעה טבעית בחומרים מסוימים, והיא מצויה בהרבה אורגניזמים חיים. הוא משמש אורגניזמים מסוימים כדי לחוש את סביבתם ולתקשר עם אורגניזמים אחרים.
סיכום
פיזואלקטריות היא תופעה מדהימה ששימשה במגוון יישומים, מסונאר ועד מחסניות פונוגרף. זה נחקר מאז אמצע שנות ה-1800, ושימש שפע רב בפיתוח הטכנולוגיה המודרנית. פוסט זה בבלוג חקר את ההיסטוריה והשימושים של פיאזואלקטריות, והדגיש את חשיבותה של תופעה זו בהתפתחות הטכנולוגיה המודרנית. למי שמעוניין ללמוד עוד על פיזואלקטריות, הפוסט הזה הוא נקודת התחלה מצוינת.
אני יוסט נוסלדר, המייסד של Neaera ומשווק תוכן, אבא ואוהב לנסות ציוד חדש עם גיטרה בלב התשוקה שלי, ויחד עם הצוות שלי, אני יוצר מאמרי בלוג מעמיקים מאז 2020 לעזור לקוראים הנאמנים עם טיפים להקלטה וגיטרה.
