პიეზოელექტროენერგია არის გარკვეული მასალების შესაძლებლობა გამოიმუშაონ ელექტროენერგია მექანიკური სტრესის დროს და პირიქით. სიტყვა მომდინარეობს ბერძნული პიეზოდან, რაც ნიშნავს წნევას და ელექტროენერგიას. ის პირველად 1880 წელს აღმოაჩინეს, მაგრამ კონცეფცია დიდი ხანია ცნობილია.
პიეზოელექტროენერგიის ყველაზე ცნობილი მაგალითია კვარცი, მაგრამ ბევრი სხვა მასალაც ავლენს ამ ფენომენს. პიეზოელექტროენერგიის ყველაზე გავრცელებული გამოყენება არის ულტრაბგერის წარმოება.
ამ სტატიაში მე განვიხილავ რა არის პიეზოელექტროენერგია, როგორ მუშაობს იგი და ამ საოცარი ფენომენის რამდენიმე პრაქტიკულ გამოყენებას.
რა არის პიეზოელექტროენერგია?
პიეზოელექტროენერგია არის გარკვეული მასალის უნარი გამოიმუშაოს ელექტრული მუხტი გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. ეს არის წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედება მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის კრისტალურ მასალებში ინვერსიული სიმეტრიით. პიეზოელექტრული მასალები შეიძლება გამოყენებულ იქნას მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის, საათის გენერატორების, ელექტრონული მოწყობილობების, მიკრობალანსების, ულტრაბგერითი საქშენების და ულტრა წვრილ ფოკუსირების ოპტიკური შეკრებების შესაქმნელად.
პიეზოელექტრული მასალები მოიცავს კრისტალებს, გარკვეულ კერამიკას, ბიოლოგიურ ნივთიერებებს, როგორიცაა ძვალი და დნმ და ცილები. პიეზოელექტრული მასალის მიმართ ძალის გამოყენებისას ის წარმოქმნის ელექტრულ მუხტს. ეს მუხტი შეიძლება გამოყენებულ იქნას მოწყობილობების კვებისათვის ან ძაბვის შესაქმნელად.
პიეზოელექტრული მასალები გამოიყენება სხვადასხვა აპლიკაციებში, მათ შორის:
• ხმის გამომუშავება და გამოვლენა
• პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვა
• მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავება
• საათის გენერატორები
• ელექტრონული მოწყობილობები
• მიკრობალანსები
• ამოძრავეთ ულტრაბგერითი საქშენები
• ულტრაფინირებული ფოკუსირების ოპტიკური შეკრებები
• პიკაპები ელექტრონულად გაძლიერებული გიტარებისთვის
• ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონული დრამებისთვის
• ნაპერწკლების წარმოება გაზის გასანათებლად
• სამზარეულო და გათბობის მოწყობილობები
• ჩირაღდნები და სანთებელები.
რა არის პიეზოელექტროენერგიის ისტორია?
პიეზოელექტროენერგია აღმოაჩინეს 1880 წელს ფრანგმა ფიზიკოსებმა ჟაკ და პიერ კიურიმ. ეს არის ელექტრული მუხტი, რომელიც გროვდება გარკვეულ მყარ მასალებში, როგორიცაა კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. სიტყვა "პიეზოელექტროენერგია" მომდინარეობს ბერძნული სიტყვიდან "piezein", რაც ნიშნავს "შეკუმშვას" ან "დაჭერას" და "elektron", რაც ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყაროდან.
პიეზოელექტრული ეფექტი გამოწვეულია კრისტალური მასალების მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედებით ინვერსიული სიმეტრიით. ეს არის შექცევადი პროცესი, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიობას, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, რაც არის მექანიკური დაძაბულობის შიდა წარმოქმნა, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით.
კურიის პიროელექტროენერგიის გაერთიანებულმა ცოდნამ და ფუძემდებლური კრისტალური სტრუქტურების გაგებამ გამოიწვია პიროელექტროენერგიის პროგნოზირება და კრისტალური ქცევის პროგნოზირების უნარი. ეს გამოვლინდა ისეთი კრისტალების ეფექტში, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი.
კურიმ მაშინვე დაადასტურეს საპირისპირო ეფექტის არსებობა და მიიღეს რაოდენობრივი მტკიცებულება პიეზოელექტრული კრისტალებში ელექტრო-ელასტო-მექანიკური დეფორმაციების სრული შექცევადობის შესახებ. ათწლეულების განმავლობაში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიულ ცნობისმოყვარეობად მანამ, სანამ არ გახდა მნიშვნელოვანი ინსტრუმენტი პიერ და მარი კიურის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენაში.
პიეზოელექტროენერგია გამოიყენებოდა მრავალი სასარგებლო აპლიკაციისთვის, მათ შორის ხმის წარმოებისა და ამოცნობისთვის, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვის, მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავების, საათის გენერატორებისა და ელექტრონული მოწყობილობების, მიკრობალანსების, ულტრაბგერითი საქშენების ამოძრავების, ოპტიკური შეკრებების ულტრა დახვეწილი ფოკუსირებისა და ფორმებისთვის. სკანირების ზონდის მიკროსკოპების საფუძველი ატომების მასშტაბით გამოსახულების გადასაჭრელად.
პიეზოელექტროენერგია ასევე პოულობს ყოველდღიურ გამოყენებას, როგორიცაა ნაპერწკლების წარმოქმნა გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში, ჩირაღდნები, სიგარეტის სანთებელები და პიროელექტრული ეფექტი, სადაც მასალა წარმოქმნის ელექტრო პოტენციალს ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ.
პირველი მსოფლიო ომის დროს სონარის განვითარებამ გამოიყენა Bell Telephone Laboratories-ის მიერ შემუშავებული პიეზოელექტრული კრისტალები. ეს საშუალებას აძლევდა მოკავშირეთა საჰაერო ძალებს ჩაერთონ კოორდინირებულ მასობრივ შეტევებში საავიაციო რადიოს გამოყენებით. შეერთებულ შტატებში პიეზოელექტრული მოწყობილობებისა და მასალების განვითარებამ შეინარჩუნა კომპანიები ინტერესების სფეროში ომის დასაწყისის განვითარებაში, ახალი მასალების მომგებიანი პატენტების უზრუნველსაყოფად.
იაპონიამ დაინახა შეერთებული შტატების პიეზოელექტრული ინდუსტრიის ახალი აპლიკაციები და ზრდა და სწრაფად განავითარა საკუთარი. მათ სწრაფად გაუზიარეს ინფორმაცია და შეიმუშავეს ბარიუმის ტიტანატი და მოგვიანებით ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის მასალები კონკრეტული თვისებებით კონკრეტული გამოყენებისთვის.
პიეზოელექტრობამ დიდი გზა გაიარა 1880 წელს აღმოჩენის შემდეგ და ახლა გამოიყენება მრავალფეროვან ყოველდღიურ გამოყენებაში. იგი ასევე გამოიყენებოდა მასალების კვლევაში წინსვლისთვის, როგორიცაა ულტრაბგერითი დროის დომენის რეფლექტომეტრები, რომლებიც აგზავნიან ულტრაბგერით პულსს მასალაში, რათა გაზომონ ანარეკლები და წყვეტები, რათა აღმოაჩინონ ხარვეზები ჩამოსხმული ლითონისა და ქვის ობიექტებში, რაც აუმჯობესებს სტრუქტურულ უსაფრთხოებას.
როგორ მუშაობს პიეზოელექტროენერგია
ამ განყოფილებაში მე გამოვიკვლევ, როგორ მუშაობს პიეზოელექტროენერგია. მე განვიხილავ მყარ სხეულებში ელექტრული მუხტის დაგროვებას, ხაზოვან ელექტრომექანიკურ ურთიერთქმედებას და შექცევად პროცესს, რომელიც ქმნის ამ ფენომენს. მე ასევე განვიხილავ პიეზოელექტროენერგიის ისტორიას და მის გამოყენებას.
ელექტრული მუხტის დაგროვება მყარ სხეულებში
პიეზოელექტრობა არის ელექტრული მუხტი, რომელიც გროვდება გარკვეულ მყარ მასალებში, როგორიცაა კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ. ეს არის რეაქცია გამოყენებული მექანიკური სტრესის მიმართ და მისი სახელი მომდინარეობს ბერძნული სიტყვებიდან "piezein" (შეკუმშვა ან დაჭერა) და "ēlektron" (ქარვა).
პიეზოელექტრული ეფექტი წარმოიქმნება ინვერსიული სიმეტრიის მქონე კრისტალურ მასალებში მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედების შედეგად. ეს არის შექცევადი პროცესი, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიობას, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, სადაც მექანიკური დაძაბვის შიდა წარმოქმნა ხდება გამოყენებული ელექტრული ველის შედეგად. მასალების მაგალითები, რომლებიც წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, მოიცავს ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალებს.
ფრანგმა ფიზიკოსებმა პიერ და ჟაკ კიურებმა აღმოაჩინეს პიეზოელექტროენერგია 1880 წელს. მას შემდეგ იგი გამოიყენეს სხვადასხვა სასარგებლო აპლიკაციებისთვის, მათ შორის ხმის წარმოებისა და ამოცნობისთვის, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვის, მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის, საათის გენერატორებისა და ელექტრონული მოწყობილობების, როგორიცაა მიკრობალანსები. და ამოძრავეთ ულტრაბგერითი საქშენები ოპტიკური შეკრებების ულტრა დახვეწილი ფოკუსირებისთვის. ის ასევე საფუძვლად უდევს სკანირების ზონდის მიკროსკოპებს, რომლებსაც შეუძლიათ გამოსახულების ამოხსნა ატომების მასშტაბით. პიეზოელექტროენერგია ასევე გამოიყენება პიკაპებში ელექტრონულად გაძლიერებული გიტარებისთვის და ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონული დასარტყამებისთვის.
პიეზოელექტროენერგია ყოველდღიურ გამოყენებას პოულობს ნაპერწკლების წარმოქმნაში გაზის გასანათებლად, სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში, ჩირაღდნები, სანთებელები და პიროელექტრული ეფექტი, სადაც მასალა წარმოქმნის ელექტრო პოტენციალს ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ. ეს შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინუსმა მე-18 საუკუნის შუა ხანებში, რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, რომლებმაც დაადგინეს კავშირი მექანიკურ სტრესსა და ელექტრულ მუხტს შორის. ექსპერიმენტები არადამაჯერებელი აღმოჩნდა.
პიეზო კრისტალის ხედი კიურის კომპენსატორში შოტლანდიაში ჰანტერიან მუზეუმში არის პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირება. ძმებმა პიერ და ჟაკ კიურებმა პიროელექტროენერგიის ცოდნა გააერთიანეს კრისტალური სტრუქტურების გააზრებასთან, რამაც გამოიწვია პიროელექტროენერგიის პროგნოზირება. მათ შეძლეს კრისტალების ქცევის პროგნოზირება და აჩვენეს ეფექტი ისეთ კრისტალებში, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი. ნატრიუმის კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი და კვარცი ასევე აჩვენებდნენ პიეზოელექტროენერგიას. პიეზოელექტრული დისკი წარმოქმნის ძაბვას დეფორმაციისას და ფორმის ცვლილება ძლიერ გაზვიადებულია კურიის დემონსტრირებაში.
მათ შეძლეს საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტის პროგნოზირება, ხოლო საპირისპირო ეფექტი მათემატიკურად გამოიტანა გაბრიელ ლიპმანმა 1881 წელს. კურიმ მაშინვე დაადასტურა საპირისპირო ეფექტის არსებობა და განაგრძო ელექტრო-ელასტო- სრული შექცევადობის რაოდენობრივი მტკიცებულების მოპოვება. მექანიკური დეფორმაციები პიეზოელექტრულ კრისტალებში.
ათწლეულების განმავლობაში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიულ ცნობისმოყვარეობად, მაგრამ ის იყო სასიცოცხლო ინსტრუმენტი პიერ და მარი კიურის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენისთვის. მათმა მუშაობამ კრისტალური სტრუქტურების შესწავლა და განსაზღვრა, რომლებიც აჩვენებდნენ პიეზოელექტრობას, კულმინაციას მიაღწია Woldemar Voigt-ის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალების ფიზიკის სახელმძღვანელოს) გამოქვეყნებით, სადაც აღწერილი იყო ბუნებრივი კრისტალების კლასები, რომლებსაც შეუძლიათ პიეზოელექტრობა და მკაცრად განსაზღვრეს პიეზოელექტრული მუდმივი ანალიზი. ეს იყო პიეზოელექტრული მოწყობილობების პრაქტიკული გამოყენება და სონარი შეიქმნა პირველი მსოფლიო ომის დროს. საფრანგეთში პოლ ლანჟევინმა და მისმა თანამშრომლებმა შეიმუშავეს წყალქვეშა ნავის ულტრაბგერითი დეტექტორი.
დეტექტორი შედგებოდა ა transducer დამზადებულია თხელი კვარცის კრისტალებისგან, რომლებიც საგულდაგულოდ არის დამაგრებული ფოლადის ფირფიტებზე და ჰიდროფონისგან, რათა აღმოაჩინოს დაბრუნებული ექო. მაღალის გამოსხივებით სიხშირე პულსი გადამყვანიდან და გაზომეს დრო, რომელიც საჭიროა ობიექტიდან მობრუნებული ხმის ტალღების ექოს მოსასმენად, მათ შეძლეს გამოთვალონ მანძილი ობიექტამდე. მათ გამოიყენეს პიეზოელექტროენერგია სონარის წარმატების მისაღწევად და პროექტმა გამოიწვია ინტენსიური განვითარება და ინტერესი პიეზოელექტრული მოწყობილობების მიმართ. ათწლეულების განმავლობაში, ახალი პიეზოელექტრული მასალები და მასალების ახალი აპლიკაციები იქნა შესწავლილი და განვითარებული, ხოლო პიეზოელექტრული მოწყობილობები იპოვეს სახლები სხვადასხვა სფეროში. კერამიკული ფონოგრაფის კარტრიჯებმა გაამარტივა დამკვრელის დიზაინი და შექმნა იაფი და ზუსტი ჩანაწერის დამკვრელებისთვის, რომელთა შენახვა უფრო იაფი და ადვილი ასაშენებელი იყო.
ულტრაბგერითი გადამყვანების შემუშავებამ საშუალება მისცა სითხეებისა და მყარი ნივთიერებების სიბლანტისა და ელასტიურობის გაზომვას, რამაც გამოიწვია უზარმაზარი მიღწევები მასალების კვლევაში.
ხაზოვანი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედება
პიეზოელექტროენერგია არის გარკვეული მასალის უნარი, გამოიმუშაოს ელექტრული მუხტი, როდესაც ექვემდებარება მექანიკურ სტრესს. სიტყვა მომდინარეობს ბერძნული სიტყვებიდან πιέζειν (piezein) რაც ნიშნავს „შეკუმშვას ან დაჭერას“ და ἤλεκτρον (ēlektron) რაც ნიშნავს „ქარვას“, რომელიც ელექტრული მუხტის უძველესი წყარო იყო.
პიეზოელექტროენერგია აღმოაჩინეს 1880 წელს ფრანგმა ფიზიკოსებმა ჟაკ და პიერ კიურიმ. იგი ეფუძნება წრფივ ელექტრომექანიკურ ურთიერთქმედებას კრისტალური მასალების მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის ინვერსიული სიმეტრიით. ეს ეფექტი შექცევადია, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიულობას, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიულ ეფექტს, რომლის დროსაც მექანიკური დაძაბვის შიდა წარმოქმნა ხდება გამოყენებული ელექტრული ველის შედეგად. მასალების მაგალითები, რომლებიც წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, როდესაც დეფორმირებულია მათი სტატიკური სტრუქტურიდან, მოიცავს ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალებს. პირიქით, კრისტალებს შეუძლიათ შეცვალონ თავიანთი სტატიკური განზომილება, როდესაც გამოიყენება გარე ელექტრული ველი, რომელიც ცნობილია როგორც ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი და გამოიყენება ულტრაბგერითი ტალღების წარმოებაში.
პიეზოელექტროენერგია გამოიყენებოდა სხვადასხვა სასარგებლო აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა:
• ხმის გამომუშავება და გამოვლენა
• პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვა
• მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავება
• საათის გენერატორი
• ელექტრონული მოწყობილობები
• მიკრობალანსები
• ამოძრავეთ ულტრაბგერითი საქშენები
• ულტრაფინირებული ფოკუსირების ოპტიკური შეკრებები
• საფუძვლად უდევს სკანირების ზონდის მიკროსკოპებს გამოსახულების ატომების მასშტაბის გადასაჭრელად
• პიკაპები ელექტრონულად გაძლიერებულ გიტარებში
• ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონულ დრამებში
• ნაპერწკლების წარმოქმნა გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში
• ჩირაღდნები და სანთებელები
პიეზოელექტროენერგია ასევე პოულობს ყოველდღიურ გამოყენებას პიროელექტრო ეფექტში, რომელიც არის მასალა, რომელიც წარმოქმნის ელექტრო პოტენციალს ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ. ეს შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინუსმა მე-18 საუკუნის შუა ხანებში, რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, რომლებმაც დაადგინეს კავშირი მექანიკურ სტრესსა და ელექტრულ მუხტს შორის. თუმცა, ექსპერიმენტები არაზუსტი აღმოჩნდა.
პიეზო კრისტალის ნახვა კიურის კომპენსატორში შოტლანდიაში ჰანტერიან მუზეუმში არის პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირება. ეს იყო ძმების პიერ და ჟაკ კიურიების ნამუშევრები, რომლებმაც გამოიკვლიეს და განსაზღვრეს კრისტალური სტრუქტურები, რომლებიც აჩვენებდნენ პიეზოელექტრიობას, რაც დასრულდა ვოლდემარ ვოიგტის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალური ფიზიკის სახელმძღვანელო) გამოქვეყნებით. ეს აღწერს ბუნებრივ კრისტალების კლასებს, რომლებსაც შეუძლიათ პიეზოელექტრობა და მკაცრად განსაზღვრა პიეზოელექტრული მუდმივები ტენზორული ანალიზის საშუალებით, რაც იწვევს პიეზოელექტრული მოწყობილობების პრაქტიკულ გამოყენებას.
Sonar შეიქმნა პირველი მსოფლიო ომის დროს, როდესაც ფრანგმა პოლ ლანჟევინმა და მისმა თანამშრომლებმა შეიმუშავეს ულტრაბგერითი წყალქვეშა დეტექტორი. ეს დეტექტორი შედგებოდა თხელი კვარცის კრისტალებისგან დამზადებული გადამყვანისგან, რომელიც საგულდაგულოდ იყო მიმაგრებული ფოლადის ფირფიტებზე, და ჰიდროფონისაგან, რომელიც აფიქსირებდა დაბრუნებულ ექოს გადამყვანიდან მაღალი სიხშირის პულსის გამოსხივების შემდეგ. იმ დროის გაზომვით, რომელიც საჭიროა ობიექტიდან მობრუნებული ბგერის ტალღების ექოს მოსმენისთვის, მათ შეძლეს ობიექტის მანძილის გამოთვლა, პიეზოელექტროენერგიის გამოყენებით. ამ პროექტის წარმატებამ გამოიწვია ინტენსიური განვითარება და ინტერესი პიეზოელექტრული მოწყობილობების მიმართ ათწლეულების განმავლობაში, ახალი პიეზოელექტრული მასალებისა და ამ მასალების ახალი აპლიკაციების შესწავლით და შემუშავებით. პიეზოელექტრიკულმა მოწყობილობებმა იპოვეს სახლები ბევრ სფეროში, როგორიცაა კერამიკული ფონოგრაფის კარტრიჯები, რომლებიც ამარტივებს დამკვრელის დიზაინს და ქმნიდა უფრო იაფ და ზუსტ ჩანაწერის დამკვრელს, და უფრო იაფს და მარტივს აშენებასა და შენარჩუნებაში.
ულტრაბგერითი გადამყვანების შემუშავებამ საშუალება მისცა მარტივი გაზომოს სითხეებისა და მყარი ნივთიერებების სიბლანტე და ელასტიურობა, რამაც გამოიწვია უზარმაზარი მიღწევები მასალების კვლევაში. ულტრაბგერითი დროის დომენის რეფლექტომეტრები აგზავნიან ულტრაბგერით პულსს მასალაში და ზომავენ ანარეკლებს და წყვეტებს, რათა აღმოაჩინონ ხარვეზები ჩამოსხმული ლითონისა და ქვის ობიექტებში, რაც აუმჯობესებს სტრუქტურულ უსაფრთხოებას. მეორე მსოფლიო ომის შემდეგ, დამოუკიდებელმა კვლევითმა ჯგუფებმა შეერთებულ შტატებში, რუსეთში და იაპონიაში აღმოაჩინეს სინთეზური მასალების ახალი კლასი, სახელწოდებით ფეროელექტროები, რომლებიც აჩვენებდნენ პიეზოელექტრული მუდმივები ბევრჯერ უფრო მაღალი ვიდრე ბუნებრივი მასალები. ამან გამოიწვია ინტენსიური კვლევა ბარიუმის ტიტანატის და მოგვიანებით ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის შემუშავების მიზნით, სპეციფიკური თვისებების მქონე მასალები კონკრეტული გამოყენებისთვის.
პიეზოელექტრული კრისტალების გამოყენების მნიშვნელოვანი მაგალითი შეიქმნა Bell Telephone Laboratories-ის მიერ მეორე მსოფლიო ომის შემდეგ. ფრედერიკ რ.ლაკი, რომელიც მუშაობს რადიოტელეფონიის ინჟინერიის განყოფილებაში,
შექცევადი პროცესი
პიეზოელექტროენერგია არის ელექტრული მუხტი, რომელიც გროვდება გარკვეულ მყარ მასალებში, როგორიცაა კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ. ეს არის ამ მასალების რეაქცია გამოყენებულ მექანიკურ სტრესზე. სიტყვა "პიეზოელექტროენერგია" მომდინარეობს ბერძნული სიტყვებიდან "piezein" რაც ნიშნავს "შეკუმშვას" ან "დაჭერას" და "ēlektron" ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყარო.
პიეზოელექტრული ეფექტი გამოწვეულია კრისტალური მასალების მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედებით ინვერსიული სიმეტრიით. ეს არის შექცევადი პროცესი, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიობას, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, რაც არის მექანიკური დაძაბულობის შიდა წარმოქმნა, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით. მასალების მაგალითები, რომლებიც წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, მოიცავს ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალებს. როდესაც ამ კრისტალების სტატიკური სტრუქტურა დეფორმირებულია, ისინი უბრუნდებიან თავდაპირველ განზომილებას და პირიქით, როდესაც გარე ელექტრული ველი გამოიყენება, ისინი ცვლიან სტატიკური განზომილებას, წარმოქმნიან ულტრაბგერით ტალღებს.
ფრანგმა ფიზიკოსებმა ჟაკ და პიერ კიურიმ აღმოაჩინეს პიეზოელექტროენერგია 1880 წელს. მას შემდეგ იგი გამოიყენეს სხვადასხვა სასარგებლო აპლიკაციებისთვის, მათ შორის ხმის წარმოებისა და ამოცნობისთვის, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვა, მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავება, საათის გენერატორები, ელექტრონული მოწყობილობები, მიკრობალანსები. ამოძრავეთ ულტრაბგერითი საქშენები და ულტრა წვრილ ფოკუსირებული ოპტიკური შეკრებები. ის ასევე ქმნის საფუძველს ზონდის მიკროსკოპების სკანირებისთვის, რომლებსაც შეუძლიათ გამოსახულების ამოხსნა ატომების მასშტაბით. პიეზოელექტროენერგია ასევე გამოიყენება პიკაპებში ელექტრონულად გაძლიერებული გიტარებისთვის და ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონული დასარტყამებისთვის.
პიეზოელექტროენერგია ასევე პოულობს ყოველდღიურ გამოყენებას, როგორიცაა ნაპერწკლების წარმოქმნა გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში, ჩირაღდნები, სიგარეტის სანთებელებში და სხვა. პიროელექტრული ეფექტი, რომლის დროსაც მასალა წარმოქმნის ელექტრულ პოტენციალს ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ, შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა, ფრანც ეპინუსმა და რენე ჰაუიმ მე-18 საუკუნის შუა წლებში, ქარვის შესახებ ცოდნაზე დაყრდნობით. ანტუან სეზარ ბეკერელმა დაადგინა კავშირი მექანიკურ სტრესსა და ელექტრულ მუხტს შორის, მაგრამ ექსპერიმენტები არასაიმედო აღმოჩნდა.
გლაზგოში ჰანტერიან მუზეუმის სტუმრებს შეუძლიათ ნახონ Piezo Crystal Curie Compensator, ძმები პიერ და ჟაკ კიურის პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირება. პიროელექტროენერგიის შესახებ მათი ცოდნის გაერთიანებამ კრისტალური სტრუქტურების გაგებასთან ერთად წარმოშვა პიროელექტროენერგიის პროგნოზირება და კრისტალური ქცევის პროგნოზირების უნარი. ეს აჩვენა ისეთი კრისტალების ეფექტით, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი. ნატრიუმის და კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი და კვარცი ასევე ავლენდნენ პიეზოელექტრიულობას და პიეზოელექტრული დისკი გამოიყენებოდა დეფორმაციის დროს ძაბვის შესაქმნელად. ფორმის ეს ცვლილება დიდად გაზვიადებული იყო კურიის მიერ საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტის პროგნოზირებისთვის. საპირისპირო ეფექტი მათემატიკურად გამოიტანა ფუნდამენტური თერმოდინამიკური პრინციპებიდან გაბრიელ ლიპმანმა 1881 წელს.
კურიმ მაშინვე დაადასტურეს საპირისპირო ეფექტის არსებობა და მიიღეს რაოდენობრივი მტკიცებულება პიეზოელექტრული კრისტალებში ელექტრო-ელასტო-მექანიკური დეფორმაციების სრული შექცევადობის შესახებ. ათწლეულების განმავლობაში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიულ ცნობისმოყვარეობად, მაგრამ ის იყო სასიცოცხლო ინსტრუმენტი პიერ და მარი კიურის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენისთვის. მათმა მუშაობამ კრისტალური სტრუქტურების შესწავლა და განსაზღვრა, რომლებიც აჩვენებდნენ პიეზოელექტროენერგიას, კულმინაციას მიაღწია ვოლდემარ ვოიგტის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალური ფიზიკის სახელმძღვანელო) გამოქვეყნებით. ეს აღწერს ბუნებრივ კრისტალების კლასებს, რომლებსაც შეუძლიათ პიეზოელექტროენერგია და მკაცრად განსაზღვრა პიეზოელექტრული მუდმივები ტენზორული ანალიზის გამოყენებით.
პიეზოელექტრული მოწყობილობების პრაქტიკული გამოყენება, როგორიცაა სონარი, შეიქმნა პირველი მსოფლიო ომის დროს. საფრანგეთში, პოლ ლანჟევინმა და მისმა თანამშრომლებმა შეიმუშავეს ულტრაბგერითი წყალქვეშა დეტექტორი. ეს დეტექტორი შედგებოდა თხელი კვარცის კრისტალებისგან დამზადებული გადამყვანისგან, რომელიც ფრთხილად იყო მიმაგრებული ფოლადის ფირფიტებზე, და ჰიდროფონისაგან დაბრუნებული ექოს გამოსავლენად. გადამცემიდან მაღალი სიხშირის პულსის გამოსხივებით და ობიექტიდან მობრუნებული ბგერის ტალღების ექოს გაზომვის დროის გაზომვით, მათ შეძლეს ობიექტის მანძილის გამოთვლა. მათ გამოიყენეს პიეზოელექტროენერგია ამ სონარის წარმატების მისაღწევად. ამ პროექტმა შექმნა ინტენსიური განვითარება და ინტერესი პიეზოელექტრული მოწყობილობების მიმართ და ათწლეულების განმავლობაში ახალი პიეზოელექტრული მასალები და ამ მასალების ახალი აპლიკაციები იქნა შესწავლილი და შემუშავებული. პიეზოელექტრული მოწყობილობები
რა იწვევს პიეზოელექტროენერგიას?
ამ განყოფილებაში მე გამოვიკვლევ პიეზოელექტროენერგიის წარმოშობას და სხვადასხვა მასალებს, რომლებიც ამ ფენომენს ავლენენ. მე გადავხედავ ბერძნულ სიტყვას „პიეზეინი“, ელექტრული მუხტის უძველეს წყაროს და პიროელექტროენერგიის ეფექტს. მე ასევე განვიხილავ პიერ და ჟაკ კიურის აღმოჩენებს და მე-20 საუკუნეში პიეზოელექტრული მოწყობილობების განვითარებას.
ბერძნული სიტყვა Piezein
პიეზოელექტროენერგია არის ელექტრული მუხტის დაგროვება გარკვეულ მყარ მასალებში, როგორიცაა კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ. ეს გამოწვეულია ამ მასალების რეაგირებით გამოყენებულ მექანიკურ სტრესზე. სიტყვა piezoelectricity მომდინარეობს ბერძნული სიტყვიდან "piezein", რაც ნიშნავს "შეკუმშვას ან დაჭერას" და "ēlektron", რაც ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყარო.
პიეზოელექტრული ეფექტი გამოწვეულია კრისტალური მასალების მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედებით ინვერსიული სიმეტრიით. ეს არის შექცევადი პროცესი, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიულობას, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, რაც არის მექანიკური დაძაბულობის შიდა წარმოქმნა, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით. მაგალითად, ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალები წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, როდესაც მათი სტატიკური სტრუქტურა დეფორმირებულია მისი თავდაპირველი განზომილებიდან. პირიქით, კრისტალებს შეუძლიათ შეცვალონ თავიანთი სტატიკური განზომილება, როდესაც გამოიყენება გარე ელექტრული ველი, რომელიც ცნობილია როგორც ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი და წარმოადგენს ულტრაბგერითი ტალღების წარმოქმნას.
ფრანგმა ფიზიკოსებმა ჟაკ და პიერ კიურიმ 1880 წელს აღმოაჩინეს პიეზოელექტროენერგია. პიეზოელექტრული ეფექტი გამოიყენეს მრავალი სასარგებლო აპლიკაციისთვის, მათ შორის ხმის წარმოებისა და ამოცნობის, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვის, მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის, საათის გენერატორების და ელექტრონული მოწყობილობების, როგორიცაა მიკრობალანსები. , ამოძრავეთ ულტრაბგერითი საქშენები და ულტრა წვრილ ფოკუსირებული ოპტიკური შეკრებები. ის ასევე საფუძვლად უდევს სკანირების ზონდის მიკროსკოპებს, რომლებსაც შეუძლიათ გამოსახულების ამოხსნა ატომების მასშტაბით. პიეზოელექტროენერგია ასევე გამოიყენება პიკაპებში ელექტრონულად გაძლიერებული გიტარებისთვის და ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონული დასარტყამებისთვის.
პიეზოელექტროენერგია პოულობს ყოველდღიურ გამოყენებას, როგორიცაა ნაპერწკლების წარმოქმნა გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში, ჩირაღდნები, სიგარეტის სანთებელებში და სხვა. პიროელექტრული ეფექტი, რომელიც წარმოადგენს ელექტრული პოტენციალის წარმოქმნას ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ, შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინუსმა მე-18 საუკუნის შუა წლებში, რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, რომლებიც დებდნენ ურთიერთობას შორის. მექანიკური სტრესი და ელექტრული მუხტი. ექსპერიმენტები არადამაჯერებელი აღმოჩნდა.
შოტლანდიის მუზეუმში ვიზიტორებს შეუძლიათ ნახონ პიეზოკრისტალური კიურის კომპენსატორი, რომელიც ძმების პიერ და ჟაკ კიურის პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირებას ახდენს. პიროელექტროენერგიის შესახებ მათი ცოდნის გაერთიანებამ კრისტალური სტრუქტურების გაგებასთან ერთად წარმოშვა პიროელექტროენერგიის პროგნოზირება და ბროლის ქცევის პროგნოზირების შესაძლებლობა. ეს აჩვენა ისეთი კრისტალების ეფექტით, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი. ნატრიუმის კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი და კვარცი როშელის მარილიდან აჩვენებდნენ პიეზოელექტროენერგიას, ხოლო პიეზოელექტრული დისკი წარმოქმნის ძაბვას დეფორმაციისას. ფორმის ეს ცვლილება ძალიან გადაჭარბებულია კურიის დემონსტრირებაში.
კურიებმა მიიღეს რაოდენობრივი მტკიცებულება პიეზოელექტრული კრისტალებში ელექტრო-ელასტო-მექანიკური დეფორმაციების სრული შექცევადობის შესახებ. ათწლეულების განმავლობაში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიული ცნობისმოყვარეობა, სანამ არ გახდა მნიშვნელოვანი ინსტრუმენტი პიერ და მარი კიურის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენისთვის. მათმა მუშაობამ კრისტალური სტრუქტურების შესწავლა და განსაზღვრა, რომლებიც აჩვენებდნენ პიეზოელექტროენერგიას, კულმინაციას მიაღწია ვოლდემარ ვოიგტის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალური ფიზიკის სახელმძღვანელო) გამოქვეყნებით. ეს აღწერს ბუნებრივ კრისტალების კლასებს, რომლებსაც შეუძლიათ პიეზოელექტროენერგია და მკაცრად განსაზღვრა პიეზოელექტრული მუდმივები ტენზორული ანალიზის საშუალებით.
პიეზოელექტროენერგიის ამ პრაქტიკულმა გამოყენებამ განაპირობა სონარის განვითარება პირველი მსოფლიო ომის დროს. საფრანგეთში, პოლ ლანჟევინმა და მისმა თანამშრომლებმა შეიმუშავეს ულტრაბგერითი წყალქვეშა დეტექტორი. დეტექტორი შედგებოდა თხელი კვარცის კრისტალებისგან დამზადებული გადამყვანისგან, რომელიც ფრთხილად იყო მიმაგრებული ფოლადის ფირფიტებზე, სახელწოდებით ჰიდროფონი, მაღალი სიხშირის პულსის გამოსხივების შემდეგ დაბრუნებული ექოს გამოსავლენად. გადამყვანმა გაზომა დრო, რომელიც დასჭირდა ობიექტიდან მობრუნებული ხმის ტალღების ექოს მოსმენას, რათა გამოეთვალა ობიექტის მანძილი. პიეზოელექტროენერგიის გამოყენება სონარში წარმატებული იყო და პროექტმა გამოიწვია ინტენსიური განვითარება და ინტერესი პიეზოელექტრული მოწყობილობების მიმართ ათწლეულების განმავლობაში.
გამოიკვლიეს და განვითარდა ახალი პიეზოელექტრული მასალები და ამ მასალების ახალი აპლიკაციები, და პიეზოელექტრული მოწყობილობები იპოვეს სახლები ბევრ სფეროში, როგორიცაა კერამიკული ფონოგრაფის კარტრიჯები, რამაც გაამარტივა პლეერის დიზაინი და შექმნა უფრო იაფი, ზუსტი ჩანაწერის დამკვრელები, რომლებიც უფრო იაფი და ადვილი იყო შესანახად. აშენება. განვითარება
ელექტრული მუხტის უძველესი წყარო
პიეზოელექტრობა არის ელექტრული მუხტი, რომელიც გროვდება გარკვეულ მყარ მასალებში, როგორიცაა კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ. ეს გამოწვეულია მასალის რეაგირებით გამოყენებულ მექანიკურ სტრესზე. სიტყვა "პიეზოელექტროენერგია" მომდინარეობს ბერძნული სიტყვიდან "piezein", რაც ნიშნავს "შეკუმშვას ან დაჭერას" და სიტყვა "elektron", რაც ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყაროს.
პიეზოელექტრული ეფექტი გამოწვეულია კრისტალური მასალების მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედებით ინვერსიული სიმეტრიით. ეს არის შექცევადი პროცესი, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიულობას, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, რაც არის მექანიკური დაძაბულობის შიდა წარმოქმნა, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით. მაგალითად, ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალები წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, როდესაც მათი სტატიკური სტრუქტურა დეფორმირებულია მისი თავდაპირველი განზომილებიდან. პირიქით, როდესაც გარე ელექტრული ველი გამოიყენება, კრისტალები ცვლიან თავიანთ სტატიკურ განზომილებას ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტით, წარმოქმნიან ულტრაბგერით ტალღებს.
პიეზოელექტრული ეფექტი აღმოაჩინეს 1880 წელს ფრანგმა ფიზიკოსებმა ჟაკ და პიერ კიურიმ. იგი გამოიყენება სხვადასხვა სასარგებლო აპლიკაციებისთვის, მათ შორის ხმის წარმოებისა და ამოცნობისთვის, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვის, მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის, საათის გენერატორებისა და ელექტრონული მოწყობილობების, როგორიცაა მიკრობალანსები და ულტრაბგერითი საქშენები ოპტიკური შეკრებების ულტრა დახვეწილი ფოკუსირებისთვის. ის ასევე ქმნის საფუძველს ზონდის მიკროსკოპების სკანირებისთვის, რომლებიც გამოიყენება ატომების მასშტაბის სურათების გადასაჭრელად. პიეზოელექტროენერგია ასევე გამოიყენება პიკაპებში ელექტრონულად გაძლიერებული გიტარებისთვის და ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონული დასარტყამებისთვის.
პიეზოელექტროენერგია ყოველდღიურ გამოყენებას პოულობს ნაპერწკლების წარმოქმნაში გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში, ჩირაღდნებში, სიგარეტის სანთებელებში და სხვა. პიროელექტრული ეფექტი, რომელიც არის ელექტრული პოტენციალის გამომუშავება ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ, შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინუსმა მე-18 საუკუნის შუა წლებში, რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, რომლებიც აყენებდნენ ურთიერთობას მექანიკას შორის. სტრესი და ელექტრული მუხტი. თუმცა, მათი ექსპერიმენტები არადამაჯერებელი აღმოჩნდა.
შოტლანდიაში ჰანტერიან მუზეუმში პიეზო კრისტალის და კიურის კომპენსატორის ხედი პირდაპირ პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირებას ახდენს. ეს იყო ძმების პიერ და ჟაკ კიურიების ნამუშევრები, რომლებმაც გამოიკვლიეს და განსაზღვრეს კრისტალური სტრუქტურები, რომლებიც აჩვენებდნენ პიეზოელექტრიობას, რაც დასრულდა ვოლდემარ ვოიგტის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალური ფიზიკის სახელმძღვანელო) გამოქვეყნებით. ეს აღწერს ბუნებრივ კრისტალების კლასებს, რომლებსაც შეუძლიათ პიეზოელექტროენერგია და მკაცრად განსაზღვრა პიეზოელექტრული მუდმივები ტენზორული ანალიზის საშუალებით, რაც საშუალებას იძლევა პიეზოელექტრული მოწყობილობების პრაქტიკული გამოყენება.
Sonar შეიქმნა პირველი მსოფლიო ომის დროს ფრანგმა პოლ ლანჟევინმა და მისმა თანამშრომლებმა, რომლებმაც შეიმუშავეს ულტრაბგერითი წყალქვეშა დეტექტორი. დეტექტორი შედგებოდა თხელი კვარცის კრისტალებისგან დამზადებული გადამყვანისგან, რომელიც ფრთხილად იყო მიმაგრებული ფოლადის ფირფიტებზე, და ჰიდროფონისაგან დაბრუნებული ექოს გამოსავლენად. გადამყვანიდან მაღალი სიხშირის პულსის გამოსხივებით და ობიექტიდან მობრუნებული ხმის ტალღების ექოს მოსმენისთვის საჭირო დროის გაზომვით, მათ შეძლეს ობიექტამდე მანძილის გამოთვლა. მათ გამოიყენეს პიეზოელექტროენერგია ამ სონარის წარმატების მისაღწევად. პროექტმა გამოიწვია ინტენსიური განვითარება და ინტერესი პიეზოელექტრული მოწყობილობების მიმართ ათწლეულების განმავლობაში.
პიროელექტროენერგია
პიეზოელექტროენერგია არის გარკვეული მასალის უნარი, დააგროვოს ელექტრული მუხტი გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. ეს არის წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედება კრისტალური მასალების მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის ინვერსიული სიმეტრიით. სიტყვა "პიეზოელექტროენერგია" მომდინარეობს ბერძნული სიტყვიდან "piezein", რაც ნიშნავს "შეკუმშვას ან დაჭერას" და ბერძნული სიტყვა "ēlektron", რაც ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყაროს.
პიეზოელექტრული ეფექტი აღმოაჩინეს ფრანგმა ფიზიკოსებმა ჟაკ და პიერ კურიმ 1880 წელს. ეს არის შექცევადი პროცესი, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიულ ეფექტს, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიულ ეფექტს, რაც არის მექანიკური დაძაბვის შიდა წარმოქმნა, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით. მასალების მაგალითები, რომლებიც წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, მოიცავს ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალებს. როდესაც სტატიკური სტრუქტურა დეფორმირებულია, ის უბრუნდება თავდაპირველ განზომილებას. პირიქით, როდესაც გარე ელექტრული ველი გამოიყენება, წარმოიქმნება ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ულტრაბგერითი ტალღები.
პიეზოელექტრული ეფექტი გამოიყენება მრავალი სასარგებლო აპლიკაციისთვის, მათ შორის ხმის წარმოებისა და ამოცნობისთვის, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვის, მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის, საათის გენერატორების და ელექტრონული მოწყობილობების, როგორიცაა მიკრობალანსები, ულტრაბგერითი საქშენები და ულტრა დახვეწილი ფოკუსირებული ოპტიკური შეკრებები. ის ასევე საფუძველს წარმოადგენს ზონდის მიკროსკოპების სკანირებისთვის, რომლებიც გამოიყენება ატომების მასშტაბის გამოსახულების გადასაჭრელად. პიეზოელექტროენერგია ასევე გამოიყენება პიკაპებში ელექტრონულად გაძლიერებული გიტარებისთვის და ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონული დასარტყამებისთვის.
პიეზოელექტროენერგია პოულობს ყოველდღიურ გამოყენებას, როგორიცაა ნაპერწკლების წარმოქმნა გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში, ჩირაღდნები, სიგარეტის სანთებელებში და სხვა. პიროელექტრული ეფექტი, რომელიც არის ელექტრული პოტენციალის გამომუშავება ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ, შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინუსმა მე-18 საუკუნის შუა ხანებში, რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, რომლებიც დებდნენ ურთიერთობას. მექანიკურ სტრესსა და ელექტრულ მუხტს შორის. თუმცა, ექსპერიმენტები არაზუსტი აღმოჩნდა.
შოტლანდიაში კური კომპენსატორის მუზეუმში პიეზო კრისტალის ხედი პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირებაა. ძმებმა პიერ და ჟაკ კიურებმა გააერთიანეს პიროელექტროენერგიის ცოდნა და ფუძემდებლური კრისტალური სტრუქტურების გაგება, რათა დაეწყო პიროელექტროენერგიის გაგება და კრისტალური ქცევის პროგნოზირება. ეს გამოვლინდა ისეთი კრისტალების ეფექტში, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი. აღმოჩნდა, რომ ნატრიუმის კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი და კვარცი ავლენდნენ პიეზოელექტრიობას, ხოლო პიეზოელექტრული დისკი გამოიყენებოდა დეფორმაციის დროს ძაბვის შესაქმნელად. ეს ძალიან გაზვიადებული იყო კურიის მიერ საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტის პროგნოზირებისთვის. საპირისპირო ეფექტი მათემატიკურად გამოიტანა ფუნდამენტური თერმოდინამიკური პრინციპებით გაბრიელ ლიპმანმა 1881 წელს.
კურიმ მაშინვე დაადასტურეს საპირისპირო ეფექტის არსებობა და მიიღეს რაოდენობრივი მტკიცებულება პიეზოელექტრული კრისტალებში ელექტრო-ელასტო-მექანიკური დეფორმაციების სრული შექცევადობის შესახებ. მომდევნო ათწლეულებში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიულ ცნობისმოყვარეობად მანამ, სანამ არ გახდა მნიშვნელოვანი ინსტრუმენტი პიერ და მარი კიურის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენაში. მათმა მუშაობამ კრისტალური სტრუქტურების შესწავლა და განსაზღვრა, რომლებიც აჩვენებდნენ პიეზოელექტროენერგიას, კულმინაციას მიაღწია ვოლდემარ ვოიგტის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალური ფიზიკის სახელმძღვანელო) გამოქვეყნებით.
სონარის განვითარება წარმატებული იყო და პროექტმა გამოიწვია ინტენსიური განვითარება და ინტერესი პიეზოელექტრული მოწყობილობების მიმართ. მომდევნო ათწლეულებში შესწავლილი და შემუშავებული იქნა ახალი პიეზოელექტრული მასალები და ამ მასალების ახალი გამოყენება. პიეზოელექტრიკულმა მოწყობილობებმა იპოვეს სახლები მრავალ სფეროში, როგორიცაა კერამიკული ფონოგრაფის კარტრიჯები, რამაც გაამარტივა დამკვრელის დიზაინი და შექმნა უფრო იაფი, ზუსტი ჩანაწერის დამკვრელები, რომლებიც უფრო იაფი იყო შესანახად და უფრო ადვილი ასაშენებელი. ულტრაბგერითი გადამყვანების შემუშავებამ საშუალება მისცა სითხეებისა და მყარი ნივთიერებების სიბლანტისა და ელასტიურობის გაზომვა, რამაც გამოიწვია უზარმაზარი მიღწევები მასალების კვლევაში. ულტრაბგერითი დროის დომენის რეფლექტომეტრები აგზავნიან ულტრაბგერით პულსს მასალაში და ზომავენ ანარეკლებს და წყვეტებს, რათა აღმოაჩინონ ხარვეზები ჩამოსხმული ლითონისა და ქვის ობიექტებში, რაც აუმჯობესებს სტრუქტურულ უსაფრთხოებას.
მეორე მსოფლიო ომის შემდეგ, დამოუკიდებელმა კვლევითმა ჯგუფებმა შეერთებულ შტატებში, რუსეთში და იაპონიაში აღმოაჩინეს სინთეზური მასალების ახალი კლასი, სახელწოდებით ფეროელექტრიკა, რომელიც ასახავდა პიეზოელექტრიკულ მუდმივებს.
პიეზოელექტრული მასალები
ამ განყოფილებაში მე განვიხილავ მასალებს, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, რაც არის გარკვეული მასალების უნარი, დააგროვონ ელექტრული მუხტი გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. მე განვიხილავ კრისტალებს, კერამიკას, ბიოლოგიურ მატერიას, ძვლებს, დნმ-ს და ცილებს და როგორ რეაგირებენ ისინი პიეზოელექტრიკულ ეფექტზე.
კრისტალები
პიეზოელექტროენერგია არის გარკვეული მასალის უნარი, დააგროვოს ელექტრული მუხტი გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. სიტყვა piezoelectricity მომდინარეობს ბერძნული სიტყვებიდან πιέζειν (piezein) რაც ნიშნავს "შეკუმშვას" ან "დაჭერას" და ἤλεκτρον (ēlektron) რაც ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყარო. პიეზოელექტრული მასალები მოიცავს კრისტალებს, კერამიკას, ბიოლოგიურ ნივთიერებას, ძვლებს, დნმ-ს და ცილებს.
პიეზოელექტროობა არის წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედება მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის კრისტალურ მასალებში ინვერსიული სიმეტრიით. ეს ეფექტი შექცევადია, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიულობას, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, რაც არის მექანიკური დაძაბულობის შიდა წარმოქმნა, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით. მასალების მაგალითები, რომლებიც წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, მოიცავს ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალებს, რომლებიც შეიძლება დეფორმირებული იყოს თავდაპირველ განზომილებამდე ან პირიქით, შეცვალოს მათი სტატიკური განზომილება გარე ელექტრული ველის გამოყენებისას. ეს ცნობილია, როგორც ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი და გამოიყენება ულტრაბგერითი ტალღების წარმოებისთვის.
ფრანგმა ფიზიკოსებმა ჟაკ და პიერ კურიმ 1880 წელს აღმოაჩინეს პიეზოელექტროენერგია. პიეზოელექტრული ეფექტი გამოიყენეს სხვადასხვა სასარგებლო გამოყენებისთვის, მათ შორის ხმის წარმოებისა და ამოცნობის, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვის, მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის, საათის გენერატორების და ელექტრონული მოწყობილობების, როგორიცაა. როგორც მიკრობალანსები, ამოძრავებთ ულტრაბგერითი საქშენები და ულტრა წვრილ ფოკუსირებული ოპტიკური შეკრებები. ის ასევე ქმნის საფუძველს ზონდის მიკროსკოპების სკანირებისთვის, რომლებიც გამოიყენება ატომების მასშტაბის სურათების გადასაჭრელად. პიეზოელექტრული პიკაპები ასევე გამოიყენება ელექტრონულად გაძლიერებულ გიტარებში და ტრიგერებში თანამედროვე ელექტრონულ დასარტყამებში.
პიეზოელექტროენერგია ყოველდღიურ გამოყენებას პოულობს ნაპერწკლების წარმოქმნისას, რათა აანთოს გაზი სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში, ასევე ჩირაღდნებში და სიგარეტის სანთებელებში. პიროელექტრული ეფექტი, რომელიც წარმოადგენს ელექტრული პოტენციალის წარმოქმნას ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ, შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინუსმა მე-18 საუკუნის შუა წლებში, რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, რომლებიც აყენებდნენ ურთიერთობას მექანიკას შორის. სტრესი და ელექტრული მუხტი. ამ თეორიის დასამტკიცებლად ჩატარებული ექსპერიმენტები უშედეგო იყო.
პიეზო კრისტალის ხედი კიურის კომპენსატორში შოტლანდიაში, ჰანტერიან მუზეუმში არის პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირება. ძმებმა პიერ და ჟაკ კიურებმა გააერთიანეს პიროელექტროენერგიის ცოდნა და კრისტალური სტრუქტურების გააზრება, რათა დაეწყო პიროელექტროენერგიის პროგნოზირება. მათ შეძლეს კრისტალების ქცევის პროგნოზირება და აჩვენეს ეფექტი ისეთ კრისტალებში, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი. ნატრიუმის კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი და კვარცი ასევე აჩვენებდნენ პიეზოელექტროენერგიას. პიეზოელექტრული დისკი წარმოქმნის ძაბვას დეფორმაციისას; ფორმის ცვლილება ძალიან გაზვიადებულია კურიის დემონსტრირებაში.
მათ ასევე შეძლეს საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტის პროგნოზირება და მათემატიკურად გამოტანა ფუნდამენტური თერმოდინამიკური პრინციპები მის უკან. გაბრიელ ლიპმანმა ეს გააკეთა 1881 წელს. კურიმ მაშინვე დაადასტურა საპირისპირო ეფექტის არსებობა და გააგრძელეს პიეზოელექტრული კრისტალების ელექტრო-ელასტო-მექანიკური დეფორმაციების სრული შექცევადობის რაოდენობრივი მტკიცებულების მოპოვება.
ათწლეულების განმავლობაში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიულ ცნობისმოყვარეობად, მაგრამ ის იყო სასიცოცხლო ინსტრუმენტი პიერ და მარი კიურის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენისთვის. მათმა მუშაობამ კრისტალური სტრუქტურების შესწავლა და განსაზღვრა, რომლებიც ავლენდნენ პიეზოელექტრიულობას, კულმინაციას მიაღწია Woldemar Voigt-ის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალების ფიზიკის სახელმძღვანელოს) გამოქვეყნებით, სადაც აღწერილია ბუნებრივი კრისტალების კლასები, რომლებსაც შეუძლიათ პიეზოელექტროენერგია და მკაცრად განსაზღვრეს ტენის მუდმივი ელექტროენერგიის ანალიზის გამოყენებით.
პიეზოელექტრული მოწყობილობების პრაქტიკული გამოყენება სონარში შეიქმნა პირველი მსოფლიო ომის დროს. საფრანგეთში პოლ ლანჟევინმა და მისმა თანამშრომლებმა შეიმუშავეს წყალქვეშა ნავის ულტრაბგერითი დეტექტორი. ეს დეტექტორი შედგებოდა თხელი კვარცის კრისტალებისგან დამზადებული გადამყვანისგან, რომელიც ფრთხილად იყო მიმაგრებული ფოლადის ფირფიტებზე, სახელწოდებით ჰიდროფონი, მაღალი სიხშირის პულსის გამოსხივების შემდეგ დაბრუნებული ექოს გამოსავლენად. იმ დროის გაზომვით, რომელიც საჭიროა ობიექტიდან მობრუნებული ხმის ტალღების ექოს მოსმენისთვის, მათ შეძლეს გამოთვალონ მანძილი ობიექტამდე. სონარში პიეზოელექტროენერგიის გამოყენება წარმატებული იყო და პროექტმა ათწლეულების განმავლობაში პიეზოელექტრული მოწყობილობებისადმი ინტენსიური განვითარება და ინტერესი გამოიწვია.
კერამიკა
პიეზოელექტრული მასალები არის მყარი ნივთიერებები, რომლებიც აგროვებენ ელექტრულ მუხტს გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. პიეზოელექტროენერგია მომდინარეობს ბერძნული სიტყვებიდან πιέζειν (piezein) რაც ნიშნავს "შეკუმშვას" ან "დაჭერას" და ἤλεκτρον (ēlektron) რაც ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყარო. პიეზოელექტრული მასალები გამოიყენება სხვადასხვა აპლიკაციებში, მათ შორის ხმის წარმოებასა და გამოვლენაში, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვისა და მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავებაში.
პიეზოელექტრული მასალები გვხვდება კრისტალებში, კერამიკაში, ბიოლოგიურ საკითხებში, ძვლებში, დნმ-სა და ცილებში. კერამიკა არის ყველაზე გავრცელებული პიეზოელექტრული მასალა, რომელიც გამოიყენება ყოველდღიურ პროგრამებში. კერამიკა მზადდება ლითონის ოქსიდების კომბინაციისგან, როგორიცაა ტყვიის ცირკონატის ტიტანატი (PZT), რომელიც თბება მაღალ ტემპერატურაზე, რათა შექმნას მყარი. კერამიკა ძალიან გამძლეა და უძლებს ექსტრემალურ ტემპერატურასა და წნევას.
პიეზოელექტრო კერამიკას აქვს სხვადასხვა დანიშნულება, მათ შორის:
• ნაპერწკლების წარმოქმნა გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებისთვის, როგორიცაა ჩირაღდნები და სანთებელები.
• სამედიცინო გამოსახულების ულტრაბგერითი ტალღების გენერირება.
• მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავება საათის გენერატორებისა და ელექტრონული მოწყობილობებისთვის.
• მიკრობალანსების გენერირება ზუსტი აწონვისას გამოსაყენებლად.
• ულტრაბგერითი საქშენების მართვა ოპტიკური შეკრებების ულტრა წვრილ ფოკუსირებისთვის.
• საფუძვლის შექმნა ზონდის მიკროსკოპების სკანირებისთვის, რომლებსაც შეუძლიათ გამოსახულების ამოხსნა ატომების მასშტაბით.
• პიკაპები ელექტრონულად გაძლიერებული გიტარებისთვის და ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონული დასარტყამებისთვის.
პიეზოელექტრული კერამიკა გამოიყენება აპლიკაციების ფართო სპექტრში, სამომხმარებლო ელექტრონიკიდან სამედიცინო გამოსახულებამდე. ისინი ძალიან გამძლეა და უძლებენ ექსტრემალურ ტემპერატურასა და წნევას, რაც მათ იდეალურს ხდის სხვადასხვა ინდუსტრიაში გამოსაყენებლად.
ბიოლოგიური მატერია
პიეზოელექტროენერგია არის გარკვეული მასალის უნარი, დააგროვოს ელექტრული მუხტი გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. იგი მომდინარეობს ბერძნული სიტყვიდან "piezein", რაც ნიშნავს "შეკუმშვას ან დაჭერას" და "ēlektron", რაც ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყარო.
ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი, დნმ და ცილები, არის იმ მასალებს შორის, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრობას. ეს ეფექტი შექცევადია, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიობას, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, რაც არის მექანიკური დაძაბულობის შიდა წარმოქმნა, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით. ამ მასალების მაგალითებია ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალები, რომლებიც წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, როდესაც მათი სტატიკური სტრუქტურა დეფორმირებულია მისი თავდაპირველი განზომილებიდან. პირიქით, როდესაც გარე ელექტრული ველი გამოიყენება, კრისტალები ცვლის მათ სტატიკური განზომილებას, წარმოქმნის ულტრაბგერით ტალღებს ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტის მეშვეობით.
პიეზოელექტროენერგიის აღმოჩენა გაკეთდა ფრანგმა ფიზიკოსებმა ჟაკ და პიერ კიურიმ 1880 წელს. მას შემდეგ ის გამოიყენეს სხვადასხვა სასარგებლო აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა:
• ხმის გამომუშავება და გამოვლენა
• პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვა
• მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავება
• საათის გენერატორი
• ელექტრონული მოწყობილობები
• მიკრობალანსები
• ამოძრავეთ ულტრაბგერითი საქშენები
• ულტრაფინირებული ფოკუსირების ოპტიკური შეკრებები
• საფუძვლად უდევს სკანირების ზონდის მიკროსკოპებს
• გამოსახულების ამოხსნა ატომების მასშტაბით
• პიკაპები ელექტრონულად გაძლიერებულ გიტარებში
• ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონულ დრამებში
პიეზოელექტროენერგია ასევე გამოიყენება ყოველდღიურ ნივთებში, როგორიცაა გაზის სამზარეულო და გათბობის მოწყობილობები, ჩირაღდნები, სიგარეტის სანთებელები და სხვა. პიროელექტრული ეფექტი, რომელიც წარმოადგენს ელექტრული პოტენციალის წარმოქმნას ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ, შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინუსმა მე-18 საუკუნის შუა ხანებში. რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, მათ დაადგინეს კავშირი მექანიკურ სტრესსა და ელექტრულ მუხტს შორის, მაგრამ მათი ექსპერიმენტები არადამაჯერებელი აღმოჩნდა.
პიეზო კრისტალის ხედი კიურის კომპენსატორში შოტლანდიაში ჰანტერიან მუზეუმში არის პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირება. ძმებმა პიერ და ჟაკ კიურებმა გააერთიანეს პიროელექტროენერგიის ცოდნა და ფუძემდებლური კრისტალური სტრუქტურების გაგება, რათა დაეწყო პიროელექტროენერგიის პროგნოზირება და კრისტალური ქცევის პროგნოზირება. ეს აჩვენა ისეთი კრისტალების ეფექტით, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი. ნატრიუმის და კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი და კვარცი ასევე ავლენდნენ პიეზოელექტრიულობას და პიეზოელექტრული დისკი გამოიყენებოდა დეფორმაციის დროს ძაბვის შესაქმნელად. ეს ეფექტი დიდად გაზვიადებული იყო კურიის მიერ საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტის პროგნოზირებისთვის. საპირისპირო ეფექტი მათემატიკურად გამოიტანა ფუნდამენტური თერმოდინამიკური პრინციპებიდან გაბრიელ ლიპმანმა 1881 წელს.
კურიმ მაშინვე დაადასტურეს საპირისპირო ეფექტის არსებობა და მიიღეს რაოდენობრივი მტკიცებულება პიეზოელექტრული კრისტალებში ელექტრო-ელასტო-მექანიკური დეფორმაციების სრული შექცევადობის შესახებ. ათწლეულების განმავლობაში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიული ცნობისმოყვარეობა, სანამ არ გახდა მნიშვნელოვანი ინსტრუმენტი პიერ და მარი კიურის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენისთვის. მათი მუშაობა კრისტალური სტრუქტურების შესწავლისა და განსაზღვრის მიზნით, რომლებიც აჩვენებდნენ პიეზოელექტრიულობას, დასრულდა ვოლდემარ ვოიგტის "Lehrbuch der Kristallphysik" (კრისტალური ფიზიკის სახელმძღვანელოს) გამოქვეყნებით.
Bone
პიეზოელექტროენერგია არის გარკვეული მასალის უნარი, დააგროვოს ელექტრული მუხტი გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. ძვალი ერთ-ერთი ასეთი მასალაა, რომელიც ამ ფენომენს ავლენს.
ძვალი არის ბიოლოგიური ნივთიერების ტიპი, რომელიც შედგება ცილებისა და მინერალებისგან, მათ შორის კოლაგენის, კალციუმის და ფოსფორისგან. ის ყველაზე პიეზოელექტრულია ყველა ბიოლოგიურ მასალას შორის და შეუძლია ძაბვის გამომუშავება მექანიკური სტრესის დროს.
ძვალში პიეზოელექტრული ეფექტი მისი უნიკალური სტრუქტურის შედეგია. იგი შედგება კოლაგენის ბოჭკოების ქსელისგან, რომლებიც ჩართულია მინერალების მატრიცაში. როდესაც ძვალი ექვემდებარება მექანიკურ სტრესს, კოლაგენის ბოჭკოები მოძრაობენ, რაც იწვევს მინერალების პოლარიზაციას და წარმოქმნის ელექტრო მუხტს.
ძვალში პიეზოელექტრული ეფექტს აქვს მრავალი პრაქტიკული გამოყენება. იგი გამოიყენება სამედიცინო ვიზუალიზაციაში, როგორიცაა ულტრაბგერითი და რენტგენოგრაფია, ძვლის მოტეხილობების და სხვა დარღვევების გამოსავლენად. იგი ასევე გამოიყენება ძვლის გამტარობის სმენის აპარატებში, რომლებიც იყენებენ პიეზოელექტრიკულ ეფექტს ხმის ტალღების ელექტრულ სიგნალებად გადაქცევისთვის, რომლებიც უშუალოდ იგზავნება შიდა ყურში.
ძვალში პიეზოელექტრული ეფექტი ასევე გამოიყენება ორთოპედიულ იმპლანტებში, როგორიცაა ხელოვნური სახსრები და კიდურების პროთეზი. იმპლანტანტები იყენებენ პიეზოელექტრიკულ ეფექტს მექანიკური ენერგიის ელექტრულ ენერგიად გადაქცევისთვის, რომელიც შემდეგ გამოიყენება მოწყობილობის კვებისათვის.
გარდა ამისა, ძვლებში არსებული პიეზოელექტრული ეფექტი შესწავლილია ახალი სამედიცინო მკურნალობის შემუშავებაში გამოსაყენებლად. მაგალითად, მკვლევარები იკვლევენ პიეზოელექტროენერგიის გამოყენებას ძვლის ზრდის სტიმულირებისთვის და დაზიანებული ქსოვილის აღდგენისთვის.
მთლიანობაში, პიეზოელექტრული ეფექტი ძვლებში არის მომხიბლავი ფენომენი პრაქტიკული გამოყენების ფართო სპექტრით. იგი გამოიყენება სხვადასხვა სამედიცინო და ტექნოლოგიურ აპლიკაციებში და მიმდინარეობს შესწავლა ახალი მკურნალობის შემუშავებაში გამოსაყენებლად.
დნმ
პიეზოელექტროენერგია არის გარკვეული მასალის უნარი, დააგროვოს ელექტრული მუხტი გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. დნმ არის ერთ-ერთი ასეთი მასალა, რომელიც ამ ეფექტს ავლენს. დნმ არის ბიოლოგიური მოლეკულა, რომელიც გვხვდება ყველა ცოცხალ ორგანიზმში და შედგება ოთხი ნუკლეოტიდური ბაზისგან: ადენინი (A), გუანინი (G), ციტოზინი (C) და თიმინი (T).
დნმ არის რთული მოლეკულა, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ელექტრული მუხტის შესაქმნელად, როდესაც ექვემდებარება მექანიკურ სტრესს. ეს გამოწვეულია იმით, რომ დნმ-ის მოლეკულები შედგება ნუკლეოტიდების ორი ჯაჭვისგან, რომლებიც ერთმანეთთან არის დაკავშირებული წყალბადის ბმებით. როდესაც ეს ობლიგაციები იშლება, წარმოიქმნება ელექტრული მუხტი.
დნმ-ის პიეზოელექტრული ეფექტი გამოიყენება სხვადასხვა აპლიკაციებში, მათ შორის:
• ელექტროენერგიის გამომუშავება სამედიცინო იმპლანტებისთვის
• უჯრედებში მექანიკური ძალების გამოვლენა და გაზომვა
• ნანომასშტაბიანი სენსორების შემუშავება
• ბიოსენსორების შექმნა დნმ-ის თანმიმდევრობისთვის
• გამოსახულების ულტრაბგერითი ტალღების გენერირება
დნმ-ის პიეზოელექტრული ეფექტი ასევე შესწავლილია მისი პოტენციური გამოყენებისთვის ახალი მასალების განვითარებაში, როგორიცაა ნანომავთულები და ნანომილები. ეს მასალები შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა აპლიკაციებისთვის, მათ შორის ენერგიის შესანახად და ზონდირებისთვის.
დნმ-ის პიეზოელექტრული ეფექტი ფართოდ იქნა შესწავლილი და აღმოჩნდა, რომ იგი ძალიან მგრძნობიარეა მექანიკური სტრესის მიმართ. ეს მას ღირებულ ინსტრუმენტად აქცევს მკვლევარებისა და ინჟინრებისთვის, რომლებიც ეძებენ ახალი მასალებისა და ტექნოლოგიების განვითარებას.
დასასრულს, დნმ არის მასალა, რომელიც ავლენს პიეზოელექტრიულ ეფექტს, რაც არის ელექტრული მუხტის დაგროვების უნარი გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. ეს ეფექტი გამოიყენება სხვადასხვა აპლიკაციებში, მათ შორის სამედიცინო იმპლანტანტებში, ნანომასშტაბიან სენსორებში და დნმ-ის თანმიმდევრობით. იგი ასევე შესწავლილია მისი პოტენციური გამოყენებისთვის ახალი მასალების შემუშავებაში, როგორიცაა ნანომავთულები და ნანომილები.
ცილები
პიეზოელექტროენერგია არის გარკვეული მასალის უნარი, დააგროვოს ელექტრული მუხტი გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. პიეზოელექტრული მასალები, როგორიცაა ცილები, კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ, ავლენენ ამ ეფექტს. პროტეინები, კერძოდ, უნიკალური პიეზოელექტრული მასალაა, რადგან ისინი შედგება ამინომჟავების რთული სტრუქტურისგან, რომელიც შეიძლება დეფორმირებული იყოს ელექტრული მუხტის შესაქმნელად.
ცილები არის პიეზოელექტრული მასალის ყველაზე გავრცელებული ტიპი და ისინი გვხვდება სხვადასხვა ფორმით. ისინი გვხვდება ფერმენტების, ჰორმონების და ანტისხეულების სახით, ასევე სტრუქტურული ცილების სახით, როგორიცაა კოლაგენი და კერატინი. პროტეინები ასევე გვხვდება კუნთების ცილების სახით, რომლებიც პასუხისმგებელნი არიან კუნთების შეკუმშვასა და რელაქსაციაზე.
ცილების პიეზოელექტრული ეფექტი განპირობებულია იმით, რომ ისინი შედგება ამინომჟავების რთული სტრუქტურისგან. როდესაც ეს ამინომჟავები დეფორმირდება, ისინი წარმოქმნიან ელექტრულ მუხტს. ეს ელექტრული მუხტი შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა მოწყობილობების, როგორიცაა სენსორების და აქტივატორების კვებისათვის.
ცილები ასევე გამოიყენება სხვადასხვა სამედიცინო პროგრამებში. მაგალითად, ისინი გამოიყენება ორგანიზმში გარკვეული ცილების არსებობის დასადგენად, რომლებიც შეიძლება გამოვიყენოთ დაავადებების დიაგნოსტიკისთვის. ისინი ასევე გამოიყენება გარკვეული ბაქტერიების და ვირუსების არსებობის დასადგენად, რომლებიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ინფექციების დიაგნოსტიკისთვის.
ცილები ასევე გამოიყენება სხვადასხვა სამრეწველო პროგრამებში. მაგალითად, ისინი გამოიყენება სხვადასხვა სამრეწველო პროცესისთვის სენსორებისა და აქტივატორების შესაქმნელად. ისინი ასევე გამოიყენება მასალების შესაქმნელად, რომლებიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას თვითმფრინავების და სხვა მანქანების მშენებლობაში.
დასასრულს, ცილები არის უნიკალური პიეზოელექტრული მასალა, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა აპლიკაციებში. ისინი შედგება ამინომჟავების რთული სტრუქტურისგან, რომელიც შეიძლება დეფორმირებული იყოს ელექტრული მუხტის წარმოქმნით და ისინი გამოიყენება სხვადასხვა სამედიცინო და სამრეწველო აპლიკაციებში.
ენერგიის მოპოვება პიეზოელექტროენერგიით
ამ განყოფილებაში მე განვიხილავ, თუ როგორ შეიძლება პიეზოელექტროენერგიის გამოყენება ენერგიის მოსავლისთვის. მე განვიხილავ პიეზოელექტროენერგიის სხვადასხვა აპლიკაციებს, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვით დაწყებული საათის გენერატორებით და მიკრობალანსებით. მე ასევე შევისწავლი პიეზოელექტროენერგიის ისტორიას, პიერ კიურის აღმოჩენიდან მეორე მსოფლიო ომში მის გამოყენებამდე. და ბოლოს, მე განვიხილავ პიეზოელექტრული ინდუსტრიის ამჟამინდელ მდგომარეობას და შემდგომი ზრდის პოტენციალს.
პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვა
პიეზოელექტროენერგია არის გარკვეული მასალის უნარი გამოიმუშაოს ელექტრული მუხტი გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. სიტყვა "პიეზოელექტროენერგია" მომდინარეობს ბერძნული სიტყვებისგან "piezein" (შეკუმშვა ან დაჭერა) და "elektron" (ქარვა), ელექტრული მუხტის უძველესი წყარო. პიეზოელექტრული მასალები, როგორიცაა კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ, გამოიყენება სხვადასხვა აპლიკაციებში.
პიეზოელექტროენერგია გამოიყენება მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად, როგორც საათის გენერატორი, ელექტრონულ მოწყობილობებში და მიკრობალანსებში. იგი ასევე გამოიყენება ულტრაბგერითი საქშენების და ულტრა წვრილ ფოკუსირებული ოპტიკური ასამბლეების დასაყენებლად. პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვა ამ ტექნოლოგიის პოპულარული გამოყენებაა. ეს არის ბეჭდვის ტიპი, რომელიც იყენებს პიეზოელექტრიკულ კრისტალებს მაღალი სიხშირის ვიბრაციის შესაქმნელად, რომელიც გამოიყენება მელნის წვეთების გვერდზე გადასატანად.
პიეზოელექტროენერგიის აღმოჩენა თარიღდება 1880 წლით, როდესაც ფრანგმა ფიზიკოსებმა ჟაკ და პიერ კიურიმ აღმოაჩინეს ეფექტი. მას შემდეგ პიეზოელექტრული ეფექტი გამოიყენეს სხვადასხვა სასარგებლო აპლიკაციებისთვის. პიეზოელექტროენერგია გამოიყენება ყოველდღიურ ნივთებში, როგორიცაა გაზის მომზადებისა და გათბობის მოწყობილობები, ჩირაღდნები, სიგარეტის სანთებელები და პიკაპები ელექტრონულად გაძლიერებულ გიტარებში და ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონულ დასარტყამებში.
პიეზოელექტროენერგია ასევე გამოიყენება სამეცნიერო კვლევებში. ეს არის საფუძველს სკანირების ზონდი მიკროსკოპები, რომლებიც გამოიყენება გამოსახულების გადასაჭრელად ატომების მასშტაბით. იგი ასევე გამოიყენება ულტრაბგერითი დროის დომენის რეფლექტომეტრებში, რომლებიც აგზავნიან ულტრაბგერით პულსებს მასალაში და ზომავენ ანარეკლებს, რათა აღმოაჩინონ უწყვეტობა და აღმოაჩინონ ხარვეზები ჩამოსხმული ლითონისა და ქვის საგნებში.
პიეზოელექტრული მოწყობილობებისა და მასალების განვითარება განპირობებულია უკეთესი შესრულებისა და წარმოების უფრო მარტივი პროცესების საჭიროებით. შეერთებულ შტატებში, კვარცის კრისტალების შემუშავება კომერციული გამოყენებისთვის იყო მთავარი ფაქტორი პიეზოელექტრული ინდუსტრიის ზრდისთვის. ამის საპირისპიროდ, იაპონელმა მწარმოებლებმა შეძლეს ინფორმაციის სწრაფად გაზიარება და ახალი აპლიკაციების შემუშავება, რამაც გამოიწვია იაპონიის ბაზარზე სწრაფი ზრდა.
პიეზოელექტრობამ მოახდინა რევოლუცია ენერგიის გამოყენების გზაზე, ყოველდღიური ნივთებიდან, როგორიცაა სანთებელა, მოწინავე სამეცნიერო კვლევებამდე. ეს არის მრავალმხრივი ტექნოლოგია, რომელმაც საშუალება მოგვცა შეგვესწავლა და შეგვემუშავებინა ახალი მასალები და აპლიკაციები და ის კვლავაც იქნება ჩვენი ცხოვრების მნიშვნელოვანი ნაწილი მომავალი წლების განმავლობაში.
მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავება
პიეზოელექტროენერგია არის გარკვეული მყარი მასალის უნარი, დააგროვოს ელექტრული მუხტი გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. სიტყვა "პიეზოელექტროენერგია" მომდინარეობს ბერძნული სიტყვებიდან "piezein" რაც ნიშნავს "შეკუმშვას" ან "დაჭერას" და "ēlektron" ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყარო. პიეზოელექტროობა არის წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედება მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის კრისტალურ მასალებში ინვერსიული სიმეტრიით.
პიეზოელექტრული ეფექტი შექცევადი პროცესია; მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიობას, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, მექანიკური დაძაბვის შიდა წარმოქმნას, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით. მაგალითად, ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალები წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, როდესაც მათი სტატიკური სტრუქტურა დეფორმირებულია მისი თავდაპირველი განზომილებიდან. პირიქით, კრისტალებს შეუძლიათ შეცვალონ თავიანთი სტატიკური განზომილება, როდესაც გამოიყენება გარე ელექტრული ველი, ფენომენი, რომელიც ცნობილია როგორც ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი, რომელიც გამოიყენება ულტრაბგერითი ტალღების წარმოებაში.
პიეზოელექტრული ეფექტი გამოიყენება სხვადასხვა აპლიკაციებში, მათ შორის მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავებაში. პიეზოელექტრული მასალები გამოიყენება ხმის წარმოებასა და გამოვლენაში, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვისას, საათის გენერატორებში, ელექტრონულ მოწყობილობებში, მიკრობალანსებში, წამყვანი ულტრაბგერითი საქშენებში და ულტრა წვრილ ფოკუსირებულ ოპტიკურ შეკრებებში.
პიეზოელექტროენერგია ასევე გამოიყენება ყოველდღიურ აპლიკაციებში, როგორიცაა ნაპერწკლების წარმოქმნა გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში, ჩირაღდნებში, სიგარეტის სანთებელებში და პიროელექტრული ეფექტის მასალებში, რომლებიც წარმოქმნიან ელექტრო პოტენციალს ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ. ეს ეფექტი შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინიუსმა მე-18 საუკუნის შუა ხანებში, რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, რომლებიც დებდნენ კავშირს მექანიკურ სტრესსა და ელექტრულ მუხტს შორის, თუმცა მათი ექსპერიმენტები არადამაჯერებელი აღმოჩნდა.
პიროელექტროენერგიის ერთობლივმა ცოდნამ და ფუძემდებლური კრისტალური სტრუქტურების გაგებამ გამოიწვია პიროელექტროენერგიის პროგნოზირება და კრისტალური ქცევის პროგნოზირების უნარი. ეს აჩვენა ისეთი კრისტალების ეფექტით, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი. ნატრიუმის კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი და კვარცი ასევე აჩვენებდნენ პიეზოელექტროენერგიას და პიეზოელექტრული დისკი გამოიყენებოდა დეფორმაციის დროს ძაბვის შესაქმნელად. ეს ძალიან გაზვიადებულია კურიის მიერ პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირებაში.
ძმებმა პიერ და ჟაკ კიურებმა მიიღეს რაოდენობრივი მტკიცებულება პიეზოელექტრული კრისტალების ელექტრო-ელასტო-მექანიკური დეფორმაციების სრული შექცევადობის შესახებ. ათწლეულების განმავლობაში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიულ ცნობისმოყვარეობად, მაგრამ ის იყო სასიცოცხლო ინსტრუმენტი პიერ და მარი კიურის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენისთვის. მათმა მუშაობამ კრისტალური სტრუქტურების შესწავლა და განსაზღვრა, რომლებიც ავლენდნენ პიეზოელექტრიულობას, კულმინაციას მიაღწია Woldemar Voigt-ის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალების ფიზიკის სახელმძღვანელოს) გამოქვეყნებით, სადაც აღწერილია ბუნებრივი კრისტალების კლასები, რომლებსაც შეუძლიათ პიეზოელექტროენერგია და მკაცრად განსაზღვრეს ტენის მუდმივი ელექტროენერგიის ანალიზის გამოყენებით.
პიეზოელექტრული მოწყობილობების პრაქტიკული გამოყენება დაიწყო პირველი მსოფლიო ომის დროს სონარის განვითარებით. საფრანგეთში პოლ ლანჟევინმა და მისმა თანამშრომლებმა შეიმუშავეს წყალქვეშა ნავის ულტრაბგერითი დეტექტორი. დეტექტორი შედგებოდა თხელი კვარცის კრისტალებისგან დამზადებული გადამყვანისგან, რომელიც ფრთხილად იყო მიმაგრებული ფოლადის ფირფიტებზე და ჰიდროფონისაგან, რომელიც აფიქსირებდა დაბრუნებული ექოს. გადამცემიდან მაღალი სიხშირის პულსის გამოსხივებით და ობიექტიდან მობრუნებული ბგერის ტალღების ექოს გაზომვის დროის გაზომვით, მათ შეძლეს ობიექტის მანძილის გამოთვლა. მათ გამოიყენეს პიეზოელექტროენერგია სონარის წარმატებისთვის და პროექტმა გამოიწვია ინტენსიური განვითარება და ინტერესი პიეზოელექტრული მოწყობილობების მიმართ მომდევნო ათწლეულების განმავლობაში.
შესწავლილი და შემუშავებული იქნა ახალი პიეზოელექტრული მასალები და ამ მასალების ახალი აპლიკაციები. პიეზოელექტრიკულმა მოწყობილობებმა იპოვეს სახლები სხვადასხვა სფეროში, როგორიცაა კერამიკული ფონოგრაფის კარტრიჯები, რამაც გაამარტივა დამკვრელის დიზაინი და შექმნა უფრო იაფი, ზუსტი ჩანაწერის დამკვრელები, რომლებიც უფრო იაფი იყო შესანახად და ადვილად აშენებული. ულტრაბგერითი გადამყვანების შემუშავებამ საშუალება მისცა სითხეებისა და მყარი ნივთიერებების სიბლანტისა და ელასტიურობის გაზომვას, რამაც გამოიწვია უზარმაზარი მიღწევები მასალების კვლევაში. ულტრაბგერითი დროის დომენის რეფლექტომეტრები აგზავნიან ულტრაბგერით პულსს მასალაში და ზომავენ ანარეკლებს და წყვეტებს, რათა აღმოაჩინონ ხარვეზები ჩამოსხმული ლითონისა და ქვის ობიექტებში, რაც აუმჯობესებს სტრუქტურულ უსაფრთხოებას.
მეორე მსოფლიო ომის დროს დამოუკიდებელმა კვლევითმა ჯგუფებმა შეერთებულ შტატებში, რუსეთში და იაპონიაში აღმოაჩინეს სინთეზური მასალების ახალი კლასი, სახელწოდებით fer.
საათის გენერატორი
პიეზოელექტროენერგია არის გარკვეული მასალის უნარი, დააგროვოს ელექტრული მუხტი გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. ეს ფენომენი გამოიყენებოდა მრავალი სასარგებლო აპლიკაციის შესაქმნელად, მათ შორის საათის გენერატორების ჩათვლით. საათის გენერატორები არის მოწყობილობები, რომლებიც იყენებენ პიეზოელექტროენერგიას ელექტრული სიგნალების წარმოქმნის ზუსტი დროით.
საათის გენერატორები გამოიყენება სხვადასხვა აპლიკაციებში, როგორიცაა კომპიუტერები, ტელეკომუნიკაციები და საავტომობილო სისტემები. ისინი ასევე გამოიყენება სამედიცინო მოწყობილობებში, როგორიცაა კარდიოსტიმულატორები, ელექტრო სიგნალების ზუსტი დროის უზრუნველსაყოფად. საათის გენერატორები ასევე გამოიყენება სამრეწველო ავტომატიზაციასა და რობოტიკაში, სადაც ზუსტი დრო აუცილებელია.
პიეზოელექტრული ეფექტი ემყარება მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის წრფივ ელექტრომექანიკურ ურთიერთქმედებას კრისტალურ მასალებში ინვერსიული სიმეტრიით. ეს ეფექტი შექცევადია, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალებს, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრობას, ასევე შეუძლიათ მექანიკური დაძაბვის წარმოქმნა ელექტრული ველის გამოყენებისას. ეს ცნობილია, როგორც ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი და გამოიყენება ულტრაბგერითი ტალღების წარმოებისთვის.
საათის გენერატორები იყენებენ ამ შებრუნებულ პიეზოელექტრიულ ეფექტს ელექტრული სიგნალების წარმოქმნის ზუსტი დროით. პიეზოელექტრული მასალა დეფორმირებულია ელექტრული ველით, რაც იწვევს მის ვიბრაციას კონკრეტული სიხშირით. ეს ვიბრაცია შემდეგ გარდაიქმნება ელექტრულ სიგნალად, რომელიც გამოიყენება ზუსტი დროის სიგნალის შესაქმნელად.
საათის გენერატორები გამოიყენება სხვადასხვა აპლიკაციებში, სამედიცინო მოწყობილობებიდან სამრეწველო ავტომატიზაციამდე. ისინი საიმედო, ზუსტი და მარტივი გამოსაყენებელია, რაც მათ პოპულარულ არჩევანს ხდის მრავალი აპლიკაციისთვის. პიეზოელექტროენერგია თანამედროვე ტექნოლოგიების მნიშვნელოვანი ნაწილია და საათის გენერატორები ამ ფენომენის მრავალრიცხოვანი აპლიკაციებიდან მხოლოდ ერთ-ერთია.
ელექტრონული მოწყობილობები
პიეზოელექტროენერგია არის გარკვეული მყარი მასალის უნარი, დააგროვოს ელექტრული მუხტი გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. ეს ფენომენი, რომელიც ცნობილია როგორც პიეზოელექტრული ეფექტი, გამოიყენება სხვადასხვა ელექტრონულ მოწყობილობებში, დაწყებული პიკაპებიდან ელექტრონულად გაძლიერებულ გიტარებში და დამთავრებული ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონულ დასარტყამებში.
პიეზოელექტროენერგია მომდინარეობს ბერძნული სიტყვებიდან πιέζειν (piezein) რაც ნიშნავს "შეკუმშვას" ან "დაჭერას" და ἤλεκτρον (ēlektron) რაც ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყარო. პიეზოელექტრული მასალები არის კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ ცილები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიკულ ეფექტს.
პიეზოელექტრული ეფექტი არის წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედება მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის კრისტალურ მასალებში ინვერსიული სიმეტრიით. ეს არის შექცევადი პროცესი, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიულ ეფექტს, რაც არის მექანიკური დაძაბულობის შიდა წარმოქმნა, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით. მაგალითად, ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალები წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, როდესაც მათი სტატიკური სტრუქტურა დეფორმირებულია მისი თავდაპირველი განზომილებიდან. პირიქით, კრისტალებს შეუძლიათ შეცვალონ თავიანთი სტატიკური განზომილება, როდესაც გამოიყენება გარე ელექტრული ველი, ფენომენი, რომელიც ცნობილია როგორც ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი, რომელიც გამოიყენება ულტრაბგერითი ტალღების წარმოებაში.
პიეზოელექტროენერგიის აღმოჩენა მიეკუთვნება ფრანგ ფიზიკოსებს პიერ და ჟაკ კიურს, რომლებმაც აჩვენეს პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტი 1880 წელს. მათმა ერთობლივმა ცოდნამ პიროელექტროენერგიის შესახებ და ფუძემდებლური კრისტალური სტრუქტურების გაგებამ გამოიწვია პიროელექტრული ეფექტის წინასწარმეტყველება და წინასწარმეტყველების შესაძლებლობა. კრისტალების ქცევა გამოვლინდა ისეთი კრისტალების ეფექტით, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი.
პიეზოელექტროენერგია გამოიყენება სხვადასხვა ყოველდღიურ აპლიკაციებში, როგორიცაა ნაპერწკლების წარმოქმნა გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში, ჩირაღდნები, სიგარეტის სანთებელები და პიროელექტრული ეფექტის მასალები, რომლებიც წარმოქმნიან ელექტრო პოტენციალს ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ. ეს შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინუსმა მე-18 საუკუნის შუა ხანებში, რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, რომლებმაც დაადგინეს კავშირი მექანიკურ სტრესსა და ელექტრულ მუხტს შორის. თუმცა, ექსპერიმენტები არადამაჯერებელი აღმოჩნდა, სანამ შოტლანდიაში, კიურის კომპენსატორის მუზეუმში პიეზო კრისტალის ხედმა აჩვენა ძმები კიურის პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტი.
პიეზოელექტროენერგია გამოიყენება სხვადასხვა ელექტრონულ მოწყობილობებში, დაწყებული პიკაპებიდან ელექტრონულად გაძლიერებულ გიტარებში და დამთავრებული ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონულ დასარტყამებში. იგი ასევე გამოიყენება ხმის წარმოებასა და გამოვლენაში, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვა, მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავება, საათის გენერატორები, მიკრობალანსები, წამყვანი ულტრაბგერითი საქშენები და ულტრა დახვეწილი ფოკუსირებული ოპტიკური შეკრებები. პიეზოელექტროენერგია ასევე არის ზონდის მიკროსკოპების სკანირების საფუძველი, რომლებიც გამოიყენება ატომების მასშტაბით გამოსახულების გადასაჭრელად.
მიკრობალანსები
პიეზოელექტროენერგია არის გარკვეული მყარი მასალის უნარი, დააგროვოს ელექტრული მუხტი გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. Piezoelectricity მომდინარეობს ბერძნული სიტყვებიდან πιέζειν (piezein), რაც ნიშნავს „შეკუმშვას“ ან „დაჭერას“ და ἤλεκτρον (ēlektron), რაც ნიშნავს „ქარვას“, ელექტრული მუხტის უძველესი წყარო.
პიეზოელექტროენერგია გამოიყენება სხვადასხვა ყოველდღიურ აპლიკაციებში, როგორიცაა ნაპერწკლების წარმოქმნა გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებისთვის, ჩირაღდნებით, სიგარეტის სანთებელებისთვის და სხვა. იგი ასევე გამოიყენება ხმის წარმოებასა და გამოვლენაში და პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვისას.
პიეზოელექტროენერგია ასევე გამოიყენება მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამოსამუშავებლად და არის საათის გენერატორებისა და ელექტრონული მოწყობილობების საფუძველი, როგორიცაა მიკრობალანსები. პიეზოელექტროენერგია ასევე გამოიყენება ულტრაბგერითი საქშენების და ულტრა დახვეწილი ფოკუსირებული ოპტიკური ასამბლეების გასატარებლად.
პიეზოელექტროენერგიის აღმოჩენა მიეკუთვნება ფრანგ ფიზიკოსებს ჟაკ და პიერ კიურს 1880 წელს. ძმებმა კიური გააერთიანეს თავიანთი ცოდნა პიროელექტროენერგიის შესახებ და მათ მიერ ფუძემდებლური კრისტალური სტრუქტურების გაგება და საფუძველი ჩაუყარეს პიეზოელექტროენერგიის კონცეფციას. მათ შეძლეს კრისტალების ქცევის პროგნოზირება და აჩვენეს ეფექტი ისეთ კრისტალებში, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი.
პიეზოელექტრული ეფექტი გამოიყენეს სასარგებლო აპლიკაციებისთვის, მათ შორის ხმის წარმოებისა და გამოვლენისთვის. სონარის განვითარება პირველი მსოფლიო ომის დროს იყო მთავარი მიღწევა პიეზოელექტროენერგიის გამოყენებაში. მეორე მსოფლიო ომის შემდეგ, დამოუკიდებელმა კვლევითმა ჯგუფებმა შეერთებულ შტატებში, რუსეთში და იაპონიაში აღმოაჩინეს სინთეზური მასალების ახალი კლასი, სახელწოდებით ფეროელექტრიკა, რომელიც ავლენდა პიეზოელექტრო მუდმივებს ათჯერ უფრო მაღალი ვიდრე ბუნებრივი მასალები.
ამან გამოიწვია ბარიუმის ტიტანატის და მოგვიანებით ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის მასალების ინტენსიური კვლევა და განვითარება, რომლებსაც ჰქონდათ სპეციფიკური თვისებები კონკრეტული გამოყენებისთვის. პიეზოელექტრული კრისტალების გამოყენების მნიშვნელოვანი მაგალითი შეიქმნა Bell Telephone Laboratories-ში მეორე მსოფლიო ომის შემდეგ.
ფრედერიკ რ. ლეკმა, რომელიც მუშაობდა რადიოტელეფონიის საინჟინრო განყოფილებაში, შეიმუშავა მოჭრილი კრისტალი, რომელიც მოქმედებდა ტემპერატურის ფართო დიაპაზონზე. ლეკის კრისტალს არ სჭირდებოდა წინა კრისტალების მძიმე აქსესუარები, რაც ამარტივებს მის გამოყენებას თვითმფრინავებში. ამ განვითარებამ მოკავშირეთა საჰაერო ძალებს საშუალება მისცა ჩაერთონ კოორდინირებულ მასობრივ შეტევებში საავიაციო რადიოს გამოყენებით.
პიეზოელექტრული მოწყობილობებისა და მასალების განვითარებამ შეერთებულ შტატებში შეინარჩუნა რამდენიმე კომპანია ბიზნესში და კვარცის კრისტალების განვითარება კომერციულად იქნა გამოყენებული. პიეზოელექტრული მასალები მას შემდეგ გამოიყენებოდა სხვადასხვა აპლიკაციებში, მათ შორის სამედიცინო გამოსახულება, ულტრაბგერითი გაწმენდა და სხვა.
წამყვანი ულტრაბგერითი საქშენი
პიეზოელექტროენერგია არის ელექტრული მუხტი, რომელიც გროვდება გარკვეულ მყარ მასალებში, როგორიცაა კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ. ეს არის რეაგირება გამოყენებულ მექანიკურ სტრესზე და მომდინარეობს ბერძნული სიტყვებიდან "piezein", რაც ნიშნავს "შეკუმშვას" ან "დაჭერას" და "elektron", რაც ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყაროდან.
პიეზოელექტრული ეფექტი არის წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედება კრისტალური მასალების მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის ინვერსიული სიმეტრიით. ეს არის შექცევადი პროცესი, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიულ ეფექტს, რაც არის მექანიკური დაძაბულობის შიდა წარმოქმნა, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით. ამის მაგალითია ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალები, რომლებიც წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, როდესაც მათი სტატიკური სტრუქტურა დეფორმირებულია მისი თავდაპირველი განზომილებიდან. პირიქით, როდესაც გარე ელექტრული ველი გამოიყენება, კრისტალები ცვლის მათ სტატიკური განზომილებას, რის შედეგადაც ხდება ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი, რაც არის ულტრაბგერითი ტალღების წარმოქმნა.
ფრანგმა ფიზიკოსებმა ჟაკ და პიერ კიურიმ 1880 წელს აღმოაჩინეს პიეზოელექტროენერგია და მას შემდეგ გამოიყენეს მრავალი სასარგებლო აპლიკაციისთვის, მათ შორის ხმის წარმოებისა და გამოვლენისთვის. პიეზოელექტროენერგია ასევე პოულობს ყოველდღიურ გამოყენებას, როგორიცაა ნაპერწკლების წარმოქმნა გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში, ჩირაღდნები, სიგარეტის სანთებელებში და სხვა.
პიროელექტრული ეფექტი, რომელიც არის მასალა, რომელიც წარმოქმნის ელექტრო პოტენციალს ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ, შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა, ფრანც ეპინიუსმა და მე-18 საუკუნის შუა წლებში რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნა, რომლებიც დებდნენ კავშირს მექანიკურ სტრესსა და შორის. ელექტრული მუხტი. ამის დასამტკიცებლად ჩატარებული ექსპერიმენტები არასაიმედო იყო.
პიეზო კრისტალის ხედი კიურის კომპენსატორში შოტლანდიაში ჰანტერიან მუზეუმში არის ძმები პიერ და ჟაკ კიურიების პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირება. პიროელექტროენერგიის შესახებ მათი ცოდნის გაერთიანებამ და ფუძემდებლური კრისტალური სტრუქტურების გაგებამ გამოიწვია პიროელექტროენერგიის პროგნოზირება და მათ საშუალება მისცა კრისტალების ქცევის წინასწარმეტყველება. ეს აჩვენა ისეთი კრისტალების ეფექტით, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი. ნატრიუმის და კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი და კვარცი ასევე ავლენდნენ პიეზოელექტრიულობას და პიეზოელექტრული დისკი გამოიყენებოდა დეფორმაციის დროს ძაბვის შესაქმნელად. ეს დიდად გაზვიადებული იყო კურიის მიერ საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტის პროგნოზირებისთვის, რომელიც მათემატიკურად იქნა გამოტანილი ფუნდამენტური თერმოდინამიკური პრინციპებიდან გაბრიელ ლიპმანმა 1881 წელს.
კურიმ მაშინვე დაადასტურეს საპირისპირო ეფექტის არსებობა და მიიღეს რაოდენობრივი მტკიცებულება პიეზოელექტრული კრისტალებში ელექტრო-ელასტო-მექანიკური დეფორმაციების სრული შექცევადობის შესახებ. ათწლეულების განმავლობაში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიულ ცნობისმოყვარეობად, მაგრამ იყო მნიშვნელოვანი ინსტრუმენტი პიერ და მარი კურიის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენისთვის, მათ ნაშრომში, რათა გამოიკვლიონ და განსაზღვრონ კრისტალური სტრუქტურები, რომლებიც აჩვენებდნენ პიეზოელექტრიობას. ამან მიაღწია კულმინაციას ვოლდემარ ვოიგტის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალების ფიზიკის სახელმძღვანელოს) გამოქვეყნებით, რომელიც აღწერდა ბუნებრივ კრისტალების კლასებს, რომლებსაც შეუძლიათ პიეზოელექტროენერგია და მკაცრად განსაზღვრა პიეზოელექტრული მუდმივები ტენზორული ანალიზის საშუალებით.
პიეზოელექტრული მოწყობილობების პრაქტიკული გამოყენება დაიწყო სონარით, რომელიც შეიქმნა პირველი მსოფლიო ომის დროს. საფრანგეთში პოლ ლანჟევინმა და მისმა თანამშრომლებმა შეიმუშავეს ულტრაბგერითი წყალქვეშა დეტექტორი. დეტექტორი შედგებოდა თხელი კვარცის კრისტალებისგან დამზადებული გადამყვანისგან, რომელიც ფრთხილად იყო მიმაგრებული ფოლადის ფირფიტებზე, სახელწოდებით ჰიდროფონი, მაღალი სიხშირის პულსის გამოსხივების შემდეგ დაბრუნებული ექოს გამოსავლენად. იმ დროის გაზომვით, რომელიც სჭირდება ობიექტიდან მობრუნებული ხმის ტალღების ექოს მოსმენას, მათ შეეძლოთ ობიექტის მანძილის გამოთვლა. სონარში პიეზოელექტროენერგიის გამოყენება წარმატებული იყო და პროექტმა ათწლეულების განმავლობაში გამოიწვია პიეზოელექტრული მოწყობილობებისადმი ინტენსიური განვითარება და ინტერესი.
შესწავლილი და შემუშავებული იქნა ახალი პიეზოელექტრული მასალები და ამ მასალების ახალი აპლიკაციები და პიეზოელექტრული მოწყობილობები იპოვნეს სახლებს ისეთ სფეროებში, როგორიცაა კერამიკული ფონოგრაფის კარტრიჯები, რამაც გაამარტივა დამკვრელის დიზაინი და შექმნა უფრო იაფი, ზუსტი ჩანაწერის დამკვრელები, რომლებიც უფრო იაფი იყო შესანახად და ადვილად აშენება. . ულტრაბგერითი გადამყვანების შემუშავებამ საშუალება მისცა სითხეებისა და მყარი ნივთიერებების სიბლანტისა და ელასტიურობის გაზომვას, რამაც გამოიწვია უზარმაზარი მიღწევები მასალების კვლევაში. ულტრაბგერითი დროის დომენის რეფლექტომეტრები აგზავნიან ულტრაბგერით პულსს მასალის მეშვეობით და ზომავენ ანარეკლებს და წყვეტებს, რათა აღმოაჩინონ ხარვეზები ჩამოსხმული ლითონისა და ქვის საგნებში.
Ultrafine Focusing ოპტიკური ასამბლეა
პიეზოელექტროენერგია არის გარკვეული მასალის უნარი, დააგროვოს ელექტრული მუხტი, როდესაც ექვემდებარება მექანიკურ სტრესს. ეს არის წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედება კრისტალური მასალების ელექტრულ და მექანიკურ მდგომარეობებს შორის ინვერსიული სიმეტრიით. პიეზოელექტროენერგია შექცევადი პროცესია, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიობას, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, რაც არის მექანიკური დაძაბულობის შიდა წარმოქმნა, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით.
პიეზოელექტროენერგია გამოიყენებოდა სხვადასხვა აპლიკაციებში, მათ შორის ხმის წარმოებასა და გამოვლენაში და მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავებაში. პიეზოელექტროენერგია ასევე გამოიყენება ჭავლური ბეჭდვისთვის, საათის გენერატორებში, ელექტრონულ მოწყობილობებში, მიკრობალანსებში, ულტრაბგერითი საქშენების ამოძრავებაში და ულტრა წვრილ ფოკუსირებულ ოპტიკურ შეკრებებში.
პიეზოელექტროენერგია აღმოაჩინეს 1880 წელს ფრანგმა ფიზიკოსებმა ჟაკ და პიერ კიურიმ. პიეზოელექტრული ეფექტი გამოიყენება სასარგებლო პროგრამებში, როგორიცაა ხმის გამომუშავება და გამოვლენა და მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავება. ასევე გამოიყენება პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვა, ასევე საათის გენერატორები, ელექტრონული მოწყობილობები, მიკრობალანსები, წამყვანი ულტრაბგერითი საქშენები და ულტრა დახვეწილი ფოკუსირებული ოპტიკური შეკრებები.
პიეზოელექტრობამ იპოვა თავისი გზა ყოველდღიურ გამოყენებაში, როგორიცაა ნაპერწკლების წარმოქმნა გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებისთვის, ჩირაღდნები, სიგარეტის სანთებელები და პიროელექტრული ეფექტის მასალები, რომლებიც წარმოქმნიან ელექტრო პოტენციალს ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ. ეს ეფექტი შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინუსმა მე-18 საუკუნის შუა ხანებში, რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, რომლებმაც დაადგინეს კავშირი მექანიკურ სტრესსა და ელექტრულ მუხტს შორის. ექსპერიმენტები არადამაჯერებელი აღმოჩნდა.
პიეზო კრისტალის ხედი კიურის კომპენსატორში შოტლანდიაში ჰანტერიან მუზეუმში არის ძმები პიერ და ჟაკ კიურიების პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირება. მათ პიროელექტროენერგიის ცოდნასთან და ფუძემდებლური კრისტალური სტრუქტურების გაგებასთან ერთად, მათ საფუძველი ჩაუყარეს პიროელექტროენერგიის პროგნოზირებას და კრისტალური ქცევის პროგნოზირების უნარს. ეს გამოვლინდა ისეთი კრისტალების ეფექტში, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი.
ნატრიუმის და კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი, და კვარცის და როშელის მარილი აჩვენებდნენ პიეზოელექტროენერგიას, ხოლო პიეზოელექტრული დისკი გამოიყენებოდა ძაბვის შესაქმნელად დეფორმაციის დროს, თუმცა ფორმის ცვლილება ძალიან გადაჭარბებული იყო. კურიმ იწინასწარმეტყველა საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტი, ხოლო საპირისპირო ეფექტი მათემატიკურად გამოიტანა გაბრიელ ლიპმანმა ფუნდამენტური თერმოდინამიკური პრინციპებიდან 1881 წელს. კურიმ მაშინვე დაადასტურა საპირისპირო ეფექტის არსებობა და განაგრძო ელექტრო-შექცევადობის სრული შექცევადობის რაოდენობრივი მტკიცებულების მოპოვება. ელასტო-მექანიკური დეფორმაციები პიეზოელექტრულ კრისტალებში.
ათწლეულების განმავლობაში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიული ცნობისმოყვარეობა, სანამ არ გახდა მნიშვნელოვანი ინსტრუმენტი პიერ და მარი კიურის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენისთვის. მათმა მუშაობამ კრისტალური სტრუქტურების შესწავლა და განსაზღვრა, რომლებიც აჩვენებდნენ პიეზოელექტროენერგიას, კულმინაციას მიაღწია ვოლდემარ ვოიგტის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალური ფიზიკის სახელმძღვანელო) გამოქვეყნებით. ეს აღწერდა ბუნებრივ კრისტალების კლასებს, რომლებსაც შეუძლიათ პიეზოელექტროენერგია და მკაცრად განსაზღვრა პიეზოელექტრული მუდმივები ტენზორული ანალიზის გამოყენებით, პიეზოელექტრული მოწყობილობების პრაქტიკული გამოყენებისთვის.
სონარის შემუშავება წარმატებული პროექტი იყო, რამაც გამოიწვია ინტენსიური განვითარება და ინტერესი პიეზოელექტრული მოწყობილობების მიმართ. ათწლეულების შემდეგ, ახალი პიეზოელექტრული მასალები და ამ მასალების ახალი გამოყენება იქნა შესწავლილი და განვითარებული. პიეზოელექტრიკულმა მოწყობილობებმა იპოვეს სახლები სხვადასხვა სფეროში, როგორიცაა კერამიკული ფონოგრაფის კარტრიჯები, რამაც გაამარტივა დამკვრელის დიზაინი და გახადა ჩანაწერების ფლეერები უფრო იაფი და ადვილი შენარჩუნება და აშენება. ულტრაბგერითი გადამყვანების შემუშავებამ საშუალება მისცა სითხეებისა და მყარი ნივთიერებების სიბლანტისა და ელასტიურობის გაზომვა, რამაც გამოიწვია უზარმაზარი მიღწევები მასალების კვლევაში. ულტრაბგერითი დროის დომენის რეფლექტომეტრები აგზავნიან ულტრაბგერით პულსს მასალაში და ზომავენ ანარეკლებს და წყვეტებს, რათა აღმოაჩინონ ხარვეზები ჩამოსხმული ლითონისა და ქვის ობიექტებში, რაც აუმჯობესებს სტრუქტურულ უსაფრთხოებას.
პიეზოელექტროენერგიის ინტერესების სფეროს დასაწყისი უზრუნველყოფილი იყო კვარცის კრისტალებისგან შემუშავებული ახალი მასალების მომგებიანი პატენტებით, რომლებიც კომერციულად გამოიყენებოდა როგორც პიეზოელექტრული მასალა. მეცნიერები ეძებდნენ უფრო მაღალი ხარისხის მასალებს და მასალების მიღწევისა და წარმოების პროცესების მომწიფების მიუხედავად, შეერთებული შტატების ბაზარი სწრაფად არ გაიზარდა. ამის საპირისპიროდ, იაპონელი მწარმოებლები სწრაფად აზიარებდნენ ინფორმაციას და ახალი აპლიკაციები შეერთებული შტატების პიეზოელექტრული ინდუსტრიის ზრდისთვის დაზარალდა იაპონელი მწარმოებლებისგან განსხვავებით.
პიეზოელექტრული ძრავები
ამ განყოფილებაში მე ვისაუბრებ იმაზე, თუ როგორ გამოიყენება პიეზოელექტროენერგია თანამედროვე ტექნოლოგიაში. დაწყებული სკანერული ზონდის მიკროსკოპებიდან, რომლებსაც შეუძლიათ ატომების მასშტაბის გამოსახულებების ამოხსნა, ელექტრონულად გაძლიერებული გიტარის პიკაპებამდე და თანამედროვე ელექტრონული დასარტყამების ტრიგერები, პიეზოელექტროენერგია გახდა მრავალი მოწყობილობის განუყოფელი ნაწილი. მე შევისწავლი პიეზოელექტროენერგიის ისტორიას და როგორ გამოიყენებოდა იგი სხვადასხვა აპლიკაციებში.
აყალიბებს სკანირების ზონდის მიკროსკოპების საფუძველს
პიეზოელექტრობა არის ელექტრული მუხტი, რომელიც გროვდება გარკვეულ მყარ მასალებში, როგორიცაა კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ. ეს არის რეაქცია გამოყენებული მექანიკურ სტრესზე და სიტყვა პიეზოელექტროენერგია მომდინარეობს ბერძნული სიტყვიდან πιέζειν (piezein) რაც ნიშნავს „შეკუმშვას“ ან „დაჭერას“ და ἤλεκτρον (ēlektron) ნიშნავს „ქარვას“, ელექტრული მუხტის უძველესი წყაროდან.
პიეზოელექტრული ძრავები არის მოწყობილობები, რომლებიც იყენებენ პიეზოელექტრიკულ ეფექტს მოძრაობის შესაქმნელად. ეს ეფექტი არის წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედება მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის კრისტალურ მასალებში ინვერსიული სიმეტრიით. ეს არის შექცევადი პროცესი, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიულ ეფექტს, რაც არის მექანიკური დაძაბულობის შიდა წარმოქმნა, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით. მასალების მაგალითები, რომლებიც წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, არის ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალები.
პიეზოელექტრული ეფექტი გამოიყენება ისეთ სასარგებლო პროგრამებში, როგორიცაა ხმის წარმოება და ამოცნობა, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვა, მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავება, საათის გენერატორები და ელექტრონული მოწყობილობები, როგორიცაა მიკრობალანსები და ულტრაბგერითი საქშენები ულტრაფოკუსირებული ოპტიკური შეკრებებისთვის. ის ასევე საფუძვლად უდევს სკანირების ზონდის მიკროსკოპებს, რომლებიც გამოიყენება ატომების მასშტაბით გამოსახულების გადასაჭრელად.
პიეზოელექტროენერგია აღმოაჩინეს 1880 წელს ფრანგმა ფიზიკოსებმა ჟაკ და პიერ კიურიმ. პიეზო კრისტალისა და კიურის კომპენსატორის ხედი შეგიძლიათ ნახოთ შოტლანდიაში ჰანტერიან მუზეუმში, რაც ძმების პიერ და ჟაკ კიურის პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირებაა.
პიროელექტროენერგიის შესახებ მათი ცოდნისა და კრისტალური სტრუქტურების გაგების გაერთიანებამ საფუძველი ჩაუყარა პიროელექტროენერგიის წინასწარმეტყველებას, რამაც მათ ბროლის ქცევის პროგნოზირების საშუალება მისცა. ეს აჩვენა ისეთი კრისტალების ეფექტით, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი. ნატრიუმის და კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი, კვარცის და როშელის მარილს ავლენდნენ პიეზოელექტრული სიმძლავრე, ხოლო პიეზოელექტრული დისკი გამოიყენებოდა ძაბვის გამოსამუშავებლად, როდესაც დეფორმირებული იყო, თუმცა ეს ძალიან გაზვიადებული იყო კურიის მიერ.
მათ ასევე იწინასწარმეტყველეს საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტი და ეს მათემატიკურად გამოიტანა გაბრიელ ლიპმანის ფუნდამენტური თერმოდინამიკური პრინციპებიდან 1881 წელს. კურიებმა მაშინვე დაამტკიცეს საპირისპირო ეფექტის არსებობა და მიიღეს რაოდენობრივი მტკიცებულება ელექტრო-ელასტო- სრული შექცევადობის შესახებ. მექანიკური დეფორმაციები პიეზოელექტრულ კრისტალებში.
ათწლეულების განმავლობაში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიული ცნობისმოყვარეობა, სანამ არ გახდა მნიშვნელოვანი ინსტრუმენტი პიერ და მარი კიურის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენისთვის. მათი მუშაობა კრისტალური სტრუქტურების შესასწავლად და განსაზღვრაში, რომლებიც აჩვენებდნენ პიეზოელექტროენერგიას, კულმინაციას მიაღწია ვოლდემარ ვოიგტის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალების ფიზიკის სახელმძღვანელო) გამოქვეყნებით, სადაც აღწერილი იყო ბუნებრივ კრისტალების კლასები, რომლებსაც შეუძლიათ პიეზოელექტრობა და მკაცრად განსაზღვრეს პიეზოელექტრული მუდმივი ანალიზი.
ამან გამოიწვია პიეზოელექტრული მოწყობილობების პრაქტიკული გამოყენება, როგორიცაა სონარი, რომელიც შეიქმნა პირველი მსოფლიო ომის დროს. საფრანგეთში, პოლ ლანჟევინმა და მისმა თანამშრომლებმა შეიმუშავეს ულტრაბგერითი წყალქვეშა დეტექტორი. ეს დეტექტორი შედგებოდა თხელი კვარცის კრისტალებისგან დამზადებული გადამყვანისგან, რომელიც საგულდაგულოდ იყო მიმაგრებული ფოლადის ფირფიტებზე, და ჰიდროფონისაგან, რომელიც აფიქსირებდა დაბრუნებულ ექოს გადამყვანიდან მაღალი სიხშირის პულსის გამოსხივების შემდეგ. იმ დროის გაზომვით, რომელიც საჭიროა ობიექტიდან მობრუნებული ხმის ტალღების ექოს მოსმენისთვის, მათ შეძლეს ობიექტის მანძილის გამოთვლა. მათ გამოიყენეს პიეზოელექტროენერგია ამ სონარის წარმატების მისაღწევად და პროექტმა გამოიწვია ინტენსიური განვითარება და ინტერესი პიეზოელექტრული მოწყობილობების მიმართ ათწლეულების განმავლობაში.
გამოიკვლიეს და განვითარდა ახალი პიეზოელექტრული მასალები და ამ მასალების ახალი აპლიკაციები, და პიეზოელექტრული მოწყობილობები იპოვნეს სახლები ბევრ სფეროში, როგორიცაა კერამიკული ფონოგრაფის კარტრიჯები, რამაც გაამარტივა პლეერის დიზაინი და შექმნა უფრო იაფი და ზუსტი ჩანაწერის დამკვრელები, რომლებიც უფრო იაფი და ადვილი იყო შესანახად. აშენება. ულტრაბგერითი გადამყვანების შემუშავებამ საშუალება მისცა სითხეებისა და მყარი ნივთიერებების სიბლანტისა და ელასტიურობის გაზომვას, რამაც გამოიწვია უზარმაზარი მიღწევები მასალების კვლევაში. ულტრაბგერითი დროის დომენის რეფლექტომეტრები აგზავნიან ულტრაბგერით პულსს მასალაში და ზომავენ ანარეკლებს და წყვეტებს, რათა აღმოაჩინონ ხარვეზები ჩამოსხმული ლითონისა და ქვის ობიექტებში, რაც აუმჯობესებს სტრუქტურულ უსაფრთხოებას.
მეორე მსოფლიო ომის დროს დამოუკიდებელი კვლევითი ჯგუფები გაერთიანებულში
სურათების გადაჭრა ატომების მასშტაბით
პიეზოელექტროენერგია არის ელექტრული მუხტი, რომელიც გროვდება გარკვეულ მყარ მასალებში, როგორიცაა კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ. ეს არის რეაქცია გამოყენებული მექანიკურ სტრესზე და მომდინარეობს ბერძნული სიტყვიდან "piezein", რაც ნიშნავს შეკუმშვას ან დაჭერას. პიეზოელექტრული ეფექტი წარმოიქმნება ინვერსიული სიმეტრიის მქონე კრისტალურ მასალებში მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედების შედეგად.
პიეზოელექტროენერგია არის შექცევადი პროცესი და მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიულ ეფექტს, რაც არის მექანიკური დაძაბულობის შიდა წარმოქმნა, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით. ამის მაგალითებია ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალები, რომლებიც წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, როდესაც მათი სტატიკური სტრუქტურა დეფორმირებულია მისი თავდაპირველი განზომილებიდან. პირიქით, კრისტალები ცვლის მათ სტატიკურ განზომილებას, როდესაც გამოიყენება გარე ელექტრული ველი, რომელიც ცნობილია როგორც ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი და გამოიყენება ულტრაბგერითი ტალღების წარმოებაში.
ფრანგმა ფიზიკოსებმა ჟაკ და პიერ კიურიმ 1880 წელს აღმოაჩინეს პიეზოელექტროენერგია. პიეზოელექტრული ეფექტი გამოიყენეს სხვადასხვა სასარგებლო აპლიკაციებისთვის, მათ შორის ხმის წარმოებისა და ამოცნობის, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვის, მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის, საათის გენერატორების და ელექტრონული მოწყობილობების, როგორიცაა. მიკრობალანსები და ამოძრავეთ ულტრაბგერითი საქშენები. ის ასევე საფუძვლად უდევს სკანირების ზონდის მიკროსკოპებს, რომლებიც გამოიყენება ატომების მასშტაბით გამოსახულების გადასაჭრელად.
პიეზოელექტროენერგია ასევე გამოიყენება ყოველდღიურ პროგრამებში, როგორიცაა ნაპერწკლების წარმოქმნა გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში, ჩირაღდნები, სიგარეტის სანთებელებში და სხვა. პიროელექტრული ეფექტი, რომელიც არის მასალა, რომელიც წარმოქმნის ელექტრულ პოტენციალს ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ, შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინუსმა მე-18 საუკუნის შუა ხანებში. რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, მათ დაადგინეს კავშირი მექანიკურ სტრესსა და ელექტრულ მუხტს შორის, მაგრამ მათი ექსპერიმენტები არადამაჯერებელი აღმოჩნდა.
გლაზგოში ჰანტერიან მუზეუმის სტუმრებს შეუძლიათ ნახონ პიეზო კრისტალური კიურის კომპენსატორი, რომელიც ძმები პიერ და ჟაკ კიურის პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირებას ახდენს. მათ პიროელექტროენერგიის ცოდნასთან და ფუძემდებლური კრისტალური სტრუქტურების გაგებასთან ერთად, მათ დასაბამი მისცეს პიროელექტროენერგიის პროგნოზირებას და კრისტალური ქცევის პროგნოზირების უნარს. ეს აჩვენა ისეთი კრისტალების ეფექტით, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი. ნატრიუმის და კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი, კვარცის და როშელის მარილი აჩვენებდნენ პიეზოელექტროენერგიას, ხოლო პიეზოელექტრული დისკი წარმოქმნის ძაბვას დეფორმაციისას, თუმცა ფორმის ცვლილება ძალიან გადაჭარბებულია. კურიებმა შეძლეს საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტის პროგნოზირება, ხოლო საპირისპირო ეფექტი მათემატიკურად გამოიტანა გაბრიელ ლიპმანის ფუნდამენტური თერმოდინამიკური პრინციპებიდან 1881 წელს.
კურიმ მაშინვე დაადასტურეს საპირისპირო ეფექტის არსებობა და მიიღეს რაოდენობრივი მტკიცებულება პიეზოელექტრული კრისტალებში ელექტრო-ელასტო-მექანიკური დეფორმაციების სრული შექცევადობის შესახებ. ათწლეულების განმავლობაში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიულ ცნობისმოყვარეობად, მაგრამ ის იყო სასიცოცხლო ინსტრუმენტი პიერ და მარი კიურის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენისთვის. მათი მუშაობა კრისტალური სტრუქტურების შესწავლისა და განსაზღვრის მიზნით, რომლებიც აჩვენებდნენ პიეზოელექტრობას, კულმინაციას მიაღწია ვოლდემარ ვოიგტის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალური ფიზიკის სახელმძღვანელო) გამოქვეყნებით.
პიკაპები ელექტრონულად გაძლიერებული გიტარები
პიეზოელექტრული ძრავები არის ელექტროძრავები, რომლებიც იყენებენ პიეზოელექტრიკულ ეფექტს ელექტრული ენერგიის მექანიკურ ენერგიად გადაქცევისთვის. პიეზოელექტრული ეფექტი არის გარკვეული მასალების უნარი, გამოიმუშაონ ელექტრული მუხტი, როდესაც ექვემდებარება მექანიკურ სტრესს. პიეზოელექტრული ძრავები გამოიყენება სხვადასხვა აპლიკაციებში, დაწყებული მცირე მოწყობილობების კვებით, როგორიცაა საათები და საათები, უფრო დიდი მანქანების, როგორიცაა რობოტები და სამედიცინო აღჭურვილობა.
პიეზოელექტრული ძრავები გამოიყენება პიკაპებში ელექტრონულად გაძლიერებულ გიტარებში. ეს პიკაპები იყენებენ პიეზოელექტრიკულ ეფექტს გიტარის სიმების ვიბრაციის ელექტრულ სიგნალად გადაქცევისთვის. ეს სიგნალი შემდეგ ძლიერდება და იგზავნება გამაძლიერებელში, რომელიც წარმოქმნის გიტარის ხმას. პიეზოელექტრული პიკაპები ასევე გამოიყენება თანამედროვე ელექტრონულ დასარტყამებში, სადაც ისინი გამოიყენება დოლის თავების ვიბრაციის დასადგენად და ელექტრულ სიგნალად გადაქცევისთვის.
პიეზოელექტრული ძრავები ასევე გამოიყენება სკანირების ზონდის მიკროსკოპებში, რომლებიც იყენებენ პიეზოელექტრიკულ ეფექტს პატარა ზონდის ზედაპირზე გადასაადგილებლად. ეს საშუალებას აძლევს მიკროსკოპს გადაჭრას სურათები ატომების მასშტაბით. პიეზოელექტრული ძრავები ასევე გამოიყენება ჭავლური პრინტერებში, სადაც ისინი გამოიყენება ბეჭდვის თავის წინ და უკან გადასაადგილებლად გვერდზე.
პიეზოელექტრული ძრავები გამოიყენება სხვადასხვა პროგრამებში, მათ შორის სამედიცინო მოწყობილობებში, საავტომობილო კომპონენტებსა და სამომხმარებლო ელექტრონიკაში. ისინი ასევე გამოიყენება სამრეწველო პროგრამებში, როგორიცაა ზუსტი ნაწილების წარმოება და რთული კომპონენტების შეკრება. პიეზოელექტრული ეფექტი ასევე გამოიყენება ულტრაბგერითი ტალღების წარმოებაში, რომლებიც გამოიყენება სამედიცინო გამოსახულებაში და მასალების ხარვეზების გამოვლენაში.
საერთო ჯამში, პიეზოელექტრული ძრავები გამოიყენება აპლიკაციების ფართო სპექტრში, მცირე მოწყობილობების ენერგიით დამთავრებული უფრო დიდი მანქანების მომარაგებამდე. ისინი გამოიყენება პიკაპებში ელექტრონულად გაძლიერებულ გიტარებში, თანამედროვე ელექტრონულ დასარტყამებში, სკანირების ზონდის მიკროსკოპებში, ჭავლური პრინტერებში, სამედიცინო მოწყობილობებში, საავტომობილო კომპონენტებში და სამომხმარებლო ელექტრონიკაში. პიეზოელექტრული ეფექტი ასევე გამოიყენება ულტრაბგერითი ტალღების წარმოებაში და მასალების ხარვეზების გამოვლენაში.
ააქტიურებს თანამედროვე ელექტრო დრამებს
პიეზოელექტროენერგია არის ელექტრული მუხტი, რომელიც გროვდება გარკვეულ მყარ მასალებში, როგორიცაა კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ. ეს არის ამ მასალების რეაქცია გამოყენებულ მექანიკურ სტრესზე. სიტყვა piezoelectricity მომდინარეობს ბერძნული სიტყვიდან "piezein", რაც ნიშნავს "შეკუმშვას ან დაჭერას" და სიტყვა "elektron", რაც ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყაროს.
პიეზოელექტრული ძრავები არის მოწყობილობები, რომლებიც იყენებენ პიეზოელექტრიკულ ეფექტს მოძრაობის შესაქმნელად. ეს ეფექტი გამოწვეულია წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედებით კრისტალური მასალების მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის ინვერსიული სიმეტრიით. ეს არის შექცევადი პროცესი, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიულ ეფექტს, რაც არის მექანიკური დაძაბულობის შიდა წარმოქმნა, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით. ამის მაგალითია ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალები, რომლებიც წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, როდესაც მათი სტატიკური სტრუქტურა დეფორმირებულია მისი თავდაპირველი განზომილებიდან. პირიქით, როდესაც გარე ელექტრული ველი გამოიყენება, კრისტალები ცვლის მათ სტატიკური განზომილებას, წარმოქმნის ულტრაბგერით ტალღებს.
პიეზოელექტრული ძრავები გამოიყენება სხვადასხვა ყოველდღიურ აპლიკაციებში, როგორიცაა:
• ნაპერწკლების წარმოქმნა გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში
• ჩირაღდნები, სიგარეტის სანთებელები და პიროელექტრული ეფექტის მასალები
• ელექტრული პოტენციალის გამომუშავება ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ
• ხმის გამომუშავება და გამოვლენა
• პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვა
• მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავება
• საათის გენერატორი და ელექტრონული მოწყობილობები
• მიკრობალანსები
• მართეთ ულტრაბგერითი საქშენები და ულტრა წვრილ ფოკუსირებადი ოპტიკური შეკრებები
• საფუძვლად უდევს სკანირების ზონდის მიკროსკოპებს
• გამოსახულების ამოხსნა ატომების მასშტაბით
• იღებს ელექტრონულად გაძლიერებულ გიტარებს
• ახდენს თანამედროვე ელექტრონულ დასარტყამებს.
პიეზოელექტრული გადამყვანების ელექტრომექანიკური მოდელირება
ამ განყოფილებაში მე შევისწავლი პიეზოელექტრული გადამყვანების ელექტრომექანიკურ მოდელირებას. მე გადავხედავ პიეზოელექტროენერგიის აღმოჩენის ისტორიას, ექსპერიმენტებს, რომლებმაც დაადასტურეს მისი არსებობა და პიეზოელექტრული მოწყობილობებისა და მასალების შემუშავება. მე ასევე განვიხილავ ფრანგი ფიზიკოსების პიერ და ჟაკ კიურის, კარლ ლინეუსისა და ფრანც ეპინუსის, რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის, გაბრიელ ლიპმანის და ვოლდემარ ვოიგტის წვლილს.
ფრანგი ფიზიკოსები პიერ და ჟაკ კიური
პიეზოელექტრობა არის ელექტრომექანიკური ფენომენი, როდესაც ელექტრული მუხტი გროვდება გარკვეულ მყარ მასალებში, როგორიცაა კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ. ეს მუხტი წარმოიქმნება გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. სიტყვა "პიეზოელექტროენერგია" მომდინარეობს ბერძნული სიტყვიდან "piezein", რაც ნიშნავს "შეკუმშვას ან დაჭერას" და "elektron", რაც ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყაროდან.
პიეზოელექტრული ეფექტი წარმოიქმნება ინვერსიული სიმეტრიის მქონე მასალებში მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედების შედეგად. ეს ეფექტი შექცევადია, რაც ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიულ ეფექტს, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიულ ეფექტს, სადაც მექანიკური დაძაბვის შიდა წარმოქმნა წარმოიქმნება გამოყენებული ელექტრული ველის საპასუხოდ. მაგალითად, ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალები წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, როდესაც მათი სტატიკური სტრუქტურა დეფორმირებულია მისი თავდაპირველი განზომილებიდან. პირიქით, როდესაც გარე ელექტრული ველი გამოიყენება, კრისტალები ცვლის მათ სტატიკური განზომილებას, წარმოქმნის ულტრაბგერით ტალღებს იმ პროცესში, რომელიც ცნობილია როგორც ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი.
1880 წელს ფრანგმა ფიზიკოსებმა პიერ და ჟაკ კიურებმა აღმოაჩინეს პიეზოელექტრული ეფექტი და მას შემდეგ გამოიყენეს სხვადასხვა სასარგებლო აპლიკაციებისთვის, მათ შორის ხმის წარმოებისა და ამოცნობისთვის, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვის, მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის, საათის გენერატორებისა და ელექტრონული. მოწყობილობები, როგორიცაა მიკრობალანსები და ულტრაბგერითი საქშენები ულტრა წვრილ ფოკუსირებული ოპტიკური შეკრებებისთვის. ის ასევე ქმნის საფუძველს ზონდის მიკროსკოპების სკანირებისთვის, რომლებსაც შეუძლიათ გამოსახულების ამოხსნა ატომების მასშტაბით. პიეზოელექტროენერგია ასევე გამოიყენება პიკაპებში ელექტრონულად გაძლიერებული გიტარებისთვის და ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონული დასარტყამებისთვის.
პიეზოელექტროენერგია ასევე პოულობს ყოველდღიურ გამოყენებას, როგორიცაა ნაპერწკლების წარმოქმნა გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში, ჩირაღდნები, სიგარეტის სანთებელებში და სხვა. პიროელექტრული ეფექტი, სადაც მასალა წარმოქმნის ელექტრულ პოტენციალს ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ, შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინიუსმა მე-18 საუკუნის შუა წლებში, რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, რომლებიც დებდნენ ურთიერთობას შორის. მექანიკური სტრესი და ელექტრული მუხტი, თუმცა მათი ექსპერიმენტები არაზუსტი აღმოჩნდა.
პიროელექტროენერგიის შესახებ ცოდნის გაერთიანებით კრისტალური სტრუქტურების გაგებასთან, კურიელებმა შეძლეს პიროელექტროენერგიის პროგნოზირება და კრისტალების ქცევის პროგნოზირება. ეს გამოვლინდა ისეთი კრისტალების ეფექტში, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი. ნატრიუმის კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი და კვარცი ასევე აჩვენებდნენ პიეზოელექტროენერგიას. პიეზოელექტრული დისკი წარმოქმნის ძაბვას დეფორმაციისას, თუმცა ეს ძალიან გაზვიადებულია კურიის დემონსტრირებაში. მათ ასევე შეძლეს საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტის პროგნოზირება და მათემატიკურად გამოტანა გაბრიელ ლიპმანის ფუნდამენტური თერმოდინამიკური პრინციპებიდან 1881 წელს.
კურიმ მაშინვე დაადასტურეს საპირისპირო ეფექტის არსებობა და მიიღეს რაოდენობრივი მტკიცებულება პიეზოელექტრული კრისტალებში ელექტრო-ელასტო-მექანიკური დეფორმაციების სრული შექცევადობის შესახებ. მომდევნო ათწლეულებში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიულ ცნობისმოყვარეობად მანამ, სანამ არ გახდა მნიშვნელოვანი ინსტრუმენტი პიერ და მარი კიურის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენაში. მათი მუშაობა კრისტალური სტრუქტურების შესწავლისა და განსაზღვრის მიზნით, რომლებიც აჩვენებდნენ პიეზოელექტრიულობას, დასრულდა ვოლდემარ ვოიგტის "Lehrbuch der Kristallphysik" (კრისტალური ფიზიკის სახელმძღვანელოს) გამოქვეყნებით.
ექსპერიმენტები დაუზუსტებელი აღმოჩნდა
პიეზოელექტრობა არის ელექტრომექანიკური ფენომენი, რომლის დროსაც ელექტრული მუხტი გროვდება გარკვეულ მყარ მასალებში, როგორიცაა კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ. ეს არის რეაქცია გამოყენებული მექანიკურ სტრესზე და სიტყვა "პიეზოელექტროენერგია" მომდინარეობს ბერძნული სიტყვებიდან "piezein", რაც ნიშნავს "შეკუმშვას ან დაჭერას" და "ēlektron", რაც ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყაროდან.
პიეზოელექტრული ეფექტი გამოწვეულია კრისტალური მასალების მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედებით ინვერსიული სიმეტრიით. ეს არის შექცევადი პროცესი; მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიულ ეფექტს, რომელიც არის მექანიკური დაძაბულობის შიდა წარმოქმნა, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით. მაგალითად, ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალები წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, როდესაც მათი სტატიკური სტრუქტურა დეფორმირებულია მისი თავდაპირველი განზომილებიდან. პირიქით, კრისტალებს შეუძლიათ შეცვალონ თავიანთი სტატიკური განზომილება, როდესაც გამოიყენება გარე ელექტრული ველი, რომელიც ცნობილია როგორც ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი, რომელიც გამოიყენება ულტრაბგერითი ტალღების წარმოებაში.
ფრანგმა ფიზიკოსებმა პიერ და ჟაკ კიურებმა აღმოაჩინეს პიეზოელექტროენერგია 1880 წელს. მას შემდეგ იგი გამოიყენეს სხვადასხვა სასარგებლო აპლიკაციებისთვის, მათ შორის ხმის წარმოებისა და ამოცნობისთვის, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვის, მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის, საათის გენერატორებისა და ელექტრონული მოწყობილობების, როგორიცაა მიკრობალანსები. , ამოძრავეთ ულტრაბგერითი საქშენები და ულტრა წვრილ ფოკუსირებული ოპტიკური შეკრებები. ის ასევე საფუძვლად უდევს სკანირების ზონდის მიკროსკოპებს, რომლებსაც შეუძლიათ გამოსახულების ამოხსნა ატომების მასშტაბით. პიეზოელექტროენერგია ასევე გამოიყენება პიკაპებში ელექტრონულად გაძლიერებული გიტარებისთვის და ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონული დასარტყამებისთვის.
პიეზოელექტროენერგია ყოველდღიურ გამოყენებას პოულობს ნაპერწკლების წარმოქმნაში გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში, ჩირაღდნებში, სიგარეტის სანთებელებში და სხვა. პიროელექტრული ეფექტი, რომლის დროსაც მასალა წარმოქმნის ელექტრულ პოტენციალს ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ, შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინუსმა მე-18 საუკუნის შუა წლებში, რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, რომლებმაც დაადასტურეს ურთიერთობა. მექანიკურ სტრესსა და ელექტრულ მუხტს შორის. ექსპერიმენტები არადამაჯერებელი აღმოჩნდა.
პიროელექტროენერგიის ერთობლივმა ცოდნამ და ფუძემდებლური კრისტალური სტრუქტურების გაგებამ გამოიწვია პიროელექტროენერგიის პროგნოზირება და კრისტალების ქცევის წინასწარმეტყველების უნარი. ეს გამოვლინდა ისეთი კრისტალების ეფექტში, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი. ნატრიუმის კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი და კვარცი ასევე აჩვენებდნენ პიეზოელექტროენერგიას და პიეზოელექტრული დისკი გამოიყენებოდა დეფორმაციის დროს ძაბვის შესაქმნელად. ეს ძალიან გაზვიადებულია კურიის მიერ პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირებაში.
ძმებმა პიერ და ჟაკ კიურებმა იწინასწარმეტყველეს საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტი, ხოლო საპირისპირო ეფექტი მათემატიკურად გამოიტანა გაბრიელ ლიპმანის ფუნდამენტური თერმოდინამიკური პრინციპებიდან 1881 წელს. კურიებმა მაშინვე დაამტკიცეს საპირისპირო ეფექტის არსებობა და მიიღეს სრული რაოდენობრივი მტკიცებულება. ელექტრო-ელასტო-მექანიკური დეფორმაციების შექცევადობა პიეზოელექტრულ კრისტალებში.
ათწლეულების განმავლობაში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიულ ცნობისმოყვარეობად, მაგრამ ის იყო სასიცოცხლო ინსტრუმენტი პიერ და მარი კიურის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენისთვის. მათმა მუშაობამ კრისტალური სტრუქტურების შესწავლა და განსაზღვრა, რომლებიც აჩვენებდნენ პიეზოელექტროენერგიას, კულმინაციას მიაღწია ვოლდემარ ვოიგტის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალური ფიზიკის სახელმძღვანელო) გამოქვეყნებით. ეს აღწერს ბუნებრივ კრისტალების კლასებს, რომლებსაც შეუძლიათ პიეზოელექტროენერგია და მკაცრად განსაზღვრა პიეზოელექტრული მუდმივები ტენზორული ანალიზის გამოყენებით. ეს იყო პიეზოელექტრული გადამყვანების პირველი პრაქტიკული გამოყენება და სონარი შეიქმნა პირველი მსოფლიო ომის დროს. საფრანგეთში პოლ ლანჟევინმა და მისმა თანამშრომლებმა შეიმუშავეს ულტრაბგერითი წყალქვეშა დეტექტორი.
კარლ ლინეუსი და ფრანც ეპინიუსი
პიეზოელექტრობა არის ელექტრომექანიკური ფენომენი, რომელშიც ელექტრული მუხტი გროვდება გარკვეულ მყარ მასალებში, როგორიცაა კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ. ეს მუხტი წარმოიქმნება გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. სიტყვა piezoelectricity მომდინარეობს ბერძნული სიტყვებიდან πιέζειν (piezein) რაც ნიშნავს "შეკუმშვას ან დაჭერას" და ἤλεκτρον (ēlektron) რაც ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყარო.
პიეზოელექტრული ეფექტი გამოწვეულია წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედებით კრისტალური მასალების მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის ინვერსიული სიმეტრიით. ეს ეფექტი შექცევადია, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიულობას, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, რაც არის მექანიკური დაძაბულობის შიდა წარმოქმნა, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით. მაგალითად, ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალები წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, როდესაც მათი სტატიკური სტრუქტურა დეფორმირებულია მისი თავდაპირველი განზომილებიდან. პირიქით, კრისტალებს შეუძლიათ შეცვალონ თავიანთი სტატიკური განზომილება, როდესაც გამოიყენება გარე ელექტრული ველი, რომელიც ცნობილია როგორც ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი და გამოიყენება ულტრაბგერითი ტალღების წარმოებაში.
1880 წელს ფრანგმა ფიზიკოსებმა ჟაკ და პიერ კურიმ აღმოაჩინეს პიეზოელექტრული ეფექტი და მას შემდეგ გამოიყენეს მრავალი სასარგებლო აპლიკაციისთვის, მათ შორის ხმის წარმოებისა და ამოცნობისთვის, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვის, მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავება, საათის გენერატორები, ელექტრონული მოწყობილობები, მიკრობალანსები. , ამოძრავეთ ულტრაბგერითი საქშენები და ულტრა წვრილ ფოკუსირებული ოპტიკური შეკრებები. ის ასევე ქმნის საფუძველს ზონდის მიკროსკოპების სკანირებისთვის, რომლებიც გამოიყენება ატომების მასშტაბის სურათების გადასაჭრელად. პიეზოელექტროენერგია ასევე გამოიყენება პიკაპებში ელექტრონულად გაძლიერებული გიტარებისთვის და ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონული დასარტყამებისთვის.
პიეზოელექტროენერგია ასევე გვხვდება ყოველდღიურ გამოყენებაში, როგორიცაა ნაპერწკლების წარმოქმნა გაზის გასანათებლად სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში, ჩირაღდნები, სიგარეტის სანთებელები და პიროელექტრული ეფექტი, როდესაც მასალა წარმოქმნის ელექტრო პოტენციალს ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ. ეს ეფექტი შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინუსმა მე-18 საუკუნის შუა ხანებში, რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, რომლებიც დებდნენ კავშირს მექანიკურ სტრესსა და ელექტრულ მუხტს შორის, თუმცა მათი ექსპერიმენტები არადამაჯერებელი აღმოჩნდა.
პიეზო კრისტალის ხედი კიურის კომპენსატორში შოტლანდიაში ჰანტერიან მუზეუმში არის ძმები პიერ და ჟაკ კურიების პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირება. პიროელექტროენერგიის შესახებ მათი ცოდნის გაერთიანებამ კრისტალური სტრუქტურების გაგებასთან ერთად წარმოშვა პიროელექტროენერგიის პროგნოზირება და ბროლის ქცევის პროგნოზირების შესაძლებლობა. ეს აჩვენა ისეთი კრისტალების ეფექტით, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი. ნატრიუმის კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი და კვარცი როშელის მარილიდან ავლენდნენ პიეზოელექტრიობას, ხოლო პიეზოელექტრული დისკი წარმოქმნის ძაბვას დეფორმაციისას, თუმცა ეს ძლიერ გაზვიადებულია კურიის დემონსტრირებაში.
საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტის პროგნოზირება და მისი მათემატიკური გამოყვანა ფუნდამენტური თერმოდინამიკური პრინციპებიდან გაკეთდა გაბრიელ ლიპმანმა 1881 წელს. კურიმ მაშინვე დაადასტურა საპირისპირო ეფექტის არსებობა და მიაღწია რაოდენობრივ მტკიცებულებას ელექტრო-ელასტო- სრული შექცევადობის შესახებ. მექანიკური დეფორმაციები პიეზოელექტრულ კრისტალებში. ათწლეულების განმავლობაში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიულ ცნობისმოყვარეობად მანამ, სანამ არ გახდა მნიშვნელოვანი ინსტრუმენტი პიერ და მარი კურიის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენისთვის, რომლებიც იყენებდნენ მას კრისტალური სტრუქტურების შესასწავლად და განსაზღვრისთვის, რომლებიც ავლენდნენ პიეზოელექტრიობას. ამან მიაღწია კულმინაციას ვოლდემარ ვოიგტის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალების ფიზიკის სახელმძღვანელოს) გამოქვეყნებით, რომელიც აღწერდა ბუნებრივ კრისტალების კლასებს, რომლებსაც შეუძლიათ პიეზოელექტროენერგია და მკაცრად განსაზღვრეს პიეზოელექტრული მუდმივები ტენზორული ანალიზის გამოყენებით.
პიეზოელექტრული გადამყვანების ამ პრაქტიკულმა გამოყენებამ განაპირობა სონარის განვითარება პირველი მსოფლიო ომის დროს. საფრანგეთში, პოლ ლანჟევინმა და მისმა თანამშრომლებმა შეიმუშავეს ულტრაბგერითი წყალქვეშა დეტექტორი. დეტექტორი შედგებოდა თხელი კვარცის კრისტალებისგან დამზადებული გადამყვანისგან, რომელიც საგულდაგულოდ იყო მიმაგრებული ფოლადის ფირფიტებზე, და ჰიდროფონისაგან, რათა გამოეჩინა დაბრუნებული ექო გადამყვანიდან მაღალი სიხშირის პულსის გამოსხივების შემდეგ. იმ დროის გაზომვით, რომელიც საჭიროა ობიექტიდან მობრუნებული ხმის ტალღების ექოს მოსმენისთვის, მათ შეძლეს ობიექტის მანძილის გამოთვლა. მათ გამოიყენეს პიეზოელექტროენერგია ამ სონარის წარმატების მისაღწევად და პროექტმა გამოიწვია ინტენსიური განვითარება და ინტერესი პიეზოელექტრული მოწყობილობების მიმართ
რენე ჰაუი და ანტუან სეზარ ბეკერელი
პიეზოელექტროენერგია არის ელექტრომექანიკური ფენომენი, რომელიც ხდება მაშინ, როდესაც გარკვეული მყარი მასალები, როგორიცაა კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ, აგროვებენ ელექტრო მუხტს გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. Piezoelectricity მომდინარეობს ბერძნული სიტყვიდან "piezein", რაც ნიშნავს "შეკუმშვას ან დაჭერას" და "elektron", რაც ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყარო.
პიეზოელექტრული ეფექტი წარმოიქმნება წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედების შედეგად მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის კრისტალურ მასალებში ინვერსიული სიმეტრიით. ეს ეფექტი შექცევადია, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიულ ეფექტს, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიულ ეფექტს, ან მექანიკური დაძაბვის შიდა წარმოქმნას, რომელიც გამოწვეულია გამოყენებული ელექტრული ველით. მაგალითად, ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალები წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, როდესაც მათი სტატიკური სტრუქტურა დეფორმირებულია მისი თავდაპირველი განზომილებიდან. პირიქით, კრისტალებს შეუძლიათ შეცვალონ თავიანთი სტატიკური განზომილება გარე ელექტრული ველის გამოყენებისას, რის შედეგადაც ხდება შებრუნებული პიეზოელექტრული ეფექტი და წარმოიქმნება ულტრაბგერითი ტალღები.
ფრანგმა ფიზიკოსებმა პიერ და ჟაკ კიურიმ აღმოაჩინეს პიეზოელექტრული ეფექტი 1880 წელს. ეს ეფექტი გამოიყენეს სხვადასხვა სასარგებლო აპლიკაციებისთვის, მათ შორის ხმის წარმოებისა და ამოცნობისთვის, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვის, მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის, საათის გენერატორებისა და ელექტრონული მოწყობილობებისთვის. როგორიცაა მიკრობალანსები, ამოძრავეთ ულტრაბგერითი საქშენები და ულტრა დახვეწილი ფოკუსირებული ოპტიკური შეკრებები. ის ასევე ქმნის სკანირების ზონდის მიკროსკოპების საფუძველს, რომელსაც შეუძლია გამოსახულების ამოხსნა ატომების მასშტაბით. პიეზოელექტროენერგია ასევე გამოიყენება პიკაპებში ელექტრონულად გაძლიერებული გიტარებისთვის და ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონული დასარტყამებისთვის.
პიეზოელექტრული ეფექტი პირველად შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინუსმა მე-18 საუკუნის შუა ხანებში, რენე ჰაუისა და ანტუან ცეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, რომლებმაც დაადგინეს კავშირი მექანიკურ სტრესსა და ელექტრულ მუხტს შორის. თუმცა, ექსპერიმენტები არაზუსტი აღმოჩნდა. პიროელექტროენერგიის ცოდნასთან და ფუძემდებლური კრისტალური სტრუქტურების გაგებასთან ერთად, ამან გამოიწვია პიროელექტროენერგიის პროგნოზირება და კრისტალური ქცევის პროგნოზირების შესაძლებლობა. ეს გამოვლინდა ისეთი კრისტალების ეფექტში, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი. ნატრიუმის კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი და კვარცი ასევე აჩვენებდნენ პიეზოელექტროენერგიას და პიეზოელექტრული დისკი გამოიყენებოდა დეფორმაციის დროს ძაბვის შესაქმნელად. ეს ეფექტი ძლიერ გაზვიადებულია კურიის დემონსტრაციაზე შოტლანდიის მუზეუმში, რომელმაც აჩვენა პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტი.
ძმებმა პიერ და ჟაკ კიურებმა მიიღეს რაოდენობრივი მტკიცებულება პიეზოელექტრული კრისტალების ელექტრო-ელასტო-მექანიკური დეფორმაციების სრული შექცევადობის შესახებ. ათწლეულების განმავლობაში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიულ ცნობისმოყვარეობად, მანამ, სანამ იგი გახდა მნიშვნელოვანი ინსტრუმენტი პიერ და მარი კიურის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენაში. ამ ნაშრომმა გამოიკვლია და განსაზღვრა კრისტალური სტრუქტურები, რომლებიც ავლენდნენ პიეზოელექტრიულობას, რაც დასრულდა ვოლდემარ ვოიგტის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალური ფიზიკის სახელმძღვანელოს) გამოქვეყნებით.
კურიმ მაშინვე დაადასტურა საპირისპირო ეფექტის არსებობა და გააგრძელეს საპირისპირო ეფექტის ფუნდამენტური თერმოდინამიკური პრინციპების მათემატიკური დასკვნა. ეს გააკეთა გაბრიელ ლიპმანმა 1881 წელს. პიეზოელექტროენერგია მაშინ გამოიყენეს სონარის შესაქმნელად პირველი მსოფლიო ომის დროს. საფრანგეთში, პოლ ლანჟევინმა და მისმა თანამშრომლებმა შეიმუშავეს ულტრაბგერითი წყალქვეშა დეტექტორი. ეს დეტექტორი შედგებოდა თხელი კვარცის კრისტალებისგან დამზადებული გადამყვანისგან, რომელიც ფრთხილად იყო მიმაგრებული ფოლადის ფირფიტებზე, და ჰიდროფონისაგან დაბრუნებული ექოს გამოსავლენად. გადამყვანიდან მაღალი სიხშირის პულსის გამოსხივებით და ობიექტიდან მობრუნებული ხმის ტალღების ექოს მოსმენისთვის საჭირო დროის გაზომვით, მათ შეუძლიათ გამოთვალონ მანძილი ობიექტამდე.
პიეზოელექტრული კრისტალების გამოყენება შემდგომში განვითარდა Bell Telephone Laboratories-ის მიერ მეორე მსოფლიო ომის შემდეგ. ფრედერიკ რ. ლეკმა, რომელიც მუშაობდა რადიოტელეფონიის საინჟინრო განყოფილებაში, შეიმუშავა მოჭრილი კრისტალი, რომელსაც შეეძლო ემუშავა ტემპერატურის ფართო დიაპაზონში. ლეკის კრისტალს არ სჭირდებოდა წინა კრისტალების მძიმე აქსესუარები, რაც ამარტივებს მის გამოყენებას თვითმფრინავებში. ამ განვითარებამ საშუალება მისცა მოკავშირეთა საჰაერო ძალებს ჩაერთონ კოორდინირებულ მასობრივ შეტევებში საავიაციო რადიოს გამოყენებით. შეერთებულ შტატებში პიეზოელექტრული მოწყობილობებისა და მასალების განვითარებამ შეინარჩუნა კომპანიები ამ სფეროში ომის დროინდელ განვითარებაში და ახალი მასალებისთვის მომგებიანი პატენტების უზრუნველყოფის ინტერესები. კვარცის კრისტალები კომერციულად გამოიყენებოდა, როგორც პიეზოელექტრული მასალა და მეცნიერები ეძებდნენ უფრო მაღალი ხარისხის მასალებს. მასალების მიღწევისა და წარმოების პროცესების მომწიფების მიუხედავად, შეერთებულმა შტატებმა
გაბრიელ ლიპმანი
პიეზოელექტრობა არის ელექტრომექანიკური ფენომენი, რომლის დროსაც ელექტრული მუხტი გროვდება გარკვეულ მყარ მასალებში, როგორიცაა კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ. ეს არის ინვერსიული სიმეტრიის მქონე მასალებში მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის ურთიერთქმედების შედეგი. პიეზოელექტროენერგია პირველად აღმოაჩინეს ფრანგმა ფიზიკოსებმა პიერ და ჟაკ კიურებმა 1880 წელს.
პიეზოელექტროენერგია გამოიყენებოდა სხვადასხვა სასარგებლო აპლიკაციებისთვის, მათ შორის ხმის წარმოებისა და გამოვლენის, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვისა და მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის წარმოებისთვის. პიეზოელექტროენერგია მომდინარეობს ბერძნული სიტყვებიდან πιέζειν (piezein) რაც ნიშნავს „შეკუმშვას ან დაჭერას“ და ἤλεκτρον (ēlektron) რაც ნიშნავს „ქარვას“, ელექტრული მუხტის უძველესი წყარო.
პიეზოელექტრული ეფექტი შექცევადია, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიულობას, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიულ ეფექტს, რომელშიც მექანიკური დაძაბულობის შიდა წარმოქმნა ხდება ელექტრული ველის გამოყენების შედეგად. მაგალითად, ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალები წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, როდესაც მათი სტატიკური სტრუქტურა დეფორმირებულია მისი თავდაპირველი განზომილებიდან. პირიქით, კრისტალებს შეუძლიათ შეცვალონ თავიანთი სტატიკური განზომილება, როდესაც გამოიყენება გარე ელექტრული ველი, პროცესი, რომელიც ცნობილია როგორც ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი. ეს პროცესი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ულტრაბგერითი ტალღების წარმოებისთვის.
პიეზოელექტრული ეფექტი შეისწავლეს მე-18 საუკუნის შუა წლებიდან, როდესაც კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინიუსმა, რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, დაადგინეს კავშირი მექანიკურ სტრესსა და ელექტრულ მუხტს შორის. თუმცა, ექსპერიმენტები არაზუსტი აღმოჩნდა. მკვლევარებმა ბროლის ქცევის წინასწარმეტყველება მხოლოდ პიროელექტროენერგიის ერთობლივმა ცოდნამ და ფუძემდებლური კრისტალური სტრუქტურების გაგებამ გამოიწვია პიროელექტროენერგიის პროგნოზირება. ეს აჩვენა ისეთი კრისტალების ეფექტით, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი.
გაბრიელ ლიპმანმა 1881 წელს მათემატიკურად გამოიტანა საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტის ფუნდამენტური თერმოდინამიკური პრინციპები. კურიმ მაშინვე დაადასტურეს საპირისპირო ეფექტის არსებობა და მიიღეს რაოდენობრივი მტკიცებულება პიეზოელექტრული კრისტალებში ელექტრო-ელასტო-მექანიკური დეფორმაციების სრული შექცევადობის შესახებ.
ათწლეულების განმავლობაში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიული ცნობისმოყვარეობა, სანამ არ გახდა მნიშვნელოვანი ინსტრუმენტი პიერ და მარი კიურის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენისთვის. მათმა მუშაობამ კრისტალური სტრუქტურების შესწავლა და განსაზღვრა, რომლებიც აჩვენებდნენ პიეზოელექტროენერგიას, კულმინაციას მიაღწია ვოლდემარ ვოიგტის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალური ფიზიკის სახელმძღვანელო) გამოქვეყნებით. ეს აღწერს ბუნებრივ კრისტალების კლასებს, რომლებსაც შეუძლიათ პიეზოელექტროენერგია და მკაცრად განსაზღვრა პიეზოელექტრული მუდმივები ტენზორული ანალიზით.
პიეზოელექტრული მოწყობილობების პრაქტიკული გამოყენება პირველი მსოფლიო ომის დროს სონარის განვითარებით დაიწყო. პოლ ლანჟევინმა და მისმა თანამშრომლებმა შეიმუშავეს ულტრაბგერითი წყალქვეშა დეტექტორი. ეს დეტექტორი შედგებოდა თხელი კვარცის კრისტალებისგან დამზადებული გადამყვანისგან, რომელიც ფრთხილად იყო მიმაგრებული ფოლადის ფირფიტებზე, და ჰიდროფონისაგან დაბრუნებული ექოს გამოსავლენად. გადამცემიდან მაღალი სიხშირის პულსის გამოსხივებით და ობიექტიდან მობრუნებული ბგერის ტალღების ექოს გაზომვის დროის გაზომვით, მათ შეძლეს გამოთვალონ მანძილი ობიექტამდე. პიეზოელექტროენერგიის ეს გამოყენება სონარისთვის წარმატებული იყო და პროექტმა გამოიწვია პიეზოელექტრული მოწყობილობების განვითარების ინტენსიური ინტერესი. ათწლეულების განმავლობაში შეისწავლეს და განვითარდა ახალი პიეზოელექტრული მასალები და ამ მასალების ახალი გამოყენება. პიეზოელექტრიკულმა მოწყობილობებმა იპოვეს სახლები სხვადასხვა სფეროში, დაწყებული კერამიკული ფონოგრაფის კარტრიჯებიდან, რომლებიც აადვილებდნენ მოთამაშის დიზაინს და ამცირებდნენ იაფ, ზუსტი ჩანაწერის მოთამაშეებს შესანახად და აადვილებდნენ აშენებას, დამთავრებული ულტრაბგერითი გადამყვანების შემუშავებით, რომლებიც იძლეოდნენ სითხეების სიბლანტისა და ელასტიურობის გაზომვას. და მყარი ნივთიერებები, რამაც გამოიწვია უზარმაზარი მიღწევები მასალების კვლევაში. ულტრაბგერითი დროის დომენის რეფლექტომეტრები აგზავნიან ულტრაბგერით პულსს მასალაში და ზომავენ ანარეკლებს და წყვეტებს, რათა აღმოაჩინონ ხარვეზები ჩამოსხმული ლითონისა და ქვის ობიექტებში, რაც აუმჯობესებს სტრუქტურულ უსაფრთხოებას.
მეორე მსოფლიო ომის შემდეგ, დამოუკიდებელმა კვლევითმა ჯგუფებმა შეერთებულ შტატებში, რუსეთსა და იაპონიაში აღმოაჩინეს სინთეზური მასალების ახალი კლასი, სახელწოდებით ფეროელექტრიკა, რომელიც ავლენდა პიეზოელექტრო მუდმივებს ათჯერ უფრო მაღალი ვიდრე ბუნებრივი მასალები. ამან გამოიწვია ინტენსიური კვლევა ბარიუმის ტიტანატის და მოგვიანებით ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის შემუშავების მიზნით, სპეციფიკური თვისებების მქონე მასალები კონკრეტული გამოყენებისთვის. შემუშავდა პიეზოელექტრული კრისტალების გამოყენების მნიშვნელოვანი მაგალითი
ვოლდემარ ვოიგტი
პიეზოელექტრობა არის ელექტრომექანიკური ფენომენი, რომლის დროსაც ელექტრული მუხტი გროვდება გარკვეულ მყარ მასალებში, როგორიცაა კრისტალები, კერამიკა და ბიოლოგიური ნივთიერებები, როგორიცაა ძვალი და დნმ. ეს მუხტი წარმოიქმნება გამოყენებული მექანიკური სტრესის საპასუხოდ. სიტყვა piezoelectricity მომდინარეობს ბერძნული სიტყვიდან "piezein", რაც ნიშნავს "შეკუმშვას ან დაჭერას" და "elektron", რაც ნიშნავს "ქარვას", ელექტრული მუხტის უძველესი წყაროს.
პიეზოელექტრული ეფექტი გამოწვეულია წრფივი ელექტრომექანიკური ურთიერთქმედებით კრისტალური მასალების მექანიკურ და ელექტრულ მდგომარეობებს შორის ინვერსიული სიმეტრიით. ეს ეფექტი შექცევადია, რაც იმას ნიშნავს, რომ მასალები, რომლებიც ავლენენ პიეზოელექტრიულობას, ასევე ავლენენ საპირისპირო პიეზოელექტრიკულ ეფექტს, სადაც მექანიკური დაძაბვის შიდა წარმოქმნა ხდება გამოყენებული ელექტრული ველის შედეგად. მაგალითად, ტყვიის ცირკონატის ტიტანატის კრისტალები წარმოქმნიან გაზომვადი პიეზოელექტროენერგიას, როდესაც მათი სტატიკური სტრუქტურა დეფორმირებულია მისი თავდაპირველი განზომილებიდან. პირიქით, კრისტალებს შეუძლიათ შეცვალონ თავიანთი სტატიკური განზომილება, როდესაც გამოიყენება გარე ელექტრული ველი, ფენომენი, რომელიც ცნობილია როგორც ინვერსიული პიეზოელექტრული ეფექტი, რომელიც გამოიყენება ულტრაბგერითი ტალღების წარმოებაში.
ფრანგმა ფიზიკოსებმა პიერ და ჟაკ კიურიმ აღმოაჩინეს პიეზოელექტროენერგია 1880 წელს. პიეზოელექტრული ეფექტი მას შემდეგ გამოიყენეს სხვადასხვა სასარგებლო აპლიკაციებისთვის, მათ შორის ხმის წარმოებისა და ამოცნობის, პიეზოელექტრული ჭავლური ბეჭდვის, მაღალი ძაბვის ელექტროენერგიის, საათის გენერატორებისა და ელექტრონული მოწყობილობების გამომუშავებისთვის. როგორიცაა მიკრობალანსები და ამოძრავეთ ულტრაბგერითი საქშენები ოპტიკური შეკრებების ულტრა დახვეწილი ფოკუსირებისთვის. ის ასევე საფუძვლად უდევს სკანირების ზონდის მიკროსკოპებს, რომლებსაც შეუძლიათ გამოსახულების ამოხსნა ატომების მასშტაბით. გარდა ამისა, პიკაპები ელექტრონულად გაძლიერებულ გიტარებში და ტრიგერები თანამედროვე ელექტრონულ დასარტყამებში იყენებენ პიეზოელექტრიკულ ეფექტს.
პიეზოელექტროენერგია ასევე პოულობს ყოველდღიურ გამოყენებას ნაპერწკლების წარმოქმნაში გაზის ანთებისთვის სამზარეულოსა და გათბობის მოწყობილობებში, ჩირაღდნებში, სიგარეტის სანთებელებში და სხვა. პიროელექტრული ეფექტი, სადაც მასალა წარმოქმნის ელექტრულ პოტენციალს ტემპერატურის ცვლილების საპასუხოდ, შეისწავლეს კარლ ლინეუსმა და ფრანც ეპინუსმა მე-18 საუკუნის შუა წლებში, რენე ჰაუისა და ანტუან სეზარ ბეკერელის ცოდნის საფუძველზე, რომლებიც აყენებდნენ მექანიკურ ურთიერთობას. სტრესი და ელექტრული მუხტი. ამ ურთიერთობის დამადასტურებელი ექსპერიმენტები არადამაჯერებელი აღმოჩნდა.
პიეზო კრისტალის ხედი კიურის კომპენსატორში შოტლანდიაში ჰანტერიან მუზეუმში არის ძმები პიერ და ჟაკ კურიების პირდაპირი პიეზოელექტრული ეფექტის დემონსტრირება. პიროელექტროენერგიის შესახებ მათი ცოდნის შერწყმამ და ფუძემდებლური კრისტალური სტრუქტურების გაგებასთან, დასაბამი მისცა პიროელექტროენერგიის პროგნოზირებას, რამაც მათ საშუალება მისცა იწინასწარმეტყველონ კრისტალების ქცევა, რომელიც მათ აჩვენეს ისეთი კრისტალების ეფექტში, როგორიცაა ტურმალინი, კვარცი, ტოპაზი, ლერწმის შაქარი და როშელის მარილი. . ნატრიუმის და კალიუმის ტარტრატის ტეტრაჰიდრატი და კვარცი ასევე ავლენდნენ პიეზოელექტრიულობას და პიეზოელექტრული დისკი გამოიყენებოდა დეფორმაციის დროს ძაბვის შესაქმნელად. ფორმის ეს ცვლილება ძალიან გადაჭარბებული იყო კურიის დემონსტრირებაში და მათ განაგრძეს საპირისპირო პიეზოელექტრული ეფექტის პროგნოზირება. საპირისპირო ეფექტი მათემატიკურად გამოიტანა ფუნდამენტური თერმოდინამიკური პრინციპებიდან გაბრიელ ლიპმანმა 1881 წელს.
კურიმ მაშინვე დაადასტურეს საპირისპირო ეფექტის არსებობა და მიიღეს რაოდენობრივი მტკიცებულება პიეზოელექტრული კრისტალებში ელექტრო-ელასტო-მექანიკური დეფორმაციების სრული შექცევადობის შესახებ. მომდევნო ათწლეულებში, პიეზოელექტროენერგია რჩებოდა ლაბორატორიულ ცნობისმოყვარეობად, სანამ არ იქცა სასიცოცხლო მნიშვნელობის ინსტრუმენტად პიერ მარი კურიის მიერ პოლონიუმისა და რადიუმის აღმოჩენისთვის, რომელმაც გამოიყენა იგი კრისტალური სტრუქტურების შესასწავლად და განსაზღვრისთვის, რომლებიც ავლენდნენ პიეზოელექტრიობას. ამან მიაღწია კულმინაციას ვოლდემარ ვოიგტის Lehrbuch der Kristallphysik-ის (კრისტალების ფიზიკის სახელმძღვანელოს) გამოქვეყნებით, რომელიც აღწერდა ბუნებრივ კრისტალების კლასებს, რომლებსაც შეუძლიათ პიეზოელექტროენერგია და მკაცრად განსაზღვრეს პიეზოელექტრული მუდმივები ტენზორული ანალიზის გამოყენებით.
ამან გამოიწვია პიეზოელექტრული მოწყობილობების პრაქტიკული გამოყენება, როგორიცაა სონარი, რომელიც შეიქმნა პირველი მსოფლიო ომის დროს. საფრანგეთში, პოლ ლანჟევინმა და მისმა თანამშრომლებმა შეიმუშავეს ულტრაბგერითი წყალქვეშა დეტექტორი. ეს დეტექტორი შედგებოდა თხელი კვარცის კრისტალებისგან დამზადებული გადამყვანისგან, რომელიც საგულდაგულოდ იყო მიმაგრებული ფოლადის ფირფიტებზე, და ჰიდროფონისაგან, რომელიც აფიქსირებდა დაბრუნებულ ექოს გადამყვანიდან მაღალი სიხშირის პულსის გამოსხივების შემდეგ. იმ დროის გაზომვით, რომელიც საჭიროა ობიექტიდან მობრუნებული ხმის ტალღების ექოს მოსმენისთვის, მათ შეუძლიათ გამოთვალონ მანძილი ობიექტამდე. მათ გამოიყენეს პიეზოელექტროენერგია ამ სონარის წარმატებისთვის და პროექტმა გამოიწვია ინტენსიური განვითარება და ინტერესი.
მნიშვნელოვანი ურთიერთობები
- პიეზოელექტრული აქტივატორები: პიეზოელექტრული აქტივატორები არის მოწყობილობები, რომლებიც ელექტრო ენერგიას მექანიკურ მოძრაობად გარდაქმნიან. ისინი ჩვეულებრივ გამოიყენება რობოტიკაში, სამედიცინო მოწყობილობებში და სხვა აპლიკაციებში, სადაც საჭიროა ზუსტი მოძრაობის კონტროლი.
- პიეზოელექტრული სენსორები: პიეზოელექტრული სენსორები გამოიყენება ფიზიკური პარამეტრების გასაზომად, როგორიცაა წნევა, აჩქარება და ვიბრაცია. ისინი ხშირად გამოიყენება სამრეწველო და სამედიცინო პროგრამებში, ასევე სამომხმარებლო ელექტრონიკაში.
- პიეზოელექტროენერგია ბუნებაში: პიეზოელექტროენერგია არის ბუნებრივად წარმოქმნილი ფენომენი გარკვეულ მასალებში და გვხვდება ბევრ ცოცხალ ორგანიზმში. მას ზოგიერთი ორგანიზმი იყენებს გარემოს შესაგრძნობად და სხვა ორგანიზმებთან კომუნიკაციისთვის.
დასკვნა
პიეზოელექტროენერგია საოცარი ფენომენია, რომელიც გამოიყენება სხვადასხვა აპლიკაციებში, სონარიდან დაწყებული ფონოგრაფის ვაზნამდე. იგი შეისწავლეს 1800-იანი წლების შუა ხანებიდან და დიდი ეფექტით გამოიყენეს თანამედროვე ტექნოლოგიების განვითარებაში. ამ ბლოგ პოსტში შეისწავლა პიეზოელექტროენერგიის ისტორია და გამოყენება და ხაზი გაუსვა ამ ფენომენის მნიშვნელობას თანამედროვე ტექნოლოგიების განვითარებაში. მათთვის, ვინც დაინტერესებულია შეიტყოს მეტი პიეზოელექტროენერგიის შესახებ, ეს პოსტი შესანიშნავი საწყისი წერტილია.
მე ვარ იოსტ ნუსელდერი, Neaera-ს დამფუძნებელი და კონტენტ მარკეტოლოგი, მამა და მიყვარს ახალი აღჭურვილობის გამოცდა გიტარით ჩემი გატაცების ცენტრში და ჩემს გუნდთან ერთად ვქმნი ბლოგების სიღრმისეულ სტატიებს 2020 წლიდან. დაეხმარონ ერთგულ მკითხველს ჩანაწერისა და გიტარის რჩევებით.
