Пьезоэлектрлік - белгілі бір материалдардың механикалық кернеуге ұшыраған кезде және керісінше электр энергиясын өндіру қабілеті. Бұл сөз грек пьезосынан шыққан, қысым және электр тогы дегенді білдіреді. Ол алғаш рет 1880 жылы ашылды, бірақ бұл тұжырымдама ұзақ уақыт бойы белгілі болды.
Пьезоэлектрдің ең танымал мысалы - кварц, бірақ көптеген басқа материалдар да бұл құбылысты көрсетеді. Пьезоэлектрдің ең көп таралған түрі - ультрадыбысты өндіру.
Бұл мақалада мен пьезоэлектрдің не екенін, оның қалай жұмыс істейтінін және осы таңғажайып құбылыстың көптеген практикалық қолдануларын талқылаймын.
Пьезоэлектрлік дегеніміз не?
Пьезоэлектрлік - белгілі бір материалдардың қолданылатын механикалық кернеуге жауап ретінде электр зарядын тудыру қабілеті. Бұл инверсиялық симметриялы кристалды материалдардағы механикалық және электрлік күйлер арасындағы сызықтық электромеханикалық әрекеттесу. Пьезоэлектрлік материалдарды жоғары вольтты электр энергиясын, сағаттық генераторларды, электронды құрылғыларды, микробаланстарды, ультрадыбыстық саңылауларды жетекті және ультра жұқа фокустаушы оптикалық жинақтарды өндіру үшін пайдалануға болады.
Пьезоэлектрлік материалдарға кристалдар, белгілі бір керамика, сүйек және ДНҚ сияқты биологиялық заттар және ақуыздар жатады. Пьезоэлектрлік материалға күш түсіргенде, ол электр зарядын тудырады. Бұл зарядты кейін құрылғыларды қуаттандыру немесе кернеуді жасау үшін пайдалануға болады.
Пьезоэлектрлік материалдар әртүрлі қолданбаларда қолданылады, соның ішінде:
• Дыбысты шығару және анықтау
• Пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару
• Жоғары вольтты электр энергиясын өндіру
• Сағат генераторлары
• Электрондық құрылғылар
• Микробаланс
• Ультрадыбыстық саңылауларды жүргізіңіз
• Өте жұқа фокустаушы оптикалық жинақтар
• Пикаптер электронды күшейтілген гитаралар үшін
• Заманауи электронды барабандарға арналған триггерлер
• Газды тұтандыру үшін ұшқын шығару
• Пісіру және жылыту құрылғылары
• Шамдар мен темекі тұтандырғыштары.
Пьезоэлектрдің пайда болу тарихы қандай?
Пьезоэлектрді 1880 жылы француз физиктері Жак пен Пьер Кюри ашты. Бұл механикалық кернеуге жауап ретінде кристалдар, керамика және биологиялық заттар сияқты белгілі бір қатты материалдарда жиналатын электр заряды. «Пьезоэлектр» сөзі гректің «сығу» немесе «басу» дегенді білдіретін «пьезеин» сөзінен және электр зарядының көне көзі «янтарь» дегенді білдіретін «электрон» сөзінен шыққан.
Пьезоэлектрлік эффект инверсиялық симметриялы кристалды материалдардың механикалық және электрлік күйлері арасындағы сызықтық электромеханикалық әрекеттесу нәтижесінде пайда болады. Бұл қайтымды процесс, яғни пьезоэлектрлік әсер ететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді көрсетеді, яғни қолданылатын электр өрісінің нәтижесінде механикалық деформацияның ішкі генерациясы.
Кюрилердің пироэлектрлік білімі мен негізгі кристалдық құрылымдарды түсінуі пироэлектрді болжауға және кристалдардың мінез-құлқын болжауға мүмкіндік берді. Бұл турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерінен көрсетілді.
Кюрилер кері әсердің бар екенін бірден растады және пьезоэлектрлік кристалдардағы электроэласто-механикалық деформациялардың толық қайтымдылығының сандық дәлелін алуға көшті. Пьер мен Мари Кюри полоний мен радийді ашуда маңызды құрал болғанға дейін ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік зертханалық қызығушылық болып қала берді.
Пьезоэлектрлік көптеген пайдалы қолданбалар үшін пайдаланылды, соның ішінде дыбысты өндіру және анықтау, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару, жоғары вольтты электр энергиясын өндіру, сағат генераторлары мен электронды құрылғылар, микробаланстар, жетек ультрадыбыстық саптамалар, оптикалық жинақтардың ультра жұқа фокустауы және пішіндер. атомдар масштабындағы кескіндерді шешу үшін сканерлеуші зонд микроскоптарының негізі.
Пьезоэлектрлік сонымен қатар тамақ пісіру және жылыту құрылғыларында, алауларда, темекі тұтандырғыштарында газды тұтандыру үшін ұшқын шығару және температураның өзгеруіне жауап ретінде материал электр потенциалын тудыратын пироэлектрлік эффект сияқты күнделікті пайдалануды табады.
Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде сонардың дамуы Bell Telephone Laboratories әзірлеген пьезоэлектрлік кристалдарды пайдалануды көрді. Бұл одақтас әуе күштеріне авиациялық радионы қолдана отырып, келісілген жаппай шабуылдар жасауға мүмкіндік берді. Америка Құрама Штаттарында пьезоэлектрлік құрылғылар мен материалдардың дамуы компанияларды жаңа материалдарға пайдалы патенттерді қамтамасыз ете отырып, мүдделер саласында соғыс уақытын дамытуда ұстады.
Жапония Америка Құрама Штаттарының пьезоэлектрлік өнеркәсібінің жаңа қосымшалары мен өсуін көрді және тез арада өздерін дамытты. Олар ақпаратты жылдам бөлісті және белгілі бір қолданбалар үшін арнайы қасиеттері бар барий титанатын және кейінірек қорғасын цирконат титанатын материалдарын жасады.
Пьезоэлектр 1880 жылы ашылғаннан бері ұзақ жолдан өтті және қазір әртүрлі күнделікті қолданбаларда қолданылады. Ол сондай-ақ құрылымдық қауіпсіздікті арттыра отырып, құйылған металл және тастан жасалған заттардың ішіндегі кемшіліктерді табу үшін шағылысулар мен үзілістерді өлшеу үшін материал арқылы ультрадыбыстық импульс жіберетін ультрадыбыстық уақыт доменінің рефлекторлары сияқты материалдарды зерттеуде жетістіктерге жету үшін пайдаланылды.
Пьезоэлектрлік қалай жұмыс істейді
Бұл бөлімде мен пьезоэлектрдің қалай жұмыс істейтінін зерттейтін боламын. Мен қатты денелерде электр зарядының жиналуын, сызықтық электромеханикалық әрекеттесуді және осы құбылысты құрайтын қайтымды процесті қарастыратын боламын. Мен пьезоэлектрдің тарихын және оның қолданылуын талқылайтын боламын.
Қатты денелердегі электр зарядының жинақталуы
Пьезоэлектрлік - бұл кристалдар, керамика және сүйек пен ДНҚ сияқты биологиялық заттар сияқты белгілі бір қатты материалдарда жинақталатын электр заряды. Бұл қолданылған механикалық кернеуге жауап және оның атауы гректің «пьезеин» (сығу немесе басу) және «ēlektron» (янтарь) сөздерінен шыққан.
Пьезоэлектрлік эффект инверсиялық симметриялы кристалдық материалдардағы механикалық және электрлік күйлер арасындағы сызықтық электромеханикалық әрекеттесу нәтижесінде пайда болады. Бұл қайтымды процесс, яғни пьезоэлектрлік әсер ететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді көрсетеді, мұнда механикалық деформацияның ішкі генерациясы қолданылатын электр өрісінің нәтижесінде пайда болады. Өлшенетін пьезоэлектрлік энергияны тудыратын материалдардың мысалдарына қорғасын цирконат титанатының кристалдары жатады.
Француз физиктері Пьер мен Жак Кюри 1880 жылы пьезоэлектриканы ашты. Содан бері ол дыбысты өндіру және анықтау, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару, жоғары вольтты электр энергиясын өндіру, сағат генераторлары және микробаланс сияқты электронды құрылғыларды қоса алғанда, әртүрлі пайдалы қолданбалар үшін пайдаланылды. және оптикалық жинақтарды өте жұқа фокустау үшін ультрадыбыстық саптамаларды жүргізеді. Ол сондай-ақ атомдар масштабындағы кескіндерді шеше алатын сканерлеуші микроскоптардың негізін құрайды. Пьезоэлектрлік сонымен қатар электронды күшейтілген гитаралар үшін пикаптарда және заманауи электронды барабандар үшін триггерлерде қолданылады.
Пьезоэлектрлік газды тұтандыру үшін ұшқын шығаруда, пісіру және жылыту құрылғыларында, алауларда, темекі тұтандырғыштарында және температураның өзгеруіне жауап ретінде материал электр потенциалын тудыратын пироэлектрлік әсерде күнделікті пайдалануды табады. Мұны 18 ғасырдың ортасында Карл Линней мен Франц Аэпинус механикалық кернеу мен электр заряды арасындағы қатынасты анықтаған Рене Хауи мен Антуан Сезар Беккерельдің біліміне сүйене отырып зерттеді. Тәжірибелер нәтижесіз болып шықты.
Шотландиядағы Хантер мұражайындағы Кюри компенсаторындағы пьезокристалдың көрінісі тікелей пьезоэлектрлік әсердің демонстрациясы болып табылады. Ағайынды Пьер мен Жак Кюри пироэлектрлік туралы білімдерін негізгі кристалдық құрылымдарды түсінумен біріктірді, бұл пироэлектрлік болжамды тудырды. Олар кристалдық әрекетті болжай алды және турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардағы әсерін көрсетті. Натрий калий тартратының тетрагидраты мен кварц пьезоэлектрлік қасиетін көрсетті. Пьезоэлектрлік диск деформацияланған кезде кернеуді тудырады, ал пішіннің өзгеруі Кюридің демонстрациясында айтарлықтай асып түседі.
Олар кері пьезоэлектрлік эффектіні болжай алды, ал кері әсерді 1881 жылы Габриэль Липпман математикалық түрде шығарды. Кюрилер кері әсердің бар екенін бірден растады және электроэластоэффекттің толық қайтымдылығының сандық дәлелін алуға көшті. пьезоэлектрлік кристалдардағы механикалық деформациялар.
Ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік зертханалық қызығушылық болып қала берді, бірақ ол Пьер мен Мари Кюридің полоний мен радийді ашудағы маңызды құралы болды. Олардың пьезоэлектрлік тогы бар кристалдық құрылымдарды зерттеу және анықтау жұмыстары Волдемар Фойгтың Лербух дер Кристаллфизик (Кристалл физикасы оқулығы) басылымында аяқталды, онда пьезоэлектрлік қабілетті табиғи кристалдар класстары сипатталған және пьезоэлектрлік тұрақтылар арқылы қатаң анықталған. Бұл пьезоэлектрлік құрылғылардың практикалық қолданылуы болды және сонар Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде жасалды. Францияда Пол Лангевин және оның әріптестері ультрадыбыстық сүңгуір қайық детекторын жасады.
Детектор мыналардан тұрды түрлендіргіш болат пластиналарға мұқият желімделген жұқа кварц кристалдарынан және қайтарылған жаңғырықты анықтауға арналған гидрофоннан жасалған. Жоғары шығару арқылы жиілік түрлендіргіштен импульсті және объектіден секірген дыбыс толқындарының жаңғырығын естуге кететін уақытты өлшей отырып, олар нысанға дейінгі қашықтықты есептей алды. Олар сонарды сәтті ету үшін пьезоэлектрді пайдаланды және жоба пьезоэлектрлік құрылғыларға қарқынды даму мен қызығушылық тудырды. Ондаған жылдар ішінде жаңа пьезоэлектрлік материалдар мен материалдарға арналған жаңа қосымшалар зерттелді және әзірленді, ал пьезоэлектрлік құрылғылар әртүрлі салаларда үйлер тапты. Керамикалық фонограф картридждері ойнатқыштың дизайнын жеңілдетіп, арзан әрі дәл ойнатқыштар үшін жасалған, оларды ұстау арзанырақ және құрастыру оңай.
Ультрадыбыстық түрлендіргіштердің дамуы сұйықтықтар мен қатты заттардың тұтқырлығы мен серпімділігін оңай өлшеуге мүмкіндік берді, нәтижесінде материалдарды зерттеуде үлкен жетістіктер болды.
Сызықтық электромеханикалық әрекеттесу
Пьезоэлектрлік - белгілі бір материалдардың механикалық кернеуге ұшыраған кезде электр зарядын тудыру қабілеті. Бұл сөз гректің «сығу немесе басу» дегенді білдіретін πιέζειν (piezein) және электр зарядының ежелгі көзі болған «янтарь» дегенді білдіретін ἤλεκτρον (ēlektron) сөздерінен шыққан.
Пьезоэлектрді 1880 жылы француз физиктері Жак пен Пьер Кюри ашты. Ол инверсиялық симметриялы кристалдық материалдардың механикалық және электрлік күйлері арасындағы сызықтық электромеханикалық әсерлесуге негізделген. Бұл әсер қайтымды, яғни пьезоэлектрлік әсер ететін материалдар да кері пьезоэлектрлік әсер көрсетеді, соның нәтижесінде механикалық деформацияның ішкі генерациясы қолданылатын электр өрісінің нәтижесінде пайда болады. Статикалық құрылымынан деформацияланған кезде өлшенетін пьезоэлектрлік тудыратын материалдардың мысалдарына қорғасын цирконат титанаты кристалдары жатады. Керісінше, кристалдар кері пьезоэлектрлік эффект ретінде белгілі және ультрадыбыстық толқындарды өндіруде қолданылатын сыртқы электр өрісі әсер еткенде өздерінің статикалық өлшемін өзгерте алады.
Пьезоэлектрлік әртүрлі пайдалы қолданбалар үшін пайдаланылды, мысалы:
• Дыбысты шығару және анықтау
• Пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару
• Жоғары вольтты электр энергиясын өндіру
• Сағат генераторы
• Электрондық құрылғылар
• Микробаланс
• Ультрадыбыстық саңылауларды жүргізіңіз
• Өте жұқа фокустаушы оптикалық жинақтар
• Атомдар масштабындағы кескіндерді шешу үшін сканерлеуші зонд микроскоптарының негізін құрайды
• Электрондық күшейтілген гитаралардағы пикаптар
• Заманауи электронды барабандардағы триггерлер
• Пісіру және жылыту құрылғыларында газды тұтандыру үшін ұшқындардың пайда болуы
• Шамдар мен темекі тұтандырғыштары
Пьезоэлектрлік сонымен қатар температураның өзгеруіне жауап ретінде электр потенциалын тудыратын материал болып табылатын пироэлектрлік эффектте күнделікті қолдануды табады. Мұны 18 ғасырдың ортасында Карл Линней мен Франц Аэпинус механикалық кернеу мен электр заряды арасындағы қатынасты анықтаған Рене Хауи мен Антуан Сезар Беккерельдің біліміне сүйене отырып зерттеді. Алайда эксперименттер нәтижесіз болып шықты.
Шотландиядағы Хантериан мұражайында Кюри компенсаторында пьезокристалды көру тікелей пьезоэлектрлік әсердің демонстрациясы болып табылады. Бұл Пьер мен Жак Кюри ағайындыларының жұмысы болды, ол пьезоэлектрді көрсететін кристалдық құрылымдарды зерттеп, анықтады, оның соңы Вольдемар Фойгтың Лербух дер Кристаллфизик (Хрусталь физикасы оқулығы) жариялануымен аяқталды. Бұл пьезоэлектрлік қабілетті табиғи кристалдық сыныптарды сипаттады және тензорлық талдау арқылы пьезоэлектрлік тұрақтыларды қатаң түрде анықтады, бұл пьезоэлектрлік құрылғылардың практикалық қолданылуына әкелді.
Сонар Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде, француз Пол Лангевин мен оның әріптестері ультрадыбыстық суасты қайық детекторын жасаған кезде жасалған. Бұл детектор болат пластиналарға мұқият желімделген жұқа кварц кристалдарынан жасалған түрлендіргіштен және түрлендіргіштен жоғары жиілікті импульс шығарғаннан кейін қайтарылған жаңғырықты анықтауға арналған гидрофоннан тұрды. Объектіден секірген дыбыс толқындарының жаңғырығын естуге кететін уақытты өлшей отырып, олар пьезоэлектр қуатын пайдалана отырып, объектінің қашықтығын есептей алды. Бұл жобаның жетістігі ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік құрылғылардың қарқынды дамуы мен қызығушылығын тудырды, жаңа пьезоэлектрлік материалдар мен осы материалдарға арналған жаңа қосымшалар зерттеліп, әзірленді. Пьезоэлектрлік құрылғылар көптеген салаларда үйлерді тапты, мысалы, керамикалық фонограф картридждері, олар ойнатқыштың дизайнын жеңілдетеді және арзанырақ және дәлірек плеерлер үшін жасалды, сонымен қатар арзанырақ және құрастыру және қызмет көрсету оңайырақ.
Ультрадыбыстық түрлендіргіштердің дамуы сұйықтықтар мен қатты заттардың тұтқырлығы мен серпімділігін оңай өлшеуге мүмкіндік берді, нәтижесінде материалдарды зерттеуде үлкен жетістіктер болды. Ультрадыбыстық уақыт доменінің рефлекторлары материалға ультрадыбыстық импульс жібереді және құрылымдық қауіпсіздікті арттыра отырып, құйылған металл және тастан жасалған заттардың ішіндегі кемшіліктерді табу үшін шағылысулар мен үзілістерді өлшейді. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін АҚШ, Ресей және Жапониядағы тәуелсіз зерттеу топтары табиғи материалдардан бірнеше есе жоғары пьезоэлектрлік тұрақтыларды көрсететін ферроэлектриктер деп аталатын синтетикалық материалдардың жаңа класын ашты. Бұл барий титанатын, ал кейінірек қорғасын цирконат титанатын, белгілі бір қолданбалар үшін арнайы қасиеттері бар материалдарды әзірлеу бойынша қарқынды зерттеулерге әкелді.
Пьезоэлектрлік кристалдарды қолданудың маңызды мысалын Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін Bell Telephone Laboratories әзірледі. Фредерик Р. Лак, радиотелефония инженерия бөлімінде жұмыс істейді.
Қайтымды процесс
Пьезоэлектрлік - бұл кристалдар, керамика және сүйек пен ДНҚ сияқты биологиялық заттар сияқты белгілі бір қатты материалдарда жинақталатын электр заряды. Бұл қолданылатын механикалық кернеуге осы материалдардың жауабы. «Пьезоэлектр» сөзі гректің «сығу» немесе «басу» дегенді білдіретін «piezein» және электр зарядының ежелгі көзі «янтарь» дегенді білдіретін «ēlektron» сөздерінен шыққан.
Пьезоэлектрлік эффект инверсиялық симметриялы кристалды материалдардың механикалық және электрлік күйлері арасындағы сызықтық электромеханикалық әрекеттесу нәтижесінде пайда болады. Бұл қайтымды процесс, яғни пьезоэлектрлік әсер ететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді көрсетеді, яғни қолданылатын электр өрісінің нәтижесінде механикалық деформацияның ішкі генерациясы. Өлшенетін пьезоэлектрлік энергияны тудыратын материалдардың мысалдарына қорғасын цирконат титанатының кристалдары жатады. Бұл кристалдардың статикалық құрылымы деформацияланғанда, олар бастапқы өлшеміне оралады, ал керісінше, сыртқы электр өрісі әсер еткенде, олардың статикалық өлшемін өзгертіп, ультрадыбыстық толқындар пайда болады.
Француз физиктері Жак пен Пьер Кюри 1880 жылы пьезоэлектриканы ашты. Содан бері ол дыбысты өндіру және анықтау, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару, жоғары вольтты электр энергиясын өндіру, сағат генераторлары, электронды құрылғылар, микробаланстар, ультрадыбыстық саңылауларды және өте жұқа фокустаушы оптикалық жинақтарды жүргізеді. Ол сондай-ақ атомдар масштабындағы кескіндерді шеше алатын зондты микроскоптарды сканерлеуге негіз болады. Пьезоэлектрлік сонымен қатар электронды күшейтілген гитаралар үшін пикаптарда және заманауи электронды барабандарға арналған триггерлерде қолданылады.
Пьезоэлектрлік сонымен қатар тамақ пісіру және жылыту құрылғыларында, алауларда, темекі тұтандырғыштарында және т.б. газды тұтандыру үшін ұшқын шығару сияқты күнделікті пайдалануды табады. Материал температураның өзгеруіне жауап ретінде электр потенциалын тудыратын пироэлектрлік эффектті 18 ғасырдың ортасында Карл Линней, Франц Аэпин және Рене Хаюй кәріптас туралы білімге сүйене отырып зерттеген. Антуан Сезар Беккерель механикалық кернеу мен электр заряды арасындағы байланысты тұжырымдады, бірақ эксперименттер нәтижесіз болып шықты.
Глазгодағы аңшылар мұражайына келушілер ағайынды Пьер мен Жак Кюридің тікелей пьезоэлектрлік әсерінің демонстрациясы болып табылатын Пьезо Кристалл Кюри компенсаторын көре алады. Пироэлектрлік туралы білімдерін негізгі кристалдық құрылымдарды түсінумен біріктіру пироэлектрді болжауға және кристалдардың мінез-құлқын болжауға мүмкіндік берді. Бұл турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерімен көрсетілді. Натрий және калий тартраты тетрагидраты мен кварц пьезоэлектрлік қасиетін көрсетті және деформацияланған кезде кернеуді генерациялау үшін пьезоэлектрлік диск пайдаланылды. Пішіннің бұл өзгерісін Кюрилер кері пьезоэлектрлік эффектіні болжау үшін қатты асыра айтты. Кері әсерді 1881 жылы Габриэль Липпман іргелі термодинамикалық принциптерден математикалық түрде шығарды.
Кюрилер кері әсердің бар екенін бірден растады және пьезоэлектрлік кристалдардағы электроэласто-механикалық деформациялардың толық қайтымдылығының сандық дәлелін алуға көшті. Ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік зертханалық қызығушылық болып қала берді, бірақ ол Пьер мен Мари Кюридің полоний мен радийді ашудағы маңызды құралы болды. Олардың пьезоэлектрлік тогы бар кристалдық құрылымдарды зерттеу және анықтау жұмыстары Волдемар Фойгтың Лербух дер Кристаллфизик (Кристал физикасы оқулығы) жарияланымымен аяқталды. Бұл пьезоэлектрлік қабілетті табиғи кристалдық сыныптарды сипаттады және тензорлық талдауды қолдана отырып, пьезоэлектрлік тұрақтыларды қатаң түрде анықтады.
Сонар сияқты пьезоэлектрлік құрылғылардың практикалық қолданылуы Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде жасалды. Францияда Пол Лангевин және оның әріптестері ультрадыбыстық суасты қайық детекторын жасады. Бұл детектор болат пластиналарға мұқият желімделген жұқа кварц кристалдарынан жасалған түрлендіргіштен және қайтарылған жаңғырықты анықтауға арналған гидрофоннан тұрды. Түрлендіргіштен жоғары жиілікті импульс шығару және объектіден секірген дыбыс толқындарының жаңғырығын естуге кететін уақытты өлшеу арқылы олар объектінің қашықтығын есептей алды. Бұл сонарды сәтті ету үшін олар пьезоэлектр қуатын пайдаланды. Бұл жоба пьезоэлектрлік құрылғылардың қарқынды дамуы мен қызығушылығын тудырды және ондаған жылдар бойы жаңа пьезоэлектрлік материалдар мен осы материалдарға арналған жаңа қосымшалар зерттелді және әзірленді. Пьезоэлектрлік құрылғылар
Пьезоэлектрлік не себеп болады?
Бұл бөлімде мен пьезоэлектрдің шығу тегін және осы құбылысты көрсететін әртүрлі материалдарды зерттейтін боламын. Мен гректің «пьезеин» сөзін, электр зарядының ежелгі көзін және пироэлектрлік эффектті қарастырамын. Мен сондай-ақ Пьер мен Жак Кюридің ашқан жаңалықтарын және 20 ғасырдағы пьезоэлектрлік құрылғылардың дамуын талқылайтын боламын.
Грек сөзі Пьезеин
Пьезоэлектрлік - бұл кристалдар, керамика және сүйек пен ДНҚ сияқты биологиялық заттар сияқты белгілі бір қатты материалдарда электр зарядының жинақталуы. Бұл осы материалдардың қолданылған механикалық кернеуге реакциясынан туындайды. Пьезоэлектрлік сөз гректің «сығу немесе басу» дегенді білдіретін «пьезеин» сөзінен және электр зарядының ежелгі көзі «янтарь» дегенді білдіретін «ēlektron» сөзінен шыққан.
Пьезоэлектрлік эффект инверсиялық симметриялы кристалды материалдардың механикалық және электрлік күйлері арасындағы сызықтық электромеханикалық әрекеттесу нәтижесінде пайда болады. Бұл қайтымды процесс, яғни пьезоэлектрлік әсер ететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді де көрсетеді, яғни қолданылатын электр өрісі нәтижесінде механикалық деформацияның ішкі генерациясы. Мысалы, қорғасын цирконат титанатының кристалдары статикалық құрылымы бастапқы өлшемінен деформацияланған кезде өлшенетін пьезоэлектр қуатын тудырады. Керісінше, кристалдар кері пьезоэлектрлік эффект ретінде белгілі және ультрадыбыстық толқындардың өндірісі болып табылатын сыртқы электр өрісі қолданылған кезде өздерінің статикалық өлшемін өзгерте алады.
Француз физиктері Жак пен Пьер Кюри 1880 жылы пьезоэлектрлік энергияны ашты. Пьезоэлектрлік эффект дыбысты өндіру және анықтау, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару, жоғары вольтты электр энергиясын өндіру, сағат генераторлары және микробаланс сияқты электронды құрылғыларды қоса алғанда көптеген пайдалы қолданбалар үшін пайдаланылды. , жетек ультрадыбыстық саңылаулар және өте жұқа фокустау оптикалық жинақтары. Ол сондай-ақ атомдар масштабындағы кескіндерді шеше алатын сканерлеуші микроскоптардың негізін құрайды. Пьезоэлектрлік сонымен қатар электронды күшейтілген гитаралар үшін пикаптарда және заманауи электронды барабандарға арналған триггерлерде қолданылады.
Пьезоэлектр энергиясы күнделікті пайдалануды табады, мысалы, пісіру және жылыту құрылғыларында, алауларда, темекі тұтандырғыштарында және т.б. газды тұтандыру үшін ұшқын шығару. Температураның өзгеруіне жауап ретінде электр потенциалының пайда болуы болып табылатын пироэлектрлік эффектті 18 ғасырдың ортасында Карл Линней мен Франц Эпинус Рене Хаю мен Антуан Цезарь Беккерельдің біліміне сүйене отырып зерттеді. механикалық кернеу және электр заряды. Тәжірибелер нәтижесіз болып шықты.
Шотландиядағы мұражайда келушілер ағайынды Пьер мен Жак Кюридің тікелей пьезоэлектрлік әсерінің демонстрациясы болып табылатын пьезокристалды Кюри компенсаторын көре алады. Пироэлектрлік білімдерін негізгі кристалдық құрылымдарды түсінумен біріктіру пироэлектрдің болжамына және кристалдың әрекетін болжауға мүмкіндік берді. Бұл турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерімен көрсетілді. Рошель тұзынан алынған натрий калий тартраты тетрагидраты мен кварц пьезоэлектрлік қуат көрсетті, ал пьезоэлектрлік диск деформацияланған кезде кернеу тудырады. Пішіннің бұл өзгеруі Кюридің демонстрациясында өте тым асыра көрсетілген.
Кюрилер пьезоэлектрлік кристалдардағы электроэласто-механикалық деформациялардың толық қайтымдылығын сандық дәлелдеуге кірісті. Пьер мен Мари Кюри полоний мен радийді ашуда маңызды құрал болғанға дейін ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік зертханалық қызығушылық болып қала берді. Олардың пьезоэлектрлік тогы бар кристалдық құрылымдарды зерттеу және анықтау бойынша жұмысы Вольдемар Фойгтың Лербух дер Кристаллфизик (Хрусталь физикасы оқулығы) жарияланымымен аяқталды. Бұл пьезоэлектрлік қабілетті табиғи кристалдық сыныптарды сипаттады және тензорлық талдау арқылы пьезоэлектрлік тұрақтыларды қатаң түрде анықтады.
Пьезоэлектрдің бұл практикалық қолданылуы Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде сонардың дамуына әкелді. Францияда Пол Лангевин және оның әріптестері ультрадыбыстық сүңгуір қайық детекторын жасады. Детектор жоғары жиілікті импульс шығарғаннан кейін қайтарылған жаңғырықты анықтау үшін гидрофон деп аталатын болат пластиналарға мұқият желімделген жұқа кварц кристалдарынан жасалған түрлендіргіштен тұрды. Түрлендіргіш нысанның қашықтығын есептеу үшін нысаннан секірген дыбыс толқындарының жаңғырығын естуге кететін уақытты өлшеді. Сонардағы пьезоэлектрді пайдалану сәтті болды және жоба ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік құрылғыларға қарқынды даму мен қызығушылық тудырды.
Жаңа пьезоэлектрлік материалдар және осы материалдарға арналған жаңа қолданбалар зерттелді және әзірленді және пьезоэлектрлік құрылғылар көптеген салаларда үйлер тапты, мысалы, керамикалық фонограф картридждері, бұл ойнатқыштың дизайнын жеңілдетіп, арзанырақ, дәлірек ойнатқыштарға қызмет көрсетуге арзанырақ және оңайырақ болды. тұрғызу. Даму
Электр зарядының ежелгі көзі
Пьезоэлектрлік - бұл кристалдар, керамика және сүйек пен ДНҚ сияқты биологиялық заттар сияқты белгілі бір қатты материалдарда жинақталатын электр заряды. Бұл материалдың механикалық кернеуге жауап беруінен туындайды. «Пьезоэлектр» сөзі гректің «сығу немесе басу» дегенді білдіретін «piezein» сөзінен және электр зарядының ежелгі көзі «янтарь» дегенді білдіретін «электрон» сөзінен шыққан.
Пьезоэлектрлік эффект инверсиялық симметриялы кристалды материалдардың механикалық және электрлік күйлері арасындағы сызықтық электромеханикалық әрекеттесу нәтижесінде пайда болады. Бұл қайтымды процесс, яғни пьезоэлектрлік әсер ететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді де көрсетеді, яғни қолданылатын электр өрісі нәтижесінде механикалық деформацияның ішкі генерациясы. Мысалы, қорғасын цирконат титанаты кристалдары олардың статикалық құрылымы бастапқы өлшемінен деформацияланған кезде өлшенетін пьезоэлектр қуатын тудырады. Керісінше, сыртқы электр өрісі қолданылғанда, кристалдар өздерінің статикалық өлшемін кері пьезоэлектрлік әсерде өзгертіп, ультрадыбыстық толқындар шығарады.
Пьезоэлектрлік эффектті 1880 жылы француз физиктері Жак пен Пьер Кюри ашты. Ол әртүрлі пайдалы қолданбалар үшін пайдаланылады, соның ішінде дыбысты өндіру және анықтау, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару, жоғары вольтты электр энергиясын өндіру, сағат генераторлары және оптикалық жинақтарды ультра жұқа фокустау үшін микробаланстар мен жетек ультрадыбыстық саптамалар сияқты электрондық құрылғылар. Ол сондай-ақ атомдар масштабындағы кескіндерді шешу үшін қолданылатын зондтық микроскоптарды сканерлеуге негіз болады. Пьезоэлектрлік сонымен қатар электронды күшейтілген гитаралар үшін пикаптарда және заманауи электронды барабандарға арналған триггерлерде қолданылады.
Пьезоэлектрлік энергия тамақ пісіру және жылыту құрылғыларында, алауларда, темекі тұтандырғыштарында және т.б. газды тұтандыру үшін ұшқын шығаруда күнделікті қолданыс табады. Температураның өзгеруіне жауап ретінде электрлік потенциалды өндіру болып табылатын пироэлектрлік эффектті 18 ғасырдың ортасында Карл Линней мен Франц Аэпинус механикалық реакциялар арасындағы қатынасты анықтаған Рене Хаю мен Антуан Сезар Беккерельдің біліміне сүйене отырып зерттеді. кернеу және электр заряды. Алайда олардың эксперименттері нәтижесіз болып шықты.
Шотландиядағы Хантериан мұражайындағы пьезокристалдың және Кюри компенсаторының көрінісі тікелей пьезоэлектрлік әсерді көрсетеді. Бұл Пьер мен Жак Кюри ағайындыларының жұмысы болды, ол пьезоэлектрді көрсететін кристалдық құрылымдарды зерттеп, анықтады, оның соңы Вольдемар Фойгтың Лербух дер Кристаллфизик (Хрусталь физикасы оқулығы) жариялануымен аяқталды. Бұл пьезоэлектрлік қабілетті табиғи кристалдық сыныптарды сипаттады және пьезоэлектрлік құрылғыларды практикалық қолдануға мүмкіндік беретін тензорлық талдау арқылы пьезоэлектрлік тұрақтыларды қатаң анықтады.
Сонарды Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде француз Пол Лангевин және оның ультрадыбыстық сүңгуір қайық детекторын жасаған әріптестері жасаған. Детектор болат пластиналарға мұқият желімделген жұқа кварц кристалдарынан жасалған түрлендіргіштен және қайтарылған жаңғырықты анықтауға арналған гидрофоннан тұрды. Түрлендіргіштен жоғары жиілікті импульс шығару және объектіден секірген дыбыс толқындарының жаңғырығын естуге кететін уақытты өлшеу арқылы олар объектіге дейінгі қашықтықты есептей алды. Бұл сонарды сәтті ету үшін олар пьезоэлектр қуатын пайдаланды. Жоба ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік құрылғылардың қарқынды дамуы мен қызығушылығын тудырды.
Пироэлектрлік
Пьезоэлектрлік - белгілі бір материалдардың қолданылатын механикалық кернеуге жауап ретінде электр зарядын жинақтау қабілеті. Бұл инверсиялық симметриялы кристалдық материалдардың механикалық және электрлік күйлері арасындағы сызықтық электромеханикалық әрекеттесу. «Пьезоэлектр» сөзі гректің «сығу немесе басу» дегенді білдіретін «piezein» сөзінен және электр зарядының ежелгі көзі «янтарь» дегенді білдіретін гректің «ēlektron» сөзінен шыққан.
Пьезоэлектрлік әсерді 1880 жылы француз физиктері Жак пен Пьер Кюри ашқан. Бұл қайтымды процесс, яғни пьезоэлектрлік әсер көрсететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді де көрсетеді, яғни қолданылатын электр өрісінің нәтижесінде механикалық деформацияның ішкі генерациясы. Өлшенетін пьезоэлектрлік энергияны тудыратын материалдардың мысалдарына қорғасын цирконат титанатының кристалдары жатады. Статикалық құрылым деформацияланған кезде ол өзінің бастапқы өлшеміне оралады. Керісінше, сыртқы электр өрісі қолданылғанда, кері пьезоэлектрлік әсер пайда болады, нәтижесінде ультрадыбыстық толқындар пайда болады.
Пьезоэлектрлік эффект көптеген пайдалы қолданбалар үшін пайдаланылады, соның ішінде дыбысты өндіру және анықтау, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару, жоғары вольтты электр энергиясын өндіру, сағат генераторлары және микробаланстар, жетек ультрадыбыстық саптамалар және ультра жұқа фокустау оптикалық жинақтары сияқты электрондық құрылғылар. Ол сондай-ақ атомдар масштабындағы кескіндерді шешу үшін қолданылатын зондты микроскоптарды сканерлеудің негізі болып табылады. Пьезоэлектрлік сонымен қатар электронды күшейтілген гитаралар үшін пикаптарда және заманауи электронды барабандар үшін триггерлерде қолданылады.
Пьезоэлектр энергиясы күнделікті пайдалануды табады, мысалы, пісіру және жылыту құрылғыларында, алауларда, темекі тұтандырғыштарында және т.б. газды тұтандыру үшін ұшқын шығару. Температураның өзгеруіне жауап ретінде электрлік потенциалды өндіру болып табылатын пироэлектрлік эффектті 18 ғасырдың ортасында Карл Линней мен Франц Эпинус өзара қарым-қатынасты анықтаған Рене Хаю мен Антуан Сезар Беккерельдің біліміне сүйене отырып зерттеді. механикалық кернеу мен электр заряды арасындағы. Алайда эксперименттер нәтижесіз болып шықты.
Шотландиядағы Кюри компенсатор мұражайындағы пьезокристалдың көрінісі тікелей пьезоэлектрлік әсердің демонстрациясы болып табылады. Ағайынды Пьер мен Жак Кюри пироэлектрлік туралы білімдерін және олардың негізгі кристалдық құрылымдар туралы түсінігін біріктіріп, пироэлектрді түсінуге және кристалдық әрекетті болжауға мүмкіндік берді. Бұл турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерінен көрсетілді. Натрий калий тартратының тетрагидраты мен кварцтың пьезоэлектрлік қасиеті бар екені анықталды, ал пьезоэлектрлік диск деформацияланған кезде кернеуді генерациялау үшін пайдаланылды. Керісінше пьезоэлектрлік әсерді болжау үшін мұны Кюрилер қатты асыра айтты. Кері әсерді 1881 жылы Габриэль Липпман іргелі термодинамикалық принциптермен математикалық түрде шығарды.
Кюрилер кері әсердің бар екенін бірден растады және пьезоэлектрлік кристалдардағы электроэласто-механикалық деформациялардың толық қайтымдылығының сандық дәлелін алуға көшті. Кейінгі онжылдықтарда пьезоэлектрлік Пьер мен Мари Кюридің полоний мен радийді ашудағы маңызды құралы болғанға дейін зертханалық қызығушылық болып қала берді. Олардың пьезоэлектрлік тогы бар кристалдық құрылымдарды зерттеу және анықтау жұмыстары Волдемар Фойгтың Лербух дер Кристаллфизик (Кристал физикасы оқулығы) жарияланымымен аяқталды.
Сонардың дамуы сәтті болды және жоба пьезоэлектрлік құрылғыларға қарқынды даму мен қызығушылық тудырды. Одан кейінгі онжылдықтарда жаңа пьезоэлектрлік материалдар мен осы материалдарға арналған жаңа қолданбалар зерттелді және әзірленді. Пьезоэлектрлік құрылғылар көптеген салаларда үйлерді тапты, мысалы, керамикалық фонограф картридждері, бұл ойнатқыштың дизайнын жеңілдетіп, арзанырақ, дәлірек пленерлер үшін қызмет көрсетуі арзан және құрастырылуы оңай болды. Ультрадыбыстық түрлендіргіштердің дамуы сұйықтықтар мен қатты заттардың тұтқырлығы мен серпімділігін оңай өлшеуге мүмкіндік берді, нәтижесінде материалдарды зерттеуде үлкен жетістіктер болды. Ультрадыбыстық уақыт доменінің рефлекторлары материалға ультрадыбыстық импульс жібереді және құрылымдық қауіпсіздікті арттыра отырып, құйылған металл және тастан жасалған заттардың ішіндегі кемшіліктерді табу үшін шағылысулар мен үзілістерді өлшейді.
Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін АҚШ, Ресей және Жапониядағы тәуелсіз зерттеу топтары пьезоэлектрлік тұрақтыларды көрсететін ферроэлектриктер деп аталатын синтетикалық материалдардың жаңа класын ашты.
Пьезоэлектрлік материалдар
Бұл бөлімде мен пьезоэлектрлік әсерді көрсететін материалдарды талқылаймын, бұл белгілі бір материалдардың қолданылатын механикалық кернеуге жауап ретінде электр зарядын жинақтау қабілеті. Мен кристалдарды, керамикаларды, биологиялық заттарды, сүйектерді, ДНҚ мен ақуыздарды және олардың барлығы пьезоэлектрлік әсерге қалай жауап беретінін қарастыратын боламын.
кристалдар
Пьезоэлектрлік - белгілі бір материалдардың қолданылатын механикалық кернеуге жауап ретінде электр зарядын жинақтау қабілеті. Пьезоэлектрлік сөз гректің πιέζειν (piezein) «сығу» немесе «басу» және «янтарь» дегенді білдіретін ἤλεκτρον (ēlektron) — электр зарядының көне көзі деген сөзінен шыққан. Пьезоэлектрлік материалдарға кристалдар, керамика, биологиялық заттар, сүйек, ДНҚ және белоктар жатады.
Пьезоэлектрлік - инверсиялық симметриялы кристалдық материалдардағы механикалық және электрлік күйлер арасындағы сызықтық электромеханикалық әрекеттесу. Бұл әсер қайтымды, яғни пьезоэлектрлік әсер ететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді де көрсетеді, ол қолданылатын электр өрісінің нәтижесінде пайда болатын механикалық деформацияның ішкі генерациясы болып табылады. Өлшенетін пьезоэлектриканы тудыратын материалдардың мысалдарына бастапқы өлшеміне дейін деформациялануы мүмкін қорғасын цирконат титанаты кристалдары жатады немесе сыртқы электр өрісі әсер еткенде олардың статикалық өлшемін өзгертуге болады. Бұл кері пьезоэлектрлік эффект ретінде белгілі және ультрадыбыстық толқындарды шығару үшін қолданылады.
Француз физиктері Жак пен Пьер Кюри 1880 жылы пьезоэлектрлік энергияны ашты. Пьезоэлектрлік эффект дыбысты өндіру және анықтау, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару, жоғары вольтты электр энергиясын өндіру, сағат генераторлары және электронды құрылғылар сияқты әртүрлі пайдалы қолданбалар үшін пайдаланылды. микробаланс ретінде, ультрадыбыстық саңылауларды жетек және өте жұқа фокустау оптикалық жинақтары. Ол сондай-ақ атомдар масштабындағы кескіндерді шешу үшін қолданылатын зондтық микроскоптарды сканерлеуге негіз болады. Пьезоэлектрлік пикаптар электронды түрде күшейтілген гитараларда және заманауи электронды барабандарда триггерлерде де қолданылады.
Пьезоэлектрлік энергия тамақ пісіру және жылыту құрылғыларында, сондай-ақ алаулар мен темекі тұтандырғыштарында газды тұтандыру үшін ұшқын шығаруда күнделікті қолданылады. Температураның өзгеруіне жауап ретінде электрлік потенциалдың пайда болуы болып табылатын пироэлектрлік эффектті 18 ғасырдың ортасында Карл Линней мен Франц Эпинус механикалық реакциялар арасындағы байланысты тұжырымдаған Рене Хаю мен Антуан Сезар Беккерельдің біліміне сүйене отырып зерттеді. кернеу және электр заряды. Бұл теорияны дәлелдейтін эксперименттер нәтижесіз болды.
Шотландиядағы Хантер мұражайындағы Кюри компенсаторындағы пьезокристалдың көрінісі тікелей пьезоэлектрлік әсердің демонстрациясы болып табылады. Ағайынды Пьер мен Жак Кюри пироэлектрлік туралы білімдерін негізгі кристалдық құрылымдарды түсінумен біріктіріп, пироэлектрлік болжамды жасады. Олар кристалдық әрекетті болжай алды және турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардағы әсерін көрсетті. Натрий калий тартратының тетрагидраты мен кварц пьезоэлектрлік қасиетін көрсетті. Пьезоэлектрлік диск деформацияланған кезде кернеуді тудырады; пішіннің өзгеруі Кюридің демонстрациясында өте асыра айтылған.
Олар сонымен қатар қарама-қарсы пьезоэлектрлік эффектіні болжай алды және оның артындағы негізгі термодинамикалық принциптерді математикалық түрде шығара алды. Габриэль Липпман мұны 1881 жылы жасады. Кюрилер кері әсердің бар екенін бірден растады және пьезоэлектрлік кристалдардағы электроэласто-механикалық деформациялардың толық қайтымдылығының сандық дәлелін алуға көшті.
Ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік зертханалық қызығушылық болып қала берді, бірақ ол Пьер мен Мари Кюридің полоний мен радийді ашудағы маңызды құралы болды. Олардың пьезоэлектрлік энергияны көрсететін кристалдық құрылымдарды зерттеу және анықтау жұмыстары Волдемар Фойгтың Лербух дер Кристаллфизик (Кристалл физикасы оқулығы) басылымында аяқталды, онда пьезоэлектрлік қабілетті табиғи кристалл сыныптары сипатталған және пьезоэлектрлік тұрақтыларды қолдану арқылы қатаң анықталған.
Сонардағы пьезоэлектрлік құрылғыларды практикалық қолдану Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде жасалды. Францияда Пол Лангевин және оның әріптестері ультрадыбыстық суасты қайық детекторын жасады. Бұл детектор жоғары жиілікті импульс шығарғаннан кейін қайтарылған жаңғырықты анықтау үшін гидрофон деп аталатын болат пластиналарға мұқият желімделген жұқа кварц кристалдарынан жасалған түрлендіргіштен тұрды. Объектіден секірген дыбыс толқындарының жаңғырығын естуге кететін уақытты өлшей отырып, олар нысанға дейінгі қашықтықты есептей алды. Сонардағы пьезоэлектриканы пайдалану сәтті болды және жоба ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік құрылғыларға қарқынды даму мен қызығушылық тудырды.
керамика
Пьезоэлектрлік материалдар - механикалық кернеуге жауап ретінде электр зарядын жинақтайтын қатты денелер. Пьезоэлектрлік гректің πιέζειν (piezein) «сығу» немесе «басу» және ἤλεκτρον (ēlektron) «янтарь» дегенді білдіретін электр зарядының ежелгі көзі болып табылатын сөздерінен шыққан. Пьезоэлектрлік материалдар дыбысты өндіру және анықтау, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару және жоғары вольтты электр энергиясын өндіруді қоса алғанда, әртүрлі қолданбаларда қолданылады.
Пьезоэлектрлік материалдар кристалдарда, керамикада, биологиялық заттарда, сүйектерде, ДНҚ-да және ақуыздарда кездеседі. Керамика - күнделікті қолдануда қолданылатын ең көп таралған пьезоэлектрлік материалдар. Керамика қатты зат түзу үшін жоғары температураға дейін қыздырылған қорғасын цирконат титанаты (PZT) сияқты металл оксидтерінің қосындысынан жасалады. Керамика өте берік және төтенше температура мен қысымға төтеп бере алады.
Пьезоэлектрлік керамиканың әртүрлі қолданылуы бар, соның ішінде:
• Шамдар мен темекі тұтандырғыштары сияқты пісіру және жылыту құрылғыларына арналған газды жағу үшін ұшқын шығару.
• Медициналық бейнелеу үшін ультрадыбыстық толқындарды жасау.
• Сағат генераторлары мен электронды құрылғылар үшін жоғары вольтты электр энергиясын өндіру.
• Дәлдік өлшеуде пайдалану үшін микробаланстарды жасау.
• Оптикалық жинақтарды өте жұқа фокустау үшін ультрадыбыстық саптамаларды жүргізу.
• Атомдар масштабындағы кескіндерді шеше алатын зондты микроскоптарды сканерлеуге негіз жасау.
• Электронды түрде күшейтілген гитараларға арналған пикаптар және заманауи электронды барабандарға арналған триггерлер.
Пьезоэлектрлік керамика тұрмыстық электроникадан медициналық бейнелеуге дейін кең ауқымда қолданылады. Олар өте берік және экстремалды температура мен қысымға төтеп бере алады, бұл оларды әртүрлі салаларда пайдалану үшін өте қолайлы етеді.
Биологиялық зат
Пьезоэлектрлік - белгілі бір материалдардың қолданылатын механикалық кернеуге жауап ретінде электр зарядын жинақтау қабілеті. Ол гректің «сығу немесе басу» дегенді білдіретін «пьезеин» сөзінен және электр зарядының көне көзі «янтарь» дегенді білдіретін «ēlektron» сөзінен шыққан.
Сүйек, ДНҚ және белоктар сияқты биологиялық заттар пьезоэлектрлік қасиеттерін көрсететін материалдар қатарына жатады. Бұл әсер қайтымды, яғни пьезоэлектрлік әсер ететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді де көрсетеді, ол қолданылатын электр өрісінің нәтижесінде пайда болатын механикалық деформацияның ішкі генерациясы. Бұл материалдардың мысалдарына олардың статикалық құрылымы бастапқы өлшемінен деформацияланған кезде өлшенетін пьезоэлектр қуатын тудыратын қорғасын цирконат титанаты кристалдары жатады. Керісінше, сыртқы электр өрісі қолданылған кезде кристалдар өздерінің статикалық өлшемін өзгертіп, кері пьезоэлектрлік әсер арқылы ультрадыбыстық толқындар шығарады.
Пьезоэлектрдің ашылуын француз физиктері Жак пен Пьер Кюри 1880 жылы ашты. Содан бері ол әртүрлі пайдалы қолданбалар үшін пайдаланылды, мысалы:
• Дыбысты шығару және анықтау
• Пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару
• Жоғары вольтты электр энергиясын өндіру
• Сағат генераторы
• Электрондық құрылғылар
• Микробаланс
• Ультрадыбыстық саңылауларды жүргізіңіз
• Өте жұқа фокустаушы оптикалық жинақтар
• Сканерлеуші зондты микроскоптардың негізін құрайды
• Суреттерді атомдар масштабында шешу
• Электрондық күшейтілген гитаралардағы пикаптар
• Заманауи электронды барабандардағы триггерлер
Пьезоэлектр тогы сонымен қатар газды пісіру және жылыту құрылғылары, алаулар, темекі тұтандырғыштары және т.б. сияқты күнделікті заттарда қолданылады. Температураның өзгеруіне жауап ретінде электрлік потенциалды өндіру болып табылатын пироэлектрлік әсерді 18 ғасырдың ортасында Карл Линней мен Франц Эпинус зерттеген. Рене Хауи мен Антуан Сезар Беккерельдің біліміне сүйене отырып, олар механикалық кернеу мен электр заряды арасындағы байланысты тұжырымдады, бірақ олардың эксперименттері нәтижесіз болып шықты.
Шотландиядағы Хантериан мұражайындағы Кюри компенсаторындағы пьезокристалдың көрінісі тікелей пьезоэлектрлік әсердің демонстрациясы болып табылады. Ағайынды Пьер мен Жак Кюри пироэлектрлік туралы білімдерін және олардың негізгі кристалдық құрылымдар туралы түсінігін біріктіріп, пироэлектрлік болжам жасауға және кристалдық әрекетті болжауға мүмкіндік берді. Бұл турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерімен көрсетілді. Натрий және калий тартраты тетрагидраты мен кварц пьезоэлектрлік қасиетін көрсетті және деформацияланған кезде кернеуді генерациялау үшін пьезоэлектрлік диск пайдаланылды. Керісінше пьезоэлектрлік әсерді болжау үшін бұл әсерді Кюрилер қатты асыра көрсетті. Кері әсерді 1881 жылы Габриэль Липпман іргелі термодинамикалық принциптерден математикалық түрде шығарды.
Кюрилер кері әсердің бар екенін бірден растады және пьезоэлектрлік кристалдардағы электроэласто-механикалық деформациялардың толық қайтымдылығының сандық дәлелін алуға көшті. Пьер мен Мари Кюри полоний мен радийді ашуда маңызды құрал болғанға дейін ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік зертханалық қызығушылық болып қала берді. Олардың пьезоэлектрлік тогы бар кристалдық құрылымдарды зерттеу және анықтау жұмыстары Вольдемар Фойгтың «Лербух дер Кристаллфизик» (Хрусталь физикасы оқулығы) басылымымен аяқталды.
сүйек
Пьезоэлектрлік - белгілі бір материалдардың қолданылатын механикалық кернеуге жауап ретінде электр зарядын жинақтау қабілеті. Сүйек - бұл құбылысты көрсететін осындай материал.
Сүйек - белоктар мен минералдардан, соның ішінде коллагеннен, кальцийден және фосфордан тұратын биологиялық заттардың бір түрі. Ол барлық биологиялық материалдардың ішіндегі ең пьезоэлектрлік болып табылады және механикалық кернеуге ұшыраған кезде кернеуді тудыруға қабілетті.
Сүйектегі пьезоэлектрлік әсер оның ерекше құрылымының нәтижесі болып табылады. Ол минералдар матрицасына енген коллаген талшықтарының желісінен тұрады. Сүйек механикалық кернеуге ұшыраған кезде коллаген талшықтары қозғалып, минералдардың поляризациялануына және электр зарядының пайда болуына әкеледі.
Сүйектегі пьезоэлектрлік әсердің бірқатар практикалық қолданылуы бар. Ол ультрадыбыстық және рентгендік бейнелеу сияқты медициналық бейнелеуде сүйек сынықтарын және басқа да ауытқуларды анықтау үшін қолданылады. Сондай-ақ ол дыбыс толқындарын ішкі құлаққа тікелей жіберілетін электрлік сигналдарға түрлендіру үшін пьезоэлектрлік әсерді қолданатын сүйек өткізгіш есту аппараттарында қолданылады.
Сүйектегі пьезоэлектрлік әсер ортопедиялық имплантацияларда, мысалы, жасанды буындар мен протездік аяқтарда да қолданылады. Имплантанттар механикалық энергияны электр энергиясына түрлендіру үшін пьезоэлектрлік әсерді пайдаланады, содан кейін ол құрылғыны қуаттандыру үшін пайдаланылады.
Сонымен қатар, сүйектегі пьезоэлектрлік әсер жаңа медициналық емдеу әдістерін жасау үшін зерттелуде. Мысалы, зерттеушілер сүйек өсуін ынталандыру және зақымдалған тіндерді қалпына келтіру үшін пьезоэлектрдің қолданылуын зерттеп жатыр.
Жалпы алғанда, сүйектегі пьезоэлектрлік эффект практикалық қолданудың кең ауқымы бар қызықты құбылыс. Ол әртүрлі медициналық және технологиялық қосымшаларда қолданылады және жаңа емдеу әдістерін әзірлеуде қолдану үшін зерттелуде.
ДНК
Пьезоэлектрлік - белгілі бір материалдардың қолданылатын механикалық кернеуге жауап ретінде электр зарядын жинақтау қабілеті. ДНҚ - бұл әсерді көрсететін осындай материал. ДНҚ – барлық тірі организмдерде кездесетін биологиялық молекула және төрт нуклеотидтік негізден тұрады: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) және тимин (Т).
ДНҚ күрделі молекула, ол механикалық кернеуге ұшыраған кезде электр зарядын генерациялау үшін қолданылады. Бұл ДНҚ молекулалары сутегі байланыстары арқылы бір-бірімен байланысқан нуклеотидтердің екі тізбегінен тұратындығына байланысты. Бұл байланыстар үзілгенде электр заряды пайда болады.
ДНҚ-ның пьезоэлектрлік әсері әртүрлі қолданбаларда қолданылған, соның ішінде:
• Медициналық имплантаттар үшін электр энергиясын өндіру
• Жасушалардағы механикалық күштерді анықтау және өлшеу
• Наноөлшемді сенсорларды әзірлеу
• ДНҚ секвенциясы үшін биосенсорларды құру
• Бейнелеу үшін ультрадыбыстық толқындарды жасау
ДНҚ-ның пьезоэлектрлік әсері оны наноөткізгіштер мен нанотүтіктер сияқты жаңа материалдарды әзірлеуде әлеуетті пайдалану үшін де зерттелуде. Бұл материалдарды энергияны сақтау және сезінуді қоса алғанда, әртүрлі қолданбалар үшін пайдалануға болады.
ДНҚ-ның пьезоэлектрлік әсері жан-жақты зерттелді және механикалық кернеуге өте сезімтал екені анықталды. Бұл оны жаңа материалдар мен технологияларды әзірлеуге ұмтылатын зерттеушілер мен инженерлер үшін құнды құрал етеді.
Қорытындылай келе, ДНҚ пьезоэлектрлік әсер көрсететін материал болып табылады, ол қолданылатын механикалық кернеуге жауап ретінде электр зарядын жинақтау қабілеті. Бұл әсер әртүрлі қолданбаларда, соның ішінде медициналық импланттарда, наноөлшемді сенсорларда және ДНҚ реттілігінде қолданылған. Ол сондай-ақ наноөткізгіштер мен нанотүтіктер сияқты жаңа материалдарды әзірлеуде әлеуетті пайдалану үшін зерттелуде.
Белоктар
Пьезоэлектрлік - белгілі бір материалдардың қолданылатын механикалық кернеуге жауап ретінде электр зарядын жинақтау қабілеті. Ақуыздар, кристалдар, керамика сияқты пьезоэлектрлік материалдар және сүйек пен ДНҚ сияқты биологиялық заттар бұл әсерді көрсетеді. Белоктар, атап айтқанда, бірегей пьезоэлектрлік материал болып табылады, өйткені олар аминқышқылдарының күрделі құрылымынан тұрады, олар электр зарядын тудыру үшін деформациялануы мүмкін.
Ақуыздар пьезоэлектрлік материалдың ең көп таралған түрі болып табылады және олар әртүрлі формада кездеседі. Оларды ферменттер, гормондар және антиденелер түрінде, сондай-ақ коллаген және кератин сияқты құрылымдық ақуыздар түрінде табуға болады. Ақуыздар бұлшықеттердің жиырылуы мен босаңсуына жауап беретін бұлшықет белоктары түрінде де кездеседі.
Белоктардың пьезоэлектрлік әсері олардың аминқышқылдарының күрделі құрылымынан тұратындығына байланысты. Бұл аминқышқылдары деформацияланғанда, олар электр зарядын тудырады. Содан кейін бұл электр заряды сенсорлар мен жетектер сияқты әртүрлі құрылғыларды қуаттандыру үшін пайдаланылуы мүмкін.
Ақуыздар сонымен қатар әртүрлі медицинада қолданылады. Мысалы, олар ағзадағы белгілі бір ақуыздардың болуын анықтау үшін қолданылады, олар ауруларды диагностикалау үшін қолданылады. Олар сондай-ақ инфекцияларды диагностикалау үшін қолданылатын кейбір бактериялар мен вирустардың болуын анықтау үшін қолданылады.
Ақуыздар әртүрлі өнеркәсіптік қолданбаларда да қолданылады. Мысалы, олар әртүрлі өндірістік процестер үшін сенсорлар мен жетектерді жасау үшін қолданылады. Олар сондай-ақ ұшақтар мен басқа көлік құралдарын жасауда қолдануға болатын материалдарды жасау үшін қолданылады.
Қорытындылай келе, ақуыздар әртүрлі қолданбаларда қолдануға болатын бірегей пьезоэлектрлік материал болып табылады. Олар аминқышқылдарының күрделі құрылымынан тұрады, олар электр зарядын қалыптастыру үшін деформациялануы мүмкін және олар әртүрлі медициналық және өнеркәсіптік қолданбаларда қолданылады.
Пьезоэлектрмен энергия жинау
Бұл бөлімде мен пьезоэлектр энергиясын энергияны жинау үшін қалай пайдалануға болатынын талқылайтын боламын. Мен пьезоэлектрлік сиялы басып шығарудан бастап сағат генераторлары мен микробаланстарға дейін пьезоэлектрдің әртүрлі қолданбаларын қарастыратын боламын. Мен сондай-ақ пьезоэлектрдің тарихын, оны Пьер Кюри ашқаннан бастап, Екінші дүниежүзілік соғыста қолдануға дейін зерттейтін боламын. Соңында мен пьезоэлектрлік өнеркәсіптің қазіргі жағдайын және одан әрі өсу әлеуетін талқылайтын боламын.
Пьезоэлектрлік сиямен басып шығару
Пьезоэлектрлік - белгілі бір материалдардың қолданылатын механикалық кернеуге жауап ретінде электр зарядын тудыру қабілеті. «Пьезоэлектр» сөзі гректің «пьезеин» (сығу немесе басу) және электр зарядының ежелгі көзі «электрон» (янтарь) сөздерінен шыққан. Кристаллдар, керамика сияқты пьезоэлектрлік материалдар және сүйек пен ДНҚ сияқты биологиялық заттар әртүрлі қолданбаларда қолданылады.
Пьезоэлектр жоғары вольтты электр энергиясын өндіру үшін, сағат генераторы ретінде, электронды құрылғыларда және микробаланстарда қолданылады. Ол сондай-ақ ультрадыбыстық саптамаларды және ультра жұқа фокустаушы оптикалық жинақтарды жүргізу үшін қолданылады. Пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару - бұл технологияның танымал қолданбасы. Бұл жоғары жиілікті діріл жасау үшін пьезоэлектрлік кристалдарды пайдаланатын басып шығару түрі, ол бетке сия тамшыларын шығару үшін қолданылады.
Пьезоэлектрдің ашылуы 1880 жылы француз физиктері Жак пен Пьер Кюри әсерді ашқан кезден басталады. Содан бері пьезоэлектрлік эффект әртүрлі пайдалы қолданбалар үшін пайдаланылды. Пьезоэлектр тогы газды пісіру және жылыту құрылғылары, шамдар, темекі тұтандырғыштары және электронды күшейтілген гитаралардағы пикаптар және заманауи электронды барабандардағы триггерлер сияқты күнделікті заттарда қолданылады.
Пьезоэлектриктер ғылыми зерттеулерде де қолданылады. Ол атомдар масштабындағы кескіндерді шешу үшін қолданылатын зондты микроскоптарды сканерлеудің негізі болып табылады. Ол сондай-ақ материалға ультрадыбыстық импульстарды жіберетін және үзілістерді анықтау және құйылған металл және тас заттардың ішіндегі кемшіліктерді табу үшін шағылысуларды өлшейтін ультрадыбыстық уақыт доменінің рефлекторларында қолданылады.
Пьезоэлектрлік құрылғылар мен материалдардың дамуы өнімділікті жақсарту және өндіріс процестерін жеңілдету қажеттілігінен туындады. Америка Құрама Штаттарында коммерциялық мақсатта кварц кристалдарының дамуы пьезоэлектрлік өнеркәсіптің өсуінің негізгі факторы болды. Керісінше, жапондық өндірушілер ақпаратпен жылдам бөлісіп, жаңа қосымшаларды дамыта алды, бұл жапон нарығының жылдам өсуіне әкелді.
Пьезоэлектр энергияны пайдалану жолында, оттық сияқты күнделікті заттардан озық ғылыми зерттеулерге дейін төңкеріс жасады. Бұл бізге жаңа материалдар мен қосымшаларды зерттеуге және әзірлеуге мүмкіндік беретін әмбебап технология және ол алдағы жылдар бойы өміріміздің маңызды бөлігі болып қала береді.
Жоғары вольтты электр энергиясын өндіру
Пьезоэлектрлік - белгілі бір қатты материалдардың қолданылған механикалық кернеуге жауап ретінде электр зарядын жинақтау қабілеті. «Пьезоэлектрлік» сөзі гректің «сығу» немесе «басу» дегенді білдіретін «piezein» және электр зарядының ежелгі көзі «янтарь» дегенді білдіретін «ēlektron» сөздерінен шыққан. Пьезоэлектрлік - инверсиялық симметриялы кристалдық материалдардағы механикалық және электрлік күйлер арасындағы сызықтық электромеханикалық әрекеттесу.
Пьезоэлектрлік эффект қайтымды процесс; пьезоэлектрлік әсер ететін материалдар сонымен қатар кері пьезоэлектрлік әсерді, қолданылатын электр өрісінің нәтижесінде пайда болатын механикалық деформацияның ішкі генерациясын көрсетеді. Мысалы, қорғасын цирконат титанаты кристалдары олардың статикалық құрылымы бастапқы өлшемінен деформацияланған кезде өлшенетін пьезоэлектр қуатын тудырады. Керісінше, кристалдар сыртқы электр өрісі әсер еткенде өздерінің статикалық өлшемін өзгерте алады, бұл құбылыс кері пьезоэлектрлік эффект деп аталады, ол ультрадыбыстық толқындарды өндіруде қолданылады.
Пьезоэлектрлік эффект әртүрлі қосымшаларда, соның ішінде жоғары вольтты электр энергиясын өндіруде қолданылады. Пьезоэлектрлік материалдар дыбысты шығаруда және анықтауда, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығаруда, сағат генераторларында, электронды құрылғыларда, микробаланстарда, жетек ультрадыбыстық саптамаларында және өте жұқа фокустау оптикалық жинақтарында қолданылады.
Пьезоэлектрлік күнделікті қолдануда, мысалы, пісіру және жылыту құрылғыларында, алауларда, темекі тұтандырғыштарында және температураның өзгеруіне жауап ретінде электр потенциалын тудыратын пироэлектрлік әсерлі материалдарда газды тұтандыру үшін ұшқын шығару сияқты қолданылады. Бұл әсерді Карл Линней мен Франц Эпинус 18 ғасырдың ортасында механикалық кернеу мен электр заряды арасындағы байланысты анықтаған Рене Хаю мен Антуан Сезар Беккерельдің біліміне сүйене отырып зерттеді, бірақ олардың тәжірибелері нәтиже бермеді.
Пироэлектрлік білім және негізгі кристалдық құрылымдарды түсіну пироэлектрді болжауға және кристалдық әрекетті болжауға мүмкіндік берді. Бұл турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерімен көрсетілді. Натрий калий тартратының тетрагидраты мен кварцы да пьезоэлектрлік қасиетін көрсетті, деформацияланған кезде кернеуді генерациялау үшін пьезоэлектрлік диск пайдаланылды. Бұл тікелей пьезоэлектрлік әсерді Кюридің демонстрациясында өте асыра көрсетті.
Ағайынды Пьер мен Жак Кюри пьезоэлектрлік кристалдардағы электроэласто-механикалық деформациялардың толық қайтымдылығының сандық дәлелін алуды жалғастырды. Ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік зертханалық қызығушылық болып қала берді, бірақ ол Пьер мен Мари Кюридің полоний мен радийді ашудағы маңызды құралы болды. Олардың пьезоэлектрлік энергияны көрсететін кристалдық құрылымдарды зерттеу және анықтау жұмыстары Волдемар Фойгтың Лербух дер Кристаллфизик (Кристалл физикасы оқулығы) басылымында аяқталды, онда пьезоэлектрлік қабілетті табиғи кристалл сыныптары сипатталған және пьезоэлектрлік тұрақтыларды қолдану арқылы қатаң анықталған.
Пьезоэлектрлік құрылғылардың практикалық қолданылуы Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде сонардың дамуымен басталды. Францияда Пол Лангевин және оның әріптестері ультрадыбыстық суасты қайық детекторын жасады. Детектор болат пластиналарға мұқият желімделген жұқа кварц кристалдарынан жасалған түрлендіргіштен және қайтарылған жаңғырықты анықтауға арналған гидрофоннан тұрды. Түрлендіргіштен жоғары жиілікті импульс шығару және объектіден секірген дыбыс толқындарының жаңғырығын естуге кететін уақытты өлшеу арқылы олар объектінің қашықтығын есептей алды. Олар сонарды сәтті ету үшін пьезоэлектрді пайдаланды және жоба келесі онжылдықтарда пьезоэлектрлік құрылғыларға қарқынды даму мен қызығушылық тудырды.
Жаңа пьезоэлектрлік материалдар және осы материалдарға арналған жаңа қолданбалар зерттелді және әзірленді. Пьезоэлектрлік құрылғылар әр түрлі салаларда үйлер тапты, мысалы, керамикалық фонограф картридждері, бұл ойнатқыштың дизайнын жеңілдетіп, арзанырақ, дәлірек ойнатқыштарды жасауға мүмкіндік берді, оларға техникалық қызмет көрсету арзанырақ және құрастыру оңай. Ультрадыбыстық түрлендіргіштердің дамуы сұйықтықтар мен қатты заттардың тұтқырлығы мен серпімділігін оңай өлшеуге мүмкіндік берді, нәтижесінде материалдарды зерттеуде үлкен жетістіктер болды. Ультрадыбыстық уақыт доменінің рефлекторлары материалға ультрадыбыстық импульс жібереді және құрылымдық қауіпсіздікті арттыра отырып, құйылған металл және тастан жасалған заттардың ішіндегі кемшіліктерді табу үшін шағылысулар мен үзілістерді өлшейді.
Екінші дүниежүзілік соғыс АҚШ, Ресей және Жапониядағы тәуелсіз зерттеу топтары fer деп аталатын синтетикалық материалдардың жаңа класын ашты.
Сағат генераторы
Пьезоэлектрлік - белгілі бір материалдардың қолданылатын механикалық кернеуге жауап ретінде электр зарядын жинақтау қабілеті. Бұл құбылыс бірқатар пайдалы қолданбаларды, соның ішінде сағат генераторларын жасау үшін пайдаланылды. Сағат генераторлары - дәл уақытты белгілейтін электр сигналдарын генерациялау үшін пьезоэлектр энергиясын пайдаланатын құрылғылар.
Сағат генераторлары компьютерлерде, телекоммуникацияларда және автомобиль жүйелерінде сияқты әртүрлі қолданбаларда қолданылады. Олар сондай-ақ электр сигналдарының дәл уақытын қамтамасыз ету үшін кардиостимуляторлар сияқты медициналық құрылғыларда қолданылады. Сағат генераторлары өнеркәсіптік автоматтандыру мен робототехникада да қолданылады, мұнда дәл уақытты белгілеу маңызды.
Пьезоэлектрлік эффект инверсиялық симметриялы кристалды материалдардағы механикалық және электрлік күйлер арасындағы сызықтық электромеханикалық әсерлесуге негізделген. Бұл әсер қайтымды, яғни пьезоэлектрлік материалдар электр өрісі қолданылған кезде де механикалық кернеу тудыруы мүмкін. Бұл кері пьезоэлектрлік эффект ретінде белгілі және ультрадыбыстық толқындарды шығару үшін қолданылады.
Сағат генераторлары бұл кері пьезоэлектрлік әсерді дәл уақытты анықтайтын электр сигналдарын жасау үшін пайдаланады. Пьезоэлектрлік материал электр өрісінің әсерінен деформацияланады, бұл оның белгілі бір жиілікте дірілдеуіне әкеледі. Содан кейін бұл діріл электрлік сигналға айналады, ол дәл уақыт сигналын жасау үшін қолданылады.
Сағат генераторлары медициналық құрылғылардан өнеркәсіптік автоматтандыруға дейін әртүрлі қолданбаларда қолданылады. Олар сенімді, дәл және пайдалану оңай, сондықтан оларды көптеген қолданбалар үшін танымал таңдау жасайды. Пьезоэлектрлік заманауи технологияның маңызды бөлігі болып табылады, ал сағаттық генераторлар бұл құбылыстың көптеген қосымшаларының бірі ғана.
Электрондық құрылғылар
Пьезоэлектрлік - белгілі бір қатты материалдардың қолданылған механикалық кернеуге жауап ретінде электр зарядын жинақтау қабілеті. Пьезоэлектрлік эффект деп аталатын бұл құбылыс электронды түрде күшейтілген гитаралардағы пикаптардан қазіргі заманғы электронды барабандардағы триггерлерге дейін әртүрлі электронды құрылғыларда қолданылады.
Пьезоэлектрлік гректің «сығу» немесе «басу» дегенді білдіретін πιέζειν (piezein) және ἤλεκτρον (ēlektron) — «янтарь» дегенді білдіреді, электр зарядының көне көзі болып табылатын грек сөздерінен шыққан. Пьезоэлектрлік материалдар - бұл пьезоэлектрлік әсер көрсететін кристалдар, керамика және сүйек және ДНҚ ақуыздары сияқты биологиялық заттар.
Пьезоэлектрлік эффект - инверсиялық симметриялы кристалдық материалдардағы механикалық және электрлік күйлер арасындағы сызықтық электромеханикалық әсерлесу. Бұл қайтымды процесс, яғни пьезоэлектрлік әсер көрсететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді де көрсетеді, яғни қолданылатын электр өрісі нәтижесінде механикалық деформацияның ішкі генерациясы. Мысалы, қорғасын цирконат титанаты кристалдары олардың статикалық құрылымы бастапқы өлшемінен деформацияланған кезде өлшенетін пьезоэлектр қуатын тудырады. Керісінше, кристалдар сыртқы электр өрісі әсер еткенде өздерінің статикалық өлшемін өзгерте алады, бұл құбылыс кері пьезоэлектрлік эффект деп аталады, ол ультрадыбыстық толқындарды өндіруде қолданылады.
Пьезоэлектрдің ашылуы 1880 жылы тікелей пьезоэлектрлік эффектті көрсеткен француз физигі Пьер мен Жак Кюриге тиесілі. Олардың пироэлектрлік туралы бірлескен білімі және негізгі кристалдық құрылымдарды түсінуі пироэлектрлік әсерді болжауға мүмкіндік берді және кристалдардың әрекеті турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерімен көрсетілді.
Пьезоэлектрлік әртүрлі күнделікті қолдануда, мысалы, пісіру және жылыту құрылғыларында, алауларда, темекі тұтандырғыштарында және температураның өзгеруіне жауап ретінде электр потенциалын тудыратын пироэлектрлік әсерлі материалдарда газды тұтандыру үшін ұшқын шығару сияқты қолданылады. Мұны 18 ғасырдың ортасында Карл Линней мен Франц Аэпинус механикалық кернеу мен электр заряды арасындағы қатынасты анықтаған Рене Хауи мен Антуан Сезар Беккерельдің біліміне сүйене отырып зерттеді. Шотландиядағы Кюри компенсаторлық мұражайында пьезокристалды көру ағайынды Кюрилердің тікелей пьезоэлектрлік әсерін көрсеткенше эксперименттер нәтижесіз болды.
Пьезоэлектрлік әртүрлі электронды құрылғыларда, электронды күшейтілген гитаралардағы пикаптардан қазіргі заманғы электронды барабандардағы триггерлерге дейін қолданылады. Ол сондай-ақ дыбысты, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығаруды өндіру және анықтау, жоғары вольтты электр энергиясын өндіру, сағат генераторлары, микробаланстар, жетек ультрадыбыстық саптамалар және ультра жұқа фокустау оптикалық жинақтар үшін қолданылады. Пьезоэлектрлік сонымен қатар атомдар масштабындағы кескіндерді шешу үшін қолданылатын зондтық микроскоптарды сканерлеудің негізі болып табылады.
Микробаланс
Пьезоэлектрлік - белгілі бір қатты материалдардың қолданылған механикалық кернеуге жауап ретінде электр зарядын жинақтау қабілеті. Пьезоэлектрлік гректің πιέζειν (piezein), «сығу» немесе «басу» деген сөздерінен және ἤλεκτρον (ēlektron), электр зарядының ежелгі көзі «янтарь» дегенді білдіреді.
Пьезоэлектрлік әртүрлі күнделікті қолдануда қолданылады, мысалы, тамақ пісіру және жылыту құрылғылары, алаулар, темекі тұтандырғыштары және т.б. үшін газды тұтандыру үшін ұшқын шығару. Ол сондай-ақ дыбысты шығаруда және анықтауда, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығаруда қолданылады.
Пьезоэлектрлік жоғары вольтты электр энергиясын өндіру үшін де қолданылады және микробаланстар сияқты сағаттық генераторлар мен электронды құрылғылардың негізі болып табылады. Пьезоэлектрлік ультрадыбыстық саптамаларды және ультра жұқа фокустаушы оптикалық жинақтарды жүргізу үшін де қолданылады.
Пьезоэлектрдің ашылуы 1880 жылы француз физиктері Жак пен Пьер Кюридің еңбегі. Олар кристалдық әрекетті болжай алды және турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардағы әсерін көрсетті.
Пьезоэлектрлік эффект пайдалы қолданбалар үшін, соның ішінде дыбысты шығару және анықтау үшін пайдаланылды. Бірінші дүниежүзілік соғыс кезіндегі сонардың дамуы пьезоэлектр энергиясын пайдаланудағы үлкен жетістік болды. Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін АҚШ, Ресей және Жапониядағы тәуелсіз зерттеу топтары табиғи материалдардан он есе жоғары пьезоэлектрлік тұрақтыларды көрсететін ферроэлектриктер деп аталатын синтетикалық материалдардың жаңа класын ашты.
Бұл барий титанатын және кейінірек белгілі бір қолдану үшін ерекше қасиеттерге ие қорғасын цирконат титанат материалдарын қарқынды зерттеуге және дамытуға әкелді. Пьезоэлектрлік кристалдарды қолданудың маңызды мысалы Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін Bell телефон зертханаларында жасалды.
Фредерик Р. Лак радиотелефония инженерия бөлімінде жұмыс істеп, температураның кең диапазонында жұмыс істейтін кесілген кристалды жасады. Лактың кристалы бұрынғы кристалдардың ауыр аксессуарларын қажет етпеді, бұл оны ұшақтарда пайдалануды жеңілдетеді. Бұл даму одақтас әуе күштеріне авиациялық радионы қолдана отырып, келісілген жаппай шабуылдар жасауға мүмкіндік берді.
Америка Құрама Штаттарында пьезоэлектрлік құрылғылар мен материалдардың дамуы бірнеше компанияны бизнесте ұстады, ал кварц кристалдарын дамыту коммерциялық мақсатта пайдаланылды. Содан бері пьезоэлектрлік материалдар әртүрлі қолданбаларда, соның ішінде медициналық бейнелеу, ультрадыбыстық тазалау және т.б. қолданылды.
Ультрадыбыстық саптама
Пьезоэлектрлік - бұл кристалдар, керамика және сүйек пен ДНҚ сияқты биологиялық заттар сияқты белгілі бір қатты материалдарда жинақталатын электр заряды. Бұл қолданылған механикалық кернеуге жауап болып табылады және гректің «сығу» немесе «басу» дегенді білдіретін «пьезеин» және электр зарядының ежелгі көзі «янтарь» дегенді білдіретін «электрон» сөздерінен шыққан.
Пьезоэлектрлік эффект - инверсиялық симметриялы кристалдық материалдардың механикалық және электрлік күйлері арасындағы сызықтық электромеханикалық әсерлесу. Бұл қайтымды процесс, яғни пьезоэлектрлік әсер көрсететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді де көрсетеді, яғни қолданылатын электр өрісінің нәтижесінде механикалық деформацияның ішкі генерациясы. Бұған мысал ретінде олардың статикалық құрылымы бастапқы өлшемінен деформацияланған кезде өлшенетін пьезоэлектрлік генерациялайтын қорғасын цирконат титанаты кристалдары табылады. Керісінше, сыртқы электр өрісі әсер еткенде, кристалдар өздерінің статикалық өлшемін өзгертеді, нәтижесінде кері пьезоэлектрлік әсер пайда болады, бұл ультрадыбыстық толқындардың пайда болуы.
Француз физиктері Жак пен Пьер Кюри 1880 жылы пьезоэлектриканы ашты, содан бері ол әртүрлі пайдалы қолданбалар үшін, соның ішінде дыбысты шығару және анықтау үшін пайдаланылды. Пьезоэлектрлік сонымен қатар тамақ пісіру және жылыту құрылғыларында, алауларда, темекі тұтандырғыштарында және т.б. газды жағу үшін ұшқын шығару сияқты күнделікті пайдалануды табады.
Температураның өзгеруіне жауап ретінде электр потенциалын тудыратын материал болып табылатын пироэлектрлік эффектті Карл Линней, Франц Аэпинус зерттеп, 18 ғасырдың ортасында Рене Хаю мен Антуан Сезар Беккерельдің механикалық кернеу мен механикалық кернеулер арасындағы байланысты тұжырымдаған білімін алған. электр заряды. Мұны дәлелдейтін эксперименттер нәтижесіз болды.
Шотландиядағы Хантер мұражайындағы Кюри компенсаторындағы пьезокристалдың көрінісі ағайынды Пьер мен Жак Кюридің тікелей пьезоэлектрлік әсерінің демонстрациясы болып табылады. Пироэлектр туралы білімдерін біріктіру және негізгі кристалдық құрылымдарды түсіну пироэлектрлік болжамды тудырды және оларға кристалдық әрекетті болжауға мүмкіндік берді. Бұл турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерімен көрсетілді. Натрий және калий тартраты тетрагидраты мен кварц пьезоэлектрлік қасиетін көрсетті және деформацияланған кезде кернеуді генерациялау үшін пьезоэлектрлік диск пайдаланылды. Мұны 1881 жылы Габриэль Липпман іргелі термодинамикалық принциптерден математикалық түрде шығарған кері пьезоэлектрлік эффектіні болжау үшін Кюрилер қатты асыра айтты.
Кюрилер кері әсердің бар екенін бірден растады және пьезоэлектрлік кристалдардағы электроэласто-механикалық деформациялардың толық қайтымдылығының сандық дәлелін алуға көшті. Ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік зертханалық қызығушылық болып қала берді, бірақ Пьер мен Мари Кюридің пьезоэлектрлік әсер ететін кристалдық құрылымдарды зерттеу және анықтау жұмыстарында полоний мен радийді ашудың маңызды құралы болды. Бұл пьезоэлектрлік қабілетті табиғи кристалдық кластарды сипаттайтын және тензорлық талдау арқылы пьезоэлектрлік тұрақтыларды қатаң анықтайтын Вольдемар Фойгтың Лербух дер Кристаллфизик (Кристалл физикасы оқулығы) еңбегін жариялаумен аяқталды.
Пьезоэлектрлік құрылғылардың практикалық қолданылуы Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде жасалған сонардан басталды. Францияда Пол Лангевин және оның әріптестері ультрадыбыстық суасты қайық детекторын жасады. Детектор жоғары жиілікті импульс шығарғаннан кейін қайтарылған жаңғырықты анықтау үшін гидрофон деп аталатын болат пластиналарға мұқият желімделген жұқа кварц кристалдарынан жасалған түрлендіргіштен тұрды. Объектіден секірген дыбыс толқындарының жаңғырығын естуге кететін уақытты өлшеу арқылы олар нысанның қашықтығын есептей алады. Сонардағы пьезоэлектрді пайдалану сәтті болды және жоба ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік құрылғыларға қарқынды даму мен қызығушылық тудырды.
Жаңа пьезоэлектрлік материалдар және осы материалдарға арналған жаңа қолданбалар зерттелді және әзірленді, ал пьезоэлектрлік құрылғылар керамикалық фонограф картридждері сияқты салаларда үйлерді тапты, бұл ойнатқыштың дизайнын жеңілдетіп, арзанырақ, дәлірек ойнатқыштар жасады, оларды ұстау арзанырақ және құрастыру оңай болды. . Ультрадыбыстық түрлендіргіштердің дамуы сұйықтықтар мен қатты заттардың тұтқырлығы мен серпімділігін оңай өлшеуге мүмкіндік берді, нәтижесінде материалдарды зерттеуде үлкен жетістіктер болды. Ультрадыбыстық уақыт доменінің рефлекторлары материал арқылы ультрадыбыстық импульс жібереді және құйылған металл және тастан жасалған заттардың ішіндегі кемшіліктерді табу үшін шағылысулар мен үзілістерді өлшейді.
Өте жұқа фокустаушы оптикалық жинақтар
Пьезоэлектрлік - белгілі бір материалдардың механикалық кернеуге ұшыраған кезде электр зарядын жинақтау қабілеті. Бұл инверсиялық симметриялы кристалдық материалдардың электрлік және механикалық күйлері арасындағы сызықтық электромеханикалық әрекеттесу. Пьезоэлектрлік - бұл қайтымды процесс, яғни пьезоэлектрлік әсер ететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді көрсетеді, ол қолданылатын электр өрісінің нәтижесінде пайда болатын механикалық деформацияның ішкі генерациясы.
Пьезоэлектрлік әртүрлі қолданбаларда, соның ішінде дыбысты өндіру мен анықтауда және жоғары вольтты электр энергиясын өндіруде қолданылды. Пьезоэлектрлік сонымен қатар сия бүріккіш басып шығаруда, сағат генераторларында, электронды құрылғыларда, микробаланстарда, ультрадыбыстық саңылауларда және ультра жұқа фокустау оптикалық жинақтарында қолданылады.
Пьезоэлектрді 1880 жылы француз физиктері Жак пен Пьер Кюри ашты. Пьезоэлектрлік эффект дыбыс шығару және анықтау, жоғары вольтты электр энергиясын өндіру сияқты пайдалы қолданбаларда қолданылады. Пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару, сондай-ақ сағат генераторлары, электронды құрылғылар, микробаланстар, жетек ультрадыбыстық саңылаулар және өте жұқа фокустау оптикалық жинақтары қолданылады.
Пьезоэлектр энергиясы күнделікті қолдануда өз жолын тапты, мысалы, пісіру және жылыту құрылғыларына, алауларға, темекі тұтандырғыштарына және температураның өзгеруіне жауап ретінде электр қуатын тудыратын пироэлектрлік эффектілерге арналған газды тұтандыру үшін ұшқын шығару. Бұл әсерді Карл Линней мен Франц Аэпинус 18 ғасырдың ортасында механикалық кернеу мен электр заряды арасындағы қатынасты анықтаған Рене Хауи мен Антуан Сезар Беккерельдің біліміне сүйене отырып зерттеді. Тәжірибелер нәтижесіз болып шықты.
Шотландиядағы Хантер мұражайындағы Кюри компенсаторындағы пьезокристалдың көрінісі ағайынды Пьер мен Жак Кюридің тікелей пьезоэлектрлік әсерінің демонстрациясы болып табылады. Пироэлектрлік туралы білімдерімен және кристалдық құрылымдарды түсінуімен біріктірілген олар пироэлектрлік болжамды және кристалдық әрекетті болжау мүмкіндігін тудырды. Бұл турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерінен көрсетілді.
Натрий мен калий тартратының тетрагидраты, кварц пен Рошель тұзы пьезоэлектрлік қуат көрсетті, ал пьезоэлектрлік диск деформацияланған кезде кернеуді генерациялау үшін пайдаланылды, дегенмен пішіннің өзгеруі өте жоғары болды. Кюрилер қарама-қарсы пьезоэлектрлік эффектіні болжады, ал кері әсерді 1881 жылы Габриэль Липпман іргелі термодинамикалық принциптерден математикалық түрде шығарды. Кюрилер кері әсердің бар екенін бірден растады және электро-электрлік әсердің толық қайтымдылығының сандық дәлелін алуға көшті. пьезоэлектрлік кристалдардағы эластомеханикалық деформациялар.
Пьер мен Мари Кюри полоний мен радийді ашуда маңызды құрал болғанға дейін ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік зертханалық қызығушылық болып қала берді. Олардың пьезоэлектрлік тогы бар кристалдық құрылымдарды зерттеу және анықтау жұмыстары Волдемар Фойгтың Лербух дер Кристаллфизик (Кристал физикасы оқулығы) жарияланымымен аяқталды. Бұл пьезоэлектрлік қабілетті табиғи кристалдық сыныптарды сипаттады және пьезоэлектрлік құрылғыларды практикалық қолдану үшін тензорлық талдауды қолдана отырып, пьезоэлектрлік тұрақтыларды қатаң түрде анықтады.
Сонардың дамуы пьезоэлектрлік құрылғылардың қарқынды дамуы мен қызығушылығын тудырған сәтті жоба болды. Ондаған жылдардан кейін жаңа пьезоэлектрлік материалдар мен осы материалдарға арналған жаңа қолданбалар зерттелді және әзірленді. Пьезоэлектрлік құрылғылар әр түрлі салаларда үйлерді тапты, мысалы, керамикалық фонограф картридждері, бұл плеер дизайнын жеңілдетіп, пластинка ойнатқыштарын арзанырақ етіп, техникалық қызмет көрсету мен салуды жеңілдетеді. Ультрадыбыстық түрлендіргіштердің дамуы сұйықтықтар мен қатты заттардың тұтқырлығы мен серпімділігін оңай өлшеуге мүмкіндік берді, нәтижесінде материалдарды зерттеуде үлкен жетістіктер болды. Ультрадыбыстық уақыт доменінің рефлекторлары материалға ультрадыбыстық импульс жібереді және құрылымдық қауіпсіздікті арттыра отырып, құйылған металл және тастан жасалған заттардың ішіндегі кемшіліктерді табу үшін шағылысулар мен үзілістерді өлшейді.
Пьезоэлектрлік қызығушылықтар саласының бастамасы пьезоэлектрлік материал ретінде коммерциялық мақсатта пайдаланылған кварц кристалдарынан жасалған жаңа материалдардың пайдалы патенттерімен қамтамасыз етілді. Ғалымдар өнімділігі жоғары материалдарды іздеді және материалдардағы жетістіктерге және өндірістік процестердің жетілуіне қарамастан, Америка Құрама Штаттарының нарығы тез өспеді. Керісінше, жапондық өндірушілер ақпаратпен жылдам бөлісті және Америка Құрама Штаттарының пьезоэлектрлік өнеркәсібіндегі өсу үшін жаңа қосымшалар жапондық өндірушілерге қарағанда зардап шекті.
Пьезоэлектрлік қозғалтқыштар
Бұл бөлімде мен пьезоэлектрдің заманауи технологияда қалай қолданылатыны туралы айтатын боламын. Атомдар масштабындағы кескіндерді шеше алатын сканерлеуші зонд микроскоптарынан бастап электронды күшейтілген гитараларға арналған пикаптарға және заманауи электронды барабандарға арналған триггерлерге дейін пьезоэлектрлік көптеген құрылғылардың ажырамас бөлігіне айналды. Мен пьезоэлектрдің тарихын және оның әртүрлі қолданбаларда қалай қолданылғанын зерттеймін.
Формалар Сканерлеуші зондты микроскоптардың негізі
Пьезоэлектрлік - бұл кристалдар, керамика және сүйек пен ДНҚ сияқты биологиялық заттар сияқты белгілі бір қатты материалдарда жинақталатын электр заряды. Бұл қолданылатын механикалық кернеуге жауап болып табылады және пьезоэлектрлік сөз гректің πιέζειν (пьезеин) «сығу» немесе «басу» деген сөзінен және ἤλεκτρον (ēlektron) «янтарь» дегенді білдіреді, электр зарядының ежелгі көзі.
Пьезоэлектрлік қозғалтқыштар - қозғалысты жасау үшін пьезоэлектрлік әсерді пайдаланатын құрылғылар. Бұл әсер инверсиялық симметриялы кристалды материалдардағы механикалық және электрлік күйлер арасындағы сызықтық электромеханикалық әрекеттесу болып табылады. Бұл қайтымды процесс, яғни пьезоэлектрлік әсер көрсететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді де көрсетеді, яғни қолданылатын электр өрісі нәтижесінде механикалық деформацияның ішкі генерациясы. Өлшенетін пьезоэлектрлік энергияны тудыратын материалдардың мысалдары қорғасын цирконат титанатының кристалдары болып табылады.
Пьезоэлектрлік эффект дыбысты өндіру және анықтау, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару, жоғары вольтты электр энергиясын өндіру, сағат генераторлары және микробаланстар мен ультрадыбыстық саңылаулар сияқты өте жұқа фокустау оптикалық жинақтарға арналған жетек ультрадыбыстық саптамалар сияқты пайдалы қолданбаларда пайдаланылады. Ол сондай-ақ атомдар масштабындағы кескіндерді шешу үшін қолданылатын сканерлеуші зонд микроскоптарының негізін құрайды.
Пьезоэлектрді 1880 жылы француз физиктері Жак пен Пьер Кюри ашты. Пьезокристалдың және Кюри компенсаторының көрінісін Шотландиядағы Хантер мұражайында көруге болады, бұл ағайынды Пьер мен Жак Кюридің тікелей пьезоэлектрлік әсерінің демонстрациясы болып табылады.
Пироэлектрлік туралы білімдерін және олардың кристалдық құрылымдарды түсінуін біріктіру пироэлектрлік болжамды тудырды, бұл оларға кристалдық әрекетті болжауға мүмкіндік берді. Бұл турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерімен көрсетілді. Натрий және калий тартраты тетрагидраты, кварц пен Рошель тұзы пьезоэлектрлік қуат көрсетті, ал деформацияланған кезде кернеуді генерациялау үшін пьезоэлектрлік диск пайдаланылды, бірақ бұл Кюрилер тарапынан өте жоғарылатылды.
Олар сонымен қатар қарама-қарсы пьезоэлектрлік эффектіні болжаған және оны 1881 жылы Габриэль Липпман іргелі термодинамикалық принциптерден математикалық түрде шығарған. Кюрилер кері әсердің бар екенін бірден растады және электроэластоэффекттің толық қайтымдылығының сандық дәлелін алуға көшті. пьезоэлектрлік кристалдардағы механикалық деформациялар.
Пьер мен Мари Кюри полоний мен радийді ашуда маңызды құрал болғанға дейін ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік зертханалық қызығушылық болып қала берді. Олардың пьезоэлектрлік тогы бар кристалдық құрылымдарды зерттеу және анықтау жұмыстары Волдемар Фойгтың Лербух дер Кристаллфизик (Кристалл физикасы оқулығы) басылымымен аяқталды, онда пьезоэлектрлік қабілетті табиғи кристалдар класстары сипатталған және пьезоэлектрлік талдаулар мен тензорлық тұрақтылар қатаң анықталған.
Бұл Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде жасалған сонар сияқты пьезоэлектрлік құрылғылардың практикалық қолданылуына әкелді. Францияда Пол Лангевин және оның әріптестері ультрадыбыстық сүңгуір қайық детекторын жасады. Бұл детектор болат пластиналарға мұқият желімделген жұқа кварц кристалдарынан жасалған түрлендіргіштен және түрлендіргіштен жоғары жиілікті импульс шығарғаннан кейін қайтарылған жаңғырықты анықтауға арналған гидрофоннан тұрды. Объектіден секірген дыбыс толқындарының жаңғырығын естуге кететін уақытты өлшей отырып, олар нысанның қашықтығын есептей алды. Олар бұл сонарды сәтті ету үшін пьезоэлектрді пайдаланды және жоба ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік құрылғылардың қарқынды дамуы мен қызығушылығын тудырды.
Жаңа пьезоэлектрлік материалдар және осы материалдарға арналған жаңа қолданбалар зерттелді және әзірленді және пьезоэлектрлік құрылғылар керамикалық фонограф картридждері сияқты көптеген салаларда үйлерді тапты, бұл ойнатқыштың дизайнын жеңілдетеді және арзанырақ және техникалық қызмет көрсету оңайырақ болатын арзанырақ және дәлірек плеерлерді жасады. тұрғызу. Ультрадыбыстық түрлендіргіштердің дамуы сұйықтықтар мен қатты заттардың тұтқырлығы мен серпімділігін оңай өлшеуге мүмкіндік берді, нәтижесінде материалдарды зерттеуде үлкен жетістіктер болды. Ультрадыбыстық уақыт доменінің рефлекторлары материалға ультрадыбыстық импульс жібереді және құрылымдық қауіпсіздікті арттыра отырып, құйылған металл және тастан жасалған заттардың ішіндегі кемшіліктерді табу үшін шағылысулар мен үзілістерді өлшейді.
Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Біріккен тәуелсіз зерттеу топтары
Кескіндерді атомдар масштабында шешіңіз
Пьезоэлектрлік - бұл кристалдар, керамика және сүйек пен ДНҚ сияқты биологиялық заттар сияқты белгілі бір қатты материалдарда жинақталатын электр заряды. Бұл қолданылған механикалық кернеуге жауап болып табылады және гректің «пьезеин» сөзінен шыққан, сығу немесе басу дегенді білдіреді. Пьезоэлектрлік эффект инверсиялық симметриялы кристалды материалдардағы механикалық және электрлік күйлер арасындағы сызықтық электромеханикалық әрекеттесу нәтижесінде пайда болады.
Пьезоэлектрлік - бұл қайтымды процесс және пьезоэлектрлік әсер көрсететін материалдар сонымен қатар кері пьезоэлектрлік әсерді көрсетеді, ол қолданылатын электр өрісінің нәтижесінде пайда болатын механикалық штаммның ішкі генерациясы болып табылады. Бұған мысал ретінде олардың статикалық құрылымы бастапқы өлшемінен деформацияланған кезде өлшенетін пьезоэлектрлік энергияны тудыратын қорғасын цирконат титанаты кристалдары жатады. Керісінше, кристалдар кері пьезоэлектрлік эффект ретінде белгілі және ультрадыбыстық толқындарды өндіруде қолданылатын сыртқы электр өрісі әсер еткенде өздерінің статикалық өлшемін өзгертеді.
Француз физиктері Жак пен Пьер Кюри 1880 жылы пьезоэлектрлік энергияны ашты. Пьезоэлектрлік эффект дыбыс шығару және анықтау, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару, жоғары вольтты электр энергиясын өндіру, сағат генераторлары және электронды құрылғылар сияқты әртүрлі пайдалы қолданбалар үшін пайдаланылды. микробаланстарды және ультрадыбыстық саптамаларды жүргізеді. Ол сондай-ақ атомдар масштабындағы кескіндерді шешу үшін қолданылатын сканерлеуші зонд микроскоптарының негізін құрайды.
Пьезоэлектр тогы сонымен қатар күнделікті қолдануда қолданылады, мысалы, пісіру және жылыту құрылғыларында, алауларда, темекі тұтандырғыштарында және т.б. газды тұтандыру үшін ұшқын шығару. Температураның өзгеруіне жауап ретінде электр потенциалын тудыратын материал болып табылатын пироэлектрлік эффектті 18 ғасырдың ортасында Карл Линней мен Франц Эпинус зерттеген. Рене Хауи мен Антуан Сезар Беккерельдің біліміне сүйене отырып, олар механикалық кернеу мен электр заряды арасындағы байланысты тұжырымдады, бірақ олардың эксперименттері нәтижесіз болып шықты.
Глазгодағы аңшылар мұражайына келушілер ағайынды Пьер мен Жак Кюридің тікелей пьезоэлектрлік әсерінің демонстрациясы болып табылатын пьезокристалды Кюри компенсаторын көре алады. Пироэлектрлік білімдерімен және негізгі кристалдық құрылымдарды түсінуімен біріктірілген олар пироэлектрлік болжамды және кристалдық әрекетті болжау мүмкіндігін тудырды. Бұл турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерімен көрсетілді. Натрий және калий тартраты тетрагидраты, кварц пен Рошель тұзы пьезоэлектрлік қуат көрсетті, ал пьезоэлектрлік диск пішінінің өзгеруі айтарлықтай шамадан тыс болса да, деформацияланған кезде кернеу тудырады. Кюрилер қарама-қарсы пьезоэлектрлік эффектіні болжай алды, ал кері әсерді 1881 жылы Габриэль Липпман іргелі термодинамикалық принциптерден математикалық түрде шығарды.
Кюрилер кері әсердің бар екенін бірден растады және пьезоэлектрлік кристалдардағы электроэласто-механикалық деформациялардың толық қайтымдылығының сандық дәлелін алуға көшті. Ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік зертханалық қызығушылық болып қала берді, бірақ ол Пьер мен Мари Кюридің полоний мен радийді ашудағы маңызды құралы болды. Олардың пьезоэлектрлік тогы бар кристалдық құрылымдарды зерттеу және анықтау бойынша жұмысы Вольдемар Фойгтың Лербух дер Кристаллфизик (Кристал физикасы оқулығы) еңбегін жариялаумен аяқталды.
Пикаптар электронды түрде күшейтілген гитаралар
Пьезоэлектрлік қозғалтқыштар - электр энергиясын механикалық энергияға түрлендіру үшін пьезоэлектрлік әсерді пайдаланатын электр қозғалтқыштары. Пьезоэлектрлік эффект - белгілі бір материалдардың механикалық кернеуге ұшыраған кезде электр зарядын тудыру қабілеті. Пьезоэлектрлік қозғалтқыштар сағаттар мен сағаттар сияқты шағын құрылғыларды қуаттандырудан роботтар мен медициналық жабдықтар сияқты үлкенірек машиналарды қуаттандыруға дейін әртүрлі қолданбаларда қолданылады.
Пьезоэлектрлік қозғалтқыштар электронды күшейтілген гитараларда қолданылады. Бұл пикаптар гитара ішектерінің тербелістерін электрлік сигналға түрлендіру үшін пьезоэлектрлік әсерді пайдаланады. Содан кейін бұл сигнал күшейтіліп, гитара дыбысын шығаратын күшейткішке жіберіледі. Пьезоэлектрлік пикаптар қазіргі электронды барабандарда да қолданылады, онда олар барабан бастарының тербелісін анықтау және оларды электрлік сигналға түрлендіру үшін қолданылады.
Пьезоэлектрлік қозғалтқыштар сканерлеуші зонд микроскоптарында да қолданылады, олар пьезоэлектрлік әсерді пайдаланып, кішкентай зондты бет бойынша жылжытады. Бұл микроскопқа атомдар масштабындағы кескіндерді шешуге мүмкіндік береді. Пьезоэлектрлік қозғалтқыштар сия бүріккіш принтерлерде де қолданылады, мұнда олар басып шығару механизмін парақта алға және артқа жылжыту үшін қолданылады.
Пьезоэлектрлік қозғалтқыштар әртүрлі басқа қолданбаларда, соның ішінде медициналық құрылғыларда, автомобиль компоненттерінде және тұрмыстық электроникада қолданылады. Олар сондай-ақ өнеркәсіптік қолданбаларда, мысалы, дәл бөлшектерді өндіруде және күрделі компоненттерді құрастыруда қолданылады. Пьезоэлектрлік эффект ультрадыбыстық толқындарды өндіруде де қолданылады, олар медициналық бейнелеуде және материалдардың кемшіліктерін анықтауда қолданылады.
Жалпы, пьезоэлектрлік қозғалтқыштар шағын құрылғыларды қуаттандырудан үлкенірек машиналарды қуаттандыруға дейін кең ауқымда қолданылады. Олар электронды күшейтілген гитараларда, заманауи электронды барабандарда, сканерлеуші микроскоптарда, сиялы принтерлерде, медициналық құрылғыларда, автомобиль бөлшектерінде және тұрмыстық электроникада қолданылады. Пьезоэлектрлік эффект ультрадыбыстық толқындарды өндіруде және материалдардағы кемшіліктерді анықтауда да қолданылады.
Заманауи электронды барабандарды іске қосады
Пьезоэлектрлік - бұл кристалдар, керамика және сүйек пен ДНҚ сияқты биологиялық заттар сияқты белгілі бір қатты материалдарда жинақталатын электр заряды. Бұл қолданылатын механикалық кернеуге осы материалдардың жауабы. Пьезоэлектрлік сөз гректің «сығу немесе басу» дегенді білдіретін «пьезеин» сөзінен және электр зарядының ежелгі көзі «янтарь» дегенді білдіретін «электрон» сөзінен шыққан.
Пьезоэлектрлік қозғалтқыштар - қозғалысты жасау үшін пьезоэлектрлік әсерді пайдаланатын құрылғылар. Бұл әсер инверсиялық симметриялы кристалды материалдардың механикалық және электрлік күйлері арасындағы сызықтық электромеханикалық әрекеттесу нәтижесінде пайда болады. Бұл қайтымды процесс, яғни пьезоэлектрлік әсер көрсететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді де көрсетеді, яғни қолданылатын электр өрісінің нәтижесінде механикалық деформацияның ішкі генерациясы. Бұған мысал ретінде олардың статикалық құрылымы бастапқы өлшемінен деформацияланған кезде өлшенетін пьезоэлектрлік генерациялайтын қорғасын цирконат титанаты кристалдары табылады. Керісінше, сыртқы электр өрісі қолданылғанда, кристалдар өздерінің статикалық өлшемін өзгертіп, ультрадыбыстық толқындар шығарады.
Пьезоэлектрлік қозғалтқыштар әртүрлі күнделікті қолдануда қолданылады, мысалы:
• Пісіру және жылыту құрылғыларында газды тұтандыру үшін ұшқындардың пайда болуы
• Шамдар, темекі тұтандырғыштары және пироэлектрлік әсерлі материалдар
• Температураның өзгеруіне жауап ретінде электр потенциалын жасау
• Дыбысты шығару және анықтау
• Пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару
• Жоғары вольтты электр энергиясын өндіру
• Сағат генераторы және электронды құрылғылар
• Микробаланс
• Ультрадыбыстық саңылауларды және ультра жұқа фокустаушы оптикалық жинақтарды жүргізіңіз
• Сканерлеуші зондты микроскоптардың негізін құрайды
• Суреттерді атомдар масштабында шешу
• Электрондық күшейтілген гитараларды қабылдайды
• Заманауи электронды барабандарды іске қосады.
Пьезоэлектрлік түрлендіргіштерді электромеханикалық модельдеу
Бұл бөлімде мен пьезоэлектрлік түрлендіргіштерді электромеханикалық модельдеуді зерттейтін боламын. Мен пьезоэлектрдің ашылу тарихын, оның бар екенін дәлелдеген тәжірибелерді, пьезоэлектрлік құрылғылар мен материалдардың дамуын қарастыратын боламын. Мен сонымен қатар француз физиктері Пьер мен Жак Кюридің, Карл Линней мен Франц Эпиннің, Рене Хауи мен Антуан Сезар Беккерельдің, Габриэль Липпманның және Волдемар Фойгтың үлестерін талқылайтын боламын.
Француз физиктері Пьер мен Жак Кюри
Пьезоэлектрлік - бұл электр заряды кристалдар, керамика және сүйек пен ДНҚ сияқты биологиялық заттар сияқты белгілі бір қатты материалдарда жиналатын электромеханикалық құбылыс. Бұл заряд қолданылған механикалық кернеуге жауап ретінде пайда болады. «Пьезоэлектр» сөзі гректің «сығу немесе басу» дегенді білдіретін «пьезеин» сөзінен және электр зарядының көне көзі «янтарь» дегенді білдіретін «электрон» сөзінен шыққан.
Пьезоэлектрлік эффект инверсиялық симметриялы материалдардағы механикалық және электрлік күйлер арасындағы сызықтық электромеханикалық әсерлесу нәтижесінде пайда болады. Бұл әсер қайтымды, яғни пьезоэлектрлік әсер көрсететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді де көрсетеді, мұнда қолданылатын электр өрісіне жауап ретінде механикалық деформацияның ішкі генерациясы жасалады. Мысалы, қорғасын цирконат титанаты кристалдары олардың статикалық құрылымы бастапқы өлшемінен деформацияланған кезде өлшенетін пьезоэлектр қуатын тудырады. Керісінше, сыртқы электр өрісі қолданылған кезде кристалдар өздерінің статикалық өлшемін өзгертіп, кері пьезоэлектрлік эффект деп аталатын процесте ультрадыбыстық толқындар шығарады.
1880 жылы француз физиктері Пьер мен Жак Кюри пьезоэлектрлік эффектіні ашты және содан бері ол әртүрлі пайдалы қолданбалар үшін пайдаланылды, соның ішінде дыбысты өндіру және анықтау, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару, жоғары вольтты электр энергиясын өндіру, сағат генераторлары және электронды микробаланс және ультрадыбыстық саптамалар сияқты ультра жұқа фокустаушы оптикалық жинақтарға арналған құрылғылар. Ол сондай-ақ атомдар масштабындағы кескіндерді шеше алатын зондты микроскоптарды сканерлеуге негіз болады. Пьезоэлектрлік сонымен қатар электронды күшейтілген гитаралар үшін пикаптарда және заманауи электронды барабандарға арналған триггерлерде қолданылады.
Пьезоэлектрлік сонымен қатар тамақ пісіру және жылыту құрылғыларында, алауларда, темекі тұтандырғыштарында және т.б. газды тұтандыру үшін ұшқын шығару сияқты күнделікті пайдалануды табады. Температураның өзгеруіне жауап ретінде материал электр потенциалын тудыратын пироэлектрлік эффектті 18 ғасырдың ортасында Карл Линней мен Франц Эпинус зерттеген, олар арасындағы қатынасты анықтаған Рене Хауи мен Антуан Сезар Беккерельдің біліміне сүйене отырып. механикалық кернеу мен электр заряды, бірақ олардың эксперименттері нәтижесіз болды.
Пироэлектрлік туралы білімін негізгі кристалдық құрылымдарды түсінумен біріктіре отырып, Кюрилер пироэлектрлік болжамды тудырды және кристалдардың әрекетін болжай алды. Бұл турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерінен көрсетілді. Натрий калий тартратының тетрагидраты мен кварц пьезоэлектрлік қасиетін көрсетті. Пьезоэлектрлік диск деформацияланған кезде кернеуді тудырады, бірақ бұл Кюридің демонстрациясында өте асыра айтылған. Олар сонымен қатар қарама-қарсы пьезоэлектрлік эффектіні болжай алды және оны 1881 жылы Габриэль Липпманның негізгі термодинамикалық принциптерінен математикалық түрде шығара алды.
Кюрилер кері әсердің бар екенін бірден растады және пьезоэлектрлік кристалдардағы электроэласто-механикалық деформациялардың толық қайтымдылығының сандық дәлелін алуға көшті. Кейінгі онжылдықтарда пьезоэлектрлік Пьер мен Мари Кюридің полоний мен радийді ашудағы маңызды құралы болғанға дейін зертханалық қызығушылық болып қала берді. Олардың пьезоэлектрлік тогы бар кристалдық құрылымдарды зерттеу және анықтау жұмыстары Вольдемар Фойгтың «Лербух дер Кристаллфизик» (Хрусталь физикасы оқулығы) басылымымен аяқталды.
Тәжірибелер нәтижесіз болып шықты
Пьезоэлектрлік - бұл электр заряды кристалдар, керамика және сүйек пен ДНҚ сияқты биологиялық заттар сияқты белгілі бір қатты материалдарда жиналатын электромеханикалық құбылыс. Бұл қолданылған механикалық кернеуге жауап болып табылады және «пьезоэлектрлік» сөзі гректің «сығу немесе басу» дегенді білдіретін «пьезеин» және электр зарядының көне көзі «янтарь» дегенді білдіретін «электрон» сөздерінен шыққан.
Пьезоэлектрлік эффект инверсиялық симметриялы кристалды материалдардың механикалық және электрлік күйлері арасындағы сызықтық электромеханикалық әрекеттесу нәтижесінде пайда болады. Бұл қайтымды процесс; пьезоэлектрлік әсер көрсететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді де көрсетеді, ол қолданылатын электр өрісінің нәтижесінде пайда болатын механикалық деформацияның ішкі генерациясы болып табылады. Мысалы, қорғасын цирконат титанаты кристалдары олардың статикалық құрылымы бастапқы өлшемінен деформацияланған кезде өлшенетін пьезоэлектр қуатын тудырады. Керісінше, кристалдар ультрадыбыстық толқындарды өндіруде қолданылатын кері пьезоэлектрлік эффект деп аталатын сыртқы электр өрісі қолданылған кезде өздерінің статикалық өлшемін өзгерте алады.
Француз физиктері Пьер мен Жак Кюри 1880 жылы пьезоэлектриканы ашты. Содан бері ол дыбысты өндіру және анықтау, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару, жоғары вольтты электр энергиясын өндіру, сағат генераторлары және микробаланс сияқты электронды құрылғыларды қоса алғанда, әртүрлі пайдалы қолданбалар үшін пайдаланылды. , жетек ультрадыбыстық саңылаулар және өте жұқа фокустау оптикалық жинақтары. Ол сондай-ақ атомдар масштабындағы кескіндерді шеше алатын сканерлеуші зонд микроскоптарының негізін құрайды. Пьезоэлектрлік сонымен қатар электронды күшейтілген гитаралар үшін пикаптарда және заманауи электронды барабандар үшін триггерлерде қолданылады.
Пьезоэлектрлік энергия тамақ пісіру және жылыту құрылғыларында, алауларда, темекі тұтандырғыштарында және т.б. газды тұтандыру үшін ұшқын шығаруда күнделікті қолданыс табады. Температураның өзгеруіне жауап ретінде материалдың электр потенциалын тудыратын пироэлектрлік эффектіні 18 ғасырдың ортасында Карл Линней мен Франц Эпинус қарым-қатынасты анықтаған Рене Хауи мен Антуан Сезар Беккерельдің біліміне сүйене отырып зерттеді. механикалық кернеу мен электр заряды арасындағы. Тәжірибелер нәтижесіз болып шықты.
Пироэлектрлік білім және оның астындағы кристалдық құрылымдарды түсіну пироэлектрді болжауға және кристалдардың әрекетін болжауға мүмкіндік берді. Бұл турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерінен көрсетілді. Натрий калий тартратының тетрагидраты мен кварцы да пьезоэлектрлік қасиетін көрсетті, деформацияланған кезде кернеуді генерациялау үшін пьезоэлектрлік диск пайдаланылды. Бұл тікелей пьезоэлектрлік әсерді Кюридің демонстрациясында өте асыра көрсетті.
Ағайынды Пьер мен Жак Кюри қарама-қарсы пьезоэлектрлік эффектті болжаған, ал кері әсерді 1881 жылы Габриэль Липпман іргелі термодинамикалық принциптерден математикалық түрде шығарған. Кюрилер кері әсердің бар екенін бірден растап, толықтығына сандық дәлелді алуға көшті. пьезоэлектрлік кристалдардағы электроэластомеханикалық деформациялардың қайтымдылығы.
Ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік зертханалық қызығушылық болып қала берді, бірақ ол Пьер мен Мари Кюридің полоний мен радийді ашудағы маңызды құралы болды. Олардың пьезоэлектрлік тогы бар кристалдық құрылымдарды зерттеу және анықтау бойынша жұмысы Вольдемар Фойгтың Лербух дер Кристаллфизик (Хрусталь физикасы оқулығы) жарияланымымен аяқталды. Бұл пьезоэлектрлік қабілетті табиғи кристалдық сыныптарды сипаттады және тензорлық талдауды қолдана отырып, пьезоэлектрлік тұрақтыларды қатаң түрде анықтады. Бұл пьезоэлектрлік түрлендіргіштердің бірінші практикалық қолданылуы болды, ал сонар Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде жасалды. Францияда Пол Лангевин және оның әріптестері ультрадыбыстық суасты қайық детекторын жасады.
Карл Линней және Франц Аэпинус
Пьезоэлектрлік - бұл электр заряды кристалдар, керамика және сүйек пен ДНҚ сияқты биологиялық заттар сияқты белгілі бір қатты материалдарда жиналатын электромеханикалық құбылыс. Бұл заряд механикалық кернеуге жауап ретінде пайда болады. Пьезоэлектрлік сөз гректің πιέζειν (пьезеин) «сығу немесе басу» және ἤλεκτρον (ēlektron) «янтарь» дегенді білдіретін электр зарядының ежелгі көзі болып табылатын сөздерінен шыққан.
Пьезоэлектрлік эффект инверсиялық симметриялы кристалдық материалдардың механикалық және электрлік күйлері арасындағы сызықтық электромеханикалық әсерлесу нәтижесінде пайда болады. Бұл әсер қайтымды, яғни пьезоэлектрлік әсер ететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді де көрсетеді, ол қолданылатын электр өрісінің нәтижесінде пайда болатын механикалық деформацияның ішкі генерациясы болып табылады. Мысалы, қорғасын цирконат титанаты кристалдары олардың статикалық құрылымы бастапқы өлшемінен деформацияланған кезде өлшенетін пьезоэлектр қуатын тудырады. Керісінше, кристалдар кері пьезоэлектрлік эффект ретінде белгілі және ультрадыбыстық толқындарды өндіруде қолданылатын сыртқы электр өрісі қолданылған кезде өздерінің статикалық өлшемін өзгерте алады.
1880 жылы француз физиктері Жак пен Пьер Кюри пьезоэлектрлік эффектіні ашты және ол көптеген пайдалы қолданбаларда, соның ішінде дыбысты өндіру және анықтау, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару, жоғары вольтты электр энергиясын өндіру, сағат генераторлары, электронды құрылғылар, микробаланстар үшін пайдаланылды. , жетек ультрадыбыстық саңылаулар және өте жұқа фокустау оптикалық жинақтары. Ол сондай-ақ атомдар масштабындағы кескіндерді шешу үшін қолданылатын зондтық микроскоптарды сканерлеуге негіз болады. Пьезоэлектрлік сонымен қатар электронды күшейтілген гитаралар үшін пикаптарда және заманауи электронды барабандарға арналған триггерлерде қолданылады.
Пьезоэлектрлік күнделікті қолдануда да кездеседі, мысалы, пісіру және жылыту құрылғыларында, алауларда, темекі тұтандырғыштарында және пироэлектрлік әсерде газды жағу үшін ұшқын шығару, бұл материал температураның өзгеруіне жауап ретінде электрлік потенциалды тудыратын кезде. Бұл әсерді 18 ғасырдың ортасында Карл Линней мен Франц Эпинус зерттеп, Рене Хауи мен Антуан Сезар Беккерельдің біліміне сүйене отырып, механикалық кернеу мен электр зарядының арасындағы байланысты тұжырымдады, бірақ олардың тәжірибелері нәтиже бермеді.
Шотландиядағы Хантериан мұражайындағы Кюри компенсаторындағы пьезокристалдың көрінісі ағайынды Пьер мен Жак Кюридің тікелей пьезоэлектрлік әсерінің демонстрациясы болып табылады. Пироэлектрлік білімдерін негізгі кристалдық құрылымдарды түсінумен біріктіру пироэлектрдің болжамына және кристалдың әрекетін болжауға мүмкіндік берді. Бұл турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерімен көрсетілді. Рошель тұзынан алынған натрий калий тартраты тетрагидраты мен кварц пьезоэлектрлік қуатын көрсетті, ал пьезоэлектрлік диск деформацияланған кезде кернеу тудырады, бірақ бұл Кюридің демонстрациясында өте асыра айтылған.
Керісінше пьезоэлектрлік эффектіні болжауды және оның іргелі термодинамикалық принциптерден математикалық шегерімін 1881 жылы Габриэль Липпман жасады. Кюрилер кері әсердің бар екенін бірден растады және электроэластоэффекттің толық қайтымдылығының сандық дәлелін алуға көшті. пьезоэлектрлік кристалдардағы механикалық деформациялар. Пьер мен Мари Кюри полоний мен радийді ашудың маңызды құралы болғанға дейін пьезоэлектрлік ондаған жылдар бойы зертханалық қызығушылық болып қала берді, олар оны пьезоэлектрлік әсер ететін кристалдық құрылымдарды зерттеу және анықтау үшін пайдаланды. Бұл Вольдемар Фойгтың «Лербух дер Кристаллфизик» (Кристалл физикасының оқулығы) еңбегін жариялаумен аяқталды, онда пьезоэлектрлік қабілетті табиғи кристалдар класстары сипатталған және тензорлық талдау арқылы пьезоэлектрлік тұрақтылар қатаң анықталған.
Пьезоэлектрлік түрлендіргіштердің бұл практикалық қолданылуы Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде сонардың дамуына әкелді. Францияда Пол Лангевин және оның әріптестері ультрадыбыстық суасты қайық детекторын жасады. Детектор болат пластиналарға мұқият желімделген жұқа кварц кристалдарынан жасалған түрлендіргіштен және түрлендіргіштен жоғары жиілікті импульс шығарғаннан кейін қайтарылған жаңғырықты анықтауға арналған гидрофоннан тұрды. Объектіден секірген дыбыс толқындарының жаңғырығын естуге кететін уақытты өлшей отырып, олар нысанның қашықтығын есептей алды. Олар осы сонарды сәтті ету үшін пьезоэлектрді пайдаланды және жоба пьезоэлектрлік құрылғыларға қарқынды даму мен қызығушылық тудырды.
Рене Хауи және Антуан Сезар Беккерель
Пьезоэлектрлік - бұл кристалдар, керамика сияқты кейбір қатты материалдар және сүйек пен ДНҚ сияқты биологиялық заттар қолданылған механикалық кернеуге жауап ретінде электр зарядын жинақтағанда пайда болатын электромеханикалық құбылыс. Пьезоэлектрлік гректің «сығу немесе басу» дегенді білдіретін «пьезеин» сөзінен және электр зарядының ежелгі көзі «янтарь» дегенді білдіретін «электрон» сөзінен шыққан.
Пьезоэлектрлік эффект инверсиялық симметриялы кристалдық материалдардағы механикалық және электрлік күйлер арасындағы сызықтық электромеханикалық әрекеттесу нәтижесінде пайда болады. Бұл әсер қайтымды, яғни пьезоэлектрлік әсер көрсететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді немесе қолданылған электр өрісінен туындайтын механикалық деформацияның ішкі генерациясын көрсетеді. Мысалы, қорғасын цирконат титанаты кристалдары олардың статикалық құрылымы бастапқы өлшемінен деформацияланған кезде өлшенетін пьезоэлектр қуатын тудырады. Керісінше, сыртқы электр өрісі әсер еткенде кристалдар өздерінің статикалық өлшемін өзгерте алады, нәтижесінде кері пьезоэлектрлік әсер және ультрадыбыстық толқындар пайда болады.
Француз физиктері Пьер мен Жак Кюри 1880 жылы пьезоэлектрлік эффектіні ашты. Бұл әсер әртүрлі пайдалы қолданбалар үшін пайдаланылды, соның ішінде дыбыс шығару және анықтау, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару, жоғары вольтты электр энергиясын өндіру, сағат генераторлары және электронды құрылғылар микробаланстар, жетек ультрадыбыстық саңылаулар және өте жұқа фокустау оптикалық жинақтары сияқты. Ол сондай-ақ атомдар масштабындағы кескіндерді шеше алатын сканерлеуші микроскоптардың негізін құрайды. Пьезоэлектрлік сонымен қатар электронды күшейтілген гитаралар үшін пикаптарда және заманауи электронды барабандар үшін триггерлерде қолданылады.
Пьезоэлектрлік әсерді алғаш рет 18 ғасырдың ортасында Карл Линней мен Франц Эпинус механикалық кернеу мен электр заряды арасындағы қатынасты анықтаған Рене Хауи мен Антуан Сезар Беккерельдің біліміне сүйене отырып зерттеді. Алайда эксперименттер нәтижесіз болып шықты. Пироэлектрлік біліммен және негізгі кристалдық құрылымдарды түсінумен біріктірілген бұл пироэлектрдің болжамына және кристалдық әрекетті болжауға мүмкіндік берді. Бұл турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерінен көрсетілді. Натрий калий тартратының тетрагидраты мен кварцы да пьезоэлектрлік қасиетін көрсетті, деформацияланған кезде кернеуді генерациялау үшін пьезоэлектрлік диск пайдаланылды. Бұл әсер тікелей пьезоэлектрлік әсерді көрсеткен Шотландия мұражайында Кюрилердің демонстрациясында қатты асыра көрсетілді.
Ағайынды Пьер мен Жак Кюри пьезоэлектрлік кристалдардағы электроэласто-механикалық деформациялардың толық қайтымдылығының сандық дәлелін алуды жалғастырды. Пьер мен Мари Кюри полоний мен радийді ашуда маңызды құрал болғанға дейін ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік зертханалық қызығушылық болып қала берді. Бұл жұмыс Вольдемар Фойгтың Лербух дер Кристаллфизик (Кристалл физикасы оқулығы) еңбегін жариялаумен аяқталатын пьезоэлектрлік кристалдық құрылымдарды зерттеп, анықтады.
Кюрилер кері әсердің бар екенін бірден растады және кері әсердің негізгі термодинамикалық принциптерін математикалық түрде шығарды. Мұны 1881 жылы Габриэль Липпман жасады. Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде пьезоэлектростанция сонар жасау үшін пайдаланылды. Францияда Пол Лангевин және оның әріптестері ультрадыбыстық сүңгуір қайық детекторын жасады. Бұл детектор болат пластиналарға мұқият желімделген жұқа кварц кристалдарынан жасалған түрлендіргіштен және қайтарылған жаңғырықты анықтауға арналған гидрофоннан тұрды. Түрлендіргіштен жоғары жиілікті импульс шығару және нысаннан секірген дыбыс толқындарының жаңғырығын естуге кететін уақытты өлшеу арқылы олар нысанға дейінгі қашықтықты есептей алады.
Пьезоэлектрлік кристалдарды қолдану Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін Bell Telephone Laboratories компаниясымен одан әрі дамыды. Фредерик Р. Лак радиотелефония инженерия бөлімінде жұмыс істей отырып, температураның кең ауқымында жұмыс істей алатын кесілген кристалды жасады. Лактың кристалы бұрынғы кристалдардың ауыр аксессуарларын қажет етпеді, бұл оны ұшақтарда пайдалануды жеңілдетеді. Бұл даму одақтас әуе күштеріне авиациялық радионы қолдана отырып, келісілген жаппай шабуылдар жасауға мүмкіндік берді. Америка Құрама Штаттарында пьезоэлектрлік құрылғылар мен материалдардың дамуы компанияларды осы саладағы соғыс уақытының бастамасын дамытуға және жаңа материалдарға пайдалы патенттерді алу мүдделерін дамытуға мүмкіндік берді. Кварц кристалдары пьезоэлектрлік материал ретінде коммерциялық түрде пайдаланылды және ғалымдар жоғары өнімділік материалдарын іздеді. Материалдардағы жетістіктерге және өндірістік процестердің жетілуіне қарамастан, Америка Құрама Штаттары
Габриэль Липпман
Пьезоэлектрлік - бұл электр заряды кристалдар, керамика және сүйек пен ДНҚ сияқты биологиялық заттар сияқты белгілі бір қатты материалдарда жиналатын электромеханикалық құбылыс. Бұл инверсиялық симметриялы материалдардағы механикалық және электрлік күйлердің өзара әрекеттесуінің нәтижесі. Пьезоэлектрді алғаш рет 1880 жылы француз физиктері Пьер мен Жак Кюри ашты.
Пьезоэлектрлік әртүрлі пайдалы қолданбалар үшін пайдаланылды, соның ішінде дыбысты өндіру және анықтау, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару және жоғары вольтты электр энергиясын өндіру. Пьезоэлектрлік гректің πιέζειν (piezein) «сығу немесе басу» және ἤλεκτρον (ēlektron) «янтарь» дегенді білдіретін, электр зарядының ежелгі көзі болып табылатын сөздерінен шыққан.
Пьезоэлектрлік эффект қайтымды, яғни пьезоэлектрлік әсер ететін материалдар кері пьезоэлектрлік әсерді де көрсетеді, онда механикалық деформацияның ішкі генерациясы электр өрісін қолдану нәтижесінде пайда болады. Мысалы, қорғасын цирконат титанаты кристалдары олардың статикалық құрылымы бастапқы өлшемінен деформацияланған кезде өлшенетін пьезоэлектр қуатын тудырады. Керісінше, сыртқы электр өрісі әсер еткенде кристалдар өздерінің статикалық өлшемін өзгерте алады, бұл процесс кері пьезоэлектрлік эффект деп аталады. Бұл процесс ультрадыбыстық толқындарды шығару үшін пайдаланылуы мүмкін.
Пьезоэлектрлік эффект 18 ғасырдың ортасынан бастап зерттеле бастады, ол кезде Карл Линней мен Франц Эпинус Рене Хауи мен Антуан Сезар Беккерельдің біліміне сүйене отырып, механикалық кернеу мен электр заряды арасындағы байланысты тұжырымдады. Алайда эксперименттер нәтижесіз болып шықты. Пироэлектрлік және негізгі кристалдық құрылымдарды түсінудің біріккен білімі пироэлектрлік болжамды тудырғаннан кейін ғана зерттеушілер кристалдардың мінез-құлқын болжай алды. Бұл турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерімен көрсетілді.
Габриэль Липпман 1881 жылы қарама-қарсы пьезоэлектрлік эффектінің негізгі термодинамикалық принциптерін математикалық түрде шығарды. Кюрилер кері әсердің бар екенін бірден растады және пьезоэлектрлік кристалдардағы электроэласто-механикалық деформациялардың толық қайтымдылығының сандық дәлелін алуға көшті.
Пьер мен Мари Кюри полоний мен радийді ашуда маңызды құрал болғанға дейін ондаған жылдар бойы пьезоэлектрлік зертханалық қызығушылық болып қала берді. Олардың пьезоэлектрлік тогы бар кристалдық құрылымдарды зерттеу және анықтау бойынша жұмысы Вольдемар Фойгтың Лербух дер Кристаллфизик (Хрусталь физикасы оқулығы) жарияланымымен аяқталды. Бұл пьезоэлектрлік қабілетті табиғи кристалдық сыныптарды сипаттады және тензорлық талдаумен пьезоэлектрлік тұрақтыларды қатаң түрде анықтады.
Пьезоэлектрлік құрылғылардың практикалық қолданылуы Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде сонардың дамуымен басталды. Пол Лангевин мен оның әріптестері ультрадыбыстық суасты қайық детекторын жасады. Бұл детектор болат пластиналарға мұқият желімделген жұқа кварц кристалдарынан жасалған түрлендіргіштен және қайтарылған жаңғырықты анықтауға арналған гидрофоннан тұрды. Түрлендіргіштен жоғары жиілікті импульс шығару және объектіден секірген дыбыс толқындарының жаңғырығын естуге кететін уақытты өлшеу арқылы олар нысанға дейінгі қашықтықты есептей алды. Сонар үшін пьезоэлектриканы пайдалану сәтті болды және жоба пьезоэлектрлік құрылғыларға қарқынды қызығушылық тудырды. Ондаған жылдар бойы жаңа пьезоэлектрлік материалдар және осы материалдарға арналған жаңа қолданбалар зерттелді және әзірленді. Пьезоэлектрлік құрылғылар плеер дизайнын жеңілдететін керамикалық фонограф картридждерден бастап, техникалық қызмет көрсетуді арзанырақ және құрастыруды жеңілдететін арзан, дәл плеерлерді жасауға, сұйықтықтардың тұтқырлығы мен икемділігін оңай өлшеуге мүмкіндік беретін ультрадыбыстық түрлендіргіштерді дамытуға дейін әртүрлі салаларда үйлерді тапты. және қатты заттар, нәтижесінде материалдарды зерттеуде үлкен жетістіктерге жетті. Ультрадыбыстық уақыт доменінің рефлекторлары материалға ультрадыбыстық импульс жібереді және құрылымдық қауіпсіздікті арттыра отырып, құйылған металл және тастан жасалған заттардың ішіндегі кемшіліктерді табу үшін шағылысулар мен үзілістерді өлшейді.
Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін АҚШ, Ресей және Жапониядағы тәуелсіз зерттеу топтары табиғи материалдардан он есе жоғары пьезоэлектрлік тұрақтыларды көрсететін ферроэлектриктер деп аталатын синтетикалық материалдардың жаңа класын ашты. Бұл барий титанатын, ал кейінірек қорғасын цирконат титанатын, белгілі бір қолданбалар үшін арнайы қасиеттері бар материалдарды әзірлеу бойынша қарқынды зерттеулерге әкелді. Пьезоэлектрлік кристалдарды қолданудың маңызды мысалы жасалды
Вольдемар Фойт
Пьезоэлектрлік - бұл электр заряды кристалдар, керамика және сүйек пен ДНҚ сияқты биологиялық заттар сияқты белгілі бір қатты материалдарда жиналатын электромеханикалық құбылыс. Бұл заряд қолданылған механикалық кернеуге жауап ретінде пайда болады. Пьезоэлектрлік сөз гректің «сығу немесе басу» дегенді білдіретін «пьезеин» және электр зарядының ежелгі көзі «янтарь» дегенді білдіретін «электрон» сөзінен шыққан.
Пьезоэлектрлік эффект инверсиялық симметриялы кристалдық материалдардың механикалық және электрлік күйлері арасындағы сызықтық электромеханикалық әсерлесу нәтижесінде пайда болады. Бұл әсер қайтымды, яғни пьезоэлектрлік әсер ететін материалдар да кері пьезоэлектрлік әсер көрсетеді, мұнда механикалық деформацияның ішкі генерациясы қолданылатын электр өрісінен туындайды. Мысалы, қорғасын цирконат титанаты кристалдары олардың статикалық құрылымы бастапқы өлшемінен деформацияланған кезде өлшенетін пьезоэлектр қуатын тудырады. Керісінше, кристалдар сыртқы электр өрісі әсер еткенде өздерінің статикалық өлшемін өзгерте алады, бұл құбылыс кері пьезоэлектрлік эффект деп аталады, ол ультрадыбыстық толқындарды өндіруде қолданылады.
Француз физиктері Пьер мен Жак Кюри 1880 жылы пьезоэлектрлік энергияны ашты. Содан бері пьезоэлектрлік эффект дыбыс шығару және анықтау, пьезоэлектрлік сия бүріккіш басып шығару, жоғары вольтты электр энергиясын өндіру, сағат генераторлары мен электронды құрылғыларды қоса алғанда, әртүрлі пайдалы қолданбалар үшін пайдаланылды. оптикалық жинақтарды ультра жұқа фокустау үшін микробаланс және жетек ультрадыбыстық саптамалар сияқты. Ол сондай-ақ атомдар масштабындағы кескіндерді шеше алатын сканерлеуші зонд микроскоптарының негізін құрайды. Сонымен қатар, электронды түрде күшейтілген гитаралардағы пикаптар мен заманауи электронды барабандардағы триггерлер пьезоэлектрлік әсерді пайдаланады.
Пьезоэлектрлік сонымен қатар тамақ пісіру және жылыту құрылғыларында, алауларда, темекі тұтандырғыштарында және т.б. газды жағу үшін ұшқын шығаруда күнделікті пайдалануды табады. Температураның өзгеруіне жауап ретінде материал электрлік потенциал тудыратын пироэлектрлік эффектті 18 ғасырдың ортасында Карл Линней мен Франц Эпинус механикалық арасындағы қатынасты анықтаған Рене Хауи мен Антуан Сезар Беккерельдің біліміне сүйене отырып зерттеді. кернеу және электр заряды. Бұл қатынасты дәлелдейтін эксперименттер нәтижесіз болды.
Шотландиядағы Хантериан мұражайындағы Кюри компенсаторындағы пьезокристалдың көрінісі ағайынды Пьер мен Жак Кюридің тікелей пьезоэлектрлік әсерінің демонстрациясы болып табылады. Пироэлектрлік туралы білімдерін негізгі кристалдық құрылымдарды түсінумен біріктіру турмалин, кварц, топаз, қамыс қант және Рошель тұзы сияқты кристалдардың әсерінде көрсеткен кристалдық әрекетті болжауға мүмкіндік беретін пироэлектрлік болжамды тудырды. . Натрий және калий тартраты тетрагидраты мен кварц пьезоэлектрлік қасиетін көрсетті және деформацияланған кезде кернеуді генерациялау үшін пьезоэлектрлік диск пайдаланылды. Пішіннің бұл өзгерісі Кюридің демонстрациясында өте асыра көрсетілді және олар кері пьезоэлектрлік әсерді болжауға кірісті. Кері әсерді 1881 жылы Габриэль Липпман іргелі термодинамикалық принциптерден математикалық түрде шығарды.
Кюрилер кері әсердің бар екенін бірден растады және пьезоэлектрлік кристалдардағы электроэласто-механикалық деформациялардың толық қайтымдылығының сандық дәлелін алуға көшті. Кейінгі онжылдықтарда пьезоэлектрлік зертханалық қызығушылық болып қала берді, ол Пьер Мари Кюридің полоний мен радийді ашуында маңызды құрал болды, ол оны пьезоэлектрлік әсер ететін кристалдық құрылымдарды зерттеу және анықтау үшін пайдаланды. Бұл Вольдемар Фойгтың «Лербух дер Кристаллфизик» (Кристалл физикасының оқулығы) еңбегін жариялаумен аяқталды, онда пьезоэлектрлік қабілетті табиғи кристалдар класстары сипатталған және тензорлық талдау арқылы пьезоэлектрлік тұрақтылар қатаң анықталған.
Бұл Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде жасалған сонар сияқты пьезоэлектрлік құрылғылардың практикалық қолданылуына әкелді. Францияда Пол Лангевин және оның әріптестері ультрадыбыстық сүңгуір қайық детекторын жасады. Бұл детектор болат пластиналарға мұқият желімделген жұқа кварц кристалдарынан жасалған түрлендіргіштен және түрлендіргіштен жоғары жиілікті импульс шығарғаннан кейін қайтарылған жаңғырықты анықтауға арналған гидрофоннан тұрды. Объектіден секірген дыбыс толқындарының жаңғырығын естуге кететін уақытты өлшеу арқылы олар нысанға дейінгі қашықтықты есептей алады. Олар бұл сонарды сәтті ету үшін пьезоэлектр қуатын пайдаланды және жоба қарқынды даму мен қызығушылық тудырды.
Маңызды қатынастар
- Пьезоэлектрлік жетектер: Пьезоэлектрлік жетектер электр энергиясын механикалық қозғалысқа түрлендіретін құрылғылар. Олар әдетте робототехникада, медициналық құрылғыларда және нақты қозғалысты басқаруды қажет ететін басқа қолданбаларда қолданылады.
- Пьезоэлектрлік сенсорлар: Пьезоэлектрлік сенсорлар қысым, үдеу және діріл сияқты физикалық параметрлерді өлшеу үшін қолданылады. Олар көбінесе өнеркәсіптік және медициналық қосымшаларда, сондай-ақ тұрмыстық электроникада қолданылады.
- Табиғаттағы пьезоэлектрлік: пьезоэлектрлік белгілі бір материалдарда табиғи түрде пайда болатын құбылыс және көптеген тірі организмдерде кездеседі. Оны кейбір ағзалар қоршаған ортаны сезіну және басқа организмдермен байланысу үшін пайдаланады.
қорытынды
Пьезоэлектрлік - бұл сонардан бастап фонограф картридждеріне дейін әртүрлі қолданбаларда қолданылған таңғажайып құбылыс. Ол 1800 жылдардың ортасынан бастап зерттелді және қазіргі заманғы технологияны дамытуда үлкен әсер етті. Бұл блог жазбасы пьезоэлектрдің тарихы мен қолданылуын зерттеді және заманауи технологияның дамуындағы бұл құбылыстың маңыздылығын атап өтті. Пьезоэлектрлік туралы көбірек білгісі келетіндер үшін бұл пост тамаша бастау нүктесі болып табылады.
Мен Joost Nusselder, Neaera компаниясының негізін қалаушы және контент маркетологымын, әкем және менің құмарлығымның негізінде гитарамен жаңа жабдықты сынап көргенді ұнатамын және менің командаммен бірге мен 2020 жылдан бері тереңдетілген блог мақалаларын жасаймын. адал оқырмандарға жазба және гитара кеңестерімен көмектесу.
