Pjezoelektra: Išsamus vadovas, kaip suprasti jos mechaniką ir taikymą

Pjezoelektra yra tam tikrų medžiagų gebėjimas gaminti elektrą, kai jas veikia mechaninis įtempis, ir atvirkščiai. Žodis kilęs iš graikų pjezo, reiškiančio slėgį ir elektrą. Pirmą kartą jis buvo atrastas 1880 m., tačiau koncepcija buvo žinoma ilgą laiką.

Geriausiai žinomas pjezoelektros pavyzdys yra kvarcas, tačiau daugelis kitų medžiagų taip pat rodo šį reiškinį. Dažniausias pjezoelektros panaudojimas yra ultragarso gamyba.

Šiame straipsnyje aptarsiu, kas yra pjezoelektra, kaip ji veikia ir kai kuriuos iš daugelio praktinių šio nuostabaus reiškinio pritaikymų.

Kas yra pjezoelektra?

Pjezoelektra yra tam tikrų medžiagų gebėjimas generuoti elektros krūvį reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Tai linijinė elektromechaninė sąveika tarp mechaninių ir elektrinių būsenų kristalinėse medžiagose su inversijos simetrija. Pjezoelektrinės medžiagos gali būti naudojamos generuoti aukštos įtampos elektros energiją, laikrodžių generatorius, elektroninius prietaisus, mikrobalansus, pavaros ultragarsinius purkštukus ir itin smulkius fokusavimo optinius mazgus.

Pjezoelektrinės medžiagos apima kristalus, tam tikrą keramiką, biologines medžiagas, tokias kaip kaulas ir DNR, ir baltymus. Kai jėga veikia pjezoelektrinę medžiagą, ji sukuria elektros krūvį. Tada šis įkrovimas gali būti naudojamas įrenginiams maitinti arba įtampai sukurti.

Pjezoelektrinės medžiagos naudojamos įvairiose srityse, įskaitant:
• Garso kūrimas ir aptikimas
• Pjezoelektrinis rašalinis spausdinimas
• Aukštos įtampos elektros gamyba
• Laikrodžių generatoriai
• Elektroniniai prietaisai
• Mikrobalansai
• Varo ultragarsinius purkštukus
• Itin smulkūs fokusavimo optiniai mazgai
• Paėmimas elektroniniu būdu sustiprintoms gitaroms
• Šiuolaikinių elektroninių būgnų paleidikliai
• Kibirkščių gamyba dujoms uždegti
• Virimo ir šildymo prietaisai
• Fakelai ir cigarečių žiebtuvėliai.

Kokia pjezoelektros istorija?

Pjezoelektrą 1880 metais atrado prancūzų fizikai Jacques'as ir Pierre'as Curie. Tai elektros krūvis, kuris kaupiasi tam tikrose kietose medžiagose, tokiose kaip kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Žodis „pjezoelektra“ yra kilęs iš graikų kalbos žodžio „piezein“, reiškiančio „suspausti“ arba „spausti“, ir „elektron“, reiškiančio „gintarą“, senovinio elektros krūvio šaltinio.

Pjezoelektrinis efektas atsiranda dėl linijinės elektromechaninės sąveikos tarp kristalinių medžiagų mechaninių ir elektrinių būsenų su inversijos simetrija. Tai yra grįžtamasis procesas, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kuris yra vidinis mechaninio įtempimo, atsirandančio dėl taikomo elektrinio lauko, generavimas.

Sujungus Curies žinias apie piroelektrą ir supratimą apie pagrindines kristalų struktūras, buvo galima numatyti piroelektrą ir numatyti kristalų elgesį. Tai buvo įrodyta kristalų, tokių kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rochelle druska, poveikis.

Curies iš karto patvirtino atvirkštinio efekto egzistavimą ir gavo kiekybinį įrodymą, kad pjezoelektrinių kristalų elektro-elasto-mechaninės deformacijos yra visiškai grįžtamos. Bėgant dešimtmečiams pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, kol tapo svarbia priemone Pierre'ui ir Marie Curie atrandant polonį ir ralį.

Pjezoelektra buvo panaudota daugeliui naudingų programų, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą, pjezoelektrinį rašalinį spausdinimą, aukštos įtampos elektros generavimą, laikrodžių generatorius ir elektroninius prietaisus, mikrobalansus, pavaros ultragarsinius purkštukus, ypač smulkų optinių mazgų fokusavimą ir skenuojančių zondų mikroskopų pagrindu, kad būtų galima atskirti vaizdus atomų masteliu.

Pjezoelektra taip pat naudojama kasdien, pavyzdžiui, sukuriant kibirkštis, kad užsidegtų dujos maisto ruošimo ir šildymo įrenginiuose, degikliuose, cigarečių žiebtuvėliuose ir piroelektrinis efektas, kai medžiaga generuoja elektrinį potencialą, reaguodama į temperatūros pokyčius.

Pirmojo pasaulinio karo metu kuriant sonarą buvo naudojami pjezoelektriniai kristalai, sukurti Bell Telephone Laboratories. Tai leido sąjungininkų oro pajėgoms įsitraukti į koordinuotas masines atakas naudojant aviacijos radiją. Pjezoelektrinių prietaisų ir medžiagų kūrimas Jungtinėse Amerikos Valstijose leido įmones plėtoti karo laikotarpio pradžią interesų srityje, užsitikrindamas pelningus naujų medžiagų patentus.

Japonija pastebėjo naujus JAV pjezoelektros pramonės pritaikymus ir augimą ir greitai sukūrė savo. Jie greitai pasidalijo informacija ir sukūrė bario titanato, o vėliau ir švino cirkonato titanato medžiagas, turinčias specifinių savybių tam tikroms reikmėms.

Pjezoelektra nuėjo ilgą kelią nuo jos atradimo 1880 m. ir dabar naudojama įvairiose kasdienėse srityse. Jis taip pat buvo naudojamas siekiant pažangos atliekant medžiagų tyrimus, pvz., ultragarsinius laiko srities reflektometrus, kurie siunčia ultragarso impulsą per medžiagą, kad išmatuotų atspindžius ir netolygumus, kad būtų galima rasti defektų metalo ir akmens objektų viduje, taip pagerinant konstrukcijų saugumą.

Kaip veikia pjezoelektra

Šiame skyriuje tyrinėsiu, kaip veikia pjezoelektra. Aš pažvelgsiu į elektros krūvio kaupimąsi kietose medžiagose, linijinę elektromechaninę sąveiką ir grįžtamąjį procesą, sudarantį šį reiškinį. Taip pat aptarsiu pjezoelektros istoriją ir jos pritaikymą.

Elektros krūvio kaupimasis kietose medžiagose

Pjezoelektra yra elektros krūvis, kuris kaupiasi tam tikrose kietose medžiagose, tokiose kaip kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulai ir DNR. Tai atsakas į taikomą mechaninį įtempimą, o jo pavadinimas kilęs iš graikiškų žodžių „piezein“ (išspausti arba paspausti) ir „ēlektron“ (gintaras).

Pjezoelektrinis efektas atsiranda dėl linijinės elektromechaninės sąveikos tarp mechaninių ir elektrinių būsenų kristalinėse medžiagose su inversijos simetrija. Tai grįžtamasis procesas, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kai dėl taikomo elektrinio lauko susidaro vidinė mechaninė deformacija. Medžiagų, kurios sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, pavyzdžiai yra švino cirkonato titanato kristalai.

Prancūzų fizikai Pierre'as ir Jacques'as Curie 1880 m. atrado pjezoelektrą. Nuo to laiko ji buvo naudojama įvairioms naudingoms reikmėms, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą, pjezoelektrinį rašalinį spausdinimą, aukštos įtampos elektros generavimą, laikrodžių generatorius ir elektroninius prietaisus, tokius kaip mikrobalansai. ir ultragarsinius purkštukus, kad būtų galima itin tiksliai fokusuoti optinius mazgus. Tai taip pat yra skenuojančių zondų mikroskopų, kurie gali išspręsti vaizdus atomų mastelio, pagrindu. Pjezoelektra taip pat naudojama elektroniniu būdu sustiprintų gitarų pikapuose ir šiuolaikinių elektroninių būgnų trigeriuose.

Pjezoelektra kasdien naudojama generuojant kibirkštis, kad uždegtų dujas, gaminant maistą ir šildymo įrenginius, degiklius, cigarečių žiebtuvėlius ir piroelektrinį efektą, kai reaguodama į temperatūros pokyčius medžiaga sukuria elektrinį potencialą. Tai tyrė Carlas Linnaeusas ir Franzas Aepinusas XVIII amžiaus viduryje, remdamiesi René Haüy ir Antoine César Becquerel žiniomis, kurie nustatė ryšį tarp mechaninio įtempio ir elektros krūvio. Eksperimentai pasirodė neįtikinami.

Pjezo kristalo vaizdas Curie kompensatoriuje Hunterian muziejuje Škotijoje yra tiesioginio pjezoelektrinio efekto demonstravimas. Broliai Pierre'as ir Jacques'as Curie sujungė savo žinias apie piroelektrą su supratimu apie pagrindines kristalų struktūras, todėl buvo galima numatyti piroelektrą. Jie sugebėjo numatyti kristalų elgesį ir pademonstravo poveikį kristalams, tokiems kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rošelio druska. Natrio kalio tartrato tetrahidratas ir kvarcas taip pat turėjo pjezoelektrą. Deformuojantis pjezoelektrinis diskas sukuria įtampą, o formos pasikeitimas Curies demonstracijoje yra labai perdėtas.

Jie sugebėjo nuspėti atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, o atvirkštinį efektą matematiškai išvedė Gabrielis Lippmannas 1881 m. Curie iš karto patvirtino atvirkštinio efekto egzistavimą ir gavo kiekybinį visiško elektroelasto grįžtamumo įrodymą. mechaninės deformacijos pjezoelektriniuose kristaluose.

Dešimtmečius pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, tačiau tai buvo gyvybiškai svarbi priemonė Pierre'ui ir Marie Curie atrasti polonį ir ralį. Jų darbas, siekiant ištirti ir apibrėžti pjezoelektrą demonstruojančias kristalų struktūras, baigėsi Woldemaro Voigto Lehrbuch der Kristallphysik (Krištolinės fizikos vadovėlio) publikavimu, kuriame buvo aprašytos natūralios kristalų klasės, galinčios turėti pjezoelektrą, ir griežtai apibrėžtos pjezoelektrinės konstantos per tenzorinę analizę. Tai buvo praktinis pjezoelektrinių prietaisų pritaikymas, o sonaras buvo sukurtas Pirmojo pasaulinio karo metais. Prancūzijoje Paulas Langevinas ir jo bendradarbiai sukūrė ultragarsinį povandeninio laivo detektorių.

Detektorių sudarė a rele pagamintas iš plonų kvarco kristalų, kruopščiai priklijuotų prie plieninių plokščių, ir hidrofono grįžtančiam aidui aptikti. Išskirdamas aukštą dažnis keitiklio impulsą ir išmatavę laiką, per kurį išgirsta nuo objekto atsimušančių garso bangų aidą, jie sugebėjo apskaičiuoti atstumą iki objekto. Jie naudojo pjezoelektrą, kad sonaras būtų sėkmingas, o projektas paskatino intensyvų pjezoelektrinių prietaisų plėtrą ir susidomėjimą jais. Per dešimtmečius buvo tiriamos ir kuriamos naujos pjezoelektrinės medžiagos ir nauji medžiagų pritaikymai, o pjezoelektriniai prietaisai rado namus įvairiose srityse. Keraminės fonografo kasetės supaprastino grotuvo dizainą ir sukurtos pigiems ir tiksliams įrašų grotuvams, kuriuos buvo pigiau prižiūrėti ir lengviau sukurti.

Ultragarsinių keitiklių kūrimas leido lengvai išmatuoti skysčių ir kietųjų medžiagų klampumą ir elastingumą, todėl buvo padaryta didžiulė medžiagų tyrimų pažanga.

Linijinė elektromechaninė sąveika

Pjezoelektra yra tam tikrų medžiagų gebėjimas sukurti elektros krūvį, kai yra veikiamas mechaninio įtempimo. Šis žodis kilęs iš graikų kalbos žodžių πιέζειν (piezein), reiškiančių „spausti arba spausti“, ir ἤλεκτρον (ēlektron), reiškiančių „gintaras“, kuris buvo senovinis elektros krūvio šaltinis.

Pjezoelektrą 1880 metais atrado prancūzų fizikai Jacques'as ir Pierre'as Curie. Jis pagrįstas linijine elektromechanine sąveika tarp kristalinių medžiagų mechaninių ir elektrinių būsenų su inversijos simetrija. Šis efektas yra grįžtamasis, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kai dėl taikomo elektrinio lauko susidaro vidinė mechaninė deformacija. Medžiagų, kurios sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, kai deformuojasi dėl statinės struktūros, pavyzdžiai yra švino cirkonato titanato kristalai. Priešingai, kristalai gali pakeisti savo statinį matmenį, kai veikia išorinis elektrinis laukas, kuris žinomas kaip atvirkštinis pjezoelektrinis efektas ir naudojamas ultragarso bangoms gaminti.

Pjezoelektra buvo panaudota įvairioms naudingoms reikmėms, pavyzdžiui:

• Garso kūrimas ir aptikimas
• Pjezoelektrinis rašalinis spausdinimas
• Aukštos įtampos elektros gamyba
• Laikrodžio generatorius
• Elektroniniai prietaisai
• Mikrobalansai
• Varo ultragarsinius purkštukus
• Itin smulkūs fokusavimo optiniai mazgai
• Sudaro skenuojančių zondų mikroskopų pagrindą, kad būtų galima atskirti vaizdus atomų masteliu
• Pikapai elektroniniu būdu sustiprintose gitarose
• Trigeriai šiuolaikiniuose elektroniniuose būgnuose
• Kibirkščių generavimas, kad dujos užsidegtų maisto ruošimo ir šildymo įrenginiuose
• Fakelai ir cigarečių žiebtuvėliai

Pjezoelektra taip pat kasdien naudojama piroelektriniame efekte, ty medžiaga, kuri, reaguodama į temperatūros pokyčius, sukuria elektrinį potencialą. Tai tyrė Carlas Linnaeusas ir Franzas Aepinusas XVIII amžiaus viduryje, remdamiesi René Haüy ir Antoine César Becquerel žiniomis, kurie nustatė ryšį tarp mechaninio įtempio ir elektros krūvio. Tačiau eksperimentai pasirodė neįtikinami.

Pjezo kristalo peržiūra Curie kompensatoriuje Hunterian muziejuje Škotijoje yra tiesioginio pjezoelektrinio efekto demonstravimas. Būtent brolių Pierre'o ir Jacques'o Curie darbas ištyrė ir apibrėžė pjezoelektrą demonstruojančias kristalų struktūras, kurių kulminacija buvo Woldemaro Voigto knygos „Lehrbuch der Kristallphysik“ (Kristalų fizikos vadovėlis) publikacija. Tai apibūdino natūralias kristalų klases, galinčias turėti pjezoelektrą, ir griežtai apibrėžė pjezoelektrines konstantas per tenzorinę analizę, todėl pjezoelektriniai prietaisai buvo praktiškai pritaikyti.

Sonaras buvo sukurtas Pirmojo pasaulinio karo metu, kai prancūzas Paulas Langevinas ir jo bendradarbiai sukūrė ultragarsinį povandeninio laivo detektorių. Šį detektorių sudarė keitiklis, pagamintas iš plonų kvarco kristalų, kruopščiai priklijuotų prie plieninių plokščių, ir hidrofono, skirto aptikti grįžtantį aidą po to, kai iš keitiklio buvo skleidžiamas aukšto dažnio impulsas. Išmatavę laiką, kurio reikia norint išgirsti nuo objekto atsimušančių garso bangų aidą, jie galėjo apskaičiuoti objekto atstumą, naudodamiesi pjezoelektra. Šio projekto sėkmė paskatino intensyvų pjezoelektrinių prietaisų vystymąsi ir susidomėjimą dešimtmečiais, tyrinėjant ir plėtojant naujas pjezoelektrines medžiagas ir naujas šių medžiagų pritaikymo galimybes. Pjezoelektriniai prietaisai rado namus daugelyje sričių, pavyzdžiui, keraminės fonografo kasetės, kurios supaprastino grotuvų dizainą ir tapo pigesniais bei tikslesniais įrašų grotuvais, pigesniais ir lengviau pagaminami ir prižiūrimi.

Ultragarsinių keitiklių kūrimas leido lengvai išmatuoti skysčių ir kietųjų medžiagų klampumą ir elastingumą, todėl buvo padaryta didžiulė medžiagų tyrimų pažanga. Ultragarsiniai laiko srities reflektometrai siunčia ultragarso impulsą į medžiagą ir išmatuoja atspindžius bei nutrūkimus, kad aptiktų metalo ir akmens objektų trūkumus ir pagerintų konstrukcijos saugumą. Po Antrojo pasaulinio karo nepriklausomos tyrimų grupės JAV, Rusijoje ir Japonijoje atrado naują sintetinių medžiagų klasę, vadinamą feroelektrika, kurios pjezoelektrinės konstantos buvo daug kartų didesnės nei natūralių medžiagų. Tai paskatino intensyvius tyrimus siekiant sukurti bario titanatą, o vėliau ir švino cirkonato titanatą, medžiagas, turinčias specifinių savybių tam tikroms reikmėms.

Reikšmingą pjezoelektrinių kristalų naudojimo pavyzdį po Antrojo pasaulinio karo sukūrė Bell Telephone Laboratories. Frederickas R. Lackas, dirbantis radijo telefonijos inžinerijos skyriuje,

Grįžtamasis procesas

Pjezoelektra yra elektros krūvis, kuris kaupiasi tam tikrose kietose medžiagose, tokiose kaip kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulai ir DNR. Tai yra šių medžiagų atsakas į taikomą mechaninį įtempį. Žodis „pjezoelektra“ kilęs iš graikų kalbos žodžių „piezein“, reiškiančių „suspausti“ arba „spausti“, ir „ēlektron“, reiškiančio „gintarą“, senovės elektros krūvio šaltinį.

Pjezoelektrinis efektas atsiranda dėl linijinės elektromechaninės sąveikos tarp kristalinių medžiagų mechaninių ir elektrinių būsenų su inversijos simetrija. Tai yra grįžtamasis procesas, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kuris yra vidinis mechaninio įtempimo, atsirandančio dėl taikomo elektrinio lauko, generavimas. Medžiagų, kurios sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, pavyzdžiai yra švino cirkonato titanato kristalai. Kai deformuojasi šių kristalų statinė struktūra, jie grįžta į pradinį matmenį ir atvirkščiai, veikiant išoriniam elektriniam laukui, keičia savo statinį matmenį, sukurdami ultragarso bangas.

Prancūzų fizikai Jacques'as ir Pierre'as Curie atrado pjezoelektrą 1880 m. Nuo to laiko ji buvo naudojama įvairioms naudingoms reikmėms, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą, pjezoelektrinį rašalinį spausdinimą, aukštos įtampos elektros generavimą, laikrodžių generatorius, elektroninius prietaisus, mikrobalansus, pavaros ultragarsiniai purkštukai ir itin smulkūs fokusavimo optiniai mazgai. Tai taip pat sudaro pagrindą skenuojant zondų mikroskopus, kurie gali išspręsti vaizdus atomų masteliu. Pjezoelektra taip pat naudojama elektroniniu būdu sustiprintų gitarų pikapuose ir šiuolaikinių elektroninių būgnų trigeriuose.

Pjezoelektra taip pat naudojama kasdien, pavyzdžiui, sukuriant kibirkštis, kad uždegtų dujas maisto ruošimo ir šildymo įrenginiuose, degikliuose, cigarečių žiebtuvėliuose ir kt. Piroelektrinį efektą, kai medžiaga sukuria elektrinį potencialą, reaguodama į temperatūros pokyčius, XVIII amžiaus viduryje ištyrė Carlas Linnaeusas, Franzas Aepinusas ir René Haüy'us, remdamiesi žiniomis apie gintarą. Antoine'as César Becquerel iškėlė ryšį tarp mechaninio įtempio ir elektros krūvio, tačiau eksperimentai pasirodė neįtikinami.

Lankytojai Hunterian muziejuje Glazge gali apžiūrėti Piezo Crystal Curie kompensatorių – tiesioginio pjezoelektrinio efekto demonstravimą, kurį sukūrė broliai Pierre'as ir Jacques'as Curie. Sujungus savo žinias apie piroelektrą su supratimu apie pagrindines kristalų struktūras, buvo galima numatyti piroelektrą ir galimybę numatyti kristalų elgesį. Tai buvo įrodyta naudojant kristalus, tokius kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rochelle druska. Natrio ir kalio tartrato tetrahidratas ir kvarcas taip pat turėjo pjezoelektrą, o pjezoelektrinis diskas buvo naudojamas įtampai sukurti, kai deformuojamas. Šį formos pokytį Curies labai perdėjo, kad numatytų atvirkštinį pjezoelektrinį efektą. Priešingą efektą iš pagrindinių termodinaminių principų matematiškai išvedė Gabrielis Lippmannas 1881 m.

Curies iš karto patvirtino atvirkštinio efekto egzistavimą ir gavo kiekybinį įrodymą, kad pjezoelektrinių kristalų elektro-elasto-mechaninės deformacijos yra visiškai grįžtamos. Dešimtmečius pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, tačiau tai buvo gyvybiškai svarbi priemonė Pierre'ui ir Marie Curie atrasti polonį ir ralį. Jų darbas, skirtas tyrinėti ir apibrėžti pjezoelektrą demonstruojančias kristalų struktūras, baigėsi Woldemaro Voigto knygos „Lehrbuch der Kristallphysik“ (Kristalų fizikos vadovėlis) publikavimu. Tai apibūdino natūralias kristalų klases, galinčias turėti pjezoelektrą, ir griežtai apibrėžė pjezoelektrines konstantas, naudojant tenzorinę analizę.

Praktinis pjezoelektrinių prietaisų, tokių kaip sonaras, pritaikymas buvo sukurtas Pirmojo pasaulinio karo metais. Prancūzijoje Paulas Langevinas ir jo bendradarbiai sukūrė ultragarsinį povandeninio laivo detektorių. Šį detektorių sudarė keitiklis, pagamintas iš plonų kvarco kristalų, kruopščiai priklijuotų prie plieninių plokščių, ir hidrofono grįžtančiam aidui aptikti. Iš keitiklio išskleisdami aukšto dažnio impulsą ir išmatuodami laiką, per kurį išgirsta nuo objekto atsimušančių garso bangų aidas, jie galėjo apskaičiuoti objekto atstumą. Jie panaudojo pjezoelektrą, kad šis sonaras būtų sėkmingas. Šis projektas paskatino intensyvų pjezoelektrinių prietaisų kūrimą ir susidomėjimą jais, o per dešimtmečius buvo tiriamos ir kuriamos naujos pjezoelektrinės medžiagos ir nauji šių medžiagų pritaikymai. Pjezoelektriniai prietaisai

Kas sukelia pjezoelektrą?

Šiame skyriuje aš tyrinėsiu pjezoelektros kilmę ir įvairias medžiagas, kurios demonstruoja šį reiškinį. Pažvelgsiu į graikišką žodį „piezein“ – senovinį elektros krūvio šaltinį ir piroelektros efektą. Taip pat aptarsiu Pierre'o ir Jacques'o Curie atradimus ir pjezoelektrinių prietaisų kūrimą XX amžiuje.

Graikiškas žodis Piezein

Pjezoelektra yra elektros krūvio kaupimasis tam tikrose kietose medžiagose, tokiose kaip kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulai ir DNR. Tai sukelia šių medžiagų atsakas į taikomą mechaninį įtempį. Žodis pjezoelektra kilęs iš graikų kalbos žodžio „piezein“, reiškiančio „spausti arba spausti“, ir „ēlektron“, reiškiančio „gintaras“, senovinis elektros krūvio šaltinis.

Pjezoelektrinis efektas atsiranda dėl linijinės elektromechaninės sąveikos tarp kristalinių medžiagų mechaninių ir elektrinių būsenų su inversijos simetrija. Tai yra grįžtamasis procesas, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kuris yra vidinis mechaninio įtempimo, atsirandančio dėl taikomo elektrinio lauko, generavimas. Pavyzdžiui, švino cirkonato titanato kristalai sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, kai jų statinė struktūra deformuojasi nuo pradinio matmens. Priešingai, kristalai gali pakeisti savo statinį matmenį, kai veikia išorinis elektrinis laukas, kuris vadinamas atvirkštiniu pjezoelektriniu efektu ir yra ultragarso bangų gamyba.

Prancūzų fizikai Jacques'as ir Pierre'as Curie atrado pjezoelektrą 1880 m. Pjezoelektrinis efektas buvo panaudotas daugeliui naudingų programų, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą, pjezoelektrinį rašalinį spausdinimą, aukštos įtampos elektros generavimą, laikrodžių generatorius ir elektroninius prietaisus, tokius kaip mikrobalansai. , pavaros ultragarsiniai purkštukai ir itin smulkūs fokusavimo optiniai mazgai. Tai taip pat yra skenuojančių zondų mikroskopų, kurie gali išspręsti vaizdus atomų mastelio, pagrindu. Pjezoelektra taip pat naudojama elektroniniu būdu sustiprintų gitarų pikapuose ir šiuolaikinių elektroninių būgnų trigeriuose.

Pjezoelektra naudojama kasdien, pvz., sukuria kibirkštis, kad uždegtų dujas maisto ruošimo ir šildymo įrenginiuose, fakeluose, cigarečių žiebtuvėliuose ir kt. Piroelektrinį efektą, kuris yra elektrinio potencialo generavimas reaguojant į temperatūros pokyčius, XVIII amžiaus viduryje ištyrė Carlas Linnaeusas ir Franzas Aepinusas, remdamiesi René Haüy ir Antoine César Becquerel žiniomis, kurie nustatė ryšį tarp mechaninis įtempis ir elektros krūvis. Eksperimentai pasirodė neįtikinami.

Škotijos muziejuje lankytojai gali apžiūrėti pjezo kristalo Curie kompensatorių – tiesioginio pjezoelektrinio efekto demonstravimą, kurį sukūrė broliai Pierre'as ir Jacques'as Curie. Sujungus savo žinias apie piroelektrą su supratimu apie pagrindines kristalų struktūras, buvo galima numatyti piroelektrą ir galimybę numatyti kristalų elgesį. Tai įrodė kristalų, tokių kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rošelio druska, poveikis. Natrio kalio tartrato tetrahidratas ir kvarcas iš Rochelle druskos pasižymėjo pjezoelektra, o pjezoelektrinis diskas deformuodamas generuoja įtampą. Šis formos pokytis yra labai perdėtas Curies demonstracijoje.

Curies gavo kiekybinį įrodymą, kad pjezoelektrinių kristalų elektro-elasto-mechaninės deformacijos yra visiškai grįžtamos. Dešimtmečius pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, kol tapo gyvybiškai svarbia priemone Pierre'ui ir Marie Curie atrandant polonį ir ralį. Jų darbas, skirtas tyrinėti ir apibrėžti pjezoelektrą demonstruojančias kristalų struktūras, baigėsi Woldemaro Voigto knygos „Lehrbuch der Kristallphysik“ (Kristalų fizikos vadovėlis) publikavimu. Tai apibūdino natūralias kristalų klases, galinčias turėti pjezoelektrą, ir griežtai apibrėžė pjezoelektrines konstantas per tenzorinę analizę.

Šis praktinis pjezoelektros pritaikymas paskatino per Pirmąjį pasaulinį karą sukurti sonarą. Prancūzijoje Paulas Langevinas ir jo bendradarbiai sukūrė ultragarsinį povandeninio laivo detektorių. Detektorių sudarė keitiklis, pagamintas iš plonų kvarco kristalų, kruopščiai priklijuotų prie plieninių plokščių, vadinamo hidrofonu, kad aptiktų grįžtantį aidą po aukšto dažnio impulso. Keitiklis matavo laiką, per kurį buvo išgirstas nuo objekto atsimušančių garso bangų aidas, kad apskaičiuotų objekto atstumą. Pjezoelektros naudojimas sonare buvo sėkmingas, o projektas dešimtmečius sukėlė intensyvų pjezoelektrinių prietaisų vystymąsi ir susidomėjimą jais.

Buvo ištirtos ir sukurtos naujos pjezoelektrinės medžiagos ir naujas šių medžiagų pritaikymas, o pjezoelektriniai prietaisai rado namus daugelyje sričių, pavyzdžiui, keraminės fonografo kasetės, kurios supaprastino grotuvo dizainą ir sukūrė pigesnius, tikslesnius įrašų grotuvus, kuriuos buvo pigiau prižiūrėti ir lengviau. statyti. Plėtra

Senovinis elektros krūvio šaltinis

Pjezoelektra yra elektros krūvis, kuris kaupiasi tam tikrose kietose medžiagose, tokiose kaip kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulai ir DNR. Tai sukelia medžiagos reakcija į taikomą mechaninį įtempimą. Žodis „pjezoelektra“ kilęs iš graikų kalbos žodžio „piezein“, reiškiančio „spausti arba spausti“, ir žodžio „elektron“, reiškiančio „gintarą“, senovinį elektros krūvio šaltinį.

Pjezoelektrinis efektas atsiranda dėl linijinės elektromechaninės sąveikos tarp kristalinių medžiagų mechaninių ir elektrinių būsenų su inversijos simetrija. Tai yra grįžtamasis procesas, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kuris yra vidinis mechaninio įtempimo, atsirandančio dėl taikomo elektrinio lauko, generavimas. Pavyzdžiui, švino cirkonato titanato kristalai sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, kai jų statinė struktūra deformuojasi nuo pradinio matmens. Ir atvirkščiai, kai veikia išorinis elektrinis laukas, kristalai keičia savo statinį matmenį atvirkštiniu pjezoelektriniu efektu ir sukuria ultragarso bangas.

Pjezoelektrinį efektą 1880 metais atrado prancūzų fizikai Jacques'as ir Pierre'as Curie. Jis naudojamas įvairioms naudingoms reikmėms, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą, pjezoelektrinį rašalinį spausdinimą, aukštos įtampos elektros generavimą, laikrodžių generatorius ir elektroninius prietaisus, tokius kaip mikrobalansai ir pavaros ultragarsiniai purkštukai, skirti itin tiksliai fokusuoti optinius mazgus. Tai taip pat yra pagrindas skenuojant zondų mikroskopus, kurie naudojami atomų mastelio vaizdams išspręsti. Pjezoelektra taip pat naudojama elektroniniu būdu sustiprintų gitarų pikapuose ir šiuolaikinių elektroninių būgnų trigeriuose.

Pjezoelektra kasdien naudojama gaminant kibirkštis, kad uždegtų dujas maisto ruošimo ir šildymo įrenginiuose, fakeluose, cigarečių žiebtuvėliuose ir kt. Piroelektrinį efektą, kuris yra elektrinio potencialo susidarymas reaguojant į temperatūros pokyčius, XVIII amžiaus viduryje ištyrė Carlas Linnaeusas ir Franzas Aepinusas, remdamiesi René Haüy ir Antoine César Becquerel žiniomis, kurie nustatė ryšį tarp mechaninių. stresas ir elektros krūvis. Tačiau jų eksperimentai pasirodė neįtikinami.

Pjezo kristalo vaizdas ir Curie kompensatorius Hunterian muziejuje Škotijoje rodo tiesioginį pjezoelektrinį efektą. Būtent brolių Pierre'o ir Jacques'o Curie darbas ištyrė ir apibrėžė pjezoelektrą demonstruojančias kristalų struktūras, kurių kulminacija buvo Woldemaro Voigto knygos „Lehrbuch der Kristallphysik“ (Kristalų fizikos vadovėlis) publikacija. Tai apibūdino natūralias kristalų klases, galinčias turėti pjezoelektrą, ir griežtai apibrėžė pjezoelektrines konstantas per tenzorinę analizę, leidžiančią praktiškai pritaikyti pjezoelektrinius prietaisus.

Pirmojo pasaulinio karo metais sonarą sukūrė prancūzas Paulas Langevinas ir jo bendradarbiai, sukūrę ultragarsinį povandeninio laivo detektorių. Detektorius susideda iš keitiklio, pagaminto iš plonų kvarco kristalų, kruopščiai priklijuotų prie plieninių plokščių, ir hidrofono, skirto aptikti grįžtantį aidą. Iš keitiklio išskleisdami aukšto dažnio impulsą ir išmatuodami laiką, per kurį išgirsta nuo objekto atsimušančių garso bangų aidas, jie galėjo apskaičiuoti atstumą iki objekto. Jie panaudojo pjezoelektrą, kad šis sonaras būtų sėkmingas. Šis projektas dešimtmečius sukėlė intensyvų pjezoelektrinių prietaisų vystymąsi ir susidomėjimą jais.

Piroelektra

Pjezoelektra yra tam tikrų medžiagų gebėjimas kaupti elektros krūvį reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Tai linijinė elektromechaninė sąveika tarp kristalinių medžiagų mechaninių ir elektrinių būsenų su inversine simetrija. Žodis „pjezoelektra“ yra kilęs iš graikų kalbos žodžio „piezein“, reiškiančio „spausti arba spausti“, ir graikiško žodžio „ēlektron“, reiškiančio „gintaras“, senovės elektros krūvio šaltinis.

Pjezoelektrinį efektą 1880 m. atrado prancūzų fizikai Jacques'as ir Pierre'as Curie. Tai grįžtamasis procesas, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrinį efektą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kuris yra vidinė mechaninio įtempimo, atsirandančio dėl taikomo elektrinio lauko, generavimas. Medžiagų, kurios sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, pavyzdžiai yra švino cirkonato titanato kristalai. Kai statinė struktūra deformuojama, ji grįžta į pradinį matmenį. Ir atvirkščiai, kai veikia išorinis elektrinis laukas, sukuriamas atvirkštinis pjezoelektrinis efektas, dėl kurio susidaro ultragarso bangos.

Pjezoelektrinis efektas naudojamas daugeliui naudingų programų, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą, pjezoelektrinį rašalinį spausdinimą, aukštos įtampos elektros generavimą, laikrodžių generatorius ir elektroninius prietaisus, tokius kaip mikrobalansai, pavaros ultragarsiniai purkštukai ir ypač smulkūs fokusavimo optiniai mazgai. Tai taip pat yra skenuojančių zondų mikroskopų, kurie naudojami vaizdams atomų mastelio išskyrimui, pagrindas. Pjezoelektra taip pat naudojama elektroniniu būdu sustiprintų gitarų pikapuose ir šiuolaikinių elektroninių būgnų trigeriuose.

Pjezoelektra naudojama kasdien, pvz., sukuria kibirkštis, kad uždegtų dujas maisto ruošimo ir šildymo įrenginiuose, fakeluose, cigarečių žiebtuvėliuose ir kt. Piroelektrinį efektą, kuris yra elektrinio potencialo susidarymas reaguojant į temperatūros pokyčius, XVIII amžiaus viduryje ištyrė Carlas Linnaeusas ir Franzas Aepinusas, remdamiesi René Haüy ir Antoine César Becquerel žiniomis, kurie numatė ryšį. tarp mechaninio įtempio ir elektros krūvio. Tačiau eksperimentai pasirodė neįtikinami.

Pjezo kristalo vaizdas Curie kompensatoriaus muziejuje Škotijoje yra tiesioginio pjezoelektrinio efekto demonstravimas. Broliai Pierre'as ir Jacques'as Curie sujungė savo žinias apie piroelektrą ir supratimą apie pagrindines kristalų struktūras, kad suprastų piroelektrą ir nuspėtų kristalų elgesį. Tai buvo įrodyta kristalų, tokių kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rochelle druska, poveikis. Nustatyta, kad natrio kalio tartrato tetrahidratas ir kvarcas pasižymi pjezoelektra, o pjezoelektrinis diskas buvo naudojamas įtampai sukurti deformuojant. Curies tai buvo labai perdėta, kad numatytų atvirkštinį pjezoelektrinį efektą. Priešingą efektą matematiškai išvedė pagrindiniai termodinamikos principai, kuriuos 1881 m. padarė Gabrielis Lippmannas.

Curies iš karto patvirtino atvirkštinio efekto egzistavimą ir gavo kiekybinį įrodymą, kad pjezoelektrinių kristalų elektro-elasto-mechaninės deformacijos yra visiškai grįžtamos. Vėlesniais dešimtmečiais pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, kol tapo svarbia priemone Pierre'ui ir Marie Curie atrandant polonį ir ralį. Jų darbas, skirtas tyrinėti ir apibrėžti pjezoelektrą demonstruojančias kristalų struktūras, baigėsi Woldemaro Voigto knygos „Lehrbuch der Kristallphysik“ (Kristalų fizikos vadovėlis) publikavimu.

Sonaro kūrimas buvo sėkmingas, o projektas sukėlė intensyvų pjezoelektrinių prietaisų kūrimą ir susidomėjimą jais. Vėlesniais dešimtmečiais buvo ištirtos ir sukurtos naujos pjezoelektrinės medžiagos ir nauji šių medžiagų pritaikymai. Pjezoelektriniai prietaisai rado namus daugelyje sričių, pavyzdžiui, keraminės fonografo kasetės, kurios supaprastino grotuvo dizainą ir sukūrė pigesnius, tikslesnius grotuvus, kuriuos buvo pigiau prižiūrėti ir lengviau sukurti. Ultragarsinių keitiklių sukūrimas leido lengvai išmatuoti skysčių ir kietųjų medžiagų klampumą ir elastingumą, todėl buvo padaryta didžiulė pažanga medžiagų tyrimų srityje. Ultragarsiniai laiko srities reflektometrai siunčia ultragarso impulsą į medžiagą ir išmatuoja atspindžius bei nutrūkimus, kad aptiktų metalo ir akmens objektų trūkumus ir pagerintų konstrukcijos saugumą.

Po Antrojo pasaulinio karo nepriklausomos tyrimų grupės JAV, Rusijoje ir Japonijoje atrado naują sintetinių medžiagų klasę, vadinamą feroelektrika, kurios pjezoelektrinės konstantos buvo

Pjezoelektrinės medžiagos

Šiame skyriuje aptarsiu medžiagas, turinčias pjezoelektrinį efektą, kuris yra tam tikrų medžiagų gebėjimas kaupti elektros krūvį reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Aš pažvelgsiu į kristalus, keramiką, biologines medžiagas, kaulus, DNR ir baltymus ir kaip jie visi reaguoja į pjezoelektrinį efektą.

Kristalai

Pjezoelektra yra tam tikrų medžiagų gebėjimas kaupti elektros krūvį reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Žodis pjezoelektra yra kilęs iš graikų kalbos žodžių πιέζειν (piezein), reiškiančių „suspausti“ arba „spausti“, ir ἤλεκτρον (ēlektron), reiškiančio „gintarą“, senovės elektros krūvio šaltinį. Pjezoelektrinės medžiagos apima kristalus, keramiką, biologines medžiagas, kaulus, DNR ir baltymus.

Pjezoelektra yra linijinė elektromechaninė sąveika tarp mechaninių ir elektrinių būsenų kristalinėse medžiagose su inversine simetrija. Šis efektas yra grįžtamasis, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kuris yra vidinis mechaninio įtempimo, atsirandančio dėl taikomo elektrinio lauko, generavimas. Medžiagų, kurios sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, pavyzdžiai yra švino cirkonato titanato kristalai, kurie gali deformuotis iki pradinio matmens arba, atvirkščiai, pakeisti savo statinį matmenį, kai veikia išorinis elektrinis laukas. Tai žinoma kaip atvirkštinis pjezoelektrinis efektas ir naudojamas ultragarso bangoms gaminti.

Prancūzų fizikai Jacques'as ir Pierre'as Curie 1880 m. atrado pjezoelektrą. Pjezoelektrinis efektas buvo panaudotas įvairioms naudingoms reikmėms, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą, pjezoelektrinį rašalinį spausdinimą, aukštos įtampos elektros generavimą, laikrodžių generatorius ir elektroninius prietaisus, tokius kaip kaip mikrobalansai, pavaros ultragarsiniai purkštukai ir itin smulkūs fokusavimo optiniai mazgai. Tai taip pat yra pagrindas skenuojant zondų mikroskopus, kurie naudojami atomų mastelio vaizdams išspręsti. Pjezoelektriniai pikapai taip pat naudojami elektroniniu būdu sustiprintose gitarose ir trigeriuose šiuolaikiniuose elektroniniuose būgnuose.

Pjezoelektra kasdien naudojama gaminant kibirkštis, kad uždegtų dujas maisto ruošimo ir šildymo įrenginiuose, taip pat degikliuose ir cigarečių žiebtuvėliuose. Piroelektrinį efektą, kuris yra elektrinio potencialo generavimas reaguojant į temperatūros pokyčius, XVIII amžiaus viduryje ištyrė Carlas Linnaeusas ir Franzas Aepinusas, remdamiesi René Haüy ir Antoine César Becquerel žiniomis, kurie nustatė ryšį tarp mechaninių. stresas ir elektros krūvis. Eksperimentai, įrodantys šią teoriją, buvo neįtikinami.

Pjezo kristalo vaizdas Curie kompensatoriuje Hunterian muziejuje Škotijoje yra tiesioginio pjezoelektrinio efekto demonstravimas. Broliai Pierre'as ir Jacques'as Curie sujungė savo žinias apie piroelektrą su supratimu apie pagrindines kristalų struktūras, kad būtų galima numatyti piroelektrą. Jie sugebėjo numatyti kristalų elgesį ir pademonstravo poveikį kristalams, tokiems kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rošelio druska. Natrio kalio tartrato tetrahidratas ir kvarcas taip pat turėjo pjezoelektrą. Pjezoelektrinis diskas deformuodamas generuoja įtampą; formos pasikeitimas yra gerokai perdėtas Curies demonstracijoje.

Jie taip pat sugebėjo numatyti atvirkštinį pjezoelektrinį efektą ir matematiškai nustatyti pagrindinius termodinamikos principus. Gabrielis Lippmannas tai padarė 1881 m. Curie iš karto patvirtino atvirkštinio efekto egzistavimą ir gavo kiekybinį įrodymą, kad pjezoelektrinių kristalų elektro-elasto-mechaninės deformacijos yra visiškai grįžtamos.

Dešimtmečius pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, tačiau tai buvo gyvybiškai svarbi priemonė Pierre'ui ir Marie Curie atrasti polonį ir ralį. Jų darbas, skirtas tyrinėti ir apibrėžti pjezoelektrą demonstruojančias kristalų struktūras, baigėsi Woldemaro Voigto Lehrbuch der Kristallphysik (Krištolinės fizikos vadovėlio) publikavimu, kuriame aprašytos natūralios kristalų klasės, galinčios turėti pjezoelektrą, ir griežtai apibrėžtos pjezoelektrinės konstantos, naudojant tenzorinę analizę.

Praktinis pjezoelektrinių prietaisų pritaikymas sonare buvo sukurtas Pirmojo pasaulinio karo metais. Prancūzijoje Paulas Langevinas ir jo bendradarbiai sukūrė ultragarsinį povandeninio laivo detektorių. Šį detektorių sudarė keitiklis, pagamintas iš plonų kvarco kristalų, kruopščiai priklijuotų prie plieninių plokščių, vadinamo hidrofonu, kad aptiktų grįžtantį aidą po aukšto dažnio impulso. Išmatavę laiką, kurio reikia norint išgirsti nuo objekto atsimušančių garso bangų aidą, jie galėjo apskaičiuoti atstumą iki objekto. Šis pjezoelektros panaudojimas sonare buvo sėkmingas, o projektas per dešimtmečius sukėlė intensyvų pjezoelektrinių prietaisų vystymąsi ir susidomėjimą jais.

keramika

Pjezoelektrinės medžiagos yra kietos medžiagos, kurios kaupia elektros krūvį reaguodamos į taikomą mechaninį įtempį. Pjezoelektra yra kilusi iš graikų kalbos žodžių πιέζειν (piezein), reiškiančių „suspausti“ arba „spausti“, ir ἤλεκτρον (ēlektron), reiškiančio „gintarą“, senovės elektros krūvio šaltinį. Pjezoelektrinės medžiagos naudojamos įvairioms reikmėms, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą, pjezoelektrinį rašalinį spausdinimą ir aukštos įtampos elektros generavimą.

Pjezoelektrinių medžiagų yra kristaluose, keramikoje, biologinėse medžiagose, kauluose, DNR ir baltymuose. Keramika yra labiausiai paplitusios pjezoelektrinės medžiagos, naudojamos kasdienėje veikloje. Keramika gaminama iš metalų oksidų, tokių kaip švino cirkonato titanatas (PZT), derinio, kurie kaitinami iki aukštos temperatūros, kad susidarytų kieta medžiaga. Keramika yra labai patvari ir gali atlaikyti ekstremalias temperatūras ir slėgį.

Pjezoelektrinė keramika naudojama įvairiai, įskaitant:

• Kibirkščių generavimas, kad užsidegtų dujos, naudojamos maisto ruošimui ir šildymo prietaisams, tokiems kaip degikliai ir cigarečių žiebtuvėliai.
• Ultragarso bangų generavimas medicininiam vaizdavimui.
• Aukštos įtampos elektros generavimas laikrodžių generatoriams ir elektroniniams prietaisams.
• Mikrosvarstyklių generavimas, skirtas naudoti tiksliam svėrimui.
• Varomieji ultragarsiniai purkštukai itin smulkiam optinių mazgų fokusavimui.
• Sudaryti pagrindą skenuojantiems zondiniams mikroskopams, kurie gali išskirti vaizdus atomų masteliu.
• Elektroniniu būdu sustiprintų gitarų pikapai ir šiuolaikinių elektroninių būgnų trigeriai.

Pjezoelektrinė keramika naudojama įvairiose srityse – nuo ​​plataus vartojimo elektronikos iki medicininio vaizdo gavimo. Jie yra labai patvarūs ir gali atlaikyti ekstremalias temperatūras ir slėgį, todėl puikiai tinka naudoti įvairiose pramonės šakose.

Biologinė medžiaga

Pjezoelektra yra tam tikrų medžiagų gebėjimas kaupti elektros krūvį reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Jis kilęs iš graikų kalbos žodžio „piezein“, reiškiančio „spausti arba spausti“, ir „ēlektron“, reiškiančio „gintarą“, senovinio elektros krūvio šaltinio.

Biologinės medžiagos, tokios kaip kaulai, DNR ir baltymai, yra tarp medžiagų, kurios pasižymi pjezoelektra. Šis efektas yra grįžtamasis, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kuris yra vidinis mechaninio įtempimo, atsirandančio dėl taikomo elektrinio lauko, generavimas. Šių medžiagų pavyzdžiai yra švino cirkonato titanato kristalai, kurie sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, kai jų statinė struktūra deformuojasi nuo pradinio matmens. Ir atvirkščiai, kai veikia išorinis elektrinis laukas, kristalai keičia savo statinį matmenį, sukurdami ultragarso bangas per atvirkštinį pjezoelektrinį efektą.

Pjezoelektrą 1880 m. atrado prancūzų fizikai Jacques'as ir Pierre'as Curie. Nuo to laiko jis buvo naudojamas įvairioms naudingoms reikmėms, pavyzdžiui:

• Garso kūrimas ir aptikimas
• Pjezoelektrinis rašalinis spausdinimas
• Aukštos įtampos elektros gamyba
• Laikrodžio generatorius
• Elektroniniai prietaisai
• Mikrobalansai
• Varo ultragarsinius purkštukus
• Itin smulkūs fokusavimo optiniai mazgai
• Sudaro skenuojančių zondų mikroskopų pagrindą
• Išskirkite vaizdus atomų masteliu
• Pikapai elektroniniu būdu sustiprintose gitarose
• Trigeriai šiuolaikiniuose elektroniniuose būgnuose

Pjezoelektra taip pat naudojama kasdieniuose daiktuose, tokiuose kaip dujiniai virimo ir šildymo prietaisai, fakelai, cigarečių žiebtuvėliai ir kt. Piroelektrinį efektą, kuris yra elektrinio potencialo susidarymas reaguojant į temperatūros pokyčius, XVIII amžiaus viduryje ištyrė Carlas Linnaeusas ir Franzas Aepinusas. Remdamiesi René Haüy ir Antoine César Becquerel žiniomis, jie nustatė ryšį tarp mechaninio įtempio ir elektros krūvio, tačiau jų eksperimentai pasirodė neįtikinami.

Pjezo kristalo vaizdas Curie kompensatoriuje Hunterian muziejuje Škotijoje yra tiesioginio pjezoelektrinio efekto demonstravimas. Broliai Pierre'as ir Jacques'as Curie sujungė savo žinias apie piroelektrą ir supratimą apie pagrindines kristalų struktūras, kad galėtų numatyti piroelektrą ir nuspėti kristalų elgesį. Tai įrodė kristalų, tokių kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rošelio druska, poveikis. Natrio ir kalio tartrato tetrahidratas ir kvarcas taip pat turėjo pjezoelektrą, o pjezoelektrinis diskas buvo naudojamas įtampai sukurti, kai deformuojamas. Šį efektą Curies labai perdėjo, kad numatytų atvirkštinį pjezoelektrinį efektą. Priešingą efektą iš pagrindinių termodinaminių principų matematiškai išvedė Gabrielis Lippmannas 1881 m.

Curies iš karto patvirtino atvirkštinio efekto egzistavimą ir gavo kiekybinį įrodymą, kad pjezoelektrinių kristalų elektro-elasto-mechaninės deformacijos yra visiškai grįžtamos. Dešimtmečius pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, kol tapo gyvybiškai svarbia priemone Pierre'ui ir Marie Curie atrandant polonį ir ralį. Jų darbas, skirtas tyrinėti ir apibrėžti pjezoelektrą demonstruojančias kristalų struktūras, baigėsi Woldemaro Voigto „Lehrbuch der Kristallphysik“ (Kristalų fizikos vadovėlis) paskelbimu.

kaulas

Pjezoelektra yra tam tikrų medžiagų gebėjimas kaupti elektros krūvį reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Kaulas yra viena iš medžiagų, kuri demonstruoja šį reiškinį.

Kaulai yra biologinės medžiagos rūšis, kurią sudaro baltymai ir mineralai, įskaitant kolageną, kalcį ir fosforą. Jis yra pats pjezoelektrinis iš visų biologinių medžiagų ir gali generuoti įtampą, kai yra veikiamas mechaninio įtempimo.

Pjezoelektrinis efektas kauluose yra jo unikalios struktūros rezultatas. Jį sudaro kolageno skaidulų tinklas, įterptas į mineralų matricą. Kai kaulas yra veikiamas mechaninio įtempimo, kolageno skaidulos juda, todėl mineralai tampa poliarizuoti ir generuoja elektros krūvį.

Pjezoelektrinis efektas kauluose turi daug praktinių pritaikymų. Jis naudojamas medicininiame vaizdavime, pvz., ultragarsu ir rentgeno spinduliais, siekiant nustatyti kaulų lūžius ir kitus sutrikimus. Jis taip pat naudojamas kaulinio laidumo klausos aparatuose, kurie naudoja pjezoelektrinį efektą garso bangoms paversti elektriniais signalais, kurie siunčiami tiesiai į vidinę ausį.

Pjezoelektrinis poveikis kauluose taip pat naudojamas ortopediniams implantams, pavyzdžiui, dirbtiniams sąnariams ir galūnių protezams. Implantai naudoja pjezoelektrinį efektą, kad mechaninę energiją paverstų elektros energija, kuri vėliau naudojama prietaisui maitinti.

Be to, tiriamas pjezoelektrinis poveikis kauluose, kad būtų galima naudoti kuriant naujus medicininius gydymo būdus. Pavyzdžiui, mokslininkai tiria pjezoelektros panaudojimą kaulų augimui skatinti ir pažeistiems audiniams atstatyti.

Apskritai pjezoelektrinis efektas kauluose yra žavus reiškinys, turintis platų praktinio pritaikymo spektrą. Jis naudojamas įvairiose medicinos ir technologinėse srityse ir yra tiriamas, kaip naudoti kuriant naujus gydymo būdus.

DNR

Pjezoelektra yra tam tikrų medžiagų gebėjimas kaupti elektros krūvį reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. DNR yra viena iš tokių medžiagų, kuri turi tokį poveikį. DNR yra biologinė molekulė, randama visuose gyvuose organizmuose ir sudaryta iš keturių nukleotidų bazių: adenino (A), guanino (G), citozino (C) ir timino (T).

DNR yra sudėtinga molekulė, kuri gali būti naudojama elektros krūviui generuoti, kai yra veikiamas mechaninio įtempimo. Taip yra dėl to, kad DNR molekulės susideda iš dviejų nukleotidų gijų, kurias kartu laiko vandenilio ryšiai. Kai šie ryšiai nutrūksta, susidaro elektros krūvis.

Pjezoelektrinis DNR efektas buvo naudojamas įvairiose srityse, įskaitant:

• Elektros gamyba medicininiams implantams
• Mechaninių jėgų ląstelėse aptikimas ir matavimas
• Nano skalės jutiklių kūrimas
• Biosensorių kūrimas DNR sekos nustatymui
• Ultragarso bangų generavimas vaizdavimui

Taip pat tiriamas pjezoelektrinis DNR poveikis, siekiant jį panaudoti kuriant naujas medžiagas, tokias kaip nanolaidai ir nanovamzdeliai. Šios medžiagos gali būti naudojamos įvairioms reikmėms, įskaitant energijos kaupimą ir jutimą.

Pjezoelektrinis DNR poveikis buvo plačiai ištirtas ir nustatyta, kad jis yra labai jautrus mechaniniam poveikiui. Dėl to tai yra vertinga priemonė tyrėjams ir inžinieriams, kurie nori kurti naujas medžiagas ir technologijas.

Apibendrinant galima pasakyti, kad DNR yra medžiaga, turinti pjezoelektrinį efektą, kuris yra gebėjimas kaupti elektros krūvį reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Šis efektas buvo naudojamas įvairiose srityse, įskaitant medicininius implantus, nanoskalės jutiklius ir DNR sekos nustatymą. Taip pat tiriamas jo panaudojimas kuriant naujas medžiagas, tokias kaip nanolaidai ir nanovamzdeliai.

Baltymai

Pjezoelektra yra tam tikrų medžiagų gebėjimas kaupti elektros krūvį reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Pjezoelektrinės medžiagos, tokios kaip baltymai, kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulai ir DNR, turi tokį poveikį. Visų pirma baltymai yra unikali pjezoelektrinė medžiaga, nes jie sudaryti iš sudėtingos aminorūgščių struktūros, kurios gali būti deformuotos, kad susidarytų elektros krūvis.

Baltymai yra pati gausiausia pjezoelektrinės medžiagos rūšis, jų yra įvairių. Jų galima rasti fermentų, hormonų ir antikūnų pavidalu, taip pat struktūrinių baltymų, tokių kaip kolagenas ir keratinas, pavidalu. Baltymai taip pat randami raumenų baltymų pavidalu, kurie yra atsakingi už raumenų susitraukimą ir atsipalaidavimą.

Pjezoelektrinis baltymų poveikis atsiranda dėl to, kad juos sudaro sudėtinga aminorūgščių struktūra. Kai šios aminorūgštys deformuojasi, jos sukuria elektros krūvį. Šis elektros krūvis gali būti naudojamas įvairiems įrenginiams, pvz., jutikliams ir pavaroms, maitinti.

Baltymai taip pat naudojami įvairiose medicinos srityse. Pavyzdžiui, jie naudojami tam tikrų baltymų buvimui organizme nustatyti, pagal kuriuos galima diagnozuoti ligas. Jie taip pat naudojami tam tikrų bakterijų ir virusų buvimui nustatyti, kurie gali būti naudojami infekcijoms diagnozuoti.

Baltymai taip pat naudojami įvairiose pramonės srityse. Pavyzdžiui, jie naudojami įvairių pramonės procesų jutikliams ir pavaroms kurti. Jie taip pat naudojami kuriant medžiagas, kurios gali būti naudojamos orlaivių ir kitų transporto priemonių gamyboje.

Apibendrinant galima pasakyti, kad baltymai yra unikali pjezoelektrinė medžiaga, kurią galima naudoti įvairiais tikslais. Jie sudaryti iš sudėtingos aminorūgščių struktūros, kurios gali būti deformuotos, kad susidarytų elektros krūvis, ir yra naudojamos įvairiose medicinos ir pramonės srityse.

Energijos rinkimas naudojant pjezoelektrą

Šiame skyriuje aptarsiu, kaip pjezoelektra gali būti naudojama energijai surinkti. Apžvelgsiu įvairius pjezoelektros pritaikymus – nuo ​​pjezoelektrinio rašalinio spausdinimo iki laikrodžių generatorių ir mikrobalansų. Taip pat tyrinėsiu pjezoelektros istoriją – nuo ​​Pierre'o Curie atradimo iki panaudojimo Antrajame pasauliniame kare. Galiausiai aptarsiu dabartinę pjezoelektros pramonės būklę ir tolesnio augimo potencialą.

Pjezoelektrinis rašalinis spausdinimas

Pjezoelektra yra tam tikrų medžiagų gebėjimas generuoti elektros krūvį reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Žodis „pjezoelektra“ yra kilęs iš graikų kalbos žodžių „piezein“ (spausti arba spausti) ir „elektron“ (gintaras), senovinio elektros krūvio šaltinio. Pjezoelektrinės medžiagos, tokios kaip kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulas ir DNR, yra naudojamos įvairiems tikslams.

Pjezoelektra naudojama aukštos įtampos elektros gamybai, kaip laikrodžio generatorius, elektroniniuose įrenginiuose ir mikrobalansuose. Jis taip pat naudojamas ultragarsiniams purkštukams ir itin smulkiems fokusavimo optiniams mazgams valdyti. Pjezoelektrinis rašalinis spausdinimas yra populiarus šios technologijos pritaikymas. Tai spausdinimo tipas, kuriame pjezoelektriniai kristalai sukuria aukšto dažnio vibraciją, kuri naudojama rašalo lašeliams išstumti ant puslapio.

Pjezoelektros atradimas datuojamas 1880 m., kai prancūzų fizikai Jacques'as ir Pierre'as Curie atrado šį efektą. Nuo tada pjezoelektrinis efektas buvo naudojamas įvairioms naudingoms reikmėms. Pjezoelektra naudojama kasdieniuose gaminiuose, tokiuose kaip dujiniai virimo ir šildymo prietaisai, žibintuvėliai, cigarečių žiebtuvėliai, elektroniniu būdu sustiprintų gitarų pikapai ir šiuolaikinių elektroninių būgnų paleidikliai.

Pjezoelektra taip pat naudojama moksliniuose tyrimuose. Tai yra skenuojančių zondų mikroskopų, kurie naudojami vaizdams atskirti atomų skalėje, pagrindas. Jis taip pat naudojamas ultragarsiniuose laiko srities reflektometruose, kurie siunčia ultragarso impulsus į medžiagą ir matuoja atspindžius, kad aptiktų netolygumus ir rastų defektus liejinių metalo ir akmens objektų viduje.

Pjezoelektrinių prietaisų ir medžiagų kūrimą lėmė geresnio našumo ir lengvesnių gamybos procesų poreikis. Jungtinėse Amerikos Valstijose komerciniam naudojimui skirtų kvarco kristalų kūrimas buvo pagrindinis pjezoelektros pramonės augimo veiksnys. Priešingai, Japonijos gamintojai sugebėjo greitai dalytis informacija ir kurti naujas programas, todėl Japonijos rinka sparčiai auga.

Pjezoelektra pakeitė energijos naudojimo būdą – nuo ​​kasdienių daiktų, pavyzdžiui, žiebtuvėlių, iki pažangių mokslinių tyrimų. Tai universali technologija, suteikusi mums galimybę tyrinėti ir kurti naujas medžiagas bei pritaikymus, ir daugelį metų ji išliks svarbi mūsų gyvenimo dalis.

Aukštos įtampos elektros gamyba

Pjezoelektra yra tam tikrų kietų medžiagų gebėjimas kaupti elektros krūvį reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Žodis „pjezoelektra“ yra kilęs iš graikų kalbos žodžių „piezein“, reiškiančių „suspausti“ arba „spausti“, ir „ēlektron“, reiškiančio „gintarą“, senovės elektros krūvio šaltinį. Pjezoelektra yra linijinė elektromechaninė sąveika tarp mechaninių ir elektrinių būsenų kristalinėse medžiagose su inversine simetrija.

Pjezoelektrinis efektas yra grįžtamasis procesas; medžiagos, turinčios pjezoelektrą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą – vidinį mechaninio įtempimo susidarymą, atsirandantį dėl taikomo elektrinio lauko. Pavyzdžiui, švino cirkonato titanato kristalai sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, kai jų statinė struktūra deformuojasi nuo pradinio matmens. Ir atvirkščiai, kristalai gali pakeisti savo statinį matmenį, kai veikia išorinis elektrinis laukas, reiškinys, žinomas kaip atvirkštinis pjezoelektrinis efektas, kuris naudojamas ultragarso bangoms gaminti.

Pjezoelektrinis efektas naudojamas įvairiose srityse, įskaitant aukštos įtampos elektros energijos gamybą. Pjezoelektrinės medžiagos naudojamos garsui gaminti ir aptikti, pjezoelektriniam rašaliniam spausdinimui, laikrodžių generatoriuose, elektroniniuose prietaisuose, mikrobalansuose, pavarų ultragarsiniuose purkštukuose ir itin smulkiai fokusuojančiuose optiniuose mazguose.

Pjezoelektra taip pat naudojama kasdienėse srityse, pavyzdžiui, sukuriant kibirkštis, kad uždegtų dujas maisto ruošimo ir šildymo įrenginiuose, degikliuose, cigarečių žiebtuvėliuose ir piroelektrinio efekto medžiagose, kurios, reaguodamos į temperatūros pokyčius, sukuria elektrinį potencialą. Šį efektą XVIII amžiaus viduryje ištyrė Carlas Linnaeusas ir Franzas Aepinusas, remdamiesi René Haüy ir Antoine César Becquerel žiniomis, kurie nustatė ryšį tarp mechaninio įtempio ir elektros krūvio, nors jų eksperimentai pasirodė neįtikinami.

Bendros žinios apie piroelektrą ir pagrindinių kristalų struktūrų supratimas leido numatyti piroelektrą ir galimybę numatyti kristalų elgesį. Tai įrodė kristalų, tokių kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rošelio druska, poveikis. Natrio kalio tartrato tetrahidratas ir kvarcas taip pat turėjo pjezoelektrą, o pjezoelektrinis diskas buvo naudojamas įtampai sukurti, kai deformuotas. Tai buvo labai perdėta Curies demonstruojant tiesioginį pjezoelektrinį efektą.

Broliai Pierre'as ir Jacques'as Curie gavo kiekybinį įrodymą, kad pjezoelektrinių kristalų elektro-elasto-mechaninės deformacijos yra visiškai grįžtamos. Dešimtmečius pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, tačiau tai buvo gyvybiškai svarbi priemonė Pierre'ui ir Marie Curie atrasti polonį ir ralį. Jų darbas, skirtas tyrinėti ir apibrėžti pjezoelektrą demonstruojančias kristalų struktūras, baigėsi Woldemaro Voigto Lehrbuch der Kristallphysik (Krištolinės fizikos vadovėlio) publikavimu, kuriame aprašytos natūralios kristalų klasės, galinčios turėti pjezoelektrą, ir griežtai apibrėžtos pjezoelektrinės konstantos, naudojant tenzorinę analizę.

Praktinis pjezoelektrinių prietaisų pritaikymas prasidėjo per Pirmąjį pasaulinį karą sukūrus sonarą. Prancūzijoje Paulas Langevinas ir jo bendradarbiai sukūrė ultragarsinį povandeninio laivo detektorių. Detektorius susideda iš keitiklio, pagaminto iš plonų kvarco kristalų, kruopščiai priklijuotų prie plieninių plokščių, ir hidrofono, skirto grįžtamam aidui aptikti. Iš keitiklio išskleisdami aukšto dažnio impulsą ir išmatuodami laiką, per kurį išgirsta nuo objekto atsimušančių garso bangų aidas, jie galėjo apskaičiuoti objekto atstumą. Jie panaudojo pjezoelektrą, kad sonaras būtų sėkmingas, o projektas per ateinančius dešimtmečius sukėlė intensyvų pjezoelektrinių prietaisų vystymąsi ir susidomėjimą jais.

Buvo ištirtos ir sukurtos naujos pjezoelektrinės medžiagos ir nauji šių medžiagų pritaikymai. Pjezoelektriniai prietaisai rado namus įvairiose srityse, pavyzdžiui, keraminės fonografo kasetės, kurios supaprastino grotuvo dizainą ir sukūrė pigesnius, tikslesnius grotuvus, kuriuos buvo pigiau prižiūrėti ir lengviau sukurti. Ultragarsinių keitiklių kūrimas leido lengvai išmatuoti skysčių ir kietųjų medžiagų klampumą ir elastingumą, todėl buvo padaryta didžiulė medžiagų tyrimų pažanga. Ultragarsiniai laiko srities reflektometrai siunčia ultragarso impulsą į medžiagą ir išmatuoja atspindžius bei nutrūkimus, kad aptiktų metalo ir akmens objektų trūkumus ir pagerintų konstrukcijos saugumą.

Antrojo pasaulinio karo metu nepriklausomos tyrimų grupės JAV, Rusijoje ir Japonijoje atrado naują sintetinių medžiagų klasę, vadinamą fer.

Laikrodžių generatorius

Pjezoelektra yra tam tikrų medžiagų gebėjimas kaupti elektros krūvį reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Šis reiškinys buvo naudojamas kuriant daugybę naudingų programų, įskaitant laikrodžių generatorius. Laikrodžių generatoriai yra įrenginiai, naudojantys pjezoelektrą, kad generuotų elektrinius signalus su tiksliu laiku.

Laikrodžių generatoriai naudojami įvairiose srityse, pavyzdžiui, kompiuteriuose, telekomunikacijose ir automobilių sistemose. Jie taip pat naudojami medicinos prietaisuose, pvz., širdies stimuliatoriuose, siekiant užtikrinti tikslų elektros signalų laiką. Laikrodžių generatoriai taip pat naudojami pramoninėje automatikoje ir robotikoje, kur tikslus laikas yra būtinas.

Pjezoelektrinis efektas pagrįstas linijine elektromechanine sąveika tarp mechaninių ir elektrinių būsenų kristalinėse medžiagose su inversijos simetrija. Šis efektas yra grįžtamas, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrą, taip pat gali sukelti mechaninį įtempimą, kai veikia elektrinis laukas. Tai žinoma kaip atvirkštinis pjezoelektrinis efektas ir naudojamas ultragarso bangoms gaminti.

Laikrodžių generatoriai naudoja šį atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kad generuotų elektrinius signalus su tiksliu laiku. Pjezoelektrinę medžiagą deformuoja elektrinis laukas, dėl kurio ji vibruoja tam tikru dažniu. Tada ši vibracija paverčiama elektriniu signalu, kuris naudojamas tiksliam laiko signalui generuoti.

Laikrodžių generatoriai naudojami įvairiose srityse – nuo ​​medicinos prietaisų iki pramoninės automatikos. Jie yra patikimi, tikslūs ir lengvai naudojami, todėl yra populiarus daugelio programų pasirinkimas. Pjezoelektra yra svarbi šiuolaikinių technologijų dalis, o laikrodžių generatoriai yra tik vienas iš daugelio šio reiškinio pritaikymo būdų.

Elektroniniai prietaisai

Pjezoelektra yra tam tikrų kietų medžiagų gebėjimas kaupti elektros krūvį reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Šis reiškinys, žinomas kaip pjezoelektrinis efektas, naudojamas įvairiuose elektroniniuose įrenginiuose – nuo ​​elektroniniu būdu sustiprintų gitarų pikapų iki šiuolaikinių elektroninių būgnų trigerių.

Pjezoelektra yra kilusi iš graikų kalbos žodžių πιέζειν (piezein), reiškiančių „suspausti“ arba „spausti“, ir ἤλεκτρον (ēlektron), reiškiančio „gintaras“, senovinis elektros krūvio šaltinis. Pjezoelektrinės medžiagos yra kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulų ir DNR baltymai, kurie pasižymi pjezoelektriniu efektu.

Pjezoelektrinis efektas yra linijinė elektromechaninė sąveika tarp mechaninių ir elektrinių būsenų kristalinėse medžiagose su inversine simetrija. Tai yra grįžtamasis procesas, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrinį efektą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kuris yra vidinis mechaninio įtempimo, atsirandančio dėl taikomo elektrinio lauko, generavimas. Pavyzdžiui, švino cirkonato titanato kristalai sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, kai jų statinė struktūra deformuojasi nuo pradinio matmens. Ir atvirkščiai, kristalai gali pakeisti savo statinį matmenį, kai veikia išorinis elektrinis laukas, reiškinys, žinomas kaip atvirkštinis pjezoelektrinis efektas, kuris naudojamas ultragarso bangoms gaminti.

Pjezoelektros atradimas priskiriamas prancūzų fizikams Pierre'ui ir Jacques'ui Curie, kurie 1880 m. pademonstravo tiesioginį pjezoelektrinį efektą. Jų žinios apie piroelektrą ir pagrindinių kristalų struktūrų supratimas leido numatyti piroelektrinį efektą ir gebėjimą numatyti. kristalų elgesys buvo įrodytas naudojant kristalus, tokius kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rochelle druska.

Pjezoelektra buvo naudojama įvairioms kasdienėms reikmėms, pavyzdžiui, sukuriant kibirkštis, kad uždegtų dujas maisto ruošimo ir šildymo įrenginiuose, degikliuose, cigarečių žiebtuvėliuose ir piroelektrinio efekto medžiagose, kurios, reaguodamos į temperatūros pokyčius, sukuria elektros potencialą. Tai tyrė Carlas Linnaeusas ir Franzas Aepinusas XVIII amžiaus viduryje, remdamiesi René Haüy ir Antoine César Becquerel žiniomis, kurie nustatė ryšį tarp mechaninio įtempio ir elektros krūvio. Tačiau eksperimentai pasirodė neįtikinami, kol pjezo kristalo vaizdas Curie kompensatorių muziejuje Škotijoje neparodė tiesioginio pjezoelektrinio efekto, kurį padarė broliai Curie.

Pjezoelektra naudojama įvairiuose elektroniniuose įrenginiuose – nuo ​​elektroniniu būdu sustiprintų gitarų pikapų iki šiuolaikinių elektroninių būgnų trigerių. Jis taip pat naudojamas garsui gaminti ir aptikti, pjezoelektriniam rašaliniam spausdinimui, aukštos įtampos elektros generavimui, laikrodžių generatoriams, mikrobalansams, pavaros ultragarsiniams purkštukams ir itin smulkiai fokusuojantiems optiniams mazgams. Pjezoelektra taip pat yra skenuojančių zondų mikroskopų, kurie naudojami vaizdams atskirti atomų mastu, pagrindas.

Mikrobalansai

Pjezoelektra yra tam tikrų kietų medžiagų gebėjimas kaupti elektros krūvį reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Pjezoelektra yra kilusi iš graikų kalbos žodžių πιέζειν (piezein), reiškiančių „suspausti“ arba „spausti“, ir ἤλεκτρον (ēlektron), reiškiančio „gintaras“, senovinis elektros krūvio šaltinis.

Pjezoelektra naudojama įvairioms kasdienėms reikmėms, pvz., sukuriant kibirkštis, kad uždegtų dujas maisto ruošimo ir šildymo prietaisuose, degikliuose, cigarečių žiebtuvėliuose ir kt. Jis taip pat naudojamas garsui gaminti ir aptikti bei pjezoelektriniam rašaliniam spausdinimui.

Pjezoelektra taip pat naudojama aukštos įtampos elektros gamybai ir yra laikrodžių generatorių bei elektroninių prietaisų, tokių kaip mikrobalansai, pagrindas. Pjezoelektra taip pat naudojama ultragarsiniams purkštukams ir itin smulkiems fokusavimo optiniams mazgams valdyti.

Pjezoelektros atradimas priskiriamas prancūzų fizikų Jacques'ui ir Pierre'ui Curie 1880 m. vardu. Broliai Curie sujungė savo žinias apie piroelektrą ir supratimą apie pagrindines kristalų struktūras, kad sukurtų pjezoelektros koncepciją. Jie sugebėjo numatyti kristalų elgesį ir pademonstravo poveikį kristalams, tokiems kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rošelio druska.

Pjezoelektrinis efektas buvo panaudotas naudingoms programoms, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą. Sonaro sukūrimas per Pirmąjį pasaulinį karą buvo pagrindinis pjezoelektros panaudojimo laimėjimas. Po Antrojo pasaulinio karo nepriklausomos tyrimų grupės JAV, Rusijoje ir Japonijoje atrado naują sintetinių medžiagų klasę, vadinamą feroelektrika, kurios pjezoelektrinės konstantos buvo iki dešimties kartų didesnės nei natūralių medžiagų.

Tai paskatino intensyvius bario titanato ir vėliau švino cirkonato titanato medžiagų tyrimus ir plėtrą, kurios turėjo specifinių savybių tam tikroms reikmėms. Reikšmingas pjezoelektrinių kristalų naudojimo pavyzdys buvo sukurtas Bell Telephone Laboratories po Antrojo pasaulinio karo.

Frederickas R. Lackas, dirbdamas radijo telefonijos inžinerijos skyriuje, sukūrė pjaustytą kristalą, kuris veikė plačiame temperatūrų diapazone. Lako kristalui nereikėjo sunkių ankstesnių kristalų priedų, palengvinančių jo naudojimą orlaiviuose. Ši plėtra leido sąjungininkų oro pajėgoms įsitraukti į koordinuotas masines atakas naudojant aviacijos radiją.

Pjezoelektrinių prietaisų ir medžiagų kūrimas Jungtinėse Amerikos Valstijose išlaikė keletą įmonių, o kvarco kristalų kūrimas buvo panaudotas komerciškai. Nuo to laiko pjezoelektrinės medžiagos buvo naudojamos įvairiose srityse, įskaitant medicininį vaizdavimą, ultragarsinį valymą ir kt.

Pavaros ultragarsinis antgalis

Pjezoelektra yra elektros krūvis, kuris kaupiasi tam tikrose kietose medžiagose, tokiose kaip kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulai ir DNR. Tai atsakas į taikomą mechaninį įtempimą ir yra kilęs iš graikų kalbos žodžių „piezein“, reiškiančių „suspausti“ arba „spausti“, ir „elektron“, reiškiančio „gintarą“, senovinį elektros krūvio šaltinį.

Pjezoelektrinis efektas yra linijinė elektromechaninė sąveika tarp kristalinių medžiagų mechaninių ir elektrinių būsenų su inversine simetrija. Tai yra grįžtamasis procesas, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrinį efektą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kuris yra vidinis mechaninio įtempimo, atsirandančio dėl taikomo elektrinio lauko, generavimas. To pavyzdys yra švino cirkonato titanato kristalai, kurie sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, kai jų statinė struktūra deformuojasi nuo pradinio matmens. Ir atvirkščiai, kai veikia išorinis elektrinis laukas, kristalai keičia savo statinį matmenį, todėl atsiranda atvirkštinis pjezoelektrinis efektas, ty ultragarso bangų gamyba.

Prancūzų fizikai Jacques'as ir Pierre'as Curie atrado pjezoelektrą 1880 m. ir nuo to laiko ji buvo naudojama įvairiems naudingiems tikslams, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą. Pjezoelektra taip pat naudojama kasdien, pavyzdžiui, sukuriant kibirkštis, kad uždegtų dujas maisto ruošimo ir šildymo įrenginiuose, degikliuose, cigarečių žiebtuvėliuose ir kt.

Piroelektrinį efektą, kuris yra medžiaga, sukurianti elektrinį potencialą reaguojant į temperatūros pokyčius, tyrė Carlas Linnaeusas, Franzas Aepinusas ir XVIII amžiaus viduryje, remdamiesi René Haüy ir Antoine César Becquerel žiniomis, kurie nustatė ryšį tarp mechaninio įtempio ir elektros krūvis. Eksperimentai, įrodantys tai, nebuvo įtikinami.

Pjezo kristalo vaizdas Curie kompensatoriuje Hunterian muziejuje Škotijoje yra tiesioginio pjezoelektrinio efekto demonstravimas, kurį sukūrė broliai Pierre'as ir Jacques'as Curie. Sujungus savo žinias apie piroelektrą ir supratus pagrindines kristalų struktūras, buvo galima numatyti piroelektrą ir numatyti kristalų elgesį. Tai buvo įrodyta naudojant kristalus, tokius kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rochelle druska. Natrio ir kalio tartrato tetrahidratas ir kvarcas taip pat turėjo pjezoelektrą, o pjezoelektrinis diskas buvo naudojamas įtampai sukurti, kai deformuojamas. Curies tai buvo labai perdėta, kad numatytų atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kurį matematiškai iš pagrindinių termodinamikos principų išvedė Gabrielis Lippmannas 1881 m.

Curies iš karto patvirtino atvirkštinio efekto egzistavimą ir gavo kiekybinį įrodymą, kad pjezoelektrinių kristalų elektro-elasto-mechaninės deformacijos yra visiškai grįžtamos. Dešimtmečius pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, tačiau buvo gyvybiškai svarbi priemonė, padedanti Pierre'ui ir Marie Curie atrasti polonį ir ralį, tyrinėjant ir apibrėžiant kristalines struktūras, kuriose buvo pjezoelektra. Tai baigėsi Woldemaro Voigto knygos Lehrbuch der Kristallphysik (Kristalų fizikos vadovėlis) publikavimu, kuriame buvo aprašytos natūralios kristalų klasės, galinčios turėti pjezoelektrą, ir griežtai apibrėžtos pjezoelektrinės konstantos per tenzorinę analizę.

Praktinis pjezoelektrinių prietaisų pritaikymas prasidėjo nuo sonaro, kuris buvo sukurtas Pirmojo pasaulinio karo metais. Prancūzijoje Paulas Langevinas ir jo bendradarbiai sukūrė ultragarsinį povandeninio laivo detektorių. Detektorių sudarė keitiklis, pagamintas iš plonų kvarco kristalų, kruopščiai priklijuotų prie plieninių plokščių, vadinamo hidrofonu, kad aptiktų grįžtantį aidą po aukšto dažnio impulso. Išmatuodami laiką, per kurį išgirstų nuo objekto atsimušančių garso bangų aidą, jie galėtų apskaičiuoti objekto atstumą. Šis pjezoelektros panaudojimas sonare buvo sėkmingas, o projektas dešimtmečius sukėlė intensyvų pjezoelektrinių prietaisų vystymąsi ir susidomėjimą jais.

Buvo ištirtos ir sukurtos naujos pjezoelektrinės medžiagos ir naujas šių medžiagų pritaikymas, o pjezoelektriniai prietaisai rado namus tokiose srityse kaip keraminės fonografų kasetės, kurios supaprastino grotuvo dizainą ir sukūrė pigesnius, tikslesnius įrašų grotuvus, kuriuos buvo pigiau prižiūrėti ir lengviau sukurti. . Ultragarsinių keitiklių kūrimas leido lengvai išmatuoti skysčių ir kietųjų medžiagų klampumą ir elastingumą, todėl buvo padaryta didžiulė medžiagų tyrimų pažanga. Ultragarsiniai laiko srities reflektometrai siunčia ultragarso impulsą per medžiagą ir išmatuoja atspindžius bei nutrūkimus, kad surastų metalo ir akmens objektų trūkumus.

Itin smulkūs fokusavimo optiniai mazgai

Pjezoelektra yra tam tikrų medžiagų gebėjimas kaupti elektros krūvį, kai jas veikia mechaninis įtempis. Tai linijinė elektromechaninė sąveika tarp kristalinių medžiagų elektrinių ir mechaninių būsenų su inversijos simetrija. Pjezoelektra yra grįžtamasis procesas, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kuris yra vidinis mechaninio įtempimo, atsirandančio dėl taikomo elektrinio lauko, generavimas.

Pjezoelektra buvo naudojama įvairiose srityse, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą bei aukštos įtampos elektros energijos gamybą. Pjezoelektra taip pat naudojama rašaliniam spausdinimui, laikrodžių generatoriams, elektroniniams prietaisams, mikrobalansams, varomiesiems ultragarsiniams purkštukams ir ypač smulkaus fokusavimo optiniams mazgams.

Pjezoelektrą 1880 metais atrado prancūzų fizikai Jacques'as ir Pierre'as Curie. Pjezoelektrinis efektas naudojamas naudingose ​​srityse, tokiose kaip garso kūrimas ir aptikimas bei aukštos įtampos elektros generavimas. Taip pat naudojamas pjezoelektrinis rašalinis spausdinimas, taip pat laikrodžių generatoriai, elektroniniai prietaisai, mikrobalansai, pavaros ultragarsiniai purkštukai ir itin smulkaus fokusavimo optiniai mazgai.

Pjezoelektra rado kelią į kasdienį naudojimą, pavyzdžiui, gaminant kibirkštis, kad uždegtų dujas maisto ruošimo ir šildymo prietaisams, degiklius, cigarečių žiebtuvėlius ir piroelektrinio efekto medžiagas, kurios, reaguodamos į temperatūros pokyčius, generuoja elektros potencialą. Šį poveikį XVIII amžiaus viduryje ištyrė Carlas Linnaeusas ir Franzas Aepinusas, remdamiesi René Haüy ir Antoine César Becquerel žiniomis, kurie nustatė ryšį tarp mechaninio įtempio ir elektros krūvio. Eksperimentai pasirodė neįtikinami.

Pjezo kristalo vaizdas Curie kompensatoriuje Hunterian muziejuje Škotijoje yra tiesioginio pjezoelektrinio efekto demonstravimas, kurį sukūrė broliai Pierre'as ir Jacques'as Curie. Kartu su žiniomis apie piroelektrą ir supratimu apie pagrindines kristalų struktūras, jie leido numatyti piroelektrą ir galimybę numatyti kristalų elgesį. Tai buvo įrodyta kristalų, tokių kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rochelle druska, poveikis.

Natrio ir kalio tartrato tetrahidratas, kvarcas ir Rošelio druska pasižymėjo pjezoelektra, o pjezoelektrinis diskas buvo naudojamas įtampai sukurti deformuojant, nors formos pokytis buvo labai perdėtas. Kiuri numatė atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, o atvirkštinį efektą iš pagrindinių termodinaminių principų matematiškai išvedė Gabrielis Lippmannas 1881 m. Kiuri iš karto patvirtino atvirkštinio efekto egzistavimą ir gavo kiekybinį visiško elektros energijos grįžtamumo įrodymą. elasto-mechaninės deformacijos pjezoelektriniuose kristaluose.

Dešimtmečius pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, kol tapo gyvybiškai svarbia priemone Pierre'ui ir Marie Curie atrandant polonį ir ralį. Jų darbas, skirtas tyrinėti ir apibrėžti pjezoelektrą demonstruojančias kristalų struktūras, baigėsi Woldemaro Voigto knygos „Lehrbuch der Kristallphysik“ (Kristalų fizikos vadovėlis) publikavimu. Tai apibūdino natūralias kristalų klases, galinčias turėti pjezoelektrą, ir griežtai apibrėžė pjezoelektrines konstantas, naudojant tenzorinę analizę praktiniam pjezoelektrinių prietaisų pritaikymui.

Sonaro kūrimas buvo sėkmingas projektas, paskatinęs intensyvų pjezoelektrinių prietaisų kūrimą ir susidomėjimą jais. Po kelių dešimtmečių buvo ištirtos ir sukurtos naujos pjezoelektrinės medžiagos ir nauji šių medžiagų pritaikymai. Pjezoelektriniai įrenginiai rado namus įvairiose srityse, pavyzdžiui, keraminės fonografo kasetės, kurios supaprastino grotuvų dizainą, o įrašų grotuvus tapo pigesni ir lengviau prižiūrimi bei gaminami. Ultragarsinių keitiklių sukūrimas leido lengvai išmatuoti skysčių ir kietųjų medžiagų klampumą ir elastingumą, todėl buvo padaryta didžiulė pažanga medžiagų tyrimų srityje. Ultragarsiniai laiko srities reflektometrai siunčia ultragarso impulsą į medžiagą ir išmatuoja atspindžius bei nutrūkimus, kad aptiktų metalo ir akmens objektų trūkumus ir pagerintų konstrukcijos saugumą.

Pjezoelektros interesų srities pradžia buvo užtikrinta pelningais patentais naujų medžiagų, sukurtų iš kvarco kristalų, kurie buvo komerciškai naudojami kaip pjezoelektrinė medžiaga. Mokslininkai ieškojo aukštesnės kokybės medžiagų ir, nepaisant medžiagų pažangos ir gamybos procesų brandinimo, Jungtinių Valstijų rinka greitai neaugo. Priešingai, Japonijos gamintojai greitai dalijosi informacija, o naujos JAV pjezoelektros pramonės augimo programos nukentėjo, priešingai nei Japonijos gamintojai.

Pjezoelektriniai varikliai

Šiame skyriuje kalbėsiu apie tai, kaip pjezoelektra naudojama šiuolaikinėse technologijose. Nuo skenuojamųjų zondų mikroskopų, galinčių išskirti atomų mastelio vaizdus, ​​iki elektroniniu būdu sustiprintų gitarų ir šiuolaikinių elektroninių būgnų paleidiklių, pjezoelektra tapo neatsiejama daugelio įrenginių dalimi. Išnagrinėsiu pjezoelektros istoriją ir tai, kaip ji buvo naudojama įvairiose srityse.

Skenuojamųjų zondų mikroskopų formos

Pjezoelektra yra elektros krūvis, kuris kaupiasi tam tikrose kietose medžiagose, tokiose kaip kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulai ir DNR. Tai atsakas į taikomą mechaninį įtempimą, o žodis pjezoelektra kilęs iš graikų kalbos žodžio πιέζειν (piezein), reiškiančio „suspausti“ arba „spausti“, ir ἤλεκτρον (ēlektron), reiškiančio „gintaras“, senovės elektros krūvio šaltinis.

Pjezoelektriniai varikliai yra įrenginiai, kurie naudoja pjezoelektrinį efektą judesiui generuoti. Šis efektas yra linijinė elektromechaninė sąveika tarp mechaninių ir elektrinių būsenų kristalinėse medžiagose su inversijos simetrija. Tai yra grįžtamasis procesas, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrinį efektą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kuris yra vidinis mechaninio įtempimo, atsirandančio dėl taikomo elektrinio lauko, generavimas. Medžiagų, kurios sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, pavyzdžiai yra švino cirkonato titanato kristalai.

Pjezoelektrinis efektas naudojamas naudingose ​​programose, tokiose kaip garso kūrimas ir aptikimas, pjezoelektrinis rašalinis spausdinimas, aukštos įtampos elektros generavimas, laikrodžių generatoriai ir elektroniniai prietaisai, tokie kaip mikrobalansai ir pavaros ultragarsiniai purkštukai, skirti itin tiksliai fokusuoti optinius mazgus. Tai taip pat yra skenuojančių zondų mikroskopų, kurie naudojami vaizdams atskirti atomų mastu, pagrindas.

Pjezoelektrą 1880 metais atrado prancūzų fizikai Jacques'as ir Pierre'as Curie. Pjezo kristalo ir Curie kompensatoriaus vaizdą galima pamatyti Hunterian muziejuje Škotijoje, kuris yra tiesioginio pjezoelektrinio efekto demonstravimas, kurį sukūrė broliai Pierre'as ir Jacques'as Curie.

Sujungus savo žinias apie piroelektrą ir supratimą apie pagrindines kristalų struktūras, buvo galima numatyti piroelektrą, o tai leido jiems numatyti kristalų elgesį. Tai įrodė kristalų, tokių kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rošelio druska, poveikis. Natrio ir kalio tartrato tetrahidratas, kvarcas ir Rošelio druska pasižymėjo pjezoelektra, o pjezoelektrinis diskas buvo naudojamas įtampai sukurti deformuojant, nors tai buvo labai perdėta Curies.

Jie taip pat numatė atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kurį matematiškai iš pagrindinių termodinaminių principų išvedė Gabrielis Lippmannas 1881 m. Curie iš karto patvirtino atvirkštinio efekto egzistavimą ir gavo kiekybinį visiško elektroelasto grįžtamumo įrodymą. mechaninės deformacijos pjezoelektriniuose kristaluose.

Dešimtmečius pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, kol tapo gyvybiškai svarbia priemone Pierre'ui ir Marie Curie atrandant polonį ir ralį. Jų darbas, siekiant ištirti ir apibrėžti pjezoelektrą demonstruojančias kristalų struktūras, baigėsi Woldemaro Voigto Lehrbuch der Kristallphysik (Krištolinės fizikos vadovėlio) publikavimu, kuriame aprašytos natūralios kristalų klasės, galinčios turėti pjezoelektrą, ir griežtai apibrėžtos pjezoelektrinės konstantos ir tenzorių analizė.

Tai paskatino praktiškai pritaikyti pjezoelektrinius prietaisus, tokius kaip sonaras, kuris buvo sukurtas Pirmojo pasaulinio karo metais. Prancūzijoje Paulas Langevinas ir jo bendradarbiai sukūrė ultragarsinį povandeninio laivo detektorių. Šį detektorių sudarė keitiklis, pagamintas iš plonų kvarco kristalų, kruopščiai priklijuotų prie plieninių plokščių, ir hidrofono, skirto aptikti grįžtantį aidą po to, kai iš keitiklio buvo skleidžiamas aukšto dažnio impulsas. Išmatavę laiką, kurio reikia norint išgirsti nuo objekto atsimušančių garso bangų aidą, jie galėjo apskaičiuoti objekto atstumą. Jie panaudojo pjezoelektrą, kad šis sonaras būtų sėkmingas, o projektas sukėlė intensyvų pjezoelektrinių prietaisų vystymą ir susidomėjimą dešimtmečius.

Buvo ištirtos ir sukurtos naujos pjezoelektrinės medžiagos ir naujas šių medžiagų pritaikymas, o pjezoelektriniai prietaisai rado namus daugelyje sričių, pavyzdžiui, keraminės fonografo kasetės, kurios supaprastino grotuvo dizainą ir sukūrė pigesnius bei tikslesnius įrašų grotuvus, kuriuos buvo pigiau prižiūrėti ir lengviau. statyti. Ultragarsinių keitiklių kūrimas leido lengvai išmatuoti skysčių ir kietųjų medžiagų klampumą ir elastingumą, todėl buvo padaryta didžiulė medžiagų tyrimų pažanga. Ultragarsiniai laiko srities reflektometrai siunčia ultragarso impulsą į medžiagą ir išmatuoja atspindžius bei nutrūkimus, kad aptiktų metalo ir akmens objektų trūkumus ir pagerintų konstrukcijos saugumą.

Antrojo pasaulinio karo metais nepriklausomos tyrimų grupės Jungtinėse Valstijose

Išspręskite vaizdus atomų masteliu

Pjezoelektra yra elektros krūvis, kuris kaupiasi tam tikrose kietose medžiagose, tokiose kaip kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulai ir DNR. Tai atsakas į taikomą mechaninį įtempimą ir yra kilęs iš graikų kalbos žodžio „piezein“, reiškiančio suspausti arba spausti. Pjezoelektrinis efektas atsiranda dėl linijinės elektromechaninės sąveikos tarp mechaninių ir elektrinių būsenų kristalinėse medžiagose su inversijos simetrija.

Pjezoelektra yra grįžtamasis procesas, o medžiagos, turinčios pjezoelektrinį efektą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kuris yra vidinis mechaninio įtempimo, atsirandančio dėl taikomo elektrinio lauko, generavimas. To pavyzdžiai yra švino cirkonato titanato kristalai, kurie sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, kai jų statinė struktūra deformuojasi nuo pradinio matmens. Priešingai, kristalai keičia savo statinį matmenį, kai veikia išorinis elektrinis laukas, kuris žinomas kaip atvirkštinis pjezoelektrinis efektas ir naudojamas ultragarso bangoms gaminti.

Prancūzų fizikai Jacques'as ir Pierre'as Curie atrado pjezoelektrą 1880 m. Pjezoelektrinis efektas buvo panaudotas įvairioms naudingoms reikmėms, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą, pjezoelektrinį rašalinį spausdinimą, aukštos įtampos elektros generavimą, laikrodžių generatorius ir elektroninius prietaisus, pvz. mikrobalansai ir pavaros ultragarsiniai purkštukai. Tai taip pat yra skenuojančių zondų mikroskopų, kurie naudojami vaizdams atskirti atomų mastu, pagrindas.

Pjezoelektra taip pat naudojama kasdienėse srityse, pvz., sukuriant kibirkštis, kad uždegtų dujas maisto ruošimo ir šildymo įrenginiuose, degikliuose, cigarečių žiebtuvėliuose ir kt. Piroelektrinį efektą, kuris yra medžiaga, kuri generuoja elektrinį potencialą reaguojant į temperatūros pokyčius, XVIII amžiaus viduryje ištyrė Carlas Linnaeusas ir Franzas Aepinusas. Remdamiesi René Haüy ir Antoine César Becquerel žiniomis, jie nustatė ryšį tarp mechaninio įtempio ir elektros krūvio, tačiau jų eksperimentai pasirodė neįtikinami.

Lankytojai Hunterian muziejuje Glazge gali apžiūrėti pjezo kristalo Curie kompensatorių – tiesioginio pjezoelektrinio efekto demonstravimą, kurį sukūrė broliai Pierre'as ir Jacques'as Curie. Kartu su žiniomis apie piroelektrą ir supratimą apie pagrindines kristalų struktūras, jie leido numatyti piroelektrą ir galimybę numatyti kristalų elgesį. Tai įrodė kristalų, tokių kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rošelio druska, poveikis. Natrio ir kalio tartrato tetrahidratas, kvarcas ir Rošelio druska pasižymėjo pjezoelektra, o pjezoelektrinis diskas deformuodamas sukuria įtampą, nors formos pokytis yra labai perdėtas. Curie sugebėjo numatyti atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, o atvirkštinį efektą matematiškai išvedė iš pagrindinių termodinaminių principų Gabrielis Lippmannas 1881 m.

Curies iš karto patvirtino atvirkštinio efekto egzistavimą ir gavo kiekybinį įrodymą, kad pjezoelektrinių kristalų elektro-elasto-mechaninės deformacijos yra visiškai grįžtamos. Dešimtmečius pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, tačiau tai buvo gyvybiškai svarbi priemonė Pierre'ui ir Marie Curie atrasti polonį ir ralį. Jų darbas, skirtas tyrinėti ir apibrėžti pjezoelektrą demonstruojančias kristalines struktūras, baigėsi Woldemaro Voigto knygos Lehrbuch der Kristallphysik (Kristalų fizikos vadovėlio) publikavimu.

Elektroniniu būdu sustiprintos gitaros pikapai

Pjezoelektriniai varikliai yra elektros varikliai, kurie naudoja pjezoelektrinį efektą, kad elektros energiją paverstų mechanine energija. Pjezoelektrinis efektas yra tam tikrų medžiagų gebėjimas generuoti elektros krūvį, kai jas veikia mechaninis įtempis. Pjezoelektriniai varikliai naudojami įvairiose srityse: nuo mažų prietaisų, tokių kaip laikrodžiai, maitinimo iki didesnių mašinų, tokių kaip robotai ir medicinos įranga, maitinimo.

Pjezoelektriniai varikliai naudojami elektroniniu būdu sustiprintose gitarose. Šie pikapai naudoja pjezoelektrinį efektą, kad paverstų gitaros stygų virpesius į elektrinį signalą. Tada šis signalas sustiprinamas ir siunčiamas į stiprintuvą, kuris sukuria gitaros garsą. Pjezoelektriniai pikapai naudojami ir šiuolaikiniuose elektroniniuose būgnuose, kur jie naudojami būgnų galvučių virpesiams aptikti ir paversti juos elektriniu signalu.

Pjezoelektriniai varikliai taip pat naudojami skenuojančių zondų mikroskopuose, kurie naudoja pjezoelektrinį efektą, kad perkeltų mažą zondą per paviršių. Tai leidžia mikroskopui atskirti vaizdus atomų mastu. Pjezoelektriniai varikliai taip pat naudojami rašaliniuose spausdintuvuose, kur jie naudojami spausdinimo galvutei perkelti pirmyn ir atgal per puslapį.

Pjezoelektriniai varikliai naudojami įvairiose kitose srityse, įskaitant medicinos prietaisus, automobilių komponentus ir plataus vartojimo elektroniką. Jie taip pat naudojami pramonėje, pavyzdžiui, gaminant tikslias dalis ir renkant sudėtingus komponentus. Pjezoelektrinis efektas taip pat naudojamas gaminant ultragarso bangas, kurios naudojamos medicininiam vaizdavimui ir medžiagų trūkumų aptikimui.

Apskritai pjezoelektriniai varikliai naudojami įvairiose srityse: nuo mažų įrenginių maitinimo iki didesnių mašinų maitinimo. Jie naudojami elektroniniu būdu sustiprintose gitarose, moderniuose elektroniniuose būgnuose, skenuojančių zondų mikroskopuose, rašaliniuose spausdintuvuose, medicinos prietaisuose, automobilių komponentuose ir buitinėje elektronikoje. Pjezoelektrinis efektas taip pat naudojamas gaminant ultragarso bangas ir aptinkant medžiagų trūkumus.

Paleidžia šiuolaikinius elektroninius būgnus

Pjezoelektra yra elektros krūvis, kuris kaupiasi tam tikrose kietose medžiagose, tokiose kaip kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulai ir DNR. Tai yra šių medžiagų atsakas į taikomą mechaninį įtempį. Žodis pjezoelektra yra kilęs iš graikų kalbos žodžio „piezein“, reiškiančio „spausti arba spausti“, ir žodžio „elektron“, reiškiančio „gintaras“, senovinis elektros krūvio šaltinis.

Pjezoelektriniai varikliai yra įrenginiai, kurie naudoja pjezoelektrinį efektą judesiui generuoti. Šis poveikis atsiranda dėl linijinės elektromechaninės sąveikos tarp kristalinių medžiagų mechaninių ir elektrinių būsenų su inversijos simetrija. Tai yra grįžtamasis procesas, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrinį efektą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kuris yra vidinis mechaninio įtempimo, atsirandančio dėl taikomo elektrinio lauko, generavimas. To pavyzdys yra švino cirkonato titanato kristalai, kurie sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, kai jų statinė struktūra deformuojasi nuo pradinio matmens. Ir atvirkščiai, kai veikia išorinis elektrinis laukas, kristalai keičia savo statinį matmenį ir sukuria ultragarso bangas.

Pjezoelektriniai varikliai naudojami įvairiose kasdienėse srityse, pavyzdžiui:

• Kibirkščių generavimas, kad dujos užsidegtų maisto ruošimo ir šildymo įrenginiuose
• Žiebtuvėliai, cigarečių žiebtuvėliai ir piroelektrinio efekto medžiagos
• Elektrinio potencialo generavimas reaguojant į temperatūros pokyčius
• Garso kūrimas ir aptikimas
• Pjezoelektrinis rašalinis spausdinimas
• Aukštos įtampos elektros gamyba
• Laikrodžių generatorius ir elektroniniai prietaisai
• Mikrobalansai
• Varo ultragarsinius purkštukus ir itin smulkius fokusavimo optinius mazgus
• Sudaro skenuojančių zondų mikroskopų pagrindą
• Išskirkite vaizdus atomų masteliu
• Elektroniniu būdu sustiprintų gitarų pikapai
• Paleidžia šiuolaikinius elektroninius būgnus.

Pjezoelektrinių keitiklių elektromechaninis modeliavimas

Šiame skyriuje tyrinėsiu pjezoelektrinių keitiklių elektromechaninį modeliavimą. Aš pažvelgsiu į pjezoelektros atradimo istoriją, eksperimentus, kurie įrodė jo egzistavimą, ir pjezoelektrinių prietaisų bei medžiagų kūrimą. Taip pat aptarsiu prancūzų fizikų Pierre'o ir Jacques'o Curie, Carlo Linnaeuso ir Franzo Aepinuso, Rene Hauy ir Antoine'o Cesario Becquerel, Gabrielio Lippmanno ir Woldemaro Voigto indėlį.

Prancūzų fizikai Pierre'as ir Jacques'as Curie

Pjezoelektra yra elektromechaninis reiškinys, kai elektros krūvis kaupiasi tam tikrose kietose medžiagose, tokiose kaip kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulas ir DNR. Šis krūvis susidaro reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Žodis „pjezoelektra“ yra kilęs iš graikų kalbos žodžio „piezein“, reiškiančio „spausti arba spausti“, ir „elektron“, reiškiančio „gintarą“, senovės elektros krūvio šaltinį.

Pjezoelektrinis efektas atsiranda dėl linijinės elektromechaninės sąveikos tarp mechaninių ir elektrinių būsenų medžiagose su inversijos simetrija. Šis efektas yra grįžtamas, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrinį efektą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kai reaguojant į taikomą elektrinį lauką susidaro vidinė mechaninė deformacija. Pavyzdžiui, švino cirkonato titanato kristalai sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, kai jų statinė struktūra deformuojasi nuo pradinio matmens. Ir atvirkščiai, kai veikia išorinis elektrinis laukas, kristalai keičia savo statinį matmenį ir sukuria ultragarso bangas, vadinamą atvirkštiniu pjezoelektriniu efektu.

1880 m. prancūzų fizikai Pierre'as ir Jacques'as Curie atrado pjezoelektrinį efektą ir nuo to laiko jis buvo naudojamas įvairioms naudingoms reikmėms, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą, pjezoelektrinį rašalinį spausdinimą, aukštos įtampos elektros generavimą, laikrodžių generatorius ir elektroninę įrangą. prietaisai, tokie kaip mikrobalansai ir pavaros ultragarsiniai purkštukai, skirti itin tiksliai fokusuoti optinius mazgus. Tai taip pat sudaro pagrindą skenuojant zondų mikroskopus, kurie gali išspręsti vaizdus atomų masteliu. Pjezoelektra taip pat naudojama elektroniniu būdu sustiprintų gitarų pikapuose ir šiuolaikinių elektroninių būgnų trigeriuose.

Pjezoelektra taip pat naudojama kasdien, pavyzdžiui, sukuriant kibirkštis, kad uždegtų dujas maisto ruošimo ir šildymo įrenginiuose, degikliuose, cigarečių žiebtuvėliuose ir kt. Piroelektrinį efektą, kai medžiaga sukuria elektrinį potencialą, reaguodama į temperatūros pokyčius, XVIII amžiaus viduryje ištyrė Carlas Linnaeusas ir Franzas Aepinusas, remdamiesi René Hauy ir Antoine César Becquerel žiniomis, kurie nustatė ryšį tarp mechaninis įtempis ir elektros krūvis, nors jų eksperimentai pasirodė neįtikinami.

Sujungę savo žinias apie piroelektrą su supratimu apie pagrindines kristalų struktūras, Curie galėjo numatyti piroelektrą ir nuspėti kristalų elgesį. Tai buvo įrodyta kristalų, tokių kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rochelle druska, poveikis. Natrio kalio tartrato tetrahidratas ir kvarcas taip pat turėjo pjezoelektrą. Deformuojantis pjezoelektrinis diskas sukuria įtampą, nors Curies demonstracijoje tai labai perdėta. Jie taip pat sugebėjo numatyti atvirkštinį pjezoelektrinį efektą ir matematiškai jį išvesti iš pagrindinių termodinamikos principų, kuriuos 1881 m. sukūrė Gabrielis Lippmannas.

Curies iš karto patvirtino atvirkštinio efekto egzistavimą ir gavo kiekybinį įrodymą, kad pjezoelektrinių kristalų elektro-elasto-mechaninės deformacijos yra visiškai grįžtamos. Vėlesniais dešimtmečiais pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, kol tapo svarbia priemone Pierre'ui ir Marie Curie atrandant polonį ir ralį. Jų darbas, skirtas tyrinėti ir apibrėžti pjezoelektrą demonstruojančias kristalų struktūras, baigėsi Woldemaro Voigto „Lehrbuch der Kristallphysik“ (Kristalų fizikos vadovėlis) paskelbimu.

Eksperimentai pasirodė neįtikinami

Pjezoelektra yra elektromechaninis reiškinys, kai elektros krūvis kaupiasi tam tikrose kietose medžiagose, tokiose kaip kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulas ir DNR. Tai atsakas į taikomą mechaninį įtempimą, o žodis „pjezoelektra“ yra kilęs iš graikų kalbos žodžių „piezein“, reiškiančių „spausti arba spausti“, ir „ēlektron“, reiškiančio „gintarą“, senovės elektros krūvio šaltinį.

Pjezoelektrinis efektas atsiranda dėl linijinės elektromechaninės sąveikos tarp kristalinių medžiagų mechaninių ir elektrinių būsenų su inversijos simetrija. Tai grįžtamasis procesas; medžiagos, turinčios pjezoelektrinį efektą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kuris yra vidinis mechaninio įtempimo, atsirandančio dėl taikomo elektrinio lauko, generavimas. Pavyzdžiui, švino cirkonato titanato kristalai sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, kai jų statinė struktūra deformuojasi nuo pradinio matmens. Ir atvirkščiai, kristalai gali pakeisti savo statinį matmenį, kai veikia išorinis elektrinis laukas, žinomas kaip atvirkštinis pjezoelektrinis efektas, kuris naudojamas ultragarso bangoms gaminti.

Prancūzų fizikai Pierre'as ir Jacques'as Curie 1880 m. atrado pjezoelektrą. Nuo to laiko ji buvo naudojama įvairioms naudingoms reikmėms, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą, pjezoelektrinį rašalinį spausdinimą, aukštos įtampos elektros generavimą, laikrodžių generatorius ir elektroninius prietaisus, tokius kaip mikrobalansai. , pavaros ultragarsiniai purkštukai ir itin smulkūs fokusavimo optiniai mazgai. Tai taip pat yra skenuojančių zondų mikroskopų, kurie gali išskirstyti vaizdus atomų mastu, pagrindas. Pjezoelektra taip pat naudojama elektroniniu būdu sustiprintų gitarų pikapuose ir šiuolaikinių elektroninių būgnų trigeriuose.

Pjezoelektra kasdien naudojama gaminant kibirkštis, kad uždegtų dujas maisto ruošimo ir šildymo įrenginiuose, fakeluose, cigarečių žiebtuvėliuose ir kt. Piroelektrinį efektą, kai medžiaga sukuria elektrinį potencialą, reaguodama į temperatūros pokyčius, XVIII amžiaus viduryje ištyrė Carlas Linnaeusas ir Franzas Aepinusas, remdamiesi René Hauy ir Antoine César Becquerel žiniomis, kurie numatė ryšį. tarp mechaninio įtempio ir elektros krūvio. Eksperimentai pasirodė neįtikinami.

Bendros žinios apie piroelektrą ir pagrindinių kristalų struktūrų supratimas leido numatyti piroelektrą ir galimybę numatyti kristalų elgesį. Tai buvo įrodyta kristalų, tokių kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rochelle druska, poveikis. Natrio kalio tartrato tetrahidratas ir kvarcas taip pat turėjo pjezoelektrą, o pjezoelektrinis diskas buvo naudojamas įtampai sukurti, kai deformuotas. Tai buvo labai perdėta Curies demonstruojant tiesioginį pjezoelektrinį efektą.

Broliai Pierre'as ir Jacques'as Curie numatė atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, o atvirkštinį efektą iš pagrindinių termodinaminių principų matematiškai išvedė Gabrielis Lippmannas 1881 m. Curie iš karto patvirtino atvirkštinio efekto egzistavimą ir gavo kiekybinį visiško įrodymo. pjezoelektrinių kristalų elektroelasto-mechaninių deformacijų grįžtamumas.

Dešimtmečius pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, tačiau tai buvo gyvybiškai svarbi priemonė Pierre'ui ir Marie Curie atrasti polonį ir ralį. Jų darbas, skirtas tyrinėti ir apibrėžti pjezoelektrą demonstruojančias kristalų struktūras, baigėsi Woldemaro Voigto knygos Lehrbuch der Kristallphysik (Kristalų fizikos vadovėlis) publikavimu. Tai apibūdino natūralias kristalų klases, galinčias turėti pjezoelektrą, ir griežtai apibrėžė pjezoelektrines konstantas, naudojant tenzorinę analizę. Tai buvo pirmasis praktinis pjezoelektrinių keitiklių pritaikymas, o sonaras buvo sukurtas Pirmojo pasaulinio karo metais. Prancūzijoje Paulas Langevinas ir jo bendradarbiai sukūrė ultragarsinį povandeninio laivo detektorių.

Carlas Linnaeusas ir Franzas Epinusas

Pjezoelektra yra elektromechaninis reiškinys, kai elektros krūvis kaupiasi tam tikrose kietose medžiagose, tokiose kaip kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulai ir DNR. Šis krūvis susidaro reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Žodis pjezoelektra kilęs iš graikų kalbos žodžių πιέζειν (piezein), reiškiančių „spausti arba spausti“, ir ἤλεκτρον (ēlektron), reiškiančio „gintaras“, senovinis elektros krūvio šaltinis.

Pjezoelektrinis efektas atsiranda dėl linijinės elektromechaninės sąveikos tarp kristalinių medžiagų mechaninių ir elektrinių būsenų su inversijos simetrija. Šis efektas yra grįžtamasis, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kuris yra vidinis mechaninio įtempimo, atsirandančio dėl taikomo elektrinio lauko, generavimas. Pavyzdžiui, švino cirkonato titanato kristalai sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, kai jų statinė struktūra deformuojasi nuo pradinio matmens. Priešingai, kristalai gali pakeisti savo statinį matmenį, kai veikia išorinis elektrinis laukas, kuris žinomas kaip atvirkštinis pjezoelektrinis efektas ir naudojamas ultragarso bangoms gaminti.

1880 m. prancūzų fizikai Jacques'as ir Pierre'as Curie atrado pjezoelektrinį efektą ir nuo to laiko jis buvo naudojamas daugeliui naudingų programų, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą, pjezoelektrinį rašalinį spausdinimą, aukštos įtampos elektros generavimą, laikrodžių generatorius, elektroninius prietaisus, mikrobalansus. , pavaros ultragarsiniai purkštukai ir itin smulkūs fokusavimo optiniai mazgai. Tai taip pat yra pagrindas skenuojant zondų mikroskopus, kurie naudojami atomų mastelio vaizdams išspręsti. Pjezoelektra taip pat naudojama elektroniniu būdu sustiprintų gitarų pikapuose ir šiuolaikinių elektroninių būgnų trigeriuose.

Pjezoelektra taip pat randama kasdienėje veikloje, pavyzdžiui, sukuriant kibirkštis, kad uždegtų dujas maisto ruošimo ir šildymo įrenginiuose, degikliuose, cigarečių žiebtuvėliuose ir piroelektrinis efektas, kai medžiaga, reaguodama į temperatūros pokyčius, sukuria elektrinį potencialą. Šį efektą XVIII amžiaus viduryje ištyrė Carlas Linnaeusas ir Franzas Aepinusas, remdamiesi René Hauy ir Antoine César Becquerel žiniomis, kurie nustatė ryšį tarp mechaninio įtempio ir elektros krūvio, nors jų eksperimentai pasirodė neįtikinami.

Pjezo kristalo vaizdas Curie kompensatoriuje Hunterian muziejuje Škotijoje yra tiesioginio pjezoelektrinio efekto demonstravimas, kurį sukūrė broliai Pierre'as ir Jacques'as Curie. Sujungus savo žinias apie piroelektrą su supratimu apie pagrindines kristalų struktūras, buvo galima numatyti piroelektrą ir galimybę numatyti kristalų elgesį. Tai įrodė kristalų, tokių kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rošelio druska, poveikis. Natrio kalio tartrato tetrahidratas ir kvarcas iš Rochelle druskos parodė pjezoelektrą, o pjezoelektrinis diskas deformuodamas sukuria įtampą, nors Curies demonstracijoje tai yra labai perdėta.

Atvirkštinio pjezoelektrinio efekto numatymą ir jo matematinį išvedimą iš pagrindinių termodinaminių principų 1881 m. padarė Gabrielis Lippmannas. Kiuri iš karto patvirtino atvirkštinio efekto egzistavimą ir gavo kiekybinį visiško elektroelasto grįžtamumo įrodymą. mechaninės deformacijos pjezoelektriniuose kristaluose. Dešimtmečius pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, kol tapo gyvybiškai svarbia priemone Pjerui ir Marie Curie atrandant polonį ir ralį, kurie jį panaudojo tyrinėdami ir apibrėždami kristalines struktūras, kuriose buvo pjezoelektra. Tai baigėsi Woldemaro Voigto knygos Lehrbuch der Kristallphysik (Kristalų fizikos vadovėlis), kurioje aprašytos natūralios kristalų klasės, galinčios turėti pjezoelektrą, ir griežtai apibrėžtos pjezoelektrinės konstantos, naudojant tenzorinę analizę.

Šis praktinis pjezoelektrinių keitiklių pritaikymas paskatino per Pirmąjį pasaulinį karą sukurti sonarą. Prancūzijoje Paulas Langevinas ir jo bendradarbiai sukūrė ultragarsinį povandeninio laivo detektorių. Detektorius susideda iš keitiklio, pagaminto iš plonų kvarco kristalų, kruopščiai priklijuotų prie plieninių plokščių, ir hidrofono, skirto aptikti grįžtantį aidą po to, kai iš keitiklio skleidžia aukšto dažnio impulsą. Išmatavę laiką, kurio reikia norint išgirsti nuo objekto atsimušančių garso bangų aidą, jie galėjo apskaičiuoti objekto atstumą. Jie panaudojo pjezoelektrą, kad šis sonaras būtų sėkmingas, o projektas sukėlė intensyvų pjezoelektrinių prietaisų vystymąsi ir susidomėjimą jais.

Rene Hauy ir Antoine Cesar Becquerel

Pjezoelektra yra elektromechaninis reiškinys, atsirandantis, kai tam tikros kietos medžiagos, tokios kaip kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulas ir DNR, kaupia elektros krūvį, reaguodamos į taikomą mechaninį įtempį. Pjezoelektra yra kilusi iš graikų kalbos žodžio „piezein“, reiškiančio „spausti arba spausti“, ir „elektron“, reiškiančio „gintarą“, senovinio elektros krūvio šaltinio.

Pjezoelektrinis efektas atsiranda dėl linijinės elektromechaninės sąveikos tarp mechaninių ir elektrinių būsenų kristalinėse medžiagose su inversijos simetrija. Šis efektas yra grįžtamasis, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrinį efektą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą arba vidinę mechaninio įtempimo atsiradimą, atsirandantį dėl taikomo elektrinio lauko. Pavyzdžiui, švino cirkonato titanato kristalai sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, kai jų statinė struktūra deformuojasi nuo pradinio matmens. Priešingai, kristalai gali pakeisti savo statinį matmenį, kai veikia išorinis elektrinis laukas, todėl atsiranda atvirkštinis pjezoelektrinis efektas ir susidaro ultragarso bangos.

Prancūzų fizikai Pierre'as ir Jacques'as Curie 1880 m. atrado pjezoelektrinį efektą. Šis efektas buvo panaudotas įvairioms naudingoms reikmėms, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą, pjezoelektrinį rašalinį spausdinimą, aukštos įtampos elektros generavimą, laikrodžių generatorius ir elektroninius prietaisus. pavyzdžiui, mikrobalansus, varomuosius ultragarsinius purkštukus ir itin smulkius fokusavimo optinius mazgus. Tai taip pat yra skenuojančių zondų mikroskopų, kurie gali atskirti vaizdus atomų skalėje, pagrindas. Pjezoelektra taip pat naudojama elektroniniu būdu sustiprintų gitarų pikapuose ir šiuolaikinių elektroninių būgnų trigeriuose.

Pirmą kartą pjezoelektrinį efektą ištyrė Carlas Linnaeusas ir Franzas Aepinusas XVIII amžiaus viduryje, remdamiesi Rene Hauy ir Antoine Cesar Becquerel žiniomis, kurie nustatė ryšį tarp mechaninio įtempio ir elektros krūvio. Tačiau eksperimentai pasirodė neįtikinami. Kartu su žiniomis apie piroelektrą ir pagrindinių kristalų struktūrų supratimu, tai leido numatyti piroelektrą ir galimybę numatyti kristalų elgesį. Tai buvo įrodyta kristalų, tokių kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rochelle druska, poveikis. Natrio kalio tartrato tetrahidratas ir kvarcas taip pat turėjo pjezoelektrą, o pjezoelektrinis diskas buvo naudojamas įtampai sukurti, kai deformuotas. Šis efektas buvo labai perdėtas Curies demonstracijoje Škotijos muziejuje, kurioje buvo parodytas tiesioginis pjezoelektrinis efektas.

Broliai Pierre'as ir Jacques'as Curie gavo kiekybinį įrodymą, kad pjezoelektrinių kristalų elektro-elasto-mechaninės deformacijos yra visiškai grįžtamos. Dešimtmečius pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, kol tapo gyvybiškai svarbia priemone Pierre'ui ir Marie Curie atrandant polonį ir ralį. Šiame darbe buvo ištirtos ir apibrėžiamos pjezoelektrinės kristalų struktūros, kurių kulminacija buvo Woldemaro Voigto knygos Lehrbuch der Kristallphysik (Kristalų fizikos vadovėlis) publikacija.

Curie iš karto patvirtino atvirkštinio efekto egzistavimą ir matematiškai išvedė pagrindinius atvirkštinio efekto termodinaminius principus. Tai padarė Gabrielis Lippmannas 1881 m. Pirmojo pasaulinio karo metu pjezoelektra buvo naudojama sonarui kurti. Prancūzijoje Paulas Langevinas ir jo bendradarbiai sukūrė ultragarsinį povandeninio laivo detektorių. Šį detektorių sudarė keitiklis, pagamintas iš plonų kvarco kristalų, kruopščiai priklijuotų prie plieninių plokščių, ir hidrofono grįžtančiam aidui aptikti. Iš keitiklio skleisdami aukšto dažnio impulsą ir matuodami laiką, per kurį išgirstų nuo objekto atsimušančių garso bangų aidas, jie galėtų apskaičiuoti atstumą iki objekto.

Po Antrojo pasaulinio karo pjezoelektrinių kristalų naudojimą toliau plėtojo Bell Telephone Laboratories. Frederickas R. Lackas, dirbdamas radijo telefonijos inžinerijos skyriuje, sukūrė pjaustytą kristalą, galintį veikti plačiame temperatūrų diapazone. Lako kristalui nereikėjo sunkių ankstesnių kristalų priedų, palengvinančių jo naudojimą orlaiviuose. Ši plėtra leido sąjungininkų oro pajėgoms dalyvauti koordinuotose masinėse atakose, naudojant aviacijos radiją. Pjezoelektrinių prietaisų ir medžiagų kūrimas Jungtinėse Amerikos Valstijose neleido įmonėms kurti karo pradžios šioje srityje, o interesai užsitikrinti pelningus naujų medžiagų patentus. Kvarco kristalai buvo komerciškai naudojami kaip pjezoelektrinė medžiaga, o mokslininkai ieškojo geresnių medžiagų. Nepaisant pažangos medžiagų ir gamybos procesų brendimo srityje, JAV

Gabrielius Lipmanas

Pjezoelektra yra elektromechaninis reiškinys, kai elektros krūvis kaupiasi tam tikrose kietose medžiagose, tokiose kaip kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulas ir DNR. Tai yra sąveikos tarp mechaninių ir elektrinių būsenų medžiagose, turinčiose inversijos simetriją, rezultatas. Pirmieji pjezoelektrą atrado prancūzų fizikai Pierre'as ir Jacques'as Curie 1880 m.

Pjezoelektra buvo naudojama įvairioms naudingoms reikmėms, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą, pjezoelektrinį rašalinį spausdinimą ir aukštos įtampos elektros generavimą. Pjezoelektra yra kilusi iš graikų kalbos žodžių πιέζειν (piezein), reiškiančių „spausti arba spausti“, ir ἤλεκτρον (ēlektron), reiškiančio „gintaras“, senovinis elektros krūvio šaltinis.

Pjezoelektrinis efektas yra grįžtamasis, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kai dėl elektrinio lauko poveikio susidaro vidinė mechaninė deformacija. Pavyzdžiui, švino cirkonato titanato kristalai sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, kai jų statinė struktūra deformuojasi nuo pradinio matmens. Atvirkščiai, kristalai gali pakeisti savo statinį matmenį, kai veikia išorinis elektrinis laukas – procesas žinomas kaip atvirkštinis pjezoelektrinis efektas. Šis procesas gali būti naudojamas ultragarso bangoms gaminti.

Pjezoelektrinis efektas buvo tiriamas nuo XVIII amžiaus vidurio, kai Carl Linnaeus ir Franz Aepinus, remdamiesi René Hauy ir Antoine César Becquerel žiniomis, nustatė ryšį tarp mechaninio įtempio ir elektros krūvio. Tačiau eksperimentai pasirodė neįtikinami. Tik tada, kai bendrosios žinios apie piroelektrą ir pagrindinių kristalų struktūrų supratimas paskatino nuspėti piroelektrą, mokslininkai galėjo numatyti kristalų elgesį. Tai įrodė kristalų, tokių kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rošelio druska, poveikis.

Gabrielis Lippmannas 1881 m. matematiškai išvedė pagrindinius atvirkštinio pjezoelektrinio efekto termodinaminius principus. Curies iš karto patvirtino atvirkštinio efekto egzistavimą ir gavo kiekybinį įrodymą, kad pjezoelektrinių kristalų elektro-elasto-mechaninės deformacijos yra visiškai grįžtamos.

Dešimtmečius pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, kol tapo gyvybiškai svarbia priemone Pierre'ui ir Marie Curie atrandant polonį ir ralį. Jų darbas, skirtas tyrinėti ir apibrėžti pjezoelektrą demonstruojančias kristalų struktūras, baigėsi Woldemaro Voigto knygos „Lehrbuch der Kristallphysik“ (Kristalų fizikos vadovėlis) publikavimu. Tai apibūdino natūralias kristalų klases, galinčias turėti pjezoelektrą, ir griežtai apibrėžė pjezoelektrines konstantas su tenzorine analize.

Praktinis pjezoelektrinių prietaisų pritaikymas prasidėjo sukūrus sonarą Pirmojo pasaulinio karo metais. Paulas Langevinas ir jo bendradarbiai sukūrė ultragarsinį povandeninio laivo detektorių. Šį detektorių sudarė keitiklis, pagamintas iš plonų kvarco kristalų, kruopščiai priklijuotų prie plieninių plokščių, ir hidrofono grįžtančiam aidui aptikti. Iš keitiklio skleisdami aukšto dažnio impulsą ir išmatuodami laiką, per kurį išgirsta nuo objekto atsimušančių garso bangų aidas, jie galėjo apskaičiuoti atstumą iki objekto. Šis pjezoelektros naudojimas sonarui buvo sėkmingas, o projektas sukėlė didelį susidomėjimą pjezoelektrinių prietaisų plėtra. Per dešimtmečius buvo ištirtos ir sukurtos naujos pjezoelektrinės medžiagos ir nauji šių medžiagų pritaikymai. Pjezoelektriniai prietaisai rado namus įvairiose srityse: nuo keraminių fonografų kasečių, kurios supaprastino grotuvų dizainą ir padarė pigius, tikslius įrašų grotuvus pigiau išlaikyti ir lengviau sukurti, iki ultragarsinių keitiklių, leidžiančių lengvai išmatuoti skysčių klampumą ir elastingumą, sukūrimo. ir kietosios medžiagos, todėl padaryta didžiulė medžiagų tyrimų pažanga. Ultragarsiniai laiko srities reflektometrai siunčia ultragarso impulsą į medžiagą ir išmatuoja atspindžius bei nutrūkimus, kad aptiktų metalo ir akmens objektų trūkumus ir pagerintų konstrukcijos saugumą.

Po Antrojo pasaulinio karo nepriklausomos tyrimų grupės JAV, Rusijoje ir Japonijoje atrado naują sintetinių medžiagų klasę, vadinamą feroelektrika, kurios pjezoelektrinės konstantos buvo iki dešimties kartų didesnės nei natūralių medžiagų. Tai paskatino intensyvius tyrimus siekiant sukurti bario titanatą, o vėliau ir švino cirkonato titanatą, medžiagas, turinčias specifinių savybių tam tikroms reikmėms. Buvo sukurtas reikšmingas pjezoelektrinių kristalų panaudojimo pavyzdys

Voldemaras Voigtas

Pjezoelektra yra elektromechaninis reiškinys, kai elektros krūvis kaupiasi tam tikrose kietose medžiagose, tokiose kaip kristalai, keramika ir biologinės medžiagos, tokios kaip kaulas ir DNR. Šis krūvis susidaro reaguojant į taikomą mechaninį įtempį. Žodis pjezoelektra yra kilęs iš graikų kalbos žodžio „piezein“, reiškiančio „spausti arba spausti“, ir „elektron“, reiškiančio „gintaras“, senovinis elektros krūvio šaltinis.

Pjezoelektrinis efektas atsiranda dėl linijinės elektromechaninės sąveikos tarp kristalinių medžiagų mechaninių ir elektrinių būsenų su inversijos simetrija. Šis efektas yra grįžtamas, o tai reiškia, kad medžiagos, turinčios pjezoelektrą, taip pat turi atvirkštinį pjezoelektrinį efektą, kai vidinė mechaninė deformacija atsiranda dėl taikomo elektrinio lauko. Pavyzdžiui, švino cirkonato titanato kristalai sukuria išmatuojamą pjezoelektrą, kai jų statinė struktūra deformuojasi nuo pradinio matmens. Ir atvirkščiai, kristalai gali pakeisti savo statinį matmenį, kai veikia išorinis elektrinis laukas, reiškinys, žinomas kaip atvirkštinis pjezoelektrinis efektas, kuris naudojamas ultragarso bangoms gaminti.

Prancūzų fizikai Pierre'as ir Jacques'as Curie 1880 m. atrado pjezoelektrą. Nuo to laiko pjezoelektrinis efektas buvo naudojamas įvairioms naudingoms reikmėms, įskaitant garso kūrimą ir aptikimą, pjezoelektrinį rašalinį spausdinimą, aukštos įtampos elektros generavimą, laikrodžių generatorius ir elektroninius prietaisus. kaip mikrobalansai ir ultragarsiniai antgaliai, skirti itin tiksliai fokusuoti optinius mazgus. Tai taip pat yra skenuojančių zondų mikroskopų, kurie gali išskirstyti vaizdus atomų mastu, pagrindas. Be to, elektroniniu būdu sustiprintų gitarų pikapai ir šiuolaikinių elektroninių būgnų trigeriai naudoja pjezoelektrinį efektą.

Pjezoelektra taip pat kasdien naudojama gaminant kibirkštis, kad uždegtų dujas maisto ruošimo ir šildymo įrenginiuose, degikliuose, cigarečių žiebtuvėliuose ir kt. Piroelektrinį efektą, kai medžiaga generuoja elektrinį potencialą, reaguodama į temperatūros pokyčius, XVIII amžiaus viduryje ištyrė Carlas Linnaeusas ir Franzas Aepinusas, remdamiesi Rene Hauy ir Antoine'o Cesaro Becquerel žiniomis, kurie numatė ryšį tarp mechaninių. stresas ir elektros krūvis. Eksperimentai, įrodantys šį ryšį, buvo neįtikinami.

Pjezo kristalo vaizdas Curie kompensatoriuje Hunterian muziejuje Škotijoje yra tiesioginio pjezoelektrinio efekto demonstravimas, kurį sukūrė broliai Pierre'as ir Jacques'as Curie. Sujungus savo žinias apie piroelektrą su supratimu apie pagrindines kristalų struktūras, buvo galima numatyti piroelektrą, o tai leido jiems numatyti kristalų elgesį, kurį jie parodė kristalų, tokių kaip turmalinas, kvarcas, topazas, cukranendrių cukrus ir Rošelio druska, poveikį. . Natrio ir kalio tartrato tetrahidratas ir kvarcas taip pat turėjo pjezoelektrą, o pjezoelektrinis diskas buvo naudojamas įtampai sukurti, kai deformuojamas. Šis formos pokytis buvo labai perdėtas Curies demonstracijoje, ir jie numatė atvirkštinį pjezoelektrinį efektą. Priešingą efektą iš pagrindinių termodinaminių principų matematiškai išvedė Gabrielis Lippmannas 1881 m.

Curies iš karto patvirtino atvirkštinio efekto egzistavimą ir gavo kiekybinį įrodymą, kad pjezoelektrinių kristalų elektro-elasto-mechaninės deformacijos yra visiškai grįžtamos. Vėlesniais dešimtmečiais pjezoelektra išliko laboratoriniu smalsumu, kol tapo svarbia priemone, padedančia atrasti polonį ir radžio Pierre'ą Marie Curie, kuris jį panaudojo tyrinėdamas ir apibrėždamas pjezoelektrą demonstruojančias kristalines struktūras. Tai baigėsi Woldemaro Voigto knygos Lehrbuch der Kristallphysik (Kristalų fizikos vadovėlis), kurioje aprašytos natūralios kristalų klasės, galinčios turėti pjezoelektrą, ir griežtai apibrėžtos pjezoelektrinės konstantos, naudojant tenzorinę analizę.

Tai paskatino praktiškai pritaikyti pjezoelektrinius prietaisus, tokius kaip sonaras, kuris buvo sukurtas Pirmojo pasaulinio karo metais. Prancūzijoje Paulas Langevinas ir jo bendradarbiai sukūrė ultragarsinį povandeninio laivo detektorių. Šį detektorių sudarė keitiklis, pagamintas iš plonų kvarco kristalų, kruopščiai priklijuotų prie plieninių plokščių, ir hidrofono, skirto aptikti grįžtantį aidą po to, kai iš keitiklio buvo skleidžiamas aukšto dažnio impulsas. Išmatuodami laiką, kurio reikia, kad išgirstumėte nuo objekto atsimušančių garso bangų aidą, jie galėtų apskaičiuoti atstumą iki objekto. Jie panaudojo pjezoelektrą, kad šis sonaras būtų sėkmingas, o projektas sukėlė intensyvų vystymąsi ir susidomėjimą.

Svarbūs santykiai

• Pjezoelektrinės pavaros: Pjezoelektrinės pavaros yra įtaisai, paverčiantys elektros energiją mechaniniu judesiu. Jie dažniausiai naudojami robotikoje, medicinos prietaisuose ir kitose programose, kur reikalingas tikslus judesio valdymas.
• Pjezoelektriniai jutikliai: pjezoelektriniai jutikliai naudojami fiziniams parametrams, tokiems kaip slėgis, pagreitis ir vibracija, matuoti. Jie dažnai naudojami pramonėje ir medicinoje, taip pat plataus vartojimo elektronikoje.
• Pjezoelektra gamtoje: pjezoelektra yra natūraliai atsirandantis reiškinys tam tikrose medžiagose ir randamas daugelyje gyvų organizmų. Kai kurie organizmai jį naudoja norėdami pajusti savo aplinką ir bendrauti su kitais organizmais.

Išvada

Pjezoelektra yra nuostabus reiškinys, kuris buvo naudojamas įvairiose srityse – nuo ​​sonaro iki fonografo kasečių. Jis buvo tiriamas nuo 1800-ųjų vidurio ir buvo sėkmingai panaudotas kuriant šiuolaikines technologijas. Šiame tinklaraščio įraše buvo nagrinėjama pjezoelektros istorija ir panaudojimas bei pabrėžta šio reiškinio svarba kuriant šiuolaikines technologijas. Tiems, kurie nori sužinoti daugiau apie pjezoelektrą, šis įrašas yra puikus atspirties taškas.

Esu Joostas Nusselderis, „Neaera“ įkūrėjas ir turinio rinkodaros specialistas, tėtis, ir mėgstu išbandyti naują įrangą su gitara, kuri yra mano aistros šerdis, o kartu su komanda nuo 2020 m. kuriu išsamius tinklaraščio straipsnius. padėti ištikimiems skaitytojams įrašų ir gitaros patarimais.

Patikrinkite mane „Youtube“ kur aš išbandau visą šią įrangą:

Prenumeruok