Pjezoelektrība ir noteiktu materiālu spēja ražot elektroenerģiju, ja tie tiek pakļauti mehāniskai slodzei un otrādi. Vārds cēlies no grieķu pjezo, kas nozīmē spiedienu un elektrību. Pirmo reizi tas tika atklāts 1880. gadā, taču jēdziens ir zināms jau ilgu laiku.
Vispazīstamākais pjezoelektrības piemērs ir kvarcs, taču šī parādība ir arī daudziem citiem materiāliem. Visizplatītākā pjezoelektrības izmantošana ir ultraskaņas ražošana.
Šajā rakstā es apspriedīšu, kas ir pjezoelektrība, kā tā darbojas un daži no daudzajiem šīs apbrīnojamās parādības praktiskiem pielietojumiem.
Kas ir pjezoelektrība?
Pjezoelektrība ir noteiktu materiālu spēja radīt elektrisko lādiņu, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Tā ir lineāra elektromehāniska mijiedarbība starp mehāniskiem un elektriskiem stāvokļiem kristāliskos materiālos ar inversijas simetriju. Pjezoelektriskos materiālus var izmantot, lai radītu augstsprieguma elektroenerģiju, pulksteņu ģeneratorus, elektroniskās ierīces, mikrosvarus, piedziņas ultraskaņas sprauslas un īpaši smalkas fokusēšanas optiskos mezglus.
Pjezoelektriskie materiāli ietver kristālus, noteiktu keramiku, bioloģiskas vielas, piemēram, kaulus un DNS, un olbaltumvielas. Kad pjezoelektriskam materiālam tiek pielikts spēks, tas rada elektrisko lādiņu. Pēc tam šo lādiņu var izmantot ierīču barošanai vai sprieguma radīšanai.
Pjezoelektriskie materiāli tiek izmantoti dažādos pielietojumos, tostarp:
• Skaņas radīšana un noteikšana
• Pjezoelektriskā tintes druka
• Augstsprieguma elektroenerģijas ražošana
• Pulksteņu ģeneratori
• Elektroniskās ierīces
• Mikrobalansi
• Piedzīt ultraskaņas sprauslas
• Īpaši smalki fokusējoši optiskie mezgli
• Pikapi elektroniski pastiprinātām ģitārām
• Mūsdienīgu elektronisko bungu palaidēji
• Dzirksteļu radīšana gāzes aizdedzināšanai
• Ēdienu gatavošanas un sildīšanas ierīces
• Lāpas un cigarešu šķiltavas.
Kāda ir pjezoelektrības vēsture?
Pjezoelektrību 1880. gadā atklāja franču fiziķi Žaks un Pjērs Kirī. Tas ir elektriskais lādiņš, kas uzkrājas noteiktos cietos materiālos, piemēram, kristālos, keramikā un bioloģiskās vielās, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Vārds "pjezoelektrība" ir atvasināts no grieķu vārda "piezein", kas nozīmē "saspiest" vai "prese", un "elektron", kas nozīmē "dzintars", sens elektriskā lādiņa avots.
Pjezoelektriskais efekts rodas lineāras elektromehāniskās mijiedarbības rezultātā starp kristālisko materiālu mehāniskajiem un elektriskajiem stāvokļiem ar inversijas simetriju. Tas ir atgriezenisks process, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem piemīt pjezoelektriskā enerģija, ir arī reversais pjezoelektriskais efekts, kas ir mehāniska deformācijas iekšēja ģenerēšana, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā.
Curies apvienotās zināšanas par piroelektrisko enerģiju un izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām ļāva prognozēt piroelektriskumu un spēju paredzēt kristāla uzvedību. Tas tika pierādīts tādu kristālu kā turmalīna, kvarca, topāza, niedru cukura un Rošellas sāls iedarbībā.
Curies nekavējoties apstiprināja apgrieztā efekta esamību un turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus par pjezoelektrisko kristālu elektroelasto-mehānisko deformāciju pilnīgu atgriezeniskumu. Gadu desmitiem pjezoelektrība joprojām bija laboratorijas zinātkāre, līdz tā kļuva par būtisku instrumentu Pjēra un Marijas Kirī atklājumā poloniju un rādiju.
Pjezoelektrība ir izmantota daudzos noderīgos lietojumos, tostarp skaņas radīšanai un noteikšanai, pjezoelektriskajai tintes drukāšanai, augstsprieguma elektroenerģijas ražošanai, pulksteņu ģeneratoriem un elektroniskām ierīcēm, mikrobalansiem, piedziņas ultraskaņas sprauslām, optisko mezglu īpaši smalkai fokusēšanai un skenēšanas zondes mikroskopu pamatā, lai izšķirtu attēlus atomu mērogā.
Pjezoelektrība tiek izmantota arī ikdienā, piemēram, dzirksteļu radīšana, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un sildīšanas ierīcēs, lāpas, cigarešu šķiltavas un piroelektriskais efekts, kad materiāls rada elektrisko potenciālu, reaģējot uz temperatūras izmaiņām.
Izstrādājot hidrolokatoru Pirmā pasaules kara laikā, tika izmantoti pjezoelektriskie kristāli, ko izstrādāja Bell Telephone Laboratories. Tas ļāva sabiedroto gaisa spēkiem iesaistīties saskaņotos masu uzbrukumos, izmantojot aviācijas radio. Pjezoelektrisko ierīču un materiālu attīstība Amerikas Savienotajās Valstīs saglabāja uzņēmumus kara laika sākumu attīstībā interešu jomā, nodrošinot ienesīgus patentus jauniem materiāliem.
Japāna redzēja jaunos ASV pjezoelektriskās rūpniecības lietojumus un izaugsmi, un ātri izstrādāja savu. Viņi ātri apmainījās ar informāciju un izstrādāja bārija titanāta un vēlāk svina cirkonāta titanāta materiālus ar īpašām īpašībām konkrētiem lietojumiem.
Kopš tās atklāšanas 1880. gadā pjezoelektrība ir nogājusi garu ceļu, un tagad to izmanto dažādos ikdienas lietojumos. Tas ir izmantots arī, lai panāktu progresu materiālu izpētē, piemēram, ultraskaņas laika domēna reflektometri, kas sūta ultraskaņas impulsu caur materiālu, lai izmērītu atstarojumus un pārtraukumus, lai atrastu trūkumus lietā metāla un akmens objektos, uzlabojot konstrukcijas drošību.
Kā darbojas pjezoelektrība
Šajā sadaļā es izpētīšu, kā darbojas pjezoelektrība. Es aplūkošu elektriskā lādiņa uzkrāšanos cietās vielās, lineāro elektromehānisko mijiedarbību un atgriezenisko procesu, kas veido šo parādību. Es arī apspriedīšu pjezoelektrības vēsturi un tās pielietojumus.
Elektriskā lādiņa uzkrāšanās cietās daļiņās
Pjezoelektrība ir elektriskais lādiņš, kas uzkrājas noteiktos cietos materiālos, piemēram, kristālos, keramikā un bioloģiskās vielās, piemēram, kaulos un DNS. Tā ir reakcija uz pielietoto mehānisko spriegumu, un tās nosaukums cēlies no grieķu vārdiem “piezein” (saspiest vai nospiest) un “ēlektron” (dzintars).
Pjezoelektriskais efekts rodas no lineāras elektromehāniskās mijiedarbības starp mehāniskiem un elektriskiem stāvokļiem kristāliskos materiālos ar inversijas simetriju. Tas ir atgriezenisks process, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem piemīt pjezoelektriskā enerģija, ir arī apgriezts pjezoelektriskais efekts, kur pielietota elektriskā lauka rezultātā rodas iekšēja mehāniska deformācija. Materiālu piemēri, kas rada izmērāmu pjezoelektrību, ir svina cirkonāta titanāta kristāli.
Franču fiziķi Pjērs un Žaks Kirī atklāja pjezoelektrību 1880. gadā. Kopš tā laika tā ir izmantota dažādiem noderīgiem lietojumiem, tostarp skaņas radīšanai un noteikšanai, pjezoelektriskajai tintes drukāšanai, augstsprieguma elektroenerģijas ražošanai, pulksteņu ģeneratoriem un elektroniskām ierīcēm, piemēram, mikrobalansiem. un piedziņas ultraskaņas sprauslas īpaši smalkai optisko mezglu fokusēšanai. Tas veido arī skenēšanas zondes mikroskopu pamatu, kas var izšķirt attēlus atomu mērogā. Pjezoelektrība tiek izmantota arī elektroniski pastiprinātu ģitāru noņēmējos un mūsdienu elektronisko bungu palaidējus.
Pjezoelektrību ikdienā izmanto dzirksteļu radīšanā, lai aizdedzinātu gāzi, ēdiena gatavošanas un sildīšanas ierīcēs, lāpās, cigarešu šķiltavās un piroelektriskajā efektā, kur materiāls rada elektrisko potenciālu, reaģējot uz temperatūras izmaiņām. To 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs un Francs Epinuss, pamatojoties uz Renē Heija un Antuāna Sēzara Bekerela zināšanām, kuri izvirzīja saistību starp mehānisko spriegumu un elektrisko lādiņu. Eksperimenti izrādījās nepārliecinoši.
Pjezo kristāla skats Kirī kompensatorā Hanteriana muzejā Skotijā ir tiešā pjezoelektriskā efekta demonstrācija. Brāļi Pjērs un Žaks Kirī apvienoja savas zināšanas par piroelektrisko enerģiju ar izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām, kas radīja piroelektrības prognozi. Viņi spēja paredzēt kristāla uzvedību un demonstrēja ietekmi uz tādiem kristāliem kā turmalīns, kvarcs, topāzs, niedru cukurs un Rošelas sāls. Nātrija kālija tartrāta tetrahidrātam un kvarcam arī bija pjezoelektrība. Pjezoelektriskais disks deformējot ģenerē spriegumu, un Curies demonstrācijā formas izmaiņas ir ievērojami pārspīlētas.
Viņi spēja paredzēt apgriezto pjezoelektrisko efektu, un apgriezto efektu matemātiski secināja Gabriels Lipmans 1881. gadā. Kirī pārstāvji nekavējoties apstiprināja apgrieztā efekta esamību un turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus elektroelastības pilnīgai atgriezeniskumam. mehāniskās deformācijas pjezoelektriskos kristālos.
Gadu desmitiem pjezoelektrība joprojām bija laboratorijas zinātkāre, taču tā bija būtisks instruments polonija un rādija atklāšanā, ko veica Pjērs un Marija Kirī. Viņu darbs, lai izpētītu un definētu pjezoelektriskās kristāla struktūras, sasniedza kulmināciju, publicējot Voldemāra Voigta grāmatu Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata), kurā aprakstītas dabiskās kristālu klases, kas spēj radīt pjezoelektriskumu, un stingri noteiktas pjezoelektriskās konstantes, izmantojot tenzoru analīzi. Tas bija praktisks pjezoelektrisko ierīču pielietojums, un sonārs tika izstrādāts Pirmā pasaules kara laikā. Francijā Pols Langevins un viņa kolēģi izstrādāja ultraskaņas zemūdenes detektoru.
Detektors sastāvēja no a devējs izgatavots no plāniem kvarca kristāliem, kas rūpīgi pielīmēti pie tērauda plāksnēm, un hidrofona, lai noteiktu atgriezto atbalsi. Izlaižot augstu biežums impulsu no devēja un mērot laiku, kas nepieciešams, lai sadzirdētu skaņas viļņu atbalsi, kas atsitās pret objektu, viņi varēja aprēķināt attālumu līdz objektam. Viņi izmantoja pjezoelektrisko enerģiju, lai hidrolokators gūtu panākumus, un projekts radīja intensīvu attīstību un interesi par pjezoelektriskajām ierīcēm. Gadu desmitu laikā tika pētīti un izstrādāti jauni pjezoelektriskie materiāli un jauni materiālu pielietojumi, un pjezoelektriskās ierīces atrada mājas dažādās jomās. Keramikas fonogrāfa kasetnes vienkāršoja atskaņotāja dizainu un bija paredzētas lētiem un precīziem ierakstu atskaņotājiem, kurus bija lētāk uzturēt un vieglāk uzbūvēt.
Ultraskaņas devēju izstrāde ļāva viegli izmērīt šķidrumu un cieto vielu viskozitāti un elastību, kā rezultātā tika panākts milzīgs progress materiālu izpētē.
Lineāra elektromehāniskā mijiedarbība
Pjezoelektrība ir noteiktu materiālu spēja radīt elektrisko lādiņu, ja tie tiek pakļauti mehāniskai slodzei. Vārds ir atvasināts no grieķu vārdiem πιέζειν (piezein), kas nozīmē “saspiest vai nospiest”, un ἤλεκτρον (ēlektron), kas nozīmē “dzintars”, kas bija sens elektriskā lādiņa avots.
Pjezoelektrību 1880. gadā atklāja franču fiziķi Žaks un Pjērs Kirī. Tā pamatā ir lineāra elektromehāniskā mijiedarbība starp kristālisko materiālu mehāniskajiem un elektriskajiem stāvokļiem ar inversijas simetriju. Šis efekts ir atgriezenisks, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem piemīt pjezoelektriskums, ir arī apgriezts pjezoelektriskais efekts, tādējādi pielietotā elektriskā lauka rezultātā rodas iekšēja mehāniska deformācija. Materiālu piemēri, kas rada izmērāmu pjezoelektrību, deformējoties no to statiskās struktūras, ir svina cirkonāta titanāta kristāli. Un otrādi, kristāli var mainīt savu statisko izmēru, kad tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, kas ir pazīstams kā apgrieztais pjezoelektriskais efekts un tiek izmantots ultraskaņas viļņu ražošanā.
Pjezoelektrība ir izmantota dažādiem noderīgiem lietojumiem, piemēram:
• Skaņas radīšana un noteikšana
• Pjezoelektriskā tintes druka
• Augstsprieguma elektroenerģijas ražošana
• Pulksteņu ģenerators
• Elektroniskās ierīces
• Mikrobalansi
• Piedzīt ultraskaņas sprauslas
• Īpaši smalki fokusējoši optiskie mezgli
• Veido skenēšanas zondes mikroskopu pamatu, lai izšķirtu attēlus atomu mērogā
• Pikapi elektroniski pastiprinātās ģitārās
• Trigeri mūsdienu elektroniskajās bungās
• Rada dzirksteles, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un apkures ierīcēs
• Lāpas un cigarešu šķiltavas
Pjezoelektrība ikdienā tiek izmantota arī piroelektriskajā efektā, kas ir materiāls, kas ģenerē elektrisko potenciālu, reaģējot uz temperatūras izmaiņām. To 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs un Francs Epinuss, pamatojoties uz Renē Heija un Antuāna Sēzara Bekerela zināšanām, kuri izvirzīja saistību starp mehānisko spriegumu un elektrisko lādiņu. Tomēr eksperimenti izrādījās nepārliecinoši.
Pjezo kristāla apskate Kirī kompensatorā Hantera muzejā Skotijā ir tiešā pjezoelektriskā efekta demonstrācija. Tas bija brāļu Pjēra un Žaka Kirī darbs, kas pētīja un definēja kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība, un kulminācija bija Voldemāra Foigta grāmatas Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata). Tas aprakstīja dabiskās kristālu klases, kas spēj nodrošināt pjezoelektriskumu, un stingri noteica pjezoelektriskās konstantes, izmantojot tenzora analīzi, kā rezultātā tika praktiski izmantotas pjezoelektriskās ierīces.
Sonārs tika izstrādāts Pirmā pasaules kara laikā, kad francūzis Pols Langevins un viņa kolēģi izstrādāja ultraskaņas zemūdenes detektoru. Šis detektors sastāvēja no devēja, kas izgatavots no plāniem kvarca kristāliem, kas rūpīgi pielīmēts pie tērauda plāksnēm, un hidrofona, lai noteiktu atgriezto atbalsi pēc augstfrekvences impulsa izstarošanas no devēja. Mērot laiku, kas nepieciešams, lai dzirdētu skaņas viļņu atbalsi, kas atsitās pret objektu, viņi varēja aprēķināt objekta attālumu, izmantojot pjezoelektrisko enerģiju. Šī projekta panākumi radīja intensīvu attīstību un interesi par pjezoelektriskajām ierīcēm gadu desmitu laikā, un tika pētīti un izstrādāti jauni pjezoelektriskie materiāli un jauni šo materiālu pielietojumi. Pjezoelektriskās ierīces atrada mājas daudzās jomās, piemēram, keramiskās fonogrāfa kasetnes, kas vienkāršoja atskaņotāja dizainu un padarīja lētākus un precīzākus ierakstu atskaņotājus, kā arī lētākus un vieglāk uzbūvējamus un uzturējamus.
Ultraskaņas devēju izstrāde ļāva viegli izmērīt šķidrumu un cieto vielu viskozitāti un elastību, kā rezultātā tika panākts milzīgs progress materiālu izpētē. Ultraskaņas laika domēna reflektometri sūta ultraskaņas impulsu materiālā un mēra atstarojumus un pārtraukumus, lai atrastu defektus lietā metāla un akmens objektos, uzlabojot konstrukcijas drošību. Pēc Otrā pasaules kara neatkarīgas pētnieku grupas Amerikas Savienotajās Valstīs, Krievijā un Japānā atklāja jaunu sintētisko materiālu klasi, ko sauc par feroelektriķiem, kuru pjezoelektriskās konstantes bija daudzkārt lielākas nekā dabīgiem materiāliem. Tas noveda pie intensīviem pētījumiem, lai izstrādātu bārija titanātu un vēlāk svina cirkonāta titanātu, materiālus ar īpašām īpašībām īpašiem lietojumiem.
Nozīmīgu pjezoelektrisko kristālu izmantošanas piemēru pēc Otrā pasaules kara izstrādāja Bell Telephone Laboratories. Frederiks R. Laks, strādājot radiotelefonijas inženieru nodaļā,
Atgriezenisks process
Pjezoelektrība ir elektriskais lādiņš, kas uzkrājas noteiktos cietos materiālos, piemēram, kristālos, keramikā un bioloģiskās vielās, piemēram, kaulos un DNS. Tā ir šo materiālu reakcija uz pielietoto mehānisko spriegumu. Vārds "pjezoelektrība" cēlies no grieķu vārdiem "piezein", kas nozīmē "saspiest" vai "prese" un "ēlektron", kas nozīmē "dzintars", sens elektriskā lādiņa avots.
Pjezoelektriskais efekts rodas lineāras elektromehāniskās mijiedarbības rezultātā starp kristālisko materiālu mehāniskajiem un elektriskajiem stāvokļiem ar inversijas simetriju. Tas ir atgriezenisks process, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem piemīt pjezoelektriskā enerģija, ir arī reversais pjezoelektriskais efekts, kas ir mehāniska deformācijas iekšēja ģenerēšana, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā. Materiālu piemēri, kas rada izmērāmu pjezoelektrību, ir svina cirkonāta titanāta kristāli. Kad šo kristālu statiskā struktūra tiek deformēta, tie atgriežas sākotnējā izmērā, un otrādi, kad tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, tie maina savu statisko izmēru, radot ultraskaņas viļņus.
Franču fiziķi Žaks un Pjērs Kirī atklāja pjezoelektrību 1880. gadā. Kopš tā laika tā ir izmantota dažādiem noderīgiem lietojumiem, tostarp skaņas radīšanai un noteikšanai, pjezoelektriskajai tintes drukāšanai, augstsprieguma elektroenerģijas ražošanai, pulksteņu ģeneratoriem, elektroniskām ierīcēm, mikrobalansiem, piedziņas ultraskaņas sprauslas un īpaši smalki fokusējoši optiskie mezgli. Tas arī veido pamatu skenēšanas zondes mikroskopiem, kas var izšķirt attēlus atomu mērogā. Pjezoelektrība tiek izmantota arī elektroniski pastiprinātu ģitāru noņēmējos un moderno elektronisko bungu trigeros.
Pjezoelektrība tiek izmantota arī ikdienā, piemēram, dzirksteļu radīšana, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un sildīšanas ierīcēs, lāpās, cigarešu šķiltavās un citur. Piroelektrisko efektu, kad materiāls ģenerē elektrisko potenciālu, reaģējot uz temperatūras izmaiņām, 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs, Francs Epinuss un Renē Heijs, izmantojot zināšanas par dzintaru. Antuāns Sezars Bekerels izvirzīja saistību starp mehānisko spriegumu un elektrisko lādiņu, taču eksperimenti izrādījās nepārliecinoši.
Glāzgovas Hantera muzeja apmeklētāji var apskatīt Pjezo kristāla Kirī kompensatoru — brāļu Pjēra un Žaka Kirī tiešā pjezoelektriskā efekta demonstrāciju. Apvienojot viņu zināšanas par piroelektrisko enerģiju ar izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām, tika prognozēta piroelektrība un spēja paredzēt kristāla uzvedību. Tas tika pierādīts ar kristālu, piemēram, turmalīna, kvarca, topāza, niedru cukura un Rochelle sāls, iedarbību. Nātrija un kālija tartrāta tetrahidrātam un kvarcam arī bija pjezoelektrība, un pjezoelektriskais disks tika izmantots, lai radītu spriegumu deformācijas laikā. Šīs formas izmaiņas ievērojami pārspīlēja Kirī, lai prognozētu apgriezto pjezoelektrisko efektu. Apgriezto efektu no termodinamikas pamatprincipiem matemātiski secināja Gabriels Lipmans 1881. gadā.
Curies nekavējoties apstiprināja apgrieztā efekta esamību un turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus par pjezoelektrisko kristālu elektroelasto-mehānisko deformāciju pilnīgu atgriezeniskumu. Gadu desmitiem pjezoelektrība joprojām bija laboratorijas zinātkāre, taču tā bija būtisks instruments polonija un rādija atklāšanā, ko veica Pjērs un Marija Kirī. Viņu darbs, lai izpētītu un definētu kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība, kulminācija bija Voldemāra Foigta grāmatas Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata) publikācija. Tas aprakstīja dabiskās kristālu klases, kas spēj nodrošināt pjezoelektriskumu, un stingri noteica pjezoelektriskās konstantes, izmantojot tenzora analīzi.
Pjezoelektrisko ierīču, piemēram, hidrolokatoru, praktiskā pielietošana tika izstrādāta Pirmā pasaules kara laikā. Francijā Pols Langevins un viņa kolēģi izstrādāja ultraskaņas zemūdens detektoru. Šis detektors sastāvēja no devēja, kas izgatavots no plāniem kvarca kristāliem, kas rūpīgi pielīmēts pie tērauda plāksnēm, un hidrofona, lai noteiktu atgriezto atbalsi. Izstarojot augstfrekvences impulsu no devēja un izmērot laiku, kas nepieciešams, lai sadzirdētu skaņas viļņu atbalsi, kas atsitās pret objektu, viņi varēja aprēķināt objekta attālumu. Viņi izmantoja pjezoelektrību, lai šis hidrolokators būtu veiksmīgs. Šis projekts radīja intensīvu attīstību un interesi par pjezoelektriskajām ierīcēm, un gadu desmitiem tika pētīti un izstrādāti jauni pjezoelektriskie materiāli un jauni šo materiālu pielietojumi. Pjezoelektriskās ierīces
Kas izraisa pjezoelektrību?
Šajā sadaļā es izpētīšu pjezoelektrības izcelsmi un dažādus materiālus, kas parāda šo fenomenu. Es aplūkošu grieķu vārdu "piezein", seno elektriskā lādiņa avotu un piroelektrisko efektu. Es arī apspriedīšu Pjēra un Žaka Kirī atklājumus un pjezoelektrisko ierīču attīstību 20. gadsimtā.
Grieķu vārds Piezein
Pjezoelektrība ir elektriskā lādiņa uzkrāšanās noteiktos cietos materiālos, piemēram, kristālos, keramikā un bioloģiskās vielās, piemēram, kaulos un DNS. To izraisa šo materiālu reakcija uz pielietoto mehānisko spriegumu. Vārds pjezoelektrība cēlies no grieķu vārda “piezein”, kas nozīmē “saspiest vai nospiest”, un “ēlektron”, kas nozīmē “dzintars”, sens elektriskā lādiņa avots.
Pjezoelektriskais efekts rodas lineāras elektromehāniskās mijiedarbības rezultātā starp kristālisko materiālu mehāniskajiem un elektriskajiem stāvokļiem ar inversijas simetriju. Tas ir atgriezenisks process, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem piemīt pjezoelektriskums, ir arī reversais pjezoelektriskais efekts, kas ir mehāniska deformācijas iekšēja ģenerēšana, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā. Piemēram, svina cirkonāta titanāta kristāli rada izmērāmu pjezoelektrību, kad to statiskā struktūra ir deformēta no sākotnējā izmēra. Un otrādi, kristāli var mainīt savu statisko izmēru, kad tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, ko sauc par apgriezto pjezoelektrisko efektu un rada ultraskaņas viļņus.
Franču fiziķi Žaks un Pjērs Kirī atklāja pjezoelektrību 1880. gadā. Pjezoelektriskais efekts ir izmantots daudzos noderīgos lietojumos, tostarp skaņas radīšanā un noteikšanā, pjezoelektriskajā tintes drukāšanā, augstsprieguma elektroenerģijas ražošanā, pulksteņu ģeneratoros un elektroniskās ierīcēs, piemēram, mikrobalansos. , piedziņas ultraskaņas sprauslas un īpaši smalki fokusējoši optiskie mezgli. Tas veido arī skenēšanas zondes mikroskopu pamatu, kas var izšķirt attēlus atomu mērogā. Pjezoelektrība tiek izmantota arī elektroniski pastiprinātu ģitāru noņēmējos un moderno elektronisko bungu trigeros.
Pjezoelektrība tiek izmantota ikdienā, piemēram, dzirksteļu radīšana, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un sildīšanas ierīcēs, lāpās, cigarešu šķiltavos un citur. Piroelektrisko efektu, kas ir elektriskā potenciāla ģenerēšana, reaģējot uz temperatūras izmaiņām, 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs un Francs Epinuss, pamatojoties uz Renē Heija un Antuāna Sēzara Bekerela zināšanām, kuri izvirzīja attiecības starp mehāniskais spriegums un elektriskais lādiņš. Eksperimenti izrādījās nepārliecinoši.
Muzejā Skotijā apmeklētāji var apskatīt pjezo kristāla Kirī kompensatoru, kas ir brāļu Pjēra un Žaka Kirī tiešā pjezoelektriskā efekta demonstrācija. Apvienojot viņu zināšanas par piroelektrisko enerģiju ar izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām, tika prognozēta piroelektrība un spēja paredzēt kristāla uzvedību. To pierādīja tādu kristālu kā turmalīns, kvarcs, topāzs, niedru cukurs un Rošella sāls iedarbība. Nātrija kālija tartrāta tetrahidrāts un kvarcs no Rochelle sāls uzrādīja pjezoelektriskumu, un pjezoelektriskais disks deformējot rada spriegumu. Šīs formas izmaiņas ir stipri pārspīlētas Kirī demonstrācijā.
Curies turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus par pjezoelektrisko kristālu elektro-elasto-mehānisko deformāciju pilnīgu atgriezeniskumu. Gadu desmitiem pjezoelektrība palika kā laboratorijas zinātkāre, līdz tā kļuva par būtisku instrumentu Pjēra un Marijas Kirī atklājumos poloniju un rādiju. Viņu darbs, lai izpētītu un definētu kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība, kulminācija bija Voldemāra Foigta grāmatas Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata) publikācija. Tas aprakstīja dabiskās kristālu klases, kas spēj nodrošināt pjezoelektriskumu, un stingri noteica pjezoelektriskās konstantes, izmantojot tenzora analīzi.
Šis praktiskais pjezoelektrības pielietojums noveda pie sonāra izstrādes Pirmā pasaules kara laikā. Francijā Pols Langevins un viņa kolēģi izstrādāja ultraskaņas zemūdenes detektoru. Detektors sastāvēja no devēja, kas izgatavots no plāniem kvarca kristāliem, kas rūpīgi pielīmēts pie tērauda plāksnēm, ko sauc par hidrofonu, lai noteiktu atgriezto atbalsi pēc augstfrekvences impulsa izstarošanas. Pārveidotājs mērīja laiku, kas bija nepieciešams, lai sadzirdētu skaņas viļņu atbalsi, kas atsitās pret objektu, lai aprēķinātu objekta attālumu. Pjezoelektrības izmantošana sonāros bija veiksmīga, un projekts radīja intensīvu attīstību un interesi par pjezoelektriskajām ierīcēm gadu desmitiem ilgi.
Tika pētīti un izstrādāti jauni pjezoelektriskie materiāli un jauni šo materiālu pielietojumi, un pjezoelektriskās ierīces atrada mājas daudzās jomās, piemēram, keramiskās fonogrāfa kasetnes, kas vienkāršoja atskaņotāja dizainu un radīja lētākus, precīzākus ierakstu atskaņotājus, kurus bija lētāk uzturēt un vieglāk uzturēt. uzbūvēt. Attīstība
Senais elektriskā lādiņa avots
Pjezoelektrība ir elektriskais lādiņš, kas uzkrājas noteiktos cietos materiālos, piemēram, kristālos, keramikā un bioloģiskās vielās, piemēram, kaulos un DNS. To izraisa materiāla reakcija uz pielietoto mehānisko spriegumu. Vārds "pjezoelektrība" cēlies no grieķu vārda "piezein", kas nozīmē "saspiest vai nospiest", un vārda "elektron", kas nozīmē "dzintars", sens elektriskā lādiņa avots.
Pjezoelektriskais efekts rodas lineāras elektromehāniskās mijiedarbības rezultātā starp kristālisko materiālu mehāniskajiem un elektriskajiem stāvokļiem ar inversijas simetriju. Tas ir atgriezenisks process, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem ir pjezoelektriskā enerģija, ir arī reversais pjezoelektriskais efekts, kas ir mehāniskā deformācijas iekšēja ģenerēšana, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā. Piemēram, svina cirkonāta titanāta kristāli rada izmērāmu pjezoelektrību, kad to statiskā struktūra ir deformēta no sākotnējā izmēra. Un otrādi, ja tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, kristāli maina savu statisko izmēru apgrieztā pjezoelektriskā efektā, radot ultraskaņas viļņus.
Pjezoelektrisko efektu 1880. gadā atklāja franču fiziķi Žaks un Pjērs Kirī. To izmanto dažādiem noderīgiem lietojumiem, tostarp skaņas radīšanai un noteikšanai, pjezoelektriskajai tintes drukāšanai, augstsprieguma elektroenerģijas ražošanai, pulksteņu ģeneratoriem un elektroniskām ierīcēm, piemēram, mikrobalansiem un piedziņas ultraskaņas sprauslām optisko mezglu īpaši smalkai fokusēšanai. Tas arī veido pamatu skenēšanas zondes mikroskopiem, kurus izmanto, lai izšķirtu attēlus atomu mērogā. Pjezoelektrība tiek izmantota arī elektroniski pastiprinātu ģitāru noņēmējos un moderno elektronisko bungu trigeros.
Pjezoelektrība tiek izmantota ikdienā, lai radītu dzirksteles, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un apkures ierīcēs, lāpās, cigarešu šķiltavās un citur. Piroelektrisko efektu, kas ir elektriskā potenciāla radīšana, reaģējot uz temperatūras izmaiņām, 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs un Francs Epinuss, pamatojoties uz Renē Heja un Antuāna Sēzara Bekerela zināšanām, kuri izvirzīja saistību starp mehānisko. stress un elektriskais lādiņš. Tomēr viņu eksperimenti izrādījās nepārliecinoši.
Skats uz pjezo kristālu un Kirī kompensatoru Hantera muzejā Skotijā demonstrē tiešu pjezoelektrisko efektu. Tas bija brāļu Pjēra un Žaka Kirī darbs, kas pētīja un definēja kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība, un kulminācija bija Voldemāra Foigta grāmatas Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata). Tas aprakstīja dabiskās kristālu klases, kas spēj nodrošināt pjezoelektriskumu, un stingri noteica pjezoelektriskās konstantes, izmantojot tenzora analīzi, ļaujot praktiski pielietot pjezoelektriskās ierīces.
Sonāru Pirmā pasaules kara laikā izstrādāja francūzis Pols Langevins un viņa kolēģi, kuri izstrādāja ultraskaņas zemūdenes detektoru. Detektors sastāvēja no devēja, kas izgatavots no plāniem kvarca kristāliem, kas rūpīgi pielīmēts pie tērauda plāksnēm, un hidrofona, lai noteiktu atgriezto atbalsi. Izstarojot augstfrekvences impulsu no devēja un izmērot laiku, kas nepieciešams, lai sadzirdētu skaņas viļņu atbalsi, kas atsitās pret objektu, viņi varēja aprēķināt attālumu līdz objektam. Viņi izmantoja pjezoelektrību, lai šis hidrolokators būtu veiksmīgs. Projekts radīja intensīvu attīstību un interesi par pjezoelektriskajām ierīcēm gadu desmitiem.
Piroelektrība
Pjezoelektrība ir noteiktu materiālu spēja uzkrāt elektrisko lādiņu, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Tā ir lineāra elektromehāniskā mijiedarbība starp kristālisko materiālu mehāniskajiem un elektriskajiem stāvokļiem ar inversijas simetriju. Vārds "pjezoelektrība" ir cēlies no grieķu vārda "piezein", kas nozīmē "saspiest vai nospiest", un grieķu vārda "ēlektron", kas nozīmē "dzintars", sens elektriskā lādiņa avots.
Pjezoelektrisko efektu atklāja franču fiziķi Žaks un Pjērs Kirī 1880. gadā. Tas ir atgriezenisks process, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem ir pjezoelektriskais efekts, ir arī reversais pjezoelektriskais efekts, kas ir mehāniska deformācijas iekšēja ģenerēšana, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā. Materiālu piemēri, kas rada izmērāmu pjezoelektrību, ir svina cirkonāta titanāta kristāli. Kad statiskā struktūra tiek deformēta, tā atgriežas sākotnējā izmērā. Un otrādi, ja tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, tiek radīts apgrieztais pjezoelektriskais efekts, kā rezultātā rodas ultraskaņas viļņi.
Pjezoelektriskais efekts tiek izmantots daudzām noderīgām lietojumprogrammām, tostarp skaņas radīšanai un noteikšanai, pjezoelektriskajai tintes drukāšanai, augstsprieguma elektrības ražošanai, pulksteņu ģeneratoriem un elektroniskām ierīcēm, piemēram, mikrobalansiem, piedziņas ultraskaņas sprauslām un īpaši smalkiem fokusēšanas optiskajiem mezgliem. Tas ir arī pamats skenēšanas zondes mikroskopiem, kurus izmanto attēlu izšķiršanai atomu mērogā. Pjezoelektrība tiek izmantota arī elektroniski pastiprinātu ģitāru noņēmējos un mūsdienu elektronisko bungu palaidējus.
Pjezoelektrība tiek izmantota ikdienā, piemēram, dzirksteļu radīšana, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un sildīšanas ierīcēs, lāpās, cigarešu šķiltavos un citur. Piroelektrisko efektu, kas ir elektriskā potenciāla radīšana, reaģējot uz temperatūras izmaiņām, 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs un Francs Epinuss, pamatojoties uz Renē Heija un Antuāna Sēzara Bekerela zināšanām, kuri bija izvirzījuši attiecības. starp mehānisko spriegumu un elektrisko lādiņu. Tomēr eksperimenti izrādījās nepārliecinoši.
Pjezo kristāla skats Kirī kompensatora muzejā Skotijā ir tiešā pjezoelektriskā efekta demonstrācija. Brāļi Pjērs un Žaks Kirī apvienoja savas zināšanas par piroelektrisko enerģiju un izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām, lai radītu izpratni par piroelektrisko enerģiju un paredzētu kristāla uzvedību. Tas tika pierādīts tādu kristālu kā turmalīna, kvarca, topāza, niedru cukura un Rošellas sāls iedarbībā. Tika konstatēts, ka nātrija kālija tartrāta tetrahidrātam un kvarcam piemīt pjezoelektrība, un pjezoelektriskais disks tika izmantots, lai radītu spriegumu deformācijas gadījumā. Curies to ievērojami pārspīlēja, lai prognozētu apgriezto pjezoelektrisko efektu. Apgriezto efektu matemātiski izsecināja ar termodinamikas pamatprincipiem, ko veica Gabriels Lipmans 1881. gadā.
Curies nekavējoties apstiprināja apgrieztā efekta esamību un turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus par pjezoelektrisko kristālu elektroelasto-mehānisko deformāciju pilnīgu atgriezeniskumu. Nākamajās desmitgadēs pjezoelektrība joprojām bija laboratorijas zinātkāre, līdz tā kļuva par būtisku instrumentu Pjēra un Marijas Kirī atklājumā poloniju un rādiju. Viņu darbs, lai izpētītu un definētu kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība, kulminācija bija Voldemāra Foigta grāmatas Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata) publikācija.
Sonāra izstrāde bija veiksmīga, un projekts radīja intensīvu attīstību un interesi par pjezoelektriskajām ierīcēm. Nākamajās desmitgadēs tika pētīti un izstrādāti jauni pjezoelektriskie materiāli un jauni šo materiālu pielietojumi. Pjezoelektriskās ierīces atrada mājas daudzās jomās, piemēram, keramiskās fonogrāfa kasetnes, kas vienkāršoja atskaņotāja dizainu un padarīja lētākus, precīzākus atskaņotājus, kurus bija lētāk uzturēt un vieglāk uzbūvēt. Ultraskaņas devēju izstrāde ļāva viegli izmērīt šķidrumu un cieto vielu viskozitāti un elastību, kā rezultātā tika panākts milzīgs progress materiālu izpētē. Ultraskaņas laika domēna reflektometri sūta ultraskaņas impulsu materiālā un mēra atstarojumus un pārtraukumus, lai atrastu defektus lietā metāla un akmens objektos, uzlabojot konstrukcijas drošību.
Pēc Otrā pasaules kara neatkarīgas pētnieku grupas Amerikas Savienotajās Valstīs, Krievijā un Japānā atklāja jaunu sintētisko materiālu klasi, ko sauc par feroelektriķiem, kas uzrādīja pjezoelektriskās konstantes, kas bija
Pjezoelektriskie materiāli
Šajā sadaļā es apspriedīšu materiālus, kuriem piemīt pjezoelektriskais efekts, kas ir noteiktu materiālu spēja uzkrāt elektrisko lādiņu, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Es apskatīšu kristālus, keramiku, bioloģiskās vielas, kaulus, DNS un olbaltumvielas un to, kā tie visi reaģē uz pjezoelektrisko efektu.
kristāli
Pjezoelektrība ir noteiktu materiālu spēja uzkrāt elektrisko lādiņu, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Vārds pjezoelektrība ir atvasināts no grieķu vārdiem πιέζειν (piezein), kas nozīmē "saspiest" vai "presēt", un ἤλεκτρον (ēlektrons), kas nozīmē "dzintars", sens elektriskā lādiņa avots. Pjezoelektriskie materiāli ir kristāli, keramika, bioloģiskās vielas, kauli, DNS un olbaltumvielas.
Pjezoelektrība ir lineāra elektromehāniska mijiedarbība starp mehāniskiem un elektriskiem stāvokļiem kristāliskos materiālos ar inversijas simetriju. Šis efekts ir atgriezenisks, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem piemīt pjezoelektriskā enerģija, ir arī reversais pjezoelektriskais efekts, kas ir mehāniska deformācijas iekšēja ģenerēšana, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā. Materiālu piemēri, kas rada izmērāmu pjezoelektrību, ir svina cirkonāta titanāta kristāli, kas var deformēties līdz to sākotnējam izmēram vai, gluži pretēji, mainīt statisko izmēru, kad tiek izmantots ārējs elektriskais lauks. To sauc par apgriezto pjezoelektrisko efektu, un to izmanto ultraskaņas viļņu radīšanai.
Franču fiziķi Žaks un Pjērs Kirī atklāja pjezoelektrību 1880. gadā. Pjezoelektriskais efekts ir izmantots dažādiem noderīgiem lietojumiem, tostarp skaņas radīšanai un noteikšanai, pjezoelektriskajai tintes drukāšanai, augstsprieguma elektroenerģijas ražošanai, pulksteņu ģeneratoriem un elektroniskām ierīcēm, piemēram, kā mikrobalansi, piedziņas ultraskaņas sprauslas un īpaši smalki fokusējoši optiskie mezgli. Tas arī veido pamatu skenēšanas zondes mikroskopiem, kurus izmanto, lai izšķirtu attēlus atomu mērogā. Pjezoelektriskie noņēmēji tiek izmantoti arī elektroniski pastiprinātās ģitārās un trigeri mūsdienu elektroniskajās bungās.
Pjezoelektrību ikdienā izmanto dzirksteļu radīšanā, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un apkures ierīcēs, kā arī lāpās un cigarešu šķiltavos. Piroelektrisko efektu, kas ir elektriskā potenciāla ģenerēšana, reaģējot uz temperatūras izmaiņām, 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs un Francs Epinuss, pamatojoties uz Renē Heija un Antuāna Sēzara Bekerela zināšanām, kuri izvirzīja saistību starp mehānisko. stress un elektriskais lādiņš. Eksperimenti, lai pierādītu šo teoriju, nebija pārliecinoši.
Pjezo kristāla skats Kirī kompensatorā Hanteriana muzejā Skotijā ir tiešā pjezoelektriskā efekta demonstrācija. Brāļi Pjērs un Žaks Kirī apvienoja savas zināšanas par piroelektrisko enerģiju ar izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām, lai varētu paredzēt piroelektrību. Viņi spēja paredzēt kristāla uzvedību un demonstrēja ietekmi uz tādiem kristāliem kā turmalīns, kvarcs, topāzs, niedru cukurs un Rošelas sāls. Nātrija kālija tartrāta tetrahidrātam un kvarcam arī bija pjezoelektrība. Pjezoelektriskais disks deformējoties rada spriegumu; formas maiņa ir stipri pārspīlēta Kirī demonstrācijā.
Viņi arī spēja paredzēt apgriezto pjezoelektrisko efektu un matemātiski secināt tā pamatā esošos termodinamiskos pamatprincipus. Gabriels Lipmans to izdarīja 1881. gadā. Curies nekavējoties apstiprināja apgrieztā efekta esamību un turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus par pjezoelektrisko kristālu elektro-elasto-mehānisko deformāciju pilnīgu atgriezeniskumu.
Gadu desmitiem pjezoelektrība joprojām bija laboratorijas zinātkāre, taču tā bija būtisks instruments polonija un rādija atklāšanā, ko veica Pjērs un Marija Kirī. Viņu darbs, lai izpētītu un definētu kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība, kulminācija bija Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata) publikācijā, kurā tika aprakstītas dabisko kristālu klases, kas spēj radīt pjezoelektriskumu, un precīzi definētas pjezoelektriskās konstantes, izmantojot tenzoru analīzi.
Pjezoelektrisko ierīču praktiskā pielietošana sonāros tika izstrādāta Pirmā pasaules kara laikā. Francijā Pols Langevins un viņa kolēģi izstrādāja ultraskaņas zemūdens detektoru. Šis detektors sastāvēja no devēja, kas izgatavots no plāniem kvarca kristāliem, kas rūpīgi pielīmēts pie tērauda plāksnēm, ko sauc par hidrofonu, lai noteiktu atgriezto atbalsi pēc augstfrekvences impulsa izstarošanas. Izmērot laiku, kas nepieciešams, lai dzirdētu skaņas viļņu atbalsi, kas atsitās pret objektu, viņi varēja aprēķināt attālumu līdz objektam. Šī pjezoelektrības izmantošana hidrolokatoros bija veiksmīga, un projekts radīja intensīvu attīstību un interesi par pjezoelektriskajām ierīcēm gadu desmitu laikā.
Keramika
Pjezoelektriskie materiāli ir cietas vielas, kas uzkrāj elektrisko lādiņu, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Pjezoelektrība ir atvasināta no grieķu vārdiem πιέζειν (piezein), kas nozīmē "saspiest" vai "prese" un ἤλεκτρον (ēlektron), kas nozīmē "dzintars", sens elektriskā lādiņa avots. Pjezoelektriskie materiāli tiek izmantoti dažādos pielietojumos, tostarp skaņas ražošanā un noteikšanā, pjezoelektriskajā tintes drukāšanā un augstsprieguma elektroenerģijas ražošanā.
Pjezoelektriskie materiāli ir atrodami kristālos, keramikā, bioloģiskās vielās, kaulos, DNS un olbaltumvielās. Keramika ir visizplatītākie pjezoelektriskie materiāli, ko izmanto ikdienas lietojumos. Keramika ir izgatavota no metālu oksīdu kombinācijas, piemēram, svina cirkonāta titanāta (PZT), kas tiek uzkarsēti līdz augstām temperatūrām, veidojot cietu vielu. Keramika ir ļoti izturīga un var izturēt ārkārtējas temperatūras un spiedienu.
Pjezoelektriskajai keramikai ir dažādi pielietojumi, tostarp:
• Rada dzirksteles, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un apkures ierīcēm, piemēram, lāpām un cigarešu šķiltavām.
• Ultraskaņas viļņu ģenerēšana medicīniskai attēlveidošanai.
• Augstsprieguma elektroenerģijas ražošana pulksteņu ģeneratoriem un elektroniskām ierīcēm.
• Mikrosvaru ģenerēšana precīzai svēršanai.
• Piedziņas ultraskaņas sprauslas īpaši smalkai optisko mezglu fokusēšanai.
• Veidojot pamatu skenēšanas zondes mikroskopiem, kas var izšķirt attēlus atomu mērogā.
• Pacēlāji elektroniski pastiprinātām ģitārām un trigeri mūsdienu elektroniskajām bungām.
Pjezoelektriskā keramika tiek izmantota plašā lietojumu klāstā, sākot no plaša patēriņa elektronikas līdz medicīnas attēlveidošanai. Tie ir ļoti izturīgi un var izturēt ārkārtējas temperatūras un spiedienu, padarot tos ideāli piemērotus lietošanai dažādās nozarēs.
Bioloģiskā viela
Pjezoelektrība ir noteiktu materiālu spēja uzkrāt elektrisko lādiņu, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Tas ir atvasināts no grieķu vārda "piezein", kas nozīmē "saspiest vai nospiest", un "ēlektron", kas nozīmē "dzintars", sens elektriskā lādiņa avots.
Bioloģiskās vielas, piemēram, kauli, DNS un olbaltumvielas, ir viens no materiāliem, kam piemīt pjezoelektrība. Šis efekts ir atgriezenisks, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem ir pjezoelektriskā enerģija, ir arī reversais pjezoelektriskais efekts, kas ir mehāniskā deformācijas iekšēja ģenerēšana, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā. Šo materiālu piemēri ir svina cirkonāta titanāta kristāli, kas rada izmērāmu pjezoelektrību, kad to statiskā struktūra ir deformēta no sākotnējā izmēra. Un otrādi, kad tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, kristāli maina savu statisko izmēru, radot ultraskaņas viļņus, izmantojot apgriezto pjezoelektrisko efektu.
Pjezoelektrību atklāja franču fiziķi Žaks un Pjērs Kirī 1880. gadā. Kopš tā laika tā ir izmantota dažādiem noderīgiem lietojumiem, piemēram:
• Skaņas radīšana un noteikšana
• Pjezoelektriskā tintes druka
• Augstsprieguma elektroenerģijas ražošana
• Pulksteņu ģenerators
• Elektroniskās ierīces
• Mikrobalansi
• Piedzīt ultraskaņas sprauslas
• Īpaši smalki fokusējoši optiskie mezgli
• Veido skenēšanas zondes mikroskopu pamatu
• Atrisiniet attēlus atomu mērogā
• Pikapi elektroniski pastiprinātās ģitārās
• Trigeri mūsdienu elektroniskajās bungās
Pjezoelektrība tiek izmantota arī ikdienas priekšmetos, piemēram, gāzes gatavošanas un sildīšanas ierīcēs, lāpās, cigarešu šķiltavos u.c. Piroelektrisko efektu, kas ir elektriskā potenciāla radīšana, reaģējot uz temperatūras izmaiņām, 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs un Francs Epinuss. Balstoties uz Renē Haija un Antuāna Sezara Bekerela zināšanām, viņi izvirzīja saistību starp mehānisko spriegumu un elektrisko lādiņu, taču viņu eksperimenti izrādījās nepārliecinoši.
Pjezo kristāla skats Kirī kompensatorā Hantera muzejā Skotijā ir tiešā pjezoelektriskā efekta demonstrācija. Brāļi Pjērs un Žaks Kirī apvienoja savas zināšanas par piroelektrisko enerģiju un izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām, lai prognozētu piroelektrību un paredzētu kristāla uzvedību. To pierādīja tādu kristālu kā turmalīns, kvarcs, topāzs, niedru cukurs un Rošelas sāls iedarbība. Nātrija un kālija tartrāta tetrahidrātam un kvarcam arī bija pjezoelektrība, un pjezoelektriskais disks tika izmantots, lai radītu spriegumu deformācijas laikā. Šo efektu ļoti pārspīlēja Kirī, lai prognozētu apgriezto pjezoelektrisko efektu. Apgriezto efektu no termodinamikas pamatprincipiem matemātiski secināja Gabriels Lipmans 1881. gadā.
Curies nekavējoties apstiprināja apgrieztā efekta esamību un turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus par pjezoelektrisko kristālu elektroelasto-mehānisko deformāciju pilnīgu atgriezeniskumu. Gadu desmitiem pjezoelektrība palika kā laboratorijas zinātkāre, līdz tā kļuva par būtisku instrumentu Pjēra un Marijas Kirī atklājumos poloniju un rādiju. Viņu darbs, lai izpētītu un definētu kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība, kulminācija bija Voldemāra Foigta “Lehrbuch der Kristallphysik” (kristālu fizikas mācību grāmata).
kauls
Pjezoelektrība ir noteiktu materiālu spēja uzkrāt elektrisko lādiņu, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Kauls ir viens no šādiem materiāliem, kas parāda šo parādību.
Kauli ir bioloģiskas vielas veids, kas sastāv no olbaltumvielām un minerālvielām, tostarp kolagēna, kalcija un fosfora. Tas ir pjezoelektriskākais no visiem bioloģiskajiem materiāliem un spēj radīt spriegumu, ja tiek pakļauts mehāniskai slodzei.
Pjezoelektriskais efekts kaulā ir tā unikālās struktūras rezultāts. Tas sastāv no kolagēna šķiedru tīkla, kas ir iestrādāts minerālu matricā. Kad kauls tiek pakļauts mehāniskai slodzei, kolagēna šķiedras pārvietojas, izraisot minerālvielu polarizāciju un elektrisko lādiņu veidošanos.
Pjezoelektriskajam efektam kaulos ir vairāki praktiski pielietojumi. To izmanto medicīniskajā attēlveidošanā, piemēram, ultraskaņas un rentgena attēlveidošanā, lai noteiktu kaulu lūzumus un citas novirzes. To izmanto arī kaulu vadīšanas dzirdes aparātos, kas izmanto pjezoelektrisko efektu, lai pārveidotu skaņas viļņus elektriskos signālos, kas tiek nosūtīti tieši uz iekšējo ausi.
Pjezoelektrisko efektu kaulos izmanto arī ortopēdiskajos implantos, piemēram, mākslīgajās locītavās un ekstremitāšu protēzēs. Implanti izmanto pjezoelektrisko efektu, lai pārveidotu mehānisko enerģiju elektroenerģijā, ko pēc tam izmanto ierīces darbināšanai.
Turklāt pjezoelektriskais efekts kaulos tiek pētīts, lai to izmantotu jaunu medicīnisko ārstēšanas metožu izstrādē. Piemēram, pētnieki pēta pjezoelektrības izmantošanu, lai stimulētu kaulu augšanu un atjaunotu bojātos audus.
Kopumā pjezoelektriskais efekts kaulos ir aizraujoša parādība ar plašu praktisko pielietojumu klāstu. Tas tiek izmantots dažādos medicīnas un tehnoloģiskos lietojumos, un tiek pētīts izmantošanai jaunu ārstēšanas metožu izstrādē.
DNS
Pjezoelektrība ir noteiktu materiālu spēja uzkrāt elektrisko lādiņu, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. DNS ir viens no šādiem materiāliem, kam ir šāda ietekme. DNS ir bioloģiska molekula, kas atrodama visos dzīvajos organismos un sastāv no četrām nukleotīdu bāzēm: adenīna (A), guanīna (G), citozīna (C) un timīna (T).
DNS ir sarežģīta molekula, ko var izmantot, lai radītu elektrisko lādiņu, ja tā tiek pakļauta mehāniskai slodzei. Tas ir saistīts ar faktu, ka DNS molekulas sastāv no divām nukleotīdu virknēm, kuras kopā satur ūdeņraža saites. Kad šīs saites tiek pārtrauktas, rodas elektriskais lādiņš.
DNS pjezoelektriskais efekts ir izmantots dažādos pielietojumos, tostarp:
• Elektrības ražošana medicīniskajiem implantiem
• Mehānisko spēku noteikšana un mērīšana šūnās
• Nanomēroga sensoru izstrāde
• Biosensoru izveide DNS sekvencēšanai
• Ultraskaņas viļņu ģenerēšana attēlveidošanai
Tiek pētīts arī DNS pjezoelektriskais efekts, lai to varētu izmantot jaunu materiālu, piemēram, nanovadu un nanocauruļu, izstrādē. Šos materiālus var izmantot dažādiem lietojumiem, tostarp enerģijas uzkrāšanai un uztveršanai.
DNS pjezoelektriskais efekts ir plaši pētīts, un ir konstatēts, ka tas ir ļoti jutīgs pret mehānisko spriegumu. Tas padara to par vērtīgu rīku pētniekiem un inženieriem, kuri vēlas izstrādāt jaunus materiālus un tehnoloģijas.
Noslēgumā jāsaka, ka DNS ir materiāls, kam piemīt pjezoelektriskais efekts, kas ir spēja uzkrāt elektrisko lādiņu, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Šis efekts ir izmantots dažādos pielietojumos, tostarp medicīniskajos implantos, nanomēroga sensoros un DNS sekvencēšanā. Tiek pētīta arī tā iespējamā izmantošana jaunu materiālu, piemēram, nanovadu un nanocauruļu, izstrādē.
Olbaltumvielas
Pjezoelektrība ir noteiktu materiālu spēja uzkrāt elektrisko lādiņu, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Pjezoelektriskie materiāli, piemēram, olbaltumvielas, kristāli, keramika un bioloģiskās vielas, piemēram, kauls un DNS, uzrāda šo efektu. Jo īpaši olbaltumvielas ir unikāls pjezoelektrisks materiāls, jo tie sastāv no sarežģītas aminoskābju struktūras, kuras var deformēt, lai radītu elektrisko lādiņu.
Olbaltumvielas ir visizplatītākais pjezoelektrisko materiālu veids, un tie ir sastopami dažādās formās. Tos var atrast enzīmu, hormonu un antivielu veidā, kā arī strukturālo proteīnu, piemēram, kolagēna un keratīna, veidā. Olbaltumvielas atrodamas arī muskuļu proteīnu veidā, kas ir atbildīgi par muskuļu kontrakciju un relaksāciju.
Olbaltumvielu pjezoelektriskais efekts ir saistīts ar faktu, ka tie sastāv no sarežģītas aminoskābju struktūras. Kad šīs aminoskābes tiek deformētas, tās rada elektrisko lādiņu. Šo elektrisko lādiņu pēc tam var izmantot, lai darbinātu dažādas ierīces, piemēram, sensorus un izpildmehānismus.
Olbaltumvielas tiek izmantotas arī dažādās medicīnas jomās. Piemēram, tos izmanto, lai noteiktu noteiktu proteīnu klātbūtni organismā, ko var izmantot slimību diagnosticēšanai. Tos izmanto arī noteiktu baktēriju un vīrusu klātbūtnes noteikšanai, ko var izmantot infekciju diagnosticēšanai.
Olbaltumvielas tiek izmantotas arī dažādos rūpnieciskos lietojumos. Piemēram, tos izmanto, lai izveidotu sensorus un izpildmehānismus dažādiem rūpnieciskiem procesiem. Tos izmanto arī tādu materiālu radīšanai, kurus var izmantot lidmašīnu un citu transportlīdzekļu būvē.
Noslēgumā jāsaka, ka proteīni ir unikāls pjezoelektrisks materiāls, ko var izmantot dažādos pielietojumos. Tie sastāv no sarežģītas aminoskābju struktūras, kuras var deformēt, lai radītu elektrisko lādiņu, un tos izmanto dažādos medicīnas un rūpnieciskos lietojumos.
Enerģijas ieguve ar pjezoelektrību
Šajā sadaļā es apspriedīšu, kā pjezoelektrību var izmantot enerģijas ieguvei. Es apskatīšu dažādus pjezoelektrības pielietojumus, sākot no pjezoelektriskās tintes drukāšanas līdz pulksteņu ģeneratoriem un mikrobalansiem. Es arī izpētīšu pjezoelektrības vēsturi, sākot ar Pjēra Kirī atklājumu un beidzot ar tās izmantošanu Otrajā pasaules karā. Visbeidzot, es apspriedīšu pjezoelektriskās rūpniecības pašreizējo stāvokli un turpmākās izaugsmes potenciālu.
Pjezoelektriskā tintes druka
Pjezoelektrība ir noteiktu materiālu spēja radīt elektrisko lādiņu, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Vārds "pjezoelektrība" ir cēlies no grieķu vārdiem "piezein" (saspiest vai nospiest) un "elektron" (dzintars), kas ir sens elektriskā lādiņa avots. Pjezoelektriskie materiāli, piemēram, kristāli, keramika un bioloģiskas vielas, piemēram, kauls un DNS, tiek izmantoti dažādos lietojumos.
Pjezoelektrību izmanto augstsprieguma elektroenerģijas ražošanai, kā pulksteņa ģeneratoru, elektroniskās ierīcēs un mikrosvaros. To izmanto arī ultraskaņas sprauslu un īpaši smalku fokusēšanas optisko mezglu vadīšanai. Pjezoelektriskā tintes drukāšana ir populārs šīs tehnoloģijas pielietojums. Šis ir drukas veids, kurā tiek izmantoti pjezoelektriskie kristāli, lai radītu augstfrekvences vibrāciju, ko izmanto, lai uz lapas izspiestu tintes pilienus.
Pjezoelektrības atklājums aizsākās 1880. gadā, kad franču fiziķi Žaks un Pjērs Kirī atklāja efektu. Kopš tā laika pjezoelektriskais efekts ir izmantots dažādiem noderīgiem lietojumiem. Pjezoelektrība tiek izmantota ikdienas priekšmetos, piemēram, gāzes gatavošanas un sildīšanas ierīcēs, lāpās, cigarešu šķiltavās un elektroniski pastiprinātu ģitāru skapjos un moderno elektronisko bungu palaidējos.
Pjezoelektrība tiek izmantota arī zinātniskajos pētījumos. Tas ir pamats skenēšanas zondes mikroskopiem, kurus izmanto attēlu izšķiršanai atomu mērogā. To izmanto arī ultraskaņas laika domēna reflektometros, kas sūta ultraskaņas impulsus materiālā un mēra atstarojumus, lai noteiktu pārtraukumus un atrastu trūkumus lietā metāla un akmens objektos.
Pjezoelektrisko ierīču un materiālu izstrādes pamatā ir nepieciešamība pēc labākas veiktspējas un vieglākiem ražošanas procesiem. Amerikas Savienotajās Valstīs kvarca kristālu izstrāde komerciālai lietošanai ir bijis galvenais pjezoelektriskās rūpniecības izaugsmes faktors. Turpretim Japānas ražotāji ir spējuši ātri apmainīties ar informāciju un izstrādāt jaunas lietojumprogrammas, kā rezultātā Japānas tirgū ir vērojama strauja izaugsme.
Pjezoelektrība ir mainījusi veidu, kā mēs izmantojam enerģiju, sākot no ikdienas priekšmetiem, piemēram, šķiltavām, līdz progresīviem zinātniskiem pētījumiem. Tā ir daudzpusīga tehnoloģija, kas ir ļāvusi mums izpētīt un izstrādāt jaunus materiālus un lietojumus, un tā joprojām būs svarīga mūsu dzīves sastāvdaļa arī turpmākajos gados.
Augstsprieguma elektroenerģijas ražošana
Pjezoelektrība ir noteiktu cieto materiālu spēja uzkrāt elektrisko lādiņu, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Vārds "pjezoelektrība" ir atvasināts no grieķu vārdiem "piezein", kas nozīmē "saspiest" vai "prese", un "ēlektron", kas nozīmē "dzintars", sens elektriskā lādiņa avots. Pjezoelektrība ir lineāra elektromehāniska mijiedarbība starp mehāniskiem un elektriskiem stāvokļiem kristāliskos materiālos ar inversijas simetriju.
Pjezoelektriskais efekts ir atgriezenisks process; materiāliem, kuriem piemīt pjezoelektrība, ir arī apgriezts pjezoelektriskais efekts, iekšēja mehāniska deformācija, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā. Piemēram, svina cirkonāta titanāta kristāli rada izmērāmu pjezoelektrību, kad to statiskā struktūra ir deformēta no sākotnējā izmēra. Un otrādi, kristāli var mainīt savu statisko izmēru, kad tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, parādība, kas pazīstama kā apgrieztais pjezoelektriskais efekts, ko izmanto ultraskaņas viļņu ražošanā.
Pjezoelektriskais efekts tiek izmantots dažādos pielietojumos, tostarp augstsprieguma elektroenerģijas ražošanā. Pjezoelektriskos materiālus izmanto skaņas ražošanā un noteikšanā, pjezoelektriskajā tintes drukā, pulksteņu ģeneratoros, elektroniskās ierīcēs, mikrobalansos, piedziņas ultraskaņas sprauslās un īpaši smalkas fokusēšanas optiskos mezglos.
Pjezoelektrība tiek izmantota arī ikdienas lietojumos, piemēram, dzirksteļu radīšanā, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un sildīšanas ierīcēs, lāpās, cigarešu šķiltavos un piroelektriskā efekta materiālos, kas rada elektrisko potenciālu, reaģējot uz temperatūras izmaiņām. Šo efektu 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs un Francs Epinuss, pamatojoties uz Renē Heija un Antuāna Sēzara Bekerela zināšanām, kuri izvirzīja saistību starp mehānisko spriegumu un elektrisko lādiņu, lai gan viņu eksperimenti izrādījās nepārliecinoši.
Apvienotās zināšanas par piroelektrisko enerģiju un izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām ļāva prognozēt piroelektriskumu un spēju paredzēt kristāla uzvedību. To pierādīja tādu kristālu kā turmalīns, kvarcs, topāzs, niedru cukurs un Rošelas sāls iedarbība. Nātrija kālija tartrāta tetrahidrātam un kvarcam arī bija pjezoelektrība, un pjezoelektriskais disks tika izmantots, lai radītu spriegumu deformācijas gadījumā. Tas bija ievērojami pārspīlēts, Curies demonstrējot tiešo pjezoelektrisko efektu.
Brāļi Pjērs un Žaks Kirī turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus par pjezoelektrisko kristālu elektro-elasto-mehānisko deformāciju pilnīgu atgriezeniskumu. Gadu desmitiem pjezoelektrība joprojām bija laboratorijas zinātkāre, taču tā bija būtisks instruments polonija un rādija atklāšanā, ko veica Pjērs un Marija Kirī. Viņu darbs, lai izpētītu un definētu kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība, kulminācija bija Woldemar Voigt Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata), kurā tika aprakstītas dabiskās kristālu klases, kas spēj radīt pjezoelektriskumu, un precīzi definētas pjezoelektriskās konstantes, izmantojot tenzoru analīzi.
Pjezoelektrisko ierīču praktiskā pielietošana sākās ar hidrolokatoru izstrādi Pirmā pasaules kara laikā. Francijā Pols Langevins un viņa kolēģi izstrādāja ultraskaņas zemūdens detektoru. Detektors sastāvēja no devēja, kas izgatavots no plāniem kvarca kristāliem, kas rūpīgi pielīmēts pie tērauda plāksnēm, un hidrofona, lai noteiktu atgriezto atbalsi. Izstarojot augstfrekvences impulsu no devēja un izmērot laiku, kas nepieciešams, lai sadzirdētu skaņas viļņu atbalsi, kas atsitās pret objektu, viņi varēja aprēķināt objekta attālumu. Viņi izmantoja pjezoelektrisko enerģiju, lai hidrolokators izdotos, un projekts radīja intensīvu attīstību un interesi par pjezoelektriskajām ierīcēm turpmākajās desmitgadēs.
Tika izpētīti un izstrādāti jauni pjezoelektriskie materiāli un jauni šo materiālu pielietojumi. Pjezoelektriskās ierīces atrada mājas dažādās jomās, piemēram, keramiskās fonogrāfa kasetnes, kas vienkāršoja atskaņotāja dizainu un padarīja lētākus, precīzākus ierakstu atskaņotājus, kurus bija lētāk uzturēt un vieglāk uzbūvēt. Ultraskaņas devēju izstrāde ļāva viegli izmērīt šķidrumu un cieto vielu viskozitāti un elastību, kā rezultātā tika panākts milzīgs progress materiālu izpētē. Ultraskaņas laika domēna reflektometri sūta ultraskaņas impulsu materiālā un mēra atstarojumus un pārtraukumus, lai atrastu defektus lietā metāla un akmens objektos, uzlabojot konstrukcijas drošību.
Otrajā pasaules karā neatkarīgas pētniecības grupas ASV, Krievijā un Japānā atklāja jaunu sintētisko materiālu klasi, ko sauc par fer.
Pulksteņu ģenerators
Pjezoelektrība ir noteiktu materiālu spēja uzkrāt elektrisko lādiņu, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Šī parādība ir izmantota, lai izveidotu vairākas noderīgas lietojumprogrammas, tostarp pulksteņu ģeneratorus. Pulksteņu ģeneratori ir ierīces, kas izmanto pjezoelektrību, lai ģenerētu elektriskos signālus ar precīzu laiku.
Pulksteņu ģeneratorus izmanto dažādās lietojumprogrammās, piemēram, datoros, telekomunikācijās un automobiļu sistēmās. Tos izmanto arī medicīnas ierīcēs, piemēram, elektrokardiostimulatoros, lai nodrošinātu precīzu elektrisko signālu laiku. Pulksteņu ģeneratorus izmanto arī rūpnieciskajā automatizācijā un robotikā, kur precīzs laiks ir būtisks.
Pjezoelektriskā efekta pamatā ir lineāra elektromehāniskā mijiedarbība starp mehāniskiem un elektriskiem stāvokļiem kristāliskos materiālos ar inversijas simetriju. Šis efekts ir atgriezenisks, kas nozīmē, ka materiāli, kuriem piemīt pjezoelektrība, var radīt mehānisku deformāciju, kad tiek izmantots elektriskais lauks. To sauc par apgriezto pjezoelektrisko efektu, un to izmanto ultraskaņas viļņu radīšanai.
Pulksteņu ģeneratori izmanto šo apgriezto pjezoelektrisko efektu, lai ģenerētu elektriskos signālus ar precīzu laiku. Pjezoelektriskais materiāls tiek deformēts elektriskā lauka ietekmē, kas liek tam vibrēt noteiktā frekvencē. Pēc tam šī vibrācija tiek pārveidota par elektrisko signālu, ko izmanto, lai ģenerētu precīzu laika signālu.
Pulksteņu ģeneratori tiek izmantoti dažādos pielietojumos, sākot no medicīnas ierīcēm un beidzot ar rūpniecisko automatizāciju. Tie ir uzticami, precīzi un viegli lietojami, padarot tos par populāru izvēli daudzām lietojumprogrammām. Pjezoelektrība ir svarīga mūsdienu tehnoloģiju sastāvdaļa, un pulksteņu ģeneratori ir tikai viens no daudzajiem šīs parādības lietojumiem.
Elektroniskās ierīces
Pjezoelektrība ir noteiktu cieto materiālu spēja uzkrāt elektrisko lādiņu, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Šī parādība, kas pazīstama kā pjezoelektriskais efekts, tiek izmantota dažādās elektroniskās ierīcēs, sākot ar noņēmējiem elektroniski pastiprinātās ģitārās līdz trigeriem mūsdienu elektroniskajās bungās.
Pjezoelektrība ir atvasināta no grieķu vārdiem πιέζειν (piezein), kas nozīmē “saspiest” vai “prese”, un ἤλεκτρον (ēlektron), kas nozīmē “dzintars”, sens elektriskā lādiņa avots. Pjezoelektriskie materiāli ir kristāli, keramika un bioloģiskas vielas, piemēram, kaulu un DNS proteīni, kam piemīt pjezoelektriskais efekts.
Pjezoelektriskais efekts ir lineāra elektromehāniska mijiedarbība starp mehāniskiem un elektriskiem stāvokļiem kristāliskos materiālos ar inversijas simetriju. Tas ir atgriezenisks process, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem piemīt pjezoelektriskais efekts, ir arī reversais pjezoelektriskais efekts, kas ir mehāniska deformācijas iekšēja ģenerēšana, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā. Piemēram, svina cirkonāta titanāta kristāli rada izmērāmu pjezoelektrību, kad to statiskā struktūra ir deformēta no sākotnējā izmēra. Un otrādi, kristāli var mainīt savu statisko izmēru, kad tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, parādība, kas pazīstama kā apgrieztais pjezoelektriskais efekts, ko izmanto ultraskaņas viļņu ražošanā.
Pjezoelektrības atklājums ir piedēvēts franču fiziķiem Pjēram un Žakam Kirī, kuri 1880. gadā demonstrēja tiešu pjezoelektrisko efektu. Viņu apvienotās zināšanas par piroelektrisko enerģiju un izpratne par pamatā esošajām kristāla struktūrām ļāva prognozēt piroelektrisko efektu un spēju paredzēt. kristāla uzvedība tika demonstrēta ar tādu kristālu kā turmalīna, kvarca, topāza, niedru cukura un Rošelas sāls iedarbību.
Pjezoelektrība ir izmantota dažādos ikdienas lietojumos, piemēram, dzirksteļu radīšanā, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un sildīšanas ierīcēs, lāpās, cigarešu šķiltavos un piroelektriskā efekta materiālos, kas rada elektrisko potenciālu, reaģējot uz temperatūras izmaiņām. To 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs un Francs Epinuss, pamatojoties uz Renē Heija un Antuāna Sēzara Bekerela zināšanām, kuri izvirzīja saistību starp mehānisko spriegumu un elektrisko lādiņu. Tomēr eksperimenti izrādījās nepārliecinoši, līdz pjezo kristāla skats Kirī kompensatoru muzejā Skotijā parādīja tiešu pjezoelektrisko efektu, ko radīja brāļi Kirī.
Pjezoelektriskā enerģija tiek izmantota dažādās elektroniskās ierīcēs, sākot ar noņēmējiem elektroniski pastiprinātās ģitārās un beidzot ar trigeriem mūsdienu elektroniskajās bungās. To izmanto arī skaņas ražošanā un noteikšanā, pjezoelektriskajā tintes drukāšanā, augstsprieguma elektroenerģijas ražošanā, pulksteņu ģeneratoros, mikrobalansos, piedziņas ultraskaņas sprauslās un īpaši smalkās fokusēšanas optiskos mezglos. Pjezoelektrība ir arī pamats skenēšanas zondes mikroskopiem, kurus izmanto attēlu izšķiršanai atomu mērogā.
Mikrobilances
Pjezoelektrība ir noteiktu cieto materiālu spēja uzkrāt elektrisko lādiņu, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Pjezoelektrība ir atvasināta no grieķu vārdiem πιέζειν (piezein), kas nozīmē “saspiest” vai “prese”, un ἤλεκτρον (ēlektron), kas nozīmē “dzintars”, sens elektriskā lādiņa avots.
Pjezoelektrība tiek izmantota dažādos ikdienas lietojumos, piemēram, dzirksteļu radīšanā, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un apkures ierīcēm, lāpām, cigarešu šķiltavu u.c. To izmanto arī skaņas ražošanā un noteikšanā, kā arī pjezoelektriskajā tintes drukāšanā.
Pjezoelektrību izmanto arī augstsprieguma elektroenerģijas ražošanai, un tā ir pulksteņu ģeneratoru un elektronisko ierīču, piemēram, mikrosvaru, pamatā. Pjezoelektrība tiek izmantota arī ultraskaņas sprauslu un īpaši smalku fokusēšanas optisko mezglu vadīšanai.
Par pjezoelektrības atklāšanu 1880. gadā piedēvējuši franču fiziķi Žaks un Pjērs Kirī. Brāļi Kirī apvienoja savas zināšanas par piroelektrisko enerģiju un izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām, lai radītu pjezoelektrības jēdzienu. Viņi spēja paredzēt kristāla uzvedību un demonstrēja ietekmi uz tādiem kristāliem kā turmalīns, kvarcs, topāzs, niedru cukurs un Rošelas sāls.
Pjezoelektriskais efekts tika izmantots noderīgām lietojumprogrammām, tostarp skaņas radīšanai un noteikšanai. Sonāra izstrāde Pirmā pasaules kara laikā bija nozīmīgs sasniegums pjezoelektrības izmantošanā. Pēc Otrā pasaules kara neatkarīgas pētnieku grupas Amerikas Savienotajās Valstīs, Krievijā un Japānā atklāja jaunu sintētisko materiālu klasi, ko sauc par feroelektriķiem, kuru pjezoelektriskās konstantes bija līdz pat desmit reizēm lielākas nekā dabīgiem materiāliem.
Tas izraisīja intensīvu bārija titanāta un vēlāk svina cirkonāta titanāta materiālu izpēti un attīstību, kam bija specifiskas īpašības konkrētiem lietojumiem. Nozīmīgs pjezoelektrisko kristālu izmantošanas piemērs tika izstrādāts Bell Telephone Laboratories pēc Otrā pasaules kara.
Frederiks R. Laks, strādājot radiotelefonijas inženieru nodaļā, izstrādāja grieztu kristālu, kas darbojās plašā temperatūru diapazonā. Laka kristālam nebija nepieciešami iepriekšējo kristālu smagie aksesuāri, atvieglojot tā izmantošanu lidmašīnās. Šī attīstība ļāva sabiedroto gaisa spēkiem iesaistīties saskaņotos masu uzbrukumos, izmantojot aviācijas radio.
Pjezoelektrisko ierīču un materiālu izstrāde Amerikas Savienotajās Valstīs ļāva vairākiem uzņēmumiem darboties, un kvarca kristālu izstrāde tika izmantota komerciāli. Kopš tā laika pjezoelektriskie materiāli ir izmantoti dažādos lietojumos, tostarp medicīniskajā attēlveidošanā, ultraskaņas tīrīšanā un citās jomās.
Piedziņas ultraskaņas sprausla
Pjezoelektrība ir elektriskais lādiņš, kas uzkrājas noteiktos cietos materiālos, piemēram, kristālos, keramikā un bioloģiskās vielās, piemēram, kaulos un DNS. Tā ir reakcija uz pielietoto mehānisko spriegumu un ir atvasināta no grieķu vārdiem “piezein”, kas nozīmē “saspiest” vai “presēt”, un “elektron”, kas nozīmē “dzintars”, kas ir sens elektriskā lādiņa avots.
Pjezoelektriskais efekts ir lineāra elektromehāniska mijiedarbība starp kristālisko materiālu mehāniskajiem un elektriskajiem stāvokļiem ar inversijas simetriju. Tas ir atgriezenisks process, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem ir pjezoelektriskais efekts, ir arī reversais pjezoelektriskais efekts, kas ir mehāniskā deformācijas iekšēja ģenerēšana, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā. Piemērs tam ir svina cirkonāta titanāta kristāli, kas rada izmērāmu pjezoelektrību, kad to statiskā struktūra ir deformēta no sākotnējā izmēra. Un otrādi, ja tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, kristāli maina savu statisko izmēru, kā rezultātā rodas apgriezts pjezoelektriskais efekts, kas ir ultraskaņas viļņu veidošanās.
Franču fiziķi Žaks un Pjērs Kirī atklāja pjezoelektrību 1880. gadā, un kopš tā laika tā ir izmantota dažādiem noderīgiem lietojumiem, tostarp skaņas radīšanai un noteikšanai. Pjezoelektrība tiek izmantota arī ikdienā, piemēram, dzirksteļu radīšana, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un sildīšanas ierīcēs, lāpās, cigarešu šķiltavās un citur.
Piroelektrisko efektu, kas ir materiāls, kas ģenerē elektrisko potenciālu, reaģējot uz temperatūras izmaiņām, pētīja Kārlis Linnejs, Francs Epinuss un 18. gadsimta vidū, gūstot zināšanas no Renē Heija un Antuāna Sēzara Bekerela, kuri izvirzīja saistību starp mehānisko spriegumu un. elektriskais lādiņš. Eksperimenti, lai to pierādītu, nebija pārliecinoši.
Pjezo kristāla skats Kirī kompensatorā Hanteriana muzejā Skotijā ir brāļu Pjēra un Žaka Kirī tiešā pjezoelektriskā efekta demonstrācija. Apvienojot viņu zināšanas par piroelektrisko enerģiju un izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām, tika prognozēts piroelektriskums un ļāva viņiem paredzēt kristāla uzvedību. Tas tika pierādīts ar kristālu, piemēram, turmalīna, kvarca, topāza, niedru cukura un Rochelle sāls, iedarbību. Nātrija un kālija tartrāta tetrahidrātam un kvarcam arī bija pjezoelektrība, un pjezoelektriskais disks tika izmantots, lai radītu spriegumu deformācijas laikā. To ļoti pārspīlēja Kirī, lai prognozētu apgriezto pjezoelektrisko efektu, ko matemātiski no termodinamikas pamatprincipiem izsecināja Gabriels Lipmans 1881. gadā.
Curies nekavējoties apstiprināja apgrieztā efekta esamību un turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus par pjezoelektrisko kristālu elektroelasto-mehānisko deformāciju pilnīgu atgriezeniskumu. Gadu desmitiem pjezoelektrība joprojām bija laboratorijas zinātkāre, taču tā bija būtisks instruments polonija un rādija atklāšanā, ko veica Pjērs un Marī Kirī savā darbā, lai izpētītu un definētu kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība. Tas vainagojās ar Voldemāra Foigta grāmatas Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata) publikāciju, kurā aprakstītas dabiskās kristālu klases, kas spēj radīt pjezoelektriskumu, un stingri noteiktas pjezoelektriskās konstantes, izmantojot tenzoru analīzi.
Pjezoelektrisko ierīču praktiskā pielietošana sākās ar sonāru, kas tika izstrādāts Pirmā pasaules kara laikā. Francijā Pols Langevins un viņa kolēģi izstrādāja ultraskaņas zemūdens detektoru. Detektors sastāvēja no devēja, kas izgatavots no plāniem kvarca kristāliem, kas rūpīgi pielīmēts pie tērauda plāksnēm, ko sauc par hidrofonu, lai noteiktu atgriezto atbalsi pēc augstfrekvences impulsa izstarošanas. Izmērot laiku, kas nepieciešams, lai dzirdētu skaņas viļņu atbalsi, kas atsitās pret objektu, viņi varētu aprēķināt objekta attālumu. Šī pjezoelektrības izmantošana sonārā bija veiksmīga, un projekts radīja intensīvu attīstību un interesi par pjezoelektriskajām ierīcēm gadu desmitiem ilgi.
Tika pētīti un izstrādāti jauni pjezoelektriskie materiāli un jauni šo materiālu pielietojumi, un pjezoelektriskās ierīces atrada mājas tādās jomās kā keramiskās fonogrāfa kasetnes, kas vienkāršoja atskaņotāja dizainu un radīja lētākus, precīzākus ierakstu atskaņotājus, kurus bija lētāk uzturēt un vieglāk uzbūvēt. . Ultraskaņas devēju izstrāde ļāva viegli izmērīt šķidrumu un cieto vielu viskozitāti un elastību, kā rezultātā tika panākts milzīgs progress materiālu izpētē. Ultraskaņas laika domēna reflektometri sūta ultraskaņas impulsu caur materiālu un mēra atstarojumus un pārtraukumus, lai atrastu trūkumus lietā metāla un akmens objektos.
Īpaši smalki fokusējoši optiskie mezgli
Pjezoelektrība ir noteiktu materiālu spēja uzkrāt elektrisko lādiņu, ja tie tiek pakļauti mehāniskai slodzei. Tā ir lineāra elektromehāniska mijiedarbība starp kristālisko materiālu elektriskajiem un mehāniskajiem stāvokļiem ar inversijas simetriju. Pjezoelektrība ir atgriezenisks process, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem piemīt pjezoelektriskā enerģija, ir arī reverss pjezoelektriskais efekts, kas ir mehāniska deformācijas iekšēja ģenerēšana, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā.
Pjezoelektrība ir izmantota dažādos pielietojumos, tostarp skaņas ražošanā un noteikšanā, kā arī augstsprieguma elektroenerģijas ražošanā. Pjezoelektrību izmanto arī tintes drukāšanā, pulksteņu ģeneratoros, elektroniskās ierīcēs, mikrosvaros, piedziņas ultraskaņas sprauslās un īpaši smalkas fokusēšanas optiskajos mezglos.
Pjezoelektrību 1880. gadā atklāja franču fiziķi Žaks un Pjērs Kirī. Pjezoelektriskais efekts tiek izmantots noderīgos lietojumos, piemēram, skaņas radīšanā un noteikšanā, kā arī augstsprieguma elektroenerģijas ražošanā. Tiek izmantota arī pjezoelektriskā tintes drukāšana, kā arī pulksteņu ģeneratori, elektroniskās ierīces, mikrobalansi, piedziņas ultraskaņas sprauslas un īpaši smalkas fokusēšanas optiskie mezgli.
Pjezoelektrība ir nonākusi ikdienas lietošanā, piemēram, dzirksteļu radīšanā, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un apkures ierīcēm, lāpām, cigarešu šķiltavām un piroelektriskā efekta materiāliem, kas rada elektrisko potenciālu, reaģējot uz temperatūras izmaiņām. Šo efektu 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs un Francs Epinuss, pamatojoties uz Renē Heija un Antuāna Sēzara Bekerela zināšanām, kuri izvirzīja saistību starp mehānisko spriegumu un elektrisko lādiņu. Eksperimenti izrādījās nepārliecinoši.
Pjezo kristāla skats Kirī kompensatorā Hanteriana muzejā Skotijā ir brāļu Pjēra un Žaka Kirī tiešā pjezoelektriskā efekta demonstrācija. Apvienojumā ar viņu zināšanām par piroelektrību un izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām tie radīja piroelektrības prognozēšanu un spēju paredzēt kristāla uzvedību. Tas tika pierādīts tādu kristālu kā turmalīna, kvarca, topāza, niedru cukura un Rošellas sāls iedarbībā.
Nātrija un kālija tartrāta tetrahidrātam, kā arī kvarcam un Rošelas sālim bija pjezoelektrība, un pjezoelektriskais disks tika izmantots, lai radītu spriegumu deformācijas gadījumā, lai gan formas izmaiņas bija ievērojami pārspīlētas. Kirī pareģoja apgriezto pjezoelektrisko efektu, un pretējo efektu matemātiski izsecināja no termodinamikas pamatprincipiem Gabriels Lipmans 1881. gadā. Kirī pārstāvji nekavējoties apstiprināja apgrieztā efekta esamību un turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus par pilnīgu elektroenerģijas atgriezeniskumu. elasto-mehāniskās deformācijas pjezoelektriskos kristālos.
Gadu desmitiem pjezoelektrība palika kā laboratorijas zinātkāre, līdz tā kļuva par būtisku instrumentu Pjēra un Marijas Kirī atklājumos poloniju un rādiju. Viņu darbs, lai izpētītu un definētu kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība, kulminācija bija Voldemāra Foigta grāmatas Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata) publikācija. Tas aprakstīja dabisko kristālu klases, kas spēj nodrošināt pjezoelektriskumu, un stingri noteica pjezoelektriskās konstantes, izmantojot tenzoru analīzi pjezoelektrisko ierīču praktiskai pielietošanai.
Sonāra izstrāde bija veiksmīgs projekts, kas radīja intensīvu attīstību un interesi par pjezoelektriskajām ierīcēm. Desmitiem vēlāk tika izpētīti un izstrādāti jauni pjezoelektriskie materiāli un jauni šo materiālu pielietojumi. Pjezoelektriskās ierīces atrada mājas dažādās jomās, piemēram, keramiskās fonogrāfa kasetnes, kas vienkāršoja atskaņotāja dizainu un padarīja ierakstu atskaņotājus lētākus un vieglāk uzturējamus un uzbūvējamus. Ultraskaņas devēju izstrāde ļāva viegli izmērīt šķidrumu un cieto vielu viskozitāti un elastību, kā rezultātā tika panākts milzīgs progress materiālu izpētē. Ultraskaņas laika domēna reflektometri sūta ultraskaņas impulsu materiālā un mēra atstarojumus un pārtraukumus, lai atrastu defektus lietā metāla un akmens objektos, uzlabojot konstrukcijas drošību.
Pjezoelektrisko interešu jomas pirmsākumi tika nodrošināti ar ienesīgiem patentiem jauniem materiāliem, kas izstrādāti no kvarca kristāliem, kurus komerciāli izmantoja kā pjezoelektrisko materiālu. Zinātnieki meklēja augstākas veiktspējas materiālus, un, neskatoties uz materiālu sasniegumiem un ražošanas procesu nobriešanu, Amerikas Savienoto Valstu tirgus strauji nepieauga. Turpretim Japānas ražotāji ātri apmainījās ar informāciju, un pretstatā Japānas ražotājiem cieta jauni pieteikumi izaugsmei Amerikas Savienoto Valstu pjezoelektriskajā rūpniecībā.
Pjezoelektriskie motori
Šajā sadaļā es runāšu par to, kā pjezoelektrība tiek izmantota mūsdienu tehnoloģijās. No skenēšanas zondes mikroskopiem, kas spēj izšķirt attēlus atomu mērogā, līdz elektroniski pastiprinātu ģitāru noņēmējiem un mūsdienu elektronisko bungu palaidējiem, pjezoelektrība ir kļuvusi par daudzu ierīču neatņemamu sastāvdaļu. Es izpētīšu pjezoelektrības vēsturi un to, kā tā ir izmantota dažādos lietojumos.
Skenējošās zondes mikroskopu formas
Pjezoelektrība ir elektriskais lādiņš, kas uzkrājas noteiktos cietos materiālos, piemēram, kristālos, keramikā un bioloģiskās vielās, piemēram, kaulos un DNS. Tā ir reakcija uz pielietoto mehānisko spriegumu, un vārds pjezoelektrība cēlies no grieķu vārda πιέζειν (piezein), kas nozīmē “saspiest” vai “prese”, un ἤλεκτρον (ēlektron), kas nozīmē “dzintars”, sens elektriskā lādiņa avots.
Pjezoelektriskie motori ir ierīces, kas izmanto pjezoelektrisko efektu, lai radītu kustību. Šis efekts ir lineāra elektromehāniskā mijiedarbība starp mehāniskajiem un elektriskajiem stāvokļiem kristāliskos materiālos ar inversijas simetriju. Tas ir atgriezenisks process, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem piemīt pjezoelektriskais efekts, ir arī reversais pjezoelektriskais efekts, kas ir mehāniska deformācijas iekšēja ģenerēšana, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā. Materiālu, kas rada izmērāmu pjezoelektrību, piemēri ir svina cirkonāta titanāta kristāli.
Pjezoelektriskais efekts tiek izmantots noderīgos lietojumos, piemēram, skaņas radīšanā un noteikšanā, pjezoelektriskajā tintes drukāšanā, augstsprieguma elektrības ražošanā, pulksteņu ģeneratoros un elektroniskās ierīcēs, piemēram, mikrobalansos un piedziņas ultraskaņas sprauslās īpaši smalku optisko mezglu fokusēšanai. Tas veido arī skenēšanas zondes mikroskopu pamatu, ko izmanto attēlu izšķiršanai atomu mērogā.
Pjezoelektrību 1880. gadā atklāja franču fiziķi Žaks un Pjērs Kirī. Pjezo kristāla un Kirī kompensatora skatu var aplūkot Hantera muzejā Skotijā, kas ir brāļu Pjēra un Žaka Kirī tiešā pjezoelektriskā efekta demonstrācija.
Apvienojot viņu zināšanas par piroelektrisko enerģiju un izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām, tika prognozēta piroelektrība, kas ļāva viņiem paredzēt kristāla uzvedību. To pierādīja tādu kristālu kā turmalīns, kvarcs, topāzs, niedru cukurs un Rošelas sāls iedarbība. Nātrija un kālija tartrāta tetrahidrātam un kvarcam un Rošelas sālim bija pjezoelektrība, un pjezoelektriskais disks tika izmantots, lai radītu spriegumu, kad tas tika deformēts, lai gan Curies to ievērojami pārspīlēja.
Viņi arī paredzēja apgriezto pjezoelektrisko efektu, un to matemātiski no termodinamikas pamatprincipiem izsecināja Gabriels Lipmans 1881. gadā. Kirī grupa nekavējoties apstiprināja apgrieztā efekta esamību un turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus elektroelastības pilnīgai atgriezeniskajai. mehāniskās deformācijas pjezoelektriskos kristālos.
Gadu desmitiem pjezoelektrība palika kā laboratorijas zinātkāre, līdz tā kļuva par būtisku instrumentu Pjēra un Marijas Kirī atklājumos poloniju un rādiju. Viņu darbs, lai izpētītu un definētu pjezoelektriskās kristāla struktūras, sasniedza kulmināciju, publicējot Voldemāra Voigta grāmatu Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata), kurā aprakstītas dabisko kristālu klases, kas spēj radīt pjezoelektriskumu, un precīzi definētas pjezoelektriskās konstantes un tenzora analīze.
Tādējādi tika praktiski izmantotas pjezoelektriskās ierīces, piemēram, hidrolokators, kas tika izstrādāts Pirmā pasaules kara laikā. Francijā Pols Langevins un viņa kolēģi izstrādāja ultraskaņas zemūdens detektoru. Šis detektors sastāvēja no devēja, kas izgatavots no plāniem kvarca kristāliem, kas rūpīgi pielīmēts pie tērauda plāksnēm, un hidrofona, lai noteiktu atgriezto atbalsi pēc augstfrekvences impulsa izstarošanas no devēja. Izmērot laiku, kas nepieciešams, lai dzirdētu skaņas viļņu atbalsi, kas atsitās pret objektu, viņi varēja aprēķināt objekta attālumu. Viņi izmantoja pjezoelektrisko enerģiju, lai šis hidrolokators izdotos, un projekts radīja intensīvu attīstību un interesi par pjezoelektriskajām ierīcēm gadu desmitiem ilgi.
Tika izpētīti un izstrādāti jauni pjezoelektriskie materiāli un jauni šo materiālu pielietojumi, un pjezoelektriskās ierīces atrada mājas daudzās jomās, piemēram, keramiskās fonogrāfa kasetnes, kas vienkāršoja atskaņotāja dizainu un padarīja lētākus un precīzākus ierakstu atskaņotājus, kurus bija lētāk uzturēt un vieglāk uzturēt. uzbūvēt. Ultraskaņas devēju izstrāde ļāva viegli izmērīt šķidrumu un cieto vielu viskozitāti un elastību, kā rezultātā tika panākts milzīgs progress materiālu izpētē. Ultraskaņas laika domēna reflektometri sūta ultraskaņas impulsu materiālā un mēra atstarojumus un pārtraukumus, lai atrastu defektus lietā metāla un akmens objektos, uzlabojot konstrukcijas drošību.
Otrā pasaules kara laikā neatkarīgas pētniecības grupas Amerikas Savienotajās Valstīs
Atrisiniet attēlus atomu mērogā
Pjezoelektrība ir elektriskais lādiņš, kas uzkrājas noteiktos cietos materiālos, piemēram, kristālos, keramikā un bioloģiskās vielās, piemēram, kaulos un DNS. Tā ir reakcija uz pielietoto mehānisko spriegumu, un tā ir atvasināta no grieķu vārda “piezein”, kas nozīmē saspiest vai nospiest. Pjezoelektriskais efekts rodas no lineāras elektromehāniskās mijiedarbības starp mehāniskajiem un elektriskajiem stāvokļiem kristāliskos materiālos ar inversijas simetriju.
Pjezoelektrība ir atgriezenisks process, un materiāliem, kuriem ir pjezoelektriskais efekts, ir arī reversais pjezoelektriskais efekts, kas ir mehāniskā deformācijas iekšēja ģenerēšana, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā. To piemēri ir svina cirkonāta titanāta kristāli, kas rada izmērāmu pjezoelektrību, kad to statiskā struktūra ir deformēta no sākotnējā izmēra. Un otrādi, kristāli maina savu statisko izmēru, kad tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, kas ir pazīstams kā apgrieztais pjezoelektriskais efekts un tiek izmantots ultraskaņas viļņu ražošanā.
Franču fiziķi Žaks un Pjērs Kirī atklāja pjezoelektrību 1880. gadā. Pjezoelektriskais efekts ir izmantots dažādiem noderīgiem lietojumiem, tostarp skaņas radīšanai un noteikšanai, pjezoelektriskajai tintes drukāšanai, augstsprieguma elektroenerģijas ražošanai, pulksteņu ģeneratoriem un elektroniskām ierīcēm, piemēram, mikrobalansi un piedziņas ultraskaņas sprauslas. Tas veido arī skenēšanas zondes mikroskopu pamatu, ko izmanto attēlu izšķiršanai atomu mērogā.
Pjezoelektrība tiek izmantota arī ikdienas lietojumos, piemēram, dzirksteļu radīšanā, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un sildīšanas ierīcēs, lāpās, cigarešu šķiltavās un citur. Piroelektrisko efektu, kas ir materiāls, kas ģenerē elektrisko potenciālu, reaģējot uz temperatūras izmaiņām, 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs un Francs Epinuss. Balstoties uz Renē Haija un Antuāna Sezara Bekerela zināšanām, viņi izvirzīja saistību starp mehānisko spriegumu un elektrisko lādiņu, taču viņu eksperimenti izrādījās nepārliecinoši.
Glāzgovas Hantera muzeja apmeklētāji var apskatīt pjezo kristāla Kirī kompensatoru, kas ir brāļu Pjēra un Žaka Kirī tiešā pjezoelektriskā efekta demonstrācija. Apvienojumā ar viņu zināšanām par piroelektrisko enerģiju un izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām tie radīja piroelektrības prognozēšanu un spēju paredzēt kristāla uzvedību. To pierādīja tādu kristālu kā turmalīns, kvarcs, topāzs, niedru cukurs un Rošelas sāls iedarbība. Nātrija un kālija tartrāta tetrahidrātam un kvarcam un Rošelas sālim bija pjezoelektrība, un pjezoelektriskais disks deformācijas laikā rada spriegumu, lai gan formas izmaiņas ir ievērojami pārspīlētas. Kirī varēja paredzēt apgriezto pjezoelektrisko efektu, un apgriezto efektu matemātiski izsecināja no termodinamikas pamatprincipiem, ko veica Gabriels Lipmans 1881. gadā.
Curies nekavējoties apstiprināja apgrieztā efekta esamību un turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus par pjezoelektrisko kristālu elektroelasto-mehānisko deformāciju pilnīgu atgriezeniskumu. Gadu desmitiem pjezoelektrība joprojām bija laboratorijas zinātkāre, taču tā bija būtisks instruments polonija un rādija atklāšanā, ko veica Pjērs un Marija Kirī. Viņu darbs, lai izpētītu un definētu kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība, kulminācija bija Voldemāra Foigta grāmatas Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata) publikācija.
Elektroniski pastiprinātas ģitāras pikapi
Pjezoelektriskie motori ir elektromotori, kas izmanto pjezoelektrisko efektu, lai pārveidotu elektrisko enerģiju mehāniskajā enerģijā. Pjezoelektriskais efekts ir noteiktu materiālu spēja radīt elektrisko lādiņu, ja tie tiek pakļauti mehāniskai slodzei. Pjezoelektriskie motori tiek izmantoti dažādos lietojumos, sākot no mazu ierīču, piemēram, pulksteņu un pulksteņu, darbināšanas līdz lielāku iekārtu, piemēram, robotu un medicīnas aprīkojuma, darbināšanai.
Pjezoelektriskie motori tiek izmantoti elektroniski pastiprinātu ģitāru pikapos. Šie noņēmēji izmanto pjezoelektrisko efektu, lai pārveidotu ģitāras stīgu vibrācijas elektriskā signālā. Pēc tam šis signāls tiek pastiprināts un nosūtīts uz pastiprinātāju, kas rada ģitāras skaņu. Pjezoelektriskie noņēmēji tiek izmantoti arī mūsdienu elektroniskajās bungās, kur tos izmanto, lai noteiktu bungu galvu vibrācijas un pārvērstu tās elektriskā signālā.
Pjezoelektriskos motorus izmanto arī skenēšanas zondes mikroskopos, kas izmanto pjezoelektrisko efektu, lai pārvietotu nelielu zondi pa virsmu. Tas ļauj mikroskopam izšķirt attēlus atomu mērogā. Pjezoelektriskie motori tiek izmantoti arī tintes printeros, kur tos izmanto, lai pārvietotu drukas galviņu uz priekšu un atpakaļ pa lapu.
Pjezoelektriskie motori tiek izmantoti dažādos citos lietojumos, tostarp medicīnas ierīcēs, automobiļu komponentos un plaša patēriņa elektronikā. Tos izmanto arī rūpnieciskos lietojumos, piemēram, precīzu detaļu ražošanā un sarežģītu komponentu montāžā. Pjezoelektrisko efektu izmanto arī ultraskaņas viļņu ražošanā, ko izmanto medicīniskajā attēlveidošanā un materiālu defektu noteikšanā.
Kopumā pjezoelektriskie motori tiek izmantoti plašā lietojumu klāstā, sākot no mazu ierīču darbināšanas līdz lielāku iekārtu darbināšanai. Tos izmanto elektroniski pastiprinātās ģitāras, modernās elektroniskās bungas, skenēšanas zondes mikroskopos, tintes printeros, medicīnas ierīcēs, automobiļu komponentos un plaša patēriņa elektronikā. Pjezoelektrisko efektu izmanto arī ultraskaņas viļņu ražošanā un materiālu defektu noteikšanā.
Iedarbina modernās elektroniskās bungas
Pjezoelektrība ir elektriskais lādiņš, kas uzkrājas noteiktos cietos materiālos, piemēram, kristālos, keramikā un bioloģiskās vielās, piemēram, kaulos un DNS. Tā ir šo materiālu reakcija uz pielietoto mehānisko spriegumu. Vārds pjezoelektrība ir atvasināts no grieķu vārda “piezein”, kas nozīmē “saspiest vai nospiest”, un vārda “elektron”, kas nozīmē “dzintars”, kas ir sens elektriskā lādiņa avots.
Pjezoelektriskie motori ir ierīces, kas izmanto pjezoelektrisko efektu, lai radītu kustību. Šis efekts izriet no lineāras elektromehāniskās mijiedarbības starp kristālisko materiālu mehāniskajiem un elektriskajiem stāvokļiem ar inversijas simetriju. Tas ir atgriezenisks process, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem ir pjezoelektriskais efekts, ir arī reversais pjezoelektriskais efekts, kas ir mehāniskā deformācijas iekšēja ģenerēšana, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā. Piemērs tam ir svina cirkonāta titanāta kristāli, kas rada izmērāmu pjezoelektrību, kad to statiskā struktūra ir deformēta no sākotnējā izmēra. Un otrādi, kad tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, kristāli maina savu statisko izmēru, radot ultraskaņas viļņus.
Pjezoelektriskie motori tiek izmantoti dažādos ikdienas lietojumos, piemēram:
• Rada dzirksteles, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un apkures ierīcēs
• Lāpas, cigarešu šķiltavas un piroelektriskā efekta materiāli
• Elektriskā potenciāla ģenerēšana, reaģējot uz temperatūras izmaiņām
• Skaņas radīšana un noteikšana
• Pjezoelektriskā tintes druka
• Augstsprieguma elektroenerģijas ražošana
• Pulksteņu ģenerators un elektroniskās ierīces
• Mikrobalansi
• Piedzīt ultraskaņas sprauslas un īpaši smalkas fokusēšanas optiskos mezglus
• Veido skenēšanas zondes mikroskopu pamatu
• Atrisiniet attēlus atomu mērogā
• Elektroniski pastiprinātas ģitāras pikapi
• Iedarbina modernās elektroniskās bungas.
Pjezoelektrisko devēju elektromehāniskā modelēšana
Šajā sadaļā es izpētīšu pjezoelektrisko devēju elektromehānisko modelēšanu. Es aplūkošu pjezoelektriskās enerģijas atklāšanas vēsturi, eksperimentus, kas pierādīja tās esamību, un pjezoelektrisko ierīču un materiālu attīstību. Es apspriedīšu arī franču fiziķu Pjēra un Žaka Kirī, Kārļa Linneja un Franča Epinusa, Renē Hauja un Antuāna Sēzara Bekerela, Gabriela Lipmana un Voldemāra Foigta ieguldījumu.
Franču fiziķi Pjērs un Žaks Kirī
Pjezoelektrība ir elektromehāniska parādība, kurā elektriskais lādiņš uzkrājas noteiktos cietos materiālos, piemēram, kristālos, keramikā un bioloģiskās vielās, piemēram, kaulos un DNS. Šis lādiņš rodas, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Vārds "pjezoelektrība" ir cēlies no grieķu vārda "piezein", kas nozīmē "saspiest vai nospiest", un "elektron", kas nozīmē "dzintars", sens elektriskā lādiņa avots.
Pjezoelektriskais efekts rodas no lineāras elektromehāniskas mijiedarbības starp mehāniskiem un elektriskiem stāvokļiem materiālos ar inversijas simetriju. Šis efekts ir atgriezenisks, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem ir pjezoelektriskais efekts, ir arī reversais pjezoelektriskais efekts, kur, reaģējot uz pielietoto elektrisko lauku, tiek radīta iekšējā mehāniskā deformācija. Piemēram, svina cirkonāta titanāta kristāli rada izmērāmu pjezoelektrību, kad to statiskā struktūra ir deformēta no sākotnējā izmēra. Un otrādi, ja tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, kristāli maina savu statisko izmēru, radot ultraskaņas viļņus procesā, ko sauc par apgriezto pjezoelektrisko efektu.
1880. gadā franču fiziķi Pjērs un Žaks Kirī atklāja pjezoelektrisko efektu, un kopš tā laika tas ir izmantots dažādiem noderīgiem lietojumiem, tostarp skaņas radīšanai un noteikšanai, pjezoelektriskajai tintes drukāšanai, augstsprieguma elektroenerģijas ražošanai, pulksteņu ģeneratoriem un elektroniskām ierīcēm. ierīces, piemēram, mikrobalansi un piedziņas ultraskaņas sprauslas īpaši smalkas fokusēšanas optiskajiem mezgliem. Tas arī veido pamatu skenēšanas zondes mikroskopiem, kas var izšķirt attēlus atomu mērogā. Pjezoelektrība tiek izmantota arī elektroniski pastiprinātu ģitāru noņēmējos un moderno elektronisko bungu trigeros.
Pjezoelektrība tiek izmantota arī ikdienā, piemēram, dzirksteļu radīšana, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un sildīšanas ierīcēs, lāpās, cigarešu šķiltavās un citur. Piroelektrisko efektu, kad materiāls rada elektrisko potenciālu, reaģējot uz temperatūras izmaiņām, 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs un Francs Epinuss, pamatojoties uz Renē Hauja un Antuāna Sēzara Bekerela zināšanām, kuri izvirzīja attiecības starp mehāniskais spriegums un elektriskais lādiņš, lai gan viņu eksperimenti izrādījās nepārliecinoši.
Apvienojot savas zināšanas par piroelektrisko enerģiju ar izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām, Kirī varēja paredzēt piroelektriskumu un paredzēt kristālu uzvedību. Tas tika pierādīts tādu kristālu kā turmalīna, kvarca, topāza, niedru cukura un Rošellas sāls iedarbībā. Nātrija kālija tartrāta tetrahidrātam un kvarcam arī bija pjezoelektrība. Pjezoelektriskais disks deformējot ģenerē spriegumu, lai gan Curies demonstrācijā tas ir ievērojami pārspīlēts. Viņi arī spēja paredzēt apgriezto pjezoelektrisko efektu un matemātiski to secināt no Gabriela Lipmana 1881. gadā izstrādātajiem termodinamikas pamatprincipiem.
Curies nekavējoties apstiprināja apgrieztā efekta esamību un turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus par pjezoelektrisko kristālu elektroelasto-mehānisko deformāciju pilnīgu atgriezeniskumu. Nākamajās desmitgadēs pjezoelektrība joprojām bija laboratorijas zinātkāre, līdz tā kļuva par būtisku instrumentu Pjēra un Marijas Kirī atklājumā poloniju un rādiju. Viņu darbs, lai izpētītu un definētu kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība, kulminācija bija Voldemāra Foigta “Lehrbuch der Kristallphysik” (kristālu fizikas mācību grāmata).
Eksperimenti izrādījās nepārliecinoši
Pjezoelektrība ir elektromehāniska parādība, kurā elektriskais lādiņš uzkrājas noteiktos cietos materiālos, piemēram, kristālos, keramikā un bioloģiskās vielās, piemēram, kaulos un DNS. Tā ir reakcija uz pielietoto mehānisko spriegumu, un vārds "pjezoelektrība" ir atvasināts no grieķu vārdiem "piezein", kas nozīmē "saspiest vai nospiest", un "ēlektron", kas nozīmē "dzintars", sens elektriskā lādiņa avots.
Pjezoelektriskais efekts rodas lineāras elektromehāniskās mijiedarbības rezultātā starp kristālisko materiālu mehāniskajiem un elektriskajiem stāvokļiem ar inversijas simetriju. Tas ir atgriezenisks process; materiāliem, kuriem ir pjezoelektriskais efekts, ir arī reversais pjezoelektriskais efekts, kas ir mehāniska deformācijas iekšēja ģenerēšana, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā. Piemēram, svina cirkonāta titanāta kristāli rada izmērāmu pjezoelektrību, kad to statiskā struktūra ir deformēta no sākotnējā izmēra. Un otrādi, kristāli var mainīt savu statisko izmēru, kad tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, kas pazīstams kā apgrieztais pjezoelektriskais efekts, ko izmanto ultraskaņas viļņu ražošanā.
Franču fiziķi Pjērs un Žaks Kirī atklāja pjezoelektrību 1880. gadā. Kopš tā laika tā ir izmantota dažādiem noderīgiem lietojumiem, tostarp skaņas radīšanai un noteikšanai, pjezoelektriskajai tintes drukāšanai, augstsprieguma elektroenerģijas ražošanai, pulksteņu ģeneratoriem un elektroniskām ierīcēm, piemēram, mikrobalansiem. , piedziņas ultraskaņas sprauslas un īpaši smalki fokusējoši optiskie mezgli. Tas arī veido pamatu skenēšanas zondes mikroskopiem, kas var izšķirt attēlus atomu mērogā. Pjezoelektrība tiek izmantota arī elektroniski pastiprinātu ģitāru noņēmējos un mūsdienu elektronisko bungu palaidējus.
Pjezoelektrība tiek izmantota ikdienā, lai radītu dzirksteles, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un apkures ierīcēs, lāpās, cigarešu šķiltavās un citur. Piroelektrisko efektu, kurā materiāls ģenerē elektrisko potenciālu, reaģējot uz temperatūras izmaiņām, 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs un Francs Epinuss, pamatojoties uz Renē Hauja un Antuāna Sēzara Bekerela zināšanām, kuri izvirzīja attiecības. starp mehānisko spriegumu un elektrisko lādiņu. Eksperimenti izrādījās nepārliecinoši.
Apvienotās zināšanas par piroelektrisko enerģiju un izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām ļāva prognozēt piroelektriskumu un spēju paredzēt kristālu uzvedību. Tas tika pierādīts tādu kristālu kā turmalīna, kvarca, topāza, niedru cukura un Rošellas sāls iedarbībā. Nātrija kālija tartrāta tetrahidrātam un kvarcam arī bija pjezoelektrība, un pjezoelektriskais disks tika izmantots, lai radītu spriegumu deformācijas gadījumā. Tas bija ievērojami pārspīlēts, Curies demonstrējot tiešo pjezoelektrisko efektu.
Brāļi Pjērs un Žaks Kirī paredzēja apgriezto pjezoelektrisko efektu, un apgriezto efektu no termodinamikas pamatprincipiem matemātiski izsecināja Gabriels Lipmans 1881. gadā. Kirī uzreiz apstiprināja apgrieztā efekta esamību un turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus pilnīgam. elektroelasto-mehānisko deformāciju atgriezeniskums pjezoelektriskos kristālos.
Gadu desmitiem pjezoelektrība joprojām bija laboratorijas zinātkāre, taču tā bija būtisks instruments polonija un rādija atklāšanā, ko veica Pjērs un Marija Kirī. Viņu darbs, lai izpētītu un definētu kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība, kulminācija bija Voldemāra Foigta grāmatas Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata) publikācija. Tas aprakstīja dabiskās kristālu klases, kas spēj nodrošināt pjezoelektriskumu, un stingri noteica pjezoelektriskās konstantes, izmantojot tenzora analīzi. Šis bija pirmais pjezoelektrisko devēju praktiskais pielietojums, un sonārs tika izstrādāts Pirmā pasaules kara laikā. Francijā Pols Langevins un viņa kolēģi izstrādāja ultraskaņas zemūdens detektoru.
Kārlis Linnejs un Francs Epinuss
Pjezoelektrība ir elektromehāniska parādība, kurā elektriskais lādiņš uzkrājas noteiktos cietos materiālos, piemēram, kristālos, keramikā un bioloģiskās vielās, piemēram, kaulos un DNS. Šis lādiņš rodas, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Vārds pjezoelektrība cēlies no grieķu vārdiem πιέζειν (piezein), kas nozīmē “saspiest vai nospiest”, un ἤλεκτρον (ēlektron), kas nozīmē “dzintars”, sens elektriskā lādiņa avots.
Pjezoelektriskais efekts rodas lineāras elektromehāniskas mijiedarbības rezultātā starp kristālisko materiālu mehāniskajiem un elektriskajiem stāvokļiem ar inversijas simetriju. Šis efekts ir atgriezenisks, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem piemīt pjezoelektriskā enerģija, ir arī reversais pjezoelektriskais efekts, kas ir mehāniska deformācijas iekšēja ģenerēšana, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā. Piemēram, svina cirkonāta titanāta kristāli rada izmērāmu pjezoelektrību, kad to statiskā struktūra ir deformēta no sākotnējā izmēra. Un otrādi, kristāli var mainīt savu statisko izmēru, kad tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, kas ir pazīstams kā apgrieztais pjezoelektriskais efekts un tiek izmantots ultraskaņas viļņu ražošanā.
1880. gadā franču fiziķi Žaks un Pjērs Kirī atklāja pjezoelektrisko efektu, un kopš tā laika tas ir izmantots daudzos noderīgos lietojumos, tostarp skaņas radīšanā un noteikšanā, pjezoelektriskajā tintes drukāšanā, augstsprieguma elektroenerģijas ražošanā, pulksteņu ģeneratoros, elektroniskās ierīcēs, mikrobalansos. , piedziņas ultraskaņas sprauslas un īpaši smalki fokusējoši optiskie mezgli. Tas arī veido pamatu skenēšanas zondes mikroskopiem, kurus izmanto, lai izšķirtu attēlus atomu mērogā. Pjezoelektrība tiek izmantota arī elektroniski pastiprinātu ģitāru noņēmējos un moderno elektronisko bungu trigeros.
Pjezoelektrība ir sastopama arī ikdienas lietojumos, piemēram, dzirksteļu radīšana, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un sildīšanas ierīcēs, lāpas, cigarešu šķiltavas, kā arī piroelektriskais efekts, proti, materiāls ģenerē elektrisko potenciālu, reaģējot uz temperatūras izmaiņām. Šo efektu 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs un Francs Epinuss, pamatojoties uz Renē Hauja un Antuāna Sezara Bekerela zināšanām, kuri izvirzīja saistību starp mehānisko spriegumu un elektrisko lādiņu, lai gan viņu eksperimenti izrādījās nepārliecinoši.
Pjezo kristāla skats Kirī kompensatorā Hantera muzejā Skotijā ir brāļu Pjēra un Žaka Kirī tiešā pjezoelektriskā efekta demonstrācija. Apvienojot viņu zināšanas par piroelektrisko enerģiju ar izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām, tika prognozēta piroelektrība un spēja paredzēt kristāla uzvedību. To pierādīja tādu kristālu kā turmalīns, kvarcs, topāzs, niedru cukurs un Rošelas sāls iedarbība. Nātrija kālija tartrāta tetrahidrāts un kvarcs no Rochelle sāls uzrādīja pjezoelektriskumu, un pjezoelektriskais disks deformējot ģenerē spriegumu, lai gan Kirī demonstrācijā tas ir ievērojami pārspīlēts.
Apgrieztā pjezoelektriskā efekta prognozi un tā matemātisko dedukciju no termodinamiskajiem fundamentālajiem principiem veica Gabriels Lipmans 1881. gadā. Kirī grupa nekavējoties apstiprināja apgrieztā efekta esamību un turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus elektroelastības pilnīgai atgriezeniskajai. mehāniskās deformācijas pjezoelektriskos kristālos. Gadu desmitiem pjezoelektrība joprojām bija laboratorijas zinātkāre, līdz tā kļuva par būtisku līdzekli polonija un rādija atklāšanā, ko veica Pjērs un Marija Kirī, kuri to izmantoja, lai izpētītu un definētu kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība. Tas vainagojās ar Voldemāra Foigta grāmatas Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata) publikāciju, kurā aprakstītas dabiskās kristālu klases, kas spēj radīt pjezoelektriskumu, un stingri noteiktas pjezoelektriskās konstantes, izmantojot tenzoru analīzi.
Šī pjezoelektrisko devēju praktiskā pielietojuma rezultātā Pirmā pasaules kara laikā tika izstrādāts hidrolokators. Francijā Pols Langevins un viņa kolēģi izstrādāja ultraskaņas zemūdens detektoru. Detektors sastāvēja no devēja, kas izgatavots no plāniem kvarca kristāliem, kas rūpīgi pielīmēts pie tērauda plāksnēm, un hidrofona, lai noteiktu atgriezto atbalsi pēc augstfrekvences impulsa izstarošanas no devēja. Izmērot laiku, kas nepieciešams, lai dzirdētu skaņas viļņu atbalsi, kas atsitās pret objektu, viņi varēja aprēķināt objekta attālumu. Viņi izmantoja pjezoelektrisko enerģiju, lai šis hidrolokators izdotos, un projekts radīja intensīvu attīstību un interesi par pjezoelektriskajām ierīcēm.
Renē Haujs un Antuāns Sezars Bekerels
Pjezoelektrība ir elektromehāniska parādība, kas rodas, kad daži cietie materiāli, piemēram, kristāli, keramika un bioloģiskas vielas, piemēram, kauls un DNS, uzkrāj elektrisko lādiņu, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Pjezoelektrība ir atvasināta no grieķu vārda "piezein", kas nozīmē "saspiest vai nospiest", un "elektron", kas nozīmē "dzintars", sens elektriskā lādiņa avots.
Pjezoelektriskais efekts rodas no lineāras elektromehāniskas mijiedarbības starp mehāniskiem un elektriskiem stāvokļiem kristāliskos materiālos ar inversijas simetriju. Šis efekts ir atgriezenisks, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem piemīt pjezoelektriskais efekts, ir arī apgriezts pjezoelektriskais efekts jeb iekšēja mehāniska deformācija, kas rodas pielietota elektriskā lauka rezultātā. Piemēram, svina cirkonāta titanāta kristāli rada izmērāmu pjezoelektrību, kad to statiskā struktūra ir deformēta no sākotnējā izmēra. Un otrādi, kristāli var mainīt savu statisko izmēru, kad tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, izraisot apgrieztu pjezoelektrisko efektu un ultraskaņas viļņu veidošanos.
Franču fiziķi Pjērs un Žaks Kirī atklāja pjezoelektrisko efektu 1880. gadā. Šis efekts ir izmantots dažādiem noderīgiem lietojumiem, tostarp skaņas radīšanai un noteikšanai, pjezoelektriskajai tintes drukāšanai, augstsprieguma elektroenerģijas ražošanai, pulksteņu ģeneratoriem un elektroniskām ierīcēm. piemēram, mikrosvarus, piedziņas ultraskaņas sprauslas un īpaši smalkas fokusēšanas optiskos mezglus. Tas arī veido pamatu skenēšanas zondes mikroskopiem, kas var izšķirt attēlus atomu mērogā. Pjezoelektrība tiek izmantota arī elektroniski pastiprinātu ģitāru noņēmējos un mūsdienu elektronisko bungu palaidējus.
Pirmo reizi pjezoelektrisko efektu 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs un Franss Epinuss, pamatojoties uz Renē Hauja un Antuāna Sezara Bekerela zināšanām, kuri izvirzīja saistību starp mehānisko spriegumu un elektrisko lādiņu. Tomēr eksperimenti izrādījās nepārliecinoši. Apvienojumā ar zināšanām par piroelektrisko enerģiju un izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām tas radīja piroelektrības prognozēšanu un spēju paredzēt kristāla uzvedību. Tas tika pierādīts tādu kristālu kā turmalīna, kvarca, topāza, niedru cukura un Rošellas sāls iedarbībā. Nātrija kālija tartrāta tetrahidrātam un kvarcam arī bija pjezoelektrība, un pjezoelektriskais disks tika izmantots, lai radītu spriegumu deformācijas gadījumā. Šis efekts tika ievērojami pārspīlēts Kirī demonstrācijā Skotijas muzejā, kas parādīja tiešu pjezoelektrisko efektu.
Brāļi Pjērs un Žaks Kirī turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus par pjezoelektrisko kristālu elektro-elasto-mehānisko deformāciju pilnīgu atgriezeniskumu. Gadu desmitiem pjezoelektrība palika kā laboratorijas zinātkāre, līdz tā kļuva par būtisku instrumentu Pjēra un Marijas Kirī atklājumā poloniju un rādiju. Šajā darbā tika pētītas un definētas kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība, un tā kulminācija bija Voldemāra Voigta Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata) publikācija.
Curies nekavējoties apstiprināja apgrieztā efekta esamību un turpināja matemātiski secināt apgrieztā efekta termodinamiskos pamatprincipus. To 1881. gadā izdarīja Gabriels Lipmans. Pēc tam Pirmā pasaules kara laikā pjezoelektrību izmantoja hidrolokatoru izstrādei. Francijā Pols Langevins un viņa kolēģi izstrādāja ultraskaņas zemūdenes detektoru. Šis detektors sastāvēja no devēja, kas izgatavots no plāniem kvarca kristāliem, kas rūpīgi pielīmēts pie tērauda plāksnēm, un hidrofona, lai noteiktu atgriezto atbalsi. Izstarojot augstfrekvences impulsu no devēja un izmērot laiku, kas nepieciešams, lai sadzirdētu skaņas viļņu atbalsi, kas atsitās pret objektu, viņi varētu aprēķināt attālumu līdz objektam.
Pēc Otrā pasaules kara pjezoelektrisko kristālu izmantošanu tālāk attīstīja Bell Telephone Laboratories. Frederiks R. Laks, strādājot radiotelefonijas inženieru nodaļā, izstrādāja grieztu kristālu, kas varētu darboties plašā temperatūru diapazonā. Laka kristālam nebija nepieciešami iepriekšējo kristālu smagie aksesuāri, atvieglojot tā izmantošanu lidmašīnās. Šī attīstība ļāva sabiedroto gaisa spēkiem iesaistīties saskaņotos masu uzbrukumos, izmantojot aviācijas radio. Pjezoelektrisko ierīču un materiālu attīstība Amerikas Savienotajās Valstīs neļāva uzņēmumiem attīstīt kara laiku šajā jomā, un radās intereses iegūt ienesīgus patentus jauniem materiāliem. Kvarca kristāli tika komerciāli izmantoti kā pjezoelektrisks materiāls, un zinātnieki meklēja materiālus ar augstāku veiktspēju. Neskatoties uz sasniegumiem materiālu un ražošanas procesu nobriešanas jomā, ASV
Gabriels Lipmans
Pjezoelektrība ir elektromehāniska parādība, kurā elektriskais lādiņš uzkrājas noteiktos cietos materiālos, piemēram, kristālos, keramikā un bioloģiskās vielās, piemēram, kaulos un DNS. Tas ir mehānisko un elektrisko stāvokļu mijiedarbības rezultāts materiālos ar inversijas simetriju. Pirmo reizi pjezoelektrību atklāja franču fiziķi Pjērs un Žaks Kirī 1880. gadā.
Pjezoelektrība ir izmantota dažādiem noderīgiem lietojumiem, tostarp skaņas radīšanai un noteikšanai, pjezoelektriskajai tintes drukāšanai un augstsprieguma elektroenerģijas ražošanai. Pjezoelektrība ir atvasināta no grieķu vārdiem πιέζειν (piezein), kas nozīmē “saspiest vai nospiest”, un ἤλεκτρον (ēlektron), kas nozīmē “dzintars”, sens elektriskā lādiņa avots.
Pjezoelektriskais efekts ir atgriezenisks, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem piemīt pjezoelektrība, ir arī apgriezts pjezoelektriskais efekts, kurā iekšējā mehāniskā deformācija rodas elektriskā lauka pielietošanas rezultātā. Piemēram, svina cirkonāta titanāta kristāli rada izmērāmu pjezoelektrību, kad to statiskā struktūra ir deformēta no sākotnējā izmēra. Un otrādi, kristāli var mainīt savu statisko izmēru, kad tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, kas pazīstams kā apgrieztais pjezoelektriskais efekts. Šo procesu var izmantot ultraskaņas viļņu radīšanai.
Pjezoelektriskais efekts ir pētīts kopš 18. gadsimta vidus, kad Kārlis Linnejs un Francs Epinuss, pamatojoties uz Renē Hauja un Antuāna Sēzara Bekerela zināšanām, izvirzīja saistību starp mehānisko spriegumu un elektrisko lādiņu. Tomēr eksperimenti izrādījās nepārliecinoši. Pētnieki varēja paredzēt kristāla uzvedību tikai tad, kad apvienotās zināšanas par piroelektrisko enerģiju un izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām radīja piroelektrības prognozi. To pierādīja tādu kristālu kā turmalīns, kvarcs, topāzs, niedru cukurs un Rošelas sāls iedarbība.
Gabriels Lipmans 1881. gadā matemātiski secināja apgrieztā pjezoelektriskā efekta termodinamiskos pamatprincipus. Curies nekavējoties apstiprināja apgrieztā efekta esamību un turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus par pjezoelektrisko kristālu elektroelasto-mehānisko deformāciju pilnīgu atgriezeniskumu.
Gadu desmitiem pjezoelektrība palika kā laboratorijas zinātkāre, līdz tā kļuva par būtisku instrumentu Pjēra un Marijas Kirī atklājumos poloniju un rādiju. Viņu darbs, lai izpētītu un definētu kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība, kulminācija bija Voldemāra Foigta grāmatas Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata) publikācija. Tas aprakstīja dabiskās kristālu klases, kas spēj nodrošināt pjezoelektriskumu, un stingri noteica pjezoelektriskās konstantes ar tenzora analīzi.
Pjezoelektrisko ierīču praktiskā pielietošana sākās ar hidrolokatoru izstrādi Pirmā pasaules kara laikā. Pols Langevins un viņa kolēģi izstrādāja ultraskaņas zemūdenes detektoru. Šis detektors sastāvēja no devēja, kas izgatavots no plāniem kvarca kristāliem, kas rūpīgi pielīmēts pie tērauda plāksnēm, un hidrofona, lai noteiktu atgriezto atbalsi. Izstarojot augstfrekvences impulsu no devēja un izmērot laiku, kas nepieciešams, lai sadzirdētu skaņas viļņu atbalsi, kas atsitās pret objektu, viņi varēja aprēķināt attālumu līdz objektam. Šī pjezoelektrības izmantošana hidrolokatoriem bija veiksmīga, un projekts radīja intensīvu interesi par pjezoelektrisko ierīču attīstību. Gadu desmitiem tika pētīti un izstrādāti jauni pjezoelektriskie materiāli un jauni šo materiālu pielietojumi. Pjezoelektriskās ierīces atrada mājas dažādās jomās, sākot no keramikas fonogrāfa kasetnēm, kas vienkāršoja atskaņotāja dizainu un padarīja lētus, precīzus ierakstu atskaņotājus lētāku uzturēšanu un vieglāku uzbūvi, līdz ultraskaņas devēju izstrādei, kas ļāva viegli izmērīt šķidrumu viskozitāti un elastību. un cietās vielas, kā rezultātā ir gūti milzīgi sasniegumi materiālu izpētē. Ultraskaņas laika domēna reflektometri sūta ultraskaņas impulsu materiālā un mēra atstarojumus un pārtraukumus, lai atrastu defektus lietā metāla un akmens objektos, uzlabojot konstrukcijas drošību.
Pēc Otrā pasaules kara neatkarīgas pētnieku grupas Amerikas Savienotajās Valstīs, Krievijā un Japānā atklāja jaunu sintētisko materiālu klasi, ko sauc par feroelektriskiem materiāliem, kuru pjezoelektriskās konstantes bija līdz pat desmit reizēm lielākas nekā dabiskajiem materiāliem. Tas noveda pie intensīviem pētījumiem, lai izstrādātu bārija titanātu un vēlāk svina cirkonāta titanātu, materiālus ar īpašām īpašībām īpašiem lietojumiem. Tika izstrādāts nozīmīgs pjezoelektrisko kristālu izmantošanas piemērs
Voldemārs Voigts
Pjezoelektrība ir elektromehāniska parādība, kurā elektriskais lādiņš uzkrājas noteiktos cietos materiālos, piemēram, kristālos, keramikā un bioloģiskās vielās, piemēram, kaulos un DNS. Šis lādiņš rodas, reaģējot uz pielietoto mehānisko spriegumu. Vārds pjezoelektrība ir atvasināts no grieķu vārda “piezein”, kas nozīmē “saspiest vai nospiest”, un “elektron”, kas nozīmē “dzintars”, kas ir sens elektriskā lādiņa avots.
Pjezoelektriskais efekts rodas lineāras elektromehāniskas mijiedarbības rezultātā starp kristālisko materiālu mehāniskajiem un elektriskajiem stāvokļiem ar inversijas simetriju. Šis efekts ir atgriezenisks, kas nozīmē, ka materiāliem, kuriem piemīt pjezoelektriskā enerģija, ir arī apgriezts pjezoelektriskais efekts, ja mehāniskā spriedze rodas no pielietotā elektriskā lauka. Piemēram, svina cirkonāta titanāta kristāli rada izmērāmu pjezoelektrību, kad to statiskā struktūra ir deformēta no sākotnējā izmēra. Un otrādi, kristāli var mainīt savu statisko izmēru, kad tiek pielietots ārējs elektriskais lauks, parādība, kas pazīstama kā apgrieztais pjezoelektriskais efekts, ko izmanto ultraskaņas viļņu ražošanā.
Franču fiziķi Pjērs un Žaks Kirī atklāja pjezoelektrību 1880. gadā. Kopš tā laika pjezoelektriskais efekts ir izmantots dažādiem noderīgiem lietojumiem, tostarp skaņas radīšanai un noteikšanai, pjezoelektriskajai tintes drukāšanai, augstsprieguma elektroenerģijas ražošanai, pulksteņu ģeneratoriem un elektroniskām ierīcēm. piemēram, mikrobalansi un piedziņas ultraskaņas sprauslas īpaši smalkai optisko mezglu fokusēšanai. Tas arī veido pamatu skenēšanas zondes mikroskopiem, kas var izšķirt attēlus atomu mērogā. Turklāt elektroniski pastiprināto ģitāru noņēmēji un mūsdienu elektronisko bungu trigeri izmanto pjezoelektrisko efektu.
Pjezoelektrība tiek izmantota arī ikdienā, lai radītu dzirksteles, lai aizdedzinātu gāzi ēdiena gatavošanas un apkures ierīcēs, lāpās, cigarešu šķiltavās un citur. Piroelektrisko efektu, kad materiāls ģenerē elektrisko potenciālu, reaģējot uz temperatūras izmaiņām, 18. gadsimta vidū pētīja Kārlis Linnejs un Francs Epinuss, pamatojoties uz Renē Hauja un Antuāna Sēzara Bekerela zināšanām, kuri izvirzīja saistību starp mehānisko. stress un elektriskais lādiņš. Eksperimenti, lai pierādītu šīs attiecības, izrādījās nepārliecinoši.
Pjezo kristāla skats Kirī kompensatorā Hantera muzejā Skotijā ir brāļu Pjēra un Žaka Kirī tiešā pjezoelektriskā efekta demonstrācija. Apvienojot savas zināšanas par piroelektrisko enerģiju ar izpratni par pamatā esošajām kristāla struktūrām, tika prognozēta piroelektrība, kas ļāva viņiem paredzēt kristālu uzvedību, ko viņi demonstrēja tādu kristālu kā turmalīna, kvarca, topāza, niedru cukura un Rošella sāls ietekmē. . Nātrija un kālija tartrāta tetrahidrātam un kvarcam arī bija pjezoelektrība, un pjezoelektriskais disks tika izmantots, lai radītu spriegumu deformācijas laikā. Šīs formas izmaiņas tika ievērojami pārspīlētas Kirī demonstrācijā, un viņi turpināja prognozēt apgriezto pjezoelektrisko efektu. Apgriezto efektu no termodinamikas pamatprincipiem matemātiski secināja Gabriels Lipmans 1881. gadā.
Curies nekavējoties apstiprināja apgrieztā efekta esamību un turpināja iegūt kvantitatīvus pierādījumus par pjezoelektrisko kristālu elektroelasto-mehānisko deformāciju pilnīgu atgriezeniskumu. Nākamajās desmitgadēs pjezoelektrība joprojām bija laboratorijas zinātkāre, līdz tā kļuva par būtisku līdzekli polonija un rādija atklāšanā, ko veica Pjērs Marī Kirī, kurš to izmantoja, lai izpētītu un definētu kristāla struktūras, kurās bija pjezoelektrība. Tas vainagojās ar Voldemāra Foigta grāmatas Lehrbuch der Kristallphysik (kristālu fizikas mācību grāmata) publikāciju, kurā aprakstītas dabiskās kristālu klases, kas spēj radīt pjezoelektriskumu, un stingri noteiktas pjezoelektriskās konstantes, izmantojot tenzoru analīzi.
Tādējādi tika praktiski izmantotas pjezoelektriskās ierīces, piemēram, hidrolokators, kas tika izstrādāts Pirmā pasaules kara laikā. Francijā Pols Langevins un viņa kolēģi izstrādāja ultraskaņas zemūdens detektoru. Šis detektors sastāvēja no devēja, kas izgatavots no plāniem kvarca kristāliem, kas rūpīgi pielīmēts pie tērauda plāksnēm, un hidrofona, lai noteiktu atgriezto atbalsi pēc augstfrekvences impulsa izstarošanas no devēja. Izmērot laiku, kas nepieciešams, lai dzirdētu skaņas viļņu atbalsi, kas atsitās pret objektu, viņi varētu aprēķināt attālumu līdz objektam. Viņi izmantoja pjezoelektrību, lai šis hidrolokators izdotos, un projekts radīja intensīvu attīstību un interesi.
Svarīgas attiecības
- Pjezoelektriskie izpildmehānismi: Pjezoelektriskie izpildmehānismi ir ierīces, kas pārvērš elektrisko enerģiju mehāniskā kustībā. Tos parasti izmanto robotikā, medicīnas ierīcēs un citās lietojumprogrammās, kur nepieciešama precīza kustības vadība.
- Pjezoelektriskie sensori: pjezoelektriskos sensorus izmanto, lai izmērītu fiziskos parametrus, piemēram, spiedienu, paātrinājumu un vibrāciju. Tos bieži izmanto rūpniecībā un medicīnā, kā arī plaša patēriņa elektronikā.
- Pjezoelektrība dabā: pjezoelektrība ir dabiski sastopama parādība noteiktos materiālos, un tā ir sastopama daudzos dzīvos organismos. Daži organismi to izmanto, lai sajustu savu vidi un sazinātos ar citiem organismiem.
Secinājumi
Pjezoelektrība ir pārsteidzoša parādība, kas ir izmantota dažādās lietojumprogrammās, sākot no sonāra līdz pat fonogrāfa kasetnēm. Tas ir pētīts kopš 1800. gadu vidus un ir lieliski izmantots mūsdienu tehnoloģiju attīstībā. Šajā emuāra ziņojumā ir izpētīta pjezoelektrības vēsture un izmantošanas veidi, kā arī uzsvērta šīs parādības nozīme mūsdienu tehnoloģiju attīstībā. Tiem, kas vēlas uzzināt vairāk par pjezoelektrību, šī ziņa ir lielisks sākumpunkts.
Es esmu Joosts Nuselders, Neaera dibinātājs un satura mārketinga speciālists, tētis, un man patīk izmēģināt jaunu aprīkojumu ar ģitāru, un es kopā ar savu komandu veidoju padziļinātus emuāra rakstus kopš 2020. gada. lai palīdzētu lojālajiem lasītājiem ar ierakstīšanas un ģitāras padomiem.
