Piëzo-elektriciteit is het vermogen van bepaalde materialen om elektriciteit op te wekken wanneer ze worden blootgesteld aan mechanische belasting en vice versa. Het woord komt van het Griekse piëzo dat druk en elektriciteit betekent. Het werd voor het eerst ontdekt in 1880, maar het concept is al lang bekend.
Het bekendste voorbeeld van piëzo-elektriciteit is kwarts, maar ook veel andere materialen vertonen dit fenomeen. Het meest gebruikelijke gebruik van piëzo-elektriciteit is de productie van ultrageluid.
In dit artikel zal ik bespreken wat piëzo-elektriciteit is, hoe het werkt en enkele van de vele praktische toepassingen van dit verbazingwekkende fenomeen.
Wat is piëzo-elektriciteit?
Piëzo-elektriciteit is het vermogen van bepaalde materialen om een elektrische lading te genereren als reactie op toegepaste mechanische spanning. Het is een lineaire elektromechanische interactie tussen mechanische en elektrische toestanden in kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Piëzo-elektrische materialen kunnen worden gebruikt om hoogspanningselektriciteit op te wekken, klokgeneratoren, elektronische apparaten, microbalansen, ultrasone mondstukken aan te drijven en optische ultrafijne focusserende samenstellingen.
Piëzo-elektrische materialen omvatten kristallen, bepaalde keramiek, biologische materie zoals bot en DNA, en eiwitten. Wanneer een kracht wordt uitgeoefend op een piëzo-elektrisch materiaal, produceert het een elektrische lading. Deze lading kan vervolgens worden gebruikt om apparaten van stroom te voorzien of een spanning te creëren.
Piëzo-elektrische materialen worden gebruikt in verschillende toepassingen, waaronder:
• Productie en detectie van geluid
• Piëzo-elektrisch inkjet printen
• Opwekking van hoogspanningselektriciteit
• Klokgeneratoren
• Elektronische apparaten
• Microbalansen
• Aandrijving van ultrasone nozzles
• Ultrafijne focusserende optische assemblages
• Pickups voor elektronisch versterkte gitaren
• Triggers voor moderne elektronische drums
• Productie van vonken om gas te ontsteken
• Kook- en verwarmingstoestellen
• Zaklampen en sigarettenaanstekers.
Wat is de geschiedenis van piëzo-elektriciteit?
Piëzo-elektriciteit werd in 1880 ontdekt door de Franse natuurkundigen Jacques en Pierre Curie. Het is de elektrische lading die zich ophoopt in bepaalde vaste materialen, zoals kristallen, keramiek en biologische materie, als reactie op toegepaste mechanische spanning. Het woord 'piëzo-elektriciteit' is afgeleid van het Griekse woord 'piezein', wat 'knijpen' of 'drukken' betekent, en 'elektron', wat 'barnsteen' betekent, een oude bron van elektrische lading.
Het piëzo-elektrische effect is het resultaat van de lineaire elektromechanische interactie tussen de mechanische en elektrische toestanden van kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Het is een omkeerbaar proces, wat betekent dat materialen die piëzo-elektriciteit vertonen, ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, wat het interne genereren van mechanische belasting is als gevolg van een aangelegd elektrisch veld.
De gecombineerde kennis van de Curies over pyro-elektriciteit en begrip van onderliggende kristalstructuren leidde tot de voorspelling van pyro-elektriciteit en het vermogen om kristalgedrag te voorspellen. Dit bleek uit de werking van kristallen als toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout.
De Curies bevestigden onmiddellijk het bestaan van het omgekeerde effect en gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen. Gedurende de decennia bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium totdat het een essentieel hulpmiddel werd bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie.
Piëzo-elektriciteit is gebruikt voor veel nuttige toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten, het opwekken van hoogspanningselektriciteit, klokgeneratoren en elektronische apparaten, microbalansen, ultrasone aandrijfmondstukken, ultrafijne focussering van optische assemblages en de vormen van de basis van scanning probe microscopen om beelden op atomaire schaal op te lossen.
Piëzo-elektriciteit vindt ook alledaagse toepassingen, zoals het genereren van vonken om gas te ontsteken in kook- en verwarmingstoestellen, fakkels, sigarettenaanstekers en het pyro-elektrische effect, waarbij een materiaal een elektrisch potentieel genereert als reactie op een temperatuurverandering.
Bij de ontwikkeling van sonar tijdens de Eerste Wereldoorlog werden piëzo-elektrische kristallen gebruikt, ontwikkeld door Bell Telephone Laboratories. Hierdoor konden de geallieerde luchtmachten gecoördineerde massa-aanvallen uitvoeren met behulp van luchtvaartradio. De ontwikkeling van piëzo-elektrische apparaten en materialen in de Verenigde Staten hield bedrijven in de ontwikkeling van het begin van de oorlog op het gebied van belangen, waardoor winstgevende patenten voor nieuwe materialen werden veiliggesteld.
Japan zag de nieuwe toepassingen en groei van de piëzo-elektrische industrie in de Verenigde Staten en ontwikkelde snel hun eigen toepassingen. Ze deelden snel informatie en ontwikkelden bariumtitanaat en later loodzirkonaattitanaatmaterialen met specifieke eigenschappen voor bepaalde toepassingen.
Piëzo-elektriciteit heeft een lange weg afgelegd sinds de ontdekking ervan in 1880 en wordt nu gebruikt in allerlei alledaagse toepassingen. Het is ook gebruikt om vooruitgang te boeken in materiaalonderzoek, zoals ultrasone tijddomeinreflectometers, die een ultrasone puls door een materiaal sturen om reflecties en discontinuïteiten te meten om gebreken in gegoten metaal en stenen voorwerpen te vinden, waardoor de structurele veiligheid wordt verbeterd.
Hoe piëzo-elektriciteit werkt
In dit gedeelte zal ik onderzoeken hoe piëzo-elektriciteit werkt. Ik zal kijken naar de accumulatie van elektrische lading in vaste stoffen, de lineaire elektromechanische interactie en het omkeerbare proces waaruit dit fenomeen bestaat. Ik zal ook de geschiedenis van piëzo-elektriciteit en de toepassingen ervan bespreken.
Accumulatie van elektrische lading in vaste stoffen
Piëzo-elektriciteit is de elektrische lading die zich ophoopt in bepaalde vaste materialen, zoals kristallen, keramiek en biologisch materiaal zoals bot en DNA. Het is een reactie op toegepaste mechanische stress en de naam komt van de Griekse woorden "piezein" (knijpen of drukken) en "ēlektron" (barnsteen).
Het piëzo-elektrische effect is het resultaat van de lineaire elektromechanische interactie tussen mechanische en elektrische toestanden in kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Het is een omkeerbaar proces, wat betekent dat materialen die piëzo-elektriciteit vertonen ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, waarbij interne opwekking van mechanische spanning het gevolg is van een aangelegd elektrisch veld. Voorbeelden van materialen die meetbare piëzo-elektriciteit genereren, zijn loodzirkonaattitanaatkristallen.
De Franse natuurkundigen Pierre en Jacques Curie ontdekten piëzo-elektriciteit in 1880. Het is sindsdien gebruikt voor een verscheidenheid aan nuttige toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten, het opwekken van hoogspanningselektriciteit, klokgeneratoren en elektronische apparaten zoals microbalansen. en aandrijf ultrasone nozzles voor ultrafijne focussering van optische assemblages. Het vormt ook de basis van scanning probe microscopen, die beelden op atomaire schaal kunnen oplossen. Piëzo-elektriciteit wordt ook gebruikt in pickups voor elektronisch versterkte gitaren en triggers voor moderne elektronische drums.
Piëzo-elektriciteit wordt dagelijks gebruikt bij het opwekken van vonken om gas te ontsteken, in kook- en verwarmingstoestellen, fakkels, sigarettenaanstekers en het pyro-elektrische effect, waarbij een materiaal een elektrisch potentieel genereert als reactie op een temperatuurverandering. Dit werd halverwege de 18e eeuw bestudeerd door Carl Linnaeus en Franz Aepinus, gebruikmakend van kennis van René Haüy en Antoine César Becquerel, die een verband poneerden tussen mechanische spanning en elektrische lading. Experimenten bleken niet doorslaggevend.
De weergave van een piëzokristal in de Curie-compensator in het Hunterian Museum in Schotland is een demonstratie van het directe piëzo-elektrische effect. De broers Pierre en Jacques Curie combineerden hun kennis van pyro-elektriciteit met inzicht in de onderliggende kristalstructuren, wat aanleiding gaf tot de voorspelling van pyro-elektriciteit. Ze konden het kristalgedrag voorspellen en toonden het effect aan in kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout. Natriumkaliumtartraat-tetrahydraat en kwarts vertoonden ook piëzo-elektriciteit. Een piëzo-elektrische schijf genereert een spanning wanneer deze wordt vervormd, en de verandering in vorm wordt sterk overdreven in de Curies-demonstratie.
Ze waren in staat om het omgekeerde piëzo-elektrische effect te voorspellen, en het omgekeerde effect werd wiskundig afgeleid door Gabriel Lippmann in 1881. De Curies bevestigden onmiddellijk het bestaan van het omgekeerde effect en gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-elektrische effecten. mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen.
Decennialang bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium, maar het was een essentieel hulpmiddel bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie. Hun werk om de kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden te onderzoeken en te definiëren, culmineerde in de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), waarin de natuurlijke kristalklassen die in staat zijn tot piëzo-elektriciteit werden beschreven en de piëzo-elektrische constanten nauwkeurig werden gedefinieerd door middel van tensoranalyse. Dit was de praktische toepassing van piëzo-elektrische apparaten en sonar werd ontwikkeld tijdens de Eerste Wereldoorlog. In Frankrijk ontwikkelden Paul Langevin en zijn collega's een ultrasone onderzeese detector.
De detector bestond uit een omzetter gemaakt van dunne kwartskristallen die zorgvuldig op stalen platen zijn gelijmd, en een hydrofoon om de teruggekaatste echo te detecteren. Door een high uit te stralen frequentie puls van de transducer en door de tijd te meten die nodig is om de echo van geluidsgolven die tegen een object weerkaatsen te horen, konden ze de afstand tot het object berekenen. Ze gebruikten piëzo-elektriciteit om sonar tot een succes te maken, en het project zorgde voor een intense ontwikkeling en interesse in piëzo-elektrische apparaten. In de loop van de decennia werden nieuwe piëzo-elektrische materialen en nieuwe toepassingen voor de materialen verkend en ontwikkeld, en piëzo-elektrische apparaten vonden huizen op verschillende gebieden. Keramische grammofooncartridges vereenvoudigden het ontwerp van de speler en waren gemaakt voor goedkope en nauwkeurige platenspelers die goedkoper in onderhoud en gemakkelijker te bouwen waren.
De ontwikkeling van ultrasone transducers zorgde voor een gemakkelijke meting van de viscositeit en elasticiteit van vloeistoffen en vaste stoffen, wat resulteerde in enorme vooruitgang in materiaalonderzoek.
Lineaire elektromechanische interactie
Piëzo-elektriciteit is het vermogen van bepaalde materialen om een elektrische lading te genereren wanneer ze worden blootgesteld aan mechanische spanning. Het woord is afgeleid van de Griekse woorden πιέζειν (piezein) wat "knijpen of drukken" betekent en ἤλεκτρον (ēlektron) wat "barnsteen" betekent, wat een oude bron van elektrische lading was.
Piëzo-elektriciteit werd in 1880 ontdekt door de Franse natuurkundigen Jacques en Pierre Curie. Het is gebaseerd op de lineaire elektromechanische interactie tussen de mechanische en elektrische toestanden van kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Dit effect is omkeerbaar, wat betekent dat materialen die piëzo-elektriciteit vertonen ook een omgekeerd piëzo-elektrisch effect vertonen, waarbij interne opwekking van mechanische belasting het gevolg is van een aangelegd elektrisch veld. Voorbeelden van materialen die meetbare piëzo-elektriciteit genereren wanneer ze worden vervormd vanuit hun statische structuur, zijn onder meer loodzirkonaattitanaatkristallen. Omgekeerd kunnen kristallen hun statische dimensie veranderen wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, wat bekend staat als het omgekeerde piëzo-elektrische effect en wordt gebruikt bij de productie van ultrasone golven.
Piëzo-elektriciteit is gebruikt voor een verscheidenheid aan nuttige toepassingen, zoals:
• Productie en detectie van geluid
• Piëzo-elektrisch inkjet printen
• Opwekking van hoogspanningselektriciteit
• Klokgenerator
• Elektronische apparaten
• Microbalansen
• Aandrijving van ultrasone nozzles
• Ultrafijne focusserende optische assemblages
• Vormt de basis van scanning probe microscopen om beelden op atomaire schaal op te lossen
• Pickups in elektronisch versterkte gitaren
• Triggers in moderne elektronische drums
• Vonken genereren om gas te ontsteken in kook- en verwarmingstoestellen
• Zaklampen en sigarettenaanstekers
Piëzo-elektriciteit vindt ook alledaagse toepassingen in het pyro-elektrische effect, een materiaal dat een elektrische potentiaal genereert als reactie op een temperatuurverandering. Dit werd halverwege de 18e eeuw bestudeerd door Carl Linnaeus en Franz Aepinus, gebruikmakend van kennis van René Haüy en Antoine César Becquerel, die een verband poneerden tussen mechanische spanning en elektrische lading. Experimenten bleken echter niet doorslaggevend.
Het bekijken van een piëzokristal in de Curie-compensator in het Hunterian Museum in Schotland is een demonstratie van het directe piëzo-elektrische effect. Het was het werk van de broers Pierre en Jacques Curie die de kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden, onderzochten en definieerden, met als hoogtepunt de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dit beschreef de natuurlijke kristalklassen die in staat zijn tot piëzo-elektriciteit en definieerde de piëzo-elektrische constanten rigoureus door middel van tensoranalyse, wat leidde tot de praktische toepassing van piëzo-elektrische apparaten.
Sonar werd ontwikkeld tijdens de Eerste Wereldoorlog, toen Paul Langevin uit Frankrijk en zijn collega's een ultrasone onderzeese detector ontwikkelden. Deze detector bestond uit een transducer gemaakt van dunne kwartskristallen die zorgvuldig op stalen platen waren gelijmd, en een hydrofoon om de teruggekaatste echo te detecteren na het uitzenden van een hoogfrequente puls van de transducer. Door de tijd te meten die nodig is om de echo van geluidsgolven die tegen een object weerkaatsen te horen, konden ze de afstand tot het object berekenen, gebruikmakend van piëzo-elektriciteit. Het succes van dit project zorgde in de afgelopen decennia voor een intense ontwikkeling en interesse in piëzo-elektrische apparaten, waarbij nieuwe piëzo-elektrische materialen en nieuwe toepassingen voor deze materialen werden onderzocht en ontwikkeld. Piëzo-elektrische apparaten vonden op veel gebieden hun weg, zoals keramische grammofooncartridges, die het ontwerp van de speler vereenvoudigden en zorgden voor goedkopere en nauwkeurigere platenspelers, en goedkoper en gemakkelijker te bouwen en te onderhouden.
De ontwikkeling van ultrasone transducers zorgde voor een gemakkelijke meting van de viscositeit en elasticiteit van vloeistoffen en vaste stoffen, wat resulteerde in enorme vooruitgang in materiaalonderzoek. Ultrasone tijddomeinreflectometers sturen een ultrasone puls in een materiaal en meten de reflecties en discontinuïteiten om gebreken in gegoten metalen en stenen voorwerpen te vinden, waardoor de structurele veiligheid wordt verbeterd. Na de Tweede Wereldoorlog ontdekten onafhankelijke onderzoeksgroepen in de Verenigde Staten, Rusland en Japan een nieuwe klasse synthetische materialen, ferro-elektrische materialen genaamd, die piëzo-elektrische constanten vertoonden die vele malen hoger waren dan die van natuurlijke materialen. Dit leidde tot intensief onderzoek om bariumtitanaat en later loodzirkonaattitanaat te ontwikkelen, materialen met specifieke eigenschappen voor bepaalde toepassingen.
Een belangrijk voorbeeld van het gebruik van piëzo-elektrische kristallen werd ontwikkeld door Bell Telephone Laboratories na de Tweede Wereldoorlog. Frederick R. Lack, werkzaam op de technische afdeling radiotelefonie,
Omkeerbaar proces
Piëzo-elektriciteit is een elektrische lading die zich ophoopt in bepaalde vaste materialen, zoals kristallen, keramiek en biologisch materiaal zoals bot en DNA. Het is de reactie van deze materialen op toegepaste mechanische spanning. Het woord 'piëzo-elektriciteit' komt van de Griekse woorden 'piezein' wat 'knijpen' of 'drukken' betekent en 'ēlektron' wat 'barnsteen' betekent, een oude bron van elektrische lading.
Het piëzo-elektrische effect is het resultaat van de lineaire elektromechanische interactie tussen de mechanische en elektrische toestanden van kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Het is een omkeerbaar proces, wat betekent dat materialen die piëzo-elektriciteit vertonen, ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, wat het interne genereren van mechanische belasting is als gevolg van een aangelegd elektrisch veld. Voorbeelden van materialen die meetbare piëzo-elektriciteit genereren, zijn loodzirkonaattitanaatkristallen. Wanneer de statische structuur van deze kristallen wordt vervormd, keren ze terug naar hun oorspronkelijke dimensie, en omgekeerd, wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, veranderen ze van statische dimensie en produceren ze ultrasone golven.
De Franse natuurkundigen Jacques en Pierre Curie ontdekten piëzo-elektriciteit in 1880. Het is sindsdien gebruikt voor een verscheidenheid aan nuttige toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten, het opwekken van hoogspanningselektriciteit, klokgeneratoren, elektronische apparaten, microbalansen, drive ultrasone nozzles, en ultrafijne focus optische assemblages. Het vormt ook de basis voor scanning probe microscopen, die beelden op atomaire schaal kunnen oplossen. Piëzo-elektriciteit wordt ook gebruikt in pickups voor elektronisch versterkte gitaren en triggers voor moderne elektronische drums.
Piëzo-elektriciteit vindt ook alledaagse toepassingen, zoals het genereren van vonken om gas te ontsteken in kook- en verwarmingstoestellen, fakkels, sigarettenaanstekers en meer. Het pyro-elektrische effect, waarbij een materiaal een elektrische potentiaal genereert als reactie op een temperatuurverandering, werd halverwege de 18e eeuw bestudeerd door Carl Linnaeus, Franz Aepinus en René Haüy, gebruikmakend van kennis van barnsteen. Antoine César Becquerel poneerde een verband tussen mechanische spanning en elektrische lading, maar experimenten bleken niet doorslaggevend.
Bezoekers van het Hunterian Museum in Glasgow kunnen de Piezo Crystal Curie Compensator bekijken, een demonstratie van het directe piëzo-elektrische effect door de broers Pierre en Jacques Curie. Door hun kennis van pyro-elektriciteit te combineren met een goed begrip van de onderliggende kristalstructuren, ontstond de voorspelling van pyro-elektriciteit en het vermogen om kristalgedrag te voorspellen. Dit werd aangetoond met het effect van kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout. Natrium- en kaliumtartraat-tetrahydraat en kwarts vertoonden ook piëzo-elektriciteit, en een piëzo-elektrische schijf werd gebruikt om bij vervorming een spanning op te wekken. Deze vormverandering werd sterk overdreven door de Curies om het omgekeerde piëzo-elektrische effect te voorspellen. Het omgekeerde effect werd wiskundig afgeleid uit fundamentele thermodynamische principes door Gabriel Lippmann in 1881.
De Curies bevestigden onmiddellijk het bestaan van het omgekeerde effect en gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen. Decennialang bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium, maar het was een essentieel hulpmiddel bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie. Hun werk om de kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden te onderzoeken en te definiëren, culmineerde in de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dit beschreef de natuurlijke kristalklassen die in staat zijn tot piëzo-elektriciteit en definieerde de piëzo-elektrische constanten rigoureus met behulp van tensoranalyse.
De praktische toepassing van piëzo-elektrische apparaten, zoals sonar, werd ontwikkeld tijdens de Eerste Wereldoorlog. In Frankrijk ontwikkelden Paul Langevin en zijn collega's een ultrasone onderzeese detector. Deze detector bestond uit een transducer gemaakt van dunne kwartskristallen die zorgvuldig op stalen platen waren gelijmd, en een hydrofoon om de teruggekaatste echo te detecteren. Door een hoogfrequente puls van de transducer uit te zenden en de tijd te meten die nodig is om de echo van de geluidsgolven die tegen een object weerkaatsen te horen, konden ze de afstand tot het object berekenen. Ze gebruikten piëzo-elektriciteit om deze sonar tot een succes te maken. Dit project zorgde voor een intense ontwikkeling en interesse in piëzo-elektrische apparaten, en in de loop van de decennia werden nieuwe piëzo-elektrische materialen en nieuwe toepassingen voor deze materialen onderzocht en ontwikkeld. Piëzo-elektrische apparaten
Wat veroorzaakt piëzo-elektriciteit?
In dit gedeelte onderzoek ik de oorsprong van piëzo-elektriciteit en de verschillende materialen die dit fenomeen vertonen. Ik zal kijken naar het Griekse woord 'piezein', de oude bron van elektrische lading, en het pyro-elektrische effect. Ik zal het ook hebben over de ontdekkingen van Pierre en Jacques Curie en de ontwikkeling van piëzo-elektrische apparaten in de 20e eeuw.
Grieks woord Piezein
Piëzo-elektriciteit is de accumulatie van elektrische lading in bepaalde vaste materialen, zoals kristallen, keramiek en biologisch materiaal zoals bot en DNA. Het wordt veroorzaakt door de reactie van deze materialen op toegepaste mechanische spanning. Het woord piëzo-elektriciteit komt van het Griekse woord "piezein", wat "knijpen of drukken" betekent, en "ēlektron", wat "barnsteen" betekent, een oude bron van elektrische lading.
Het piëzo-elektrische effect is het resultaat van de lineaire elektromechanische interactie tussen de mechanische en elektrische toestanden van kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Het is een omkeerbaar proces, wat betekent dat materialen die piëzo-elektriciteit vertonen ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, wat het interne genereren van mechanische belasting is als gevolg van een aangelegd elektrisch veld. Loodzirkonaattitanaatkristallen genereren bijvoorbeeld meetbare piëzo-elektriciteit wanneer hun statische structuur wordt vervormd ten opzichte van de oorspronkelijke dimensie. Omgekeerd kunnen kristallen hun statische dimensie veranderen wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, wat bekend staat als het omgekeerde piëzo-elektrische effect en de productie is van ultrasone golven.
De Franse natuurkundigen Jacques en Pierre Curie ontdekten piëzo-elektriciteit in 1880. Het piëzo-elektrische effect is gebruikt voor veel nuttige toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten, het opwekken van hoogspanningselektriciteit, klokgeneratoren en elektronische apparaten zoals microbalansen , aandrijf ultrasone spuitmonden en ultrafijne focusserende optische assemblages. Het vormt ook de basis van scanning probe microscopen, die beelden op atomaire schaal kunnen oplossen. Piëzo-elektriciteit wordt ook gebruikt in pickups voor elektronisch versterkte gitaren en triggers voor moderne elektronische drums.
Piëzo-elektriciteit vindt alledaagse toepassingen, zoals het genereren van vonken om gas te ontsteken in kook- en verwarmingstoestellen, fakkels, sigarettenaanstekers en meer. Het pyro-elektrisch effect, het opwekken van elektrische potentiaal als reactie op een temperatuurverandering, werd bestudeerd door Carl Linnaeus en Franz Aepinus in het midden van de 18e eeuw, gebruikmakend van de kennis van René Haüy en Antoine César Becquerel, die een verband poneerden tussen mechanische belasting en elektrische lading. Experimenten bleken niet doorslaggevend.
In het museum in Schotland kunnen bezoekers een piëzokristal Curie-compensator bekijken, een demonstratie van het directe piëzo-elektrische effect door de broers Pierre en Jacques Curie. Door hun kennis van pyro-elektriciteit te combineren met begrip van de onderliggende kristalstructuren, ontstond de voorspelling van pyro-elektriciteit en het vermogen om het kristalgedrag te voorspellen. Dit werd aangetoond door het effect van kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout. Natriumkaliumtartraat-tetrahydraat en kwarts uit Rochelle-zout vertoonden piëzo-elektriciteit, en een piëzo-elektrische schijf genereert spanning wanneer deze wordt vervormd. Deze vormverandering wordt sterk overdreven in de demonstratie van de Curies.
De Curies gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen. Decennialang bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium totdat het een essentieel instrument werd bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie. Hun werk om de kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden te onderzoeken en te definiëren, culmineerde in de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dit beschreef de natuurlijke kristalklassen die in staat zijn tot piëzo-elektriciteit en definieerde de piëzo-elektrische constanten rigoureus door middel van tensoranalyse.
Deze praktische toepassing van piëzo-elektriciteit leidde tot de ontwikkeling van sonar tijdens de Eerste Wereldoorlog. In Frankrijk ontwikkelden Paul Langevin en zijn collega's een ultrasone onderzeese detector. De detector bestond uit een transducer gemaakt van dunne kwartskristallen die zorgvuldig op stalen platen waren gelijmd, een hydrofoon genaamd, om de teruggekaatste echo te detecteren na het uitzenden van een hoogfrequente puls. De transducer mat de tijd die nodig was om de echo van geluidsgolven te horen die tegen een object weerkaatsten om de afstand van het object te berekenen. Het gebruik van piëzo-elektriciteit in sonar was een succes en het project zorgde decennialang voor een intense ontwikkeling en interesse in piëzo-elektrische apparaten.
Nieuwe piëzo-elektrische materialen en nieuwe toepassingen voor deze materialen werden verkend en ontwikkeld, en piëzo-elektrische apparaten vonden hun weg op veel gebieden, zoals keramische grammofooncartridges, die het ontwerp van de speler vereenvoudigden en zorgden voor goedkopere, nauwkeurigere platenspelers die goedkoper te onderhouden en eenvoudiger waren. bouwen. De ontwikkeling
Oude bron van elektrische lading
Piëzo-elektriciteit is de elektrische lading die zich ophoopt in bepaalde vaste materialen, zoals kristallen, keramiek en biologisch materiaal zoals bot en DNA. Het wordt veroorzaakt door de reactie van het materiaal op toegepaste mechanische spanning. Het woord 'piëzo-elektriciteit' komt van het Griekse woord 'piezein', wat 'knijpen of drukken' betekent, en het woord 'elektron', wat 'barnsteen' betekent, een oude bron van elektrische lading.
Het piëzo-elektrische effect is het resultaat van de lineaire elektromechanische interactie tussen de mechanische en elektrische toestanden van kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Het is een omkeerbaar proces, wat betekent dat materialen die piëzo-elektriciteit vertonen ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, wat het interne genereren van mechanische belasting is als gevolg van een aangelegd elektrisch veld. Loodzirkonaattitanaatkristallen genereren bijvoorbeeld meetbare piëzo-elektriciteit wanneer hun statische structuur wordt vervormd ten opzichte van de oorspronkelijke dimensie. Omgekeerd, wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, veranderen de kristallen hun statische dimensie in een omgekeerd piëzo-elektrisch effect, waardoor ultrasone golven worden geproduceerd.
Het piëzo-elektrische effect werd in 1880 ontdekt door de Franse natuurkundigen Jacques en Pierre Curie. Het wordt gebruikt voor een verscheidenheid aan nuttige toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten, het opwekken van hoogspanningselektriciteit, klokgeneratoren en elektronische apparaten zoals microbalansen en ultrasone aandrijfmondstukken voor ultrafijne focussering van optische assemblages. Het vormt ook de basis voor scanning probe microscopen, die worden gebruikt om beelden op de schaal van atomen op te lossen. Piëzo-elektriciteit wordt ook gebruikt in pickups voor elektronisch versterkte gitaren en triggers voor moderne elektronische drums.
Piëzo-elektriciteit wordt dagelijks gebruikt bij het opwekken van vonken om gas te ontsteken in kook- en verwarmingstoestellen, fakkels, sigarettenaanstekers en meer. Het pyro-elektrische effect, de productie van elektrische potentiaal als reactie op een temperatuurverandering, werd bestudeerd door Carl Linnaeus en Franz Aepinus in het midden van de 18e eeuw, gebruikmakend van de kennis van René Haüy en Antoine César Becquerel die een relatie tussen mechanische spanning en elektrische lading. Hun experimenten bleken echter niet doorslaggevend.
De weergave van een piëzo-kristal en de Curie-compensator in het Hunterian Museum in Schotland demonstreren het directe piëzo-elektrische effect. Het was het werk van de broers Pierre en Jacques Curie die de kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden, onderzochten en definieerden, met als hoogtepunt de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dit beschreef de natuurlijke kristalklassen die in staat zijn tot piëzo-elektriciteit en definieerde de piëzo-elektrische constanten rigoureus door middel van tensoranalyse, waardoor de praktische toepassing van piëzo-elektrische apparaten mogelijk werd.
Sonar werd tijdens de Eerste Wereldoorlog ontwikkeld door Paul Langevin uit Frankrijk en zijn collega's, die een ultrasone onderzeese detector ontwikkelden. De detector bestond uit een transducer gemaakt van dunne kwartskristallen die zorgvuldig op stalen platen waren gelijmd, en een hydrofoon om de teruggekaatste echo te detecteren. Door een hoogfrequente puls van de transducer uit te zenden en de tijd te meten die nodig is om de echo van de geluidsgolven die tegen een object weerkaatsen te horen, konden ze de afstand tot het object berekenen. Ze gebruikten piëzo-elektriciteit om deze sonar tot een succes te maken. Het project zorgde decennialang voor een intense ontwikkeling en interesse in piëzo-elektrische apparaten.
Pyro-elektriciteit
Piëzo-elektriciteit is het vermogen van bepaalde materialen om elektrische lading te accumuleren als reactie op toegepaste mechanische spanning. Het is een lineaire elektromechanische interactie tussen de mechanische en elektrische toestanden van kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Het woord "piëzo-elektriciteit" is afgeleid van het Griekse woord "piezein", wat "knijpen of drukken" betekent, en het Griekse woord "ēlektron", wat "barnsteen" betekent, een oude bron van elektrische lading.
Het piëzo-elektrische effect werd ontdekt door de Franse natuurkundigen Jacques en Pierre Curie in 1880. Het is een omkeerbaar proces, wat betekent dat materialen die het piëzo-elektrische effect vertonen ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, wat de interne generatie van mechanische spanning is die het gevolg is van een aangelegd elektrisch veld. Voorbeelden van materialen die meetbare piëzo-elektriciteit genereren, zijn loodzirkonaattitanaatkristallen. Wanneer een statische structuur wordt vervormd, keert deze terug naar zijn oorspronkelijke dimensie. Omgekeerd, wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, wordt het omgekeerde piëzo-elektrische effect geproduceerd, wat resulteert in de productie van ultrasone golven.
Het piëzo-elektrische effect wordt benut voor veel nuttige toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten, het opwekken van hoogspanningselektriciteit, klokgeneratoren en elektronische apparaten zoals microbalansen, ultrasone aandrijfmondstukken en optische assemblages met ultrafijne focussering. Het is ook de basis voor scanning probe microscopen, die worden gebruikt om beelden op de schaal van atomen op te lossen. Piëzo-elektriciteit wordt ook gebruikt in pickups voor elektronisch versterkte gitaren en triggers voor moderne elektronische drums.
Piëzo-elektriciteit vindt alledaagse toepassingen, zoals het genereren van vonken om gas te ontsteken in kook- en verwarmingstoestellen, fakkels, sigarettenaanstekers en meer. Het pyro-elektrische effect, de productie van elektrische potentiaal als reactie op een temperatuurverandering, werd halverwege de 18e eeuw bestudeerd door Carl Linnaeus en Franz Aepinus, gebruikmakend van de kennis van René Haüy en Antoine César Becquerel, die een relatie hadden geponeerd tussen mechanische belasting en elektrische lading. Experimenten bleken echter niet doorslaggevend.
De weergave van een piëzo-kristal in het Curie Compensator Museum in Schotland is een demonstratie van het directe piëzo-elektrische effect. De broers Pierre en Jacques Curie combineerden hun kennis van pyro-elektriciteit en hun begrip van de onderliggende kristalstructuren om inzicht te krijgen in pyro-elektriciteit en het kristalgedrag te voorspellen. Dit werd aangetoond in het effect van kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout. Natriumkaliumtartraat-tetrahydraat en kwarts bleken piëzo-elektriciteit te vertonen, en een piëzo-elektrische schijf werd gebruikt om bij vervorming een spanning op te wekken. Dit werd sterk overdreven door de Curies om het omgekeerde piëzo-elektrische effect te voorspellen. Het omgekeerde effect werd wiskundig afgeleid door fundamentele thermodynamische principes door Gabriel Lippmann in 1881.
De Curies bevestigden onmiddellijk het bestaan van het omgekeerde effect en gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen. In de decennia die volgden, bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium totdat het een essentieel hulpmiddel werd bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie. Hun werk om de kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden te onderzoeken en te definiëren, culmineerde in de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics).
De ontwikkeling van sonar was een succes en het project zorgde voor een intense ontwikkeling en interesse in piëzo-elektrische apparaten. In de decennia die volgden werden nieuwe piëzo-elektrische materialen en nieuwe toepassingen voor deze materialen verkend en ontwikkeld. Piëzo-elektrische apparaten vonden op veel gebieden hun weg, zoals keramische grammofooncartridges, die het ontwerp van de speler vereenvoudigden en zorgden voor goedkopere, nauwkeurigere platenspelers die goedkoper in onderhoud en gemakkelijker te bouwen waren. De ontwikkeling van ultrasone transducers zorgde voor een gemakkelijke meting van viscositeit en elasticiteit van vloeistoffen en vaste stoffen, wat resulteerde in enorme vooruitgang in materiaalonderzoek. Ultrasone tijddomeinreflectometers sturen een ultrasone puls in een materiaal en meten de reflecties en discontinuïteiten om gebreken in gegoten metalen en stenen voorwerpen te vinden, waardoor de structurele veiligheid wordt verbeterd.
Na de Tweede Wereldoorlog ontdekten onafhankelijke onderzoeksgroepen in de Verenigde Staten, Rusland en Japan een nieuwe klasse synthetische materialen, ferro-elektrische materialen genaamd, die piëzo-elektrische constanten vertoonden die
Piëzo-elektrische materialen
In dit gedeelte zal ik de materialen bespreken die het piëzo-elektrische effect vertonen, het vermogen van bepaalde materialen om elektrische lading te accumuleren als reactie op toegepaste mechanische spanning. Ik zal kijken naar kristallen, keramiek, biologische materie, bot, DNA en eiwitten, en hoe ze allemaal reageren op het piëzo-elektrische effect.
Kristallen
Piëzo-elektriciteit is het vermogen van bepaalde materialen om elektrische lading te accumuleren als reactie op toegepaste mechanische spanning. Het woord piëzo-elektriciteit is afgeleid van de Griekse woorden πιέζειν (piezein) wat 'knijpen' of 'drukken' betekent en ἤλεκτρον (ēlektron) wat 'barnsteen' betekent, een oude bron van elektrische lading. Piëzo-elektrische materialen omvatten kristallen, keramiek, biologische materie, bot, DNA en eiwitten.
Piëzo-elektriciteit is een lineaire elektromechanische interactie tussen mechanische en elektrische toestanden in kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Dit effect is omkeerbaar, wat betekent dat materialen die piëzo-elektriciteit vertonen ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, wat de interne opwekking is van mechanische belasting als gevolg van een aangelegd elektrisch veld. Voorbeelden van materialen die meetbare piëzo-elektriciteit genereren, zijn onder meer loodzirkonaattitanaatkristallen, die kunnen worden vervormd tot hun oorspronkelijke dimensie of omgekeerd, hun statische dimensie veranderen wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd. Dit staat bekend als het omgekeerde piëzo-elektrische effect en wordt gebruikt om ultrasone golven te produceren.
De Franse natuurkundigen Jacques en Pierre Curie ontdekten piëzo-elektriciteit in 1880. Het piëzo-elektrische effect is gebruikt voor een verscheidenheid aan nuttige toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten, het opwekken van hoogspanningselektriciteit, klokgeneratoren en elektronische apparaten zoals zoals microbalansen, aandrijf ultrasone spuitmonden en ultrafijne focusserende optische assemblages. Het vormt ook de basis voor scanning probe microscopen, die worden gebruikt om beelden op de schaal van atomen op te lossen. Piëzo-elektrische pickups worden ook gebruikt in elektronisch versterkte gitaren en triggers in moderne elektronische drums.
Piëzo-elektriciteit wordt dagelijks gebruikt bij het opwekken van vonken om gas te ontsteken in kook- en verwarmingstoestellen, maar ook in fakkels en sigarettenaanstekers. Het pyro-elektrische effect, het opwekken van elektrische potentiaal als reactie op een temperatuurverandering, werd in het midden van de 18e eeuw bestudeerd door Carl Linnaeus en Franz Aepinus, gebruikmakend van de kennis van René Haüy en Antoine César Becquerel, die een verband tussen mechanische spanning en elektrische lading. Experimenten om deze theorie te bewijzen waren niet doorslaggevend.
De weergave van een piëzokristal in de Curie-compensator in het Hunterian Museum in Schotland is een demonstratie van het directe piëzo-elektrische effect. De broers Pierre en Jacques Curie combineerden hun kennis van pyro-elektriciteit met begrip van de onderliggende kristalstructuren om de voorspelling van pyro-elektriciteit te doen ontstaan. Ze konden het kristalgedrag voorspellen en toonden het effect aan in kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout. Natriumkaliumtartraat-tetrahydraat en kwarts vertoonden ook piëzo-elektriciteit. Een piëzo-elektrische schijf genereert spanning wanneer deze wordt vervormd; de verandering in vorm is sterk overdreven in de demonstratie van de Curies.
Ze waren ook in staat om het omgekeerde piëzo-elektrische effect te voorspellen en wiskundig de fundamentele thermodynamische principes erachter af te leiden. Gabriel Lippmann deed dit in 1881. De Curies bevestigden onmiddellijk het bestaan van het omgekeerde effect en gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen.
Decennialang bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium, maar het was een essentieel hulpmiddel bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie. Hun werk om de kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden te onderzoeken en te definiëren, culmineerde in de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), waarin de natuurlijke kristalklassen die in staat zijn tot piëzo-elektriciteit werden beschreven en de piëzo-elektrische constanten nauwkeurig werden gedefinieerd met behulp van tensoranalyse.
De praktische toepassing van piëzo-elektrische apparaten in sonar werd ontwikkeld tijdens de Eerste Wereldoorlog. In Frankrijk ontwikkelden Paul Langevin en zijn collega's een ultrasone onderzeese detector. Deze detector bestond uit een transducer gemaakt van dunne kwartskristallen die zorgvuldig op stalen platen waren gelijmd, een hydrofoon genaamd, om de teruggekaatste echo te detecteren na het uitzenden van een hoogfrequente puls. Door de tijd te meten die nodig is om de echo van geluidsgolven die tegen een object weerkaatsen te horen, konden ze de afstand tot het object berekenen. Dit gebruik van piëzo-elektriciteit in sonar was een succes en het project zorgde in de afgelopen decennia voor een intense ontwikkeling en interesse in piëzo-elektrische apparaten.
Keramiek
Piëzo-elektrische materialen zijn vaste stoffen die elektrische lading accumuleren als reactie op toegepaste mechanische spanning. Piëzo-elektriciteit is afgeleid van de Griekse woorden πιέζειν (piezein) wat 'knijpen' of 'drukken' betekent en ἤλεκτρον (ēlektron) wat 'barnsteen' betekent, een oude bron van elektrische lading. Piëzo-elektrische materialen worden gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten en het opwekken van hoogspanningselektriciteit.
Piëzo-elektrische materialen worden aangetroffen in kristallen, keramiek, biologische materie, botten, DNA en eiwitten. Keramiek is de meest voorkomende piëzo-elektrische materialen die worden gebruikt in alledaagse toepassingen. Keramiek wordt gemaakt van een combinatie van metaaloxiden, zoals loodzirkonaattitanaat (PZT), die tot hoge temperaturen worden verhit om een vaste stof te vormen. Keramiek is zeer duurzaam en bestand tegen extreme temperaturen en drukken.
Piëzo-elektrische keramiek heeft verschillende toepassingen, waaronder:
• Vonken genereren om gas te ontsteken voor kook- en verwarmingstoestellen, zoals fakkels en sigarettenaanstekers.
• Genereren van ultrasone golven voor medische beeldvorming.
• Het opwekken van hoogspanningselektriciteit voor klokgeneratoren en elektronische apparaten.
• Het genereren van microbalansen voor gebruik bij precisiewegen.
• Aandrijvende ultrasone nozzles voor ultrafijne focussering van optische assemblages.
• De basis vormen voor scanning probe microscopen, die beelden op atomaire schaal kunnen oplossen.
• Pickups voor elektronisch versterkte gitaren en triggers voor moderne elektronische drums.
Piëzo-elektrische keramiek wordt gebruikt in een breed scala aan toepassingen, van consumentenelektronica tot medische beeldvorming. Ze zijn zeer duurzaam en bestand tegen extreme temperaturen en druk, waardoor ze ideaal zijn voor gebruik in verschillende industrieën.
Biologische materie
Piëzo-elektriciteit is het vermogen van bepaalde materialen om elektrische lading te accumuleren als reactie op toegepaste mechanische spanning. Het is afgeleid van het Griekse woord 'piezein', wat 'knijpen of drukken' betekent, en 'ēlektron', wat 'barnsteen' betekent, een oude bron van elektrische lading.
Biologische materie zoals bot, DNA en eiwitten behoren tot de materialen die piëzo-elektriciteit vertonen. Dit effect is omkeerbaar, wat betekent dat materialen die piëzo-elektriciteit vertonen ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, wat de interne opwekking is van mechanische belasting als gevolg van een aangelegd elektrisch veld. Voorbeelden van deze materialen zijn onder meer loodzirkonaattitanaatkristallen, die meetbare piëzo-elektriciteit genereren wanneer hun statische structuur wordt vervormd ten opzichte van de oorspronkelijke dimensie. Omgekeerd, wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, veranderen de kristallen van statische dimensie, waardoor ultrasone golven worden geproduceerd door het omgekeerde piëzo-elektrische effect.
De ontdekking van piëzo-elektriciteit werd gedaan door de Franse natuurkundigen Jacques en Pierre Curie in 1880. Sindsdien is het gebruikt voor een verscheidenheid aan nuttige toepassingen, zoals:
• Productie en detectie van geluid
• Piëzo-elektrisch inkjet printen
• Opwekking van hoogspanningselektriciteit
• Klokgenerator
• Elektronische apparaten
• Microbalansen
• Aandrijving van ultrasone nozzles
• Ultrafijne focusserende optische assemblages
• Vormt de basis van scanning probe microscopen
• Los beelden op de schaal van atomen op
• Pickups in elektronisch versterkte gitaren
• Triggers in moderne elektronische drums
Piëzo-elektriciteit wordt ook gebruikt in alledaagse voorwerpen zoals kook- en verwarmingstoestellen op gas, fakkels, sigarettenaanstekers en meer. Het pyro-elektrische effect, de productie van elektrisch potentieel als reactie op een temperatuurverandering, werd halverwege de 18e eeuw bestudeerd door Carl Linnaeus en Franz Aepinus. Op basis van de kennis van René Haüy en Antoine César Becquerel stelden ze een verband tussen mechanische spanning en elektrische lading, maar hun experimenten bleken niet doorslaggevend.
De weergave van een piëzokristal in de Curie Compensator in het Hunterian Museum in Schotland is een demonstratie van het directe piëzo-elektrische effect. De broers Pierre en Jacques Curie combineerden hun kennis van pyro-elektriciteit en hun begrip van de onderliggende kristalstructuren om aanleiding te geven tot de voorspelling van pyro-elektriciteit en om het kristalgedrag te voorspellen. Dit werd aangetoond door het effect van kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout. Natrium- en kaliumtartraat-tetrahydraat en kwarts vertoonden ook piëzo-elektriciteit, en een piëzo-elektrische schijf werd gebruikt om bij vervorming een spanning op te wekken. Dit effect werd sterk overdreven door de Curies om het omgekeerde piëzo-elektrische effect te voorspellen. Het omgekeerde effect werd wiskundig afgeleid uit fundamentele thermodynamische principes door Gabriel Lippmann in 1881.
De Curies bevestigden onmiddellijk het bestaan van het omgekeerde effect en gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen. Decennialang bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium totdat het een essentieel instrument werd bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie. Hun werk om de kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden te onderzoeken en te definiëren, culmineerde in de publicatie van Woldemar Voigt's 'Lehrbuch der Kristallphysik' (Textbook of Crystal Physics).
Bot
Piëzo-elektriciteit is het vermogen van bepaalde materialen om elektrische lading te accumuleren als reactie op toegepaste mechanische spanning. Bot is zo'n materiaal dat dit fenomeen vertoont.
Bot is een soort biologisch materiaal dat is samengesteld uit eiwitten en mineralen, waaronder collageen, calcium en fosfor. Het is het meest piëzo-elektrische van alle biologische materialen en kan een spanning opwekken wanneer het wordt blootgesteld aan mechanische belasting.
Het piëzo-elektrische effect in bot is het resultaat van zijn unieke structuur. Het is samengesteld uit een netwerk van collageenvezels die zijn ingebed in een matrix van mineralen. Wanneer het bot wordt blootgesteld aan mechanische spanning, bewegen de collageenvezels, waardoor de mineralen gepolariseerd raken en een elektrische lading genereren.
Het piëzo-elektrische effect in bot heeft een aantal praktische toepassingen. Het wordt gebruikt in medische beeldvorming, zoals echografie en röntgenbeeldvorming, om botbreuken en andere afwijkingen op te sporen. Het wordt ook gebruikt in hoortoestellen met beengeleiding, die het piëzo-elektrische effect gebruiken om geluidsgolven om te zetten in elektrische signalen die rechtstreeks naar het binnenoor worden gestuurd.
Het piëzo-elektrische effect in bot wordt ook gebruikt in orthopedische implantaten, zoals kunstgewrichten en prothetische ledematen. De implantaten gebruiken het piëzo-elektrische effect om mechanische energie om te zetten in elektrische energie, die vervolgens wordt gebruikt om het apparaat van stroom te voorzien.
Daarnaast wordt het piëzo-elektrische effect in bot onderzocht voor gebruik bij de ontwikkeling van nieuwe medische behandelingen. Onderzoekers onderzoeken bijvoorbeeld het gebruik van piëzo-elektriciteit om botgroei te stimuleren en beschadigd weefsel te herstellen.
Over het algemeen is het piëzo-elektrische effect in bot een fascinerend fenomeen met een breed scala aan praktische toepassingen. Het wordt gebruikt in een verscheidenheid aan medische en technologische toepassingen en wordt onderzocht voor gebruik bij de ontwikkeling van nieuwe behandelingen.
DNA
Piëzo-elektriciteit is het vermogen van bepaalde materialen om elektrische lading te accumuleren als reactie op toegepaste mechanische spanning. DNA is zo'n materiaal dat dit effect vertoont. DNA is een biologisch molecuul dat in alle levende organismen wordt aangetroffen en is samengesteld uit vier nucleotidebasen: adenine (A), guanine (G), cytosine (C) en thymine (T).
DNA is een complex molecuul dat kan worden gebruikt om elektrische lading te genereren wanneer het wordt blootgesteld aan mechanische stress. Dit komt door het feit dat DNA-moleculen zijn samengesteld uit twee strengen nucleotiden die bij elkaar worden gehouden door waterstofbruggen. Wanneer deze bindingen worden verbroken, wordt elektrische lading gegenereerd.
Het piëzo-elektrische effect van DNA is in verschillende toepassingen gebruikt, waaronder:
• Elektriciteit opwekken voor medische implantaten
• Detecteren en meten van mechanische krachten in cellen
• Ontwikkeling van sensoren op nanoschaal
• Het creëren van biosensoren voor DNA-sequencing
• Opwekken van ultrasone golven voor beeldvorming
Het piëzo-elektrische effect van DNA wordt ook onderzocht vanwege het mogelijke gebruik ervan bij de ontwikkeling van nieuwe materialen, zoals nanodraden en nanobuisjes. Deze materialen kunnen voor verschillende toepassingen worden gebruikt, waaronder energieopslag en detectie.
Het piëzo-elektrische effect van DNA is uitgebreid bestudeerd en bleek zeer gevoelig te zijn voor mechanische stress. Dit maakt het een waardevol hulpmiddel voor onderzoekers en ingenieurs die nieuwe materialen en technologieën willen ontwikkelen.
Concluderend, DNA is een materiaal dat het piëzo-elektrische effect vertoont, wat het vermogen is om elektrische lading te accumuleren als reactie op toegepaste mechanische spanning. Dit effect is gebruikt in verschillende toepassingen, waaronder medische implantaten, sensoren op nanoschaal en DNA-sequencing. Het wordt ook onderzocht vanwege het mogelijke gebruik ervan bij de ontwikkeling van nieuwe materialen, zoals nanodraden en nanobuisjes.
Eiwitten
Piëzo-elektriciteit is het vermogen van bepaalde materialen om elektrische lading te accumuleren als reactie op toegepaste mechanische spanning. Piëzo-elektrische materialen, zoals eiwitten, kristallen, keramiek en biologisch materiaal zoals bot en DNA, vertonen dit effect. Met name eiwitten zijn een uniek piëzo-elektrisch materiaal, omdat ze zijn samengesteld uit een complexe structuur van aminozuren die kunnen worden vervormd om elektrische lading te genereren.
Eiwitten zijn het meest voorkomende type piëzo-elektrisch materiaal en ze worden in verschillende vormen aangetroffen. Ze kunnen worden gevonden in de vorm van enzymen, hormonen en antilichamen, maar ook in de vorm van structurele eiwitten zoals collageen en keratine. Eiwitten komen ook voor in de vorm van spiereiwitten, die verantwoordelijk zijn voor spiercontractie en -ontspanning.
Het piëzo-elektrische effect van eiwitten is te danken aan het feit dat ze zijn samengesteld uit een complexe structuur van aminozuren. Wanneer deze aminozuren worden vervormd, genereren ze elektrische lading. Deze elektrische lading kan vervolgens worden gebruikt om verschillende apparaten van stroom te voorzien, zoals sensoren en actuatoren.
Eiwitten worden ook gebruikt in verschillende medische toepassingen. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt om de aanwezigheid van bepaalde eiwitten in het lichaam te detecteren, die kunnen worden gebruikt om ziekten te diagnosticeren. Ze worden ook gebruikt om de aanwezigheid van bepaalde bacteriën en virussen te detecteren, die kunnen worden gebruikt om infecties te diagnosticeren.
Eiwitten worden ook gebruikt in verschillende industriële toepassingen. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt om sensoren en actuatoren te maken voor uiteenlopende industriële processen. Ze worden ook gebruikt om materialen te maken die kunnen worden gebruikt bij de constructie van vliegtuigen en andere voertuigen.
Concluderend, eiwitten zijn een uniek piëzo-elektrisch materiaal dat in verschillende toepassingen kan worden gebruikt. Ze zijn samengesteld uit een complexe structuur van aminozuren die kunnen worden vervormd om elektrische lading te genereren, en ze worden gebruikt in een verscheidenheid aan medische en industriële toepassingen.
Energie oogsten met piëzo-elektriciteit
In dit gedeelte zal ik bespreken hoe piëzo-elektriciteit kan worden gebruikt om energie te oogsten. Ik zal kijken naar de verschillende toepassingen van piëzo-elektriciteit, van piëzo-elektrisch inkjetprinten tot klokgeneratoren en microbalansen. Ik zal ook de geschiedenis van piëzo-elektriciteit onderzoeken, van de ontdekking door Pierre Curie tot het gebruik ervan in de Tweede Wereldoorlog. Ten slotte zal ik het hebben over de huidige staat van de piëzo-elektrische industrie en het potentieel voor verdere groei.
Piëzo-elektrisch inkjetprinten
Piëzo-elektriciteit is het vermogen van bepaalde materialen om een elektrische lading te genereren als reactie op toegepaste mechanische spanning. Het woord 'piëzo-elektriciteit' is afgeleid van de Griekse woorden 'piezein' (knijpen of persen) en 'elektron' (barnsteen), een oude bron van elektrische lading. Piëzo-elektrische materialen, zoals kristallen, keramiek en biologisch materiaal zoals bot en DNA, worden in verschillende toepassingen gebruikt.
Piëzo-elektriciteit wordt gebruikt om hoogspanningselektriciteit op te wekken, als klokgenerator, in elektronische apparaten en in microbalansen. Het wordt ook gebruikt om ultrasone spuitmonden en ultrafijne focusserende optische assemblages aan te drijven. Piëzo-elektrische inkjetprinten is een populaire toepassing van deze technologie. Dit is een soort drukwerk waarbij piëzo-elektrische kristallen worden gebruikt om een hoogfrequente trilling te genereren, die wordt gebruikt om inktdruppels op een pagina te spuiten.
De ontdekking van piëzo-elektriciteit dateert uit 1880, toen de Franse natuurkundigen Jacques en Pierre Curie het effect ontdekten. Sindsdien is het piëzo-elektrische effect benut voor een verscheidenheid aan nuttige toepassingen. Piëzo-elektriciteit wordt gebruikt in alledaagse voorwerpen zoals kook- en verwarmingstoestellen op gas, fakkels, sigarettenaanstekers en pickups in elektronisch versterkte gitaren en triggers in moderne elektronische drums.
Piëzo-elektriciteit wordt ook gebruikt in wetenschappelijk onderzoek. Het is de basis voor scanning probe microscopen, die worden gebruikt om beelden op atomaire schaal op te lossen. Het wordt ook gebruikt in ultrasone tijddomeinreflectometers, die ultrasone pulsen in een materiaal sturen en de reflecties meten om discontinuïteiten te detecteren en gebreken in gegoten metaal en stenen voorwerpen te vinden.
De ontwikkeling van piëzo-elektrische apparaten en materialen is gedreven door de behoefte aan betere prestaties en eenvoudigere productieprocessen. In de Verenigde Staten is de ontwikkeling van kwartskristallen voor commercieel gebruik een belangrijke factor geweest in de groei van de piëzo-elektrische industrie. Daarentegen hebben Japanse fabrikanten snel informatie kunnen delen en nieuwe toepassingen kunnen ontwikkelen, wat heeft geleid tot een snelle groei op de Japanse markt.
Piëzo-elektriciteit heeft een revolutie teweeggebracht in de manier waarop we energie gebruiken, van alledaagse voorwerpen zoals aanstekers tot geavanceerd wetenschappelijk onderzoek. Het is een veelzijdige technologie die ons in staat heeft gesteld nieuwe materialen en toepassingen te verkennen en te ontwikkelen, en het zal nog jaren een belangrijk onderdeel van ons leven blijven.
Opwekking van hoogspanningselektriciteit
Piëzo-elektriciteit is het vermogen van bepaalde vaste materialen om elektrische lading te accumuleren als reactie op toegepaste mechanische spanning. Het woord 'piëzo-elektriciteit' is afgeleid van de Griekse woorden 'piezein', wat 'knijpen' of 'drukken' betekent, en 'ēlektron', wat 'barnsteen' betekent, een oude bron van elektrische lading. Piëzo-elektriciteit is een lineaire elektromechanische interactie tussen mechanische en elektrische toestanden in kristallijne materialen met inversiesymmetrie.
Het piëzo-elektrische effect is een omkeerbaar proces; materialen die piëzo-elektriciteit vertonen, vertonen ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect, de interne opwekking van mechanische belasting als gevolg van een aangelegd elektrisch veld. Loodzirkonaattitanaatkristallen genereren bijvoorbeeld meetbare piëzo-elektriciteit wanneer hun statische structuur wordt vervormd ten opzichte van de oorspronkelijke dimensie. Omgekeerd kunnen kristallen hun statische dimensie veranderen wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, een fenomeen dat bekend staat als het omgekeerde piëzo-elektrische effect, dat wordt gebruikt bij de productie van ultrasone golven.
Het piëzo-elektrische effect wordt gebruikt in verschillende toepassingen, waaronder het opwekken van hoogspanningselektriciteit. Piëzo-elektrische materialen worden gebruikt bij de productie en detectie van geluid, bij piëzo-elektrisch inkjetprinten, in klokgeneratoren, in elektronische apparaten, in microbalansen, in ultrasone aandrijfmondstukken en in ultrafijne focusserende optische assemblages.
Piëzo-elektriciteit wordt ook gebruikt in alledaagse toepassingen, zoals het genereren van vonken om gas te ontsteken in kook- en verwarmingstoestellen, in fakkels, sigarettenaanstekers en materialen met pyro-elektrisch effect, die elektrisch potentieel genereren als reactie op een temperatuurverandering. Dit effect werd halverwege de 18e eeuw bestudeerd door Carl Linnaeus en Franz Aepinus, gebruikmakend van kennis van René Haüy en Antoine César Becquerel, die een verband poneerden tussen mechanische spanning en elektrische lading, hoewel hun experimenten niet doorslaggevend bleken.
De gecombineerde kennis van pyro-elektriciteit en het begrip van de onderliggende kristalstructuren leidde tot de voorspelling van pyro-elektriciteit en het vermogen om kristalgedrag te voorspellen. Dit werd aangetoond door het effect van kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout. Natriumkaliumtartraat-tetrahydraat en kwarts vertoonden ook piëzo-elektriciteit, en een piëzo-elektrische schijf werd gebruikt om bij vervorming een spanning op te wekken. Dit werd sterk overdreven in de demonstratie van de Curies van het directe piëzo-elektrische effect.
De broers Pierre en Jacques Curie gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen. Decennialang bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium, maar het was een essentieel hulpmiddel bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie. Hun werk om de kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden te onderzoeken en te definiëren, culmineerde in de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), waarin de natuurlijke kristalklassen die in staat zijn tot piëzo-elektriciteit werden beschreven en de piëzo-elektrische constanten nauwkeurig werden gedefinieerd met behulp van tensoranalyse.
De praktische toepassing van piëzo-elektrische apparaten begon met de ontwikkeling van sonar tijdens de Eerste Wereldoorlog. In Frankrijk ontwikkelden Paul Langevin en zijn collega's een ultrasone onderzeese detector. De detector bestond uit een transducer gemaakt van dunne kwartskristallen die zorgvuldig op stalen platen waren gelijmd, en een hydrofoon om de teruggekaatste echo te detecteren. Door een hoogfrequente puls van de transducer uit te zenden en de tijd te meten die nodig is om de echo van de geluidsgolven die tegen een object weerkaatsen te horen, konden ze de afstand tot het object berekenen. Ze gebruikten piëzo-elektriciteit om de sonar tot een succes te maken, en het project zorgde in de daaropvolgende decennia voor een intense ontwikkeling en interesse in piëzo-elektrische apparaten.
Nieuwe piëzo-elektrische materialen en nieuwe toepassingen voor deze materialen werden verkend en ontwikkeld. Piëzo-elektrische apparaten vonden huizen op verschillende gebieden, zoals keramische grammofooncartridges, die het ontwerp van de speler vereenvoudigden en zorgden voor goedkopere, nauwkeurigere platenspelers die goedkoper in onderhoud en gemakkelijker te bouwen waren. De ontwikkeling van ultrasone transducers zorgde voor een gemakkelijke meting van de viscositeit en elasticiteit van vloeistoffen en vaste stoffen, wat resulteerde in enorme vooruitgang in materiaalonderzoek. Ultrasone tijddomeinreflectometers sturen een ultrasone puls in een materiaal en meten de reflecties en discontinuïteiten om gebreken in gegoten metalen en stenen voorwerpen te vinden, waardoor de structurele veiligheid wordt verbeterd.
Tijdens de Tweede Wereldoorlog ontdekten onafhankelijke onderzoeksgroepen in de Verenigde Staten, Rusland en Japan een nieuwe klasse synthetische materialen, fer genoemd
Klokgenerator
Piëzo-elektriciteit is het vermogen van bepaalde materialen om elektrische lading te accumuleren als reactie op toegepaste mechanische spanning. Dit fenomeen is gebruikt om een aantal nuttige toepassingen te creëren, waaronder klokgeneratoren. Klokgeneratoren zijn apparaten die piëzo-elektriciteit gebruiken om elektrische signalen met nauwkeurige timing te genereren.
Klokgeneratoren worden gebruikt in verschillende toepassingen, zoals in computers, telecommunicatie en autosystemen. Ze worden ook gebruikt in medische apparaten, zoals pacemakers, om een nauwkeurige timing van elektrische signalen te garanderen. Klokgeneratoren worden ook gebruikt in industriële automatisering en robotica, waar nauwkeurige timing essentieel is.
Het piëzo-elektrische effect is gebaseerd op de lineaire elektromechanische interactie tussen mechanische en elektrische toestanden in kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Dit effect is omkeerbaar, wat betekent dat materialen die piëzo-elektriciteit vertonen ook mechanische belasting kunnen genereren wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd. Dit staat bekend als het omgekeerde piëzo-elektrische effect en wordt gebruikt om ultrasone golven te produceren.
Klokgeneratoren gebruiken dit omgekeerde piëzo-elektrische effect om elektrische signalen met nauwkeurige timing te genereren. Het piëzo-elektrische materiaal wordt vervormd door een elektrisch veld, waardoor het met een bepaalde frequentie trilt. Deze trilling wordt vervolgens omgezet in een elektrisch signaal, dat wordt gebruikt om een nauwkeurig timingsignaal te genereren.
Klokgeneratoren worden gebruikt in verschillende toepassingen, van medische apparaten tot industriële automatisering. Ze zijn betrouwbaar, nauwkeurig en gebruiksvriendelijk, waardoor ze een populaire keuze zijn voor veel toepassingen. Piëzo-elektriciteit is een belangrijk onderdeel van moderne technologie en klokgeneratoren zijn slechts een van de vele toepassingen van dit fenomeen.
Elektronische apparaten
Piëzo-elektriciteit is het vermogen van bepaalde vaste materialen om elektrische lading te accumuleren als reactie op toegepaste mechanische spanning. Dit fenomeen, bekend als het piëzo-elektrische effect, wordt gebruikt in een verscheidenheid aan elektronische apparaten, van pickups in elektronisch versterkte gitaren tot triggers in moderne elektronische drums.
Piëzo-elektriciteit is afgeleid van de Griekse woorden πιέζειν (piezein) wat "knijpen" of "drukken" betekent en ἤλεκτρον (ēlektron) wat "barnsteen" betekent, een oude bron van elektrische lading. Piëzo-elektrische materialen zijn kristallen, keramiek en biologische materie zoals bot en DNA-eiwitten, die het piëzo-elektrische effect vertonen.
Het piëzo-elektrische effect is een lineaire elektromechanische interactie tussen mechanische en elektrische toestanden in kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Het is een omkeerbaar proces, wat betekent dat materialen die het piëzo-elektrische effect vertonen, ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, wat de interne opwekking van mechanische spanning is die het gevolg is van een aangelegd elektrisch veld. Loodzirkonaattitanaatkristallen genereren bijvoorbeeld meetbare piëzo-elektriciteit wanneer hun statische structuur wordt vervormd ten opzichte van de oorspronkelijke dimensie. Omgekeerd kunnen kristallen hun statische dimensie veranderen wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, een fenomeen dat bekend staat als het omgekeerde piëzo-elektrische effect, dat wordt gebruikt bij de productie van ultrasone golven.
De ontdekking van piëzo-elektriciteit wordt toegeschreven aan de Franse natuurkundigen Pierre en Jacques Curie, die in 1880 het directe piëzo-elektrische effect aantoonden. Hun gecombineerde kennis van pyro-elektriciteit en begrip van de onderliggende kristalstructuren gaf aanleiding tot de voorspelling van het pyro-elektrische effect en het vermogen om te voorspellen kristalgedrag werd aangetoond met het effect van kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout.
Piëzo-elektriciteit is gebruikt in een verscheidenheid aan alledaagse toepassingen, zoals het genereren van vonken om gas te ontsteken in kook- en verwarmingsapparaten, fakkels, sigarettenaanstekers en materialen met pyro-elektrisch effect die elektrisch potentieel genereren als reactie op een temperatuurverandering. Dit werd halverwege de 18e eeuw bestudeerd door Carl Linnaeus en Franz Aepinus, gebruikmakend van kennis van René Haüy en Antoine César Becquerel, die een verband poneerden tussen mechanische spanning en elektrische lading. Experimenten bleken echter niet doorslaggevend, totdat de weergave van een piëzo-kristal in het Curie-compensatormuseum in Schotland het directe piëzo-elektrische effect van de gebroeders Curie aantoonde.
Piëzo-elektriciteit wordt gebruikt in verschillende elektronische apparaten, van pickups in elektronisch versterkte gitaren tot triggers in moderne elektronische drums. Het wordt ook gebruikt bij de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten, het opwekken van hoogspanningselektriciteit, klokgeneratoren, microbalansen, ultrasone aandrijfmondstukken en ultrafijne focusserende optische assemblages. Piëzo-elektriciteit is ook de basis voor scanning-sondemicroscopen, die worden gebruikt om beelden op atomaire schaal op te lossen.
Microbalansen
Piëzo-elektriciteit is het vermogen van bepaalde vaste materialen om elektrische lading te accumuleren als reactie op toegepaste mechanische spanning. Piëzo-elektriciteit is afgeleid van de Griekse woorden πιέζειν (piezein), wat "knijpen" of "drukken" betekent, en ἤλεκτρον (ēlektron), wat "barnsteen" betekent, een oude bron van elektrische lading.
Piëzo-elektriciteit wordt gebruikt in een verscheidenheid aan alledaagse toepassingen, zoals het genereren van vonken om gas te ontsteken voor kook- en verwarmingstoestellen, fakkels, sigarettenaanstekers en meer. Het wordt ook gebruikt bij de productie en detectie van geluid en bij piëzo-elektrisch inkjetprinten.
Piëzo-elektriciteit wordt ook gebruikt om hoogspanningselektriciteit op te wekken en vormt de basis van klokgeneratoren en elektronische apparaten zoals microbalansen. Piëzo-elektriciteit wordt ook gebruikt om ultrasone mondstukken en ultrafijne focusserende optische assemblages aan te drijven.
De ontdekking van piëzo-elektriciteit wordt toegeschreven aan de Franse natuurkundigen Jacques en Pierre Curie in 1880. De gebroeders Curie combineerden hun kennis van pyro-elektriciteit en hun begrip van de onderliggende kristalstructuren om aanleiding te geven tot het concept van piëzo-elektriciteit. Ze konden het kristalgedrag voorspellen en toonden het effect aan in kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout.
Het piëzo-elektrische effect werd benut voor nuttige toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid. De ontwikkeling van sonar tijdens de Eerste Wereldoorlog was een grote doorbraak in het gebruik van piëzo-elektriciteit. Na de Tweede Wereldoorlog ontdekten onafhankelijke onderzoeksgroepen in de Verenigde Staten, Rusland en Japan een nieuwe klasse synthetische materialen, ferro-elektrische materialen genaamd, die piëzo-elektrische constanten vertoonden die tot tien keer hoger waren dan die van natuurlijke materialen.
Dit leidde tot intensief onderzoek en ontwikkeling van bariumtitanaat en later loodzirkonaattitanaatmaterialen, die specifieke eigenschappen hadden voor bepaalde toepassingen. Een belangrijk voorbeeld van het gebruik van piëzo-elektrische kristallen werd ontwikkeld bij Bell Telephone Laboratories na de Tweede Wereldoorlog.
Frederick R. Lack, werkzaam op de technische afdeling voor radiotelefonie, ontwikkelde een geslepen kristal dat werkte bij een breed temperatuurbereik. Het kristal van Lack had niet de zware accessoires van eerdere kristallen nodig, waardoor het gebruik in vliegtuigen werd vergemakkelijkt. Door deze ontwikkeling konden de geallieerde luchtmachten gecoördineerde massa-aanvallen uitvoeren met behulp van luchtvaartradio.
De ontwikkeling van piëzo-elektrische apparaten en materialen in de Verenigde Staten hield verschillende bedrijven in bedrijf en de ontwikkeling van kwartskristallen werd commercieel geëxploiteerd. Piëzo-elektrische materialen zijn sindsdien in verschillende toepassingen gebruikt, waaronder medische beeldvorming, ultrasone reiniging en meer.
Aandrijving ultrasoon mondstuk
Piëzo-elektriciteit is de elektrische lading die zich ophoopt in bepaalde vaste materialen zoals kristallen, keramiek en biologisch materiaal zoals bot en DNA. Het is een reactie op uitgeoefende mechanische spanning en is afgeleid van de Griekse woorden 'piezein', wat 'knijpen' of 'drukken' betekent, en 'elektron', wat 'barnsteen' betekent, een oude bron van elektrische lading.
Het piëzo-elektrische effect is een lineaire elektromechanische interactie tussen de mechanische en elektrische toestanden van kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Het is een omkeerbaar proces, wat betekent dat materialen die het piëzo-elektrische effect vertonen, ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, wat de interne generatie van mechanische spanning is die het gevolg is van een aangelegd elektrisch veld. Een voorbeeld hiervan zijn loodzirkonaattitanaatkristallen, die meetbare piëzo-elektriciteit genereren wanneer hun statische structuur wordt vervormd ten opzichte van de oorspronkelijke dimensie. Omgekeerd, wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, veranderen de kristallen van statische dimensie, wat resulteert in het omgekeerde piëzo-elektrische effect, de productie van ultrasone golven.
De Franse natuurkundigen Jacques en Pierre Curie ontdekten piëzo-elektriciteit in 1880 en het is sindsdien gebruikt voor een verscheidenheid aan nuttige toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid. Piëzo-elektriciteit vindt ook alledaagse toepassingen, zoals het genereren van vonken om gas te ontsteken in kook- en verwarmingstoestellen, fakkels, sigarettenaanstekers en meer.
Het pyro-elektrische effect, het materiaal dat een elektrische potentiaal genereert als reactie op een temperatuurverandering, werd bestudeerd door Carl Linnaeus, Franz Aepinus, en halverwege de 18e eeuw putte hij kennis uit René Haüy en Antoine César Becquerel die de relatie tussen mechanische spanning en elektrische lading. Experimenten om dit te bewijzen waren niet doorslaggevend.
De weergave van een piëzo-kristal in de Curie Compensator in het Hunterian Museum in Schotland is een demonstratie van het directe piëzo-elektrische effect door de broers Pierre en Jacques Curie. Door hun kennis van pyro-elektriciteit te combineren met het begrijpen van de onderliggende kristalstructuren, ontstond de voorspelling van pyro-elektriciteit en konden ze het kristalgedrag voorspellen. Dit werd aangetoond met het effect van kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout. Natrium- en kaliumtartraat-tetrahydraat en kwarts vertoonden ook piëzo-elektriciteit, en een piëzo-elektrische schijf werd gebruikt om bij vervorming een spanning op te wekken. Dit werd sterk overdreven door de Curies om het omgekeerde piëzo-elektrische effect te voorspellen, dat door Gabriel Lippmann in 1881 wiskundig werd afgeleid uit fundamentele thermodynamische principes.
De Curies bevestigden onmiddellijk het bestaan van het omgekeerde effect en gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen. Decennia lang bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium, maar het was een essentieel hulpmiddel bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie in hun werk om kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden te onderzoeken en te definiëren. Dit culmineerde in de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), waarin de natuurlijke kristalklassen die in staat zijn tot piëzo-elektriciteit werden beschreven en de piëzo-elektrische constanten nauwkeurig werden gedefinieerd door middel van tensoranalyse.
De praktische toepassing van piëzo-elektrische apparaten begon met sonar, die werd ontwikkeld tijdens de Eerste Wereldoorlog. In Frankrijk ontwikkelden Paul Langevin en zijn collega's een ultrasone onderzeese detector. De detector bestond uit een transducer gemaakt van dunne kwartskristallen die zorgvuldig op stalen platen waren gelijmd, een hydrofoon genaamd, om de teruggekaatste echo te detecteren na het uitzenden van een hoogfrequente puls. Door de tijd te meten die nodig is om de echo van geluidsgolven te horen die tegen een object weerkaatsen, kunnen ze de afstand tot het object berekenen. Dit gebruik van piëzo-elektriciteit in sonar was een succes en het project zorgde decennialang voor een intense ontwikkeling en interesse in piëzo-elektrische apparaten.
Nieuwe piëzo-elektrische materialen en nieuwe toepassingen voor deze materialen werden onderzocht en ontwikkeld, en piëzo-elektrische apparaten vonden hun weg in velden zoals keramische grammofooncartridges, wat het ontwerp van de speler vereenvoudigde en zorgde voor goedkopere, nauwkeurigere platenspelers die goedkoper te onderhouden en gemakkelijker te bouwen waren. . De ontwikkeling van ultrasone transducers zorgde voor een gemakkelijke meting van de viscositeit en elasticiteit van vloeistoffen en vaste stoffen, wat resulteerde in enorme vooruitgang in materiaalonderzoek. Ultrasone reflectometers in het tijdsdomein sturen een ultrasone puls door een materiaal en meten de reflecties en discontinuïteiten om gebreken in gegoten metalen en stenen voorwerpen te vinden
Ultrafijne focusserende optische samenstellingen
Piëzo-elektriciteit is het vermogen van bepaalde materialen om elektrische lading te accumuleren wanneer ze worden blootgesteld aan mechanische spanning. Het is een lineaire elektromechanische interactie tussen elektrische en mechanische toestanden van kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Piëzo-elektriciteit is een omkeerbaar proces, wat betekent dat materialen die piëzo-elektriciteit vertonen ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, wat het interne genereren van mechanische belasting is als gevolg van een aangelegd elektrisch veld.
Piëzo-elektriciteit is gebruikt in verschillende toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid en de opwekking van hoogspanningselektriciteit. Piëzo-elektriciteit wordt ook gebruikt bij inkjetprinten, klokgeneratoren, elektronische apparaten, microbalansen, ultrasone sproeiers en optische ultrafijne focusserende assemblages.
Piëzo-elektriciteit werd in 1880 ontdekt door de Franse natuurkundigen Jacques en Pierre Curie. Het piëzo-elektrische effect wordt benut in nuttige toepassingen, zoals de productie en detectie van geluid en de opwekking van hoogspanningselektriciteit. Piëzo-elektrisch inkjetprinten wordt ook gebruikt, evenals klokgeneratoren, elektronische apparaten, microbalansen, ultrasone sproeiers en optische ultrafijne focusserende assemblages.
Piëzo-elektriciteit heeft zijn weg gevonden naar alledaags gebruik, zoals het genereren van vonken om gas te ontsteken voor kook- en verwarmingstoestellen, fakkels, sigarettenaanstekers en materialen met pyro-elektrisch effect die elektrisch potentieel genereren als reactie op een temperatuurverandering. Dit effect werd in het midden van de 18e eeuw bestudeerd door Carl Linnaeus en Franz Aepinus, gebruikmakend van kennis van René Haüy en Antoine César Becquerel die een verband poneerden tussen mechanische spanning en elektrische lading. Experimenten bleken niet doorslaggevend.
De weergave van een piëzo-kristal in de Curie Compensator in het Hunterian Museum in Schotland is een demonstratie van het directe piëzo-elektrische effect door de broers Pierre en Jacques Curie. Gecombineerd met hun kennis van pyro-elektriciteit en hun begrip van de onderliggende kristalstructuren, gaven ze aanleiding tot de voorspelling van pyro-elektriciteit en het vermogen om kristalgedrag te voorspellen. Dit werd aangetoond in het effect van kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout.
Natrium- en kaliumtartraat-tetrahydraat, en kwarts en Rochelle-zout vertoonden piëzo-elektriciteit, en een piëzo-elektrische schijf werd gebruikt om bij vervorming een spanning op te wekken, hoewel de vormverandering sterk overdreven was. De Curies voorspelden het omgekeerde piëzo-elektrische effect, en het omgekeerde effect werd wiskundig afgeleid uit fundamentele thermodynamische principes door Gabriel Lippmann in 1881. De Curies bevestigden onmiddellijk het bestaan van het omgekeerde effect en gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro- elasto-mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen.
Decennialang bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium totdat het een essentieel instrument werd bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie. Hun werk om de kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden te onderzoeken en te definiëren, culmineerde in de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dit beschreef de natuurlijke kristalklassen die in staat zijn tot piëzo-elektriciteit en definieerde nauwkeurig de piëzo-elektrische constanten met behulp van tensoranalyse voor praktische toepassing van piëzo-elektrische apparaten.
De ontwikkeling van sonar was een succesproject dat een intense ontwikkeling en interesse in piëzo-elektrische apparaten veroorzaakte. Tientallen jaren later werden nieuwe piëzo-elektrische materialen en nieuwe toepassingen voor deze materialen onderzocht en ontwikkeld. Piëzo-elektrische apparaten vonden huizen op verschillende gebieden, zoals keramische grammofooncartridges, die het ontwerp van de speler vereenvoudigden en platenspelers goedkoper en gemakkelijker te onderhouden en te bouwen maakten. De ontwikkeling van ultrasone transducers zorgde voor een gemakkelijke meting van viscositeit en elasticiteit van vloeistoffen en vaste stoffen, wat resulteerde in enorme vooruitgang in materiaalonderzoek. Ultrasone tijddomeinreflectometers sturen een ultrasone puls in een materiaal en meten de reflecties en discontinuïteiten om gebreken in gegoten metalen en stenen voorwerpen te vinden, waardoor de structurele veiligheid wordt verbeterd.
Het begin van het veld van piëzo-elektrische belangen werd veiliggesteld met de winstgevende patenten van nieuwe materialen die waren ontwikkeld op basis van kwartskristallen, die commercieel werden geëxploiteerd als piëzo-elektrisch materiaal. Wetenschappers zochten naar hoogwaardigere materialen en ondanks de vooruitgang in materialen en de rijping van productieprocessen, groeide de Amerikaanse markt niet snel. Daarentegen deelden Japanse fabrikanten informatie snel en nieuwe toepassingen voor groei in de piëzo-elektrische industrie in de Verenigde Staten leden in tegenstelling tot Japanse fabrikanten.
Piëzo-elektrische motoren
In dit gedeelte zal ik het hebben over hoe piëzo-elektriciteit wordt gebruikt in moderne technologie. Van scanning-sondemicroscopen die beelden op atomaire schaal kunnen oplossen tot pickups voor elektronisch versterkte gitaren en triggers voor moderne elektronische drums, piëzo-elektriciteit is een integraal onderdeel geworden van veel apparaten. Ik zal de geschiedenis van piëzo-elektriciteit onderzoeken en hoe het in verschillende toepassingen is gebruikt.
Vormt de basis van scanning-probemicroscopen
Piëzo-elektriciteit is de elektrische lading die zich ophoopt in bepaalde vaste materialen, zoals kristallen, keramiek en biologisch materiaal zoals bot en DNA. Het is de reactie op uitgeoefende mechanische spanning, en het woord piëzo-elektriciteit komt van het Griekse woord πιέζειν (piezein) dat "knijpen" of "drukken" betekent en ἤλεκτρον (ēlektron) dat "barnsteen" betekent, een oude bron van elektrische lading.
Piëzo-elektrische motoren zijn apparaten die het piëzo-elektrische effect gebruiken om beweging te genereren. Dit effect is de lineaire elektromechanische interactie tussen mechanische en elektrische toestanden in kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Het is een omkeerbaar proces, wat betekent dat materialen die het piëzo-elektrische effect vertonen, ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, wat de interne opwekking van mechanische spanning is die het gevolg is van een aangelegd elektrisch veld. Voorbeelden van materialen die meetbare piëzo-elektriciteit genereren, zijn loodzirkonaattitanaatkristallen.
Het piëzo-elektrische effect wordt benut in nuttige toepassingen, zoals de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten, het opwekken van hoogspanningselektriciteit, klokgeneratoren en elektronische apparaten zoals microbalansen en ultrasone aandrijfmondstukken voor ultrafijne focusserende optische assemblages. Het vormt ook de basis van scanning probe microscopen, die worden gebruikt om beelden op atomaire schaal op te lossen.
Piëzo-elektriciteit werd in 1880 ontdekt door de Franse natuurkundigen Jacques en Pierre Curie. De weergave van een piëzo-kristal en de Curie-compensator is te zien in het Hunterian Museum in Schotland, een demonstratie van het directe piëzo-elektrische effect door de broers Pierre en Jacques Curie.
Door hun kennis van pyro-elektriciteit te combineren met hun begrip van de onderliggende kristalstructuren, ontstond de voorspelling van pyro-elektriciteit, waardoor ze het kristalgedrag konden voorspellen. Dit werd aangetoond door het effect van kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout. Natrium- en kaliumtartraat-tetrahydraat en kwarts en Rochelle-zout vertoonden piëzo-elektriciteit, en een piëzo-elektrische schijf werd gebruikt om bij vervorming een spanning op te wekken, hoewel dit sterk werd overdreven door de Curies.
Ze voorspelden ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect, en dit werd wiskundig afgeleid uit fundamentele thermodynamische principes door Gabriel Lippmann in 1881. De Curies bevestigden onmiddellijk het bestaan van het omgekeerde effect en gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-elektrische effecten. mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen.
Decennialang bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium totdat het een essentieel instrument werd bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie. Hun werk om de kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden te onderzoeken en te definiëren, culmineerde in de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), waarin de natuurlijke kristalklassen die in staat zijn tot piëzo-elektriciteit werden beschreven en de piëzo-elektrische constanten en tensoranalyse nauwkeurig werden gedefinieerd.
Dit leidde tot de praktische toepassing van piëzo-elektrische apparaten, zoals sonar, die werd ontwikkeld tijdens de Eerste Wereldoorlog. In Frankrijk ontwikkelden Paul Langevin en zijn collega's een ultrasone onderzeese detector. Deze detector bestond uit een transducer gemaakt van dunne kwartskristallen die zorgvuldig op stalen platen waren gelijmd, en een hydrofoon om de teruggekaatste echo te detecteren na het uitzenden van een hoogfrequente puls van de transducer. Door de tijd te meten die nodig is om de echo van de geluidsgolven die tegen een object weerkaatsen te horen, konden ze de afstand tot het object berekenen. Ze gebruikten piëzo-elektriciteit om van deze sonar een succes te maken, en het project zorgde decennialang voor een intense ontwikkeling en belangstelling voor piëzo-elektrische apparaten.
Nieuwe piëzo-elektrische materialen en nieuwe toepassingen voor deze materialen werden verkend en ontwikkeld, en piëzo-elektrische apparaten vonden hun weg op veel gebieden, zoals keramische grammofooncartridges, die het ontwerp van de speler vereenvoudigden en zorgden voor goedkopere en nauwkeurigere platenspelers die goedkoper te onderhouden en gemakkelijker waren. bouwen. De ontwikkeling van ultrasone transducers zorgde voor een gemakkelijke meting van de viscositeit en elasticiteit van vloeistoffen en vaste stoffen, wat resulteerde in enorme vooruitgang in materiaalonderzoek. Ultrasone tijddomeinreflectometers sturen een ultrasone puls in een materiaal en meten de reflecties en discontinuïteiten om gebreken in gegoten metalen en stenen voorwerpen te vinden, waardoor de structurele veiligheid wordt verbeterd.
Tijdens de Tweede Wereldoorlog kwamen onafhankelijke onderzoeksgroepen in de Verenigde
Los afbeeldingen op schaal van atomen op
Piëzo-elektriciteit is de elektrische lading die zich ophoopt in bepaalde vaste materialen zoals kristallen, keramiek en biologisch materiaal zoals bot en DNA. Het is een reactie op uitgeoefende mechanische spanning en is afgeleid van het Griekse woord 'piezein', wat samendrukken of drukken betekent. Het piëzo-elektrische effect is het resultaat van de lineaire elektromechanische interactie tussen de mechanische en elektrische toestanden in kristallijne materialen met inversiesymmetrie.
Piëzo-elektriciteit is een omkeerbaar proces en materialen die het piëzo-elektrische effect vertonen, vertonen ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect, de interne opwekking van mechanische belasting als gevolg van een aangelegd elektrisch veld. Voorbeelden hiervan zijn onder meer loodzirkonaattitanaatkristallen, die meetbare piëzo-elektriciteit genereren wanneer hun statische structuur wordt vervormd ten opzichte van de oorspronkelijke dimensie. Omgekeerd veranderen kristallen van statische dimensie wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, dat bekend staat als het omgekeerde piëzo-elektrische effect en wordt gebruikt bij de productie van ultrasone golven.
De Franse natuurkundigen Jacques en Pierre Curie ontdekten piëzo-elektriciteit in 1880. Het piëzo-elektrische effect is gebruikt voor een verscheidenheid aan nuttige toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten, het opwekken van hoogspanningselektriciteit, klokgeneratoren en elektronische apparaten zoals microbalansen en aandrijving van ultrasone straalpijpen. Het vormt ook de basis van scanning probe microscopen, die worden gebruikt om beelden op atomaire schaal op te lossen.
Piëzo-elektriciteit wordt ook gebruikt in alledaagse toepassingen, zoals het genereren van vonken om gas te ontsteken in kook- en verwarmingstoestellen, fakkels, sigarettenaanstekers en meer. Het pyro-elektrische effect, een materiaal dat een elektrische potentiaal genereert als reactie op een temperatuurverandering, werd halverwege de 18e eeuw bestudeerd door Carl Linnaeus en Franz Aepinus. Op basis van de kennis van René Haüy en Antoine César Becquerel stelden ze een verband tussen mechanische spanning en elektrische lading, maar hun experimenten bleken niet doorslaggevend.
Bezoekers van het Hunterian Museum in Glasgow kunnen een piëzokristal Curie-compensator bekijken, een demonstratie van het directe piëzo-elektrische effect door de broers Pierre en Jacques Curie. Gecombineerd met hun kennis van pyro-elektriciteit en begrip van de onderliggende kristalstructuren, gaven ze aanleiding tot de voorspelling van pyro-elektriciteit en het vermogen om kristalgedrag te voorspellen. Dit werd aangetoond door het effect van kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout. Natrium- en kaliumtartraat-tetrahydraat, en kwarts en Rochelle-zout vertoonden piëzo-elektriciteit, en een piëzo-elektrische schijf genereert een spanning wanneer deze wordt vervormd, hoewel de vormverandering sterk overdreven is. De Curies waren in staat om het omgekeerde piëzo-elektrische effect te voorspellen, en het omgekeerde effect werd wiskundig afgeleid uit fundamentele thermodynamische principes door Gabriel Lippmann in 1881.
De Curies bevestigden onmiddellijk het bestaan van het omgekeerde effect en gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen. Decennialang bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium, maar het was een essentieel hulpmiddel bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie. Hun werk om kristalstructuren te onderzoeken en te definiëren die piëzo-elektriciteit vertoonden, culmineerde in de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics).
Pickups elektronisch versterkte gitaren
Piëzo-elektrische motoren zijn elektromotoren die het piëzo-elektrische effect gebruiken om elektrische energie om te zetten in mechanische energie. Het piëzo-elektrische effect is het vermogen van bepaalde materialen om een elektrische lading te genereren wanneer ze worden blootgesteld aan mechanische spanning. Piëzo-elektrische motoren worden gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen, van het aandrijven van kleine apparaten zoals horloges en klokken tot het aandrijven van grotere machines zoals robots en medische apparatuur.
Piëzo-elektrische motoren worden gebruikt in pickups, elektronisch versterkte gitaren. Deze pickups gebruiken het piëzo-elektrische effect om de trillingen van de gitaarsnaren om te zetten in een elektrisch signaal. Dit signaal wordt vervolgens versterkt en naar een versterker gestuurd, die het geluid van de gitaar produceert. Piëzo-elektrische pickups worden ook gebruikt in moderne elektronische drums, waar ze worden gebruikt om de trillingen van de drumvellen te detecteren en om te zetten in een elektrisch signaal.
Piëzo-elektrische motoren worden ook gebruikt in scanning-sondemicroscopen, die het piëzo-elektrische effect gebruiken om een kleine sonde over een oppervlak te bewegen. Hierdoor kan de microscoop beelden oplossen op atomaire schaal. Piëzo-elektrische motoren worden ook gebruikt in inkjetprinters, waar ze worden gebruikt om de printkop heen en weer over de pagina te bewegen.
Piëzo-elektrische motoren worden gebruikt in tal van andere toepassingen, waaronder medische apparaten, auto-onderdelen en consumentenelektronica. Ze worden ook gebruikt in industriële toepassingen, zoals bij de productie van precisieonderdelen en bij de assemblage van complexe componenten. Het piëzo-elektrische effect wordt ook gebruikt bij de productie van ultrasone golven, die worden gebruikt in medische beeldvorming en bij het opsporen van onvolkomenheden in materialen.
Over het algemeen worden piëzo-elektrische motoren gebruikt in een breed scala aan toepassingen, van het aandrijven van kleine apparaten tot het aandrijven van grotere machines. Ze worden gebruikt in pick-ups, elektronisch versterkte gitaren, moderne elektronische drums, scanning-sondemicroscopen, inkjetprinters, medische apparaten, auto-onderdelen en consumentenelektronica. Het piëzo-elektrische effect wordt ook gebruikt bij de productie van ultrasone golven en bij het opsporen van fouten in materialen.
Activeert moderne elektronische drums
Piëzo-elektriciteit is de elektrische lading die zich ophoopt in bepaalde vaste materialen zoals kristallen, keramiek en biologisch materiaal zoals bot en DNA. Het is de reactie van deze materialen op toegepaste mechanische spanning. Het woord piëzo-elektriciteit is afgeleid van het Griekse woord "piezein", wat "knijpen of drukken" betekent, en het woord "elektron", wat "barnsteen" betekent, een oude bron van elektrische lading.
Piëzo-elektrische motoren zijn apparaten die het piëzo-elektrische effect gebruiken om beweging te genereren. Dit effect is het resultaat van de lineaire elektromechanische interactie tussen de mechanische en elektrische toestanden van kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Het is een omkeerbaar proces, wat betekent dat materialen die het piëzo-elektrische effect vertonen, ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, wat de interne generatie van mechanische spanning is die het gevolg is van een aangelegd elektrisch veld. Een voorbeeld hiervan zijn loodzirkonaattitanaatkristallen, die meetbare piëzo-elektriciteit genereren wanneer hun statische structuur wordt vervormd ten opzichte van de oorspronkelijke dimensie. Omgekeerd, wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, veranderen de kristallen van statische dimensie, waardoor ultrasone golven worden geproduceerd.
Piëzo-elektrische motoren worden gebruikt in verschillende alledaagse toepassingen, zoals:
• Vonken genereren om gas te ontsteken in kook- en verwarmingstoestellen
• Fakkels, sigarettenaanstekers en materialen met pyro-elektrisch effect
• Opwekken van elektrische potentiaal als reactie op temperatuurveranderingen
• Productie en detectie van geluid
• Piëzo-elektrisch inkjet printen
• Opwekking van hoogspanningselektriciteit
• Klokgenerator en elektronische apparaten
• Microbalansen
• Aandrijving van ultrasone nozzles en ultrafijne focusserende optische assemblages
• Vormt de basis van scanning probe microscopen
• Los beelden op de schaal van atomen op
• Pickups elektronisch versterkte gitaren
• Activeert moderne elektronische drums.
Elektromechanische modellering van piëzo-elektrische transducers
In deze sectie zal ik de elektromechanische modellering van piëzo-elektrische transducers onderzoeken. Ik zal kijken naar de geschiedenis van de ontdekking van piëzo-elektriciteit, de experimenten die het bestaan ervan hebben bewezen, en de ontwikkeling van piëzo-elektrische apparaten en materialen. Ik zal ook de bijdragen bespreken van de Franse natuurkundigen Pierre en Jacques Curie, Carl Linnaeus en Franz Aepinus, Rene Hauy en Antoine Cesar Becquerel, Gabriel Lippmann en Woldemar Voigt.
Franse natuurkundigen Pierre en Jacques Curie
Piëzo-elektriciteit is een elektromechanisch fenomeen waarbij elektrische lading zich ophoopt in bepaalde vaste materialen zoals kristallen, keramiek en biologisch materiaal zoals bot en DNA. Deze lading wordt gegenereerd als reactie op een toegepaste mechanische spanning. Het woord 'piëzo-elektriciteit' is afgeleid van het Griekse woord 'piezein', wat 'knijpen of drukken' betekent, en 'elektron', wat 'barnsteen' betekent, een oude bron van elektrische lading.
Het piëzo-elektrische effect is het resultaat van een lineaire elektromechanische interactie tussen mechanische en elektrische toestanden in materialen met inversiesymmetrie. Dit effect is omkeerbaar, wat betekent dat materialen die het piëzo-elektrische effect vertonen, ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, waarbij interne mechanische spanning wordt geproduceerd als reactie op een aangelegd elektrisch veld. Loodzirkonaattitanaatkristallen genereren bijvoorbeeld meetbare piëzo-elektriciteit wanneer hun statische structuur wordt vervormd ten opzichte van de oorspronkelijke dimensie. Omgekeerd, wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, veranderen de kristallen van statische dimensie, waardoor ultrasone golven worden geproduceerd in het proces dat bekend staat als het omgekeerde piëzo-elektrische effect.
In 1880 ontdekten de Franse natuurkundigen Pierre en Jacques Curie het piëzo-elektrische effect en het is sindsdien gebruikt voor een verscheidenheid aan nuttige toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten, het opwekken van hoogspanningselektriciteit, klokgeneratoren en elektronische apparaten zoals microbalansen en ultrasone sproeikoppen voor ultrafijne focusserende optische assemblages. Het vormt ook de basis voor scanning probe microscopen, die beelden op atomaire schaal kunnen oplossen. Piëzo-elektriciteit wordt ook gebruikt in pickups voor elektronisch versterkte gitaren en triggers voor moderne elektronische drums.
Piëzo-elektriciteit vindt ook alledaagse toepassingen, zoals het genereren van vonken om gas te ontsteken in kook- en verwarmingstoestellen, fakkels, sigarettenaanstekers en meer. Het pyro-elektrische effect, waarbij een materiaal een elektrische potentiaal opwekt als reactie op een temperatuurverandering, werd halverwege de 18e eeuw bestudeerd door Carl Linnaeus en Franz Aepinus, gebruikmakend van de kennis van René Hauy en Antoine César Becquerel, die een verband tussen mechanische stress en elektrische lading, hoewel hun experimenten niet doorslaggevend bleken.
Door hun kennis van pyro-elektriciteit te combineren met begrip van de onderliggende kristalstructuren, konden de Curies aanleiding geven tot de voorspelling van pyro-elektriciteit en het gedrag van kristallen voorspellen. Dit werd aangetoond in het effect van kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout. Natriumkaliumtartraat-tetrahydraat en kwarts vertoonden ook piëzo-elektriciteit. Een piëzo-elektrische schijf genereert een spanning wanneer deze wordt vervormd, hoewel dit sterk overdreven is in de Curies-demonstratie. Ze waren ook in staat om het omgekeerde piëzo-elektrische effect te voorspellen en het wiskundig af te leiden uit fundamentele thermodynamische principes van Gabriel Lippmann in 1881.
De Curies bevestigden onmiddellijk het bestaan van het omgekeerde effect en gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen. In de decennia die volgden, bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium totdat het een essentieel hulpmiddel werd bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie. Hun werk om de kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden te onderzoeken en te definiëren, culmineerde in de publicatie van Woldemar Voigt's 'Lehrbuch der Kristallphysik' (Textbook of Crystal Physics).
Experimenten bleken niet doorslaggevend
Piëzo-elektriciteit is een elektromechanisch fenomeen waarbij elektrische lading zich ophoopt in bepaalde vaste materialen, zoals kristallen, keramiek en biologisch materiaal zoals bot en DNA. Het is de reactie op toegepaste mechanische spanning en het woord 'piëzo-elektriciteit' is afgeleid van de Griekse woorden 'piezein', wat 'knijpen of drukken' betekent, en 'ēlektron', wat 'barnsteen' betekent, een oude bron van elektrische lading.
Het piëzo-elektrische effect is het resultaat van de lineaire elektromechanische interactie tussen de mechanische en elektrische toestanden van kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Het is een omkeerbaar proces; materialen die het piëzo-elektrische effect vertonen, vertonen ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect, het interne genereren van mechanische spanning als gevolg van een aangelegd elektrisch veld. Loodzirkonaattitanaatkristallen genereren bijvoorbeeld meetbare piëzo-elektriciteit wanneer hun statische structuur wordt vervormd ten opzichte van de oorspronkelijke dimensie. Omgekeerd kunnen kristallen hun statische dimensie veranderen wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, bekend als het omgekeerde piëzo-elektrische effect, dat wordt gebruikt bij de productie van ultrasone golven.
De Franse natuurkundigen Pierre en Jacques Curie ontdekten piëzo-elektriciteit in 1880. Het is sindsdien gebruikt voor een verscheidenheid aan nuttige toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten, het opwekken van hoogspanningselektriciteit, klokgeneratoren en elektronische apparaten zoals microbalansen. , aandrijf ultrasone spuitmonden en ultrafijne focusserende optische assemblages. Het vormt ook de basis van scanning probe microscopen, die beelden op atomaire schaal kunnen oplossen. Piëzo-elektriciteit wordt ook gebruikt in pickups voor elektronisch versterkte gitaren en triggers voor moderne elektronische drums.
Piëzo-elektriciteit wordt dagelijks gebruikt bij het opwekken van vonken om gas te ontsteken in kook- en verwarmingstoestellen, fakkels, sigarettenaanstekers en meer. Het pyro-elektrische effect, waarbij een materiaal een elektrische potentiaal genereert als reactie op een temperatuurverandering, werd bestudeerd door Carl Linnaeus en Franz Aepinus in het midden van de 18e eeuw, gebruikmakend van de kennis van René Hauy en Antoine César Becquerel, die een relatie poneerden tussen mechanische belasting en elektrische lading. Experimenten bleken niet doorslaggevend.
De gecombineerde kennis van pyro-elektriciteit en het begrip van de onderliggende kristalstructuren leidde tot de voorspelling van pyro-elektriciteit en het vermogen om het gedrag van kristallen te voorspellen. Dit werd aangetoond in het effect van kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout. Natriumkaliumtartraat-tetrahydraat en kwarts vertoonden ook piëzo-elektriciteit, en een piëzo-elektrische schijf werd gebruikt om bij vervorming een spanning op te wekken. Dit werd sterk overdreven in de demonstratie van de Curies van het directe piëzo-elektrische effect.
De broers Pierre en Jacques Curie voorspelden het omgekeerde piëzo-elektrische effect, en het omgekeerde effect werd in 1881 door Gabriel Lippmann wiskundig afgeleid uit fundamentele thermodynamische principes. De Curies bevestigden onmiddellijk het bestaan van het omgekeerde effect en verkregen vervolgens kwantitatief bewijs van het volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen.
Decennialang bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium, maar het was een essentieel hulpmiddel bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie. Hun werk om de kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden te onderzoeken en te definiëren, culmineerde in de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dit beschreef de natuurlijke kristalklassen die in staat zijn tot piëzo-elektriciteit en definieerde de piëzo-elektrische constanten rigoureus met behulp van tensoranalyse. Dit was de eerste praktische toepassing van piëzo-elektrische transducers en sonar werd ontwikkeld tijdens de Eerste Wereldoorlog. In Frankrijk ontwikkelden Paul Langevin en zijn collega's een ultrasone onderzeese detector.
Carl Linnaeus en Franz Aepinus
Piëzo-elektriciteit is een elektromechanisch fenomeen waarbij elektrische lading zich ophoopt in bepaalde vaste materialen zoals kristallen, keramiek en biologisch materiaal zoals bot en DNA. Deze lading wordt gegenereerd als reactie op toegepaste mechanische spanning. Het woord piëzo-elektriciteit komt van de Griekse woorden πιέζειν (piezein) wat "knijpen of drukken" betekent en ἤλεκτρον (ēlektron) wat "barnsteen" betekent, een oude bron van elektrische lading.
Het piëzo-elektrische effect is het resultaat van een lineaire elektromechanische interactie tussen de mechanische en elektrische toestanden van kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Dit effect is omkeerbaar, wat betekent dat materialen die piëzo-elektriciteit vertonen ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, wat de interne opwekking is van mechanische belasting als gevolg van een aangelegd elektrisch veld. Loodzirkonaattitanaatkristallen genereren bijvoorbeeld meetbare piëzo-elektriciteit wanneer hun statische structuur wordt vervormd ten opzichte van de oorspronkelijke dimensie. Omgekeerd kunnen kristallen hun statische dimensie veranderen wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, wat bekend staat als het omgekeerde piëzo-elektrische effect en wordt gebruikt bij de productie van ultrasone golven.
In 1880 ontdekten de Franse natuurkundigen Jacques en Pierre Curie het piëzo-elektrische effect en het is sindsdien gebruikt voor vele nuttige toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten, het opwekken van hoogspanningselektriciteit, klokgeneratoren, elektronische apparaten, microbalansen , aandrijf ultrasone spuitmonden en ultrafijne focusserende optische assemblages. Het vormt ook de basis voor scanning probe microscopen, die worden gebruikt om beelden op de schaal van atomen op te lossen. Piëzo-elektriciteit wordt ook gebruikt in pickups voor elektronisch versterkte gitaren en triggers voor moderne elektronische drums.
Piëzo-elektriciteit komt ook voor in alledaags gebruik, zoals het genereren van vonken om gas te ontsteken in kook- en verwarmingstoestellen, fakkels, sigarettenaanstekers en het pyro-elektrische effect, waarbij een materiaal een elektrisch potentieel genereert als reactie op een temperatuurverandering. Dit effect werd halverwege de 18e eeuw bestudeerd door Carl Linnaeus en Franz Aepinus, gebruikmakend van kennis van René Hauy en Antoine César Becquerel, die een verband poneerden tussen mechanische spanning en elektrische lading, hoewel hun experimenten niet doorslaggevend bleken.
De weergave van een piëzo-kristal in de Curie-compensator in het Hunterian Museum in Schotland is een demonstratie van het directe piëzo-elektrische effect door de broers Pierre en Jacques Curie. Door hun kennis van pyro-elektriciteit te combineren met begrip van de onderliggende kristalstructuren, ontstond de voorspelling van pyro-elektriciteit en het vermogen om het kristalgedrag te voorspellen. Dit werd aangetoond door het effect van kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout. Natriumkaliumtartraat-tetrahydraat en kwarts uit Rochelle-zout vertoonden piëzo-elektriciteit, en een piëzo-elektrische schijf genereert een spanning wanneer deze wordt vervormd, hoewel dit sterk overdreven is in de Curies-demonstratie.
De voorspelling van het omgekeerde piëzo-elektrische effect en de wiskundige afleiding ervan uit fundamentele thermodynamische principes werd gedaan door Gabriel Lippmann in 1881. De Curies bevestigden onmiddellijk het bestaan van het omgekeerde effect en gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-elektrische effecten. mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen. Decennialang bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium totdat het een essentieel hulpmiddel werd bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie, die het gebruikten om kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden te onderzoeken en te definiëren. Dit culmineerde in de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), waarin de natuurlijke kristalklassen die in staat zijn tot piëzo-elektriciteit werden beschreven en de piëzo-elektrische constanten nauwkeurig werden gedefinieerd met behulp van tensoranalyse.
Deze praktische toepassing van piëzo-elektrische transducers leidde tot de ontwikkeling van sonar tijdens de Eerste Wereldoorlog. In Frankrijk ontwikkelden Paul Langevin en zijn collega's een ultrasone onderzeese detector. De detector bestond uit een transducer gemaakt van dunne kwartskristallen die zorgvuldig op stalen platen waren gelijmd, en een hydrofoon om de teruggekaatste echo te detecteren na het uitzenden van een hoogfrequente puls van de transducer. Door de tijd te meten die nodig is om de echo van geluidsgolven die tegen een object weerkaatsen te horen, konden ze de afstand tot het object berekenen. Ze gebruikten piëzo-elektriciteit om deze sonar tot een succes te maken, en het project zorgde voor een intense ontwikkeling en interesse in piëzo-elektrische apparaten
René Hauy en Antoine César Becquerel
Piëzo-elektriciteit is een elektromechanisch fenomeen dat optreedt wanneer bepaalde vaste materialen, zoals kristallen, keramiek en biologische materie zoals bot en DNA, elektrische lading accumuleren als reactie op toegepaste mechanische spanning. Piëzo-elektriciteit is afgeleid van het Griekse woord 'piezein', wat 'knijpen of drukken' betekent, en 'elektron', wat 'barnsteen' betekent, een oude bron van elektrische lading.
Het piëzo-elektrische effect is het resultaat van een lineaire elektromechanische interactie tussen mechanische en elektrische toestanden in kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Dit effect is omkeerbaar, wat betekent dat materialen die het piëzo-elektrische effect vertonen ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, of interne opwekking van mechanische spanning als gevolg van een aangelegd elektrisch veld. Loodzirkonaattitanaatkristallen genereren bijvoorbeeld meetbare piëzo-elektriciteit wanneer hun statische structuur wordt vervormd ten opzichte van de oorspronkelijke dimensie. Omgekeerd kunnen kristallen hun statische dimensie veranderen wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, wat resulteert in het omgekeerde piëzo-elektrische effect en de productie van ultrasone golven.
De Franse natuurkundigen Pierre en Jacques Curie ontdekten het piëzo-elektrische effect in 1880. Dit effect is gebruikt voor een verscheidenheid aan nuttige toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten, het opwekken van hoogspanningselektriciteit, klokgeneratoren en elektronische apparaten zoals microbalansen, aandrijf ultrasone spuitmonden en ultrafijne focusserende optische assemblages. Het vormt ook de basis van scanning probe microscopen, die beelden op atomaire schaal kunnen oplossen. Piëzo-elektriciteit wordt ook gebruikt in pickups voor elektronisch versterkte gitaren en triggers voor moderne elektronische drums.
Het piëzo-elektrische effect werd voor het eerst bestudeerd door Carl Linnaeus en Franz Aepinus in het midden van de 18e eeuw, gebruikmakend van kennis van Rene Hauy en Antoine Cesar Becquerel, die een verband poneerden tussen mechanische spanning en elektrische lading. Experimenten bleken echter niet doorslaggevend. Gecombineerd met kennis van pyro-elektriciteit en begrip van de onderliggende kristalstructuren, leidde dit tot de voorspelling van pyro-elektriciteit en het vermogen om kristalgedrag te voorspellen. Dit werd aangetoond in het effect van kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout. Natriumkaliumtartraat-tetrahydraat en kwarts vertoonden ook piëzo-elektriciteit, en een piëzo-elektrische schijf werd gebruikt om bij vervorming een spanning op te wekken. Dit effect werd sterk overdreven tijdens de Curies-demonstratie in het Museum of Scotland, die het directe piëzo-elektrische effect aantoonde.
De broers Pierre en Jacques Curie gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen. Decennia lang bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium, totdat het een vitaal instrument werd bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie. Dit werk onderzocht en definieerde de kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden, met als hoogtepunt de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics).
De Curies bevestigden onmiddellijk het bestaan van het omgekeerde effect en leidden vervolgens wiskundig de fundamentele thermodynamische principes van het omgekeerde effect af. Dit werd gedaan door Gabriel Lippmann in 1881. Piëzo-elektriciteit werd vervolgens gebruikt om sonar te ontwikkelen tijdens de Eerste Wereldoorlog. In Frankrijk ontwikkelden Paul Langevin en zijn collega's een ultrasone onderzeese detector. Deze detector bestond uit een transducer gemaakt van dunne kwartskristallen die zorgvuldig op stalen platen waren gelijmd, en een hydrofoon om de teruggekaatste echo te detecteren. Door een hoogfrequente puls van de transducer uit te zenden en de tijd te meten die nodig is om de echo van de geluidsgolven die tegen een object weerkaatsen te horen, konden ze de afstand tot het object berekenen.
Het gebruik van piëzo-elektrische kristallen werd na de Tweede Wereldoorlog verder ontwikkeld door Bell Telephone Laboratories. Frederick R. Lack, werkzaam op de technische afdeling voor radiotelefonie, ontwikkelde een geslepen kristal dat over een breed temperatuurbereik kon werken. Het kristal van Lack had niet de zware accessoires van eerdere kristallen nodig, waardoor het gebruik in vliegtuigen werd vergemakkelijkt. Door deze ontwikkeling konden de geallieerde luchtmachten gecoördineerde massale aanvallen uitvoeren met behulp van luchtvaartradio. De ontwikkeling van piëzo-elektrische apparaten en materialen in de Verenigde Staten hield bedrijven in de ontwikkeling van het begin van de oorlog in het veld, en belangen in het veiligstellen van winstgevende patenten voor nieuwe ontwikkelde materialen. Kwartskristallen werden commercieel geëxploiteerd als piëzo-elektrisch materiaal en wetenschappers zochten naar hoogwaardigere materialen. Ondanks vooruitgang in materialen en rijping van productieprocessen, de Verenigde Staten
Gabriël Lippman
Piëzo-elektriciteit is een elektromechanisch fenomeen waarbij elektrische lading zich ophoopt in bepaalde vaste materialen, zoals kristallen, keramiek en biologisch materiaal zoals bot en DNA. Het is het resultaat van een interactie tussen mechanische en elektrische toestanden in materialen met inversiesymmetrie. Piëzo-elektriciteit werd voor het eerst ontdekt door de Franse natuurkundigen Pierre en Jacques Curie in 1880.
Piëzo-elektriciteit is gebruikt voor een verscheidenheid aan nuttige toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten en het opwekken van hoogspanningselektriciteit. Piëzo-elektriciteit is afgeleid van de Griekse woorden πιέζειν (piezein) wat "knijpen of drukken" betekent en ἤλεκτρον (ēlektron) wat "barnsteen" betekent, een oude bron van elektrische lading.
Het piëzo-elektrische effect is omkeerbaar, wat betekent dat materialen die piëzo-elektriciteit vertonen ook het omgekeerde piëzo-elektrische effect vertonen, waarbij de interne opwekking van mechanische belasting het gevolg is van de toepassing van een elektrisch veld. Loodzirkonaattitanaatkristallen genereren bijvoorbeeld meetbare piëzo-elektriciteit wanneer hun statische structuur wordt vervormd ten opzichte van de oorspronkelijke dimensie. Omgekeerd kunnen kristallen hun statische dimensie veranderen wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, een proces dat bekend staat als het omgekeerde piëzo-elektrische effect. Dit proces kan worden gebruikt om ultrasone golven te produceren.
Het piëzo-elektrische effect wordt bestudeerd sinds het midden van de 18e eeuw, toen Carl Linnaeus en Franz Aepinus, voortbouwend op de kennis van René Hauy en Antoine César Becquerel, een verband poneerden tussen mechanische spanning en elektrische lading. Experimenten bleken echter niet doorslaggevend. Pas toen de gecombineerde kennis van pyro-elektriciteit en begrip van de onderliggende kristalstructuren aanleiding gaven tot de voorspelling van pyro-elektriciteit, konden onderzoekers kristalgedrag voorspellen. Dit werd aangetoond door het effect van kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout.
Gabriel Lippmann leidde in 1881 wiskundig de fundamentele thermodynamische principes van het omgekeerde piëzo-elektrische effect af. De Curies bevestigden onmiddellijk het bestaan van het omgekeerde effect en gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen.
Decennialang bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium totdat het een essentieel instrument werd bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre en Marie Curie. Hun werk om de kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden te onderzoeken en te definiëren, culmineerde in de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dit beschreef de natuurlijke kristalklassen die in staat zijn tot piëzo-elektriciteit en definieerde de piëzo-elektrische constanten rigoureus met tensoranalyse.
De praktische toepassing van piëzo-elektrische apparaten begon met de ontwikkeling van sonar tijdens de Eerste Wereldoorlog. Paul Langevin en zijn collega's ontwikkelden een ultrasone onderzeese detector. Deze detector bestond uit een transducer gemaakt van dunne kwartskristallen die zorgvuldig op stalen platen waren gelijmd, en een hydrofoon om de teruggekaatste echo te detecteren. Door een hoogfrequente puls van de transducer uit te zenden en de tijd te meten die nodig is om de echo van geluidsgolven te horen die tegen een object weerkaatsen, konden ze de afstand tot het object berekenen. Dit gebruik van piëzo-elektriciteit voor sonar was een succes en het project zorgde voor een intense interesse in de ontwikkeling van piëzo-elektrische apparaten. In de loop van de decennia zijn nieuwe piëzo-elektrische materialen en nieuwe toepassingen voor deze materialen onderzocht en ontwikkeld. Piëzo-elektrische apparaten vonden hun weg in verschillende gebieden, van keramische grammofooncartridges die het ontwerp van de speler vereenvoudigden en goedkope, nauwkeurige platenspelers goedkoper maakten in onderhoud en gemakkelijker te bouwen, tot de ontwikkeling van ultrasone transducers die het mogelijk maakten om gemakkelijk de viscositeit en elasticiteit van vloeistoffen te meten en vaste stoffen, resulterend in enorme vooruitgang in materiaalonderzoek. Ultrasone tijddomeinreflectometers sturen een ultrasone puls in een materiaal en meten de reflecties en discontinuïteiten om gebreken in gegoten metalen en stenen voorwerpen te vinden, waardoor de structurele veiligheid wordt verbeterd.
Na de Tweede Wereldoorlog ontdekten onafhankelijke onderzoeksgroepen in de Verenigde Staten, Rusland en Japan een nieuwe klasse synthetische materialen, ferro-elektrische materialen genaamd, die piëzo-elektrische constanten vertoonden die tot tien keer hoger waren dan die van natuurlijke materialen. Dit leidde tot intensief onderzoek om bariumtitanaat en later loodzirkonaattitanaat te ontwikkelen, materialen met specifieke eigenschappen voor bepaalde toepassingen. Een belangrijk voorbeeld van het gebruik van piëzo-elektrische kristallen werd ontwikkeld
Woldemar Voigt
Piëzo-elektriciteit is een elektromechanisch fenomeen waarbij elektrische lading zich ophoopt in bepaalde vaste materialen, zoals kristallen, keramiek en biologisch materiaal zoals bot en DNA. Deze lading wordt gegenereerd als reactie op een toegepaste mechanische spanning. Het woord piëzo-elektriciteit is afgeleid van het Griekse woord "piezein", wat "knijpen of drukken" betekent, en "elektron", wat "barnsteen" betekent, een oude bron van elektrische lading.
Het piëzo-elektrische effect is het resultaat van een lineaire elektromechanische interactie tussen de mechanische en elektrische toestanden van kristallijne materialen met inversiesymmetrie. Dit effect is omkeerbaar, wat betekent dat materialen die piëzo-elektriciteit vertonen ook een omgekeerd piëzo-elektrisch effect vertonen, waarbij de interne opwekking van mechanische belasting het gevolg is van een aangelegd elektrisch veld. Loodzirkonaattitanaatkristallen genereren bijvoorbeeld meetbare piëzo-elektriciteit wanneer hun statische structuur wordt vervormd ten opzichte van de oorspronkelijke dimensie. Omgekeerd kunnen kristallen hun statische dimensie veranderen wanneer een extern elektrisch veld wordt aangelegd, een fenomeen dat bekend staat als het omgekeerde piëzo-elektrische effect, dat wordt gebruikt bij de productie van ultrasone golven.
De Franse natuurkundigen Pierre en Jacques Curie ontdekten piëzo-elektriciteit in 1880. Het piëzo-elektrische effect is sindsdien benut voor een verscheidenheid aan nuttige toepassingen, waaronder de productie en detectie van geluid, piëzo-elektrische inkjetprinten, het opwekken van hoogspanningselektriciteit, klokgeneratoren en elektronische apparaten zoals microbalansen en aandrijf ultrasone nozzles voor ultrafijne focussering van optische assemblages. Het vormt ook de basis van scanning probe microscopen, die beelden op atomaire schaal kunnen oplossen. Bovendien gebruiken pickups in elektronisch versterkte gitaren en triggers in moderne elektronische drums het piëzo-elektrische effect.
Piëzo-elektriciteit wordt ook dagelijks gebruikt bij het opwekken van vonken om gas te ontsteken in kook- en verwarmingstoestellen, in fakkels, sigarettenaanstekers en meer. Het pyro-elektrische effect, waarbij een materiaal een elektrische potentiaal genereert als reactie op een temperatuurverandering, werd in het midden van de 18e eeuw bestudeerd door Carl Linnaeus en Franz Aepinus, gebruikmakend van kennis van Rene Hauy en Antoine Cesar Becquerel, die een verband poneerden tussen mechanische spanning en elektrische lading. Experimenten om deze relatie te bewijzen bleken niet doorslaggevend.
De weergave van een piëzo-kristal in de Curie-compensator in het Hunterian Museum in Schotland is een demonstratie van het directe piëzo-elektrische effect door de broers Pierre en Jacques Curie. Door hun kennis van pyro-elektriciteit te combineren met begrip van de onderliggende kristalstructuren, ontstond de voorspelling van pyro-elektriciteit, waardoor ze het kristalgedrag konden voorspellen dat ze vertoonden in het effect van kristallen zoals toermalijn, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle-zout . Natrium- en kaliumtartraat-tetrahydraat en kwarts vertoonden ook piëzo-elektriciteit, en een piëzo-elektrische schijf werd gebruikt om bij vervorming een spanning op te wekken. Deze vormverandering werd enorm overdreven in de demonstratie van de Curies, en ze voorspelden vervolgens het omgekeerde piëzo-elektrische effect. Het omgekeerde effect werd wiskundig afgeleid uit fundamentele thermodynamische principes door Gabriel Lippmann in 1881.
De Curies bevestigden onmiddellijk het bestaan van het omgekeerde effect en gingen verder met het verkrijgen van kwantitatief bewijs van de volledige omkeerbaarheid van elektro-elasto-mechanische vervormingen in piëzo-elektrische kristallen. In de decennia die volgden, bleef piëzo-elektriciteit een rariteit in het laboratorium, totdat het een essentieel hulpmiddel werd bij de ontdekking van polonium en radium door Pierre Marie Curie, die het gebruikte om kristalstructuren die piëzo-elektriciteit vertoonden te onderzoeken en te definiëren. Dit culmineerde in de publicatie van Woldemar Voigt's Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), waarin de natuurlijke kristalklassen die in staat zijn tot piëzo-elektriciteit werden beschreven en de piëzo-elektrische constanten nauwkeurig werden gedefinieerd met behulp van tensoranalyse.
Dit leidde tot de praktische toepassing van piëzo-elektrische apparaten, zoals sonar, die werd ontwikkeld tijdens de Eerste Wereldoorlog. In Frankrijk ontwikkelden Paul Langevin en zijn collega's een ultrasone onderzeese detector. Deze detector bestond uit een transducer gemaakt van dunne kwartskristallen die zorgvuldig op stalen platen waren gelijmd, en een hydrofoon om de teruggekaatste echo te detecteren na het uitzenden van een hoogfrequente puls van de transducer. Door de tijd te meten die nodig is om de echo van de geluidsgolven die tegen een object weerkaatsen te horen, kunnen ze de afstand tot het object berekenen. Ze gebruikten piëzo-elektriciteit om deze sonar tot een succes te maken, en het project zorgde voor een intense ontwikkeling en interesse in.
Belangrijke relaties
- Piëzo-elektrische actuatoren: Piëzo-elektrische actuatoren zijn apparaten die elektrische energie omzetten in mechanische beweging. Ze worden vaak gebruikt in robotica, medische apparaten en andere toepassingen waarbij nauwkeurige bewegingsbesturing vereist is.
- Piëzo-elektrische sensoren: piëzo-elektrische sensoren worden gebruikt om fysieke parameters zoals druk, versnelling en trillingen te meten. Ze worden vaak gebruikt in industriële en medische toepassingen, maar ook in consumentenelektronica.
- Piëzo-elektriciteit in de natuur: Piëzo-elektriciteit is een natuurlijk voorkomend fenomeen in bepaalde materialen en wordt in veel levende organismen aangetroffen. Het wordt door sommige organismen gebruikt om hun omgeving te voelen en om met andere organismen te communiceren.
Conclusie
Piëzo-elektriciteit is een verbazingwekkend fenomeen dat in verschillende toepassingen is gebruikt, van sonar tot grammofooncartridges. Het wordt sinds het midden van de 1800e eeuw bestudeerd en is met groot succes gebruikt bij de ontwikkeling van moderne technologie. Deze blogpost heeft de geschiedenis en het gebruik van piëzo-elektriciteit onderzocht en het belang van dit fenomeen in de ontwikkeling van moderne technologie benadrukt. Voor degenen die meer willen weten over piëzo-elektriciteit, is dit bericht een goed startpunt.
Ik ben Joost Nusselder, de oprichter van Neaera en een contentmarketeer, vader, en ik hou ervan om nieuwe apparatuur uit te proberen met gitaar in het hart van mijn passie, en samen met mijn team maak ik sinds 2020 diepgaande blogartikelen om trouwe lezers te helpen met opname- en gitaartips.
