Piezoelektrisitet: En omfattende veiledning for å forstå dens mekanikk og applikasjoner

Piezoelektrisitet er evnen til visse materialer til å generere elektrisitet når de utsettes for mekanisk påkjenning og omvendt. Ordet kommer fra det greske piezo som betyr trykk og elektrisitet. Det ble først oppdaget i 1880, men konseptet har vært kjent i lang tid.

Det mest kjente eksemplet på piezoelektrisitet er kvarts, men mange andre materialer viser også dette fenomenet. Den vanligste bruken av piezoelektrisitet er produksjon av ultralyd.

I denne artikkelen vil jeg diskutere hva piezoelektrisitet er, hvordan det fungerer, og noen av de mange praktiske anvendelsene av dette fantastiske fenomenet.

Hva er piezoelektrisitet?

Piezoelektrisitet er evnen til visse materialer til å generere en elektrisk ladning som svar på påført mekanisk påkjenning. Det er en lineær elektromekanisk interaksjon mellom mekaniske og elektriske tilstander i krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Piezoelektriske materialer kan brukes til å generere høyspenningselektrisitet, klokkegeneratorer, elektroniske enheter, mikrobalanser, drive ultralyddyser og optiske enheter med ultrafin fokusering.

Piezoelektriske materialer inkluderer krystaller, visse keramiske materialer, biologisk materiale som bein og DNA, og proteiner. Når en kraft påføres et piezoelektrisk materiale, produserer det en elektrisk ladning. Denne ladningen kan deretter brukes til å drive enheter eller skape en spenning.

Piezoelektriske materialer brukes i en rekke bruksområder, inkludert:
• Produksjon og deteksjon av lyd
• Piezoelektrisk blekkskriverutskrift
• Generering av høyspent elektrisitet
• Klokkegeneratorer
• Elektroniske enheter
• Mikrobalanser
• Drive ultralyddyser
• Ultrafine fokuseringsoptiske enheter
• pickups for elektronisk forsterkede gitarer
• Triggere for moderne elektroniske trommer
• Produksjon av gnister for å antenne gass
• Matlagings- og oppvarmingsapparater
• Fakler og sigarettennere.

Hva er historien til piezoelektrisitet?

Piezoelektrisitet ble oppdaget i 1880 av de franske fysikerne Jacques og Pierre Curie. Det er den elektriske ladningen som akkumuleres i visse faste materialer, som krystaller, keramikk og biologisk materiale, som svar på påført mekanisk stress. Ordet 'piezoelektrisitet' er avledet fra det greske ordet 'piezein', som betyr 'klem' eller 'press', og 'elektron', som betyr 'rav', en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekten er resultatet av den lineære elektromekaniske interaksjonen mellom de mekaniske og elektriske tilstandene til krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Det er en reversibel prosess, noe som betyr at materialer som viser piezoelektrisitet også viser den omvendte piezoelektriske effekten, som er den interne genereringen av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt.

Curies' kombinerte kunnskap om pyroelektrisitet og forståelse av underliggende krystallstrukturer ga opphav til prediksjon av pyroelektrisitet og evnen til å forutsi krystalloppførsel. Dette ble demonstrert i effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt.

The Curies bekreftet umiddelbart eksistensen av den omvendte effekten, og fortsatte med å skaffe kvantitativt bevis på den fullstendige reversibiliteten til elektro-elastomekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller. I løpet av tiårene forble piezoelektrisitet en nysgjerrighet i laboratoriet inntil den ble et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie.

Piezoelektrisitet har blitt utnyttet for mange nyttige bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd, piezoelektrisk blekkskriverutskrift, generering av høyspentelektrisitet, klokkegeneratorer og elektroniske enheter, mikrobalanser, drivende ultralyddyser, ultrafinfokusering av optiske sammenstillinger, og grunnlaget for skanningsprobemikroskoper for å løse opp bilder i atomskalaen.

Piezoelektrisitet finner også daglig bruk, for eksempel å generere gnister for å antenne gass i matlagings- og varmeapparater, fakler, sigarettennere og den pyroelektriske effekten, der et materiale genererer et elektrisk potensial som svar på en temperaturendring.

Utviklingen av ekkolodd under første verdenskrig så bruken av piezoelektriske krystaller utviklet av Bell Telephone Laboratories. Dette tillot allierte luftstyrker å delta i koordinerte masseangrep ved bruk av luftfartsradio. Utviklingen av piezoelektriske enheter og materialer i USA holdt selskaper i utviklingen av krigens begynnelse innen interessefeltet, og sikret lønnsomme patenter for nye materialer.

Japan så de nye applikasjonene og veksten til USAs piezoelektriske industri og utviklet raskt sine egne. De delte informasjon raskt og utviklet bariumtitanat og senere blyzirkonattitanatmaterialer med spesifikke egenskaper for spesielle bruksområder.

Piezoelektrisitet har kommet langt siden oppdagelsen i 1880, og brukes nå i en rekke dagligdagse applikasjoner. Det har også blitt brukt til å gjøre fremskritt innen materialforskning, for eksempel ultralydtidsdomenereflektometre, som sender en ultralydpuls gjennom et materiale for å måle refleksjoner og diskontinuiteter for å finne feil inne i støpte metall- og steinobjekter, noe som forbedrer strukturell sikkerhet.

Hvordan piezoelektrisitet fungerer

I denne delen skal jeg utforske hvordan piezoelektrisitet fungerer. Jeg skal se på akkumulering av elektrisk ladning i faste stoffer, den lineære elektromekaniske interaksjonen og den reversible prosessen som utgjør dette fenomenet. Jeg vil også diskutere historien til piezoelektrisitet og dens anvendelser.

Elektrisk ladeakkumulering i faste stoffer

Piezoelektrisitet er den elektriske ladningen som akkumuleres i visse faste materialer, som krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA. Det er et svar på påført mekanisk stress, og navnet kommer fra de greske ordene "piezein" (klem eller trykk) og "ēlektron" (rav).

Den piezoelektriske effekten er et resultat av den lineære elektromekaniske interaksjonen mellom mekaniske og elektriske tilstander i krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Det er en reversibel prosess, noe som betyr at materialer som viser piezoelektrisitet også viser den omvendte piezoelektriske effekten, der intern generering av mekanisk belastning er et resultat av et påført elektrisk felt. Eksempler på materialer som genererer målbar piezoelektrisitet inkluderer blyzirkonat-titanatkrystaller.

De franske fysikerne Pierre og Jacques Curie oppdaget piezoelektrisitet i 1880. Den har siden blitt utnyttet til en rekke nyttige bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd, piezoelektrisk blekkskriving, generering av høyspentelektrisitet, klokkegeneratorer og elektroniske enheter som mikrobalanser og drive ultralyddyser for ultrafin fokusering av optiske enheter. Det danner også grunnlaget for skanningsprobemikroskoper, som kan løse bilder i atomskalaen. Piezoelektrisitet brukes også i pickuper for elektronisk forsterkede gitarer, og triggere for moderne elektroniske trommer.

Piezoelektrisitet finner daglig bruk for å generere gnister for å antenne gass, i matlagings- og oppvarmingsapparater, fakler, sigarettennere og den pyroelektriske effekten, der et materiale genererer et elektrisk potensial som svar på en temperaturendring. Dette ble studert av Carl Linnaeus og Franz Aepinus på midten av 18-tallet, og trakk på kunnskap fra René Haüy og Antoine César Becquerel, som anså et forhold mellom mekanisk stress og elektrisk ladning. Eksperimenter viste seg å være usikre.

Utsikten over en piezokrystall i Curie-kompensatoren i Hunterian Museum i Skottland er en demonstrasjon av den direkte piezoelektriske effekten. Brødrene Pierre og Jacques Curie kombinerte sin kunnskap om pyroelektrisitet med en forståelse av de underliggende krystallstrukturene, noe som ga opphav til prediksjonen om pyroelektrisitet. De var i stand til å forutsi krystalloppførselen og demonstrerte effekten i krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts viste også piezoelektrisitet. En piezoelektrisk disk genererer en spenning når den deformeres, og endringen i form er sterkt overdrevet i Curies-demonstrasjonen.

De var i stand til å forutsi den omvendte piezoelektriske effekten, og den motsatte effekten ble matematisk utledet av Gabriel Lippmann i 1881. The Curies bekreftet umiddelbart eksistensen av den omvendte effekten, og fortsatte med å skaffe kvantitativt bevis på den fullstendige reversibiliteten til elektroelasto- mekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller.

I flere tiår forble piezoelektrisitet en kuriositet i laboratoriet, men det var et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie. Arbeidet deres med å utforske og definere krystallstrukturene som viste piezoelektrisitet kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturlige krystallklassene som var i stand til piezoelektrisitet og definerte de piezoelektriske konstantene strengt gjennom tensoranalyse. Dette var den praktiske anvendelsen av piezoelektriske enheter, og ekkolodd ble utviklet under første verdenskrig. I Frankrike utviklet Paul Langevin og hans medarbeidere en ubåtdetektor med ultralyd.

Detektoren besto av en svinger laget av tynne kvartskrystaller forsiktig limt til stålplater, og en hydrofon for å oppdage det returnerte ekkoet. Ved å avgi en høy frekvens puls fra transduseren og målte tiden det tar å høre ekkoet av lydbølger som spretter av et objekt, klarte de å beregne avstanden til objektet. De brukte piezoelektrisitet for å gjøre sonaren til en suksess, og prosjektet skapte en intens utvikling og interesse for piezoelektriske enheter. I løpet av tiårene ble nye piezoelektriske materialer og nye bruksområder for materialene utforsket og utviklet, og piezoelektriske enheter fant hjem i en rekke felt. Keramiske fonografkassetter forenklet spillerdesign og laget for billige og nøyaktige platespillere som var billigere å vedlikeholde og enklere å bygge.

Utviklingen av ultralydtransdusere muliggjorde enkel måling av viskositet og elastisitet til væsker og faste stoffer, noe som resulterte i enorme fremskritt innen materialforskning.

Lineær elektromekanisk interaksjon

Piezoelektrisitet er evnen til visse materialer til å generere en elektrisk ladning når de utsettes for mekanisk påkjenning. Ordet er avledet fra de greske ordene πιέζειν (piezein) som betyr "å klemme eller trykke" og ἤλεκτρον (ēlektron) som betyr "rav", som var en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Piezoelektrisitet ble oppdaget i 1880 av de franske fysikerne Jacques og Pierre Curie. Den er basert på den lineære elektromekaniske interaksjonen mellom de mekaniske og elektriske tilstandene til krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Denne effekten er reversibel, noe som betyr at materialer som viser piezoelektrisitet også viser en omvendt piezoelektrisk effekt, hvorved intern generering av mekanisk belastning skyldes et påført elektrisk felt. Eksempler på materialer som genererer målbar piezoelektrisitet når de deformeres fra deres statiske struktur inkluderer blyzirkonat-titanatkrystaller. Motsatt kan krystaller endre sin statiske dimensjon når et eksternt elektrisk felt påføres, som er kjent som den inverse piezoelektriske effekten og brukes i produksjonen av ultralydbølger.

Piezoelektrisitet har blitt utnyttet for en rekke nyttige bruksområder, for eksempel:

• Produksjon og deteksjon av lyd
• Piezoelektrisk blekkskriverutskrift
• Generering av høyspent elektrisitet
• Klokkegenerator
• Elektroniske enheter
• Mikrobalanser
• Drive ultralyddyser
• Ultrafine fokuseringsoptiske enheter
• Danner grunnlaget for skanningsprobemikroskoper for å løse opp bilder i atomskalaen
• Pickuper i elektronisk forsterkede gitarer
• Triggere i moderne elektroniske trommer
• Genererer gnister for å antenne gass i matlagings- og oppvarmingsapparater
• Fakler og sigarettennere

Piezoelektrisitet finner også daglig bruk i den pyroelektriske effekten, som er et materiale som genererer et elektrisk potensial som svar på en temperaturendring. Dette ble studert av Carl Linnaeus og Franz Aepinus på midten av 18-tallet, og trakk på kunnskap fra René Haüy og Antoine César Becquerel, som anså et forhold mellom mekanisk stress og elektrisk ladning. Eksperimenter viste seg imidlertid ikke å være avgjørende.

Å se en piezokrystall i Curie-kompensatoren på Hunterian Museum i Skottland er en demonstrasjon av den direkte piezoelektriske effekten. Det var arbeidet til brødrene Pierre og Jacques Curie som utforsket og definerte krystallstrukturene som viste piezoelektrisitet, og kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dette beskrev de naturlige krystallklassene som er i stand til piezoelektrisitet og definerte strengt de piezoelektriske konstantene gjennom tensoranalyse, noe som førte til praktisk anvendelse av piezoelektriske enheter.

Sonar ble utviklet under første verdenskrig, da Frankrikes Paul Langevin og hans medarbeidere utviklet en ultralyd-ubåtdetektor. Denne detektoren besto av en transduser laget av tynne kvartskrystaller forsiktig limt til stålplater, og en hydrofon for å detektere det returnerte ekkoet etter å ha sendt ut en høyfrekvent puls fra transduseren. Ved å måle tiden det tar å høre ekkoet av lydbølger som spretter fra et objekt, var de i stand til å beregne avstanden til objektet ved å bruke piezoelektrisitet. Suksessen til dette prosjektet skapte en intens utvikling og interesse for piezoelektriske enheter gjennom tiårene, med nye piezoelektriske materialer og nye applikasjoner for disse materialene som ble utforsket og utviklet. Piezoelektriske enheter fant hjem på mange felt, for eksempel keramiske fonografkassetter, som forenklet spillerdesign og skapte billigere og mer nøyaktige platespillere, og billigere og enklere å bygge og vedlikeholde.

Utviklingen av ultralydtransdusere muliggjorde enkel måling av viskositeten og elastisiteten til væsker og faste stoffer, noe som resulterte i enorme fremskritt innen materialforskning. Ultrasoniske tidsdomenereflektometre sender en ultralydpuls inn i et materiale og måler refleksjoner og diskontinuiteter for å finne feil inne i støpte metall- og steinobjekter, noe som forbedrer den strukturelle sikkerheten. Etter andre verdenskrig oppdaget uavhengige forskningsgrupper i USA, Russland og Japan en ny klasse syntetiske materialer kalt ferroelektriske stoffer, som viste piezoelektriske konstanter mange ganger høyere enn naturlige materialer. Dette førte til intens forskning for å utvikle bariumtitanat, og senere blyzirkonattitanat, materialer med spesifikke egenskaper for spesielle bruksområder.

Et betydelig eksempel på bruken av piezoelektriske krystaller ble utviklet av Bell Telephone Laboratories etter andre verdenskrig. Frederick R. Lack, jobber i avdelingen for radiotelefoni,

Reversibel prosess

Piezoelektrisitet er en elektrisk ladning som akkumuleres i visse faste materialer, som krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA. Det er responsen til disse materialene på påført mekanisk påkjenning. Ordet 'piezoelektrisitet' kommer fra de greske ordene 'piezein' som betyr 'klem' eller 'press' og 'ēlektron' som betyr 'rav', en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekten er resultatet av den lineære elektromekaniske interaksjonen mellom de mekaniske og elektriske tilstandene til krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Det er en reversibel prosess, noe som betyr at materialer som viser piezoelektrisitet også viser den omvendte piezoelektriske effekten, som er den interne genereringen av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt. Eksempler på materialer som genererer målbar piezoelektrisitet inkluderer blyzirkonat-titanatkrystaller. Når den statiske strukturen til disse krystallene deformeres, går de tilbake til sin opprinnelige dimensjon, og omvendt, når et eksternt elektrisk felt påføres, endrer de sin statiske dimensjon, og produserer ultralydbølger.

De franske fysikerne Jacques og Pierre Curie oppdaget piezoelektrisitet i 1880. Den har siden blitt utnyttet til en rekke nyttige bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd, piezoelektrisk blekkskriving, generering av høyspentelektrisitet, klokkegeneratorer, elektroniske enheter, mikrobalanser, drive ultralyddyser, og ultrafine fokuseringsoptiske enheter. Det danner også grunnlaget for skanning av probemikroskoper, som kan løse bilder i atomskalaen. Piezoelektrisitet brukes også i pickuper for elektronisk forsterkede gitarer og triggere for moderne elektroniske trommer.

Piezoelektrisitet finner også daglig bruk, for eksempel å generere gnister for å antenne gass i matlagings- og oppvarmingsenheter, fakler, sigarettennere og mer. Den pyroelektriske effekten, der et materiale genererer et elektrisk potensial som svar på en temperaturendring, ble studert av Carl Linnaeus, Franz Aepinus og René Haüy på midten av 18-tallet, med kunnskap om rav. Antoine César Becquerel antydet et forhold mellom mekanisk stress og elektrisk ladning, men eksperimenter viste seg ikke å være avgjørende.

Besøkende på Hunterian Museum i Glasgow kan se Piezo Crystal Curie Compensator, en demonstrasjon av den direkte piezoelektriske effekten av brødrene Pierre og Jacques Curie. Å kombinere deres kunnskap om pyroelektrisitet med en forståelse av de underliggende krystallstrukturene ga opphav til prediksjon av pyroelektrisitet og evnen til å forutsi krystalloppførsel. Dette ble demonstrert med effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natrium- og kaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts viste også piezoelektrisitet, og en piezoelektrisk skive ble brukt til å generere en spenning når den ble deformert. Denne endringen i form ble sterkt overdrevet av Curies for å forutsi den omvendte piezoelektriske effekten. Den motsatte effekten ble matematisk utledet fra grunnleggende termodynamiske prinsipper av Gabriel Lippmann i 1881.

The Curies bekreftet umiddelbart eksistensen av den omvendte effekten, og fortsatte med å skaffe kvantitativt bevis på den fullstendige reversibiliteten til elektro-elastomekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller. I flere tiår forble piezoelektrisitet en kuriositet i laboratoriet, men det var et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie. Deres arbeid med å utforske og definere krystallstrukturene som viste piezoelektrisitet kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dette beskrev de naturlige krystallklassene som er i stand til piezoelektrisitet og definerte strengt de piezoelektriske konstantene ved bruk av tensoranalyse.

Den praktiske anvendelsen av piezoelektriske enheter, for eksempel ekkolodd, ble utviklet under første verdenskrig. I Frankrike utviklet Paul Langevin og hans medarbeidere en ubåtdetektor med ultralyd. Denne detektoren besto av en transduser laget av tynne kvartskrystaller forsiktig limt til stålplater, og en hydrofon for å oppdage det returnerte ekkoet. Ved å sende ut en høyfrekvent puls fra svingeren og måle tiden det tar å høre ekkoet av lydbølgene som spretter fra et objekt, klarte de å beregne avstanden til objektet. De brukte piezoelektrisitet for å gjøre dette ekkoloddet til en suksess. Dette prosjektet skapte en intens utvikling og interesse for piezoelektriske enheter, og i løpet av tiårene ble nye piezoelektriske materialer og nye applikasjoner for disse materialene utforsket og utviklet. Piezoelektriske enheter

Hva forårsaker piezoelektrisitet?

I denne delen skal jeg utforske opprinnelsen til piezoelektrisitet og de forskjellige materialene som viser dette fenomenet. Jeg skal se på det greske ordet 'piezein', den eldgamle kilden til elektrisk ladning, og pyroelektrisitetseffekten. Jeg skal også diskutere oppdagelsene til Pierre og Jacques Curie og utviklingen av piezoelektriske enheter på 20-tallet.

Gresk ord Piezein

Piezoelektrisitet er akkumulering av elektrisk ladning i visse faste materialer, som krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA. Det er forårsaket av responsen til disse materialene på påført mekanisk påkjenning. Ordet piezoelektrisitet kommer fra det greske ordet "piezein", som betyr "å klemme eller trykke", og "ēlektron", som betyr "rav", en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekten er resultatet av den lineære elektromekaniske interaksjonen mellom de mekaniske og elektriske tilstandene til krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Det er en reversibel prosess, noe som betyr at materialer som viser piezoelektrisitet også viser den omvendte piezoelektriske effekten, som er den interne genereringen av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanatkrystaller målbar piezoelektrisitet når deres statiske struktur er deformert fra sin opprinnelige dimensjon. Motsatt kan krystaller endre sin statiske dimensjon når et eksternt elektrisk felt påføres, som er kjent som den inverse piezoelektriske effekten og er produksjonen av ultralydbølger.

De franske fysikerne Jacques og Pierre Curie oppdaget piezoelektrisitet i 1880. Den piezoelektriske effekten har blitt utnyttet til mange nyttige bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd, piezoelektrisk blekkskriving, generering av høyspenningselektrisitet, klokkegeneratorer og elektroniske enheter som mikrobalanser , drive ultralyddyser og ultrafine optiske fokuseringsenheter. Det danner også grunnlaget for skanningsprobemikroskoper, som kan løse bilder i atomskalaen. Piezoelektrisitet brukes også i pickuper for elektronisk forsterkede gitarer og triggere for moderne elektroniske trommer.

Piezoelektrisitet finner daglig bruk, for eksempel å generere gnister for å antenne gass i matlagings- og oppvarmingsenheter, fakler, sigarettennere og mer. Den pyroelektriske effekten, som er generering av elektrisk potensial som svar på en temperaturendring, ble studert av Carl Linnaeus og Franz Aepinus på midten av 18-tallet, og trakk på kunnskapen til René Haüy og Antoine César Becquerel, som antydet et forhold mellom mekanisk stress og elektrisk ladning. Eksperimenter viste seg å være usikre.

På museet i Skottland kan besøkende se en piezokrystall Curie-kompensator, en demonstrasjon av den direkte piezoelektriske effekten av brødrene Pierre og Jacques Curie. Å kombinere deres kunnskap om pyroelektrisitet med en forståelse av de underliggende krystallstrukturene ga opphav til prediksjon av pyroelektrisitet og evnen til å forutsi krystalloppførselen. Dette ble demonstrert av effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts fra Rochelle-salt viste piezoelektrisitet, og en piezoelektrisk skive genererer spenning når den deformeres. Denne endringen i form er sterkt overdrevet i Curies-demonstrasjonen.

The Curies fortsatte med å skaffe kvantitativt bevis på den fullstendige reversibiliteten til elektro-elastomekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller. I flere tiår forble piezoelektrisitet en nysgjerrighet i laboratoriet inntil den ble et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie. Deres arbeid med å utforske og definere krystallstrukturene som viste piezoelektrisitet kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dette beskrev de naturlige krystallklassene som er i stand til piezoelektrisitet og definerte strengt de piezoelektriske konstantene gjennom tensoranalyse.

Denne praktiske anvendelsen av piezoelektrisitet førte til utviklingen av ekkolodd under første verdenskrig. I Frankrike utviklet Paul Langevin og hans medarbeidere en ubåtdetektor med ultralyd. Detektoren besto av en transduser laget av tynne kvartskrystaller forsiktig limt til stålplater, kalt en hydrofon, for å oppdage det returnerte ekkoet etter å ha sendt ut en høyfrekvent puls. Svingeren målte tiden det tok å høre ekkoet av lydbølger som spretter fra et objekt for å beregne avstanden til objektet. Bruken av piezoelektrisitet i ekkolodd var en suksess, og prosjektet skapte en intens utvikling og interesse for piezoelektriske enheter i flere tiår.

Nye piezoelektriske materialer og nye bruksområder for disse materialene ble utforsket og utviklet, og piezoelektriske enheter fant hjem på mange felt, for eksempel keramiske fonografkassetter, som forenklet spillerdesignet og laget for billigere, mer nøyaktige platespillere som var billigere å vedlikeholde og enklere å bygge. Utviklingen

Gammel kilde til elektrisk ladning

Piezoelektrisitet er den elektriske ladningen som akkumuleres i visse faste materialer, som krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA. Det er forårsaket av materialets respons på påført mekanisk påkjenning. Ordet 'piezoelektrisitet' kommer fra det greske ordet 'piezein', som betyr 'å klemme eller trykke', og ordet 'elektron', som betyr 'rav', en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekten er resultatet av den lineære elektromekaniske interaksjonen mellom de mekaniske og elektriske tilstandene til krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Det er en reversibel prosess, noe som betyr at materialer som viser piezoelektrisitet også viser den omvendte piezoelektriske effekten, som er den interne genereringen av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanatkrystaller målbar piezoelektrisitet når deres statiske struktur er deformert fra sin opprinnelige dimensjon. Motsatt, når et eksternt elektrisk felt påføres, endrer krystallene sin statiske dimensjon i en omvendt piezoelektrisk effekt, og produserer ultralydbølger.

Den piezoelektriske effekten ble oppdaget i 1880 av de franske fysikerne Jacques og Pierre Curie. Den brukes til en rekke nyttige bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd, piezoelektrisk blekkskriverutskrift, generering av høyspentelektrisitet, klokkegeneratorer og elektroniske enheter som mikrobalanser og drivende ultralyddyser for ultrafin fokusering av optiske sammenstillinger. Det danner også grunnlaget for skanningsprobemikroskoper, som brukes til å løse opp bilder på atomskalaen. Piezoelektrisitet brukes også i pickuper for elektronisk forsterkede gitarer og triggere for moderne elektroniske trommer.

Piezoelektrisitet finner daglig bruk for å generere gnister for å antenne gass i matlagings- og oppvarmingsenheter, fakler, sigarettennere og mer. Den pyroelektriske effekten, som er produksjonen av elektrisk potensial som svar på en temperaturendring, ble studert av Carl Linnaeus og Franz Aepinus på midten av 18-tallet, og trakk på kunnskapen til René Haüy og Antoine César Becquerel som antydet et forhold mellom mekanisk stress og elektrisk ladning. Eksperimentene deres viste seg imidlertid ikke entydige.

Utsikten over en piezokrystall og Curie-kompensatoren ved Hunterian Museum i Skottland viser den direkte piezoelektriske effekten. Det var arbeidet til brødrene Pierre og Jacques Curie som utforsket og definerte krystallstrukturene som viste piezoelektrisitet, og kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dette beskrev de naturlige krystallklassene som er i stand til piezoelektrisitet og definerte strengt de piezoelektriske konstantene gjennom tensoranalyse, noe som muliggjorde praktisk anvendelse av piezoelektriske enheter.

Sonar ble utviklet under første verdenskrig av Frankrikes Paul Langevin og hans medarbeidere, som utviklet en ultralyd-ubåtdetektor. Detektoren besto av en transduser laget av tynne kvartskrystaller forsiktig limt til stålplater, og en hydrofon for å detektere det returnerte ekkoet. Ved å sende ut en høyfrekvent puls fra svingeren og måle tiden det tar å høre ekkoet av lydbølgene som spretter av et objekt, klarte de å beregne avstanden til objektet. De brukte piezoelektrisitet for å gjøre dette ekkoloddet til en suksess. Prosjektet skapte en intens utvikling og interesse for piezoelektriske enheter i flere tiår.

Pyroelektrisitet

Piezoelektrisitet er evnen til visse materialer til å akkumulere elektrisk ladning som svar på påført mekanisk påkjenning. Det er en lineær elektromekanisk interaksjon mellom de mekaniske og elektriske tilstandene til krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Ordet "piezoelektrisitet" er avledet fra det greske ordet "piezein", som betyr "å klemme eller trykke", og det greske ordet "ēlektron", som betyr "rav", en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekten ble oppdaget av de franske fysikerne Jacques og Pierre Curie i 1880. Det er en reversibel prosess, noe som betyr at materialer som viser den piezoelektriske effekten også viser den omvendte piezoelektriske effekten, som er den interne genereringen av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt. Eksempler på materialer som genererer målbar piezoelektrisitet inkluderer blyzirkonat-titanatkrystaller. Når en statisk struktur deformeres, går den tilbake til sin opprinnelige dimensjon. Omvendt, når et eksternt elektrisk felt påføres, produseres den inverse piezoelektriske effekten, noe som resulterer i produksjon av ultralydbølger.

Den piezoelektriske effekten utnyttes til mange nyttige bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd, piezoelektrisk blekkskriving, generering av høyspentelektrisitet, klokkegeneratorer og elektroniske enheter som mikrobalanser, drivende ultralyddyser og optiske sammenstillinger med ultrafin fokusering. Det er også grunnlaget for skanning av sondemikroskoper, som brukes til å løse opp bilder på atomskalaen. Piezoelektrisitet brukes også i pickuper for elektronisk forsterkede gitarer, og triggere for moderne elektroniske trommer.

Piezoelektrisitet finner daglig bruk, for eksempel å generere gnister for å antenne gass i matlagings- og oppvarmingsenheter, fakler, sigarettennere og mer. Den pyroelektriske effekten, som er produksjonen av elektrisk potensial som svar på en temperaturendring, ble studert av Carl Linnaeus og Franz Aepinus på midten av 18-tallet, og trakk på kunnskapen til René Haüy og Antoine César Becquerel, som hadde antydet et forhold. mellom mekanisk påkjenning og elektrisk ladning. Eksperimenter viste seg imidlertid ikke å være avgjørende.

Utsikten over en piezokrystall ved Curie Compensator Museum i Skottland er en demonstrasjon av den direkte piezoelektriske effekten. Brødrene Pierre og Jacques Curie kombinerte sin kunnskap om pyroelektrisitet og sin forståelse av de underliggende krystallstrukturene for å gi opphav til forståelsen av pyroelektrisitet og for å forutsi krystalloppførselen. Dette ble demonstrert i effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts ble funnet å vise piezoelektrisitet, og en piezoelektrisk skive ble brukt til å generere en spenning når de ble deformert. Dette ble sterkt overdrevet av Curies for å forutsi den omvendte piezoelektriske effekten. Den omvendte effekten ble matematisk utledet av grunnleggende termodynamiske prinsipper av Gabriel Lippmann i 1881.

The Curies bekreftet umiddelbart eksistensen av den omvendte effekten, og fortsatte med å skaffe kvantitativt bevis på den fullstendige reversibiliteten til elektro-elastomekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller. I tiårene som fulgte, forble piezoelektrisitet en laboratoriekuriositet inntil den ble et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie. Deres arbeid med å utforske og definere krystallstrukturene som viste piezoelektrisitet kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics).

Utviklingen av ekkolodd var en suksess, og prosjektet skapte en intens utvikling og interesse for piezoelektriske enheter. I tiårene som fulgte ble nye piezoelektriske materialer og nye bruksområder for disse materialene utforsket og utviklet. Piezoelektriske enheter fant hjem på mange felt, for eksempel keramiske fonografkassetter, som forenklet spillerdesignet og skapte billigere, mer nøyaktige platespillere som var billigere å vedlikeholde og enklere å bygge. Utviklingen av ultralydtransdusere muliggjorde enkel måling av viskositet og elastisitet til væsker og faste stoffer, noe som resulterte i enorme fremskritt innen materialforskning. Ultrasoniske tidsdomenereflektometre sender en ultralydpuls inn i et materiale og måler refleksjoner og diskontinuiteter for å finne feil inne i støpte metall- og steinobjekter, noe som forbedrer den strukturelle sikkerheten.

Etter andre verdenskrig oppdaget uavhengige forskningsgrupper i USA, Russland og Japan en ny klasse syntetiske materialer kalt ferroelektriske stoffer, som viste piezoelektriske konstanter som var

Piezoelektriske materialer

I denne delen skal jeg diskutere materialene som viser den piezoelektriske effekten, som er evnen til visse materialer til å akkumulere elektrisk ladning som svar på påført mekanisk stress. Jeg skal se på krystaller, keramikk, biologisk materiale, bein, DNA og proteiner, og hvordan de alle reagerer på den piezoelektriske effekten.

krystaller

Piezoelektrisitet er evnen til visse materialer til å akkumulere elektrisk ladning som svar på påført mekanisk påkjenning. Ordet piezoelektrisitet er avledet fra de greske ordene πιέζειν (piezein) som betyr "klem" eller "press" og ἤλεκτρον (ēlektron) som betyr "rav", en eldgammel kilde til elektrisk ladning. Piezoelektriske materialer inkluderer krystaller, keramikk, biologisk materiale, bein, DNA og proteiner.

Piezoelektrisitet er en lineær elektromekanisk interaksjon mellom mekaniske og elektriske tilstander i krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Denne effekten er reversibel, noe som betyr at materialer som viser piezoelektrisitet også viser den omvendte piezoelektriske effekten, som er den interne genereringen av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt. Eksempler på materialer som genererer målbar piezoelektrisitet inkluderer blyzirkonat-titanatkrystaller, som kan deformeres til sin opprinnelige dimensjon eller omvendt endre sin statiske dimensjon når et eksternt elektrisk felt påføres. Dette er kjent som den inverse piezoelektriske effekten, og brukes til å produsere ultralydbølger.

Franske fysikere Jacques og Pierre Curie oppdaget piezoelektrisitet i 1880. Den piezoelektriske effekten har blitt utnyttet til en rekke nyttige bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd, piezoelektrisk blekkskriving, generering av høyspentelektrisitet, klokkegeneratorer og elektroniske enheter som f.eks. som mikrovekter, drivende ultralyddyser og optiske enheter for ultrafin fokusering. Det danner også grunnlaget for skanningsprobemikroskoper, som brukes til å løse opp bilder på atomskalaen. Piezoelektriske pickuper brukes også i elektronisk forsterkede gitarer og triggere i moderne elektroniske trommer.

Piezoelektrisitet finner daglig bruk for å generere gnister for å antenne gass i matlagings- og oppvarmingsenheter, så vel som i fakler og sigarettennere. Den pyroelektriske effekten, som er generering av elektrisk potensial som svar på en temperaturendring, ble studert av Carl Linnaeus og Franz Aepinus på midten av 18-tallet, og trakk på kunnskap fra René Haüy og Antoine César Becquerel, som anså et forhold mellom mekanisk stress og elektrisk ladning. Eksperimenter for å bevise denne teorien var usikre.

Utsikten over en piezokrystall i Curie-kompensatoren ved Hunterian Museum i Skottland er en demonstrasjon av den direkte piezoelektriske effekten. Brødrene Pierre og Jacques Curie kombinerte sin kunnskap om pyroelektrisitet med en forståelse av de underliggende krystallstrukturene for å gi opphav til prediksjonen om pyroelektrisitet. De var i stand til å forutsi krystalloppførselen og demonstrerte effekten i krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts viste også piezoelektrisitet. En piezoelektrisk disk genererer spenning når den deformeres; formendringen er sterkt overdrevet i Curies-demonstrasjonen.

De var også i stand til å forutsi den omvendte piezoelektriske effekten og matematisk utlede de grunnleggende termodynamiske prinsippene bak den. Gabriel Lippmann gjorde dette i 1881. The Curies bekreftet umiddelbart eksistensen av den omvendte effekten, og fortsatte med å skaffe kvantitative bevis på den fullstendige reversibiliteten til elektroelastomekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller.

I flere tiår forble piezoelektrisitet en kuriositet i laboratoriet, men det var et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie. Deres arbeid med å utforske og definere krystallstrukturene som viste piezoelektrisitet kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturlige krystallklassene som var i stand til piezoelektrisitet og strengt definerte de piezoelektriske konstantene ved bruk av tensoranalyse.

Den praktiske anvendelsen av piezoelektriske enheter i ekkolodd ble utviklet under første verdenskrig. I Frankrike utviklet Paul Langevin og hans medarbeidere en ultrasonisk ubåtdetektor. Denne detektoren besto av en transduser laget av tynne kvartskrystaller forsiktig limt til stålplater, kalt en hydrofon, for å oppdage det returnerte ekkoet etter å ha sendt ut en høyfrekvent puls. Ved å måle tiden det tar å høre ekkoet av lydbølger som spretter fra et objekt, klarte de å beregne avstanden til objektet. Denne bruken av piezoelektrisitet i ekkolodd var en suksess, og prosjektet skapte en intens utvikling og interesse for piezoelektriske enheter gjennom tiårene.

Keramikk

Piezoelektriske materialer er faste stoffer som akkumulerer elektrisk ladning som svar på påført mekanisk påkjenning. Piezoelektrisitet er avledet fra de greske ordene πιέζειν (piezein) som betyr "klem" eller "press" og ἤλεκτρον (ēlektron) som betyr "rav", en eldgammel kilde til elektrisk ladning. Piezoelektriske materialer brukes i en rekke bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd, piezoelektrisk blekkskriving og generering av høyspent elektrisitet.

Piezoelektriske materialer finnes i krystaller, keramikk, biologisk materiale, bein, DNA og proteiner. Keramikk er de vanligste piezoelektriske materialene som brukes i hverdagsbruk. Keramikk er laget av en kombinasjon av metalloksider, for eksempel blyzirkonattitanat (PZT), som varmes opp til høye temperaturer for å danne et fast stoff. Keramikk er svært slitesterk og tåler ekstreme temperaturer og trykk.

Piezoelektrisk keramikk har en rekke bruksområder, inkludert:

• Genererer gnister for å antenne gass for matlagings- og oppvarmingsutstyr, som fakler og sigarettennere.
• Generering av ultralydbølger for medisinsk bildebehandling.
• Generering av høyspent elektrisitet for klokkegeneratorer og elektroniske enheter.
• Generering av mikrovekter for bruk i presisjonsveiing.
• Drivende ultralyddyser for ultrafin fokusering av optiske enheter.
• Danner grunnlaget for skanningsprobemikroskoper, som kan løse bilder på atomskalaen.
• Pickuper for elektronisk forsterkede gitarer og triggere for moderne elektroniske trommer.

Piezoelektrisk keramikk brukes i et bredt spekter av bruksområder, fra forbrukerelektronikk til medisinsk bildebehandling. De er svært holdbare og tåler ekstreme temperaturer og trykk, noe som gjør dem ideelle for bruk i en rekke bransjer.

Biologisk materie

Piezoelektrisitet er evnen til visse materialer til å akkumulere elektrisk ladning som svar på påført mekanisk påkjenning. Det er avledet fra det greske ordet 'piezein', som betyr 'å klemme eller trykke', og 'ēlektron', som betyr 'rav', en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Biologiske stoffer som bein, DNA og proteiner er blant materialene som viser piezoelektrisitet. Denne effekten er reversibel, noe som betyr at materialer som viser piezoelektrisitet også viser den omvendte piezoelektriske effekten, som er den interne genereringen av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt. Eksempler på disse materialene inkluderer blyzirkonat-titanatkrystaller, som genererer målbar piezoelektrisitet når deres statiske struktur deformeres fra sin opprinnelige dimensjon. Motsatt, når et eksternt elektrisk felt påføres, endrer krystallene sin statiske dimensjon, og produserer ultralydbølger gjennom den inverse piezoelektriske effekten.

Oppdagelsen av piezoelektrisitet ble gjort av de franske fysikerne Jacques og Pierre Curie i 1880. Den har siden blitt utnyttet til en rekke nyttige bruksområder, som:

• Produksjon og deteksjon av lyd
• Piezoelektrisk blekkskriverutskrift
• Generering av høyspent elektrisitet
• Klokkegenerator
• Elektroniske enheter
• Mikrobalanser
• Drive ultralyddyser
• Ultrafine fokuseringsoptiske enheter
• Danner grunnlaget for skanningsprobemikroskoper
• Løs opp bilder på atomskalaen
• Pickuper i elektronisk forsterkede gitarer
• Triggere i moderne elektroniske trommer

Piezoelektrisitet brukes også i hverdagslige gjenstander som gasskoke- og varmeapparater, fakler, sigarettennere og mer. Den pyroelektriske effekten, som er produksjonen av elektrisk potensial som svar på en temperaturendring, ble studert av Carl Linnaeus og Franz Aepinus på midten av 18-tallet. Ved å trekke på kunnskapen til René Haüy og Antoine César Becquerel, antydet de et forhold mellom mekanisk stress og elektrisk ladning, men eksperimentene deres viste seg å være usikre.

Utsikten over en piezokrystall i Curie Compensator ved Hunterian Museum i Skottland er en demonstrasjon av den direkte piezoelektriske effekten. Brødrene Pierre og Jacques Curie kombinerte sin kunnskap om pyroelektrisitet og sin forståelse av de underliggende krystallstrukturene for å gi opphav til prediksjonen av pyroelektrisitet og for å forutsi krystalloppførselen. Dette ble demonstrert av effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natrium- og kaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts viste også piezoelektrisitet, og en piezoelektrisk skive ble brukt til å generere en spenning når den ble deformert. Denne effekten ble sterkt overdrevet av Curies for å forutsi den omvendte piezoelektriske effekten. Den motsatte effekten ble matematisk utledet fra grunnleggende termodynamiske prinsipper av Gabriel Lippmann i 1881.

The Curies bekreftet umiddelbart eksistensen av den omvendte effekten, og fortsatte med å skaffe kvantitativt bevis på den fullstendige reversibiliteten til elektro-elastomekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller. I flere tiår forble piezoelektrisitet en nysgjerrighet i laboratoriet inntil den ble et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie. Deres arbeid med å utforske og definere krystallstrukturene som viste piezoelektrisitet kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts 'Lehrbuch der Kristallphysik' (Textbook of Crystal Physics).

Bein

Piezoelektrisitet er evnen til visse materialer til å akkumulere elektrisk ladning som svar på påført mekanisk påkjenning. Ben er et slikt materiale som viser dette fenomenet.

Ben er en type biologisk materiale som er sammensatt av proteiner og mineraler, inkludert kollagen, kalsium og fosfor. Det er det mest piezoelektriske av alle biologiske materialer, og er i stand til å generere en spenning når det utsettes for mekanisk påkjenning.

Den piezoelektriske effekten i bein er et resultat av dens unike struktur. Den er sammensatt av et nettverk av kollagenfibre som er innebygd i en matrise av mineraler. Når beinet utsettes for mekanisk stress, beveger kollagenfibrene seg, noe som får mineralene til å polariseres og generere en elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekten i bein har en rekke praktiske anvendelser. Den brukes i medisinsk bildebehandling, som ultralyd og røntgenbilder, for å oppdage beinbrudd og andre abnormiteter. Det brukes også i beinledningshøreapparater, som bruker den piezoelektriske effekten til å konvertere lydbølger til elektriske signaler som sendes direkte til det indre øret.

Den piezoelektriske effekten i bein brukes også i ortopediske implantater, som kunstige ledd og proteser. Implantatene bruker den piezoelektriske effekten til å konvertere mekanisk energi til elektrisk energi, som deretter brukes til å drive enheten.

I tillegg utforskes den piezoelektriske effekten i bein for bruk i utviklingen av nye medisinske behandlinger. For eksempel undersøker forskere bruken av piezoelektrisitet for å stimulere beinvekst og reparere skadet vev.

Totalt sett er den piezoelektriske effekten i bein et fascinerende fenomen med et bredt spekter av praktiske anvendelser. Den brukes i en rekke medisinske og teknologiske applikasjoner, og utforskes for bruk i utviklingen av nye behandlinger.

DNA

Piezoelektrisitet er evnen til visse materialer til å akkumulere elektrisk ladning som svar på påført mekanisk påkjenning. DNA er et slikt materiale som viser denne effekten. DNA er et biologisk molekyl som finnes i alle levende organismer og er sammensatt av fire nukleotidbaser: adenin (A), guanin (G), cytosin (C) og tymin (T).

DNA er et komplekst molekyl som kan brukes til å generere elektrisk ladning når det utsettes for mekanisk stress. Dette skyldes det faktum at DNA-molekyler er sammensatt av to tråder av nukleotider som holdes sammen av hydrogenbindinger. Når disse bindingene brytes, genereres elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekten av DNA har blitt brukt i en rekke applikasjoner, inkludert:

• Generering av elektrisitet til medisinske implantater
• Detektere og måle mekaniske krefter i celler
• Utvikling av sensorer i nanoskala
• Lage biosensorer for DNA-sekvensering
• Generering av ultralydbølger for bildebehandling

Den piezoelektriske effekten av DNA blir også utforsket for dens potensielle bruk i utviklingen av nye materialer, som nanotråder og nanorør. Disse materialene kan brukes til en rekke bruksområder, inkludert energilagring og sensing.

Den piezoelektriske effekten av DNA har blitt studert omfattende og har vist seg å være svært følsom for mekanisk stress. Dette gjør det til et verdifullt verktøy for forskere og ingeniører som ønsker å utvikle nye materialer og teknologier.

Avslutningsvis er DNA et materiale som viser den piezoelektriske effekten, som er evnen til å akkumulere elektrisk ladning som svar på påført mekanisk stress. Denne effekten har blitt brukt i en rekke applikasjoner, inkludert medisinske implantater, nanoskalasensorer og DNA-sekvensering. Det blir også utforsket for dets potensielle bruk i utviklingen av nye materialer, som nanotråder og nanorør.

Proteiner

Piezoelektrisitet er evnen til visse materialer til å akkumulere elektrisk ladning som svar på påført mekanisk påkjenning. Piezoelektriske materialer, som proteiner, krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA, viser denne effekten. Proteiner, spesielt, er et unikt piezoelektrisk materiale, siden de er sammensatt av en kompleks struktur av aminosyrer som kan deformeres for å generere elektrisk ladning.

Proteiner er den mest tallrike typen piezoelektrisk materiale, og de finnes i en rekke former. De kan finnes i form av enzymer, hormoner og antistoffer, så vel som i form av strukturelle proteiner som kollagen og keratin. Proteiner finnes også i form av muskelproteiner, som er ansvarlige for muskelsammentrekning og avspenning.

Den piezoelektriske effekten av proteiner skyldes det faktum at de er sammensatt av en kompleks struktur av aminosyrer. Når disse aminosyrene deformeres, genererer de elektrisk ladning. Denne elektriske ladningen kan deretter brukes til å drive en rekke enheter, for eksempel sensorer og aktuatorer.

Proteiner brukes også i en rekke medisinske applikasjoner. For eksempel brukes de til å oppdage tilstedeværelsen av visse proteiner i kroppen, som kan brukes til å diagnostisere sykdommer. De brukes også til å oppdage tilstedeværelsen av visse bakterier og virus, som kan brukes til å diagnostisere infeksjoner.

Proteiner brukes også i en rekke industrielle applikasjoner. For eksempel brukes de til å lage sensorer og aktuatorer for en rekke industrielle prosesser. De brukes også til å lage materialer som kan brukes i konstruksjonen av fly og andre kjøretøy.

Avslutningsvis er proteiner et unikt piezoelektrisk materiale som kan brukes i en rekke bruksområder. De er sammensatt av en kompleks struktur av aminosyrer som kan deformeres for å generere elektrisk ladning, og de brukes i en rekke medisinske og industrielle applikasjoner.

Energihøsting med piezoelektrisitet

I denne delen skal jeg diskutere hvordan piezoelektrisitet kan brukes til å høste energi. Jeg skal se på de ulike bruksområdene for piezoelektrisitet, fra piezoelektrisk blekkskriving til klokkegeneratorer og mikrobalanser. Jeg skal også utforske historien til piezoelektrisitet, fra oppdagelsen av Pierre Curie til bruken i andre verdenskrig. Til slutt vil jeg diskutere den nåværende tilstanden til den piezoelektriske industrien og potensialet for videre vekst.

Piezoelektrisk blekkskriverutskrift

Piezoelektrisitet er evnen til visse materialer til å generere en elektrisk ladning som svar på påført mekanisk påkjenning. Ordet 'piezoelektrisitet' er avledet fra de greske ordene 'piezein' (å klemme eller trykke) og 'elektron' (rav), en eldgammel kilde til elektrisk ladning. Piezoelektriske materialer, som krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA, brukes i en rekke bruksområder.

Piezoelektrisitet brukes til å generere høyspentelektrisitet, som en klokkegenerator, i elektroniske enheter og i mikrovekter. Den brukes også til å drive ultralyddyser og optiske enheter med ultrafine fokusering. Piezoelektrisk blekkskriving er en populær anvendelse av denne teknologien. Dette er en type utskrift som bruker piezoelektriske krystaller for å generere en høyfrekvent vibrasjon, som brukes til å skyte ut blekkdråper på en side.

Oppdagelsen av piezoelektrisitet dateres tilbake til 1880, da de franske fysikerne Jacques og Pierre Curie oppdaget effekten. Siden den gang har den piezoelektriske effekten blitt utnyttet til en rekke nyttige bruksområder. Piezoelektrisitet brukes i hverdagslige gjenstander som gasskoke- og varmeapparater, fakler, sigarettennere og pickuper i elektronisk forsterkede gitarer og triggere i moderne elektroniske trommer.

Piezoelektrisitet brukes også i vitenskapelig forskning. Det er grunnlaget for skanning av sondemikroskoper, som brukes til å løse opp bilder på en skala av atomer. Den brukes også i ultrasoniske tidsdomenereflektometre, som sender ultralydpulser inn i et materiale og måler refleksjonene for å oppdage diskontinuiteter og finne feil inne i støpte metall- og steinobjekter.

Utviklingen av piezoelektriske enheter og materialer har vært drevet av behovet for bedre ytelse og enklere produksjonsprosesser. I USA har utviklingen av kvartskrystaller for kommersiell bruk vært en viktig faktor i veksten av den piezoelektriske industrien. I motsetning til dette har japanske produsenter vært i stand til raskt å dele informasjon og utvikle nye applikasjoner, noe som har ført til rask vekst i det japanske markedet.

Piezoelektrisitet har revolusjonert måten vi bruker energi på, fra hverdagslige ting som lightere til avansert vitenskapelig forskning. Det er en allsidig teknologi som har gjort oss i stand til å utforske og utvikle nye materialer og applikasjoner, og den vil fortsette å være en viktig del av livene våre i årene som kommer.

Generering av høyspent elektrisitet

Piezoelektrisitet er evnen til visse faste materialer til å akkumulere elektrisk ladning som svar på påført mekanisk påkjenning. Ordet 'piezoelektrisitet' er avledet fra de greske ordene 'piezein' som betyr 'klem' eller 'press' og 'ēlektron' som betyr 'rav', en eldgammel kilde til elektrisk ladning. Piezoelektrisitet er en lineær elektromekanisk interaksjon mellom mekaniske og elektriske tilstander i krystallinske materialer med inversjonssymmetri.

Den piezoelektriske effekten er en reversibel prosess; materialer som viser piezoelektrisitet viser også den omvendte piezoelektriske effekten, den interne genereringen av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanatkrystaller målbar piezoelektrisitet når deres statiske struktur er deformert fra sin opprinnelige dimensjon. Motsatt kan krystaller endre sin statiske dimensjon når et eksternt elektrisk felt påføres, et fenomen kjent som den inverse piezoelektriske effekten, som brukes i produksjonen av ultralydbølger.

Den piezoelektriske effekten brukes i en rekke bruksområder, inkludert generering av høyspentelektrisitet. Piezoelektriske materialer brukes i produksjon og deteksjon av lyd, i piezoelektrisk blekkstråleutskrift, i klokkegeneratorer, i elektroniske enheter, i mikrobalanser, i drev-ultralyddyser og i optiske sammenstillinger med ultrafin fokusering.

Piezoelektrisitet brukes også i daglige bruksområder, for eksempel å generere gnister for å antenne gass i matlagings- og varmeapparater, i fakler, sigarettennere og pyroelektriske effektmaterialer, som genererer elektrisk potensial som svar på en temperaturendring. Denne effekten ble studert av Carl Linnaeus og Franz Aepinus på midten av 18-tallet, og trakk på kunnskap fra René Haüy og Antoine César Becquerel, som anså et forhold mellom mekanisk stress og elektrisk ladning, selv om eksperimentene deres viste seg å være usikre.

Den kombinerte kunnskapen om pyroelektrisitet og forståelsen av de underliggende krystallstrukturene ga opphav til prediksjon av pyroelektrisitet og evnen til å forutsi krystalloppførsel. Dette ble demonstrert av effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts viste også piezoelektrisitet, og en piezoelektrisk skive ble brukt til å generere en spenning når den ble deformert. Dette ble sterkt overdrevet i Curies' demonstrasjon av den direkte piezoelektriske effekten.

Brødrene Pierre og Jacques Curie fortsatte med å skaffe kvantitativt bevis på den fullstendige reversibiliteten til elektro-elastomekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller. I flere tiår forble piezoelektrisitet en kuriositet i laboratoriet, men det var et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie. Deres arbeid med å utforske og definere krystallstrukturene som viste piezoelektrisitet kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturlige krystallklassene som var i stand til piezoelektrisitet og strengt definerte de piezoelektriske konstantene ved bruk av tensoranalyse.

Den praktiske anvendelsen av piezoelektriske enheter begynte med utviklingen av ekkolodd under første verdenskrig. I Frankrike utviklet Paul Langevin og hans medarbeidere en ubåtdetektor med ultralyd. Detektoren besto av en transduser laget av tynne kvartskrystaller forsiktig limt til stålplater, og en hydrofon for å oppdage det returnerte ekkoet. Ved å sende ut en høyfrekvent puls fra svingeren og måle tiden det tar å høre ekkoet av lydbølgene som spretter fra et objekt, klarte de å beregne avstanden til objektet. De brukte piezoelektrisitet for å gjøre sonaren til en suksess, og prosjektet skapte en intens utvikling og interesse for piezoelektriske enheter i løpet av de følgende tiårene.

Nye piezoelektriske materialer og nye bruksområder for disse materialene ble utforsket og utviklet. Piezoelektriske enheter fant hjem i en rekke felt, for eksempel keramiske fonografkassetter, som forenklet spillerdesignet og skapte billigere, mer nøyaktige platespillere som var billigere å vedlikeholde og enklere å bygge. Utviklingen av ultralydtransdusere muliggjorde enkel måling av viskositet og elastisitet til væsker og faste stoffer, noe som resulterte i enorme fremskritt innen materialforskning. Ultrasoniske tidsdomenereflektometre sender en ultralydpuls inn i et materiale og måler refleksjoner og diskontinuiteter for å finne feil inne i støpte metall- og steinobjekter, noe som forbedrer den strukturelle sikkerheten.

Andre verdenskrig så uavhengige forskningsgrupper i USA, Russland og Japan oppdage en ny klasse syntetiske materialer kalt fer

Klokkegenerator

Piezoelektrisitet er evnen til visse materialer til å akkumulere elektrisk ladning som svar på påført mekanisk påkjenning. Dette fenomenet har blitt brukt til å lage en rekke nyttige applikasjoner, inkludert klokkegeneratorer. Klokkegeneratorer er enheter som bruker piezoelektrisitet til å generere elektriske signaler med presis timing.

Klokkegeneratorer brukes i en rekke applikasjoner, for eksempel i datamaskiner, telekommunikasjon og bilsystemer. De brukes også i medisinsk utstyr, som pacemakere, for å sikre nøyaktig timing av elektriske signaler. Klokkegeneratorer brukes også i industriell automasjon og robotikk, hvor presis timing er avgjørende.

Den piezoelektriske effekten er basert på den lineære elektromekaniske interaksjonen mellom mekaniske og elektriske tilstander i krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Denne effekten er reversibel, noe som betyr at materialer som viser piezoelektrisitet også kan generere mekanisk belastning når et elektrisk felt påføres. Dette er kjent som den inverse piezoelektriske effekten og brukes til å produsere ultralydbølger.

Klokkegeneratorer bruker denne inverse piezoelektriske effekten for å generere elektriske signaler med presis timing. Det piezoelektriske materialet deformeres av et elektrisk felt, som får det til å vibrere med en bestemt frekvens. Denne vibrasjonen konverteres deretter til et elektrisk signal, som brukes til å generere et presist tidssignal.

Klokkegeneratorer brukes i en rekke applikasjoner, fra medisinsk utstyr til industriell automasjon. De er pålitelige, nøyaktige og enkle å bruke, noe som gjør dem til et populært valg for mange applikasjoner. Piezoelektrisitet er en viktig del av moderne teknologi, og klokkegeneratorer er bare en av mange anvendelser av dette fenomenet.

Elektroniske enheter

Piezoelektrisitet er evnen til visse faste materialer til å akkumulere elektrisk ladning som svar på påført mekanisk påkjenning. Dette fenomenet, kjent som den piezoelektriske effekten, brukes i en rekke elektroniske enheter, fra pickuper i elektronisk forsterkede gitarer til triggere i moderne elektroniske trommer.

Piezoelektrisitet er avledet fra de greske ordene πιέζειν (piezein) som betyr "klem" eller "press" og ἤλεκτρον (ēlektron) som betyr "rav", en eldgammel kilde til elektrisk ladning. Piezoelektriske materialer er krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA-proteiner, som viser den piezoelektriske effekten.

Den piezoelektriske effekten er en lineær elektromekanisk interaksjon mellom mekaniske og elektriske tilstander i krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Det er en reversibel prosess, noe som betyr at materialer som viser den piezoelektriske effekten også viser den omvendte piezoelektriske effekten, som er den interne genereringen av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanatkrystaller målbar piezoelektrisitet når deres statiske struktur er deformert fra sin opprinnelige dimensjon. Motsatt kan krystaller endre sin statiske dimensjon når et eksternt elektrisk felt påføres, et fenomen kjent som den inverse piezoelektriske effekten, som brukes i produksjonen av ultralydbølger.

Oppdagelsen av piezoelektrisitet er kreditert de franske fysikerne Pierre og Jacques Curie, som demonstrerte den direkte piezoelektriske effekten i 1880. Deres kombinerte kunnskap om pyroelektrisitet og forståelse av de underliggende krystallstrukturene ga opphav til prediksjonen av den pyroelektriske effekten, og evnen til å forutsi krystallatferd ble demonstrert med effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt.

Piezoelektrisitet har blitt brukt i en rekke dagligdagse bruksområder, for eksempel å generere gnister for å antenne gass i matlagings- og oppvarmingsenheter, fakler, sigarettennere og pyroelektriske effektmaterialer som genererer elektrisk potensial som svar på en temperaturendring. Dette ble studert av Carl Linnaeus og Franz Aepinus på midten av 18-tallet, og trakk på kunnskap fra René Haüy og Antoine César Becquerel, som anså et forhold mellom mekanisk stress og elektrisk ladning. Eksperimenter viste seg imidlertid ikke å være avgjørende, inntil utsikten til en piezokrystall ved Curie-kompensatormuseet i Skottland demonstrerte den direkte piezoelektriske effekten av Curie-brødrene.

Piezoelektrisitet brukes i en rekke elektroniske enheter, fra pickuper i elektronisk forsterkede gitarer til triggere i moderne elektroniske trommer. Den brukes også i produksjon og gjenkjenning av lyd, piezoelektrisk blekkskriving, generering av høyspentelektrisitet, klokkegeneratorer, mikrobalanser, drivende ultralyddyser og optiske enheter med ultrafin fokusering. Piezoelektrisitet er også grunnlaget for skanning av sondemikroskoper, som brukes til å løse opp bilder i atomskalaen.

mikrovekter

Piezoelektrisitet er evnen til visse faste materialer til å akkumulere elektrisk ladning som svar på påført mekanisk påkjenning. Piezoelektrisitet er avledet fra de greske ordene πιέζειν (piezein), som betyr "klem" eller "press", og ἤλεκτρον (ēlektron), som betyr "rav", en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Piezoelektrisitet brukes i en rekke hverdagslige bruksområder, for eksempel å generere gnister for å antenne gass for matlagings- og oppvarmingsenheter, fakler, sigarettennere og mer. Det brukes også i produksjon og gjenkjenning av lyd, og i piezoelektrisk blekkskriving.

Piezoelektrisitet brukes også til å generere høyspent elektrisitet, og er grunnlaget for klokkegeneratorer og elektroniske enheter som mikrovekter. Piezoelektrisitet brukes også til å drive ultralyddyser og optiske enheter med ultrafin fokusering.

Oppdagelsen av piezoelektrisitet er kreditert de franske fysikerne Jacques og Pierre Curie i 1880. Curie-brødrene kombinerte sin kunnskap om pyroelektrisitet og sin forståelse av de underliggende krystallstrukturene for å gi opphav til begrepet piezoelektrisitet. De var i stand til å forutsi krystalloppførselen og demonstrerte effekten i krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt.

Den piezoelektriske effekten ble utnyttet til nyttige bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd. Utviklingen av ekkolodd under første verdenskrig var et stort gjennombrudd i bruken av piezoelektrisitet. Etter andre verdenskrig oppdaget uavhengige forskningsgrupper i USA, Russland og Japan en ny klasse syntetiske materialer kalt ferroelektriske stoffer, som viste piezoelektriske konstanter opptil ti ganger høyere enn naturlige materialer.

Dette førte til intens forskning og utvikling av bariumtitanat og senere blyzirkonattitanatmaterialer, som hadde spesifikke egenskaper for spesielle bruksområder. Et betydelig eksempel på bruken av piezoelektriske krystaller ble utviklet ved Bell Telephone Laboratories etter andre verdenskrig.

Frederick R. Lack, som jobbet i ingeniøravdelingen for radiotelefoni, utviklet en kuttet krystall som opererte over et bredt temperaturområde. Lacks krystall trengte ikke det tunge tilbehøret til tidligere krystaller, noe som letter bruken i fly. Denne utviklingen tillot de allierte luftstyrkene å engasjere seg i koordinerte masseangrep ved bruk av luftfartsradio.

Utviklingen av piezoelektriske enheter og materialer i USA holdt flere selskaper i virksomhet, og utviklingen av kvartskrystaller ble kommersielt utnyttet. Piezoelektriske materialer har siden blitt brukt i en rekke bruksområder, inkludert medisinsk bildebehandling, ultralydrensing og mer.

Drive ultralyddyse

Piezoelektrisitet er den elektriske ladningen som akkumuleres i visse faste materialer som krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA. Det er et svar på påført mekanisk stress og er avledet fra de greske ordene 'piezein', som betyr 'klem' eller 'press', og 'elektron', som betyr 'rav', en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekten er en lineær elektromekanisk interaksjon mellom de mekaniske og elektriske tilstandene til krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Det er en reversibel prosess, noe som betyr at materialer som viser den piezoelektriske effekten også viser den omvendte piezoelektriske effekten, som er den interne genereringen av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt. Et eksempel på dette er blyzirkonat-titanatkrystaller, som genererer målbar piezoelektrisitet når deres statiske struktur deformeres fra sin opprinnelige dimensjon. Motsatt, når et eksternt elektrisk felt påføres, endrer krystallene sin statiske dimensjon, noe som resulterer i den omvendte piezoelektriske effekten, som er produksjonen av ultralydbølger.

Franske fysikere Jacques og Pierre Curie oppdaget piezoelektrisitet i 1880, og den har siden blitt utnyttet til en rekke nyttige bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd. Piezoelektrisitet finner også daglig bruk, for eksempel å generere gnister for å antenne gass i matlagings- og oppvarmingsenheter, fakler, sigarettennere og mer.

Den pyroelektriske effekten, som er materialet som genererer et elektrisk potensial som svar på en temperaturendring, ble studert av Carl Linnaeus, Franz Aepinus, og på midten av 18-tallet hentet kunnskap fra René Haüy og Antoine César Becquerel som antydet forholdet mellom mekanisk stress og elektrisk ladning. Eksperimenter for å bevise dette var usikre.

Utsikten over en piezokrystall i Curie Compensator ved Hunterian Museum i Skottland er en demonstrasjon av den direkte piezoelektriske effekten av brødrene Pierre og Jacques Curie. Å kombinere deres kunnskap om pyroelektrisitet og forståelse av de underliggende krystallstrukturene ga opphav til prediksjonen av pyroelektrisitet og tillot dem å forutsi krystalloppførselen. Dette ble demonstrert med effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natrium- og kaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts viste også piezoelektrisitet, og en piezoelektrisk skive ble brukt til å generere en spenning når den ble deformert. Dette ble sterkt overdrevet av Curies for å forutsi den omvendte piezoelektriske effekten, som ble matematisk utledet fra grunnleggende termodynamiske prinsipper av Gabriel Lippmann i 1881.

The Curies bekreftet umiddelbart eksistensen av den omvendte effekten, og fortsatte med å skaffe kvantitativt bevis på den fullstendige reversibiliteten til elektro-elastomekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller. I flere tiår forble piezoelektrisitet en laboratoriekuriositet, men var et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie i deres arbeid med å utforske og definere krystallstrukturer som viste piezoelektrisitet. Dette kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturlige krystallklassene som er i stand til piezoelektrisitet og strengt definerte de piezoelektriske konstantene gjennom tensoranalyse.

Den praktiske anvendelsen av piezoelektriske enheter begynte med ekkolodd, som ble utviklet under første verdenskrig. I Frankrike utviklet Paul Langevin og hans medarbeidere en ultralyd-ubåtdetektor. Detektoren besto av en transduser laget av tynne kvartskrystaller forsiktig limt til stålplater, kalt en hydrofon, for å oppdage det returnerte ekkoet etter å ha sendt ut en høyfrekvent puls. Ved å måle tiden det tar å høre ekkoet av lydbølger som spretter fra et objekt, kunne de beregne avstanden til objektet. Denne bruken av piezoelektrisitet i ekkolodd var en suksess, og prosjektet skapte en intens utvikling og interesse for piezoelektriske enheter i flere tiår.

Nye piezoelektriske materialer og nye bruksområder for disse materialene ble utforsket og utviklet, og piezoelektriske enheter fant hjem i felt som keramiske fonografkassetter, noe som forenklet spillerdesignet og laget for billigere, mer nøyaktige platespillere som var billigere å vedlikeholde og enklere å bygge . Utviklingen av ultralydtransdusere muliggjorde enkel måling av viskositet og elastisitet til væsker og faste stoffer, noe som resulterte i enorme fremskritt innen materialforskning. Ultralydtidsdomenereflektometre sender en ultralydpuls gjennom et materiale og måler refleksjoner og diskontinuiteter for å finne feil inne i støpte metall- og steinobjekter

Ultrafine fokuseringsoptiske enheter

Piezoelektrisitet er evnen til visse materialer til å akkumulere elektrisk ladning når de utsettes for mekanisk påkjenning. Det er en lineær elektromekanisk interaksjon mellom elektriske og mekaniske tilstander av krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Piezoelektrisitet er en reversibel prosess, noe som betyr at materialer som viser piezoelektrisitet også viser den omvendte piezoelektriske effekten, som er den interne genereringen av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt.

Piezoelektrisitet har blitt brukt i en rekke bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd, og generering av høyspentelektrisitet. Piezoelektrisitet brukes også i blekkskriving, klokkegeneratorer, elektroniske enheter, mikrovekter, drev-ultralyddyser og optiske enheter med ultrafin fokusering.

Piezoelektrisitet ble oppdaget i 1880 av de franske fysikerne Jacques og Pierre Curie. Den piezoelektriske effekten utnyttes i nyttige applikasjoner, som produksjon og deteksjon av lyd, og generering av høyspent elektrisitet. Piezoelektrisk inkjet-utskrift brukes også, i tillegg til klokkegeneratorer, elektroniske enheter, mikrobalanser, drive-ultralyddyser og optiske enheter med ultrafin fokusering.

Piezoelektrisitet har funnet veien til daglig bruk, for eksempel å generere gnister for å antenne gass for matlagings- og oppvarmingsenheter, fakler, sigarettennere og pyroelektriske effektmaterialer som genererer elektrisk potensial som svar på en temperaturendring. Denne effekten ble studert av Carl Linnaeus og Franz Aepinus på midten av 18-tallet, og trakk på kunnskap fra René Haüy og Antoine César Becquerel som satte et forhold mellom mekanisk stress og elektrisk ladning. Eksperimenter viste seg å være usikre.

Utsikten over en piezokrystall i Curie Compensator ved Hunterian Museum i Skottland er en demonstrasjon av den direkte piezoelektriske effekten av brødrene Pierre og Jacques Curie. Kombinert med deres kunnskap om pyroelektrisitet og deres forståelse av de underliggende krystallstrukturene, ga de opphav til prediksjon av pyroelektrisitet og evnen til å forutsi krystalloppførsel. Dette ble demonstrert i effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt.

Natrium- og kaliumtartrat-tetrahydrat, og kvarts og Rochelle-salt viste piezoelektrisitet, og en piezoelektrisk skive ble brukt til å generere en spenning når de ble deformert, selv om formendringen var sterkt overdrevet. The Curies spådde den omvendte piezoelektriske effekten, og den motsatte effekten ble matematisk utledet fra grunnleggende termodynamiske prinsipper av Gabriel Lippmann i 1881. The Curies bekreftet umiddelbart eksistensen av den omvendte effekten, og fortsatte med å skaffe kvantitativt bevis for den fullstendige reversibiliteten til elektro- elastomekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller.

I flere tiår forble piezoelektrisitet en nysgjerrighet i laboratoriet inntil den ble et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie. Deres arbeid med å utforske og definere krystallstrukturene som viste piezoelektrisitet kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dette beskrev de naturlige krystallklassene som er i stand til piezoelektrisitet og definerte strengt de piezoelektriske konstantene ved bruk av tensoranalyse for praktisk anvendelse av piezoelektriske enheter.

Utviklingen av ekkolodd var et suksessprosjekt som skapte en intens utvikling og interesse for piezoelektriske enheter. Tiår senere ble nye piezoelektriske materialer og nye bruksområder for disse materialene utforsket og utviklet. Piezoelektriske enheter fant hjem i en rekke felt, for eksempel keramiske fonografkassetter, som forenklet spillerdesign og gjorde platespillere billigere og enklere å vedlikeholde og bygge. Utviklingen av ultralydtransdusere muliggjorde enkel måling av viskositet og elastisitet til væsker og faste stoffer, noe som resulterte i enorme fremskritt innen materialforskning. Ultrasoniske tidsdomenereflektometre sender en ultralydpuls inn i et materiale og måler refleksjoner og diskontinuiteter for å finne feil inne i støpte metall- og steinobjekter, noe som forbedrer strukturell sikkerhet.

Begynnelsen av feltet for piezoelektrisitetsinteresser ble sikret med lønnsomme patenter på nye materialer utviklet fra kvartskrystaller, som ble kommersielt utnyttet som et piezoelektrisk materiale. Forskere søkte etter materialer med høyere ytelse, og til tross for fremskritt innen materialer og modning av produksjonsprosesser, vokste ikke USAs marked raskt. I motsetning til dette delte japanske produsenter informasjon raskt og nye applikasjoner for vekst i USAs piezoelektriske industri led i motsetning til japanske produsenter.

Piezoelektriske motorer

I denne delen skal jeg snakke om hvordan piezoelektrisitet brukes i moderne teknologi. Fra skanningsprobemikroskoper som kan løse bilder i atomskala til pickuper for elektronisk forsterkede gitarer og triggere for moderne elektroniske trommer, har piezoelektrisitet blitt en integrert del av mange enheter. Jeg skal utforske historien til piezoelektrisitet og hvordan den har blitt brukt i en rekke applikasjoner.

danner grunnlaget for skanningsprobemikroskoper

Piezoelektrisitet er den elektriske ladningen som akkumuleres i visse faste materialer, som krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA. Det er svaret på påført mekanisk stress, og ordet piezoelektrisitet kommer fra det greske ordet πιέζειν (piezein) som betyr "klem" eller "press" og ἤλεκτρον (ēlektron) som betyr "rav", en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Piezoelektriske motorer er enheter som bruker den piezoelektriske effekten til å generere bevegelse. Denne effekten er den lineære elektromekaniske interaksjonen mellom mekaniske og elektriske tilstander i krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Det er en reversibel prosess, noe som betyr at materialer som viser den piezoelektriske effekten også viser den omvendte piezoelektriske effekten, som er den interne genereringen av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt. Eksempler på materialer som genererer målbar piezoelektrisitet er blyzirkonat-titanatkrystaller.

Den piezoelektriske effekten utnyttes i nyttige applikasjoner, som produksjon og deteksjon av lyd, piezoelektrisk blekkskriving, generering av høyspentelektrisitet, klokkegeneratorer og elektroniske enheter som mikrobalanser og drivende ultralyddyser for ultrafinfokuserende optiske sammenstillinger. Det danner også grunnlaget for skanningsprobemikroskoper, som brukes til å løse opp bilder i atomskalaen.

Piezoelektrisitet ble oppdaget i 1880 av de franske fysikerne Jacques og Pierre Curie. Utsikten over en piezokrystall og Curie-kompensatoren kan sees på Hunterian Museum i Skottland, som er en demonstrasjon av den direkte piezoelektriske effekten av brødrene Pierre og Jacques Curie.

Å kombinere deres kunnskap om pyroelektrisitet og deres forståelse av de underliggende krystallstrukturene ga opphav til prediksjonen av pyroelektrisitet, noe som tillot dem å forutsi krystalloppførselen. Dette ble demonstrert av effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natrium- og kaliumtartrat-tetrahydrat, og kvarts og Rochelle-salt viste piezoelektrisitet, og en piezoelektrisk skive ble brukt til å generere en spenning når de ble deformert, selv om dette ble sterkt overdrevet av Curies.

De spådde også den omvendte piezoelektriske effekten, og denne ble matematisk utledet fra fundamentale termodynamiske prinsipper av Gabriel Lippmann i 1881. The Curies bekreftet umiddelbart eksistensen av den omvendte effekten, og fortsatte med å skaffe kvantitative bevis for den fullstendige reversibiliteten til elektro-elasto- mekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller.

I flere tiår forble piezoelektrisitet en nysgjerrighet i laboratoriet inntil den ble et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie. Arbeidet deres med å utforske og definere krystallstrukturene som viste piezoelektrisitet kulminerte i utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturlige krystallklassene som var i stand til piezoelektrisitet og definerte de piezoelektriske konstantene og tensoranalysen strengt.

Dette førte til den praktiske anvendelsen av piezoelektriske enheter, som ekkolodd, som ble utviklet under første verdenskrig. I Frankrike utviklet Paul Langevin og hans medarbeidere en ultrasonisk ubåtdetektor. Denne detektoren besto av en transduser laget av tynne kvartskrystaller forsiktig limt til stålplater, og en hydrofon for å detektere det returnerte ekkoet etter å ha sendt ut en høyfrekvent puls fra transduseren. Ved å måle tiden det tar å høre ekkoet av lydbølgene som spretter fra et objekt, var de i stand til å beregne avstanden til objektet. De brukte piezoelektrisitet for å gjøre dette ekkoloddet til en suksess, og prosjektet skapte en intens utvikling og interesse for piezoelektriske enheter i flere tiår.

Nye piezoelektriske materialer og nye bruksområder for disse materialene ble utforsket og utviklet, og piezoelektriske enheter fant hjem på mange felt, for eksempel keramiske fonografkassetter, som forenklet spillerdesignet og laget for billigere og mer nøyaktige platespillere som var billigere å vedlikeholde og enklere å bygge. Utviklingen av ultralydtransdusere muliggjorde enkel måling av viskositet og elastisitet til væsker og faste stoffer, noe som resulterte i enorme fremskritt innen materialforskning. Ultrasoniske tidsdomenereflektometre sender en ultralydpuls inn i et materiale og måler refleksjoner og diskontinuiteter for å finne feil inne i støpte metall- og steinobjekter, noe som forbedrer den strukturelle sikkerheten.

Under andre verdenskrig, uavhengige forskningsgrupper i USA

Løs bilder i atomskala

Piezoelektrisitet er den elektriske ladningen som akkumuleres i visse faste materialer som krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA. Det er et svar på påført mekanisk stress og er avledet fra det greske ordet 'piezein', som betyr å klemme eller trykke. Den piezoelektriske effekten er et resultat av den lineære elektromekaniske interaksjonen mellom de mekaniske og elektriske tilstandene i krystallinske materialer med inversjonssymmetri.

Piezoelektrisitet er en reversibel prosess, og materialer som viser den piezoelektriske effekten viser også den omvendte piezoelektriske effekten, som er den interne genereringen av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt. Eksempler på dette inkluderer blyzirkonat-titanatkrystaller, som genererer målbar piezoelektrisitet når deres statiske struktur deformeres fra sin opprinnelige dimensjon. Motsatt endrer krystaller sin statiske dimensjon når et eksternt elektrisk felt påføres, som er kjent som den inverse piezoelektriske effekten og brukes i produksjonen av ultralydbølger.

Franske fysikere Jacques og Pierre Curie oppdaget piezoelektrisitet i 1880. Den piezoelektriske effekten har blitt utnyttet til en rekke nyttige bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd, piezoelektrisk blekkskriving, generering av høyspentelektrisitet, klokkegeneratorer og elektroniske enheter som f.eks. mikrobalanser og drive ultralyddyser. Det danner også grunnlaget for skanningsprobemikroskoper, som brukes til å løse opp bilder i atomskalaen.

Piezoelektrisitet brukes også i daglige bruksområder, for eksempel å generere gnister for å antenne gass i matlagings- og oppvarmingsapparater, fakler, sigarettennere og mer. Den pyroelektriske effekten, som er et materiale som genererer et elektrisk potensial som svar på en temperaturendring, ble studert av Carl Linnaeus og Franz Aepinus på midten av 18-tallet. Ved å trekke på kunnskapen til René Haüy og Antoine César Becquerel, antydet de et forhold mellom mekanisk stress og elektrisk ladning, men eksperimentene deres viste seg å være usikre.

Besøkende på Hunterian Museum i Glasgow kan se en Curie-kompensator i piezokrystall, en demonstrasjon av den direkte piezoelektriske effekten av brødrene Pierre og Jacques Curie. Kombinert med deres kunnskap om pyroelektrisitet og forståelse av de underliggende krystallstrukturene, ga de opphav til prediksjon av pyroelektrisitet og evnen til å forutsi krystalloppførsel. Dette ble demonstrert av effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natrium- og kaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts og Rochelle-salt viste piezoelektrisitet, og en piezoelektrisk skive genererer en spenning når den deformeres, selv om formendringen er sterkt overdrevet. Curies var i stand til å forutsi den omvendte piezoelektriske effekten, og den motsatte effekten ble matematisk utledet fra grunnleggende termodynamiske prinsipper av Gabriel Lippmann i 1881.

The Curies bekreftet umiddelbart eksistensen av den omvendte effekten, og fortsatte med å skaffe kvantitativt bevis på den fullstendige reversibiliteten til elektro-elastomekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller. I flere tiår forble piezoelektrisitet en kuriositet i laboratoriet, men det var et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie. Deres arbeid med å utforske og definere krystallstrukturer som viste piezoelektrisitet kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics).

Pickuper elektronisk forsterkede gitarer

Piezoelektriske motorer er elektriske motorer som bruker den piezoelektriske effekten til å konvertere elektrisk energi til mekanisk energi. Den piezoelektriske effekten er evnen til visse materialer til å generere en elektrisk ladning når de utsettes for mekanisk påkjenning. Piezoelektriske motorer brukes i en rekke applikasjoner, fra å drive små enheter som klokker til å drive større maskiner som roboter og medisinsk utstyr.

Piezoelektriske motorer brukes i pickuper elektronisk forsterkede gitarer. Disse pickupene bruker den piezoelektriske effekten til å konvertere vibrasjonene til gitarstrengene til et elektrisk signal. Dette signalet blir deretter forsterket og sendt til en forsterker, som produserer lyden av gitaren. Piezoelektriske pickuper brukes også i moderne elektroniske trommer, hvor de brukes til å oppdage vibrasjonene til trommelhodene og konvertere dem til et elektrisk signal.

Piezoelektriske motorer brukes også i skanningsprobemikroskoper, som bruker den piezoelektriske effekten til å flytte en liten sonde over en overflate. Dette gjør at mikroskopet kan løse bilder i atomskalaen. Piezoelektriske motorer brukes også i blekkskrivere, hvor de brukes til å flytte skrivehodet frem og tilbake over siden.

Piezoelektriske motorer brukes i en rekke andre applikasjoner, inkludert medisinsk utstyr, bilkomponenter og forbrukerelektronikk. De brukes også i industrielle applikasjoner, for eksempel i produksjon av presisjonsdeler og ved montering av komplekse komponenter. Den piezoelektriske effekten brukes også i produksjonen av ultralydbølger, som brukes i medisinsk bildebehandling og ved påvisning av feil i materialer.

Totalt sett brukes piezoelektriske motorer i et bredt spekter av bruksområder, fra å drive små enheter til å drive større maskiner. De brukes i pickuper, elektronisk forsterkede gitarer, moderne elektroniske trommer, skanningsprobemikroskoper, blekkskrivere, medisinsk utstyr, bilkomponenter og forbrukerelektronikk. Den piezoelektriske effekten brukes også i produksjon av ultralydbølger og ved påvisning av feil i materialer.

Trigger moderne elektroniske trommer

Piezoelektrisitet er den elektriske ladningen som akkumuleres i visse faste materialer som krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA. Det er responsen til disse materialene på påført mekanisk påkjenning. Ordet piezoelektrisitet er avledet fra det greske ordet "piezein", som betyr "å klemme eller trykke", og ordet "elektron", som betyr "rav", en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Piezoelektriske motorer er enheter som bruker den piezoelektriske effekten til å generere bevegelse. Denne effekten er et resultat av den lineære elektromekaniske interaksjonen mellom de mekaniske og elektriske tilstandene til krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Det er en reversibel prosess, noe som betyr at materialer som viser den piezoelektriske effekten også viser den omvendte piezoelektriske effekten, som er den interne genereringen av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt. Et eksempel på dette er blyzirkonat-titanatkrystaller, som genererer målbar piezoelektrisitet når deres statiske struktur deformeres fra sin opprinnelige dimensjon. Omvendt, når et eksternt elektrisk felt påføres, endrer krystallene sin statiske dimensjon, og produserer ultralydbølger.

Piezoelektriske motorer brukes i en rekke dagligdagse bruksområder, for eksempel:

• Genererer gnister for å antenne gass i matlagings- og oppvarmingsapparater
• Fakler, sigarettennere og materialer med pyroelektrisk effekt
• Generering av elektrisk potensial som svar på temperaturendringer
• Produksjon og deteksjon av lyd
• Piezoelektrisk blekkskriverutskrift
• Generering av høyspent elektrisitet
• Klokkegenerator og elektroniske enheter
• Mikrobalanser
• Drive ultralyddyser og optiske enheter med ultrafin fokusering
• Danner grunnlaget for skanningsprobemikroskoper
• Løs opp bilder på atomskalaen
• Pickuper elektronisk forsterkede gitarer
• Utløser moderne elektroniske trommer.

Elektromekanisk modellering av piezoelektriske transdusere

I denne delen skal jeg utforske den elektromekaniske modelleringen av piezoelektriske transdusere. Jeg skal se på historien til oppdagelsen av piezoelektrisitet, eksperimentene som beviste dens eksistens, og utviklingen av piezoelektriske enheter og materialer. Jeg vil også diskutere bidragene fra de franske fysikerne Pierre og Jacques Curie, Carl Linnaeus og Franz Aepinus, Rene Hauy og Antoine Cesar Becquerel, Gabriel Lippmann og Woldemar Voigt.

De franske fysikerne Pierre og Jacques Curie

Piezoelektrisitet er et elektromekanisk fenomen der elektrisk ladning akkumuleres i visse faste materialer som krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA. Denne ladningen genereres som svar på en påført mekanisk påkjenning. Ordet 'piezoelektrisitet' er avledet fra det greske ordet 'piezein', som betyr 'å klemme eller trykke', og 'elektron', som betyr 'rav', en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekten er et resultat av en lineær elektromekanisk interaksjon mellom mekaniske og elektriske tilstander i materialer med inversjonssymmetri. Denne effekten er reversibel, noe som betyr at materialer som viser den piezoelektriske effekten også viser den omvendte piezoelektriske effekten, der intern generering av mekanisk belastning produseres som svar på et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanatkrystaller målbar piezoelektrisitet når deres statiske struktur er deformert fra sin opprinnelige dimensjon. Motsatt, når et eksternt elektrisk felt påføres, endrer krystallene sin statiske dimensjon, og produserer ultralydbølger i prosessen kjent som den inverse piezoelektriske effekten.

I 1880 oppdaget de franske fysikerne Pierre og Jacques Curie den piezoelektriske effekten, og den har siden blitt utnyttet til en rekke nyttige bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd, piezoelektrisk blekkskriving, generering av høyspentelektrisitet, klokkegeneratorer og elektroniske enheter som mikrobalanser og drivende ultralyddyser for optiske sammenstillinger med ultrafin fokusering. Det danner også grunnlaget for skanning av probemikroskoper, som kan løse bilder i atomskalaen. Piezoelektrisitet brukes også i pickuper for elektronisk forsterkede gitarer og triggere for moderne elektroniske trommer.

Piezoelektrisitet finner også daglig bruk, for eksempel å generere gnister for å antenne gass i matlagings- og oppvarmingsenheter, fakler, sigarettennere og mer. Den pyroelektriske effekten, der et materiale genererer et elektrisk potensial som svar på en temperaturendring, ble studert av Carl Linnaeus og Franz Aepinus på midten av 18-tallet, og trakk på kunnskapen til René Hauy og Antoine César Becquerel, som hevdet et forhold mellom mekanisk stress og elektrisk ladning, selv om eksperimentene deres viste seg å være usikre.

Ved å kombinere sin kunnskap om pyroelektrisitet med en forståelse av de underliggende krystallstrukturene, var Curies i stand til å gi opphav til prediksjonen av pyroelektrisitet og forutsi oppførselen til krystaller. Dette ble demonstrert i effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts viste også piezoelektrisitet. En piezoelektrisk disk genererer en spenning når den deformeres, selv om dette er sterkt overdrevet i Curies-demonstrasjonen. De var også i stand til å forutsi den omvendte piezoelektriske effekten og matematisk utlede den fra grunnleggende termodynamiske prinsipper av Gabriel Lippmann i 1881.

The Curies bekreftet umiddelbart eksistensen av den omvendte effekten, og fortsatte med å skaffe kvantitativt bevis på den fullstendige reversibiliteten til elektro-elastomekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller. I tiårene som fulgte, forble piezoelektrisitet en laboratoriekuriositet inntil den ble et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie. Deres arbeid med å utforske og definere krystallstrukturene som viste piezoelektrisitet kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts 'Lehrbuch der Kristallphysik' (Textbook of Crystal Physics).

Eksperimenter viste seg å være usikre

Piezoelektrisitet er et elektromekanisk fenomen der elektrisk ladning akkumuleres i visse faste materialer, som krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA. Det er responsen på påført mekanisk stress, og ordet 'piezoelektrisitet' er avledet fra de greske ordene 'piezein', som betyr 'å klemme eller trykke', og 'ēlektron', som betyr 'rav', en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekten er resultatet av den lineære elektromekaniske interaksjonen mellom de mekaniske og elektriske tilstandene til krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Det er en reversibel prosess; materialer som viser den piezoelektriske effekten viser også den omvendte piezoelektriske effekten, som er den interne genereringen av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanatkrystaller målbar piezoelektrisitet når deres statiske struktur er deformert fra sin opprinnelige dimensjon. Motsatt kan krystaller endre sin statiske dimensjon når et eksternt elektrisk felt påføres, kjent som den inverse piezoelektriske effekten, som brukes i produksjonen av ultralydbølger.

De franske fysikerne Pierre og Jacques Curie oppdaget piezoelektrisitet i 1880. Den har siden blitt utnyttet til en rekke nyttige bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd, piezoelektrisk blekkskriving, generering av høyspentelektrisitet, klokkegeneratorer og elektroniske enheter som mikrobalanser , drive ultralyddyser og ultrafine optiske fokuseringsenheter. Det danner også grunnlaget for skanningsprobemikroskoper, som kan løse bilder på atomskalaen. Piezoelektrisitet brukes også i pickuper for elektronisk forsterkede gitarer, og triggere for moderne elektroniske trommer.

Piezoelektrisitet finner daglig bruk for å generere gnister for å antenne gass i matlagings- og oppvarmingsenheter, fakler, sigarettennere og mer. Den pyroelektriske effekten, der et materiale genererer et elektrisk potensial som svar på en temperaturendring, ble studert av Carl Linnaeus og Franz Aepinus på midten av 18-tallet, og trakk på kunnskapen til René Hauy og Antoine César Becquerel, som uttrykte et forhold. mellom mekanisk påkjenning og elektrisk ladning. Eksperimenter viste seg å være usikre.

Den kombinerte kunnskapen om pyroelektrisitet og forståelsen av de underliggende krystallstrukturene ga opphav til prediksjon av pyroelektrisitet og evnen til å forutsi krystallers oppførsel. Dette ble demonstrert i effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts viste også piezoelektrisitet, og en piezoelektrisk skive ble brukt til å generere en spenning når den ble deformert. Dette ble sterkt overdrevet i Curies' demonstrasjon av den direkte piezoelektriske effekten.

Brødrene Pierre og Jacques Curie spådde den omvendte piezoelektriske effekten, og den motsatte effekten ble matematisk utledet fra grunnleggende termodynamiske prinsipper av Gabriel Lippmann i 1881. The Curies bekreftet umiddelbart eksistensen av den omvendte effekten, og fortsatte med å skaffe kvantitativt bevis på den fullstendige reversibilitet av elektro-elastomekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller.

I flere tiår forble piezoelektrisitet en kuriositet i laboratoriet, men det var et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie. Deres arbeid med å utforske og definere krystallstrukturene som viste piezoelektrisitet kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dette beskrev de naturlige krystallklassene som er i stand til piezoelektrisitet og definerte strengt de piezoelektriske konstantene ved bruk av tensoranalyse. Dette var den første praktiske anvendelsen av piezoelektriske transdusere, og ekkolodd ble utviklet under første verdenskrig. I Frankrike utviklet Paul Langevin og hans medarbeidere en ultralyd-ubåtdetektor.

Carl Linnaeus og Franz Aepinus

Piezoelektrisitet er et elektromekanisk fenomen der elektrisk ladning akkumuleres i visse faste materialer som krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA. Denne ladningen genereres som svar på påført mekanisk påkjenning. Ordet piezoelektrisitet kommer fra de greske ordene πιέζειν (piezein) som betyr "å klemme eller trykke" og ἤλεκτρον (ēlektron) som betyr "rav", en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekten er et resultat av en lineær elektromekanisk interaksjon mellom de mekaniske og elektriske tilstandene til krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Denne effekten er reversibel, noe som betyr at materialer som viser piezoelektrisitet også viser den omvendte piezoelektriske effekten, som er den interne genereringen av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanatkrystaller målbar piezoelektrisitet når deres statiske struktur er deformert fra sin opprinnelige dimensjon. Motsatt kan krystaller endre sin statiske dimensjon når et eksternt elektrisk felt påføres, som er kjent som den inverse piezoelektriske effekten og brukes i produksjonen av ultralydbølger.

I 1880 oppdaget de franske fysikerne Jacques og Pierre Curie den piezoelektriske effekten, og den har siden blitt utnyttet til mange nyttige bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd, piezoelektrisk blekkskriving, generering av høyspentelektrisitet, klokkegeneratorer, elektroniske enheter, mikrobalanser , drive ultralyddyser og ultrafine optiske fokuseringsenheter. Det danner også grunnlaget for skanningsprobemikroskoper, som brukes til å løse opp bilder på atomskalaen. Piezoelektrisitet brukes også i pickuper for elektronisk forsterkede gitarer og triggere for moderne elektroniske trommer.

Piezoelektrisitet finnes også i daglig bruk, for eksempel å generere gnister for å antenne gass i matlagings- og varmeapparater, fakler, sigarettennere og den pyroelektriske effekten, som er når et materiale genererer et elektrisk potensial som svar på en temperaturendring. Denne effekten ble studert av Carl Linnaeus og Franz Aepinus på midten av 18-tallet, og trakk på kunnskap fra René Hauy og Antoine César Becquerel, som anså et forhold mellom mekanisk stress og elektrisk ladning, selv om eksperimentene deres viste seg å være usikre.

Utsikten over en piezokrystall i Curie-kompensatoren ved Hunterian Museum i Skottland er en demonstrasjon av den direkte piezoelektriske effekten av brødrene Pierre og Jacques Curie. Å kombinere deres kunnskap om pyroelektrisitet med en forståelse av de underliggende krystallstrukturene ga opphav til prediksjon av pyroelektrisitet og evnen til å forutsi krystalloppførselen. Dette ble demonstrert av effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts fra Rochelle-salt viste piezoelektrisitet, og en piezoelektrisk skive genererer en spenning når den deformeres, selv om dette er sterkt overdrevet i Curies-demonstrasjonen.

Forutsigelsen av den omvendte piezoelektriske effekten og dens matematiske deduksjon fra grunnleggende termodynamiske prinsipper ble gjort av Gabriel Lippmann i 1881. The Curies bekreftet umiddelbart eksistensen av den omvendte effekten, og fortsatte med å skaffe kvantitativt bevis for den fullstendige reversibiliteten til elektroelasto- mekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller. I flere tiår forble piezoelektrisitet en laboratoriekuriositet inntil den ble et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie, som brukte den til å utforske og definere krystallstrukturer som viste piezoelektrisitet. Dette kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturlige krystallklassene som er i stand til piezoelektrisitet og strengt definerte de piezoelektriske konstantene ved bruk av tensoranalyse.

Denne praktiske anvendelsen av piezoelektriske transdusere førte til utviklingen av ekkolodd under første verdenskrig. I Frankrike utviklet Paul Langevin og hans medarbeidere en ubåtdetektor med ultralyd. Detektoren besto av en transduser laget av tynne kvartskrystaller forsiktig limt til stålplater, og en hydrofon for å detektere det returnerte ekkoet etter å ha sendt ut en høyfrekvent puls fra svingeren. Ved å måle tiden det tar å høre ekkoet av lydbølger som spretter fra et objekt, klarte de å beregne avstanden til objektet. De brukte piezoelektrisitet for å gjøre dette ekkoloddet til en suksess, og prosjektet skapte en intens utvikling og interesse for piezoelektriske enheter

Rene Hauy og Antoine Cesar Becquerel

Piezoelektrisitet er et elektromekanisk fenomen som oppstår når visse faste materialer, som krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA, akkumulerer elektrisk ladning som svar på påført mekanisk stress. Piezoelektrisitet er avledet fra det greske ordet 'piezein', som betyr 'å klemme eller trykke', og 'elektron', som betyr 'rav', en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekten er et resultat av en lineær elektromekanisk interaksjon mellom mekaniske og elektriske tilstander i krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Denne effekten er reversibel, noe som betyr at materialer som viser den piezoelektriske effekten også viser den omvendte piezoelektriske effekten, eller intern generering av mekanisk belastning som følge av et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanatkrystaller målbar piezoelektrisitet når deres statiske struktur er deformert fra sin opprinnelige dimensjon. Motsatt kan krystaller endre sin statiske dimensjon når et eksternt elektrisk felt påføres, noe som resulterer i den omvendte piezoelektriske effekten og produksjon av ultralydbølger.

De franske fysikerne Pierre og Jacques Curie oppdaget den piezoelektriske effekten i 1880. Denne effekten har blitt utnyttet til en rekke nyttige bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd, piezoelektrisk blekkskriving, generering av høyspentelektrisitet, klokkegeneratorer og elektroniske enheter som mikrobalanser, drivende ultralyddyser og optiske enheter med ultrafine fokusering. Det danner også grunnlaget for skanningsprobemikroskoper, som kan løse bilder på en skala av atomer. Piezoelektrisitet brukes også i pickuper for elektronisk forsterkede gitarer, og triggere for moderne elektroniske trommer.

Den piezoelektriske effekten ble først studert av Carl Linnaeus og Franz Aepinus på midten av 18-tallet, og trakk på kunnskap fra Rene Hauy og Antoine Cesar Becquerel, som anså et forhold mellom mekanisk stress og elektrisk ladning. Eksperimenter viste seg imidlertid ikke å være avgjørende. Kombinert med kunnskap om pyroelektrisitet, og forståelse av de underliggende krystallstrukturene, ga dette opphav til prediksjon av pyroelektrisitet, og evnen til å forutsi krystalloppførsel. Dette ble demonstrert i effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts viste også piezoelektrisitet, og en piezoelektrisk skive ble brukt til å generere en spenning når den ble deformert. Denne effekten ble sterkt overdrevet i Curies-demonstrasjonen på Museum of Scotland, som viste den direkte piezoelektriske effekten.

Brødrene Pierre og Jacques Curie fortsatte med å skaffe kvantitativt bevis på den fullstendige reversibiliteten til elektro-elastomekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller. I flere tiår forble piezoelektrisitet en kuriositet i laboratoriet, inntil den ble et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie. Dette arbeidet utforsket og definerte krystallstrukturene som viste piezoelektrisitet, og kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics).

The Curies bekreftet umiddelbart eksistensen av den omvendte effekten, og fortsatte med å matematisk utlede de grunnleggende termodynamiske prinsippene for den omvendte effekten. Dette ble gjort av Gabriel Lippmann i 1881. Piezoelektrisitet ble deretter brukt til å utvikle ekkolodd under første verdenskrig. I Frankrike utviklet Paul Langevin og hans medarbeidere en ultrasonisk ubåtdetektor. Denne detektoren besto av en transduser laget av tynne kvartskrystaller forsiktig limt til stålplater, og en hydrofon for å oppdage det returnerte ekkoet. Ved å sende ut en høyfrekvent puls fra svingeren og måle tiden det tar å høre ekkoet av lydbølgene som spretter av et objekt, kunne de beregne avstanden til objektet.

Bruken av piezoelektriske krystaller ble videreutviklet av Bell Telephone Laboratories etter andre verdenskrig. Frederick R. Lack, som jobbet i ingeniøravdelingen for radiotelefoni, utviklet en kuttet krystall som kunne fungere over et bredt temperaturområde. Lacks krystall trengte ikke det tunge tilbehøret til tidligere krystaller, noe som letter bruken i fly. Denne utviklingen tillot de allierte luftstyrkene å engasjere seg i koordinerte masseangrep ved bruk av luftfartsradio. Utviklingen av piezoelektriske enheter og materialer i USA holdt bedrifter i utviklingen av krigens begynnelse i feltet, og interesser i å sikre lønnsomme patenter for nye materialer utviklet. Kvartskrystaller ble kommersielt utnyttet som et piezoelektrisk materiale, og forskere søkte etter materialer med høyere ytelse. Til tross for fremskritt i materialer og modning av produksjonsprosesser, USA

Gabriel Lippmann

Piezoelektrisitet er et elektromekanisk fenomen der elektrisk ladning akkumuleres i visse faste materialer, som krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA. Det er et resultat av et samspill mellom mekaniske og elektriske tilstander i materialer med inversjonssymmetri. Piezoelektrisitet ble først oppdaget av de franske fysikerne Pierre og Jacques Curie i 1880.

Piezoelektrisitet har blitt utnyttet til en rekke nyttige bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd, piezoelektrisk blekkskriving og generering av høyspentelektrisitet. Piezoelektrisitet er avledet fra de greske ordene πιέζειν (piezein) som betyr "å klemme eller trykke" og ἤλεκτρον (ēlektron) som betyr "rav", en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekten er reversibel, noe som betyr at materialer som viser piezoelektrisitet også viser den omvendte piezoelektriske effekten, der den interne genereringen av mekanisk belastning er et resultat av påføringen av et elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanatkrystaller målbar piezoelektrisitet når deres statiske struktur er deformert fra sin opprinnelige dimensjon. Motsatt kan krystaller endre sin statiske dimensjon når et eksternt elektrisk felt påføres, en prosess kjent som den inverse piezoelektriske effekten. Denne prosessen kan brukes til å produsere ultralydbølger.

Den piezoelektriske effekten har blitt studert siden midten av 18-tallet, da Carl Linnaeus og Franz Aepinus, basert på kunnskapen til René Hauy og Antoine César Becquerel, antydet et forhold mellom mekanisk stress og elektrisk ladning. Eksperimenter viste seg imidlertid ikke å være avgjørende. Det var ikke før den kombinerte kunnskapen om pyroelektrisitet og en forståelse av de underliggende krystallstrukturene ga opphav til prediksjonen om pyroelektrisitet at forskere var i stand til å forutsi krystalloppførsel. Dette ble demonstrert av effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle-salt.

Gabriel Lippmann, i 1881, utledet matematisk de grunnleggende termodynamiske prinsippene for den omvendte piezoelektriske effekten. The Curies bekreftet umiddelbart eksistensen av den omvendte effekten, og fortsatte med å skaffe kvantitativt bevis på den fullstendige reversibiliteten til elektro-elastomekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller.

I flere tiår forble piezoelektrisitet en nysgjerrighet i laboratoriet inntil den ble et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre og Marie Curie. Deres arbeid med å utforske og definere krystallstrukturene som viste piezoelektrisitet kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Dette beskrev de naturlige krystallklassene som er i stand til piezoelektrisitet og definerte strengt de piezoelektriske konstantene med tensoranalyse.

Den praktiske anvendelsen av piezoelektriske enheter begynte med utviklingen av ekkolodd under første verdenskrig. Paul Langevin og hans medarbeidere utviklet en ultrasonisk ubåtdetektor. Denne detektoren besto av en transduser laget av tynne kvartskrystaller forsiktig limt til stålplater, og en hydrofon for å oppdage det returnerte ekkoet. Ved å sende ut en høyfrekvent puls fra svingeren og måle tiden det tar å høre ekkoet av lydbølger som spretter av et objekt, klarte de å beregne avstanden til objektet. Denne bruken av piezoelektrisitet for ekkolodd var en suksess, og prosjektet skapte en intens utviklingsinteresse for piezoelektriske enheter. I løpet av tiårene ble nye piezoelektriske materialer og nye bruksområder for disse materialene utforsket og utviklet. Piezoelektriske enheter fant hjem i en rekke felt, fra keramiske fonografkassetter som forenklet spillerdesign og gjorde billige, nøyaktige platespillere billigere å vedlikeholde og enklere å bygge, til utviklingen av ultralydsvingere som muliggjorde enkel måling av viskositet og elastisitet til væsker og faste stoffer, noe som resulterer i enorme fremskritt innen materialforskning. Ultrasoniske tidsdomenereflektometre sender en ultralydpuls inn i et materiale og måler refleksjoner og diskontinuiteter for å finne feil inne i støpte metall- og steinobjekter, noe som forbedrer den strukturelle sikkerheten.

Etter andre verdenskrig oppdaget uavhengige forskningsgrupper i USA, Russland og Japan en ny klasse syntetiske materialer kalt ferroelektriske stoffer som viste piezoelektriske konstanter opptil ti ganger høyere enn naturlige materialer. Dette førte til intens forskning for å utvikle bariumtitanat, og senere blyzirkonattitanat, materialer med spesifikke egenskaper for spesielle bruksområder. Et betydelig eksempel på bruken av piezoelektriske krystaller ble utviklet

Woldemar Voigt

Piezoelektrisitet er et elektromekanisk fenomen der elektrisk ladning akkumuleres i visse faste materialer, som krystaller, keramikk og biologisk materiale som bein og DNA. Denne ladningen genereres som svar på en påført mekanisk påkjenning. Ordet piezoelektrisitet er avledet fra det greske ordet "piezein", som betyr "å klemme eller trykke", og "elektron", som betyr "rav", en eldgammel kilde til elektrisk ladning.

Den piezoelektriske effekten er et resultat av en lineær elektromekanisk interaksjon mellom de mekaniske og elektriske tilstandene til krystallinske materialer med inversjonssymmetri. Denne effekten er reversibel, noe som betyr at materialer som viser piezoelektrisitet også viser en omvendt piezoelektrisk effekt, der den interne genereringen av mekanisk belastning er et resultat av et påført elektrisk felt. For eksempel genererer blyzirkonat-titanatkrystaller målbar piezoelektrisitet når deres statiske struktur er deformert fra sin opprinnelige dimensjon. Motsatt kan krystaller endre sin statiske dimensjon når et eksternt elektrisk felt påføres, et fenomen kjent som den inverse piezoelektriske effekten, som brukes i produksjonen av ultralydbølger.

Franske fysikere Pierre og Jacques Curie oppdaget piezoelektrisitet i 1880. Den piezoelektriske effekten har siden blitt utnyttet til en rekke nyttige bruksområder, inkludert produksjon og deteksjon av lyd, piezoelektrisk blekkskriving, generering av høyspentelektrisitet, klokkegeneratorer og elektroniske enheter som mikrobalanser og drivende ultralyddyser for ultrafin fokusering av optiske enheter. Det danner også grunnlaget for skanningsprobemikroskoper, som kan løse bilder på atomskalaen. I tillegg bruker pickuper i elektronisk forsterkede gitarer og triggere i moderne elektroniske trommer den piezoelektriske effekten.

Piezoelektrisitet finner også daglig bruk for å generere gnister for å antenne gass i matlagings- og oppvarmingsenheter, i fakler, sigarettennere og mer. Den pyroelektriske effekten, der et materiale genererer et elektrisk potensial som svar på en temperaturendring, ble studert av Carl Linnaeus og Franz Aepinus på midten av 18-tallet, og trakk på kunnskap fra Rene Hauy og Antoine Cesar Becquerel, som anså et forhold mellom mekanisk stress og elektrisk ladning. Eksperimenter for å bevise dette forholdet viste seg ikke å være avgjørende.

Utsikten over en piezokrystall i Curie-kompensatoren ved Hunterian Museum i Skottland er en demonstrasjon av den direkte piezoelektriske effekten av brødrene Pierre og Jacques Curie. Å kombinere deres kunnskap om pyroelektrisitet med en forståelse av de underliggende krystallstrukturene ga opphav til prediksjonen av pyroelektrisitet, som gjorde det mulig for dem å forutsi krystalloppførselen de viste i effekten av krystaller som turmalin, kvarts, topas, rørsukker og Rochelle salt . Natrium- og kaliumtartrat-tetrahydrat og kvarts viste også piezoelektrisitet, og en piezoelektrisk skive ble brukt til å generere en spenning når den ble deformert. Denne endringen i form ble sterkt overdrevet i Curies-demonstrasjonen, og de fortsatte med å forutsi den omvendte piezoelektriske effekten. Den motsatte effekten ble matematisk utledet fra grunnleggende termodynamiske prinsipper av Gabriel Lippmann i 1881.

The Curies bekreftet umiddelbart eksistensen av den omvendte effekten, og fortsatte med å skaffe kvantitativt bevis på den fullstendige reversibiliteten til elektro-elastomekaniske deformasjoner i piezoelektriske krystaller. I tiårene som fulgte, forble piezoelektrisitet en nysgjerrighet i laboratoriet, inntil den ble et viktig verktøy i oppdagelsen av polonium og radium av Pierre Marie Curie, som brukte den til å utforske og definere krystallstrukturer som viste piezoelektrisitet. Dette kulminerte med utgivelsen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturlige krystallklassene som er i stand til piezoelektrisitet og strengt definerte de piezoelektriske konstantene ved bruk av tensoranalyse.

Dette førte til den praktiske anvendelsen av piezoelektriske enheter, som ekkolodd, som ble utviklet under første verdenskrig. I Frankrike utviklet Paul Langevin og hans medarbeidere en ultrasonisk ubåtdetektor. Denne detektoren besto av en transduser laget av tynne kvartskrystaller forsiktig limt til stålplater, og en hydrofon for å detektere det returnerte ekkoet etter å ha sendt ut en høyfrekvent puls fra transduseren. Ved å måle tiden det tar å høre ekkoet av lydbølgene som spretter fra et objekt, kunne de beregne avstanden til objektet. De brukte piezoelektrisitet for å gjøre dette ekkoloddet til en suksess, og prosjektet skapte en intens utvikling og interesse for.

Viktige relasjoner

• Piezoelektriske aktuatorer: Piezoelektriske aktuatorer er enheter som konverterer elektrisk energi til mekanisk bevegelse. De brukes ofte i robotikk, medisinsk utstyr og andre applikasjoner der presis bevegelseskontroll er nødvendig.
• Piezoelektriske sensorer: Piezoelektriske sensorer brukes til å måle fysiske parametere som trykk, akselerasjon og vibrasjon. De brukes ofte i industrielle og medisinske applikasjoner, så vel som i forbrukerelektronikk.
• Piezoelektrisitet i naturen: Piezoelektrisitet er et naturlig forekommende fenomen i visse materialer, og finnes i mange levende organismer. Det brukes av noen organismer til å sanse miljøet og kommunisere med andre organismer.

konklusjonen

Piezoelektrisitet er et fantastisk fenomen som har blitt brukt i en rekke applikasjoner, fra ekkolodd til fonografkassetter. Det har blitt studert siden midten av 1800-tallet, og har blitt brukt med stor effekt i utviklingen av moderne teknologi. Dette blogginnlegget har utforsket historien og bruken av piezoelektrisitet, og har fremhevet viktigheten av dette fenomenet i utviklingen av moderne teknologi. For de som er interessert i å lære mer om piezoelektrisitet, er dette innlegget et flott utgangspunkt.

Jeg er Joost Nusselder, grunnleggeren av Neaera og innholdsmarkedsfører, pappa og elsker å prøve ut nytt utstyr med gitar i hjertet av lidenskapen min, og sammen med teamet mitt har jeg laget dybdebloggartikler siden 2020 for å hjelpe lojale lesere med innspilling og gitartips.

Sjekk meg ut på Youtube hvor jeg prøver alt dette utstyret:

Bli medlem!