Piezoelektryczność: kompleksowy przewodnik po zrozumieniu jego mechaniki i zastosowań

Piezoelektryczność to zdolność pewnych materiałów do generowania elektryczności pod wpływem naprężeń mechanicznych i odwrotnie. Słowo to pochodzi od greckiego słowa piezo oznaczającego ciśnienie i elektryczność. Po raz pierwszy została odkryta w 1880 roku, ale koncepcja znana jest od dawna.

Najbardziej znanym przykładem piezoelektryczności jest kwarc, ale wiele innych materiałów również wykazuje to zjawisko. Najczęstszym zastosowaniem piezoelektryczności jest wytwarzanie ultradźwięków.

W tym artykule omówię, czym jest piezoelektryczność, jak działa, oraz omówię niektóre z wielu praktycznych zastosowań tego niesamowitego zjawiska.

Co to jest piezoelektryczność?

Piezoelektryczność to zdolność pewnych materiałów do generowania ładunku elektrycznego w odpowiedzi na przyłożone naprężenia mechaniczne. Jest to liniowe oddziaływanie elektromechaniczne między stanami mechanicznymi i elektrycznymi w materiałach krystalicznych o symetrii inwersyjnej. Materiały piezoelektryczne mogą być wykorzystywane do generowania energii elektrycznej wysokiego napięcia, generatorów zegarowych, urządzeń elektronicznych, mikrowag, napędzania dysz ultradźwiękowych i ultradokładnych zespołów optycznych ogniskujących.

Materiały piezoelektryczne obejmują kryształy, niektóre materiały ceramiczne, materię biologiczną, taką jak kości i DNA, oraz białka. Kiedy siła jest przykładana do materiału piezoelektrycznego, wytwarza on ładunek elektryczny. Ładunek ten można następnie wykorzystać do zasilania urządzeń lub wytworzenia napięcia.

Materiały piezoelektryczne są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, w tym:
• Produkcja i wykrywanie dźwięku
• Piezoelektryczny druk atramentowy
• Wytwarzanie energii elektrycznej wysokiego napięcia
• Generatory zegarów
• Urządzenia elektryczne
• Mikrowagi
• Napęd dysz ultradźwiękowych
• Najdokładniejsze zespoły optyczne skupiające
• Przetworniki do elektronicznie wzmacnianych gitar
• Triggery do nowoczesnych perkusji elektronicznych
• Wytwarzanie iskier w celu zapalenia gazu
• Urządzenia do gotowania i ogrzewania
• Latarki i zapalniczki.

Jaka jest historia piezoelektryczności?

Piezoelektryczność została odkryta w 1880 roku przez francuskich fizyków Jacques'a i Pierre'a Curie. Jest to ładunek elektryczny, który gromadzi się w pewnych materiałach stałych, takich jak kryształy, ceramika i materia biologiczna, w odpowiedzi na zastosowane naprężenia mechaniczne. Słowo „piezoelektryczność” pochodzi od greckiego słowa „piezein”, oznaczającego „ściskać” lub „naciskać”, oraz „elektron”, oznaczającego „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego.

Efekt piezoelektryczny wynika z liniowego oddziaływania elektromechanicznego między stanami mechanicznymi i elektrycznymi materiałów krystalicznych o symetrii inwersyjnej. Jest to proces odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące piezoelektryczność wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynikających z przyłożonego pola elektrycznego.

Połączona wiedza państwa Curie na temat piroelektryczności i zrozumienie podstawowych struktur krystalicznych dała początek przewidywaniu piroelektryczności i zdolności przewidywania zachowania kryształów. Wykazano to w działaniu kryształów, takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle.

Państwo Curie natychmiast potwierdzili istnienie efektu odwrotnego i uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro-elastyczno-mechanicznych odkształceń w kryształach piezoelektrycznych. Przez dziesięciolecia piezoelektryczność pozostawała ciekawostką laboratoryjną, dopóki nie stała się istotnym narzędziem w odkrywaniu polonu i radu przez Pierre'a i Marię Curie.

Piezoelektryczność została wykorzystana do wielu użytecznych zastosowań, w tym do produkcji i wykrywania dźwięku, piezoelektrycznego drukowania atramentowego, wytwarzania energii elektrycznej wysokiego napięcia, generatorów zegarowych i urządzeń elektronicznych, mikrowag, napędów dysz ultradźwiękowych, ultradokładnego ogniskowania zespołów optycznych oraz form podstawie mikroskopów z sondami skanującymi do rozdzielania obrazów w skali atomowej.

Piezoelektryczność znajduje również zastosowanie w życiu codziennym, jak generowanie iskier do zapalania gazu w urządzeniach do gotowania i ogrzewania, pochodniach, zapalniczkach czy efekt piroelektryczny, w którym materiał generuje potencjał elektryczny w odpowiedzi na zmianę temperatury.

W rozwoju sonaru podczas I wojny światowej zastosowano kryształy piezoelektryczne opracowane przez Bell Telephone Laboratories. Pozwoliło to siłom powietrznym aliantów na przeprowadzenie skoordynowanych masowych ataków z wykorzystaniem radia lotniczego. Rozwój urządzeń i materiałów piezoelektrycznych w Stanach Zjednoczonych utrzymywał firmy w rozwoju początków wojennych w polu zainteresowań, zabezpieczając zyskowne patenty na nowe materiały.

Japonia dostrzegła nowe zastosowania i rozwój przemysłu piezoelektrycznego w Stanach Zjednoczonych i szybko opracowała własny. Szybko podzielili się informacjami i opracowali tytanian baru, a później tytanian cyrkonianu ołowiu o określonych właściwościach do określonych zastosowań.

Piezoelektryczność przeszła długą drogę od jej odkrycia w 1880 roku i jest obecnie wykorzystywana w wielu codziennych zastosowaniach. Został również wykorzystany do poczynienia postępów w badaniach materiałowych, takich jak ultradźwiękowe reflektometry w dziedzinie czasu, które wysyłają impuls ultradźwiękowy przez materiał w celu pomiaru odbić i nieciągłości w celu znalezienia wad wewnątrz odlewów metalowych i kamiennych, poprawiając bezpieczeństwo konstrukcyjne.

Jak działa piezoelektryczność

W tej sekcji zbadam, jak działa piezoelektryczność. Zajmę się akumulacją ładunku elektrycznego w ciałach stałych, liniowym oddziaływaniem elektromechanicznym i odwracalnym procesem składającym się na to zjawisko. Omówię również historię piezoelektryczności i jej zastosowań.

Akumulacja ładunku elektrycznego w ciałach stałych

Piezoelektryczność to ładunek elektryczny, który gromadzi się w pewnych materiałach stałych, takich jak kryształy, ceramika i materii biologicznej, takiej jak kości i DNA. Jest odpowiedzią na zastosowane obciążenie mechaniczne, a jego nazwa pochodzi od greckich słów „piezein” (ściskać lub naciskać) i „ēlektron” (bursztyn).

Efekt piezoelektryczny wynika z liniowego oddziaływania elektromechanicznego między stanami mechanicznymi i elektrycznymi w materiałach krystalicznych o symetrii inwersyjnej. Jest to proces odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące piezoelektryczność wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, w którym wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynika z przyłożonego pola elektrycznego. Przykłady materiałów, które generują mierzalną piezoelektryczność, obejmują kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu.

Francuscy fizycy Pierre i Jacques Curie odkryli piezoelektryczność w 1880 roku. Od tego czasu była ona wykorzystywana do wielu przydatnych zastosowań, w tym do produkcji i wykrywania dźwięku, piezoelektrycznego druku atramentowego, wytwarzania energii elektrycznej wysokiego napięcia, generatorów zegarowych i urządzeń elektronicznych, takich jak mikrowagi i napędzają dysze ultradźwiękowe do ultradokładnego ogniskowania zespołów optycznych. Stanowi również podstawę mikroskopów z sondami skanującymi, które mogą rozdzielać obrazy w skali atomów. Piezoelektryczność jest również stosowana w przetwornikach do elektronicznie wzmacnianych gitar i wyzwalaczach do nowoczesnych perkusji elektronicznych.

Piezoelektryczność znajduje codzienne zastosowanie w wytwarzaniu iskier do zapalania gazu, w urządzeniach do gotowania i ogrzewania, pochodniach, zapalniczkach oraz w efekcie piroelektrycznym, w którym materiał generuje potencjał elektryczny w odpowiedzi na zmianę temperatury. Zostało to zbadane przez Carla Linnaeusa i Franza Aepinusa w połowie XVIII wieku, opierając się na wiedzy René Haüy i Antoine César Becquerel, którzy wysunęli związek między naprężeniami mechanicznymi a ładunkiem elektrycznym. Eksperymenty okazały się niejednoznaczne.

Widok kryształu piezoelektrycznego w kompensatorze Curie w Hunterian Museum w Szkocji jest demonstracją bezpośredniego efektu piezoelektrycznego. Bracia Pierre i Jacques Curie połączyli swoją wiedzę na temat piroelektryczności ze zrozumieniem podstawowych struktur krystalicznych, co dało początek przewidywaniu piroelektryczności. Byli w stanie przewidzieć zachowanie kryształów i zademonstrowali wpływ na kryształy, takie jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle. Tetrahydrat winianu sodowo-potasowego i kwarc również wykazywały piezoelektryczność. Dysk piezoelektryczny generuje napięcie po odkształceniu, a zmiana kształtu jest znacznie przesadzona w demonstracji Curie.

Byli w stanie przewidzieć odwrotny efekt piezoelektryczny, a odwrotny efekt został matematycznie wydedukowany przez Gabriela Lippmanna w 1881 roku. Państwo Curie natychmiast potwierdzili istnienie odwrotnego efektu i uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro-elasto- odkształcenia mechaniczne w kryształach piezoelektrycznych.

Przez dziesięciolecia piezoelektryczność pozostawała ciekawostką laboratoryjną, ale była istotnym narzędziem w odkrywaniu polonu i radu przez Pierre'a i Marię Curie. Ich praca nad zbadaniem i zdefiniowaniem struktur krystalicznych, które wykazywały piezoelektryczność, zakończyła się publikacją Lehrbuch der Kristallphysik (Podręcznika fizyki kryształów) Woldemara Voigta, w której opisano klasy kryształów naturalnych zdolnych do piezoelektryczności i rygorystycznie zdefiniowano stałe piezoelektryczne za pomocą analizy tensorowej. Było to praktyczne zastosowanie urządzeń piezoelektrycznych, a sonar został opracowany podczas I wojny światowej. We Francji Paul Langevin i jego współpracownicy opracowali ultradźwiękowy wykrywacz łodzi podwodnych.

Detektor składał się z transduktor z cienkich kryształków kwarcu starannie przyklejonych do stalowych płytek oraz hydrofon do wykrywania powracającego echa. Emitując wysoki poziom częstotliwość impulsu z przetwornika i mierząc czas potrzebny do usłyszenia echa fal dźwiękowych odbijających się od obiektu, byli w stanie obliczyć odległość do obiektu. Wykorzystali piezoelektryczność, aby sonar odniósł sukces, a projekt spowodował intensywny rozwój i zainteresowanie urządzeniami piezoelektrycznymi. Przez dziesięciolecia badano i opracowywano nowe materiały piezoelektryczne i nowe zastosowania tych materiałów, a urządzenia piezoelektryczne znalazły zastosowanie w różnych dziedzinach. Ceramiczne wkładki gramofonowe uprościły konstrukcję odtwarzacza i zostały stworzone z myślą o tanich i dokładnych gramofonach, które były tańsze w utrzymaniu i łatwiejsze w budowie.

Rozwój przetworników ultradźwiękowych umożliwił łatwy pomiar lepkości i sprężystości płynów i ciał stałych, co zaowocowało ogromnymi postępami w badaniach materiałowych.

Liniowe oddziaływanie elektromechaniczne

Piezoelektryczność to zdolność pewnych materiałów do generowania ładunku elektrycznego pod wpływem naprężeń mechanicznych. Słowo pochodzi od greckich słów πιέζειν (piezein) oznaczających „ściskać lub naciskać” oraz ἤλεκτρον (ēlektron) oznaczającego „bursztyn”, który był starożytnym źródłem ładunku elektrycznego.

Piezoelektryczność została odkryta w 1880 roku przez francuskich fizyków Jacques'a i Pierre'a Curie. Opiera się na liniowym oddziaływaniu elektromechanicznym między stanami mechanicznymi i elektrycznymi materiałów krystalicznych z symetrią inwersyjną. Efekt ten jest odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące piezoelektryczność wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, w którym wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynika z przyłożonego pola elektrycznego. Przykłady materiałów, które generują mierzalną piezoelektryczność po odkształceniu od ich struktury statycznej, obejmują kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu. I odwrotnie, kryształy mogą zmieniać swój wymiar statyczny, gdy przyłożone jest zewnętrzne pole elektryczne, co jest znane jako odwrotny efekt piezoelektryczny i jest wykorzystywane do wytwarzania fal ultradźwiękowych.

Best strings for electric guitar

Share

Watch on

Piezoelektryczność została wykorzystana do wielu przydatnych zastosowań, takich jak:

• Produkcja i wykrywanie dźwięku
• Piezoelektryczny druk atramentowy
• Wytwarzanie energii elektrycznej wysokiego napięcia
• Generator zegara
• Urządzenia elektryczne
• Mikrowagi
• Napęd dysz ultradźwiękowych
• Najdokładniejsze zespoły optyczne skupiające
• Stanowi podstawę mikroskopów z sondą skanującą do rozdzielania obrazów w skali atomowej
• Przetworniki w elektronicznie wzmacnianych gitarach
• Triggery w nowoczesnych bębnach elektronicznych
• Wytwarzanie iskier w celu zapalenia gazu w urządzeniach do gotowania i ogrzewania
• Latarki i zapalniczki

Piezoelektryczność znajduje również codzienne zastosowanie w efekcie piroelektrycznym, czyli materiale generującym potencjał elektryczny w odpowiedzi na zmianę temperatury. Zostało to zbadane przez Carla Linnaeusa i Franza Aepinusa w połowie XVIII wieku, opierając się na wiedzy René Haüy i Antoine César Becquerel, którzy wysunęli związek między naprężeniami mechanicznymi a ładunkiem elektrycznym. Jednak eksperymenty okazały się niejednoznaczne.

Oglądanie kryształu piezoelektrycznego w kompensatorze Curie w Hunterian Museum w Szkocji jest demonstracją bezpośredniego efektu piezoelektrycznego. To praca braci Pierre'a i Jacques'a Curie zbadała i zdefiniowała struktury krystaliczne wykazujące piezoelektryczność, czego kulminacją była publikacja Lehrbuch der Kristallphysik Woldemara Voigta (Podręcznik Fizyki Kryształów). Opisano w nim klasy kryształów naturalnych zdolnych do piezoelektryczności i rygorystycznie zdefiniowano stałe piezoelektryczne za pomocą analizy tensorowej, co doprowadziło do praktycznego zastosowania urządzeń piezoelektrycznych.

Sonar został opracowany podczas I wojny światowej, kiedy Paul Langevin z Francji i jego współpracownicy opracowali ultradźwiękowy wykrywacz łodzi podwodnych. Detektor ten składał się z przetwornika wykonanego z cienkich kryształków kwarcu starannie przyklejonych do stalowych płytek oraz hydrofonu do wykrywania powracającego echa po wyemitowaniu z przetwornika impulsu o wysokiej częstotliwości. Mierząc czas potrzebny do usłyszenia echa fal dźwiękowych odbijających się od obiektu, byli w stanie obliczyć odległość obiektu, wykorzystując piezoelektryczność. Sukces tego projektu doprowadził do intensywnego rozwoju i zainteresowania urządzeniami piezoelektrycznymi na przestrzeni dziesięcioleci, wraz z badaniem i opracowywaniem nowych materiałów piezoelektrycznych i nowych zastosowań tych materiałów. Urządzenia piezoelektryczne znalazły domy w wielu dziedzinach, takich jak ceramiczne wkładki gramofonowe, które uprościły konstrukcję odtwarzacza i stworzyły tańsze i dokładniejsze gramofony, a także tańsze i łatwiejsze w budowie i utrzymaniu.

Rozwój przetworników ultradźwiękowych umożliwił łatwy pomiar lepkości i sprężystości płynów i ciał stałych, co zaowocowało ogromnymi postępami w badaniach materiałowych. Reflektometry ultradźwiękowe w dziedzinie czasu wysyłają impuls ultradźwiękowy do materiału i mierzą odbicia i nieciągłości, aby znaleźć wady wewnątrz odlewów metalowych i kamiennych, poprawiając bezpieczeństwo konstrukcji. Po drugiej wojnie światowej niezależne grupy badawcze w Stanach Zjednoczonych, Rosji i Japonii odkryły nową klasę materiałów syntetycznych zwanych ferroelektrykami, które wykazywały stałe piezoelektryczne wielokrotnie wyższe niż materiały naturalne. Doprowadziło to do intensywnych badań nad opracowaniem tytanianu baru, a później tytanianu cyrkonianu ołowiu, materiałów o określonych właściwościach do określonych zastosowań.

Znaczący przykład zastosowania kryształów piezoelektrycznych został opracowany przez Bell Telephone Laboratories po drugiej wojnie światowej. Frederick R. Lack, pracujący w dziale inżynierii radiotelefonicznej,

Proces odwracalny

Piezoelektryczność to ładunek elektryczny, który gromadzi się w pewnych materiałach stałych, takich jak kryształy, ceramika i materii biologicznej, takiej jak kości i DNA. Jest to reakcja tych materiałów na zastosowane naprężenia mechaniczne. Słowo „piezoelektryczność” pochodzi od greckich słów „piezein” oznaczających „ściskać” lub „naciskać” oraz „ēlektron” oznaczającego „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego.

Efekt piezoelektryczny wynika z liniowego oddziaływania elektromechanicznego między stanami mechanicznymi i elektrycznymi materiałów krystalicznych o symetrii inwersyjnej. Jest to proces odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące piezoelektryczność wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynikających z przyłożonego pola elektrycznego. Przykłady materiałów, które generują mierzalną piezoelektryczność, obejmują kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu. Kiedy struktura statyczna tych kryształów ulega deformacji, wracają one do swojego pierwotnego wymiaru i odwrotnie, gdy przyłożone jest zewnętrzne pole elektryczne, zmieniają swój wymiar statyczny, wytwarzając fale ultradźwiękowe.

Francuscy fizycy Jacques i Pierre Curie odkryli piezoelektryczność w 1880 roku. Od tego czasu była ona wykorzystywana do wielu użytecznych zastosowań, w tym do wytwarzania i wykrywania dźwięku, piezoelektrycznego drukowania atramentowego, wytwarzania energii elektrycznej wysokiego napięcia, generatorów zegarowych, urządzeń elektronicznych, mikrowag, napędzają dysze ultradźwiękowe i ultradokładne zespoły optyczne ogniskujące. Stanowi również podstawę dla mikroskopów z sondami skanującymi, które mogą rozdzielać obrazy w skali atomów. Piezoelektryczność jest również stosowana w przetwornikach do elektronicznie wzmacnianych gitar i wyzwalaczach do nowoczesnych perkusji elektronicznych.

Piezoelektryczność znajduje również codzienne zastosowania, takie jak generowanie iskier do zapalania gazu w urządzeniach do gotowania i ogrzewania, pochodniach, zapalniczkach i nie tylko. Efekt piroelektryczny, w którym materiał generuje potencjał elektryczny w odpowiedzi na zmianę temperatury, badali Carl Linnaeus, Franz Aepinus i René Haüy w połowie XVIII wieku, czerpiąc z wiedzy o bursztynie. Antoine César Becquerel założył związek między naprężeniami mechanicznymi a ładunkiem elektrycznym, ale eksperymenty okazały się niejednoznaczne.

Odwiedzający Hunterian Museum w Glasgow mogą obejrzeć piezokrystaliczny kompensator Curie, demonstrację bezpośredniego efektu piezoelektrycznego autorstwa braci Pierre'a i Jacques'a Curie. Połączenie ich wiedzy na temat piroelektryczności ze zrozumieniem leżących u jej podstaw struktur krystalicznych dało początek przewidywaniu piroelektryczności i zdolności przewidywania zachowania kryształów. Wykazano to na przykładzie kryształów takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle. Tetrahydrat winianu sodu i potasu oraz kwarc również wykazywały piezoelektryczność, a dysk piezoelektryczny był używany do generowania napięcia po odkształceniu. Ta zmiana kształtu została znacznie przesadzona przez Curie, aby przewidzieć odwrotny efekt piezoelektryczny. Odwrotny efekt został matematycznie wydedukowany z podstawowych zasad termodynamiki przez Gabriela Lippmanna w 1881 roku.

Państwo Curie natychmiast potwierdzili istnienie efektu odwrotnego i uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro-elastyczno-mechanicznych odkształceń w kryształach piezoelektrycznych. Przez dziesięciolecia piezoelektryczność pozostawała ciekawostką laboratoryjną, ale była istotnym narzędziem w odkrywaniu polonu i radu przez Pierre'a i Marię Curie. Ich praca nad zbadaniem i zdefiniowaniem struktur krystalicznych, które wykazywały piezoelektryczność, zakończyła się publikacją Lehrbuch der Kristallphysik (Podręcznika fizyki kryształów) Woldemara Voigta. Opisano klasy kryształów naturalnych zdolnych do piezoelektryczności i rygorystycznie zdefiniowano stałe piezoelektryczne za pomocą analizy tensorowej.

Praktyczne zastosowanie urządzeń piezoelektrycznych, takich jak sonar, zostało opracowane podczas I wojny światowej. We Francji Paul Langevin i jego współpracownicy opracowali ultradźwiękowy wykrywacz łodzi podwodnych. Detektor ten składał się z przetwornika wykonanego z cienkich kryształków kwarcu starannie przyklejonych do stalowych płytek oraz hydrofonu do wykrywania powracającego echa. Emitując impuls o wysokiej częstotliwości z przetwornika i mierząc czas potrzebny do usłyszenia echa fal dźwiękowych odbijających się od obiektu, byli w stanie obliczyć odległość obiektu. Użyli piezoelektryczności, aby sonar odniósł sukces. Projekt ten doprowadził do intensywnego rozwoju i zainteresowania urządzeniami piezoelektrycznymi, a przez dziesięciolecia badano i opracowywano nowe materiały piezoelektryczne i nowe zastosowania tych materiałów. Urządzenia piezoelektryczne

Co powoduje piezoelektryczność?

W tej sekcji zbadam pochodzenie piezoelektryczności i różne materiały, które wykazują to zjawisko. Przyjrzę się greckiemu słowu „piezein”, starożytnemu źródłu ładunku elektrycznego i efektowi piroelektryczności. Omówię również odkrycia Pierre'a i Jacques'a Curie oraz rozwój urządzeń piezoelektrycznych w XX wieku.

Greckie słowo Piezein

Piezoelektryczność to nagromadzenie ładunku elektrycznego w pewnych materiałach stałych, takich jak kryształy, ceramika i materii biologicznej, takiej jak kości i DNA. Jest to spowodowane reakcją tych materiałów na przyłożone naprężenia mechaniczne. Słowo piezoelektryczność pochodzi od greckiego słowa „piezein”, oznaczającego „ściskać lub naciskać”, oraz „ēlektron”, oznaczającego „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego.

Efekt piezoelektryczny wynika z liniowego oddziaływania elektromechanicznego między stanami mechanicznymi i elektrycznymi materiałów krystalicznych o symetrii inwersyjnej. Jest to proces odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące piezoelektryczność wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynikających z przyłożonego pola elektrycznego. Na przykład kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu generują mierzalną piezoelektryczność, gdy ich struktura statyczna zostaje odkształcona w stosunku do swojego pierwotnego wymiaru. I odwrotnie, kryształy mogą zmieniać swój wymiar statyczny, gdy przyłożone jest zewnętrzne pole elektryczne, co jest znane jako odwrotny efekt piezoelektryczny i polega na wytwarzaniu fal ultradźwiękowych.

Francuscy fizycy Jacques i Pierre Curie odkryli piezoelektryczność w 1880 roku. Zjawisko piezoelektryczne zostało wykorzystane do wielu przydatnych zastosowań, w tym do produkcji i wykrywania dźwięku, piezoelektrycznego drukowania atramentowego, wytwarzania energii elektrycznej wysokiego napięcia, generatorów zegarowych i urządzeń elektronicznych, takich jak mikrowagi , napędowe dysze ultradźwiękowe i ultradokładne zespoły optyczne ogniskujące. Stanowi również podstawę mikroskopów z sondami skanującymi, które mogą rozdzielać obrazy w skali atomów. Piezoelektryczność jest również stosowana w przetwornikach do elektronicznie wzmacnianych gitar i wyzwalaczach do nowoczesnych perkusji elektronicznych.

Piezoelektryczność znajduje codzienne zastosowania, takie jak generowanie iskier do zapalania gazu w urządzeniach do gotowania i ogrzewania, pochodniach, zapalniczkach i nie tylko. Efekt piroelektryczny, czyli generowanie potencjału elektrycznego w odpowiedzi na zmianę temperatury, badali Carl Linneusz i Franz Aepinus w połowie XVIII wieku, opierając się na wiedzy René Haüya i Antoine'a Césara Becquerela, którzy postulowali związek między naprężenia mechaniczne i ładunek elektryczny. Eksperymenty okazały się niejednoznaczne.

W muzeum w Szkocji zwiedzający mogą zobaczyć piezokrystaliczny kompensator Curie, demonstrację bezpośredniego efektu piezoelektrycznego autorstwa braci Pierre'a i Jacques'a Curie. Połączenie ich wiedzy na temat piroelektryczności ze zrozumieniem leżących u jej podstaw struktur krystalicznych dało początek przewidywaniu piroelektryczności i zdolności przewidywania zachowania kryształów. Zostało to wykazane przez działanie kryształów, takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle. Tetrahydrat winianu sodowo-potasowego i kwarc z soli Rochelle wykazywały piezoelektryczność, a dysk piezoelektryczny generuje napięcie po odkształceniu. Ta zmiana kształtu jest mocno przesadzona w demonstracji Curie.

Państwo Curie uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro-elastyczno-mechanicznych deformacji kryształów piezoelektrycznych. Przez dziesięciolecia piezoelektryczność pozostawała ciekawostką laboratoryjną, dopóki nie stała się istotnym narzędziem w odkrywaniu polonu i radu przez Pierre'a i Marię Curie. Ich praca nad zbadaniem i zdefiniowaniem struktur krystalicznych, które wykazywały piezoelektryczność, zakończyła się publikacją Lehrbuch der Kristallphysik (Podręcznika fizyki kryształów) Woldemara Voigta. Opisano w nim klasy kryształów naturalnych zdolnych do piezoelektryczności i rygorystycznie zdefiniowano stałe piezoelektryczne za pomocą analizy tensorowej.

To praktyczne zastosowanie piezoelektryczności doprowadziło do rozwoju sonaru podczas I wojny światowej. We Francji Paul Langevin i jego współpracownicy opracowali ultradźwiękowy wykrywacz łodzi podwodnych. Detektor składał się z przetwornika wykonanego z cienkich kryształków kwarcu starannie przyklejonych do stalowych płytek, zwanego hydrofonem, w celu wykrycia powracającego echa po wyemitowaniu impulsu o wysokiej częstotliwości. Przetwornik mierzył czas potrzebny do usłyszenia echa fal dźwiękowych odbijających się od obiektu, aby obliczyć odległość obiektu. Wykorzystanie piezoelektryczności w sonarze okazało się sukcesem, a projekt spowodował intensywny rozwój i zainteresowanie urządzeniami piezoelektrycznymi na dziesięciolecia.

Zbadano i opracowano nowe materiały piezoelektryczne i nowe zastosowania tych materiałów, a urządzenia piezoelektryczne znalazły domy w wielu dziedzinach, takich jak ceramiczne wkładki gramofonowe, które uprościły konstrukcję odtwarzacza i stworzyły tańsze, dokładniejsze gramofony, które były tańsze w utrzymaniu i łatwiejsze budować. Rozwój

Starożytne źródło ładunku elektrycznego

Piezoelektryczność to ładunek elektryczny, który gromadzi się w pewnych materiałach stałych, takich jak kryształy, ceramika i materii biologicznej, takiej jak kości i DNA. Jest to spowodowane reakcją materiału na przyłożone naprężenia mechaniczne. Słowo „piezoelektryczność” pochodzi od greckiego słowa „piezein”, które oznacza „ściskać lub naciskać”, oraz słowa „elektron”, które oznacza „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego.

Efekt piezoelektryczny wynika z liniowego oddziaływania elektromechanicznego między stanami mechanicznymi i elektrycznymi materiałów krystalicznych o symetrii inwersyjnej. Jest to proces odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące piezoelektryczność wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynikających z przyłożonego pola elektrycznego. Na przykład kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu generują mierzalną piezoelektryczność, gdy ich struktura statyczna zostaje odkształcona w stosunku do swojego pierwotnego wymiaru. I odwrotnie, po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego kryształy zmieniają swój wymiar statyczny w odwrotnym efekcie piezoelektrycznym, wytwarzając fale ultradźwiękowe.

Efekt piezoelektryczny został odkryty w 1880 roku przez francuskich fizyków Jacquesa i Pierre'a Curie. Jest wykorzystywany do wielu przydatnych zastosowań, w tym do produkcji i wykrywania dźwięku, piezoelektrycznego drukowania atramentowego, wytwarzania energii elektrycznej wysokiego napięcia, generatorów zegarowych i urządzeń elektronicznych, takich jak mikrowagi i napędowe dysze ultradźwiękowe do ultradokładnego ogniskowania zespołów optycznych. Stanowi również podstawę dla mikroskopów z sondami skanującymi, które służą do rozdzielania obrazów w skali atomowej. Piezoelektryczność jest również stosowana w przetwornikach do elektronicznie wzmacnianych gitar i wyzwalaczach do nowoczesnych perkusji elektronicznych.

Piezoelektryczność znajduje codzienne zastosowanie w generowaniu iskier do zapalania gazu w urządzeniach do gotowania i ogrzewania, latarkach, zapalniczkach i nie tylko. Efekt piroelektryczny, czyli wytwarzanie potencjału elektrycznego w odpowiedzi na zmianę temperatury, badali Carl Linnaeus i Franz Aepinus w połowie XVIII wieku, opierając się na wiedzy René Haüy i Antoine César Becquerel, którzy postulowali związek między mechanicznym stres i ładunek elektryczny. Jednak ich eksperymenty okazały się niejednoznaczne.

Widok kryształu piezoelektrycznego i kompensatora Curie w Hunterian Museum w Szkocji pokazuje bezpośredni efekt piezoelektryczny. To praca braci Pierre'a i Jacques'a Curie zbadała i zdefiniowała struktury krystaliczne wykazujące piezoelektryczność, czego kulminacją była publikacja Lehrbuch der Kristallphysik Woldemara Voigta (Podręcznik Fizyki Kryształów). Opisano w nim klasy kryształów naturalnych zdolnych do piezoelektryczności i rygorystycznie zdefiniowano stałe piezoelektryczne za pomocą analizy tensorowej, co pozwoliło na praktyczne zastosowanie urządzeń piezoelektrycznych.

Sonar został opracowany podczas I wojny światowej przez Francuza Paula Langevina i jego współpracowników, którzy opracowali ultradźwiękowy wykrywacz łodzi podwodnych. Detektor składał się z przetwornika wykonanego z cienkich kryształków kwarcu starannie przyklejonych do stalowych płytek oraz hydrofonu do wykrywania powracającego echa. Emitując impuls o wysokiej częstotliwości z przetwornika i mierząc czas potrzebny do usłyszenia echa fal dźwiękowych odbijających się od obiektu, byli w stanie obliczyć odległość do obiektu. Użyli piezoelektryczności, aby sonar odniósł sukces. Projekt spowodował intensywny rozwój i zainteresowanie urządzeniami piezoelektrycznymi przez dziesięciolecia.

Piroelektryczność

Piezoelektryczność to zdolność pewnych materiałów do gromadzenia ładunku elektrycznego w odpowiedzi na przyłożone naprężenia mechaniczne. Jest to liniowe oddziaływanie elektromechaniczne między stanami mechanicznymi i elektrycznymi materiałów krystalicznych z symetrią inwersyjną. Słowo „piezoelektryczność” pochodzi od greckiego słowa „piezein”, które oznacza „ściskać lub naciskać”, oraz greckiego słowa „ēlektron”, które oznacza „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego.

Efekt piezoelektryczny został odkryty przez francuskich fizyków Jacquesa i Pierre'a Curie w 1880 roku. Jest to proces odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące efekt piezoelektryczny wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych w wyniku przyłożonego pola elektrycznego. Przykłady materiałów, które generują mierzalną piezoelektryczność, obejmują kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu. Gdy struktura statyczna ulega deformacji, powraca do swojego pierwotnego wymiaru. I odwrotnie, po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego powstaje odwrotny efekt piezoelektryczny, w wyniku którego powstają fale ultradźwiękowe.

Efekt piezoelektryczny jest wykorzystywany w wielu przydatnych zastosowaniach, w tym w wytwarzaniu i wykrywaniu dźwięku, piezoelektrycznym drukowaniu atramentowym, wytwarzaniu energii elektrycznej wysokiego napięcia, generatorach zegarowych i urządzeniach elektronicznych, takich jak mikrowagi, napędowe dysze ultradźwiękowe i ultradokładne skupiające zespoły optyczne. Jest także podstawą mikroskopów z sondami skanującymi, które służą do rozdzielania obrazów w skali atomowej. Piezoelektryczność jest również stosowana w przetwornikach do elektronicznie wzmacnianych gitar i wyzwalaczach do nowoczesnych perkusji elektronicznych.

Piezoelektryczność znajduje codzienne zastosowania, takie jak generowanie iskier do zapalania gazu w urządzeniach do gotowania i ogrzewania, pochodniach, zapalniczkach i nie tylko. Efekt piroelektryczny, czyli wytwarzanie potencjału elektrycznego w odpowiedzi na zmianę temperatury, badali Carl Linnaeus i Franz Aepinus w połowie XVIII wieku, opierając się na wiedzy René Haüya i Antoine'a Césara Becquerela, którzy postulowali związek między naprężeniami mechanicznymi a ładunkami elektrycznymi. Jednak eksperymenty okazały się niejednoznaczne.

Widok kryształu piezoelektrycznego w Curie Compensator Museum w Szkocji jest demonstracją bezpośredniego efektu piezoelektrycznego. Bracia Pierre i Jacques Curie połączyli swoją wiedzę o piroelektryczności i zrozumienie podstawowych struktur krystalicznych, aby zrozumieć piroelektryczność i przewidzieć zachowanie kryształu. Wykazano to w działaniu kryształów, takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle. Stwierdzono, że tetrahydrat winianu sodowo-potasowego i kwarc wykazują piezoelektryczność, a do generowania napięcia po odkształceniu zastosowano dysk piezoelektryczny. To było znacznie przesadzone przez Curie, aby przewidzieć odwrotny efekt piezoelektryczny. Odwrotny efekt został matematycznie wydedukowany na podstawie podstawowych zasad termodynamiki przez Gabriela Lippmanna w 1881 roku.

Państwo Curie natychmiast potwierdzili istnienie efektu odwrotnego i uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro-elastyczno-mechanicznych odkształceń w kryształach piezoelektrycznych. W następnych dziesięcioleciach piezoelektryczność pozostawała ciekawostką laboratoryjną, dopóki nie stała się istotnym narzędziem w odkrywaniu polonu i radu przez Pierre'a i Marię Curie. Ich praca nad zbadaniem i zdefiniowaniem struktur krystalicznych, które wykazywały piezoelektryczność, zakończyła się publikacją Lehrbuch der Kristallphysik (Podręcznika fizyki kryształów) Woldemara Voigta.

Rozwój sonaru zakończył się sukcesem, a projekt spowodował intensywny rozwój i zainteresowanie urządzeniami piezoelektrycznymi. W następnych dziesięcioleciach badano i opracowywano nowe materiały piezoelektryczne i nowe zastosowania tych materiałów. Urządzenia piezoelektryczne znalazły domy w wielu dziedzinach, takich jak ceramiczne wkładki gramofonowe, które uprościły konstrukcję odtwarzacza i stworzyły tańsze, dokładniejsze gramofony, które były tańsze w utrzymaniu i łatwiejsze w budowie. Rozwój przetworników ultradźwiękowych umożliwił łatwy pomiar lepkości i sprężystości płynów i ciał stałych, co zaowocowało ogromnymi postępami w badaniach materiałowych. Reflektometry ultradźwiękowe w dziedzinie czasu wysyłają impuls ultradźwiękowy do materiału i mierzą odbicia i nieciągłości, aby znaleźć wady wewnątrz odlewów metalowych i kamiennych, poprawiając bezpieczeństwo konstrukcji.

Po drugiej wojnie światowej niezależne grupy badawcze w Stanach Zjednoczonych, Rosji i Japonii odkryły nową klasę materiałów syntetycznych zwanych ferroelektrykami, które wykazywały stałe piezoelektryczne

Materiały piezoelektryczne

W tej sekcji omówię materiały, które wykazują efekt piezoelektryczny, czyli zdolność niektórych materiałów do gromadzenia ładunku elektrycznego w odpowiedzi na przyłożone naprężenia mechaniczne. Zajmę się kryształami, ceramiką, materią biologiczną, kośćmi, DNA i białkami oraz ich reakcją na efekt piezoelektryczny.

Kryształy

Piezoelektryczność to zdolność pewnych materiałów do gromadzenia ładunku elektrycznego w odpowiedzi na przyłożone naprężenia mechaniczne. Słowo piezoelektryczność pochodzi od greckich słów πιέζειν (piezein) oznaczających „ściskać” lub „naciskać” oraz ἤλεκτρον (ēlektron) oznaczających „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego. Materiały piezoelektryczne obejmują kryształy, ceramikę, materię biologiczną, kości, DNA i białka.

Piezoelektryczność to liniowe oddziaływanie elektromechaniczne między stanami mechanicznymi i elektrycznymi w materiałach krystalicznych o symetrii inwersji. Efekt ten jest odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące piezoelektryczność wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynikających z przyłożonego pola elektrycznego. Przykłady materiałów, które generują mierzalną piezoelektryczność, obejmują kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu, które mogą zostać odkształcone do swoich pierwotnych wymiarów lub odwrotnie, zmienić swój wymiar statyczny pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Jest to znane jako odwrotny efekt piezoelektryczny i jest wykorzystywane do wytwarzania fal ultradźwiękowych.

Francuscy fizycy Jacques i Pierre Curie odkryli piezoelektryczność w 1880 roku. Zjawisko piezoelektryczne zostało wykorzystane do wielu przydatnych zastosowań, w tym do produkcji i wykrywania dźwięku, piezoelektrycznego druku atramentowego, wytwarzania energii elektrycznej wysokiego napięcia, generatorów zegarowych i urządzeń elektronicznych, takich jak jako mikrowagi, napędzające dysze ultradźwiękowe i ultradokładne zespoły optyczne skupiające. Stanowi również podstawę dla mikroskopów z sondami skanującymi, które służą do rozdzielania obrazów w skali atomowej. Przetworniki piezoelektryczne są również używane w elektronicznie wzmacnianych gitarach i wyzwalaczach w nowoczesnych perkusjach elektronicznych.

Piezoelektryczność znajduje codzienne zastosowanie w wytwarzaniu iskier do zapalania gazu w urządzeniach do gotowania i ogrzewania, a także w latarkach i zapalniczkach. Efekt piroelektryczny, czyli generowanie potencjału elektrycznego w odpowiedzi na zmianę temperatury, badali Carl Linnaeus i Franz Aepinus w połowie XVIII wieku, opierając się na wiedzy René Haüy i Antoine César Becquerel, którzy postulowali związek między mechanicznym stres i ładunek elektryczny. Eksperymenty potwierdzające tę teorię były niejednoznaczne.

Widok kryształu piezoelektrycznego w kompensatorze Curie w Hunterian Museum w Szkocji jest demonstracją bezpośredniego efektu piezoelektrycznego. Bracia Pierre i Jacques Curie połączyli swoją wiedzę na temat piroelektryczności ze zrozumieniem podstawowych struktur krystalicznych, aby dać początek przewidywaniu piroelektryczności. Byli w stanie przewidzieć zachowanie kryształów i zademonstrowali wpływ na kryształy, takie jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle. Tetrahydrat winianu sodowo-potasowego i kwarc również wykazywały piezoelektryczność. Dysk piezoelektryczny generuje napięcie po odkształceniu; zmiana kształtu jest mocno przesadzona w demonstracji Curie.

Byli również w stanie przewidzieć odwrotny efekt piezoelektryczny i matematycznie wywnioskować stojące za nim podstawowe zasady termodynamiczne. Gabriel Lippmann zrobił to w 1881 roku. Państwo Curie natychmiast potwierdzili istnienie efektu odwrotnego i uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro-elastyczno-mechanicznych odkształceń w kryształach piezoelektrycznych.

Przez dziesięciolecia piezoelektryczność pozostawała ciekawostką laboratoryjną, ale była istotnym narzędziem w odkrywaniu polonu i radu przez Pierre'a i Marię Curie. Ich praca nad zbadaniem i zdefiniowaniem struktur krystalicznych, które wykazywały piezoelektryczność, zakończyła się publikacją Lehrbuch der Kristallphysik (Podręcznika fizyki kryształów) Woldemara Voigta, w której opisano klasy kryształów naturalnych zdolnych do piezoelektryczności i rygorystycznie zdefiniowano stałe piezoelektryczne za pomocą analizy tensorowej.

Praktyczne zastosowanie urządzeń piezoelektrycznych w sonarze zostało opracowane podczas I wojny światowej. We Francji Paul Langevin i jego współpracownicy opracowali ultradźwiękowy wykrywacz łodzi podwodnych. Detektor ten składał się z przetwornika wykonanego z cienkich kryształków kwarcu starannie przyklejonych do stalowych płytek, zwanego hydrofonem, w celu wykrycia powracającego echa po wyemitowaniu impulsu o wysokiej częstotliwości. Mierząc czas potrzebny do usłyszenia echa fal dźwiękowych odbijających się od obiektu, byli w stanie obliczyć odległość do obiektu. To wykorzystanie piezoelektryczności w sonarze okazało się sukcesem, a projekt spowodował intensywny rozwój i zainteresowanie urządzeniami piezoelektrycznymi na przestrzeni dziesięcioleci.

Ceramika

Materiały piezoelektryczne to ciała stałe, które gromadzą ładunek elektryczny w odpowiedzi na przyłożone naprężenia mechaniczne. Piezoelektryczność pochodzi od greckich słów πιέζειν (piezein) oznaczających „ściskać” lub „naciskać” oraz ἤλεκτρον (ēlektron) oznaczającego „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego. Materiały piezoelektryczne są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, w tym do produkcji i wykrywania dźwięku, piezoelektrycznego drukowania atramentowego oraz wytwarzania energii elektrycznej pod wysokim napięciem.

Materiały piezoelektryczne znajdują się w kryształach, ceramice, materii biologicznej, kościach, DNA i białkach. Ceramika to najpowszechniej stosowane materiały piezoelektryczne w codziennych zastosowaniach. Ceramika jest wykonana z kombinacji tlenków metali, takich jak tytanian cyrkonianu ołowiu (PZT), które są podgrzewane do wysokich temperatur w celu utworzenia ciała stałego. Ceramika jest bardzo trwała i wytrzymuje ekstremalne temperatury i ciśnienia.

Ceramika piezoelektryczna ma wiele zastosowań, w tym:

• Wytwarzanie iskier w celu zapalenia gazu do urządzeń kuchennych i grzewczych, takich jak latarki i zapalniczki.
• Generowanie fal ultradźwiękowych do obrazowania medycznego.
• Wytwarzanie energii elektrycznej wysokiego napięcia dla generatorów zegarowych i urządzeń elektronicznych.
• Generowanie mikrowag do zastosowań w ważeniu precyzyjnym.
• Napędzanie dysz ultradźwiękowych do ultradokładnego ogniskowania zespołów optycznych.
• Tworząc podstawę dla mikroskopów z sondami skanującymi, które mogą rozdzielać obrazy w skali atomowej.
• Przetworniki do elektronicznie wzmacnianych gitar i wyzwalacze do nowoczesnych perkusji elektronicznych.

Ceramika piezoelektryczna jest wykorzystywana w szerokim zakresie zastosowań, od elektroniki użytkowej po obrazowanie medyczne. Są bardzo trwałe i wytrzymują ekstremalne temperatury i ciśnienia, dzięki czemu idealnie nadają się do stosowania w różnych gałęziach przemysłu.

Materia biologiczna

Piezoelektryczność to zdolność pewnych materiałów do gromadzenia ładunku elektrycznego w odpowiedzi na przyłożone naprężenia mechaniczne. Pochodzi od greckiego słowa „piezein”, oznaczającego „ściskać lub naciskać”, oraz „ēlektron”, oznaczającego „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego.

Materia biologiczna, taka jak kości, DNA i białka należą do materiałów wykazujących piezoelektryczność. Efekt ten jest odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące piezoelektryczność wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynikających z przyłożonego pola elektrycznego. Przykładami takich materiałów są kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu, które generują mierzalną piezoelektryczność, gdy ich struktura statyczna zostaje odkształcona w stosunku do pierwotnego wymiaru. I odwrotnie, po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego kryształy zmieniają swój wymiar statyczny, wytwarzając fale ultradźwiękowe poprzez odwrotny efekt piezoelektryczny.

Odkrycia piezoelektryczności dokonali francuscy fizycy Jacques i Pierre Curie w 1880 roku. Od tego czasu jest ona wykorzystywana do wielu przydatnych zastosowań, takich jak:

• Produkcja i wykrywanie dźwięku
• Piezoelektryczny druk atramentowy
• Wytwarzanie energii elektrycznej wysokiego napięcia
• Generator zegara
• Urządzenia elektryczne
• Mikrowagi
• Napęd dysz ultradźwiękowych
• Najdokładniejsze zespoły optyczne skupiające
• Stanowi podstawę mikroskopów z sondą skanującą
• Rozdziel obrazy w skali atomów
• Przetworniki w elektronicznie wzmacnianych gitarach
• Triggery w nowoczesnych bębnach elektronicznych

Piezoelektryczność jest również wykorzystywana w przedmiotach codziennego użytku, takich jak gazowe urządzenia do gotowania i ogrzewania, latarki, zapalniczki i inne. Efekt piroelektryczny, czyli wytwarzanie potencjału elektrycznego w odpowiedzi na zmianę temperatury, badali Karol Linneusz i Franz Aepinus w połowie XVIII wieku. Opierając się na wiedzy René Haüya i Antoine'a Césara Becquerela, wysunęli oni związek między naprężeniami mechanicznymi a ładunkiem elektrycznym, ale ich eksperymenty okazały się niejednoznaczne.

Widok kryształu piezoelektrycznego w kompensatorze Curie w Hunterian Museum w Szkocji jest demonstracją bezpośredniego efektu piezoelektrycznego. Bracia Pierre i Jacques Curie połączyli swoją wiedzę na temat piroelektryczności i zrozumienia leżących u jej podstaw struktur krystalicznych, aby przewidzieć piroelektryczność i przewidzieć zachowanie kryształu. Zostało to wykazane przez działanie kryształów, takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle. Tetrahydrat winianu sodu i potasu oraz kwarc również wykazywały piezoelektryczność, a dysk piezoelektryczny był używany do generowania napięcia po odkształceniu. Efekt ten został znacznie wyolbrzymiony przez Curie, aby przewidzieć odwrotny efekt piezoelektryczny. Odwrotny efekt został matematycznie wydedukowany z podstawowych zasad termodynamiki przez Gabriela Lippmanna w 1881 roku.

Państwo Curie natychmiast potwierdzili istnienie efektu odwrotnego i uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro-elastyczno-mechanicznych odkształceń w kryształach piezoelektrycznych. Przez dziesięciolecia piezoelektryczność pozostawała ciekawostką laboratoryjną, dopóki nie stała się istotnym narzędziem w odkrywaniu polonu i radu przez Pierre'a i Marię Curie. Ich praca nad zbadaniem i zdefiniowaniem struktur krystalicznych wykazujących piezoelektryczność zakończyła się publikacją „Lehrbuch der Kristallphysik” Woldemara Voigta (Podręcznik fizyki kryształów).

Kość

Piezoelektryczność to zdolność pewnych materiałów do gromadzenia ładunku elektrycznego w odpowiedzi na przyłożone naprężenia mechaniczne. Kość jest jednym z takich materiałów, które wykazują to zjawisko.

Kość to rodzaj materii biologicznej, która składa się z białek i minerałów, w tym kolagenu, wapnia i fosforu. Jest najbardziej piezoelektrycznym ze wszystkich materiałów biologicznych i jest w stanie generować napięcie pod wpływem naprężeń mechanicznych.

Efekt piezoelektryczny w kości wynika z jej unikalnej budowy. Składa się z sieci włókien kolagenowych osadzonych w matrycy minerałów. Kiedy kość jest poddawana naprężeniom mechanicznym, włókna kolagenowe poruszają się, powodując polaryzację minerałów i generowanie ładunku elektrycznego.

Efekt piezoelektryczny w kościach ma szereg praktycznych zastosowań. Jest stosowany w obrazowaniu medycznym, takim jak obrazowanie ultrasonograficzne i rentgenowskie, do wykrywania złamań kości i innych nieprawidłowości. Jest również stosowany w aparatach słuchowych na przewodnictwo kostne, które wykorzystują efekt piezoelektryczny do przekształcania fal dźwiękowych w sygnały elektryczne, które są wysyłane bezpośrednio do ucha wewnętrznego.

Efekt piezoelektryczny w kości jest również wykorzystywany w implantach ortopedycznych, takich jak sztuczne stawy i protezy kończyn. Implanty wykorzystują efekt piezoelektryczny do zamiany energii mechanicznej na energię elektryczną, która jest następnie wykorzystywana do zasilania urządzenia.

Ponadto badany jest efekt piezoelektryczny w kościach pod kątem wykorzystania w opracowywaniu nowych metod leczenia. Na przykład naukowcy badają wykorzystanie piezoelektryczności do stymulacji wzrostu kości i naprawy uszkodzonych tkanek.

Ogólnie rzecz biorąc, efekt piezoelektryczny w kościach jest fascynującym zjawiskiem o szerokim zakresie praktycznych zastosowań. Jest używany w różnych zastosowaniach medycznych i technologicznych i jest badany pod kątem wykorzystania w opracowywaniu nowych metod leczenia.

DNA

Piezoelektryczność to zdolność pewnych materiałów do gromadzenia ładunku elektrycznego w odpowiedzi na przyłożone naprężenia mechaniczne. DNA jest jednym z takich materiałów, które wykazują ten efekt. DNA jest cząsteczką biologiczną występującą we wszystkich żywych organizmach i składa się z czterech zasad nukleotydowych: adeniny (A), guaniny (G), cytozyny (C) i tyminy (T).

DNA to złożona cząsteczka, której można użyć do wytworzenia ładunku elektrycznego pod wpływem obciążenia mechanicznego. Wynika to z faktu, że cząsteczki DNA składają się z dwóch nici nukleotydów, które są połączone wiązaniami wodorowymi. Kiedy te wiązania są zerwane, generowany jest ładunek elektryczny.

Efekt piezoelektryczny DNA był używany w różnych zastosowaniach, w tym:

• Wytwarzanie energii elektrycznej dla implantów medycznych
• Wykrywanie i pomiar sił mechanicznych w ogniwach
• Rozwój czujników w nanoskali
• Tworzenie biosensorów do sekwencjonowania DNA
• Generowanie fal ultradźwiękowych do obrazowania

Badany jest również efekt piezoelektryczny DNA pod kątem jego potencjalnego zastosowania w opracowywaniu nowych materiałów, takich jak nanoprzewody i nanorurki. Materiały te mogą być wykorzystywane do różnych zastosowań, w tym do magazynowania energii i wykrywania.

Efekt piezoelektryczny DNA był szeroko badany i stwierdzono, że jest bardzo wrażliwy na obciążenia mechaniczne. To sprawia, że ​​jest to cenne narzędzie dla naukowców i inżynierów, którzy chcą opracować nowe materiały i technologie.

Podsumowując, DNA jest materiałem wykazującym efekt piezoelektryczny, czyli zdolność do gromadzenia ładunku elektrycznego w odpowiedzi na przyłożone naprężenia mechaniczne. Efekt ten był wykorzystywany w różnych zastosowaniach, w tym w implantach medycznych, czujnikach w nanoskali i sekwencjonowaniu DNA. Jest również badany pod kątem potencjalnego zastosowania w opracowywaniu nowych materiałów, takich jak nanoprzewody i nanorurki.

Białka

Piezoelektryczność to zdolność pewnych materiałów do gromadzenia ładunku elektrycznego w odpowiedzi na przyłożone naprężenia mechaniczne. Materiały piezoelektryczne, takie jak białka, kryształy, ceramika i materia biologiczna, taka jak kości i DNA, wykazują ten efekt. W szczególności białka są wyjątkowym materiałem piezoelektrycznym, ponieważ składają się ze złożonej struktury aminokwasów, które można odkształcać w celu wytworzenia ładunku elektrycznego.

Białka są najobficiej występującym rodzajem materiału piezoelektrycznego i występują w różnych formach. Można je znaleźć w postaci enzymów, hormonów i przeciwciał, a także w postaci białek strukturalnych, takich jak kolagen i keratyna. Białka występują również w postaci białek mięśniowych, które odpowiadają za skurcz i rozkurcz mięśni.

Efekt piezoelektryczny białek wynika z faktu, że składają się one ze złożonej struktury aminokwasów. Kiedy te aminokwasy są zdeformowane, generują ładunek elektryczny. Ten ładunek elektryczny można następnie wykorzystać do zasilania różnych urządzeń, takich jak czujniki i siłowniki.

Białka są również wykorzystywane w różnych zastosowaniach medycznych. Służą na przykład do wykrywania obecności pewnych białek w organizmie, co można wykorzystać do diagnozowania chorób. Służą również do wykrywania obecności niektórych bakterii i wirusów, które można wykorzystać do diagnozowania infekcji.

Białka są również wykorzystywane w różnych zastosowaniach przemysłowych. Na przykład są wykorzystywane do tworzenia czujników i siłowników do różnych procesów przemysłowych. Wykorzystuje się je również do tworzenia materiałów, które można wykorzystać do budowy samolotów i innych pojazdów.

Podsumowując, białka są unikalnym materiałem piezoelektrycznym, który może być używany w różnych zastosowaniach. Składają się ze złożonej struktury aminokwasów, które można odkształcać w celu wytworzenia ładunku elektrycznego i są wykorzystywane w różnych zastosowaniach medycznych i przemysłowych.

Pozyskiwanie energii za pomocą piezoelektryczności

W tej sekcji omówię, w jaki sposób można wykorzystać piezoelektryczność do pozyskiwania energii. Przyjrzę się różnym zastosowaniom piezoelektryczności, od piezoelektrycznego druku atramentowego po generatory zegarowe i mikrowagi. Zajmę się również historią piezoelektryczności, od jej odkrycia przez Pierre'a Curie do jej zastosowania podczas II wojny światowej. Na koniec omówię obecny stan przemysłu piezoelektrycznego i potencjał dalszego wzrostu.

Piezoelektryczny druk atramentowy

Piezoelektryczność to zdolność pewnych materiałów do generowania ładunku elektrycznego w odpowiedzi na przyłożone naprężenia mechaniczne. Słowo „piezoelektryczność” pochodzi od greckich słów „piezein” (ściskać lub naciskać) i „elektron” (bursztyn), starożytne źródło ładunku elektrycznego. Materiały piezoelektryczne, takie jak kryształy, ceramika i materia biologiczna, taka jak kości i DNA, są wykorzystywane w różnych zastosowaniach.

Piezoelektryczność jest wykorzystywana do generowania energii elektrycznej o wysokim napięciu, jako generator zegara, w urządzeniach elektronicznych i mikrowagach. Jest również używany do napędzania dysz ultradźwiękowych i ultradokładnych zespołów optycznych ogniskujących. Popularnym zastosowaniem tej technologii jest druk piezoelektryczny. Jest to rodzaj druku wykorzystujący kryształy piezoelektryczne do generowania wibracji o wysokiej częstotliwości, które są używane do wyrzucania kropelek atramentu na stronę.

Odkrycie piezoelektryczności datuje się na rok 1880, kiedy francuscy fizycy Jacques i Pierre Curie odkryli ten efekt. Od tego czasu efekt piezoelektryczny był wykorzystywany do wielu użytecznych zastosowań. Piezoelektryczność jest wykorzystywana w przedmiotach codziennego użytku, takich jak gazowe urządzenia do gotowania i ogrzewania, latarki, zapalniczki i przetworniki w elektronicznie wzmacnianych gitarach oraz wyzwalacze w nowoczesnych perkusjach elektronicznych.

Piezoelektryczność jest również wykorzystywana w badaniach naukowych. Stanowi podstawę mikroskopów z sondami skanującymi, które służą do rozdzielania obrazów w skali atomowej. Jest również używany w ultradźwiękowych reflektometrach w dziedzinie czasu, które wysyłają impulsy ultradźwiękowe do materiału i mierzą odbicia w celu wykrycia nieciągłości i znalezienia wad wewnątrz odlanych przedmiotów metalowych i kamiennych.

Rozwój urządzeń i materiałów piezoelektrycznych był napędzany potrzebą lepszej wydajności i łatwiejszych procesów produkcyjnych. W Stanach Zjednoczonych rozwój kryształów kwarcu do użytku komercyjnego był głównym czynnikiem rozwoju przemysłu piezoelektrycznego. Natomiast japońscy producenci byli w stanie szybko dzielić się informacjami i opracowywać nowe aplikacje, co doprowadziło do szybkiego wzrostu rynku japońskiego.

Piezoelektryczność zrewolucjonizowała sposób, w jaki wykorzystujemy energię, od przedmiotów codziennego użytku, takich jak zapalniczki, po zaawansowane badania naukowe. Jest to wszechstronna technologia, która umożliwiła nam odkrywanie i opracowywanie nowych materiałów i zastosowań, i nadal będzie ważną częścią naszego życia przez wiele lat.

Wytwarzanie energii elektrycznej wysokiego napięcia

Piezoelektryczność to zdolność pewnych materiałów stałych do gromadzenia ładunku elektrycznego w odpowiedzi na przyłożone naprężenia mechaniczne. Słowo „piezoelektryczność” pochodzi od greckich słów „piezein” oznaczających „ściskać” lub „naciskać” oraz „ēlektron” oznaczającego „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego. Piezoelektryczność to liniowe oddziaływanie elektromechaniczne między stanami mechanicznymi i elektrycznymi w materiałach krystalicznych o symetrii inwersji.

Efekt piezoelektryczny jest procesem odwracalnym; materiały wykazujące piezoelektryczność wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynikających z przyłożonego pola elektrycznego. Na przykład kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu generują mierzalną piezoelektryczność, gdy ich struktura statyczna zostaje odkształcona w stosunku do swojego pierwotnego wymiaru. I odwrotnie, kryształy mogą zmieniać swój wymiar statyczny, gdy przyłożone jest zewnętrzne pole elektryczne, zjawisko znane jako odwrotny efekt piezoelektryczny, który jest wykorzystywany do wytwarzania fal ultradźwiękowych.

Efekt piezoelektryczny jest wykorzystywany w różnych zastosowaniach, w tym do wytwarzania energii elektrycznej o wysokim napięciu. Materiały piezoelektryczne są wykorzystywane do produkcji i wykrywania dźwięku, w piezoelektrycznym druku atramentowym, w generatorach zegarowych, w urządzeniach elektronicznych, w mikrowagach, w napędowych dyszach ultradźwiękowych oraz w ultradokładnych zespołach optycznych ogniskujących.

Piezoelektryczność jest również wykorzystywana w codziennych zastosowaniach, takich jak wytwarzanie iskier do zapalania gazu w urządzeniach do gotowania i ogrzewania, w latarkach, zapalniczkach i materiałach z efektem piroelektrycznym, które generują potencjał elektryczny w odpowiedzi na zmianę temperatury. Efekt ten był badany przez Carla Linnaeusa i Franza Aepinusa w połowie XVIII wieku, opierając się na wiedzy René Haüy i Antoine César Becquerel, którzy wysunęli związek między naprężeniem mechanicznym a ładunkiem elektrycznym, chociaż ich eksperymenty okazały się niejednoznaczne.

Połączona wiedza na temat piroelektryczności i zrozumienia leżących u jej podstaw struktur krystalicznych dała początek przewidywaniu piroelektryczności i zdolności przewidywania zachowania kryształów. Zostało to wykazane przez działanie kryształów, takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle. Tetrahydrat winianu sodowo-potasowego i kwarc również wykazywały piezoelektryczność, a dysk piezoelektryczny był używany do generowania napięcia po odkształceniu. Było to znacznie przesadzone w demonstracji bezpośredniego efektu piezoelektrycznego przez Curie.

Bracia Pierre i Jacques Curie uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro-elastyczno-mechanicznych deformacji kryształów piezoelektrycznych. Przez dziesięciolecia piezoelektryczność pozostawała ciekawostką laboratoryjną, ale była istotnym narzędziem w odkrywaniu polonu i radu przez Pierre'a i Marię Curie. Ich praca nad zbadaniem i zdefiniowaniem struktur krystalicznych, które wykazywały piezoelektryczność, zakończyła się publikacją Lehrbuch der Kristallphysik (Podręcznika fizyki kryształów) Woldemara Voigta, w której opisano klasy kryształów naturalnych zdolnych do piezoelektryczności i rygorystycznie zdefiniowano stałe piezoelektryczne za pomocą analizy tensorowej.

Praktyczne zastosowanie urządzeń piezoelektrycznych rozpoczęło się wraz z rozwojem sonaru podczas I wojny światowej. We Francji Paul Langevin i jego współpracownicy opracowali ultradźwiękowy wykrywacz łodzi podwodnych. Detektor składał się z przetwornika wykonanego z cienkich kryształków kwarcu starannie przyklejonych do stalowych płytek oraz hydrofonu do wykrywania powracającego echa. Emitując impuls o wysokiej częstotliwości z przetwornika i mierząc czas potrzebny do usłyszenia echa fal dźwiękowych odbijających się od obiektu, byli w stanie obliczyć odległość obiektu. Wykorzystali piezoelektryczność, aby sonar odniósł sukces, a projekt spowodował intensywny rozwój i zainteresowanie urządzeniami piezoelektrycznymi w następnych dziesięcioleciach.

Zbadano i opracowano nowe materiały piezoelektryczne i nowe zastosowania tych materiałów. Urządzenia piezoelektryczne znalazły domy w różnych dziedzinach, takich jak ceramiczne wkładki gramofonowe, które uprościły konstrukcję odtwarzacza i stworzyły tańsze, dokładniejsze gramofony, które były tańsze w utrzymaniu i łatwiejsze w budowie. Rozwój przetworników ultradźwiękowych umożliwił łatwy pomiar lepkości i sprężystości płynów i ciał stałych, co zaowocowało ogromnymi postępami w badaniach materiałowych. Reflektometry ultradźwiękowe w dziedzinie czasu wysyłają impuls ultradźwiękowy do materiału i mierzą odbicia i nieciągłości, aby znaleźć wady wewnątrz odlewów metalowych i kamiennych, poprawiając bezpieczeństwo konstrukcji.

Podczas II wojny światowej niezależne grupy badawcze w Stanach Zjednoczonych, Rosji i Japonii odkryły nową klasę materiałów syntetycznych zwaną fer

Generator zegara

Piezoelektryczność to zdolność pewnych materiałów do gromadzenia ładunku elektrycznego w odpowiedzi na przyłożone naprężenia mechaniczne. Zjawisko to zostało wykorzystane do stworzenia wielu przydatnych aplikacji, w tym generatorów zegara. Generatory zegarowe to urządzenia wykorzystujące piezoelektryczność do generowania sygnałów elektrycznych z precyzyjnym czasem.

Generatory zegarowe są używane w różnych zastosowaniach, takich jak komputery, telekomunikacja i systemy samochodowe. Są również używane w urządzeniach medycznych, takich jak rozruszniki serca, w celu zapewnienia dokładnego czasu sygnałów elektrycznych. Generatory zegarowe są również wykorzystywane w automatyce przemysłowej i robotyce, gdzie precyzyjne odmierzanie czasu jest niezbędne.

Efekt piezoelektryczny opiera się na liniowym oddziaływaniu elektromechanicznym między stanami mechanicznymi i elektrycznymi w materiałach krystalicznych o symetrii inwersyjnej. Efekt ten jest odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące piezoelektryczność mogą również generować naprężenia mechaniczne po przyłożeniu pola elektrycznego. Jest to znane jako odwrotny efekt piezoelektryczny i jest wykorzystywane do wytwarzania fal ultradźwiękowych.

Generatory zegarowe wykorzystują ten odwrotny efekt piezoelektryczny do generowania sygnałów elektrycznych z precyzyjnym taktowaniem. Materiał piezoelektryczny jest odkształcany przez pole elektryczne, które powoduje, że wibruje z określoną częstotliwością. Wibracje te są następnie przekształcane w sygnał elektryczny, który jest wykorzystywany do generowania precyzyjnego sygnału taktującego.

Generatory zegarowe są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, od urządzeń medycznych po automatykę przemysłową. Są niezawodne, dokładne i łatwe w użyciu, co czyni je popularnym wyborem do wielu zastosowań. Piezoelektryczność jest ważną częścią współczesnej technologii, a generatory zegarowe to tylko jedno z wielu zastosowań tego zjawiska.

Urządzenia elektryczne

Piezoelektryczność to zdolność pewnych materiałów stałych do gromadzenia ładunku elektrycznego w odpowiedzi na przyłożone naprężenia mechaniczne. Zjawisko to, znane jako efekt piezoelektryczny, jest wykorzystywane w różnych urządzeniach elektronicznych, od przetworników w elektronicznie wzmacnianych gitarach po wyzwalacze w nowoczesnych perkusjach elektronicznych.

Piezoelektryczność pochodzi od greckich słów πιέζειν (piezein) oznaczających „ściskać” lub „naciskać” oraz ἤλεκτρον (ēlektron) oznaczającego „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego. Materiały piezoelektryczne to kryształy, ceramika i materia biologiczna, taka jak kości i białka DNA, które wykazują efekt piezoelektryczny.

Efekt piezoelektryczny to liniowe oddziaływanie elektromechaniczne między stanami mechanicznymi i elektrycznymi w materiałach krystalicznych o symetrii inwersji. Jest to proces odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące efekt piezoelektryczny wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynikających z przyłożonego pola elektrycznego. Na przykład kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu generują mierzalną piezoelektryczność, gdy ich struktura statyczna zostaje odkształcona w stosunku do swojego pierwotnego wymiaru. I odwrotnie, kryształy mogą zmieniać swój wymiar statyczny, gdy przyłożone jest zewnętrzne pole elektryczne, zjawisko znane jako odwrotny efekt piezoelektryczny, który jest wykorzystywany do wytwarzania fal ultradźwiękowych.

Odkrycie piezoelektryczności przypisuje się francuskim fizykom Pierre'owi i Jacquesowi Curie, którzy zademonstrowali bezpośredni efekt piezoelektryczny w 1880 roku. Ich połączona wiedza na temat piroelektryczności i zrozumienie leżących u jej podstaw struktur krystalicznych dała początek przewidywaniu efektu piroelektrycznego i zdolności do przewidywania zachowanie kryształów wykazano z wpływem kryształów, takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle.

Piezoelektryczność była wykorzystywana w wielu codziennych zastosowaniach, takich jak generowanie iskier do zapalania gazu w urządzeniach do gotowania i ogrzewania, pochodniach, zapalniczkach i materiałach z efektem piroelektrycznym, które generują potencjał elektryczny w odpowiedzi na zmianę temperatury. Zostało to zbadane przez Carla Linnaeusa i Franza Aepinusa w połowie XVIII wieku, opierając się na wiedzy René Haüy i Antoine César Becquerel, którzy wysunęli związek między naprężeniami mechanicznymi a ładunkiem elektrycznym. Eksperymenty okazały się jednak niejednoznaczne, dopóki widok kryształu piezoelektrycznego w muzeum kompensatorów Curie w Szkocji nie wykazał bezpośredniego efektu piezoelektrycznego braci Curie.

Piezoelektryczność jest wykorzystywana w różnych urządzeniach elektronicznych, od przetworników w elektronicznie wzmacnianych gitarach po wyzwalacze w nowoczesnych perkusjach elektronicznych. Jest również używany do produkcji i wykrywania dźwięku, piezoelektrycznego druku atramentowego, wytwarzania energii elektrycznej wysokiego napięcia, generatorów zegarowych, mikrowag, napędów dysz ultradźwiękowych i ultradokładnych zespołów optycznych ogniskujących. Piezoelektryczność jest również podstawą mikroskopów z sondami skanującymi, które służą do rozdzielania obrazów w skali atomowej.

Mikrowagi

Piezoelektryczność to zdolność pewnych materiałów stałych do gromadzenia ładunku elektrycznego w odpowiedzi na przyłożone naprężenia mechaniczne. Piezoelektryczność pochodzi od greckich słów πιέζειν (piezein), oznaczających „ściskać” lub „naciskać” oraz ἤλεκτρον (ēlektron), co oznacza „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego.

Piezoelektryczność jest wykorzystywana w wielu codziennych zastosowaniach, takich jak generowanie iskier do zapalania gazu do urządzeń kuchennych i grzewczych, latarek, zapalniczek i innych. Jest również używany do produkcji i wykrywania dźwięku oraz w piezoelektrycznym druku atramentowym.

Piezoelektryczność jest również wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej o wysokim napięciu i jest podstawą generatorów zegarowych i urządzeń elektronicznych, takich jak mikrowagi. Piezoelektryczność jest również wykorzystywana do napędzania dysz ultradźwiękowych i zespołów optycznych o ultradokładnym ogniskowaniu.

Odkrycie piezoelektryczności przypisuje się francuskim fizykom Jacques'owi i Pierre'owi Curie w 1880 roku. Bracia Curie połączyli swoją wiedzę o piroelektryczności i zrozumienie podstawowych struktur krystalicznych, aby dać początek koncepcji piezoelektryczności. Byli w stanie przewidzieć zachowanie kryształów i zademonstrowali wpływ na kryształy, takie jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle.

Efekt piezoelektryczny wykorzystano do przydatnych zastosowań, w tym do wytwarzania i wykrywania dźwięku. Rozwój sonaru podczas I wojny światowej był wielkim przełomem w wykorzystaniu piezoelektryczności. Po drugiej wojnie światowej niezależne grupy badawcze w Stanach Zjednoczonych, Rosji i Japonii odkryły nową klasę materiałów syntetycznych zwanych ferroelektrykami, które wykazywały stałe piezoelektryczne do dziesięciu razy wyższe niż materiały naturalne.

Doprowadziło to do intensywnych badań i rozwoju tytanianu baru, a później tytanianu cyrkonianu ołowiu, który miał specyficzne właściwości do określonych zastosowań. Znaczący przykład zastosowania kryształów piezoelektrycznych został opracowany w Bell Telephone Laboratories po drugiej wojnie światowej.

Frederick R. Lack, pracujący w dziale inżynierii telefonii radiowej, opracował kryształ szlifowany, który działał w szerokim zakresie temperatur. Kryształ Lacka nie potrzebował ciężkich akcesoriów poprzednich kryształów, co ułatwiło jego użycie w samolotach. Rozwój ten umożliwił siłom powietrznym aliantów przeprowadzenie skoordynowanych masowych ataków z wykorzystaniem radia lotniczego.

Rozwój urządzeń i materiałów piezoelektrycznych w Stanach Zjednoczonych utrzymywał kilka firm na rynku, a rozwój kryształów kwarcu był wykorzystywany komercyjnie. Materiały piezoelektryczne były od tego czasu wykorzystywane w różnych zastosowaniach, w tym w obrazowaniu medycznym, czyszczeniu ultradźwiękowym i nie tylko.

Napęd dyszy ultradźwiękowej

Piezoelektryczność to ładunek elektryczny, który gromadzi się w pewnych materiałach stałych, takich jak kryształy, ceramika i materii biologicznej, takiej jak kości i DNA. Jest odpowiedzią na zastosowane obciążenie mechaniczne i pochodzi od greckich słów „piezein”, oznaczających „ściskanie” lub „naciskanie”, oraz „elektron”, co oznacza „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego.

Efekt piezoelektryczny to liniowe oddziaływanie elektromechaniczne między stanami mechanicznymi i elektrycznymi materiałów krystalicznych o symetrii inwersji. Jest to proces odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące efekt piezoelektryczny wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynikających z przyłożonego pola elektrycznego. Przykładem tego są kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu, które generują mierzalną piezoelektryczność, gdy ich struktura statyczna zostaje odkształcona w stosunku do swojego pierwotnego wymiaru. I odwrotnie, po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego kryształy zmieniają swój wymiar statyczny, powodując odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wytwarzanie fal ultradźwiękowych.

Francuscy fizycy Jacques i Pierre Curie odkryli piezoelektryczność w 1880 roku i od tego czasu była ona wykorzystywana do wielu przydatnych zastosowań, w tym do wytwarzania i wykrywania dźwięku. Piezoelektryczność znajduje również codzienne zastosowania, takie jak generowanie iskier do zapalania gazu w urządzeniach do gotowania i ogrzewania, pochodniach, zapalniczkach i nie tylko.

Efekt piroelektryczny, czyli materiał generujący potencjał elektryczny w odpowiedzi na zmianę temperatury, badali Carl Linneusz, Franz Aepinus, a w połowie XVIII wieku czerpali wiedzę od René Haüy i Antoine César Becquerel, którzy postulowali związek między naprężeniami mechanicznymi a ładunek elektryczny. Eksperymenty, które miały to udowodnić, były niejednoznaczne.

Widok kryształu piezoelektrycznego w kompensatorze Curie w Hunterian Museum w Szkocji jest demonstracją bezpośredniego efektu piezoelektrycznego przez braci Pierre'a i Jacques'a Curie. Połączenie ich wiedzy na temat piroelektryczności i zrozumienia leżących u jej podstaw struktur krystalicznych dało początek przewidywaniu piroelektryczności i pozwoliło im przewidzieć zachowanie kryształu. Wykazano to na przykładzie kryształów takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle. Tetrahydrat winianu sodu i potasu oraz kwarc również wykazywały piezoelektryczność, a dysk piezoelektryczny był używany do generowania napięcia po odkształceniu. To było znacznie przesadzone przez Curie, aby przewidzieć odwrotny efekt piezoelektryczny, który został matematycznie wydedukowany z podstawowych zasad termodynamiki przez Gabriela Lippmanna w 1881 roku.

Państwo Curie natychmiast potwierdzili istnienie efektu odwrotnego i uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro-elastyczno-mechanicznych odkształceń w kryształach piezoelektrycznych. Przez dziesięciolecia piezoelektryczność pozostawała ciekawostką laboratoryjną, ale była istotnym narzędziem w odkrywaniu polonu i radu przez Pierre'a i Marie Curie w ich pracy nad badaniem i definiowaniem struktur krystalicznych, które wykazywały piezoelektryczność. Kulminacją tego była publikacja Lehrbuch der Kristallphysik Woldemara Voigta (Podręcznik fizyki kryształów), w której opisano klasy kryształów naturalnych zdolnych do piezoelektryczności i rygorystycznie zdefiniowano stałe piezoelektryczne za pomocą analizy tensorowej.

Praktyczne zastosowanie urządzeń piezoelektrycznych rozpoczęło się od sonaru, który został opracowany podczas I wojny światowej. We Francji Paul Langevin i jego współpracownicy opracowali ultradźwiękowy wykrywacz łodzi podwodnych. Detektor składał się z przetwornika wykonanego z cienkich kryształków kwarcu starannie przyklejonych do stalowych płytek, zwanego hydrofonem, w celu wykrycia powracającego echa po wyemitowaniu impulsu o wysokiej częstotliwości. Mierząc czas potrzebny do usłyszenia echa fal dźwiękowych odbijających się od obiektu, mogli obliczyć odległość obiektu. To wykorzystanie piezoelektryczności w sonarze okazało się sukcesem, a projekt spowodował intensywny rozwój i zainteresowanie urządzeniami piezoelektrycznymi przez dziesięciolecia.

Zbadano i opracowano nowe materiały piezoelektryczne i nowe zastosowania tych materiałów, a urządzenia piezoelektryczne znalazły domy w takich dziedzinach, jak ceramiczne wkładki gramofonowe, co uprościło konstrukcję odtwarzacza i stworzyło tańsze, dokładniejsze gramofony, które były tańsze w utrzymaniu i łatwiejsze w budowie . Rozwój przetworników ultradźwiękowych umożliwił łatwy pomiar lepkości i sprężystości płynów i ciał stałych, co zaowocowało ogromnymi postępami w badaniach materiałowych. Reflektometry ultradźwiękowe w dziedzinie czasu wysyłają impuls ultradźwiękowy przez materiał i mierzą odbicia i nieciągłości, aby znaleźć wady wewnątrz odlanych przedmiotów metalowych i kamiennych

Najdokładniejsze ogniskujące zespoły optyczne

Piezoelektryczność to zdolność niektórych materiałów do gromadzenia ładunku elektrycznego pod wpływem naprężeń mechanicznych. Jest to liniowe oddziaływanie elektromechaniczne między stanami elektrycznymi i mechanicznymi materiałów krystalicznych z symetrią inwersyjną. Piezoelektryczność jest procesem odwracalnym, co oznacza, że ​​materiały wykazujące piezoelektryczność wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynikających z przyłożonego pola elektrycznego.

Piezoelektryczność była wykorzystywana w różnych zastosowaniach, w tym do produkcji i wykrywania dźwięku oraz wytwarzania energii elektrycznej o wysokim napięciu. Piezoelektryczność jest również wykorzystywana w drukowaniu atramentowym, generatorach zegarowych, urządzeniach elektronicznych, mikrowagach, napędowych dyszach ultradźwiękowych i ultradokładnych zespołach optycznych ogniskujących.

Piezoelektryczność została odkryta w 1880 roku przez francuskich fizyków Jacques'a i Pierre'a Curie. Efekt piezoelektryczny jest wykorzystywany w przydatnych zastosowaniach, takich jak wytwarzanie i wykrywanie dźwięku oraz wytwarzanie energii elektrycznej pod wysokim napięciem. Stosowany jest również piezoelektryczny druk atramentowy, a także generatory zegarowe, urządzenia elektroniczne, mikrowagi, napędzające dysze ultradźwiękowe i ultradokładne zespoły optyczne ogniskujące.

Piezoelektryczność znalazła zastosowanie w codziennych zastosowaniach, takich jak generowanie iskier do zapalania gazu do urządzeń kuchennych i grzewczych, latarek, zapalniczek i materiałów piroelektrycznych, które generują potencjał elektryczny w odpowiedzi na zmianę temperatury. Efekt ten był badany przez Carla Linnaeusa i Franza Aepinusa w połowie XVIII wieku, opierając się na wiedzy René Haüy i Antoine César Becquerel, którzy wysunęli związek między naprężeniami mechanicznymi a ładunkiem elektrycznym. Eksperymenty okazały się niejednoznaczne.

Widok kryształu piezoelektrycznego w kompensatorze Curie w Hunterian Museum w Szkocji jest demonstracją bezpośredniego efektu piezoelektrycznego przez braci Pierre'a i Jacques'a Curie. W połączeniu z ich wiedzą na temat piroelektryczności i zrozumieniem leżących u jej podstaw struktur krystalicznych, umożliwili przewidywanie piroelektryczności i zdolność przewidywania zachowania kryształów. Wykazano to w działaniu kryształów, takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle.

Tetrahydrat winianu sodu i potasu oraz sól kwarcowa i Rochelle wykazywały piezoelektryczność, a dysk piezoelektryczny był używany do generowania napięcia po odkształceniu, chociaż zmiana kształtu była znacznie przesadzona. Państwo Curie przewidzieli odwrotny efekt piezoelektryczny, a odwrotny efekt został matematycznie wydedukowany z podstawowych zasad termodynamiki przez Gabriela Lippmanna w 1881 roku. Państwo Curie natychmiast potwierdzili istnienie odwrotnego efektu i uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro- odkształcenia sprężysto-mechaniczne w kryształach piezoelektrycznych.

Przez dziesięciolecia piezoelektryczność pozostawała ciekawostką laboratoryjną, dopóki nie stała się istotnym narzędziem w odkrywaniu polonu i radu przez Pierre'a i Marię Curie. Ich praca nad zbadaniem i zdefiniowaniem struktur krystalicznych, które wykazywały piezoelektryczność, zakończyła się publikacją Lehrbuch der Kristallphysik (Podręcznika fizyki kryształów) Woldemara Voigta. Opisano klasy kryształów naturalnych zdolnych do piezoelektryczności i rygorystycznie zdefiniowano stałe piezoelektryczne za pomocą analizy tensorowej do praktycznego zastosowania urządzeń piezoelektrycznych.

Rozwój sonaru był udanym projektem, który doprowadził do intensywnego rozwoju i zainteresowania urządzeniami piezoelektrycznymi. Kilkadziesiąt lat później zbadano i opracowano nowe materiały piezoelektryczne i nowe zastosowania tych materiałów. Urządzenia piezoelektryczne znalazły domy w różnych dziedzinach, takich jak ceramiczne wkładki gramofonowe, które uprościły projektowanie odtwarzaczy i uczyniły gramofony tańszymi i łatwiejszymi w utrzymaniu i budowie. Rozwój przetworników ultradźwiękowych umożliwił łatwy pomiar lepkości i sprężystości płynów i ciał stałych, co zaowocowało ogromnymi postępami w badaniach materiałowych. Reflektometry ultradźwiękowe w dziedzinie czasu wysyłają impuls ultradźwiękowy do materiału i mierzą odbicia i nieciągłości, aby znaleźć wady wewnątrz odlewów metalowych i kamiennych, poprawiając bezpieczeństwo konstrukcji.

Początki zainteresowań piezoelektrycznością zapewniły zyskowne patenty nowych materiałów opracowanych z kryształów kwarcu, które były komercyjnie wykorzystywane jako materiał piezoelektryczny. Naukowcy poszukiwali materiałów o wyższej wydajności i pomimo postępu w materiałach i dojrzewania procesów produkcyjnych rynek Stanów Zjednoczonych nie rozwijał się szybko. Z kolei japońscy producenci szybko wymieniali się informacjami, a nowe zastosowania dla rozwoju przemysłu piezoelektrycznego w Stanach Zjednoczonych ucierpiały w przeciwieństwie do producentów japońskich.

Silniki piezoelektryczne

W tej sekcji omówię, w jaki sposób piezoelektryczność jest wykorzystywana w nowoczesnej technologii. Od mikroskopów z sondami skanującymi, które mogą rozdzielać obrazy w skali atomowej, po przetworniki do elektronicznie wzmacnianych gitar i wyzwalacze do nowoczesnych perkusji elektronicznych, piezoelektryczność stała się integralną częścią wielu urządzeń. Zbadam historię piezoelektryczności i sposoby jej wykorzystania w różnych zastosowaniach.

Tworzy podstawę mikroskopów z sondą skanującą

Piezoelektryczność to ładunek elektryczny, który gromadzi się w pewnych materiałach stałych, takich jak kryształy, ceramika i materii biologicznej, takiej jak kości i DNA. Jest to reakcja na przyłożone obciążenie mechaniczne, a słowo piezoelektryczność pochodzi od greckiego słowa πιέζειν (piezein) oznaczającego „ściskać” lub „naciskać” oraz ἤλεκτρον (ēlektron) oznaczającego „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego.

Silniki piezoelektryczne to urządzenia wykorzystujące efekt piezoelektryczny do generowania ruchu. Efekt ten to liniowe oddziaływanie elektromechaniczne między stanami mechanicznymi i elektrycznymi w materiałach krystalicznych o symetrii inwersji. Jest to proces odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące efekt piezoelektryczny wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynikających z przyłożonego pola elektrycznego. Przykładami materiałów generujących mierzalną piezoelektryczność są kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu.

Efekt piezoelektryczny jest wykorzystywany w przydatnych zastosowaniach, takich jak wytwarzanie i wykrywanie dźwięku, piezoelektryczny druk atramentowy, wytwarzanie energii elektrycznej wysokiego napięcia, generatory zegarowe i urządzenia elektroniczne, takie jak mikrowagi i napędy dysz ultradźwiękowych do ultradokładnych ogniskujących zespołów optycznych. Stanowi również podstawę mikroskopów z sondami skanującymi, które służą do rozdzielania obrazów w skali atomów.

Piezoelektryczność została odkryta w 1880 roku przez francuskich fizyków Jacques'a i Pierre'a Curie. Widok kryształu piezoelektrycznego i kompensatora Curie można zobaczyć w Hunterian Museum w Szkocji, które jest demonstracją bezpośredniego efektu piezoelektrycznego braci Pierre'a i Jacques'a Curie.

Połączenie ich wiedzy na temat piroelektryczności i zrozumienia podstawowych struktur krystalicznych dało początek przewidywaniu piroelektryczności, co pozwoliło im przewidzieć zachowanie kryształu. Zostało to wykazane przez działanie kryształów, takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle. Tetrahydrat winianu sodu i potasu oraz sól kwarcowa i Rochelle wykazywały piezoelektryczność, a dysk piezoelektryczny był używany do generowania napięcia po odkształceniu, chociaż państwo Curie mocno to przesadzili.

Przewidzieli również odwrotny efekt piezoelektryczny, co zostało wydedukowane matematycznie z fundamentalnych zasad termodynamiki przez Gabriela Lippmanna w 1881 roku. Państwo Curie natychmiast potwierdzili istnienie odwrotnego efektu i uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro-elasto- odkształcenia mechaniczne w kryształach piezoelektrycznych.

Przez dziesięciolecia piezoelektryczność pozostawała ciekawostką laboratoryjną, dopóki nie stała się istotnym narzędziem w odkrywaniu polonu i radu przez Pierre'a i Marię Curie. Ich praca nad zbadaniem i zdefiniowaniem struktur krystalicznych, które wykazywały piezoelektryczność, zakończyła się publikacją Lehrbuch der Kristallphysik (Podręcznika fizyki kryształów) Woldemara Voigta, w której opisano klasy kryształów naturalnych zdolnych do piezoelektryczności i rygorystycznie zdefiniowano stałe piezoelektryczne i analizę tensorową.

Doprowadziło to do praktycznego zastosowania urządzeń piezoelektrycznych, takich jak sonar, który został opracowany podczas I wojny światowej. We Francji Paul Langevin i jego współpracownicy opracowali ultradźwiękowy wykrywacz łodzi podwodnych. Detektor ten składał się z przetwornika wykonanego z cienkich kryształków kwarcu starannie przyklejonych do stalowych płytek oraz hydrofonu do wykrywania powracającego echa po wyemitowaniu z przetwornika impulsu o wysokiej częstotliwości. Mierząc czas potrzebny do usłyszenia echa fal dźwiękowych odbijających się od obiektu, byli w stanie obliczyć odległość obiektu. Wykorzystali piezoelektryczność, aby ten sonar odniósł sukces, a projekt spowodował intensywny rozwój i zainteresowanie urządzeniami piezoelektrycznymi przez dziesięciolecia.

Zbadano i opracowano nowe materiały piezoelektryczne i nowe zastosowania tych materiałów, a urządzenia piezoelektryczne znalazły domy w wielu dziedzinach, takich jak ceramiczne wkładki gramofonowe, które uprościły konstrukcję odtwarzacza i stworzyły tańsze i dokładniejsze gramofony, które były tańsze w utrzymaniu i łatwiejsze budować. Rozwój przetworników ultradźwiękowych umożliwił łatwy pomiar lepkości i sprężystości płynów i ciał stałych, co zaowocowało ogromnymi postępami w badaniach materiałowych. Reflektometry ultradźwiękowe w dziedzinie czasu wysyłają impuls ultradźwiękowy do materiału i mierzą odbicia i nieciągłości, aby znaleźć wady wewnątrz odlewów metalowych i kamiennych, poprawiając bezpieczeństwo konstrukcji.

Podczas II wojny światowej niezależne grupy badawcze w Stanach Zjednoczonych

Rozdziel obrazy w skali atomów

Piezoelektryczność to ładunek elektryczny, który gromadzi się w pewnych materiałach stałych, takich jak kryształy, ceramika i materii biologicznej, takiej jak kości i DNA. Jest to reakcja na zastosowane obciążenie mechaniczne i pochodzi od greckiego słowa „piezein”, oznaczającego ściskanie lub naciskanie. Efekt piezoelektryczny wynika z liniowego oddziaływania elektromechanicznego między stanem mechanicznym i elektrycznym w materiałach krystalicznych o symetrii inwersyjnej.

Piezoelektryczność jest procesem odwracalnym, a materiały wykazujące efekt piezoelektryczny wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynikających z przyłożonego pola elektrycznego. Przykładami tego są kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu, które generują mierzalną piezoelektryczność, gdy ich struktura statyczna jest odkształcana w stosunku do pierwotnego wymiaru. I odwrotnie, kryształy zmieniają swój wymiar statyczny, gdy przyłożone jest zewnętrzne pole elektryczne, co jest znane jako odwrotny efekt piezoelektryczny i jest wykorzystywane do wytwarzania fal ultradźwiękowych.

Francuscy fizycy Jacques i Pierre Curie odkryli piezoelektryczność w 1880 roku. Efekt piezoelektryczny był wykorzystywany do wielu przydatnych zastosowań, w tym do produkcji i wykrywania dźwięku, piezoelektrycznego drukowania atramentowego, wytwarzania energii elektrycznej wysokiego napięcia, generatorów zegarowych i urządzeń elektronicznych, takich jak mikrowag i napędów dysz ultradźwiękowych. Stanowi również podstawę mikroskopów z sondami skanującymi, które służą do rozdzielania obrazów w skali atomów.

Piezoelektryczność jest również wykorzystywana w codziennych zastosowaniach, takich jak generowanie iskier do zapalania gazu w urządzeniach do gotowania i ogrzewania, latarkach, zapalniczkach i nie tylko. Efekt piroelektryczny, czyli materiał generujący potencjał elektryczny w odpowiedzi na zmianę temperatury, badali Carl Linneusz i Franz Aepinus w połowie XVIII wieku. Opierając się na wiedzy René Haüya i Antoine'a Césara Becquerela, wysunęli oni związek między naprężeniami mechanicznymi a ładunkiem elektrycznym, ale ich eksperymenty okazały się niejednoznaczne.

Odwiedzający Hunterian Museum w Glasgow mogą obejrzeć piezokrystaliczny kompensator Curie, demonstrację bezpośredniego efektu piezoelektrycznego autorstwa braci Pierre'a i Jacques'a Curie. W połączeniu z ich wiedzą na temat piroelektryczności i zrozumieniem leżących u jej podstaw struktur krystalicznych, umożliwili przewidywanie piroelektryczności i zdolność przewidywania zachowania kryształów. Zostało to wykazane przez działanie kryształów, takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle. Tetrahydrat winianu sodu i potasu oraz sól kwarcowa i Rochelle wykazywały piezoelektryczność, a dysk piezoelektryczny generuje napięcie po odkształceniu, chociaż zmiana kształtu jest znacznie przesadzona. Państwo Curie byli w stanie przewidzieć odwrotny efekt piezoelektryczny, a odwrotny efekt został matematycznie wydedukowany z podstawowych zasad termodynamiki przez Gabriela Lippmanna w 1881 roku.

Państwo Curie natychmiast potwierdzili istnienie efektu odwrotnego i uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro-elastyczno-mechanicznych odkształceń w kryształach piezoelektrycznych. Przez dziesięciolecia piezoelektryczność pozostawała ciekawostką laboratoryjną, ale była istotnym narzędziem w odkrywaniu polonu i radu przez Pierre'a i Marię Curie. Ich praca nad zbadaniem i zdefiniowaniem struktur krystalicznych, które wykazywały piezoelektryczność, zakończyła się publikacją Lehrbuch der Kristallphysik (Podręcznika fizyki kryształów) Woldemara Voigta.

Przetworniki Gitary ze wzmacniaczem elektronicznym

Silniki piezoelektryczne to silniki elektryczne, które wykorzystują efekt piezoelektryczny do przekształcania energii elektrycznej w energię mechaniczną. Efekt piezoelektryczny to zdolność pewnych materiałów do generowania ładunku elektrycznego pod wpływem naprężeń mechanicznych. Silniki piezoelektryczne są wykorzystywane w różnych zastosowaniach, od zasilania małych urządzeń, takich jak zegarki i zegary, po zasilanie większych maszyn, takich jak roboty i sprzęt medyczny.

Silniki piezoelektryczne są stosowane w przetwornikach gitar wzmacnianych elektronicznie. Przetworniki te wykorzystują efekt piezoelektryczny do przekształcania drgań strun gitary w sygnał elektryczny. Sygnał ten jest następnie wzmacniany i przesyłany do wzmacniacza, który wytwarza dźwięk gitary. Przetworniki piezoelektryczne są również stosowane w nowoczesnych bębnach elektronicznych, gdzie służą do wykrywania drgań naciągów bębnów i przekształcania ich w sygnał elektryczny.

Silniki piezoelektryczne są również używane w mikroskopach z sondą skanującą, które wykorzystują efekt piezoelektryczny do przesuwania małej sondy po powierzchni. Pozwala to mikroskopowi na rozdzielanie obrazów w skali atomów. Silniki piezoelektryczne są również używane w drukarkach atramentowych, gdzie służą do przesuwania głowicy drukującej tam iz powrotem po stronie.

Silniki piezoelektryczne są wykorzystywane w wielu innych zastosowaniach, w tym w urządzeniach medycznych, częściach samochodowych i elektronice użytkowej. Są również wykorzystywane w zastosowaniach przemysłowych, takich jak produkcja precyzyjnych części i montaż skomplikowanych komponentów. Zjawisko piezoelektryczne wykorzystywane jest również do wytwarzania fal ultradźwiękowych, które wykorzystywane są w obrazowaniu medycznym oraz w wykrywaniu wad materiałów.

Ogólnie rzecz biorąc, silniki piezoelektryczne są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań, od zasilania małych urządzeń po zasilanie większych maszyn. Są stosowane w przetwornikach elektronicznie wzmacnianych gitarach, nowoczesnych perkusjach elektronicznych, mikroskopach z sondami skanującymi, drukarkach atramentowych, urządzeniach medycznych, częściach samochodowych i elektronice użytkowej. Efekt piezoelektryczny jest również wykorzystywany do wytwarzania fal ultradźwiękowych oraz do wykrywania wad materiałów.

Wyzwala nowoczesne bębny elektroniczne

Piezoelektryczność to ładunek elektryczny, który gromadzi się w pewnych materiałach stałych, takich jak kryształy, ceramika i materii biologicznej, takiej jak kości i DNA. Jest to reakcja tych materiałów na zastosowane naprężenia mechaniczne. Słowo piezoelektryczność pochodzi od greckiego słowa „piezein”, które oznacza „ściskać lub naciskać”, oraz słowa „elektron”, które oznacza „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego.

Silniki piezoelektryczne to urządzenia wykorzystujące efekt piezoelektryczny do generowania ruchu. Efekt ten wynika z liniowego oddziaływania elektromechanicznego między stanami mechanicznymi i elektrycznymi materiałów krystalicznych o symetrii inwersyjnej. Jest to proces odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące efekt piezoelektryczny wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynikających z przyłożonego pola elektrycznego. Przykładem tego są kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu, które generują mierzalną piezoelektryczność, gdy ich struktura statyczna zostaje odkształcona w stosunku do swojego pierwotnego wymiaru. I odwrotnie, po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego kryształy zmieniają swój wymiar statyczny, wytwarzając fale ultradźwiękowe.

Silniki piezoelektryczne są wykorzystywane w różnych codziennych zastosowaniach, takich jak:

• Wytwarzanie iskier w celu zapalenia gazu w urządzeniach do gotowania i ogrzewania
• Latarki, zapalniczki i materiały piroelektryczne
• Generowanie potencjału elektrycznego w odpowiedzi na zmianę temperatury
• Produkcja i wykrywanie dźwięku
• Piezoelektryczny druk atramentowy
• Wytwarzanie energii elektrycznej wysokiego napięcia
• Generator zegara i urządzenia elektroniczne
• Mikrowagi
• Steruj dyszami ultradźwiękowymi i ultradokładnymi zespołami optycznymi skupiającymi
• Stanowi podstawę mikroskopów z sondą skanującą
• Rozdziel obrazy w skali atomów
• Przetworniki do gitar ze wzmacniaczem elektronicznym
• Wyzwala nowoczesne bębny elektroniczne.

Modelowanie elektromechaniczne przetworników piezoelektrycznych

W tej sekcji zajmę się modelowaniem elektromechanicznym przetworników piezoelektrycznych. Przyjrzę się historii odkrycia piezoelektryczności, eksperymentom, które dowiodły jej istnienia oraz rozwojowi urządzeń i materiałów piezoelektrycznych. Omówię również wkład francuskich fizyków Pierre'a i Jacques'a Curie, Carla Linneusza i Franza Aepinusa, Rene Hauy'a i Antoine'a Cesara Becquerela, Gabriela Lippmanna i Woldemara Voigta.

Francuscy fizycy Pierre i Jacques Curie

Piezoelektryczność to zjawisko elektromechaniczne, w którym ładunek elektryczny gromadzi się w pewnych materiałach stałych, takich jak kryształy, ceramika i materii biologicznej, takiej jak kości i DNA. Ładunek ten jest generowany w odpowiedzi na przyłożone naprężenie mechaniczne. Słowo „piezoelektryczność” pochodzi od greckiego słowa „piezein” oznaczającego „ściskać lub naciskać” oraz „elektron” oznaczającego „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego.

Efekt piezoelektryczny wynika z liniowego oddziaływania elektromechanicznego między stanami mechanicznymi i elektrycznymi w materiałach o symetrii inwersyjnej. Efekt ten jest odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące efekt piezoelektryczny wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, w którym wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych jest wytwarzane w odpowiedzi na przyłożone pole elektryczne. Na przykład kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu generują mierzalną piezoelektryczność, gdy ich struktura statyczna zostaje odkształcona w stosunku do swojego pierwotnego wymiaru. I odwrotnie, po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego kryształy zmieniają swój wymiar statyczny, wytwarzając fale ultradźwiękowe w procesie znanym jako odwrotny efekt piezoelektryczny.

W 1880 roku francuscy fizycy Pierre i Jacques Curie odkryli efekt piezoelektryczny i od tego czasu był on wykorzystywany do wielu użytecznych zastosowań, w tym do wytwarzania i wykrywania dźwięku, piezoelektrycznego druku atramentowego, wytwarzania energii elektrycznej pod wysokim napięciem, generatorów zegarowych i układów elektronicznych. urządzeń, takich jak mikrowagi i napędowe dysze ultradźwiękowe do ultradokładnych zespołów optycznych ogniskujących. Stanowi również podstawę dla mikroskopów z sondami skanującymi, które mogą rozdzielać obrazy w skali atomów. Piezoelektryczność jest również stosowana w przetwornikach do elektronicznie wzmacnianych gitar i wyzwalaczach do nowoczesnych perkusji elektronicznych.

Piezoelektryczność znajduje również codzienne zastosowania, takie jak generowanie iskier do zapalania gazu w urządzeniach do gotowania i ogrzewania, pochodniach, zapalniczkach i nie tylko. Efekt piroelektryczny, w którym materiał generuje potencjał elektryczny w odpowiedzi na zmianę temperatury, badali Carl Linnaeus i Franz Aepinus w połowie XVIII wieku, opierając się na wiedzy René Hauy i Antoine César Becquerel, którzy postulowali związek między naprężenia mechaniczne i ładunek elektryczny, chociaż ich eksperymenty okazały się niejednoznaczne.

Łącząc swoją wiedzę na temat piroelektryczności ze zrozumieniem podstawowych struktur krystalicznych, państwo Curie byli w stanie przewidzieć piroelektryczność i przewidzieć zachowanie kryształów. Wykazano to w działaniu kryształów, takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle. Tetrahydrat winianu sodowo-potasowego i kwarc również wykazywały piezoelektryczność. Dysk piezoelektryczny generuje napięcie po odkształceniu, chociaż jest to znacznie przesadzone w demonstracji Curie. Byli również w stanie przewidzieć odwrotny efekt piezoelektryczny i wywnioskować go matematycznie z podstawowych zasad termodynamiki Gabriela Lippmanna w 1881 roku.

Państwo Curie natychmiast potwierdzili istnienie efektu odwrotnego i uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro-elastyczno-mechanicznych odkształceń w kryształach piezoelektrycznych. W następnych dziesięcioleciach piezoelektryczność pozostawała ciekawostką laboratoryjną, dopóki nie stała się istotnym narzędziem w odkrywaniu polonu i radu przez Pierre'a i Marię Curie. Ich praca nad zbadaniem i zdefiniowaniem struktur krystalicznych wykazujących piezoelektryczność zakończyła się publikacją „Lehrbuch der Kristallphysik” Woldemara Voigta (Podręcznik fizyki kryształów).

Eksperymenty okazały się niejednoznaczne

Piezoelektryczność to zjawisko elektromechaniczne, w którym ładunek elektryczny gromadzi się w pewnych materiałach stałych, takich jak kryształy, ceramika i materii biologicznej, takiej jak kości i DNA. Jest to reakcja na przyłożone obciążenie mechaniczne, a słowo „piezoelektryczność” pochodzi od greckich słów „piezein” oznaczających „ściskać lub naciskać” oraz „ēlektron” oznaczających „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego.

Efekt piezoelektryczny wynika z liniowego oddziaływania elektromechanicznego między stanami mechanicznymi i elektrycznymi materiałów krystalicznych o symetrii inwersyjnej. Jest to proces odwracalny; materiały wykazujące efekt piezoelektryczny wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynikających z przyłożonego pola elektrycznego. Na przykład kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu generują mierzalną piezoelektryczność, gdy ich struktura statyczna zostaje odkształcona w stosunku do swojego pierwotnego wymiaru. I odwrotnie, kryształy mogą zmieniać swój wymiar statyczny, gdy przyłożone jest zewnętrzne pole elektryczne, znane jako odwrotny efekt piezoelektryczny, który jest wykorzystywany do wytwarzania fal ultradźwiękowych.

Francuscy fizycy Pierre i Jacques Curie odkryli piezoelektryczność w 1880 roku. Od tego czasu była ona wykorzystywana do wielu przydatnych zastosowań, w tym do produkcji i wykrywania dźwięku, piezoelektrycznego druku atramentowego, wytwarzania energii elektrycznej wysokiego napięcia, generatorów zegarowych i urządzeń elektronicznych, takich jak mikrowagi , napędowe dysze ultradźwiękowe i ultradokładne zespoły optyczne ogniskujące. Stanowi również podstawę mikroskopów z sondami skanującymi, które mogą rozdzielać obrazy w skali atomowej. Piezoelektryczność jest również stosowana w przetwornikach do elektronicznie wzmacnianych gitar i wyzwalaczach do nowoczesnych perkusji elektronicznych.

Piezoelektryczność znajduje codzienne zastosowanie w generowaniu iskier do zapalania gazu w urządzeniach do gotowania i ogrzewania, latarkach, zapalniczkach i nie tylko. Efekt piroelektryczny, w którym materiał generuje potencjał elektryczny w odpowiedzi na zmianę temperatury, badali Carl Linnaeus i Franz Aepinus w połowie XVIII wieku, opierając się na wiedzy René Hauy i Antoine César Becquerel, którzy wysunęli związek między naprężeniami mechanicznymi a ładunkami elektrycznymi. Eksperymenty okazały się niejednoznaczne.

Połączona wiedza na temat piroelektryczności i zrozumienia leżących u jej podstaw struktur krystalicznych dała początek przewidywaniu piroelektryczności i zdolności przewidywania zachowania kryształów. Wykazano to w działaniu kryształów, takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle. Tetrahydrat winianu sodowo-potasowego i kwarc również wykazywały piezoelektryczność, a dysk piezoelektryczny był używany do generowania napięcia po odkształceniu. Było to znacznie przesadzone w demonstracji bezpośredniego efektu piezoelektrycznego przez Curie.

Bracia Pierre i Jacques Curie przewidzieli odwrotny efekt piezoelektryczny, a odwrotny efekt został matematycznie wydedukowany z podstawowych zasad termodynamiki przez Gabriela Lippmanna w 1881 roku. Państwo Curie natychmiast potwierdzili istnienie odwrotnego efektu i uzyskali ilościowy dowód całkowitego odwracalność odkształceń elektro-sprężysto-mechanicznych w kryształach piezoelektrycznych.

Przez dziesięciolecia piezoelektryczność pozostawała ciekawostką laboratoryjną, ale była istotnym narzędziem w odkrywaniu polonu i radu przez Pierre'a i Marię Curie. Ich praca nad zbadaniem i zdefiniowaniem struktur krystalicznych, które wykazywały piezoelektryczność, zakończyła się publikacją Lehrbuch der Kristallphysik (Podręcznika fizyki kryształów) Woldemara Voigta. Opisano klasy kryształów naturalnych zdolnych do piezoelektryczności i rygorystycznie zdefiniowano stałe piezoelektryczne za pomocą analizy tensorowej. Było to pierwsze praktyczne zastosowanie przetworników piezoelektrycznych, a sonar został opracowany podczas I wojny światowej. We Francji Paul Langevin i jego współpracownicy opracowali ultradźwiękowy wykrywacz łodzi podwodnych.

Karola Linneusza i Franciszka Aepinusa

Piezoelektryczność jest zjawiskiem elektromechanicznym, w którym ładunek elektryczny gromadzi się w pewnych materiałach stałych, takich jak kryształy, ceramika i materii biologicznej, takiej jak kości i DNA. Ładunek ten jest generowany w odpowiedzi na przyłożone naprężenia mechaniczne. Słowo piezoelektryczność pochodzi od greckich słów πιέζειν (piezein) oznaczających „ściskać lub naciskać” oraz ἤλεκτρον (ēlektron) oznaczającego „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego.

Efekt piezoelektryczny wynika z liniowego oddziaływania elektromechanicznego między stanami mechanicznymi i elektrycznymi materiałów krystalicznych o symetrii inwersyjnej. Efekt ten jest odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące piezoelektryczność wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynikających z przyłożonego pola elektrycznego. Na przykład kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu generują mierzalną piezoelektryczność, gdy ich struktura statyczna zostaje odkształcona w stosunku do swojego pierwotnego wymiaru. I odwrotnie, kryształy mogą zmieniać swój wymiar statyczny, gdy przyłożone jest zewnętrzne pole elektryczne, co jest znane jako odwrotny efekt piezoelektryczny i jest wykorzystywane do wytwarzania fal ultradźwiękowych.

W 1880 roku francuscy fizycy Jacques i Pierre Curie odkryli efekt piezoelektryczny i od tego czasu był on wykorzystywany do wielu użytecznych zastosowań, w tym do wytwarzania i wykrywania dźwięku, piezoelektrycznego drukowania atramentowego, wytwarzania energii elektrycznej wysokiego napięcia, generatorów zegarowych, urządzeń elektronicznych, mikrowag , napędowe dysze ultradźwiękowe i ultradokładne zespoły optyczne ogniskujące. Stanowi również podstawę dla mikroskopów z sondami skanującymi, które służą do rozdzielania obrazów w skali atomowej. Piezoelektryczność jest również stosowana w przetwornikach do elektronicznie wzmacnianych gitar i wyzwalaczach do nowoczesnych perkusji elektronicznych.

Piezoelektryczność występuje również w codziennych zastosowaniach, takich jak wytwarzanie iskier w celu zapalenia gazu w urządzeniach do gotowania i ogrzewania, pochodniach, zapalniczkach oraz efekt piroelektryczny, który polega na tym, że materiał generuje potencjał elektryczny w odpowiedzi na zmianę temperatury. Efekt ten był badany przez Carla Linnaeusa i Franza Aepinusa w połowie XVIII wieku, opierając się na wiedzy René Hauya i Antoine'a Césara Becquerela, którzy wysunęli związek między naprężeniem mechanicznym a ładunkiem elektrycznym, chociaż ich eksperymenty okazały się niejednoznaczne.

Widok kryształu piezoelektrycznego w kompensatorze Curie w Hunterian Museum w Szkocji jest demonstracją bezpośredniego efektu piezoelektrycznego przez braci Pierre'a i Jacques'a Curie. Połączenie ich wiedzy na temat piroelektryczności ze zrozumieniem leżących u jej podstaw struktur krystalicznych dało początek przewidywaniu piroelektryczności i zdolności przewidywania zachowania kryształów. Zostało to wykazane przez działanie kryształów, takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle. Tetrahydrat winianu sodowo-potasowego i kwarc z soli Rochelle wykazywały piezoelektryczność, a dysk piezoelektryczny generuje napięcie po odkształceniu, chociaż jest to znacznie przesadzone w demonstracji Curie.

Przewidywania odwrotnego efektu piezoelektrycznego i jego matematycznej dedukcji z podstawowych zasad termodynamiki dokonał Gabriel Lippmann w 1881 roku. Państwo Curie natychmiast potwierdzili istnienie odwrotnego efektu i uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro-elasto- odkształcenia mechaniczne w kryształach piezoelektrycznych. Przez dziesięciolecia piezoelektryczność pozostawała laboratoryjną ciekawostką, dopóki nie stała się istotnym narzędziem w odkryciu polonu i radu przez Pierre'a i Marie Curie, którzy wykorzystali ją do zbadania i zdefiniowania struktur krystalicznych wykazujących piezoelektryczność. Kulminacją tego była publikacja Lehrbuch der Kristallphysik Woldemara Voigta (Podręcznik fizyki kryształów), w której opisano klasy kryształów naturalnych zdolnych do piezoelektryczności i rygorystycznie zdefiniowano stałe piezoelektryczne za pomocą analizy tensorowej.

To praktyczne zastosowanie przetworników piezoelektrycznych doprowadziło do rozwoju sonaru podczas I wojny światowej. We Francji Paul Langevin i jego współpracownicy opracowali ultradźwiękowy wykrywacz łodzi podwodnych. Detektor składał się z przetwornika wykonanego z cienkich kryształków kwarcu starannie przyklejonych do stalowych płytek oraz hydrofonu do wykrywania powracającego echa po wyemitowaniu z przetwornika impulsu o wysokiej częstotliwości. Mierząc czas potrzebny do usłyszenia echa fal dźwiękowych odbijających się od obiektu, byli w stanie obliczyć odległość obiektu. Wykorzystali piezoelektryczność, aby ten sonar odniósł sukces, a projekt spowodował intensywny rozwój i zainteresowanie urządzeniami piezoelektrycznymi

René Hauy i Antoine Cesar Becquerel

Piezoelektryczność to zjawisko elektromechaniczne, które występuje, gdy pewne materiały stałe, takie jak kryształy, ceramika i materia biologiczna, taka jak kość i DNA, gromadzą ładunek elektryczny w odpowiedzi na zastosowane naprężenia mechaniczne. Piezoelektryczność pochodzi od greckiego słowa „piezein”, oznaczającego „ściskać lub naciskać”, oraz „elektron”, oznaczającego „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego.

Efekt piezoelektryczny wynika z liniowego oddziaływania elektromechanicznego między stanami mechanicznymi i elektrycznymi w materiałach krystalicznych o symetrii inwersyjnej. Efekt ten jest odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące efekt piezoelektryczny wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, czyli wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynikających z przyłożonego pola elektrycznego. Na przykład kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu generują mierzalną piezoelektryczność, gdy ich struktura statyczna zostaje odkształcona w stosunku do swojego pierwotnego wymiaru. I odwrotnie, kryształy mogą zmieniać swój wymiar statyczny, gdy przyłożone jest zewnętrzne pole elektryczne, co powoduje odwrotny efekt piezoelektryczny i wytwarzanie fal ultradźwiękowych.

Francuscy fizycy Pierre i Jacques Curie odkryli efekt piezoelektryczny w 1880 roku. Zjawisko to zostało wykorzystane do wielu przydatnych zastosowań, w tym do produkcji i wykrywania dźwięku, piezoelektrycznego druku atramentowego, wytwarzania energii elektrycznej pod wysokim napięciem, generatorów zegarowych i urządzeń elektronicznych jak mikrowagi, napędzające dysze ultradźwiękowe i ultradokładne zespoły optyczne skupiające. Stanowi również podstawę mikroskopów z sondami skanującymi, które mogą rozdzielać obrazy w skali atomowej. Piezoelektryczność jest również stosowana w przetwornikach do elektronicznie wzmacnianych gitar i wyzwalaczach do nowoczesnych perkusji elektronicznych.

Efekt piezoelektryczny został po raz pierwszy zbadany przez Carla Linnaeusa i Franza Aepinusa w połowie XVIII wieku, opierając się na wiedzy Rene Hauya i Antoine'a Cesara Becquerela, którzy ustalili związek między naprężeniami mechanicznymi a ładunkiem elektrycznym. Jednak eksperymenty okazały się niejednoznaczne. W połączeniu ze znajomością piroelektryczności i zrozumieniem podstawowych struktur krystalicznych dało to początek przewidywaniu piroelektryczności i zdolności przewidywania zachowania kryształów. Wykazano to w działaniu kryształów, takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle. Tetrahydrat winianu sodowo-potasowego i kwarc również wykazywały piezoelektryczność, a dysk piezoelektryczny był używany do generowania napięcia po odkształceniu. Efekt ten został znacznie wyolbrzymiony podczas demonstracji rodziny Curie w Muzeum Szkocji, która pokazała bezpośredni efekt piezoelektryczny.

Bracia Pierre i Jacques Curie uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro-elastyczno-mechanicznych deformacji kryształów piezoelektrycznych. Przez dziesięciolecia piezoelektryczność pozostawała laboratoryjną ciekawostką, dopóki nie stała się istotnym narzędziem w odkrywaniu polonu i radu przez Pierre'a i Marię Curie. Ta praca badała i definiowała struktury krystaliczne, które wykazywały piezoelektryczność, a jej kulminacją była publikacja Lehrbuch der Kristallphysik (Podręcznik fizyki kryształów) Woldemara Voigta.

Państwo Curie natychmiast potwierdzili istnienie efektu odwrotnego i przystąpili do matematycznego wydedukowania podstawowych zasad termodynamicznych efektu odwrotnego. Dokonał tego Gabriel Lippmann w 1881 r. Piezoelektryczność została następnie wykorzystana do opracowania sonaru podczas I wojny światowej. We Francji Paul Langevin i jego współpracownicy opracowali ultradźwiękowy wykrywacz łodzi podwodnych. Detektor ten składał się z przetwornika wykonanego z cienkich kryształków kwarcu starannie przyklejonych do stalowych płytek oraz hydrofonu do wykrywania powracającego echa. Emitując impuls o wysokiej częstotliwości z przetwornika i mierząc czas potrzebny do usłyszenia echa fal dźwiękowych odbijających się od obiektu, mogli obliczyć odległość do obiektu.

Zastosowanie kryształów piezoelektrycznych było dalej rozwijane przez Bell Telephone Laboratories po drugiej wojnie światowej. Frederick R. Lack, pracujący w dziale inżynierii telefonii radiowej, opracował kryształ szlifowany, który może działać w szerokim zakresie temperatur. Kryształ Lacka nie potrzebował ciężkich akcesoriów poprzednich kryształów, co ułatwiło jego użycie w samolotach. Rozwój ten umożliwił siłom powietrznym aliantów przeprowadzenie skoordynowanych masowych ataków z wykorzystaniem radia lotniczego. Rozwój urządzeń i materiałów piezoelektrycznych w Stanach Zjednoczonych utrzymywał firmy w rozwoju wojennych początków w tej dziedzinie i rozwijały się interesy w zabezpieczaniu rentownych patentów na nowe materiały. Kryształy kwarcu były wykorzystywane komercyjnie jako materiał piezoelektryczny, a naukowcy poszukiwali materiałów o większej wydajności. Pomimo postępów w materiałach i dojrzewania procesów produkcyjnych, Stany Zjednoczone

Gabriela Lippmanna

Piezoelektryczność to zjawisko elektromechaniczne, w którym ładunek elektryczny gromadzi się w pewnych materiałach stałych, takich jak kryształy, ceramika i materii biologicznej, takiej jak kości i DNA. Jest to wynik interakcji między stanami mechanicznymi i elektrycznymi w materiałach o symetrii inwersyjnej. Piezoelektryczność po raz pierwszy odkryli francuscy fizycy Pierre i Jacques Curie w 1880 roku.

Piezoelektryczność została wykorzystana do wielu przydatnych zastosowań, w tym do produkcji i wykrywania dźwięku, piezoelektrycznego drukowania atramentowego oraz wytwarzania energii elektrycznej pod wysokim napięciem. Piezoelektryczność pochodzi od greckich słów πιέζειν (piezein) oznaczających „ściskać lub naciskać” oraz ἤλεκτρον (ēlektron) oznaczającego „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego.

Efekt piezoelektryczny jest odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące piezoelektryczność wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, w którym wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynika z przyłożenia pola elektrycznego. Na przykład kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu generują mierzalną piezoelektryczność, gdy ich struktura statyczna zostaje odkształcona w stosunku do swojego pierwotnego wymiaru. I odwrotnie, kryształy mogą zmieniać swój wymiar statyczny, gdy przyłożone jest zewnętrzne pole elektryczne, proces znany jako odwrotny efekt piezoelektryczny. Proces ten można wykorzystać do wytwarzania fal ultradźwiękowych.

Efekt piezoelektryczny był badany od połowy XVIII wieku, kiedy Karol Linneusz i Franz Aepinus, opierając się na wiedzy René Hauya i Antoine'a Césara Becquerela, wysunęli związek między naprężeniami mechanicznymi a ładunkiem elektrycznym. Jednak eksperymenty okazały się niejednoznaczne. Dopiero połączona wiedza o piroelektryczności i zrozumienie leżących u jej podstaw struktur krystalicznych dały podstawę do przewidywania piroelektryczności, dzięki czemu naukowcy byli w stanie przewidzieć zachowanie kryształów. Zostało to wykazane przez działanie kryształów, takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle.

Gabriel Lippmann w 1881 roku wydedukował matematycznie podstawowe zasady termodynamiki odwrotnego efektu piezoelektrycznego. Państwo Curie natychmiast potwierdzili istnienie efektu odwrotnego i uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro-elastyczno-mechanicznych odkształceń w kryształach piezoelektrycznych.

Przez dziesięciolecia piezoelektryczność pozostawała ciekawostką laboratoryjną, dopóki nie stała się istotnym narzędziem w odkrywaniu polonu i radu przez Pierre'a i Marię Curie. Ich praca nad zbadaniem i zdefiniowaniem struktur krystalicznych, które wykazywały piezoelektryczność, zakończyła się publikacją Lehrbuch der Kristallphysik (Podręcznika fizyki kryształów) Woldemara Voigta. Opisano w nim klasy kryształów naturalnych zdolnych do piezoelektryczności i rygorystycznie zdefiniowano stałe piezoelektryczne za pomocą analizy tensorowej.

Praktyczne zastosowanie urządzeń piezoelektrycznych rozpoczęło się wraz z rozwojem sonaru podczas I wojny światowej. Paul Langevin i jego współpracownicy opracowali ultradźwiękowy wykrywacz łodzi podwodnych. Detektor ten składał się z przetwornika wykonanego z cienkich kryształków kwarcu starannie przyklejonych do stalowych płytek oraz hydrofonu do wykrywania powracającego echa. Emitując impuls o wysokiej częstotliwości z przetwornika i mierząc czas potrzebny do usłyszenia echa fal dźwiękowych odbijających się od obiektu, byli w stanie obliczyć odległość do obiektu. To wykorzystanie piezoelektryczności w sonarze okazało się sukcesem, a projekt wywołał intensywne zainteresowanie rozwojem urządzeń piezoelektrycznych. Przez dziesięciolecia badano i opracowywano nowe materiały piezoelektryczne i nowe zastosowania tych materiałów. Urządzenia piezoelektryczne znalazły domy w różnych dziedzinach, od ceramicznych wkładek gramofonowych, które uprościły konstrukcję odtwarzacza i sprawiły, że tanie, dokładne gramofony były tańsze w utrzymaniu i łatwiejsze w budowie, po opracowanie przetworników ultradźwiękowych, które umożliwiły łatwy pomiar lepkości i elastyczności płynów i ciał stałych, co zaowocowało ogromnymi postępami w badaniach materiałowych. Reflektometry ultradźwiękowe w dziedzinie czasu wysyłają impuls ultradźwiękowy do materiału i mierzą odbicia i nieciągłości, aby znaleźć wady wewnątrz odlewów metalowych i kamiennych, poprawiając bezpieczeństwo konstrukcji.

Po drugiej wojnie światowej niezależne grupy badawcze w Stanach Zjednoczonych, Rosji i Japonii odkryły nową klasę materiałów syntetycznych zwanych ferroelektrykami, które wykazywały stałe piezoelektryczne do dziesięciu razy wyższe niż materiały naturalne. Doprowadziło to do intensywnych badań nad opracowaniem tytanianu baru, a później tytanianu cyrkonianu ołowiu, materiałów o określonych właściwościach do określonych zastosowań. Opracowano znaczący przykład zastosowania kryształów piezoelektrycznych

Woldemara Voigta

Piezoelektryczność to zjawisko elektromechaniczne, w którym ładunek elektryczny gromadzi się w pewnych materiałach stałych, takich jak kryształy, ceramika i materii biologicznej, takiej jak kości i DNA. Ładunek ten jest generowany w odpowiedzi na przyłożone naprężenie mechaniczne. Słowo piezoelektryczność pochodzi od greckiego słowa „piezein”, które oznacza „ściskać lub naciskać”, oraz „elektron”, co oznacza „bursztyn”, starożytne źródło ładunku elektrycznego.

Efekt piezoelektryczny wynika z liniowego oddziaływania elektromechanicznego między stanami mechanicznymi i elektrycznymi materiałów krystalicznych o symetrii inwersyjnej. Efekt ten jest odwracalny, co oznacza, że ​​materiały wykazujące piezoelektryczność wykazują również odwrotny efekt piezoelektryczny, w którym wewnętrzne wytwarzanie naprężeń mechanicznych wynika z przyłożonego pola elektrycznego. Na przykład kryształy tytanianu cyrkonianu ołowiu generują mierzalną piezoelektryczność, gdy ich struktura statyczna zostaje odkształcona w stosunku do swojego pierwotnego wymiaru. I odwrotnie, kryształy mogą zmieniać swój wymiar statyczny, gdy przyłożone jest zewnętrzne pole elektryczne, zjawisko znane jako odwrotny efekt piezoelektryczny, który jest wykorzystywany do wytwarzania fal ultradźwiękowych.

Francuscy fizycy Pierre i Jacques Curie odkryli piezoelektryczność w 1880 roku. Od tego czasu efekt piezoelektryczny był wykorzystywany do wielu przydatnych zastosowań, w tym do produkcji i wykrywania dźwięku, piezoelektrycznego drukowania atramentowego, wytwarzania energii elektrycznej wysokiego napięcia, generatorów zegarowych i urządzeń elektronicznych jak mikrowagi i napędowe dysze ultradźwiękowe do ultradokładnego ogniskowania zespołów optycznych. Stanowi również podstawę mikroskopów z sondami skanującymi, które mogą rozdzielać obrazy w skali atomowej. Dodatkowo przetworniki w elektronicznie wzmacnianych gitarach i wyzwalacze w nowoczesnych perkusjach elektronicznych wykorzystują efekt piezoelektryczny.

Piezoelektryczność znajduje również codzienne zastosowanie w wytwarzaniu iskier do zapalania gazu w urządzeniach do gotowania i ogrzewania, w latarkach, zapalniczkach i nie tylko. Efekt piroelektryczny, w którym materiał generuje potencjał elektryczny w odpowiedzi na zmianę temperatury, był badany przez Carla Linneusza i Franza Aepinusa w połowie XVIII wieku, opierając się na wiedzy Rene Hauya i Antoine'a Cesara Becquerela, którzy postulowali związek między mechanicznym stres i ładunek elektryczny. Eksperymenty mające na celu udowodnienie tego związku okazały się niejednoznaczne.

Widok kryształu piezoelektrycznego w kompensatorze Curie w Hunterian Museum w Szkocji jest demonstracją bezpośredniego efektu piezoelektrycznego przez braci Pierre'a i Jacques'a Curie. Połączenie ich wiedzy na temat piroelektryczności ze zrozumieniem podstawowych struktur krystalicznych dało początek przewidywaniu piroelektryczności, co pozwoliło im przewidzieć zachowanie kryształów, które wykazali w efekcie kryształów, takich jak turmalin, kwarc, topaz, cukier trzcinowy i sól Rochelle . Tetrahydrat winianu sodu i potasu oraz kwarc również wykazywały piezoelektryczność, a dysk piezoelektryczny był używany do generowania napięcia po odkształceniu. Ta zmiana kształtu była znacznie przesadzona w demonstracji Curie, a następnie przewidzieli odwrotny efekt piezoelektryczny. Odwrotny efekt został matematycznie wydedukowany z podstawowych zasad termodynamiki przez Gabriela Lippmanna w 1881 roku.

Państwo Curie natychmiast potwierdzili istnienie efektu odwrotnego i uzyskali ilościowy dowód całkowitej odwracalności elektro-elastyczno-mechanicznych odkształceń w kryształach piezoelektrycznych. W następnych dziesięcioleciach piezoelektryczność pozostawała ciekawostką laboratoryjną, aż stała się istotnym narzędziem w odkryciu polonu i radu przez Pierre'a Marie Curie, który wykorzystał ją do zbadania i zdefiniowania struktur krystalicznych wykazujących piezoelektryczność. Kulminacją tego była publikacja Lehrbuch der Kristallphysik Woldemara Voigta (Podręcznik fizyki kryształów), w której opisano klasy kryształów naturalnych zdolnych do piezoelektryczności i rygorystycznie zdefiniowano stałe piezoelektryczne za pomocą analizy tensorowej.

Doprowadziło to do praktycznego zastosowania urządzeń piezoelektrycznych, takich jak sonar, który został opracowany podczas I wojny światowej. We Francji Paul Langevin i jego współpracownicy opracowali ultradźwiękowy wykrywacz łodzi podwodnych. Detektor ten składał się z przetwornika wykonanego z cienkich kryształków kwarcu starannie przyklejonych do stalowych płytek oraz hydrofonu do wykrywania powracającego echa po wyemitowaniu z przetwornika impulsu o wysokiej częstotliwości. Mierząc czas potrzebny do usłyszenia echa fal dźwiękowych odbijających się od obiektu, mogli obliczyć odległość do obiektu. Wykorzystali piezoelektryczność, aby sonar odniósł sukces, a projekt wywołał intensywny rozwój i zainteresowanie.

Ważne relacje

• Siłowniki piezoelektryczne: Siłowniki piezoelektryczne to urządzenia, które przekształcają energię elektryczną w ruch mechaniczny. Są powszechnie stosowane w robotyce, urządzeniach medycznych i innych zastosowaniach, w których wymagana jest precyzyjna kontrola ruchu.
• Czujniki piezoelektryczne: Czujniki piezoelektryczne służą do pomiaru parametrów fizycznych, takich jak ciśnienie, przyspieszenie i wibracje. Są często wykorzystywane w zastosowaniach przemysłowych i medycznych, a także w elektronice użytkowej.
• Piezoelektryczność w przyrodzie: Piezoelektryczność jest zjawiskiem naturalnie występującym w niektórych materiałach i występuje w wielu żywych organizmach. Jest używany przez niektóre organizmy do wyczuwania otoczenia i komunikowania się z innymi organizmami.

Wnioski

Piezoelektryczność to niesamowite zjawisko, które było wykorzystywane w różnych zastosowaniach, od sonarów po wkładki gramofonowe. Był badany od połowy XIX wieku i był używany z wielkim skutkiem w rozwoju nowoczesnych technologii. W tym wpisie na blogu zbadano historię i zastosowania piezoelektryczności oraz podkreślono znaczenie tego zjawiska w rozwoju nowoczesnych technologii. Dla tych, którzy chcą dowiedzieć się więcej o piezoelektryczności, ten post jest świetnym punktem wyjścia.

Jestem Joost Nusselder, założyciel Neaera i content marketer, tata i uwielbiam wypróbowywać nowy sprzęt z gitarą w sercu mojej pasji, a wraz z moim zespołem tworzę szczegółowe artykuły na blogu od 2020 roku aby pomóc lojalnym czytelnikom z poradami dotyczącymi nagrań i gitar.

Sprawdź mnie na Youtube gdzie wypróbowuję cały ten sprzęt:

Zapisz się!