Пьезоэлектричество — это способность определенных материалов генерировать электричество при механическом воздействии и наоборот. Слово происходит от греческого пьезо, что означает давление и электричество. Впервые он был обнаружен в 1880 году, но концепция известна уже давно.
Наиболее известным примером пьезоэлектричества является кварц, но многие другие материалы также проявляют это явление. Наиболее распространенным применением пьезоэлектричества является производство ультразвука.
В этой статье я расскажу о том, что такое пьезоэлектричество, как оно работает и о многих практических применениях этого удивительного явления.
Что такое пьезоэлектричество?
Пьезоэлектричество — это способность некоторых материалов генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Это линейное электромеханическое взаимодействие между механическим и электрическим состояниями в кристаллических материалах с инверсионной симметрией. Пьезоэлектрические материалы могут использоваться для выработки электричества высокого напряжения, тактовых генераторов, электронных устройств, микровесов, приводов ультразвуковых сопел и оптических сборок со сверхтонкой фокусировкой.
К пьезоэлектрическим материалам относятся кристаллы, определенная керамика, биологические вещества, такие как кости и ДНК, и белки. Когда к пьезоэлектрическому материалу прикладывается сила, он производит электрический заряд. Затем этот заряд можно использовать для питания устройств или создания напряжения.
Пьезоэлектрические материалы используются в различных приложениях, в том числе:
• Производство и обнаружение звука
• Пьезоэлектрическая струйная печать
• Производство электроэнергии высокого напряжения
• Тактовые генераторы
• Электронные устройства
• Микровесы
• Привод ультразвуковых форсунок
• Ультратонко фокусирующие оптические сборки
• Звукосниматели для гитар с электронным усилением
• Триггеры для современных электронных барабанов
• Производство искр для воспламенения газа
• Приборы для приготовления пищи и обогрева
• Фонарики и зажигалки.
Какова история пьезоэлектричества?
Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году французскими физиками Жаком и Пьером Кюри. Это электрический заряд, который накапливается в определенных твердых материалах, таких как кристаллы, керамика и биологические вещества, в ответ на приложенное механическое напряжение. Слово «пьезоэлектричество» происходит от греческого слова «piezein», что означает «сжимать» или «давить», и «электрон», что означает «янтарь», древний источник электрического заряда.
Пьезоэлектрический эффект возникает в результате линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями кристаллических материалов с инверсионной симметрией. Это обратимый процесс, а это означает, что материалы, обладающие пьезоэлектричеством, также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект, который представляет собой внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля.
Совместное знание пироэлектричества Кюри и понимание основных кристаллических структур привело к предсказанию пироэлектричества и способности предсказывать поведение кристаллов. Это было продемонстрировано в действии таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль.
Кюри сразу же подтвердили существование обратного эффекта и получили количественные доказательства полной обратимости электроэластомеханических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах. На протяжении десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторной диковинкой, пока не стало жизненно важным инструментом в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри.
Пьезоэлектричество использовалось во многих полезных приложениях, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать, генерацию электричества высокого напряжения, тактовые генераторы и электронные устройства, микровесы, приводные ультразвуковые сопла, сверхтонкую фокусировку оптических сборок и формы. основа сканирующих зондовых микроскопов для разрешения изображений в масштабе атомов.
Пьезоэлектричество также находит повседневное применение, например, для создания искр для воспламенения газа в кухонных и нагревательных устройствах, факелах, зажигалках и пироэлектрическом эффекте, когда материал генерирует электрический потенциал в ответ на изменение температуры.
При разработке сонара во время Первой мировой войны использовались пьезоэлектрические кристаллы, разработанные Bell Telephone Laboratories. Это позволило ВВС союзников проводить скоординированные массированные атаки с использованием авиационной радиосвязи. Разработка пьезоэлектрических устройств и материалов в Соединенных Штатах удерживала компании в развитии начинаний военного времени в сфере интересов, обеспечивая выгодные патенты на новые материалы.
Япония увидела новые области применения и рост пьезоэлектрической промышленности США и быстро разработала свою собственную. Они быстро обменялись информацией и разработали материалы на основе титаната бария, а затем и титаната цирконата свинца с особыми свойствами для конкретных применений.
Пьезоэлектричество прошло долгий путь с момента его открытия в 1880 году и теперь используется в различных повседневных приложениях. Он также использовался для достижения успехов в исследовании материалов, таких как ультразвуковые рефлектометры с временной областью, которые посылают ультразвуковой импульс через материал для измерения отражений и несплошностей, чтобы найти дефекты внутри литых металлических и каменных объектов, повышая безопасность конструкции.
Как работает пьезоэлектричество
В этом разделе я буду исследовать, как работает пьезоэлектричество. Я рассмотрю накопление электрического заряда в твердых телах, линейное электромеханическое взаимодействие и обратимый процесс, составляющие это явление. Я также буду обсуждать историю пьезоэлектричества и его приложений.
Накопление электрического заряда в твердых телах
Пьезоэлектричество — это электрический заряд, который накапливается в определенных твердых материалах, таких как кристаллы, керамика и биологические вещества, такие как кости и ДНК. Это реакция на приложенное механическое напряжение, и его название происходит от греческих слов «piezein» (сжимать или давить) и «elektron» (янтарь).
Пьезоэлектрический эффект возникает в результате линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями в кристаллических материалах с инверсионной симметрией. Это обратимый процесс, означающий, что материалы, проявляющие пьезоэлектричество, также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект, когда внутреннее механическое напряжение возникает в результате приложенного электрического поля. Примеры материалов, которые генерируют измеримое пьезоэлектричество, включают кристаллы титаната цирконата свинца.
Французские физики Пьер и Жак Кюри открыли пьезоэлектричество в 1880 году. С тех пор оно использовалось для множества полезных применений, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать, производство электричества высокого напряжения, генераторы часов и электронные устройства, такие как микровесы. и приводные ультразвуковые насадки для сверхточной фокусировки оптических сборок. Он также составляет основу сканирующих зондовых микроскопов, которые могут разрешать изображения в масштабе атомов. Пьезоэлектричество также используется в звукоснимателях для гитар с электронным усилением и триггерах для современных электронных барабанов.
Пьезоэлектричество находит повседневное применение для создания искр для воспламенения газа, в устройствах для приготовления пищи и отопления, фонариках, зажигалках и пироэлектрическом эффекте, когда материал генерирует электрический потенциал в ответ на изменение температуры. Это изучали Карл Линней и Франц Эпинус в середине 18 века, опираясь на знания Рене Гаюи и Антуана Сезара Беккереля, которые установили связь между механическим напряжением и электрическим зарядом. Эксперименты оказались безрезультатными.
Вид пьезокристалла в компенсаторе Кюри в Хантерианском музее в Шотландии является демонстрацией прямого пьезоэлектрического эффекта. Братья Пьер и Жак Кюри объединили свои знания о пироэлектричестве с пониманием основных кристаллических структур, что привело к предсказанию пироэлектричества. Они смогли предсказать поведение кристаллов и продемонстрировали эффект на таких кристаллах, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль. Тетрагидрат тартрата натрия-калия и кварц также проявляли пьезоэлектричество. Пьезоэлектрический диск генерирует напряжение при деформации, и изменение формы сильно преувеличено в демонстрации Кюри.
Они смогли предсказать обратный пьезоэлектрический эффект, и обратный эффект был математически выведен Габриэлем Липпманом в 1881 году. Кюри немедленно подтвердили существование обратного эффекта и получили количественные доказательства полной обратимости электроэласто- механические деформации в пьезоэлектрических кристаллах.
На протяжении десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторной диковинкой, но оно сыграло жизненно важную роль в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри. Их работа по исследованию и определению кристаллических структур, проявляющих пьезоэлектричество, завершилась публикацией Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник кристаллофизики) Вольдемара Фойгта, в котором описаны классы природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определены пьезоэлектрические константы посредством тензорного анализа. Это было практическое применение пьезоэлектрических устройств, а сонар был разработан во время Первой мировой войны. Во Франции Поль Ланжевен и его сотрудники разработали ультразвуковой детектор подводных лодок.
Детектор состоял из преобразователь из тонких кристаллов кварца, тщательно приклеенных к стальным пластинам, и гидрофона для обнаружения отраженного эха. Излучая высокий частота импульс от преобразователя и измерение времени, необходимого для того, чтобы услышать эхо звуковых волн, отражающихся от объекта, они смогли рассчитать расстояние до объекта. Они использовали пьезоэлектричество, чтобы сделать гидролокатор успешным, и проект вызвал интенсивное развитие и интерес к пьезоэлектрическим устройствам. На протяжении десятилетий были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые приложения для этих материалов, а пьезоэлектрические устройства нашли применение в самых разных областях. Керамические картриджи для фонографов упростили конструкцию проигрывателя и сделали дешевые и точные проигрыватели, которые были дешевле в обслуживании и проще в сборке.
Разработка ультразвуковых преобразователей позволила легко измерять вязкость и эластичность жидкостей и твердых тел, что привело к огромному прогрессу в исследовании материалов.
Линейное электромеханическое взаимодействие
Пьезоэлектричество — это способность некоторых материалов генерировать электрический заряд при механическом воздействии. Слово происходит от греческих слов πιέζειν (piezein), означающих «сжимать или давить», и ἤλεκτρον (ēlektron), означающих «янтарь», который был древним источником электрического заряда.
Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году французскими физиками Жаком и Пьером Кюри. Он основан на линейном электромеханическом взаимодействии механического и электрического состояний кристаллических материалов с инверсионной симметрией. Этот эффект является обратимым, а это означает, что материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект, при котором внутреннее механическое напряжение возникает в результате приложенного электрического поля. Примеры материалов, которые генерируют измеримое пьезоэлектричество при деформации из своей статической структуры, включают кристаллы титаната цирконата свинца. И наоборот, кристаллы могут изменять свои статические размеры при приложении внешнего электрического поля, что известно как обратный пьезоэлектрический эффект и используется для производства ультразвуковых волн.
Пьезоэлектричество использовалось для множества полезных приложений, таких как:
• Производство и обнаружение звука
• Пьезоэлектрическая струйная печать
• Производство электроэнергии высокого напряжения
• Тактовый генератор
• Электронные устройства
• Микровесы
• Привод ультразвуковых форсунок
• Ультратонко фокусирующие оптические сборки
• Формирует основу сканирующих зондовых микроскопов для разрешения изображений в масштабе атомов.
• Звукосниматели в гитарах с электронным усилением
• Триггеры в современных электронных барабанах
• Генерация искр для воспламенения газа в кухонных и нагревательных устройствах.
• Фонарики и зажигалки
Пьезоэлектричество также находит повседневное применение в пироэлектрическом эффекте, который представляет собой материал, генерирующий электрический потенциал в ответ на изменение температуры. Это изучали Карл Линней и Франц Эпинус в середине 18 века, опираясь на знания Рене Гаюи и Антуана Сезара Беккереля, которые установили связь между механическим напряжением и электрическим зарядом. Однако эксперименты оказались безрезультатными.
Рассмотрение пьезокристалла в компенсаторе Кюри в Хантерианском музее в Шотландии является демонстрацией прямого пьезоэлектрического эффекта. Это была работа братьев Пьера и Жака Кюри, которые исследовали и определили кристаллические структуры, демонстрирующие пьезоэлектричество, кульминацией которых стала публикация Lehrbuch der Kristallphysik Вольдемара Фойгта (Учебник кристаллофизики). В нем описаны классы природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определены пьезоэлектрические константы с помощью тензорного анализа, что привело к практическому применению пьезоэлектрических устройств.
Сонар был разработан во время Первой мировой войны, когда француз Поль Ланжевен и его коллеги разработали ультразвуковой детектор подводных лодок. Этот детектор состоял из преобразователя, сделанного из тонких кристаллов кварца, тщательно приклеенных к стальным пластинам, и гидрофона для обнаружения отраженного эха после испускания высокочастотного импульса преобразователем. Измеряя время, необходимое для того, чтобы услышать эхо звуковых волн, отражающихся от объекта, они смогли рассчитать расстояние до объекта, используя пьезоэлектричество. Успех этого проекта привел к интенсивному развитию и интересу к пьезоэлектрическим устройствам на протяжении десятилетий, при этом исследуются и разрабатываются новые пьезоэлектрические материалы и новые приложения для этих материалов. Пьезоэлектрические устройства нашли применение во многих областях, таких как керамические картриджи для фонографов, которые упростили конструкцию проигрывателя и сделали его более дешевым и точным, а также более дешевым и простым в изготовлении и обслуживании.
Разработка ультразвуковых преобразователей позволила легко измерять вязкость и эластичность жидкостей и твердых тел, что привело к огромному прогрессу в исследовании материалов. Ультразвуковые рефлектометры во временной области посылают ультразвуковой импульс в материал и измеряют отражения и несплошности, чтобы найти дефекты внутри литых металлических и каменных объектов, повышая надежность конструкции. После Второй мировой войны независимые исследовательские группы в США, России и Японии открыли новый класс синтетических материалов, называемых сегнетоэлектриками, пьезоэлектрические константы которых во много раз превышают природные материалы. Это привело к интенсивным исследованиям по разработке титаната бария, а затем и титаната цирконата свинца, материалов с особыми свойствами для конкретных применений.
Важный пример использования пьезоэлектрических кристаллов был разработан Bell Telephone Laboratories после Второй мировой войны. Фредерик Р. Лэк, работающий в инженерном отделе радиотелефонии,
Обратимый процесс
Пьезоэлектричество — это электрический заряд, который накапливается в определенных твердых материалах, таких как кристаллы, керамика и биологические вещества, такие как кости и ДНК. Это реакция этих материалов на приложенное механическое напряжение. Слово «пьезоэлектричество» происходит от греческих слов «piezein», означающих «сжимать» или «давить», и «elektron», означающих «янтарь», древний источник электрического заряда.
Пьезоэлектрический эффект возникает в результате линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями кристаллических материалов с инверсионной симметрией. Это обратимый процесс, а это означает, что материалы, обладающие пьезоэлектричеством, также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект, который представляет собой внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля. Примеры материалов, которые генерируют измеримое пьезоэлектричество, включают кристаллы титаната цирконата свинца. Когда статическая структура этих кристаллов деформируется, они возвращаются к своим первоначальным размерам, и, наоборот, при приложении внешнего электрического поля они изменяют свои статические размеры, производя ультразвуковые волны.
Французские физики Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектричество в 1880 году. С тех пор оно использовалось для множества полезных применений, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать, производство электричества высокого напряжения, генераторы часов, электронные устройства, микровесы, приводные ультразвуковые сопла и сверхтонко фокусирующие оптические сборки. Он также служит основой для сканирующих зондовых микроскопов, которые могут разрешать изображения в масштабе атомов. Пьезоэлектричество также используется в звукоснимателях для гитар с электронным усилением и триггерах для современных электронных барабанов.
Пьезоэлектричество также находит повседневное применение, например, для создания искр для воспламенения газа в кухонных и нагревательных устройствах, горелках, зажигалках и т. д. Пироэлектрический эффект, при котором материал генерирует электрический потенциал в ответ на изменение температуры, изучался Карлом Линнеем, Францем Эпинусом и Рене Гаюи в середине 18 века, опираясь на знания о янтаре. Антуан Сезар Беккерель установил связь между механическим напряжением и электрическим зарядом, но эксперименты оказались безрезультатными.
Посетители Хантерианского музея в Глазго могут увидеть пьезокристаллический компенсатор Кюри, демонстрацию прямого пьезоэлектрического эффекта братьев Пьера и Жака Кюри. Сочетание их знаний о пироэлектричестве с пониманием лежащих в основе кристаллических структур привело к предсказанию пироэлектричества и способности предсказывать поведение кристаллов. Это было продемонстрировано действием таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль. Тетрагидрат тартрата натрия и калия и кварц также проявляли пьезоэлектричество, а пьезоэлектрический диск использовался для создания напряжения при деформации. Это изменение формы было сильно преувеличено Кюри, чтобы предсказать обратный пьезоэлектрический эффект. Обратный эффект был математически выведен из фундаментальных термодинамических принципов Габриэлем Липпманом в 1881 году.
Кюри сразу же подтвердили существование обратного эффекта и получили количественные доказательства полной обратимости электроэластомеханических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах. На протяжении десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторной диковинкой, но оно сыграло жизненно важную роль в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри. Их работа по исследованию и определению кристаллических структур, демонстрирующих пьезоэлектричество, увенчалась публикацией Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник кристаллофизики) Вольдемара Фойгта. В нем описаны классы природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определены пьезоэлектрические константы с использованием тензорного анализа.
Практическое применение пьезоэлектрических устройств, таких как гидролокатор, получило развитие во время Первой мировой войны. Во Франции Поль Ланжевен и его сотрудники разработали ультразвуковой детектор подводных лодок. Этот детектор состоял из преобразователя из тонких кристаллов кварца, тщательно приклеенных к стальным пластинам, и гидрофона для обнаружения отраженного эха. Излучая высокочастотный импульс преобразователя и измеряя время, необходимое для того, чтобы услышать эхо звуковых волн, отражающихся от объекта, они смогли рассчитать расстояние до объекта. Они использовали пьезоэлектричество, чтобы сделать этот сонар успешным. Этот проект вызвал интенсивное развитие и интерес к пьезоэлектрическим устройствам, и на протяжении десятилетий были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые приложения для этих материалов. Пьезоэлектрические устройства
Что вызывает пьезоэлектричество?
В этом разделе я буду исследовать происхождение пьезоэлектричества и различные материалы, демонстрирующие это явление. Я рассмотрю греческое слово «piezein», древний источник электрического заряда и эффект пироэлектричества. Я также буду обсуждать открытия Пьера и Жака Кюри и разработку пьезоэлектрических устройств в 20 веке.
Греческое слово Piezein
Пьезоэлектричество — это накопление электрического заряда в определенных твердых материалах, таких как кристаллы, керамика и биологические вещества, такие как кости и ДНК. Это вызвано реакцией этих материалов на приложенное механическое напряжение. Слово «пьезоэлектричество» происходит от греческого слова «piezein», что означает «сжимать или давить», и «ēlektron», что означает «янтарь», древний источник электрического заряда.
Пьезоэлектрический эффект возникает в результате линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями кристаллических материалов с инверсионной симметрией. Это обратимый процесс, означающий, что материалы, проявляющие пьезоэлектричество, также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект, который представляет собой внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля. Например, кристаллы цирконата-титаната свинца генерируют измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется по сравнению с ее первоначальным размером. И наоборот, кристаллы могут изменять свои статические размеры при приложении внешнего электрического поля, что известно как обратный пьезоэлектрический эффект и представляет собой производство ультразвуковых волн.
Французские физики Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектричество в 1880 году. Пьезоэлектрический эффект использовался во многих полезных приложениях, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать, производство электричества высокого напряжения, генераторы часов и электронные устройства, такие как микровесы. , приводные ультразвуковые сопла и сверхтонко фокусирующие оптические сборки. Он также составляет основу сканирующих зондовых микроскопов, которые могут разрешать изображения в масштабе атомов. Пьезоэлектричество также используется в звукоснимателях для гитар с электронным усилением и триггерах для современных электронных барабанов.
Пьезоэлектричество находит повседневное применение, например, для создания искр для воспламенения газа в кухонных и нагревательных устройствах, горелках, зажигалках и т. д. Пироэлектрический эффект, который представляет собой генерацию электрического потенциала в ответ на изменение температуры, изучался Карлом Линнеем и Францем Эпинусом в середине 18 века, опираясь на знания Рене Гаюи и Антуана Сезара Беккереля, которые установили связь между механическое воздействие и электрический заряд. Эксперименты оказались безрезультатными.
В музее в Шотландии посетители могут увидеть пьезокристаллический компенсатор Кюри, демонстрацию прямого пьезоэлектрического эффекта братьев Пьера и Жака Кюри. Сочетание их знаний о пироэлектричестве с пониманием лежащих в основе кристаллических структур привело к предсказанию пироэлектричества и способности предсказывать поведение кристаллов. Это было продемонстрировано действием таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль. Тетрагидрат тартрата натрия-калия и кварц из сегнетовой соли проявляют пьезоэлектричество, а пьезоэлектрический диск генерирует напряжение при деформации. Это изменение формы сильно преувеличено в демонстрации Кюри.
Кюри получили количественные доказательства полной обратимости электроэластомеханических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах. На протяжении десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторной диковинкой, пока не стало жизненно важным инструментом в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри. Их работа по исследованию и определению кристаллических структур, демонстрирующих пьезоэлектричество, увенчалась публикацией Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник кристаллофизики) Вольдемара Фойгта. Это описало классы природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определило пьезоэлектрические константы с помощью тензорного анализа.
Это практическое применение пьезоэлектричества привело к развитию сонара во время Первой мировой войны. Во Франции Поль Ланжевен и его сотрудники разработали ультразвуковой детектор подводных лодок. Детектор состоял из преобразователя, сделанного из тонких кристаллов кварца, тщательно приклеенных к стальным пластинам, называемого гидрофоном, для обнаружения отраженного эха после испускания высокочастотного импульса. Преобразователь измерял время, необходимое для того, чтобы услышать эхо звуковых волн, отражающихся от объекта, чтобы рассчитать расстояние до объекта. Использование пьезоэлектричества в гидролокаторе имело успех, и проект вызвал интенсивное развитие и интерес к пьезоэлектрическим устройствам на десятилетия.
Были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые приложения для этих материалов, и пьезоэлектрические устройства нашли применение во многих областях, таких как керамические картриджи для фонографов, которые упростили конструкцию проигрывателя и сделали более дешевые и точные проигрыватели, которые были дешевле в обслуживании и проще. строить. Развитие
Древний источник электрического заряда
Пьезоэлектричество — это электрический заряд, который накапливается в определенных твердых материалах, таких как кристаллы, керамика и биологические вещества, такие как кости и ДНК. Это вызвано реакцией материала на приложенное механическое воздействие. Слово «пьезоэлектричество» происходит от греческого слова «piezein», что означает «сжимать или давить», и слова «электрон», что означает «янтарь», древний источник электрического заряда.
Пьезоэлектрический эффект возникает в результате линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями кристаллических материалов с инверсионной симметрией. Это обратимый процесс, означающий, что материалы, проявляющие пьезоэлектричество, также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект, который представляет собой внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля. Например, кристаллы цирконата-титаната свинца генерируют измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется по сравнению с ее первоначальным размером. И наоборот, при приложении внешнего электрического поля кристаллы изменяют свои статические размеры в результате обратного пьезоэлектрического эффекта, создавая ультразвуковые волны.
Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 году французскими физиками Жаком и Пьером Кюри. Он используется для множества полезных приложений, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать, генерацию электричества высокого напряжения, тактовые генераторы и электронные устройства, такие как микровесы и приводные ультразвуковые сопла для сверхточной фокусировки оптических сборок. Он также служит основой для сканирующих зондовых микроскопов, которые используются для разрешения изображений в масштабе атомов. Пьезоэлектричество также используется в звукоснимателях для гитар с электронным усилением и триггерах для современных электронных барабанов.
Пьезоэлектричество находит повседневное применение для создания искр для воспламенения газа в кухонных и нагревательных устройствах, факелах, зажигалках и т. д. Пироэлектрический эффект, то есть производство электрического потенциала в ответ на изменение температуры, изучался Карлом Линнеем и Францем Эпинусом в середине 18 века, опираясь на знания Рене Гаюи и Антуана Сезара Беккереля, которые постулировали взаимосвязь между механическим стресс и электрический заряд. Однако их эксперименты оказались безрезультатными.
Вид пьезокристалла и компенсатора Кюри в Хантерианском музее в Шотландии демонстрирует прямой пьезоэлектрический эффект. Это была работа братьев Пьера и Жака Кюри, которые исследовали и определили кристаллические структуры, демонстрирующие пьезоэлектричество, кульминацией которых стала публикация Lehrbuch der Kristallphysik Вольдемара Фойгта (Учебник кристаллофизики). В нем описаны классы природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определены пьезоэлектрические константы с помощью тензорного анализа, что позволяет использовать пьезоэлектрические устройства на практике.
Сонар был разработан во время Первой мировой войны французом Полем Ланжевеном и его коллегами, которые разработали ультразвуковой детектор подводных лодок. Детектор состоял из преобразователя из тонких кристаллов кварца, тщательно приклеенных к стальным пластинам, и гидрофона для обнаружения отраженного эха. Испуская высокочастотный импульс от преобразователя и измеряя время, необходимое для того, чтобы услышать эхо звуковых волн, отражающихся от объекта, они смогли рассчитать расстояние до объекта. Они использовали пьезоэлектричество, чтобы сделать этот сонар успешным. Проект вызывал интенсивное развитие и интерес к пьезоэлектрическим устройствам на протяжении десятилетий.
Пироэлектричество
Пьезоэлектричество — это способность некоторых материалов накапливать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Это линейное электромеханическое взаимодействие между механическим и электрическим состояниями кристаллических материалов с инверсионной симметрией. Слово «пьезоэлектричество» происходит от греческого слова «piezein», что означает «сжимать или давить», и греческого слова «elektron», что означает «янтарь», древний источник электрического заряда.
Пьезоэлектрический эффект был открыт французскими физиками Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. Это обратимый процесс, а это означает, что материалы, демонстрирующие пьезоэлектрический эффект, также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект, который представляет собой внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля. Примеры материалов, которые генерируют измеримое пьезоэлектричество, включают кристаллы титаната цирконата свинца. Когда статическая структура деформируется, она возвращается к своим первоначальным размерам. И наоборот, при приложении внешнего электрического поля возникает обратный пьезоэлектрический эффект, приводящий к возникновению ультразвуковых волн.
Пьезоэлектрический эффект используется во многих полезных приложениях, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать, генерацию электричества высокого напряжения, тактовые генераторы и электронные устройства, такие как микровесы, приводные ультразвуковые сопла и оптические сборки со сверхтонкой фокусировкой. Это также основа для сканирующих зондовых микроскопов, которые используются для разрешения изображений в масштабе атомов. Пьезоэлектричество также используется в звукоснимателях для гитар с электронным усилением и триггерах для современных электронных барабанов.
Пьезоэлектричество находит повседневное применение, например, для создания искр для воспламенения газа в кухонных и нагревательных устройствах, горелках, зажигалках и т. д. Пироэлектрический эффект, представляющий собой образование электрического потенциала в ответ на изменение температуры, был изучен Карлом Линнеем и Францем Эпинусом в середине 18 века, опираясь на знания Рене Гаюи и Антуана Сезара Беккереля, которые постулировали взаимосвязь между механическим напряжением и электрическим зарядом. Однако эксперименты оказались безрезультатными.
Вид пьезокристалла в Музее компенсаторов Кюри в Шотландии является демонстрацией прямого пьезоэлектрического эффекта. Братья Пьер и Жак Кюри объединили свои знания о пироэлектричестве и понимание основных кристаллических структур, чтобы дать начало пониманию пироэлектричества и предсказать поведение кристаллов. Это было продемонстрировано в действии таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль. Было обнаружено, что тетрагидрат тартрата натрия-калия и кварц проявляют пьезоэлектричество, а пьезоэлектрический диск использовался для создания напряжения при деформации. Это было сильно преувеличено Кюри, чтобы предсказать обратный пьезоэлектрический эффект. Обратный эффект был математически выведен из фундаментальных термодинамических принципов Габриэлем Липпманом в 1881 году.
Кюри сразу же подтвердили существование обратного эффекта и получили количественные доказательства полной обратимости электроэластомеханических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах. В последующие десятилетия пьезоэлектричество оставалось лабораторной редкостью, пока не стало жизненно важным инструментом в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри. Их работа по исследованию и определению кристаллических структур, демонстрирующих пьезоэлектричество, увенчалась публикацией Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник кристаллофизики) Вольдемара Фойгта.
Разработка сонара увенчалась успехом, и проект вызвал интенсивное развитие и интерес к пьезоэлектрическим устройствам. В последующие десятилетия были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые приложения для этих материалов. Пьезоэлектрические устройства нашли применение во многих областях, таких как керамические картриджи для фонографов, которые упростили конструкцию проигрывателя и сделали более дешевые и точные проигрыватели, которые были дешевле в обслуживании и проще в сборке. Разработка ультразвуковых преобразователей позволила легко измерять вязкость и эластичность жидкостей и твердых тел, что привело к огромному прогрессу в исследованиях материалов. Ультразвуковые рефлектометры во временной области посылают ультразвуковой импульс в материал и измеряют отражения и несплошности, чтобы найти дефекты внутри литых металлических и каменных объектов, повышая надежность конструкции.
После Второй мировой войны независимые исследовательские группы в Соединенных Штатах, России и Японии открыли новый класс синтетических материалов, названных сегнетоэлектриками.
Пьезоэлектрические материалы
В этом разделе я буду обсуждать материалы, демонстрирующие пьезоэлектрический эффект, то есть способность определенных материалов накапливать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Я буду изучать кристаллы, керамику, биологические вещества, кости, ДНК и белки, а также то, как все они реагируют на пьезоэлектрический эффект.
Кристаллы
Пьезоэлектричество — это способность некоторых материалов накапливать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Слово пьезоэлектричество происходит от греческих слов πιέζειν (piezein), означающих «сжимать» или «давить», и ἤλεκτρον (электрон), означающих «янтарь», древний источник электрического заряда. К пьезоэлектрическим материалам относятся кристаллы, керамика, биологические вещества, кости, ДНК и белки.
Пьезоэлектричество представляет собой линейное электромеханическое взаимодействие между механическим и электрическим состояниями в кристаллических материалах с инверсионной симметрией. Этот эффект является обратимым, то есть материалы, обладающие пьезоэлектричеством, также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект, который представляет собой внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля. Примеры материалов, генерирующих поддающееся измерению пьезоэлектричество, включают кристаллы цирконата-титаната свинца, которые могут деформироваться до исходного размера или, наоборот, изменять свои статические размеры при приложении внешнего электрического поля. Это явление известно как обратный пьезоэлектрический эффект и используется для создания ультразвуковых волн.
Французские физики Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектричество в 1880 году. Пьезоэлектрический эффект использовался для множества полезных приложений, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать, генерацию электричества высокого напряжения, генераторы часов и электронные устройства, такие как в качестве микровесов, приводов ультразвуковых сопел и оптических сборок сверхтонкой фокусировки. Он также служит основой для сканирующих зондовых микроскопов, которые используются для разрешения изображений в масштабе атомов. Пьезоэлектрические звукосниматели также используются в гитарах с электронным усилением и триггерах в современных электронных барабанах.
Пьезоэлектричество находит повседневное применение для создания искр для воспламенения газа в кухонных и нагревательных устройствах, а также в факелах и зажигалках. Пироэлектрический эффект, представляющий собой генерацию электрического потенциала в ответ на изменение температуры, был изучен Карлом Линнеем и Францем Эпинусом в середине 18 века, опираясь на знания Рене Гаюи и Антуана Сезара Беккереля, которые установили связь между механическим стресс и электрический заряд. Эксперименты, подтверждающие эту теорию, оказались безрезультатными.
Вид пьезокристалла в компенсаторе Кюри в Хантерианском музее в Шотландии является демонстрацией прямого пьезоэлектрического эффекта. Братья Пьер и Жак Кюри объединили свои знания о пироэлектричестве с пониманием основных кристаллических структур, чтобы дать начало предсказанию пироэлектричества. Они смогли предсказать поведение кристаллов и продемонстрировали эффект на таких кристаллах, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль. Тетрагидрат тартрата натрия-калия и кварц также проявляли пьезоэлектричество. Пьезоэлектрический диск генерирует напряжение при деформации; изменение формы сильно преувеличено в демонстрации Кюри.
Они также смогли предсказать обратный пьезоэлектрический эффект и математически вывести лежащие в его основе фундаментальные термодинамические принципы. Габриэль Липпман сделал это в 1881 году. Кюри сразу же подтвердили существование обратного эффекта и получили количественные доказательства полной обратимости электроэластомеханических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах.
На протяжении десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторной диковинкой, но оно сыграло жизненно важную роль в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри. Их работа по исследованию и определению кристаллических структур, демонстрирующих пьезоэлектричество, завершилась публикацией Lehrbuch der Kristallphysik (Учебника физики кристаллов) Вольдемара Фойгта, в котором описаны классы природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определены пьезоэлектрические константы с помощью тензорный анализ.
Практическое применение пьезоэлектрических устройств в гидролокации получило развитие во время Первой мировой войны. Во Франции Поль Ланжевен и его сотрудники разработали ультразвуковой детектор подводных лодок. Этот детектор состоял из преобразователя, сделанного из тонких кристаллов кварца, тщательно приклеенных к стальным пластинам, называемого гидрофоном, для обнаружения отраженного эха после испускания высокочастотного импульса. Измерив время, необходимое для того, чтобы услышать эхо звуковых волн, отражающихся от объекта, они смогли рассчитать расстояние до объекта. Это использование пьезоэлектричества в гидролокаторе было успешным, и проект вызвал интенсивное развитие и интерес к пьезоэлектрическим устройствам на протяжении десятилетий.
Керамический гранулированный песок для гидроразрыва
Пьезоэлектрические материалы представляют собой твердые тела, которые накапливают электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Пьезоэлектричество происходит от греческих слов πιέζειν (piezein), означающих «сжимать» или «давить», и ἤλεκτρον (ēlektron), означающих «янтарь», древний источник электрического заряда. Пьезоэлектрические материалы используются в различных приложениях, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать и производство электричества высокого напряжения.
Пьезоэлектрические материалы встречаются в кристаллах, керамике, биологических веществах, костях, ДНК и белках. Керамика является наиболее распространенным пьезоэлектрическим материалом, используемым в повседневных приложениях. Керамика изготавливается из комбинации оксидов металлов, таких как цирконат-титанат свинца (PZT), которые нагреваются до высоких температур для образования твердого вещества. Керамика очень прочная и может выдерживать экстремальные температуры и давления.
Пьезоэлектрическая керамика имеет множество применений, в том числе:
• Генерация искр для воспламенения газа для приготовления пищи и нагревательных приборов, таких как горелки и зажигалки.
• Генерация ультразвуковых волн для медицинской визуализации.
• Производство электроэнергии высокого напряжения для генераторов часов и электронных устройств.
• Создание микровесов для точного взвешивания.
• Приводные ультразвуковые насадки для сверхточной фокусировки оптических сборок.
• Формирование основы для сканирующих зондовых микроскопов, которые могут разрешать изображения в масштабе атомов.
• Звукосниматели для гитар с электронным усилением и триггеры для современных электронных барабанов.
Пьезоэлектрическая керамика используется в самых разных областях, от бытовой электроники до медицинской визуализации. Они очень прочны и могут выдерживать экстремальные температуры и давление, что делает их идеальными для использования в различных отраслях промышленности.
Биологическая материя
Пьезоэлектричество — это способность некоторых материалов накапливать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Оно происходит от греческого слова «piezein», что означает «сжимать или давить», и «elektron», что означает «янтарь», древний источник электрического заряда.
Биологические вещества, такие как кости, ДНК и белки, относятся к материалам, проявляющим пьезоэлектричество. Этот эффект является обратимым, а это означает, что материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект, который представляет собой внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля. Примеры этих материалов включают кристаллы цирконата-титаната свинца, которые генерируют измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется по сравнению с ее первоначальным размером. И наоборот, когда прикладывается внешнее электрическое поле, кристаллы изменяют свои статические размеры, производя ультразвуковые волны за счет обратного пьезоэлектрического эффекта.
Открытие пьезоэлектричества было сделано французскими физиками Жаком и Пьером Кюри в 1880 году. С тех пор оно использовалось для множества полезных приложений, таких как:
• Производство и обнаружение звука
• Пьезоэлектрическая струйная печать
• Производство электроэнергии высокого напряжения
• Тактовый генератор
• Электронные устройства
• Микровесы
• Привод ультразвуковых форсунок
• Ультратонко фокусирующие оптические сборки
• Лежит в основе сканирующих зондовых микроскопов
• Разрешение изображений в масштабе атомов
• Звукосниматели в гитарах с электронным усилением
• Триггеры в современных электронных барабанах
Пьезоэлектричество также используется в предметах повседневного обихода, таких как газовые плиты и нагревательные приборы, фонарики, зажигалки и многое другое. Пироэлектрический эффект, который представляет собой производство электрического потенциала в ответ на изменение температуры, изучался Карлом Линнеем и Францем Эпинусом в середине 18 века. Опираясь на знания Рене Гаюи и Антуана Сезара Беккереля, они установили связь между механическим напряжением и электрическим зарядом, но их эксперименты оказались безрезультатными.
Вид пьезокристалла в компенсаторе Кюри в Хантерианском музее в Шотландии является демонстрацией прямого пьезоэлектрического эффекта. Братья Пьер и Жак Кюри объединили свои знания о пироэлектричестве и свое понимание лежащих в основе кристаллических структур, чтобы дать начало предсказанию пироэлектричества и предсказанию поведения кристалла. Это было продемонстрировано действием таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль. Тетрагидрат тартрата натрия и калия и кварц также проявляли пьезоэлектричество, а пьезоэлектрический диск использовался для создания напряжения при деформации. Этот эффект был сильно преувеличен Кюри, чтобы предсказать обратный пьезоэлектрический эффект. Обратный эффект был математически выведен из фундаментальных термодинамических принципов Габриэлем Липпманом в 1881 году.
Кюри сразу же подтвердили существование обратного эффекта и получили количественные доказательства полной обратимости электроэластомеханических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах. На протяжении десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторной диковинкой, пока не стало жизненно важным инструментом в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри. Их работа по исследованию и определению кристаллических структур, демонстрирующих пьезоэлектричество, увенчалась публикацией «Lehrbuch der Kristallphysik» Вольдемара Фойгта (Учебник кристаллофизики).
Bone
Пьезоэлектричество — это способность некоторых материалов накапливать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Кость является одним из таких материалов, демонстрирующих это явление.
Кость — это тип биологического вещества, состоящего из белков и минералов, включая коллаген, кальций и фосфор. Это самый пьезоэлектрический из всех биологических материалов, способный генерировать напряжение при механическом воздействии.
Пьезоэлектрический эффект в кости является результатом ее уникальной структуры. Он состоит из сети коллагеновых волокон, встроенных в матрицу минералов. Когда кость подвергается механическому воздействию, коллагеновые волокна двигаются, в результате чего минералы поляризуются и генерируют электрический заряд.
Пьезоэлектрический эффект в костях имеет ряд практических применений. Он используется в медицинской визуализации, такой как ультразвуковая и рентгеновская визуализация, для обнаружения переломов костей и других аномалий. Он также используется в слуховых аппаратах с костной проводимостью, которые используют пьезоэлектрический эффект для преобразования звуковых волн в электрические сигналы, которые отправляются непосредственно во внутреннее ухо.
Пьезоэлектрический эффект в костях также используется в ортопедических имплантатах, таких как искусственные суставы и протезы конечностей. Имплантаты используют пьезоэлектрический эффект для преобразования механической энергии в электрическую, которая затем используется для питания устройства.
Кроме того, исследуется пьезоэлектрический эффект в костях для использования в разработке новых методов лечения. Например, исследователи изучают использование пьезоэлектричества для стимуляции роста костей и восстановления поврежденных тканей.
В целом, пьезоэлектрический эффект в костях — увлекательное явление с широким спектром практических применений. Он используется в различных медицинских и технологических приложениях и изучается для использования в разработке новых методов лечения.
ДНК
Пьезоэлектричество — это способность некоторых материалов накапливать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. ДНК является одним из таких материалов, проявляющих этот эффект. ДНК — это биологическая молекула, обнаруженная во всех живых организмах и состоящая из четырех нуклеотидных оснований: аденина (А), гуанина (G), цитозина (С) и тимина (Т).
ДНК представляет собой сложную молекулу, которая может использоваться для создания электрического заряда при механическом воздействии. Это связано с тем, что молекулы ДНК состоят из двух нитей нуклеотидов, которые удерживаются вместе водородными связями. Когда эти связи разрываются, генерируется электрический заряд.
Пьезоэлектрический эффект ДНК использовался в различных приложениях, в том числе:
• Производство электроэнергии для медицинских имплантатов
• Обнаружение и измерение механических сил в ячейках
• Разработка наноразмерных датчиков
• Создание биосенсоров для секвенирования ДНК
• Генерация ультразвуковых волн для визуализации
Пьезоэлектрический эффект ДНК также исследуется для его потенциального использования в разработке новых материалов, таких как нанопроволоки и нанотрубки. Эти материалы могут быть использованы для различных приложений, включая накопление энергии и датчики.
Пьезоэлектрический эффект ДНК был тщательно изучен, и было обнаружено, что он очень чувствителен к механическим воздействиям. Это делает его ценным инструментом для исследователей и инженеров, которые стремятся разрабатывать новые материалы и технологии.
В заключение, ДНК представляет собой материал, проявляющий пьезоэлектрический эффект, то есть способность накапливать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Этот эффект использовался в различных приложениях, включая медицинские имплантаты, наноразмерные датчики и секвенирование ДНК. Его также изучают на предмет его потенциального использования в разработке новых материалов, таких как нанопроволоки и нанотрубки.
Белки
Пьезоэлектричество — это способность некоторых материалов накапливать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Пьезоэлектрические материалы, такие как белки, кристаллы, керамика и биологические вещества, такие как кости и ДНК, проявляют этот эффект. Белки, в частности, представляют собой уникальный пьезоэлектрический материал, так как состоят из сложной структуры аминокислот, которые могут деформироваться для создания электрического заряда.
Белки являются наиболее распространенным типом пьезоэлектрического материала, и они встречаются в различных формах. Их можно найти в виде ферментов, гормонов и антител, а также в виде структурных белков, таких как коллаген и кератин. Белки также встречаются в виде мышечных белков, которые отвечают за сокращение и расслабление мышц.
Пьезоэлектрический эффект белков обусловлен тем, что они состоят из аминокислот сложной структуры. Когда эти аминокислоты деформируются, они генерируют электрический заряд. Затем этот электрический заряд можно использовать для питания различных устройств, таких как датчики и приводы.
Белки также используются в различных медицинских целях. Например, они используются для определения наличия в организме определенных белков, что может быть использовано для диагностики заболеваний. Они также используются для обнаружения присутствия определенных бактерий и вирусов, которые можно использовать для диагностики инфекций.
Белки также используются в различных промышленных целях. Например, они используются для создания датчиков и исполнительных механизмов для различных промышленных процессов. Они также используются для создания материалов, которые можно использовать при строительстве самолетов и других транспортных средств.
В заключение, белки представляют собой уникальный пьезоэлектрический материал, который можно использовать в различных приложениях. Они состоят из аминокислот сложной структуры, которые могут деформироваться для создания электрического заряда, и используются в различных медицинских и промышленных целях.
Сбор энергии с помощью пьезоэлектричества
В этом разделе я буду обсуждать, как пьезоэлектричество можно использовать для сбора энергии. Я рассмотрю различные применения пьезоэлектричества, от пьезоэлектрической струйной печати до тактовых генераторов и микровесов. Я также буду изучать историю пьезоэлектричества, от его открытия Пьером Кюри до его использования во Второй мировой войне. Наконец, я буду обсуждать текущее состояние пьезоэлектрической промышленности и потенциал для дальнейшего роста.
Пьезоэлектрическая струйная печать
Пьезоэлектричество — это способность некоторых материалов генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Слово «пьезоэлектричество» происходит от греческих слов «piezein» (сжимать или давить) и «elektron» (янтарь), древнего источника электрического заряда. Пьезоэлектрические материалы, такие как кристаллы, керамика и биологические вещества, такие как кости и ДНК, используются в самых разных областях.
Пьезоэлектричество используется для выработки электричества высокого напряжения, в качестве тактового генератора, в электронных устройствах и в микровесах. Он также используется для привода ультразвуковых сопел и оптических сборок сверхтонкой фокусировки. Пьезоэлектрическая струйная печать является популярным применением этой технологии. Это тип печати, в котором используются пьезоэлектрические кристаллы для создания высокочастотной вибрации, которая используется для выброса капель чернил на страницу.
Открытие пьезоэлектричества относится к 1880 году, когда французские физики Жак и Пьер Кюри открыли этот эффект. С тех пор пьезоэлектрический эффект использовался для множества полезных приложений. Пьезоэлектричество используется в предметах повседневного обихода, таких как газовые плиты и нагревательные приборы, фонарики, зажигалки, звукосниматели в гитарах с электронным усилением и триггеры в современных электронных барабанах.
Пьезоэлектричество также используется в научных исследованиях. Это основа для сканирующих зондовых микроскопов, которые используются для разрешения изображений в масштабе атомов. Он также используется в ультразвуковых рефлектометрах с временной областью, которые посылают ультразвуковые импульсы в материал и измеряют отражения для обнаружения несплошностей и дефектов внутри литых металлических и каменных объектов.
Разработка пьезоэлектрических устройств и материалов была обусловлена необходимостью повышения производительности и упрощения производственных процессов. В Соединенных Штатах разработка кристаллов кварца для коммерческого использования стала основным фактором роста пьезоэлектрической промышленности. Напротив, японские производители смогли быстро обмениваться информацией и разрабатывать новые приложения, что привело к быстрому росту на японском рынке.
Пьезоэлектричество произвело революцию в том, как мы используем энергию, от предметов повседневного обихода, таких как зажигалки, до передовых научных исследований. Это универсальная технология, которая позволила нам исследовать и разрабатывать новые материалы и приложения, и она останется важной частью нашей жизни на долгие годы.
Генерация электроэнергии высокого напряжения
Пьезоэлектричество — это способность некоторых твердых материалов накапливать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Слово «пьезоэлектричество» происходит от греческих слов «piezein», означающих «сжимать» или «давить», и «elektron», означающих «янтарь», древний источник электрического заряда. Пьезоэлектричество представляет собой линейное электромеханическое взаимодействие между механическим и электрическим состояниями в кристаллических материалах с инверсионной симметрией.
Пьезоэлектрический эффект — обратимый процесс; материалы, проявляющие пьезоэлектричество, также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект, внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля. Например, кристаллы цирконата-титаната свинца генерируют измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется по сравнению с ее первоначальным размером. И наоборот, кристаллы могут изменять свои статические размеры при приложении внешнего электрического поля, явление, известное как обратный пьезоэлектрический эффект, который используется при производстве ультразвуковых волн.
Пьезоэлектрический эффект используется в различных приложениях, в том числе для производства электроэнергии высокого напряжения. Пьезоэлектрические материалы используются в производстве и регистрации звука, в пьезоэлектрической струйной печати, в тактовых генераторах, в электронных устройствах, в микровесах, в приводах ультразвуковых сопел, в сверхтонко фокусирующих оптических сборках.
Пьезоэлектричество также используется в повседневных приложениях, таких как генерирование искр для воспламенения газа в кухонных и нагревательных устройствах, в фонариках, зажигалках и материалах с пироэлектрическим эффектом, которые генерируют электрический потенциал в ответ на изменение температуры. Этот эффект изучали Карл Линней и Франц Эпинус в середине 18 века, опираясь на знания Рене Гаюи и Антуана Сезара Беккереля, которые установили связь между механическим напряжением и электрическим зарядом, хотя их эксперименты оказались безрезультатными.
Объединение знаний о пироэлектричестве и понимании лежащих в его основе кристаллических структур привело к предсказанию пироэлектричества и способности предсказывать поведение кристаллов. Это было продемонстрировано действием таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль. Тетрагидрат тартрата натрия-калия и кварц также проявляли пьезоэлектричество, и пьезоэлектрический диск использовался для создания напряжения при деформации. Это было сильно преувеличено в демонстрации Кюри прямого пьезоэлектрического эффекта.
Братья Пьер и Жак Кюри получили количественное доказательство полной обратимости электроэластомеханических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах. На протяжении десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторной диковинкой, но оно сыграло жизненно важную роль в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри. Их работа по исследованию и определению кристаллических структур, демонстрирующих пьезоэлектричество, завершилась публикацией Lehrbuch der Kristallphysik (Учебника физики кристаллов) Вольдемара Фойгта, в котором описаны классы природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определены пьезоэлектрические константы с помощью тензорный анализ.
Практическое применение пьезоэлектрических устройств началось с разработки сонара во время Первой мировой войны. Во Франции Поль Ланжевен и его сотрудники разработали ультразвуковой детектор подводных лодок. Детектор состоял из преобразователя из тонких кристаллов кварца, тщательно приклеенных к стальным пластинам, и гидрофона для обнаружения отраженного эха. Излучая высокочастотный импульс преобразователя и измеряя время, необходимое для того, чтобы услышать эхо звуковых волн, отражающихся от объекта, они смогли рассчитать расстояние до объекта. Они использовали пьезоэлектричество, чтобы сделать гидролокатор успешным, и проект вызвал интенсивное развитие и интерес к пьезоэлектрическим устройствам в последующие десятилетия.
Были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые приложения для этих материалов. Пьезоэлектрические устройства нашли применение в самых разных областях, таких как керамические картриджи для фонографов, которые упростили конструкцию проигрывателя и сделали более дешевые и точные проигрыватели, которые были дешевле в обслуживании и проще в сборке. Разработка ультразвуковых преобразователей позволила легко измерять вязкость и эластичность жидкостей и твердых тел, что привело к огромному прогрессу в исследовании материалов. Ультразвуковые рефлектометры во временной области посылают ультразвуковой импульс в материал и измеряют отражения и несплошности, чтобы найти дефекты внутри литых металлических и каменных объектов, повышая надежность конструкции.
Во время Второй мировой войны независимые исследовательские группы в Соединенных Штатах, России и Японии открыли новый класс синтетических материалов, названных ферментами.
Тактовый генератор
Пьезоэлектричество — это способность некоторых материалов накапливать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Это явление было использовано для создания ряда полезных приложений, включая генераторы тактовых импульсов. Тактовые генераторы — это устройства, которые используют пьезоэлектричество для генерации электрических сигналов с точной синхронизацией.
Тактовые генераторы используются в различных приложениях, таких как компьютеры, телекоммуникации и автомобильные системы. Они также используются в медицинских устройствах, таких как кардиостимуляторы, для обеспечения точной синхронизации электрических сигналов. Тактовые генераторы также используются в промышленной автоматизации и робототехнике, где важна точная синхронизация.
Пьезоэлектрический эффект основан на линейном электромеханическом взаимодействии между механическим и электрическим состояниями в кристаллических материалах с инверсионной симметрией. Этот эффект является обратимым, а это означает, что материалы, проявляющие пьезоэлектричество, также могут создавать механическую деформацию при приложении электрического поля. Это явление известно как обратный пьезоэлектрический эффект и используется для получения ультразвуковых волн.
Тактовые генераторы используют этот обратный пьезоэлектрический эффект для генерации электрических сигналов с точной синхронизацией. Пьезоэлектрический материал деформируется электрическим полем, что заставляет его вибрировать с определенной частотой. Затем эта вибрация преобразуется в электрический сигнал, который используется для генерации точного синхронизирующего сигнала.
Тактовые генераторы используются в различных приложениях, от медицинских устройств до промышленной автоматизации. Они надежны, точны и просты в использовании, что делает их популярным выбором для многих приложений. Пьезоэлектричество — важная часть современной технологии, а генераторы тактовых импульсов — лишь одно из многих применений этого явления.
Электронные устройства
Пьезоэлектричество — это способность некоторых твердых материалов накапливать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Это явление, известное как пьезоэлектрический эффект, используется в различных электронных устройствах, от звукоснимателей в гитарах с электронным усилением до триггеров в современных электронных барабанах.
Пьезоэлектричество происходит от греческих слов πιέζειν (piezein), означающих «сжимать» или «давить», и ἤλεκτρον (ēlektron), означающих «янтарь», древний источник электрического заряда. Пьезоэлектрические материалы представляют собой кристаллы, керамику и биологические вещества, такие как кости и белки ДНК, которые проявляют пьезоэлектрический эффект.
Пьезоэлектрический эффект представляет собой линейное электромеханическое взаимодействие между механическим и электрическим состояниями в кристаллических материалах с инверсионной симметрией. Это обратимый процесс, означающий, что материалы, проявляющие пьезоэлектрический эффект, также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект, который представляет собой внутреннее механическое напряжение, возникающее в результате приложенного электрического поля. Например, кристаллы цирконата-титаната свинца генерируют измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется по сравнению с ее первоначальным размером. И наоборот, кристаллы могут изменять свои статические размеры при приложении внешнего электрического поля, явление, известное как обратный пьезоэлектрический эффект, который используется при производстве ультразвуковых волн.
Открытие пьезоэлектричества приписывают французским физикам Пьеру и Жаку Кюри, которые продемонстрировали прямой пьезоэлектрический эффект в 1880 году. Их совместное знание пироэлектричества и понимание лежащих в его основе кристаллических структур привело к предсказанию пироэлектрического эффекта и способности предсказывать поведение кристаллов было продемонстрировано при воздействии таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль.
Пьезоэлектричество использовалось в различных повседневных приложениях, таких как генерирование искр для воспламенения газа в кухонных и нагревательных устройствах, фонариках, зажигалках и материалах с пироэлектрическим эффектом, которые генерируют электрический потенциал в ответ на изменение температуры. Это изучали Карл Линней и Франц Эпинус в середине 18 века, опираясь на знания Рене Гаюи и Антуана Сезара Беккереля, которые установили связь между механическим напряжением и электрическим зарядом. Однако эксперименты оказались безрезультатными, пока вид пьезокристалла в музее компенсатора Кюри в Шотландии не продемонстрировал прямой пьезоэлектрический эффект братьев Кюри.
Пьезоэлектричество используется в различных электронных устройствах, от звукоснимателей в гитарах с электронным усилением до триггеров в современных электронных барабанах. Он также используется в производстве и обнаружении звука, пьезоэлектрической струйной печати, генерации электричества высокого напряжения, тактовых генераторах, микровесах, приводных ультразвуковых соплах и оптических сборках со сверхточной фокусировкой. Пьезоэлектричество также является основой для сканирующих зондовых микроскопов, которые используются для разрешения изображений в масштабе атомов.
микробалансов
Пьезоэлектричество — это способность некоторых твердых материалов накапливать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Пьезоэлектричество происходит от греческих слов πιέζειν (piezein), что означает «сжимать» или «давить», и ἤλεκτρον (электрон), что означает «янтарь», древний источник электрического заряда.
Пьезоэлектричество используется в различных повседневных приложениях, таких как генерирование искр для воспламенения газа для приготовления пищи и нагревательных устройств, факелов, зажигалок и многого другого. Он также используется для производства и обнаружения звука и в пьезоэлектрической струйной печати.
Пьезоэлектричество также используется для выработки электроэнергии высокого напряжения и является основой часовых генераторов и электронных устройств, таких как микровесы. Пьезоэлектричество также используется для привода ультразвуковых сопел и оптических сборок со сверхтонкой фокусировкой.
Открытие пьезоэлектричества приписывают французским физикам Жаку и Пьеру Кюри в 1880 году. Братья Кюри объединили свои знания о пироэлектричестве и понимание основных кристаллических структур, чтобы породить концепцию пьезоэлектричества. Они смогли предсказать поведение кристаллов и продемонстрировали эффект на таких кристаллах, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль.
Пьезоэлектрический эффект использовался для полезных приложений, включая производство и обнаружение звука. Разработка сонара во время Первой мировой войны стала крупным прорывом в использовании пьезоэлектричества. После Второй мировой войны независимые исследовательские группы в Соединенных Штатах, России и Японии открыли новый класс синтетических материалов, называемых сегнетоэлектриками, пьезоэлектрические константы которых в десять раз выше, чем у природных материалов.
Это привело к интенсивным исследованиям и разработкам материалов из титаната бария, а затем из титаната цирконата свинца, которые обладали особыми свойствами для конкретных применений. Важный пример использования пьезоэлектрических кристаллов был разработан в Bell Telephone Laboratories после Второй мировой войны.
Фредерик Р. Лак, работавший в инженерном отделе радиотелефонии, разработал ограненный кристалл, который работал в широком диапазоне температур. Кристалл Лака не нуждался в тяжелых аксессуарах предыдущих кристаллов, что облегчало его использование в самолетах. Эта разработка позволила ВВС союзников проводить скоординированные массированные атаки с использованием авиационной радиосвязи.
Разработка пьезоэлектрических устройств и материалов в Соединенных Штатах поддерживала работу нескольких компаний, а разработка кристаллов кварца использовалась в коммерческих целях. С тех пор пьезоэлектрические материалы используются в самых разных областях, включая медицинскую визуализацию, ультразвуковую очистку и многое другое.
Привод ультразвуковой насадки
Пьезоэлектричество — это электрический заряд, который накапливается в определенных твердых материалах, таких как кристаллы, керамика и биологические вещества, такие как кости и ДНК. Это реакция на приложенное механическое напряжение, происходящее от греческих слов «piezein», что означает «сжимать» или «давить», и «электрон», что означает «янтарь», древний источник электрического заряда.
Пьезоэлектрический эффект представляет собой линейное электромеханическое взаимодействие между механическим и электрическим состояниями кристаллических материалов с инверсионной симметрией. Это обратимый процесс, то есть материалы, демонстрирующие пьезоэлектрический эффект, также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект, который представляет собой внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля. Примером этого являются кристаллы титаната цирконата свинца, которые генерируют измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется по сравнению с ее первоначальным размером. И наоборот, когда приложено внешнее электрическое поле, кристаллы изменяют свои статические размеры, что приводит к обратному пьезоэлектрическому эффекту, который представляет собой производство ультразвуковых волн.
Французские физики Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектричество в 1880 году, и с тех пор оно использовалось для множества полезных приложений, включая производство и обнаружение звука. Пьезоэлектричество также находит повседневное применение, например, для создания искр для воспламенения газа в кухонных и нагревательных устройствах, горелках, зажигалках и т. д.
Пироэлектрический эффект, который представляет собой материал, генерирующий электрический потенциал в ответ на изменение температуры, изучался Карлом Линнеем, Францем Эпинусом, а в середине 18 века он опирался на знания Рене Гаюи и Антуана Сезара Беккереля, которые постулировали взаимосвязь между механическим напряжением и электрический заряд. Эксперименты, чтобы доказать это, были безрезультатными.
Вид пьезокристалла в компенсаторе Кюри в Музее Хантера в Шотландии является демонстрацией прямого пьезоэлектрического эффекта братьями Пьером и Жаком Кюри. Сочетание их знаний о пироэлектричестве и понимания лежащих в основе кристаллических структур привело к предсказанию пироэлектричества и позволило им предсказать поведение кристаллов. Это было продемонстрировано действием таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль. Тетрагидрат тартрата натрия и калия и кварц также проявляли пьезоэлектричество, а пьезоэлектрический диск использовался для создания напряжения при деформации. Это было сильно преувеличено Кюри, чтобы предсказать обратный пьезоэлектрический эффект, который был математически выведен из фундаментальных термодинамических принципов Габриэлем Липпманом в 1881 году.
Кюри сразу же подтвердили существование обратного эффекта и получили количественные доказательства полной обратимости электроэластомеханических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах. В течение десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторной диковинкой, но было жизненно важным инструментом в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри в их работе по исследованию и определению кристаллических структур, проявляющих пьезоэлектричество. Кульминацией этого стала публикация Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по физике кристаллов) Вольдемара Фойгта, в котором описаны классы природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определены пьезоэлектрические константы с помощью тензорного анализа.
Практическое применение пьезоэлектрических устройств началось с гидролокатора, который был разработан во время Первой мировой войны. Во Франции Поль Ланжевен с сотрудниками разработал ультразвуковой детектор подводных лодок. Детектор состоял из преобразователя, сделанного из тонких кристаллов кварца, тщательно приклеенных к стальным пластинам, называемого гидрофоном, для обнаружения отраженного эха после испускания высокочастотного импульса. Измеряя время, необходимое для того, чтобы услышать эхо звуковых волн, отражающихся от объекта, они могли рассчитать расстояние до объекта. Это использование пьезоэлектричества в гидролокаторе имело успех, и проект вызвал интенсивное развитие и интерес к пьезоэлектрическим устройствам на десятилетия.
Были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые приложения для этих материалов, а пьезоэлектрические устройства нашли применение в таких областях, как керамические картриджи для фонографов, которые упростили конструкцию проигрывателя и сделали более дешевые и точные проигрыватели, которые были дешевле в обслуживании и проще в сборке. . Разработка ультразвуковых преобразователей позволила легко измерять вязкость и эластичность жидкостей и твердых тел, что привело к огромному прогрессу в исследовании материалов. Ультразвуковые рефлектометры во временной области посылают ультразвуковой импульс через материал и измеряют отражения и неоднородности, чтобы найти дефекты внутри литых металлических и каменных объектов.
Оптические сборки сверхтонкой фокусировки
Пьезоэлектричество — это способность некоторых материалов накапливать электрический заряд при механическом воздействии. Это линейное электромеханическое взаимодействие между электрическим и механическим состояниями кристаллических материалов с инверсионной симметрией. Пьезоэлектричество является обратимым процессом, то есть материалы, проявляющие пьезоэлектричество, также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект, который представляет собой внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля.
Пьезоэлектричество использовалось в различных приложениях, включая производство и обнаружение звука, а также производство электричества высокого напряжения. Пьезоэлектричество также используется в струйной печати, тактовых генераторах, электронных устройствах, микровесах, приводах ультразвуковых сопел и сверхтонких фокусирующих оптических узлах.
Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году французскими физиками Жаком и Пьером Кюри. Пьезоэлектрический эффект используется в полезных приложениях, таких как производство и обнаружение звука, а также генерация электричества высокого напряжения. Применяется также пьезоэлектрическая струйная печать, тактовые генераторы, электронные устройства, микровесы, приводные ультразвуковые сопла, сверхтонко фокусирующие оптические сборки.
Пьезоэлектричество нашло применение в повседневном использовании, например, для создания искр для воспламенения газа для приготовления пищи и нагревательных приборов, фонариков, зажигалок и материалов с пироэлектрическим эффектом, которые генерируют электрический потенциал в ответ на изменение температуры. Этот эффект изучали Карл Линней и Франц Эпинус в середине 18 века, опираясь на знания Рене Гаюи и Антуана Сезара Беккереля, которые установили связь между механическим напряжением и электрическим зарядом. Эксперименты оказались безрезультатными.
Вид пьезокристалла в компенсаторе Кюри в Музее Хантера в Шотландии является демонстрацией прямого пьезоэлектрического эффекта братьями Пьером и Жаком Кюри. В сочетании с их знаниями о пироэлектричестве и их пониманием лежащих в основе кристаллических структур они привели к предсказанию пироэлектричества и способности предсказывать поведение кристаллов. Это было продемонстрировано в действии таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль.
Тетрагидрат тартрата натрия и калия, а также кварц и сегнетовая соль проявляли пьезоэлектричество, и пьезоэлектрический диск использовался для создания напряжения при деформации, хотя изменение формы было сильно преувеличено. Кюри предсказал обратный пьезоэлектрический эффект, а обратный эффект был математически выведен из фундаментальных термодинамических принципов Габриэлем Липпманом в 1881 году. Кюри немедленно подтвердили существование обратного эффекта и получили количественные доказательства полной обратимости электро- упруго-механические деформации в пьезоэлектрических кристаллах.
На протяжении десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторной диковинкой, пока не стало жизненно важным инструментом в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри. Их работа по исследованию и определению кристаллических структур, демонстрирующих пьезоэлектричество, увенчалась публикацией Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник кристаллофизики) Вольдемара Фойгта. В нем описаны классы природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определены пьезоэлектрические константы с использованием тензорного анализа для практического применения пьезоэлектрических устройств.
Разработка сонара была успешным проектом, вызвавшим интенсивное развитие и интерес к пьезоэлектрическим устройствам. Спустя десятилетия были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые приложения для этих материалов. Пьезоэлектрические устройства нашли применение в самых разных областях, таких как керамические картриджи для фонографов, которые упростили конструкцию проигрывателей и сделали проигрыватели более дешевыми и простыми в обслуживании и сборке. Разработка ультразвуковых преобразователей позволила легко измерять вязкость и эластичность жидкостей и твердых тел, что привело к огромному прогрессу в исследованиях материалов. Ультразвуковые рефлектометры во временной области посылают ультразвуковой импульс в материал и измеряют отражения и несплошности, чтобы найти дефекты внутри литых металлических и каменных объектов, повышая надежность конструкции.
Начало области интересов пьезоэлектричества было обеспечено выгодными патентами на новые материалы, разработанные из кристаллов кварца, которые использовались в коммерческих целях в качестве пьезоэлектрического материала. Ученые искали материалы с более высокими характеристиками, и, несмотря на достижения в области материалов и усовершенствование производственных процессов, рынок Соединенных Штатов не рос быстро. Напротив, японские производители быстро обменивались информацией, и новые приложения для роста в пьезоэлектрической промышленности США пострадали, в отличие от японских производителей.
Пьезоэлектрические двигатели
В этом разделе я расскажу о том, как пьезоэлектричество используется в современной технике. От сканирующих зондовых микроскопов, которые могут разрешать изображения в масштабе атомов, до звукоснимателей для гитар с электронным усилением и триггеров для современных электронных барабанов, пьезоэлектричество стало неотъемлемой частью многих устройств. Я расскажу об истории пьезоэлектричества и о том, как его использовали в различных приложениях.
Формы основы сканирующих зондовых микроскопов
Пьезоэлектричество — это электрический заряд, который накапливается в определенных твердых материалах, таких как кристаллы, керамика и биологические вещества, такие как кости и ДНК. Это реакция на приложенное механическое напряжение, и слово пьезоэлектричество происходит от греческого слова πιέζειν (piezein), означающего «сжимать» или «нажимать», и ἤλεκτρον (ēlektron), означающего «янтарь», древний источник электрического заряда.
Пьезоэлектрические двигатели — это устройства, использующие пьезоэлектрический эффект для создания движения. Этот эффект представляет собой линейное электромеханическое взаимодействие между механическим и электрическим состояниями в кристаллических материалах с инверсионной симметрией. Это обратимый процесс, означающий, что материалы, проявляющие пьезоэлектрический эффект, также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект, который представляет собой внутреннее механическое напряжение, возникающее в результате приложенного электрического поля. Примерами материалов, которые генерируют измеримое пьезоэлектричество, являются кристаллы титаната цирконата свинца.
Пьезоэлектрический эффект используется в полезных приложениях, таких как производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическая струйная печать, генерация электричества высокого напряжения, тактовые генераторы и электронные устройства, такие как микровесы и приводные ультразвуковые сопла для оптических сборок со сверхточной фокусировкой. Он также лежит в основе сканирующих зондовых микроскопов, которые используются для разрешения изображений в масштабе атомов.
Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году французскими физиками Жаком и Пьером Кюри. Вид пьезокристалла и компенсатора Кюри можно увидеть в Музее Хантера в Шотландии, который представляет собой демонстрацию прямого пьезоэлектрического эффекта братьев Пьера и Жака Кюри.
Сочетание их знаний о пироэлектричестве и их понимания лежащих в основе кристаллических структур привело к предсказанию пироэлектричества, что позволило им предсказать поведение кристалла. Это было продемонстрировано действием таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль. Тетрагидрат тартрата натрия и калия, а также кварц и сегнетовая соль проявляли пьезоэлектричество, и пьезоэлектрический диск использовался для создания напряжения при деформации, хотя это было сильно преувеличено Кюри.
Они также предсказали обратный пьезоэлектрический эффект, который был математически выведен из фундаментальных термодинамических принципов Габриэлем Липпманом в 1881 году. Кюри немедленно подтвердили существование обратного эффекта и получили количественные доказательства полной обратимости электроэласто- механические деформации в пьезоэлектрических кристаллах.
На протяжении десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторной диковинкой, пока не стало жизненно важным инструментом в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри. Их работа по исследованию и определению кристаллических структур, демонстрирующих пьезоэлектричество, завершилась публикацией Lehrbuch der Kristallphysik (Учебника физики кристаллов) Вольдемара Фойгта, в котором описаны классы природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определены пьезоэлектрические константы и тензорный анализ.
Это привело к практическому применению пьезоэлектрических устройств, таких как гидролокатор, который был разработан во время Первой мировой войны. Во Франции Поль Ланжевен и его сотрудники разработали ультразвуковой детектор подводных лодок. Этот детектор состоял из преобразователя, сделанного из тонких кристаллов кварца, тщательно приклеенных к стальным пластинам, и гидрофона для обнаружения отраженного эха после испускания высокочастотного импульса преобразователем. Измерив время, необходимое для того, чтобы услышать эхо звуковых волн, отражающихся от объекта, они смогли рассчитать расстояние до объекта. Они использовали пьезоэлектричество, чтобы сделать этот эхолот успешным, и проект вызвал интенсивное развитие и интерес к пьезоэлектрическим устройствам на десятилетия.
Были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые приложения для этих материалов, и пьезоэлектрические устройства нашли применение во многих областях, таких как керамические картриджи для фонографов, которые упростили конструкцию проигрывателя и сделали более дешевые и точные проигрыватели, которые были дешевле в обслуживании и проще. строить. Разработка ультразвуковых преобразователей позволила легко измерять вязкость и эластичность жидкостей и твердых тел, что привело к огромному прогрессу в исследовании материалов. Ультразвуковые рефлектометры во временной области посылают ультразвуковой импульс в материал и измеряют отражения и несплошности, чтобы найти дефекты внутри литых металлических и каменных объектов, повышая надежность конструкции.
Во время Второй мировой войны независимые исследовательские группы в США
Разрешить изображения в масштабе атомов
Пьезоэлектричество — это электрический заряд, который накапливается в определенных твердых материалах, таких как кристаллы, керамика и биологические вещества, такие как кости и ДНК. Это реакция на приложенное механическое напряжение, происходящее от греческого слова «piezein», что означает сжимать или давить. Пьезоэлектрический эффект возникает в результате линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями в кристаллических материалах с инверсионной симметрией.
Пьезоэлектричество является обратимым процессом, и материалы, демонстрирующие пьезоэлектрический эффект, также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект, который представляет собой внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля. Примеры этого включают кристаллы титаната цирконата свинца, которые генерируют измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется по сравнению с ее первоначальным размером. И наоборот, кристаллы изменяют свои статические размеры при приложении внешнего электрического поля, что известно как обратный пьезоэлектрический эффект и используется для производства ультразвуковых волн.
Французские физики Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектричество в 1880 году. Пьезоэлектрический эффект использовался для множества полезных приложений, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать, генерацию электричества высокого напряжения, генераторы часов и электронные устройства, такие как микровесы и привод ультразвуковых форсунок. Он также лежит в основе сканирующих зондовых микроскопов, которые используются для разрешения изображений в масштабе атомов.
Пьезоэлектричество также используется в повседневных приложениях, таких как создание искр для воспламенения газа в кухонных и нагревательных устройствах, горелках, зажигалках и т. д. Пироэлектрический эффект, который представляет собой материал, генерирующий электрический потенциал в ответ на изменение температуры, изучался Карлом Линнеем и Францем Эпинусом в середине 18 века. Опираясь на знания Рене Гаюи и Антуана Сезара Беккереля, они установили связь между механическим напряжением и электрическим зарядом, но их эксперименты оказались безрезультатными.
Посетители Hunterian Museum в Глазго могут увидеть пьезокристаллический компенсатор Кюри, демонстрацию прямого пьезоэлектрического эффекта братьев Пьера и Жака Кюри. В сочетании с их знаниями о пироэлектричестве и пониманием лежащих в основе кристаллических структур они привели к предсказанию пироэлектричества и способности предсказывать поведение кристаллов. Это было продемонстрировано действием таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль. Тетрагидрат тартрата натрия и калия, а также кварц и сегнетовая соль проявляли пьезоэлектричество, а пьезоэлектрический диск генерирует напряжение при деформации, хотя изменение формы сильно преувеличено. Кюри смогли предсказать обратный пьезоэлектрический эффект, и обратный эффект был математически выведен из фундаментальных термодинамических принципов Габриэлем Липпманом в 1881 году.
Кюри сразу же подтвердили существование обратного эффекта и получили количественные доказательства полной обратимости электроэластомеханических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах. На протяжении десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторной диковинкой, но оно сыграло жизненно важную роль в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри. Их работа по исследованию и определению кристаллических структур, проявляющих пьезоэлектричество, завершилась публикацией Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник кристаллофизики) Вольдемара Фойгта.
Звукосниматели Гитары с электронным усилением
Пьезоэлектрические двигатели — это электрические двигатели, которые используют пьезоэлектрический эффект для преобразования электрической энергии в механическую. Пьезоэлектрический эффект — это способность некоторых материалов генерировать электрический заряд при механическом воздействии. Пьезоэлектрические двигатели используются в различных приложениях, от питания небольших устройств, таких как часы и часы, до питания более крупных машин, таких как роботы и медицинское оборудование.
Пьезоэлектрические двигатели используются в звукоснимателях гитар с электронным усилением. Эти звукосниматели используют пьезоэлектрический эффект для преобразования вибрации гитарных струн в электрический сигнал. Затем этот сигнал усиливается и отправляется на усилитель, который воспроизводит звук гитары. Пьезоэлектрические звукосниматели также используются в современных электронных барабанах, где они используются для обнаружения вибраций пластиков барабанов и преобразования их в электрический сигнал.
Пьезоэлектрические двигатели также используются в сканирующих зондовых микроскопах, которые используют пьезоэлектрический эффект для перемещения крошечного зонда по поверхности. Это позволяет микроскопу разрешать изображения в масштабе атомов. Пьезоэлектрические двигатели также используются в струйных принтерах, где они используются для перемещения печатающей головки вперед и назад по странице.
Пьезоэлектрические двигатели используются во множестве других приложений, включая медицинские устройства, автомобильные компоненты и бытовую электронику. Они также используются в промышленности, например, при производстве прецизионных деталей и при сборке сложных компонентов. Пьезоэлектрический эффект также используется в производстве ультразвуковых волн, которые используются в медицинской визуализации и для обнаружения дефектов материалов.
В целом, пьезоэлектрические двигатели используются в широком спектре приложений, от питания небольших устройств до питания более крупных машин. Они используются в звукоснимателях, гитарах с электронным усилением, современных электронных барабанах, сканирующих зондовых микроскопах, струйных принтерах, медицинских устройствах, автомобильных компонентах и бытовой электронике. Пьезоэлектрический эффект также используется для получения ультразвуковых волн и обнаружения дефектов в материалах.
Триггеры Современные электронные барабаны
Пьезоэлектричество — это электрический заряд, который накапливается в определенных твердых материалах, таких как кристаллы, керамика и биологические вещества, такие как кости и ДНК. Это реакция этих материалов на приложенное механическое напряжение. Слово пьезоэлектричество происходит от греческого слова «piezein», что означает «сжимать или давить», и слова «электрон», что означает «янтарь», древний источник электрического заряда.
Пьезоэлектрические двигатели — это устройства, использующие пьезоэлектрический эффект для создания движения. Этот эффект является результатом линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями кристаллических материалов с инверсионной симметрией. Это обратимый процесс, то есть материалы, демонстрирующие пьезоэлектрический эффект, также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект, который представляет собой внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля. Примером этого являются кристаллы титаната цирконата свинца, которые генерируют измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется по сравнению с ее первоначальным размером. И наоборот, когда прикладывается внешнее электрическое поле, кристаллы изменяют свои статические размеры, создавая ультразвуковые волны.
Пьезоэлектрические двигатели используются в различных повседневных приложениях, таких как:
• Генерация искр для воспламенения газа в кухонных и нагревательных устройствах.
• Факелы, зажигалки и материалы с пироэлектрическим эффектом.
• Генерация электрического потенциала в ответ на изменение температуры
• Производство и обнаружение звука
• Пьезоэлектрическая струйная печать
• Производство электроэнергии высокого напряжения
• Тактовый генератор и электронные устройства
• Микровесы
• Управление ультразвуковыми соплами и оптическими узлами сверхточной фокусировки.
• Лежит в основе сканирующих зондовых микроскопов
• Разрешение изображений в масштабе атомов
• Звукосниматели для гитар с электронным усилением
• Запускает современные электронные барабаны.
Электромеханическое моделирование пьезоэлектрических преобразователей
В этом разделе я буду изучать электромеханическое моделирование пьезоэлектрических преобразователей. Я рассмотрю историю открытия пьезоэлектричества, эксперименты, доказавшие его существование, и разработку пьезоэлектрических устройств и материалов. Я также буду обсуждать вклад французских физиков Пьера и Жака Кюри, Карла Линнея и Франца Эпина, Рене Гауи и Антуана Сезара Беккереля, Габриэля Липпмана и Вольдемара Фойгта.
Французские физики Пьер и Жак Кюри
Пьезоэлектричество — это электромеханическое явление, при котором электрический заряд накапливается в определенных твердых материалах, таких как кристаллы, керамика и биологические вещества, такие как кости и ДНК. Этот заряд генерируется в ответ на приложенное механическое напряжение. Слово «пьезоэлектричество» происходит от греческого слова «piezein», что означает «сжимать или давить», и «электрон», что означает «янтарь», древний источник электрического заряда.
Пьезоэлектрический эффект возникает в результате линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями в материалах с инверсионной симметрией. Этот эффект является обратимым, а это означает, что материалы, демонстрирующие пьезоэлектрический эффект, также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект, когда внутреннее генерирование механической деформации возникает в ответ на приложенное электрическое поле. Например, кристаллы цирконата-титаната свинца генерируют измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется по сравнению с ее первоначальным размером. И наоборот, когда прикладывается внешнее электрическое поле, кристаллы изменяют свои статические размеры, создавая ультразвуковые волны в процессе, известном как обратный пьезоэлектрический эффект.
В 1880 году французские физики Пьер и Жак Кюри открыли пьезоэлектрический эффект, и с тех пор он использовался для множества полезных приложений, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать, генерацию электричества высокого напряжения, генераторы часов и электронные устройства. такие устройства, как микровесы и приводные ультразвуковые насадки для сверхтонкой фокусировки оптических сборок. Он также служит основой для сканирующих зондовых микроскопов, которые могут разрешать изображения в масштабе атомов. Пьезоэлектричество также используется в звукоснимателях для гитар с электронным усилением и триггерах для современных электронных барабанов.
Пьезоэлектричество также находит повседневное применение, например, для создания искр для воспламенения газа в кухонных и нагревательных устройствах, горелках, зажигалках и т. д. Пироэлектрический эффект, когда материал генерирует электрический потенциал в ответ на изменение температуры, был изучен Карлом Линнеем и Францем Эпинусом в середине 18 века, опираясь на знания Рене Ои и Антуана Сезара Беккереля, которые установили связь между механическое напряжение и электрический заряд, хотя их эксперименты оказались безрезультатными.
Объединив свои знания о пироэлектричестве с пониманием лежащих в основе кристаллических структур, Кюри смогли дать начало предсказанию пироэлектричества и предсказать поведение кристаллов. Это было продемонстрировано в действии таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль. Тетрагидрат тартрата натрия-калия и кварц также проявляли пьезоэлектричество. Пьезоэлектрический диск генерирует напряжение при деформации, хотя это сильно преувеличено в демонстрации Кюри. Они также смогли предсказать обратный пьезоэлектрический эффект и математически вывести его из фундаментальных термодинамических принципов Габриэля Липпмана в 1881 году.
Кюри сразу же подтвердили существование обратного эффекта и получили количественные доказательства полной обратимости электроэластомеханических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах. В последующие десятилетия пьезоэлектричество оставалось лабораторной редкостью, пока не стало жизненно важным инструментом в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри. Их работа по исследованию и определению кристаллических структур, демонстрирующих пьезоэлектричество, увенчалась публикацией «Lehrbuch der Kristallphysik» Вольдемара Фойгта (Учебник кристаллофизики).
Эксперименты оказались безрезультатными
Пьезоэлектричество — это электромеханическое явление, при котором электрический заряд накапливается в определенных твердых материалах, таких как кристаллы, керамика и биологические вещества, такие как кости и ДНК. Это реакция на приложенное механическое напряжение, и слово «пьезоэлектричество» происходит от греческих слов «piezein», что означает «сжимать или давить», и «elektron», что означает «янтарь», древний источник электрического заряда.
Пьезоэлектрический эффект возникает в результате линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями кристаллических материалов с инверсионной симметрией. Это обратимый процесс; материалы, проявляющие пьезоэлектрический эффект, также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект, который представляет собой внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля. Например, кристаллы цирконата-титаната свинца генерируют измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется по сравнению с ее первоначальным размером. И наоборот, кристаллы могут изменять свои статические размеры при приложении внешнего электрического поля, известном как обратный пьезоэлектрический эффект, который используется при производстве ультразвуковых волн.
Французские физики Пьер и Жак Кюри открыли пьезоэлектричество в 1880 году. С тех пор оно использовалось для множества полезных применений, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать, производство электричества высокого напряжения, генераторы часов и электронные устройства, такие как микровесы. , приводные ультразвуковые сопла и сверхтонко фокусирующие оптические сборки. Он также составляет основу сканирующих зондовых микроскопов, которые могут разрешать изображения в масштабе атомов. Пьезоэлектричество также используется в звукоснимателях для гитар с электронным усилением и триггерах для современных электронных барабанов.
Пьезоэлектричество находит повседневное применение для создания искр для воспламенения газа в кухонных и нагревательных устройствах, факелах, зажигалках и т. д. Пироэлектрический эффект, при котором материал генерирует электрический потенциал в ответ на изменение температуры, был изучен Карлом Линнеем и Францем Эпинусом в середине 18 века, опираясь на знания Рене Ои и Антуана Сезара Беккереля, которые постулировали взаимосвязь между механическим напряжением и электрическим зарядом. Эксперименты оказались безрезультатными.
Совместное знание пироэлектричества и понимание лежащих в его основе кристаллических структур привело к предсказанию пироэлектричества и способности предсказывать поведение кристаллов. Это было продемонстрировано в действии таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль. Тетрагидрат тартрата натрия-калия и кварц также проявляли пьезоэлектричество, и пьезоэлектрический диск использовался для создания напряжения при деформации. Это было сильно преувеличено в демонстрации Кюри прямого пьезоэлектрического эффекта.
Братья Пьер и Жак Кюри предсказали обратный пьезоэлектрический эффект, а обратный эффект был математически выведен из фундаментальных термодинамических принципов Габриэлем Липпманом в 1881 году. Кюри немедленно подтвердили существование обратного эффекта и получили количественные доказательства полного обратимость электроэластомеханических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах.
На протяжении десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторной диковинкой, но оно сыграло жизненно важную роль в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри. Их работа по исследованию и определению кристаллических структур, демонстрирующих пьезоэлектричество, увенчалась публикацией Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник кристаллофизики) Вольдемара Фойгта. В нем описаны классы природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определены пьезоэлектрические константы с использованием тензорного анализа. Это было первое практическое применение пьезоэлектрических преобразователей, а сонар был разработан во время Первой мировой войны. Во Франции Поль Ланжевен и его сотрудники разработали ультразвуковой детектор подводных лодок.
Карл Линней и Франц Эпинус
Пьезоэлектричество — это электромеханическое явление, при котором электрический заряд накапливается в определенных твердых материалах, таких как кристаллы, керамика и биологические вещества, такие как кости и ДНК. Этот заряд генерируется в ответ на приложенное механическое напряжение. Слово пьезоэлектричество происходит от греческих слов πιέζειν (piezein), означающих «сжимать или давить», и ἤλεκτρον (электрон), означающих «янтарь», древний источник электрического заряда.
Пьезоэлектрический эффект возникает в результате линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями кристаллических материалов с инверсионной симметрией. Этот эффект является обратимым, то есть материалы, обладающие пьезоэлектричеством, также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект, который представляет собой внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля. Например, кристаллы цирконата-титаната свинца генерируют измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется по сравнению с ее первоначальным размером. И наоборот, кристаллы могут изменять свои статические размеры при приложении внешнего электрического поля, что известно как обратный пьезоэлектрический эффект и используется для производства ультразвуковых волн.
В 1880 году французские физики Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект, и с тех пор он использовался во многих полезных приложениях, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать, производство электричества высокого напряжения, генераторы часов, электронные устройства, микровесы. , приводные ультразвуковые сопла и сверхтонко фокусирующие оптические сборки. Он также служит основой для сканирующих зондовых микроскопов, которые используются для разрешения изображений в масштабе атомов. Пьезоэлектричество также используется в звукоснимателях для гитар с электронным усилением и триггерах для современных электронных барабанов.
Пьезоэлектричество также используется в повседневных целях, таких как генерирование искр для воспламенения газа в кухонных и нагревательных устройствах, фонариках, зажигалках и пироэлектрическом эффекте, когда материал генерирует электрический потенциал в ответ на изменение температуры. Этот эффект изучали Карл Линней и Франц Эпинус в середине 18 века, опираясь на знания Рене Ои и Антуана Сезара Беккереля, которые установили связь между механическим напряжением и электрическим зарядом, хотя их эксперименты оказались безрезультатными.
Вид пьезокристалла в компенсаторе Кюри в Музее Хантера в Шотландии — это демонстрация прямого пьезоэлектрического эффекта братьями Пьером и Жаком Кюри. Сочетание их знаний о пироэлектричестве с пониманием лежащих в основе кристаллических структур привело к предсказанию пироэлектричества и способности предсказывать поведение кристаллов. Это было продемонстрировано действием таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль. Тетрагидрат тартрата натрия-калия и кварц из сегнетовой соли проявляли пьезоэлектричество, а пьезоэлектрический диск генерирует напряжение при деформации, хотя это сильно преувеличено в демонстрации Кюри.
Предсказание обратного пьезоэлектрического эффекта и его математический вывод из фундаментальных термодинамических принципов сделал Габриэль Липпман в 1881 г. Кюри немедленно подтвердили существование обратного эффекта и получили количественные доказательства полной обратимости электроэласто- механические деформации в пьезоэлектрических кристаллах. В течение десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторной диковинкой, пока не стало жизненно важным инструментом при открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри, которые использовали его для исследования и определения кристаллических структур, проявляющих пьезоэлектричество. Кульминацией этого стала публикация Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по физике кристаллов) Вольдемара Фойгта, в котором описаны классы природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определены пьезоэлектрические константы с использованием тензорного анализа.
Это практическое применение пьезоэлектрических преобразователей привело к развитию сонара во время Первой мировой войны. Во Франции Поль Ланжевен и его сотрудники разработали ультразвуковой детектор подводных лодок. Детектор состоял из преобразователя, изготовленного из тонких кристаллов кварца, тщательно приклеенных к стальным пластинам, и гидрофона для обнаружения отраженного эха после излучения высокочастотного импульса преобразователя. Измеряя время, необходимое для того, чтобы услышать эхо звуковых волн, отражающихся от объекта, они смогли рассчитать расстояние до объекта. Они использовали пьезоэлектричество, чтобы сделать этот сонар успешным, и проект вызвал интенсивное развитие и интерес к пьезоэлектрическим устройствам.
Рене Ои и Антуан Сезар Беккерель
Пьезоэлектричество — это электромеханическое явление, которое возникает, когда определенные твердые материалы, такие как кристаллы, керамика и биологические вещества, такие как кости и ДНК, накапливают электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Пьезоэлектричество происходит от греческого слова «piezein», что означает «сжимать или давить», и «электрон», что означает «янтарь», древний источник электрического заряда.
Пьезоэлектрический эффект возникает в результате линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями в кристаллических материалах с инверсионной симметрией. Этот эффект является обратимым, а это означает, что материалы, демонстрирующие пьезоэлектрический эффект, также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект или внутреннее генерирование механической деформации в результате приложенного электрического поля. Например, кристаллы цирконата-титаната свинца генерируют измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется по сравнению с ее первоначальным размером. И наоборот, кристаллы могут изменять свои статические размеры при приложении внешнего электрического поля, что приводит к обратному пьезоэлектрическому эффекту и возникновению ультразвуковых волн.
Французские физики Пьер и Жак Кюри открыли пьезоэлектрический эффект в 1880 году. Этот эффект использовался для множества полезных приложений, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать, генерацию электричества высокого напряжения, генераторы часов и электронные устройства. например, микровесы, приводные ультразвуковые сопла и оптические сборки со сверхтонкой фокусировкой. Он также составляет основу сканирующих зондовых микроскопов, которые могут разрешать изображения в масштабе атомов. Пьезоэлектричество также используется в звукоснимателях для гитар с электронным усилением и триггерах для современных электронных барабанов.
Пьезоэлектрический эффект был впервые изучен Карлом Линнеем и Францем Эпинусом в середине 18 века, опираясь на знания Рене Ои и Антуана Сезара Беккереля, которые установили связь между механическим напряжением и электрическим зарядом. Однако эксперименты оказались безрезультатными. В сочетании со знанием пироэлектричества и пониманием лежащих в основе кристаллических структур это привело к предсказанию пироэлектричества и способности предсказывать поведение кристаллов. Это было продемонстрировано в действии таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль. Тетрагидрат тартрата натрия-калия и кварц также проявляли пьезоэлектричество, и пьезоэлектрический диск использовался для создания напряжения при деформации. Этот эффект был сильно преувеличен в демонстрации Кюри в Музее Шотландии, которая показала прямой пьезоэлектрический эффект.
Братья Пьер и Жак Кюри получили количественное доказательство полной обратимости электроэластомеханических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах. В течение десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторной диковинкой, пока не стало жизненно важным инструментом в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри. Эта работа исследовала и определила кристаллические структуры, демонстрирующие пьезоэлектричество, кульминацией которой стала публикация Lehrbuch der Kristallphysik Вольдемара Фойгта (Учебник по физике кристаллов).
Кюри немедленно подтвердили существование обратного эффекта и перешли к математическому выводу фундаментальных термодинамических принципов обратного эффекта. Это было сделано Габриэлем Липпманном в 1881 году. Затем пьезоэлектричество использовалось для разработки сонара во время Первой мировой войны. Во Франции Поль Ланжевен и его коллеги разработали ультразвуковой детектор подводных лодок. Этот детектор состоял из преобразователя из тонких кристаллов кварца, тщательно приклеенных к стальным пластинам, и гидрофона для обнаружения отраженного эха. Излучая высокочастотный импульс преобразователя и измеряя время, необходимое для того, чтобы услышать эхо звуковых волн, отражающихся от объекта, они могли рассчитать расстояние до объекта.
Использование пьезоэлектрических кристаллов получило дальнейшее развитие в Bell Telephone Laboratories после Второй мировой войны. Фредерик Р. Лэк, работавший в инженерном отделе радиотелефонии, разработал шлифованный кристалл, который мог работать в широком диапазоне температур. Кристалл Лака не нуждался в тяжелых аксессуарах предыдущих кристаллов, что облегчало его использование в самолетах. Эта разработка позволила ВВС союзников проводить скоординированные массированные атаки, используя авиационную радиосвязь. Разработка пьезоэлектрических устройств и материалов в Соединенных Штатах заставляла компании развивать начинания военного времени в этой области и интересовалась получением прибыльных патентов на новые разработанные материалы. Кристаллы кварца использовались в коммерческих целях в качестве пьезоэлектрического материала, и ученые искали материалы с более высокими характеристиками. Несмотря на достижения в области материалов и усовершенствование производственных процессов, Соединенные Штаты
Габриэль Липпманн
Пьезоэлектричество — это электромеханическое явление, при котором электрический заряд накапливается в определенных твердых материалах, таких как кристаллы, керамика и биологические вещества, такие как кости и ДНК. Это результат взаимодействия механического и электрического состояний в материалах с инверсионной симметрией. Пьезоэлектричество было открыто французскими физиками Пьером и Жаком Кюри в 1880 году.
Пьезоэлектричество использовалось для множества полезных приложений, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать и генерацию электричества высокого напряжения. Пьезоэлектричество происходит от греческих слов πιέζειν (piezein), означающих «сжимать или давить», и ἤλεκτρον (ēlektron), означающих «янтарь», древний источник электрического заряда.
Пьезоэлектрический эффект является обратимым, а это означает, что материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект, при котором внутреннее генерирование механической деформации возникает в результате приложения электрического поля. Например, кристаллы цирконата-титаната свинца генерируют измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется по сравнению с ее первоначальным размером. И наоборот, кристаллы могут изменять свои статические размеры при приложении внешнего электрического поля — процесс, известный как обратный пьезоэлектрический эффект. Этот процесс можно использовать для получения ультразвуковых волн.
Пьезоэлектрический эффект изучается с середины 18 века, когда Карл Линней и Франц Эпинус, опираясь на знания Рене Ои и Антуана Сезара Беккереля, установили связь между механическим напряжением и электрическим зарядом. Однако эксперименты оказались безрезультатными. Только когда объединенные знания о пироэлектричестве и понимании лежащих в основе кристаллических структур привели к предсказанию пироэлектричества, исследователи смогли предсказать поведение кристаллов. Это было продемонстрировано действием таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль.
Габриэль Липпман в 1881 году математически вывел фундаментальные термодинамические принципы обратного пьезоэлектрического эффекта. Кюри сразу же подтвердили существование обратного эффекта и получили количественные доказательства полной обратимости электроэластомеханических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах.
На протяжении десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторной диковинкой, пока не стало жизненно важным инструментом в открытии полония и радия Пьером и Марией Кюри. Их работа по исследованию и определению кристаллических структур, демонстрирующих пьезоэлектричество, увенчалась публикацией Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник кристаллофизики) Вольдемара Фойгта. В нем описаны классы природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определены пьезоэлектрические константы с помощью тензорного анализа.
Практическое применение пьезоэлектрических устройств началось с разработки сонара во время Первой мировой войны. Поль Ланжевен и его сотрудники разработали ультразвуковой детектор подводных лодок. Этот детектор состоял из преобразователя из тонких кристаллов кварца, тщательно приклеенных к стальным пластинам, и гидрофона для обнаружения отраженного эха. Испуская высокочастотный импульс от преобразователя и измеряя время, необходимое для того, чтобы услышать эхо звуковых волн, отражающихся от объекта, они смогли рассчитать расстояние до объекта. Это использование пьезоэлектричества для сонара было успешным, и проект вызвал большой интерес к пьезоэлектрическим устройствам. На протяжении десятилетий были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые приложения для этих материалов. Пьезоэлектрические устройства нашли применение в самых разных областях: от керамических картриджей для фонографов, которые упростили конструкцию проигрывателя и сделали дешевые, точные проигрыватели более дешевыми в обслуживании и проще в сборке, до разработки ультразвуковых преобразователей, которые позволили легко измерять вязкость и эластичность жидкостей. и твердые вещества, что привело к огромному прогрессу в исследовании материалов. Ультразвуковые рефлектометры во временной области посылают ультразвуковой импульс в материал и измеряют отражения и несплошности, чтобы найти дефекты внутри литых металлических и каменных объектов, повышая надежность конструкции.
После Второй мировой войны независимые исследовательские группы в США, России и Японии открыли новый класс синтетических материалов, называемых сегнетоэлектриками, пьезоэлектрические константы которых в десять раз выше, чем у природных материалов. Это привело к интенсивным исследованиям по разработке титаната бария, а затем и титаната цирконата свинца, материалов с особыми свойствами для конкретных применений. Разработан показательный пример использования пьезоэлектрических кристаллов.
Вольдемар Фойгт
Пьезоэлектричество — это электромеханическое явление, при котором электрический заряд накапливается в определенных твердых материалах, таких как кристаллы, керамика и биологические вещества, такие как кости и ДНК. Этот заряд генерируется в ответ на приложенное механическое напряжение. Слово пьезоэлектричество происходит от греческого слова «piezein», что означает «сжимать или давить», и «электрон», что означает «янтарь», древний источник электрического заряда.
Пьезоэлектрический эффект возникает в результате линейного электромеханического взаимодействия между механическим и электрическим состояниями кристаллических материалов с инверсионной симметрией. Этот эффект является обратимым, а это означает, что материалы, обладающие пьезоэлектрическими свойствами, также проявляют обратный пьезоэлектрический эффект, когда внутреннее механическое напряжение возникает в результате приложенного электрического поля. Например, кристаллы цирконата-титаната свинца генерируют измеримое пьезоэлектричество, когда их статическая структура деформируется по сравнению с ее первоначальным размером. И наоборот, кристаллы могут изменять свои статические размеры при приложении внешнего электрического поля, явление, известное как обратный пьезоэлектрический эффект, который используется при производстве ультразвуковых волн.
Французские физики Пьер и Жак Кюри открыли пьезоэлектричество в 1880 году. С тех пор пьезоэлектрический эффект использовался для множества полезных приложений, включая производство и обнаружение звука, пьезоэлектрическую струйную печать, генерацию электричества высокого напряжения, генераторы часов и электронные устройства. как микровесы и приводные ультразвуковые насадки для сверхточной фокусировки оптических сборок. Он также составляет основу сканирующих зондовых микроскопов, которые могут разрешать изображения в масштабе атомов. Кроме того, звукосниматели в гитарах с электронным усилением и триггеры в современных электронных барабанах используют пьезоэлектрический эффект.
Пьезоэлектричество также находит повседневное применение для создания искр для воспламенения газа в кухонных и нагревательных устройствах, в фонариках, зажигалках и т. д. Пироэлектрический эффект, когда материал генерирует электрический потенциал в ответ на изменение температуры, был изучен Карлом Линнеем и Францем Эпинусом в середине 18 века, опираясь на знания Рене Ои и Антуана Сезара Беккереля, которые постулировали связь между механическим стресс и электрический заряд. Эксперименты, доказывающие эту взаимосвязь, оказались безрезультатными.
Вид пьезокристалла в компенсаторе Кюри в Музее Хантера в Шотландии — это демонстрация прямого пьезоэлектрического эффекта братьями Пьером и Жаком Кюри. Сочетание их знаний о пироэлектричестве с пониманием лежащих в основе кристаллических структур привело к предсказанию пироэлектричества, что позволило им предсказать поведение кристаллов, которое они продемонстрировали в результате воздействия таких кристаллов, как турмалин, кварц, топаз, тростниковый сахар и сегнетовая соль. . Тетрагидрат тартрата натрия и калия и кварц также проявляли пьезоэлектричество, а пьезоэлектрический диск использовался для создания напряжения при деформации. Это изменение формы было сильно преувеличено в демонстрации Кюри, и они предсказали обратный пьезоэлектрический эффект. Обратный эффект был математически выведен из фундаментальных термодинамических принципов Габриэлем Липпманом в 1881 году.
Кюри сразу же подтвердили существование обратного эффекта и получили количественные доказательства полной обратимости электроэластомеханических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах. В последующие десятилетия пьезоэлектричество оставалось лабораторной редкостью, пока не стало жизненно важным инструментом в открытии полония и радия Пьером Мари Кюри, который использовал его для исследования и определения кристаллических структур, проявляющих пьезоэлектричество. Кульминацией этого стала публикация Lehrbuch der Kristallphysik (Учебник по физике кристаллов) Вольдемара Фойгта, в котором описаны классы природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определены пьезоэлектрические константы с использованием тензорного анализа.
Это привело к практическому применению пьезоэлектрических устройств, таких как гидролокатор, который был разработан во время Первой мировой войны. Во Франции Поль Ланжевен и его сотрудники разработали ультразвуковой детектор подводных лодок. Этот детектор состоял из преобразователя, сделанного из тонких кристаллов кварца, тщательно приклеенных к стальным пластинам, и гидрофона для обнаружения отраженного эха после испускания высокочастотного импульса преобразователем. Измеряя время, необходимое для того, чтобы услышать эхо звуковых волн, отражающихся от объекта, они могли рассчитать расстояние до объекта. Они использовали пьезоэлектричество, чтобы сделать этот сонар успешным, и проект вызвал интенсивное развитие и интерес.
Важные отношения
- Пьезоэлектрические приводы: Пьезоэлектрические приводы — это устройства, которые преобразуют электрическую энергию в механическое движение. Они обычно используются в робототехнике, медицинских устройствах и других приложениях, где требуется точное управление движением.
- Пьезоэлектрические датчики: Пьезоэлектрические датчики используются для измерения физических параметров, таких как давление, ускорение и вибрация. Они часто используются в промышленности и медицине, а также в бытовой электронике.
- Пьезоэлектричество в природе: Пьезоэлектричество является естественным явлением в некоторых материалах и встречается во многих живых организмах. Он используется некоторыми организмами, чтобы ощущать окружающую среду и общаться с другими организмами.
Заключение
Пьезоэлектричество — удивительное явление, которое использовалось во множестве приложений, от гидролокаторов до картриджей для фонографов. Он изучается с середины 1800-х годов и с большим успехом используется в развитии современных технологий. В этом сообщении в блоге исследуется история и использование пьезоэлектричества, а также подчеркивается важность этого явления в развитии современных технологий. Для тех, кто хочет узнать больше о пьезоэлектричестве, этот пост станет отличной отправной точкой.
Меня зовут Йоост Нуссельдер, основатель Neaera и контент-маркетолог, папа, и я люблю пробовать новое оборудование с гитарой, что лежит в основе моей страсти, и вместе со своей командой я пишу подробные статьи в блоге с 2020 года. чтобы помочь преданным читателям советами по записи и игре на гитаре.
