Piezoelektricitet är förmågan hos vissa material att generera elektricitet när de utsätts för mekanisk påfrestning och vice versa. Ordet kommer från grekiskans piezo som betyder tryck och elektricitet. Det upptäcktes första gången 1880, men konceptet har varit känt sedan länge.
Det mest kända exemplet på piezoelektricitet är kvarts, men många andra material uppvisar också detta fenomen. Den vanligaste användningen av piezoelektricitet är produktion av ultraljud.
I den här artikeln kommer jag att diskutera vad piezoelektricitet är, hur det fungerar och några av de många praktiska tillämpningarna av detta fantastiska fenomen.
Vad är piezoelektricitet?
Piezoelektricitet är förmågan hos vissa material att generera en elektrisk laddning som svar på pålagd mekanisk påkänning. Det är en linjär elektromekanisk interaktion mellan mekaniska och elektriska tillstånd i kristallina material med inversionssymmetri. Piezoelektriska material kan användas för att generera högspänningselektricitet, klockgeneratorer, elektroniska enheter, mikrovågar, driva ultraljudsmunstycken och optiska enheter med ultrafin fokusering.
Piezoelektriska material inkluderar kristaller, viss keramik, biologiskt material som ben och DNA och proteiner. När en kraft appliceras på ett piezoelektriskt material producerar det en elektrisk laddning. Denna laddning kan sedan användas för att driva enheter eller skapa en spänning.
Piezoelektriska material används i en mängd olika applikationer, inklusive:
• Produktion och detektering av ljud
• Piezoelektrisk bläckstråleutskrift
• Generering av högspänningsel
• Klockgeneratorer
• Elektroniska apparater
• Mikrovågar
• Driv ultraljudsmunstycken
• Ultrafina fokuserande optiska enheter
• pickup för elektroniskt förstärkta gitarrer
• Triggers för moderna elektroniska trummor
• Produktion av gnistor för att antända gas
• Matlagnings- och uppvärmningsanordningar
• Ficklampor och cigarettändare.
Vad är historien om piezoelektricitet?
Piezoelektricitet upptäcktes 1880 av de franska fysikerna Jacques och Pierre Curie. Det är den elektriska laddningen som ackumuleras i vissa fasta material, såsom kristaller, keramik och biologiskt material, som svar på pålagd mekanisk stress. Ordet 'piezoelektricitet' kommer från det grekiska ordet 'piezein', som betyder 'pressa' eller 'pressa', och 'elektron', som betyder 'bärnsten', en gammal källa till elektrisk laddning.
Den piezoelektriska effekten är resultatet av den linjära elektromekaniska interaktionen mellan de mekaniska och elektriska tillstånden hos kristallina material med inversionssymmetri. Det är en reversibel process, vilket innebär att material som uppvisar piezoelektricitet också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, vilket är den interna genereringen av mekanisk påkänning som härrör från ett pålagt elektriskt fält.
Curies kombinerade kunskap om pyroelektricitet och förståelse av underliggande kristallstrukturer gav upphov till förutsägelse av pyroelektricitet och förmågan att förutsäga kristallbeteende. Detta visades i effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochellesalt.
The Curies bekräftade omedelbart förekomsten av den omvända effekten och fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektroelastomekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller. Under decennierna förblev piezoelektricitet en nyfikenhet i laboratoriet tills den blev ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie.
Piezoelektricitet har utnyttjats för många användbara tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift, generering av högspänningselektricitet, klockgeneratorer och elektroniska enheter, mikrovågor, drivande ultraljudsmunstycken, ultrafinfokusering av optiska sammansättningar och grund av skanningssondmikroskop för att lösa upp bilder i atomskala.
Piezoelektricitet finner också vardagliga användningsområden, som att generera gnistor för att antända gas i matlagnings- och värmeapparater, facklor, cigarettändare och den pyroelektriska effekten, där ett material genererar en elektrisk potential som svar på en temperaturförändring.
Utvecklingen av ekolod under första världskriget såg användningen av piezoelektriska kristaller utvecklade av Bell Telephone Laboratories. Detta gjorde det möjligt för allierade flygvapen att delta i samordnade massattacker med hjälp av flygradio. Utvecklingen av piezoelektriska enheter och material i USA höll företagen i utvecklingen av krigstidens början inom intresseområdet, vilket säkrade lönsamma patent för nya material.
Japan såg de nya tillämpningarna och tillväxten av USA:s piezoelektriska industri och utvecklade snabbt sina egna. De delade information snabbt och utvecklade bariumtitanat och senare blyzirkonattitanatmaterial med specifika egenskaper för särskilda applikationer.
Piezoelektricitet har kommit långt sedan upptäckten 1880 och används nu i en mängd olika vardagliga tillämpningar. Den har också använts för att göra framsteg inom materialforskning, såsom ultraljudsreflektometrar i tidsdomän, som skickar en ultraljudspuls genom ett material för att mäta reflektioner och diskontinuiteter för att hitta brister inuti gjutna metall- och stenföremål, vilket förbättrar strukturell säkerhet.
Hur piezoelektricitet fungerar
I det här avsnittet kommer jag att utforska hur piezoelektricitet fungerar. Jag kommer att titta på ackumulering av elektrisk laddning i fasta ämnen, den linjära elektromekaniska interaktionen och den reversibla processen som utgör detta fenomen. Jag kommer också att diskutera historien om piezoelektricitet och dess tillämpningar.
Elektrisk laddningsansamling i fasta ämnen
Piezoelektricitet är den elektriska laddningen som ackumuleras i vissa fasta material, såsom kristaller, keramik och biologiskt material som ben och DNA. Det är ett svar på applicerad mekanisk påfrestning, och dess namn kommer från de grekiska orden "piezein" (pressa eller pressa) och "ēlektron" (bärnsten).
Den piezoelektriska effekten är resultatet av den linjära elektromekaniska interaktionen mellan mekaniska och elektriska tillstånd i kristallina material med inversionssymmetri. Det är en reversibel process, vilket innebär att material som uppvisar piezoelektricitet också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, där intern generering av mekanisk belastning är ett resultat av ett pålagt elektriskt fält. Exempel på material som genererar mätbar piezoelektricitet inkluderar blyzirkonat-titanatkristaller.
De franska fysikerna Pierre och Jacques Curie upptäckte piezoelektricitet 1880. Den har sedan dess utnyttjats för en mängd användbara tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift, generering av högspänningselektricitet, klockgeneratorer och elektroniska enheter som mikrovågor och driva ultraljudsmunstycken för ultrafin fokusering av optiska enheter. Det utgör också grunden för skanningsprobmikroskop, som kan lösa bilder i atomskala. Piezoelektricitet används också i pickuper för elektroniskt förstärkta gitarrer, och triggers för moderna elektroniska trummor.
Piezoelektricitet finner daglig användning för att generera gnistor för att antända gas, i matlagnings- och uppvärmningsanordningar, facklor, cigarettändare och den pyroelektriska effekten, där ett material genererar en elektrisk potential som svar på en temperaturförändring. Detta studerades av Carl Linnaeus och Franz Aepinus i mitten av 18-talet, med hjälp av kunskap från René Haüy och Antoine César Becquerel, som ansåg ett samband mellan mekanisk spänning och elektrisk laddning. Experiment visade sig inte vara avgörande.
Utsikten över en piezokristall i Curie-kompensatorn i Hunterian Museum i Skottland är en demonstration av den direkta piezoelektriska effekten. Bröderna Pierre och Jacques Curie kombinerade sin kunskap om pyroelektricitet med en förståelse för de underliggande kristallstrukturerna, vilket gav upphov till förutsägelsen om pyroelektricitet. De kunde förutsäga kristallbeteendet och visade effekten i kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat och kvarts uppvisade också piezoelektricitet. En piezoelektrisk skiva genererar en spänning när den deformeras, och förändringen i form är kraftigt överdriven i Curies demonstration.
De kunde förutsäga den omvända piezoelektriska effekten, och den omvända effekten härleddes matematiskt av Gabriel Lippmann 1881. The Curies bekräftade omedelbart förekomsten av den omvända effekten och fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektroelasto- mekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller.
I decennier förblev piezoelektricitet en nyfikenhet i laboratoriet, men det var ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie. Deras arbete med att utforska och definiera kristallstrukturerna som uppvisade piezoelektricitet kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturliga kristallklasserna som kan piezoelektricitet och strikt definierade de piezoelektriska konstanterna genom tensoranalys. Detta var den praktiska tillämpningen av piezoelektriska enheter, och ekolod utvecklades under första världskriget. I Frankrike utvecklade Paul Langevin och hans medarbetare en ubåtsdetektor med ultraljud.
Detektorn bestod av en transduktor gjord av tunna kvartskristaller noggrant limmade på stålplåtar, och en hydrofon för att upptäcka det returnerade ekot. Genom att avge en hög frekvens puls från givaren och mätte tiden det tar att höra ekot av ljudvågor som studsar mot ett föremål, kunde de beräkna avståndet till föremålet. De använde piezoelektricitet för att göra ekolodet till en framgång, och projektet skapade en intensiv utveckling och intresse för piezoelektriska enheter. Under årtiondena har nya piezoelektriska material och nya applikationer för materialen utforskats och utvecklats, och piezoelektriska enheter hittade hem inom en mängd olika områden. Keramiska fonografkassetter förenklade spelardesignen och gjorde för billiga och exakta skivspelare som var billigare att underhålla och lättare att bygga.
Utvecklingen av ultraljudsomvandlare möjliggjorde enkel mätning av viskositet och elasticitet hos vätskor och fasta ämnen, vilket resulterade i enorma framsteg inom materialforskning.
Linjär elektromekanisk interaktion
Piezoelektricitet är förmågan hos vissa material att generera en elektrisk laddning när de utsätts för mekanisk påfrestning. Ordet härstammar från de grekiska orden πιέζειν (piezein) som betyder "pressa eller pressa" och ἤλεκτρον (ēlektron) som betyder bärnsten, som var en gammal källa till elektrisk laddning.
Piezoelektricitet upptäcktes 1880 av de franska fysikerna Jacques och Pierre Curie. Den är baserad på den linjära elektromekaniska interaktionen mellan de mekaniska och elektriska tillstånden hos kristallina material med inversionssymmetri. Denna effekt är reversibel, vilket innebär att material som uppvisar piezoelektricitet också uppvisar en omvänd piezoelektrisk effekt, varigenom intern generering av mekanisk påkänning resulterar från ett pålagt elektriskt fält. Exempel på material som genererar mätbar piezoelektricitet när de deformeras från sin statiska struktur inkluderar blyzirkonat-titanatkristaller. Omvänt kan kristaller ändra sin statiska dimension när ett externt elektriskt fält appliceras, vilket är känt som den omvända piezoelektriska effekten och används vid produktion av ultraljudsvågor.
Piezoelektricitet har utnyttjats för en mängd användbara applikationer, såsom:
• Produktion och detektering av ljud
• Piezoelektrisk bläckstråleutskrift
• Generering av högspänningsel
• Klockgenerator
• Elektroniska apparater
• Mikrovågar
• Driv ultraljudsmunstycken
• Ultrafina fokuserande optiska enheter
• Bildar basen för skanningsprobmikroskop för att lösa upp bilder i atomskala
• Pickuper i elektroniskt förstärkta gitarrer
• Triggers i moderna elektroniska trummor
• Genererar gnistor för att antända gas i matlagnings- och värmeapparater
• Ficklampor och cigarettändare
Piezoelektricitet finner också vardagliga användningar i den pyroelektriska effekten, som är ett material som genererar en elektrisk potential som svar på en temperaturförändring. Detta studerades av Carl Linnaeus och Franz Aepinus i mitten av 18-talet, med hjälp av kunskap från René Haüy och Antoine César Becquerel, som ansåg ett samband mellan mekanisk spänning och elektrisk laddning. Experiment visade sig dock inte vara avgörande.
Att titta på en piezokristall i Curie-kompensatorn på Hunterian Museum i Skottland är en demonstration av den direkta piezoelektriska effekten. Det var bröderna Pierre och Jacques Curies arbete som utforskade och definierade kristallstrukturerna som uppvisade piezoelektricitet, som kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Lärobok i Kristallfysik). Detta beskrev de naturliga kristallklasserna som kan piezoelektricitet och definierade noggrant de piezoelektriska konstanterna genom tensoranalys, vilket ledde till praktisk tillämpning av piezoelektriska enheter.
Sonar utvecklades under första världskriget, när Frankrikes Paul Langevin och hans medarbetare utvecklade en ubåtsdetektor med ultraljud. Denna detektor bestod av en omvandlare gjord av tunna kvartskristaller noggrant limmade på stålplåtar, och en hydrofon för att detektera det returnerade ekot efter att ha utsänt en högfrekvent puls från omvandlaren. Genom att mäta tiden det tar att höra ekot av ljudvågor som studsar från ett föremål, kunde de beräkna objektets avstånd, med hjälp av piezoelektricitet. Framgången med detta projekt skapade en intensiv utveckling och intresse för piezoelektriska enheter under decennierna, med nya piezoelektriska material och nya tillämpningar för dessa material som utforskas och utvecklas. Piezoelektriska enheter hittade hem på många områden, till exempel keramiska grammofonkassetter, som förenklade spelardesignen och gjorde det till billigare och mer exakta skivspelare, och billigare och enklare att bygga och underhålla.
Utvecklingen av ultraljudsgivare möjliggjorde enkel mätning av viskositeten och elasticiteten hos vätskor och fasta ämnen, vilket resulterade i enorma framsteg inom materialforskning. Ultraljudsreflektometrar för tidsdomän skickar en ultraljudspuls in i ett material och mäter reflektioner och diskontinuiteter för att hitta brister inuti gjutna metall- och stenföremål, vilket förbättrar den strukturella säkerheten. Efter andra världskriget upptäckte oberoende forskargrupper i USA, Ryssland och Japan en ny klass av syntetiska material som kallas ferroelektriska ämnen, som uppvisade piezoelektriska konstanter många gånger högre än naturliga material. Detta ledde till intensiv forskning för att utveckla bariumtitanat, och senare blyzirkonattitanat, material med specifika egenskaper för särskilda applikationer.
Ett betydande exempel på användningen av piezoelektriska kristaller utvecklades av Bell Telephone Laboratories efter andra världskriget. Frederick R. Lack, arbetar på radiotelefoniteknikavdelningen,
Reversibel process
Piezoelektricitet är en elektrisk laddning som ackumuleras i vissa fasta material, såsom kristaller, keramik och biologiskt material som ben och DNA. Det är dessa materials svar på applicerad mekanisk påfrestning. Ordet 'piezoelektricitet' kommer från de grekiska orden 'piezein' som betyder 'pressa' eller 'pressa' och 'ēlektron' som betyder 'bärnsten', en gammal källa till elektrisk laddning.
Den piezoelektriska effekten är resultatet av den linjära elektromekaniska interaktionen mellan de mekaniska och elektriska tillstånden hos kristallina material med inversionssymmetri. Det är en reversibel process, vilket innebär att material som uppvisar piezoelektricitet också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, vilket är den interna genereringen av mekanisk påkänning som härrör från ett pålagt elektriskt fält. Exempel på material som genererar mätbar piezoelektricitet inkluderar blyzirkonat-titanatkristaller. När den statiska strukturen hos dessa kristaller deformeras, återgår de till sin ursprungliga dimension, och omvänt, när ett externt elektriskt fält appliceras, ändrar de sin statiska dimension och producerar ultraljudsvågor.
De franska fysikerna Jacques och Pierre Curie upptäckte piezoelektricitet 1880. Den har sedan dess utnyttjats för en mängd användbara tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift, generering av högspänningselektricitet, klockgeneratorer, elektroniska enheter, mikrobalanser, driva ultraljudsmunstycken och optiska enheter för ultrafin fokusering. Det ligger också till grund för scanning av sondmikroskop, som kan lösa bilder i atomskala. Piezoelektricitet används också i pickuper för elektroniskt förstärkta gitarrer och triggers för moderna elektroniska trummor.
Piezoelektricitet finner också vardagliga användningsområden, som att generera gnistor för att antända gas i matlagnings- och värmeapparater, facklor, cigarettändare och mer. Den pyroelektriska effekten, där ett material genererar en elektrisk potential som svar på en temperaturförändring, studerades av Carl Linnaeus, Franz Aepinus och René Haüy i mitten av 18-talet, med utgångspunkt i kunskap om bärnsten. Antoine César Becquerel angav ett samband mellan mekanisk stress och elektrisk laddning, men experiment visade sig inte vara avgörande.
Besökare på Hunterian Museum i Glasgow kan se Piezo Crystal Curie Compensator, en demonstration av den direkta piezoelektriska effekten av bröderna Pierre och Jacques Curie. Att kombinera deras kunskap om pyroelektricitet med en förståelse för de underliggande kristallstrukturerna gav upphov till förutsägelse av pyroelektricitet och förmågan att förutsäga kristallbeteende. Detta visades med effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochelle-salt. Natrium- och kaliumtartrat-tetrahydrat och kvarts uppvisade också piezoelektricitet, och en piezoelektrisk skiva användes för att generera en spänning när den deformerades. Denna förändring i form överdrevs kraftigt av Curies för att förutsäga den omvända piezoelektriska effekten. Den omvända effekten härleddes matematiskt från grundläggande termodynamiska principer av Gabriel Lippmann 1881.
The Curies bekräftade omedelbart förekomsten av den omvända effekten och fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektroelastomekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller. I decennier förblev piezoelektricitet en nyfikenhet i laboratoriet, men det var ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie. Deras arbete med att utforska och definiera de kristallstrukturer som uppvisade piezoelektricitet kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Detta beskrev de naturliga kristallklasserna som kan piezoelektricitet och definierade noggrant de piezoelektriska konstanterna med hjälp av tensoranalys.
Den praktiska tillämpningen av piezoelektriska enheter, som ekolod, utvecklades under första världskriget. I Frankrike utvecklade Paul Langevin och hans medarbetare en ubåtsdetektor med ultraljud. Denna detektor bestod av en givare gjord av tunna kvartskristaller noggrant limmade på stålplåtar, och en hydrofon för att detektera det returnerade ekot. Genom att sända ut en högfrekvent puls från givaren och mäta den tid det tar att höra ekot av ljudvågorna som studsar mot ett föremål, kunde de beräkna objektets avstånd. De använde piezoelektricitet för att göra detta ekolod till en framgång. Detta projekt skapade en intensiv utveckling och intresse för piezoelektriska enheter, och under årtiondena har nya piezoelektriska material och nya tillämpningar för dessa material utforskats och utvecklats. Piezoelektriska enheter
Vad orsakar piezoelektricitet?
I det här avsnittet kommer jag att utforska ursprunget till piezoelektricitet och de olika material som uppvisar detta fenomen. Jag ska titta på det grekiska ordet "piezein", den uråldriga källan till elektrisk laddning, och pyroelektricitetseffekten. Jag kommer också att diskutera upptäckterna av Pierre och Jacques Curie och utvecklingen av piezoelektriska enheter under 20-talet.
Grekiska ordet Piezein
Piezoelektricitet är ackumuleringen av elektrisk laddning i vissa fasta material, såsom kristaller, keramik och biologiskt material som ben och DNA. Det orsakas av dessa materials reaktion på pålagd mekanisk belastning. Ordet piezoelektricitet kommer från det grekiska ordet "piezein", som betyder "att klämma eller trycka", och "ēlektron", som betyder "bärnsten", en gammal källa till elektrisk laddning.
Den piezoelektriska effekten är resultatet av den linjära elektromekaniska interaktionen mellan de mekaniska och elektriska tillstånden hos kristallina material med inversionssymmetri. Det är en reversibel process, vilket innebär att material som uppvisar piezoelektricitet också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, vilket är den interna genereringen av mekanisk påkänning som härrör från ett pålagt elektriskt fält. Till exempel genererar blyzirkonat-titanatkristaller mätbar piezoelektricitet när deras statiska struktur deformeras från sin ursprungliga dimension. Omvänt kan kristaller ändra sin statiska dimension när ett externt elektriskt fält appliceras, vilket är känt som den omvända piezoelektriska effekten och är produktionen av ultraljudsvågor.
De franska fysikerna Jacques och Pierre Curie upptäckte piezoelektricitet 1880. Den piezoelektriska effekten har utnyttjats för många användbara tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift, generering av högspänningselektricitet, klockgeneratorer och elektroniska enheter som mikrobalanser , driva ultraljudsmunstycken och ultrafina fokuseringsoptiska enheter. Det utgör också grunden för skanningsprobmikroskop, som kan lösa bilder i atomskala. Piezoelektricitet används också i pickuper för elektroniskt förstärkta gitarrer och triggers för moderna elektroniska trummor.
Piezoelektricitet hittar daglig användning, som att generera gnistor för att antända gas i matlagnings- och värmeapparater, facklor, cigarettändare och mer. Den pyroelektriska effekten, som är genereringen av elektrisk potential som svar på en temperaturförändring, studerades av Carl Linnaeus och Franz Aepinus i mitten av 18-talet, med utgångspunkt i kunskapen hos René Haüy och Antoine César Becquerel, som ansåg ett förhållande mellan mekanisk belastning och elektrisk laddning. Experiment visade sig inte vara avgörande.
På museet i Skottland kan besökarna se en Curie-kompensator i piezokristall, en demonstration av den direkta piezoelektriska effekten av bröderna Pierre och Jacques Curie. Att kombinera deras kunskap om pyroelektricitet med en förståelse för de underliggande kristallstrukturerna gav upphov till förutsägelsen av pyroelektricitet och förmågan att förutsäga kristallbeteendet. Detta visades av effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat och kvarts från Rochelle-salt uppvisade piezoelektricitet, och en piezoelektrisk skiva genererar spänning när den deformeras. Denna förändring i form är kraftigt överdriven i Curies demonstration.
The Curies fortsatte med att få kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektroelastomekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller. I decennier förblev piezoelektricitet en nyfikenhet i laboratoriet tills den blev ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie. Deras arbete med att utforska och definiera de kristallstrukturer som uppvisade piezoelektricitet kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Detta beskrev de naturliga kristallklasserna som kan piezoelektricitet och definierade noggrant de piezoelektriska konstanterna genom tensoranalys.
Denna praktiska tillämpning av piezoelektricitet ledde till utvecklingen av ekolod under första världskriget. I Frankrike utvecklade Paul Langevin och hans medarbetare en ubåtsdetektor med ultraljud. Detektorn bestod av en givare gjord av tunna kvartskristaller noggrant limmade på stålplåtar, en så kallad hydrofon, för att detektera det returnerade ekot efter att ha avgett en högfrekvent puls. Givaren mätte tiden det tog att höra ekot av ljudvågor som studsade från ett föremål för att beräkna avståndet för föremålet. Användningen av piezoelektricitet i ekolod var en framgång, och projektet skapade en intensiv utveckling och intresse för piezoelektriska enheter under decennier.
Nya piezoelektriska material och nya tillämpningar för dessa material utforskades och utvecklades, och piezoelektriska enheter hittade hem på många områden, till exempel keramiska grammofonkassetter, vilket förenklade spelardesignen och gjorde för billigare, mer exakta skivspelare som var billigare att underhålla och enklare. att bygga. Utvecklingen
Forntida källa till elektrisk laddning
Piezoelektricitet är den elektriska laddningen som ackumuleras i vissa fasta material, såsom kristaller, keramik och biologiskt material som ben och DNA. Det orsakas av materialets reaktion på applicerad mekanisk påfrestning. Ordet 'piezoelektricitet' kommer från det grekiska ordet 'piezein', som betyder 'att klämma eller trycka', och ordet 'elektron', som betyder 'bärnsten', en gammal källa till elektrisk laddning.
Den piezoelektriska effekten är resultatet av den linjära elektromekaniska interaktionen mellan de mekaniska och elektriska tillstånden hos kristallina material med inversionssymmetri. Det är en reversibel process, vilket innebär att material som uppvisar piezoelektricitet också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, vilket är den interna genereringen av mekanisk påkänning som härrör från ett pålagt elektriskt fält. Till exempel genererar blyzirkonat-titanatkristaller mätbar piezoelektricitet när deras statiska struktur deformeras från sin ursprungliga dimension. Omvänt, när ett externt elektriskt fält appliceras, ändrar kristallerna sin statiska dimension i en omvänd piezoelektrisk effekt, vilket producerar ultraljudsvågor.
Den piezoelektriska effekten upptäcktes 1880 av de franska fysikerna Jacques och Pierre Curie. Den används för en mängd användbara applikationer, inklusive produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift, generering av högspänningselektricitet, klockgeneratorer och elektroniska enheter som mikrovågar och drivande ultraljudsmunstycken för ultrafin fokusering av optiska enheter. Det ligger också till grund för skanningsprobmikroskop, som används för att lösa upp bilder i atomskala. Piezoelektricitet används också i pickuper för elektroniskt förstärkta gitarrer och triggers för moderna elektroniska trummor.
Piezoelektricitet används dagligen för att generera gnistor för att antända gas i matlagnings- och värmeapparater, facklor, cigarettändare och mer. Den pyroelektriska effekten, som är produktionen av elektrisk potential som svar på en temperaturförändring, studerades av Carl Linnaeus och Franz Aepinus i mitten av 18-talet, med utgångspunkt i kunskapen från René Haüy och Antoine César Becquerel som ansåg ett förhållande mellan mekanisk stress och elektrisk laddning. Deras experiment visade sig dock inte vara avgörande.
Utsikten över en piezokristall och Curie-kompensatorn på Hunterian Museum i Skottland visar den direkta piezoelektriska effekten. Det var bröderna Pierre och Jacques Curies arbete som utforskade och definierade kristallstrukturerna som uppvisade piezoelektricitet, som kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Lärobok i Kristallfysik). Detta beskrev de naturliga kristallklasserna som kan piezoelektricitet och definierade noggrant de piezoelektriska konstanterna genom tensoranalys, vilket möjliggjorde praktisk tillämpning av piezoelektriska enheter.
Sonar utvecklades under första världskriget av Frankrikes Paul Langevin och hans medarbetare, som utvecklade en ubåtsdetektor med ultraljud. Detektorn bestod av en givare gjord av tunna kvartskristaller noggrant limmade på stålplåtar, och en hydrofon för att detektera det returnerade ekot. Genom att sända ut en högfrekvent puls från givaren och mäta tiden det tar att höra ekot av ljudvågorna som studsar mot ett föremål, kunde de beräkna avståndet till föremålet. De använde piezoelektricitet för att göra detta ekolod till en framgång. Projektet skapade en intensiv utveckling och intresse för piezoelektriska enheter i decennier.
Pyroelektricitet
Piezoelektricitet är förmågan hos vissa material att ackumulera elektrisk laddning som svar på pålagd mekanisk påfrestning. Det är en linjär elektromekanisk interaktion mellan de mekaniska och elektriska tillstånden hos kristallina material med inversionssymmetri. Ordet "piezoelektricitet" kommer från det grekiska ordet "piezein", som betyder "att klämma eller trycka", och det grekiska ordet "ēlektron", som betyder "bärnsten", en gammal källa till elektrisk laddning.
Den piezoelektriska effekten upptäcktes av de franska fysikerna Jacques och Pierre Curie 1880. Det är en reversibel process, vilket innebär att material som uppvisar den piezoelektriska effekten också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, vilket är den interna genereringen av mekanisk påkänning till följd av ett pålagt elektriskt fält. Exempel på material som genererar mätbar piezoelektricitet inkluderar blyzirkonat-titanatkristaller. När en statisk struktur deformeras återgår den till sin ursprungliga dimension. Omvänt, när ett externt elektriskt fält appliceras, produceras den omvända piezoelektriska effekten, vilket resulterar i produktion av ultraljudsvågor.
Den piezoelektriska effekten utnyttjas för många användbara tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift, generering av högspänningselektricitet, klockgeneratorer och elektroniska enheter som mikrovågar, drivande ultraljudsmunstycken och optiska enheter med ultrafin fokusering. Det är också grunden för skanning av sondmikroskop, som används för att lösa bilder på atomskala. Piezoelektricitet används också i pickuper för elektroniskt förstärkta gitarrer, och triggers för moderna elektroniska trummor.
Piezoelektricitet hittar daglig användning, som att generera gnistor för att antända gas i matlagnings- och värmeapparater, facklor, cigarettändare och mer. Den pyroelektriska effekten, som är produktionen av elektrisk potential som svar på en temperaturförändring, studerades av Carl Linnaeus och Franz Aepinus i mitten av 18-talet, med utgångspunkt i kunskapen från René Haüy och Antoine César Becquerel, som hade angett ett förhållande. mellan mekanisk belastning och elektrisk laddning. Experiment visade sig dock inte vara avgörande.
Utsikten över en piezokristall på Curie Compensator Museum i Skottland är en demonstration av den direkta piezoelektriska effekten. Bröderna Pierre och Jacques Curie kombinerade sin kunskap om pyroelektricitet och sin förståelse av de underliggande kristallstrukturerna för att ge upphov till förståelsen av pyroelektricitet och för att förutsäga kristallbeteendet. Detta visades i effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochellesalt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat och kvarts visade sig uppvisa piezoelektricitet, och en piezoelektrisk skiva användes för att generera en spänning när den deformerades. Detta överdrevs kraftigt av Curies för att förutsäga den omvända piezoelektriska effekten. Den omvända effekten härleddes matematiskt av grundläggande termodynamiska principer av Gabriel Lippmann 1881.
The Curies bekräftade omedelbart förekomsten av den omvända effekten och fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektroelastomekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller. Under decennierna som följde förblev piezoelektricitet en laboratoriekuriosa tills den blev ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie. Deras arbete med att utforska och definiera de kristallstrukturer som uppvisade piezoelektricitet kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics).
Utvecklingen av ekolod var en framgång, och projektet skapade en intensiv utveckling och intresse för piezoelektriska enheter. Under decennierna som följde utforskades och utvecklades nya piezoelektriska material och nya tillämpningar för dessa material. Piezoelektriska enheter hittade hem på många områden, till exempel keramiska fonografkassetter, vilket förenklade spelardesignen och gjorde det till billigare, mer exakta skivspelare som var billigare att underhålla och enklare att bygga. Utvecklingen av ultraljudsomvandlare möjliggjorde enkel mätning av viskositet och elasticitet hos vätskor och fasta ämnen, vilket resulterade i enorma framsteg inom materialforskning. Ultraljudsreflektometrar för tidsdomän skickar en ultraljudspuls in i ett material och mäter reflektioner och diskontinuiteter för att hitta brister inuti gjutna metall- och stenföremål, vilket förbättrar den strukturella säkerheten.
Efter andra världskriget upptäckte oberoende forskargrupper i USA, Ryssland och Japan en ny klass av syntetiska material som kallas ferroelektriska ämnen, som uppvisade piezoelektriska konstanter som var
Piezoelektriska material
I det här avsnittet kommer jag att diskutera de material som uppvisar den piezoelektriska effekten, vilket är förmågan hos vissa material att ackumulera elektrisk laddning som svar på applicerad mekanisk påkänning. Jag kommer att titta på kristaller, keramik, biologiskt material, ben, DNA och proteiner, och hur de alla reagerar på den piezoelektriska effekten.
kristaller
Piezoelektricitet är förmågan hos vissa material att ackumulera elektrisk laddning som svar på pålagd mekanisk påfrestning. Ordet piezoelektricitet kommer från de grekiska orden πιέζειν (piezein) som betyder 'pressa' eller 'pressa' och ἤλεκτρον (ēlektron) som betyder 'bärnsten', en gammal källa till elektrisk laddning. Piezoelektriska material inkluderar kristaller, keramik, biologiskt material, ben, DNA och proteiner.
Piezoelektricitet är en linjär elektromekanisk interaktion mellan mekaniska och elektriska tillstånd i kristallina material med inversionssymmetri. Denna effekt är reversibel, vilket innebär att material som uppvisar piezoelektricitet också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, vilket är den interna genereringen av mekanisk påkänning som härrör från ett pålagt elektriskt fält. Exempel på material som genererar mätbar piezoelektricitet inkluderar blyzirkonat-titanatkristaller, som kan deformeras till sin ursprungliga dimension eller omvänt ändra sin statiska dimension när ett externt elektriskt fält appliceras. Detta är känt som den omvända piezoelektriska effekten och används för att producera ultraljudsvågor.
De franska fysikerna Jacques och Pierre Curie upptäckte piezoelektricitet 1880. Den piezoelektriska effekten har utnyttjats för en mängd användbara tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift, generering av högspänningselektricitet, klockgeneratorer och elektroniska enheter som t.ex. som mikrovågar, drivande ultraljudsmunstycken och optiska enheter för ultrafin fokusering. Det ligger också till grund för skanningsprobmikroskop, som används för att lösa upp bilder i atomskala. Piezoelektriska pickuper används också i elektroniskt förstärkta gitarrer och triggers i moderna elektroniska trummor.
Piezoelektricitet används dagligen för att generera gnistor för att antända gas i matlagnings- och värmeapparater, såväl som i facklor och cigarettändare. Den pyroelektriska effekten, som är genereringen av elektrisk potential som svar på en temperaturförändring, studerades av Carl Linnaeus och Franz Aepinus i mitten av 18-talet, med hjälp av kunskap från René Haüy och Antoine César Becquerel, som ansåg ett samband mellan mekanisk stress och elektrisk laddning. Experiment för att bevisa denna teori var ofullständiga.
Utsikten över en piezokristall i Curie-kompensatorn på Hunterian Museum i Skottland är en demonstration av den direkta piezoelektriska effekten. Bröderna Pierre och Jacques Curie kombinerade sin kunskap om pyroelektricitet med en förståelse för de underliggande kristallstrukturerna för att ge upphov till förutsägelsen av pyroelektricitet. De kunde förutsäga kristallbeteendet och visade effekten i kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochelle-salt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat och kvarts uppvisade också piezoelektricitet. En piezoelektrisk skiva genererar spänning när den deformeras; formförändringen är kraftigt överdriven i Curies demonstration.
De kunde också förutsäga den omvända piezoelektriska effekten och matematiskt härleda de grundläggande termodynamiska principerna bakom den. Gabriel Lippmann gjorde detta 1881. The Curies bekräftade omedelbart förekomsten av den omvända effekten och fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektro-elastomekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller.
I decennier förblev piezoelektricitet en nyfikenhet i laboratoriet, men det var ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie. Deras arbete med att utforska och definiera kristallstrukturerna som uppvisade piezoelektricitet kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturliga kristallklasserna som kan piezoelektricitet och strikt definierade de piezoelektriska konstanterna med hjälp av tensoranalys.
Den praktiska tillämpningen av piezoelektriska enheter i ekolod utvecklades under första världskriget. I Frankrike utvecklade Paul Langevin och hans medarbetare en ubåtsdetektor med ultraljud. Den här detektorn bestod av en givare gjord av tunna kvartskristaller som var försiktigt limmade på stålplåtar, kallad hydrofon, för att detektera det returnerade ekot efter att ha sänt ut en högfrekvent puls. Genom att mäta tiden det tar att höra ekot av ljudvågor som studsar mot ett föremål, kunde de beräkna avståndet till föremålet. Denna användning av piezoelektricitet i ekolod var en framgång, och projektet skapade en intensiv utveckling och intresse för piezoelektriska enheter under decennierna.
Keramik
Piezoelektriska material är fasta ämnen som ackumulerar elektrisk laddning som svar på pålagd mekanisk påkänning. Piezoelektricitet kommer från de grekiska orden πιέζειν (piezein) som betyder 'pressa' eller 'pressa' och ἤλεκτρον (ēlektron) som betyder 'bärnsten', en gammal källa till elektrisk laddning. Piezoelektriska material används i en mängd olika tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift och generering av högspänningselektricitet.
Piezoelektriska material finns i kristaller, keramik, biologiskt material, ben, DNA och proteiner. Keramik är de vanligaste piezoelektriska materialen som används i vardagliga applikationer. Keramik är gjord av en kombination av metalloxider, såsom blyzirkonattitanat (PZT), som värms upp till höga temperaturer för att bilda en fast substans. Keramik är mycket hållbart och tål extrema temperaturer och tryck.
Piezoelektrisk keramik har en mängd olika användningsområden, inklusive:
• Genererar gnistor för att antända gas för matlagnings- och uppvärmningsanordningar, såsom facklor och cigarettändare.
• Genererar ultraljudsvågor för medicinsk bildbehandling.
• Generera högspänningsel för klockgeneratorer och elektroniska enheter.
• Generering av mikrovågar för användning vid precisionsvägning.
• Drivande ultraljudsmunstycken för ultrafin fokusering av optiska enheter.
• Bildar grunden för skanningsprobmikroskop, som kan lösa upp bilder i atomskala.
• Pickuper för elektroniskt förstärkta gitarrer och triggers för moderna elektroniska trummor.
Piezoelektrisk keramik används i ett brett spektrum av applikationer, från hemelektronik till medicinsk bildbehandling. De är mycket hållbara och tål extrema temperaturer och tryck, vilket gör dem idealiska för användning i en mängd olika industrier.
Biologisk materia
Piezoelektricitet är förmågan hos vissa material att ackumulera elektrisk laddning som svar på pålagd mekanisk påfrestning. Det härstammar från det grekiska ordet 'piezein', som betyder 'att klämma eller trycka', och 'ēlektron', som betyder 'bärnsten', en gammal källa till elektrisk laddning.
Biologiskt material som ben, DNA och proteiner är bland de material som uppvisar piezoelektricitet. Denna effekt är reversibel, vilket innebär att material som uppvisar piezoelektricitet också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, vilket är den interna genereringen av mekanisk påkänning som härrör från ett pålagt elektriskt fält. Exempel på dessa material inkluderar blyzirkonat-titanatkristaller, som genererar mätbar piezoelektricitet när deras statiska struktur deformeras från sin ursprungliga dimension. Omvänt, när ett externt elektriskt fält appliceras, ändrar kristallerna sin statiska dimension, vilket producerar ultraljudsvågor genom den omvända piezoelektriska effekten.
Upptäckten av piezoelektricitet gjordes av de franska fysikerna Jacques och Pierre Curie 1880. Den har sedan dess utnyttjats för en mängd användbara tillämpningar, som:
• Produktion och detektering av ljud
• Piezoelektrisk bläckstråleutskrift
• Generering av högspänningsel
• Klockgenerator
• Elektroniska apparater
• Mikrovågar
• Driv ultraljudsmunstycken
• Ultrafina fokuserande optiska enheter
• Ligger till grund för scanningsprobmikroskop
• Lös upp bilder i skalan av atomer
• Pickuper i elektroniskt förstärkta gitarrer
• Triggers i moderna elektroniska trummor
Piezoelektricitet används också i vardagliga föremål som gasmatlagning och uppvärmningsanordningar, ficklampor, cigarettändare och mer. Den pyroelektriska effekten, som är produktionen av elektrisk potential som svar på en temperaturförändring, studerades av Carl Linnaeus och Franz Aepinus i mitten av 18-talet. Med hjälp av kunskapen från René Haüy och Antoine César Becquerel ansåg de ett samband mellan mekanisk påfrestning och elektrisk laddning, men deras experiment visade sig inte vara avgörande.
Utsikten över en piezokristall i Curie Compensator på Hunterian Museum i Skottland är en demonstration av den direkta piezoelektriska effekten. Bröderna Pierre och Jacques Curie kombinerade sin kunskap om pyroelektricitet och sin förståelse av de underliggande kristallstrukturerna för att ge upphov till förutsägelsen av pyroelektricitet och för att förutsäga kristallbeteendet. Detta visades av effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochellesalt. Natrium- och kaliumtartrat-tetrahydrat och kvarts uppvisade också piezoelektricitet, och en piezoelektrisk skiva användes för att generera en spänning när den deformerades. Denna effekt överdrevs kraftigt av Curies för att förutsäga den omvända piezoelektriska effekten. Den omvända effekten härleddes matematiskt från grundläggande termodynamiska principer av Gabriel Lippmann 1881.
The Curies bekräftade omedelbart förekomsten av den omvända effekten och fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektroelastomekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller. I decennier förblev piezoelektricitet en nyfikenhet i laboratoriet tills den blev ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie. Deras arbete med att utforska och definiera kristallstrukturerna som uppvisade piezoelektricitet kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts "Lehrbuch der Kristallphysik" (Lärobok i Kristallfysik).
Ben
Piezoelektricitet är förmågan hos vissa material att ackumulera elektrisk laddning som svar på pålagd mekanisk påfrestning. Ben är ett sådant material som uppvisar detta fenomen.
Ben är en typ av biologisk substans som består av proteiner och mineraler, inklusive kollagen, kalcium och fosfor. Det är det mest piezoelektriska av alla biologiska material och kan generera en spänning när den utsätts för mekanisk påfrestning.
Den piezoelektriska effekten i ben är ett resultat av dess unika struktur. Den består av ett nätverk av kollagenfibrer som är inbäddade i en matris av mineraler. När benet utsätts för mekanisk stress rör sig kollagenfibrerna, vilket gör att mineralerna polariseras och genererar en elektrisk laddning.
Den piezoelektriska effekten i ben har ett antal praktiska tillämpningar. Det används i medicinsk bildbehandling, såsom ultraljud och röntgen, för att upptäcka benfrakturer och andra abnormiteter. Det används också i benledningshörapparater, som använder den piezoelektriska effekten för att omvandla ljudvågor till elektriska signaler som skickas direkt till innerörat.
Den piezoelektriska effekten i ben används också i ortopediska implantat, såsom konstgjorda leder och proteser. Implantaten använder den piezoelektriska effekten för att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi, som sedan används för att driva enheten.
Dessutom undersöks den piezoelektriska effekten i ben för användning i utvecklingen av nya medicinska behandlingar. Till exempel undersöker forskare användningen av piezoelektricitet för att stimulera bentillväxt och reparera skadad vävnad.
Sammantaget är den piezoelektriska effekten i ben ett fascinerande fenomen med ett stort antal praktiska tillämpningar. Det används i en mängd olika medicinska och tekniska tillämpningar och undersöks för användning i utvecklingen av nya behandlingar.
DNA-
Piezoelektricitet är förmågan hos vissa material att ackumulera elektrisk laddning som svar på pålagd mekanisk påfrestning. DNA är ett sådant material som uppvisar denna effekt. DNA är en biologisk molekyl som finns i alla levande organismer och består av fyra nukleotidbaser: adenin (A), guanin (G), cytosin (C) och tymin (T).
DNA är en komplex molekyl som kan användas för att generera elektrisk laddning när den utsätts för mekanisk stress. Detta beror på det faktum att DNA-molekyler är sammansatta av två strängar av nukleotider som hålls samman av vätebindningar. När dessa bindningar bryts genereras elektrisk laddning.
Den piezoelektriska effekten av DNA har använts i en mängd olika tillämpningar, inklusive:
• Generera elektricitet för medicinska implantat
• Detektera och mäta mekaniska krafter i celler
• Utveckling av sensorer i nanoskala
• Skapa biosensorer för DNA-sekvensering
• Generera ultraljudsvågor för avbildning
Den piezoelektriska effekten av DNA undersöks också för dess potentiella användning i utvecklingen av nya material, såsom nanotrådar och nanorör. Dessa material kan användas för en mängd olika tillämpningar, inklusive energilagring och avkänning.
Den piezoelektriska effekten av DNA har studerats omfattande och har visat sig vara mycket känslig för mekanisk stress. Detta gör det till ett värdefullt verktyg för forskare och ingenjörer som vill utveckla nya material och teknologier.
Sammanfattningsvis är DNA ett material som uppvisar den piezoelektriska effekten, vilket är förmågan att ackumulera elektrisk laddning som svar på applicerad mekanisk stress. Denna effekt har använts i en mängd olika tillämpningar, inklusive medicinska implantat, sensorer i nanoskala och DNA-sekvensering. Det undersöks också för dess potentiella användning i utvecklingen av nya material, såsom nanotrådar och nanorör.
Proteiner
Piezoelektricitet är förmågan hos vissa material att ackumulera elektrisk laddning som svar på pålagd mekanisk påfrestning. Piezoelektriska material, såsom proteiner, kristaller, keramik och biologiskt material som ben och DNA, uppvisar denna effekt. Proteiner, i synnerhet, är ett unikt piezoelektriskt material, eftersom de är sammansatta av en komplex struktur av aminosyror som kan deformeras för att generera elektrisk laddning.
Proteiner är den vanligaste typen av piezoelektriskt material, och de finns i en mängd olika former. De kan hittas i form av enzymer, hormoner och antikroppar, såväl som i form av strukturella proteiner som kollagen och keratin. Proteiner finns också i form av muskelproteiner, som är ansvariga för muskelsammandragning och avslappning.
Den piezoelektriska effekten av proteiner beror på det faktum att de är sammansatta av en komplex struktur av aminosyror. När dessa aminosyror deformeras genererar de elektrisk laddning. Denna elektriska laddning kan sedan användas för att driva en mängd olika enheter, såsom sensorer och ställdon.
Proteiner används också i en mängd olika medicinska tillämpningar. Till exempel används de för att upptäcka förekomsten av vissa proteiner i kroppen, som kan användas för att diagnostisera sjukdomar. De används också för att upptäcka förekomsten av vissa bakterier och virus, som kan användas för att diagnostisera infektioner.
Proteiner används också i en mängd olika industriella tillämpningar. De används till exempel för att skapa sensorer och ställdon för en mängd olika industriella processer. De används också för att skapa material som kan användas vid konstruktion av flygplan och andra fordon.
Sammanfattningsvis är proteiner ett unikt piezoelektriskt material som kan användas i en mängd olika tillämpningar. De är sammansatta av en komplex struktur av aminosyror som kan deformeras för att generera elektrisk laddning, och de används i en mängd olika medicinska och industriella tillämpningar.
Energiskörd med piezoelektricitet
I det här avsnittet kommer jag att diskutera hur piezoelektricitet kan användas för att skörda energi. Jag kommer att titta på de olika tillämpningarna av piezoelektricitet, från piezoelektrisk bläckstråleutskrift till klockgeneratorer och mikrovågar. Jag kommer också att utforska historien om piezoelektricitet, från dess upptäckt av Pierre Curie till dess användning under andra världskriget. Slutligen kommer jag att diskutera det nuvarande tillståndet för den piezoelektriska industrin och potentialen för ytterligare tillväxt.
Piezoelektrisk bläckstråleutskrift
Piezoelektricitet är förmågan hos vissa material att generera en elektrisk laddning som svar på pålagd mekanisk påkänning. Ordet 'piezoelektricitet' kommer från de grekiska orden 'piezein' (att pressa eller trycka) och 'elektron' (bärnsten), en gammal källa till elektrisk laddning. Piezoelektriska material, såsom kristaller, keramik och biologiskt material som ben och DNA, används i en mängd olika tillämpningar.
Piezoelektricitet används för att generera högspänningselektricitet, som en klockgenerator, i elektroniska enheter och i mikrovågar. Den används också för att driva ultraljudsmunstycken och optiska enheter för ultrafin fokusering. Piezoelektrisk bläckstråleutskrift är en populär tillämpning av denna teknik. Detta är en typ av utskrift som använder piezoelektriska kristaller för att generera en högfrekvent vibration, som används för att mata ut bläckdroppar på en sida.
Upptäckten av piezoelektricitet går tillbaka till 1880, när de franska fysikerna Jacques och Pierre Curie upptäckte effekten. Sedan dess har den piezoelektriska effekten utnyttjats för en mängd användbara tillämpningar. Piezoelektricitet används i vardagliga föremål som gasmatlagnings- och värmeapparater, facklor, cigarettändare och pickuper i elektroniskt förstärkta gitarrer och triggers i moderna elektroniska trummor.
Piezoelektricitet används också i vetenskaplig forskning. Det är grunden för skanning av sondmikroskop, som används för att lösa bilder på en skala av atomer. Den används också i ultraljudsreflektometrar i tidsdomän, som skickar ultraljudspulser in i ett material och mäter reflektionerna för att upptäcka diskontinuiteter och hitta brister inuti gjutna metall- och stenföremål.
Utvecklingen av piezoelektriska enheter och material har drivits av behovet av bättre prestanda och enklare tillverkningsprocesser. I USA har utvecklingen av kvartskristaller för kommersiellt bruk varit en viktig faktor i tillväxten av den piezoelektriska industrin. Däremot har japanska tillverkare snabbt kunnat dela information och utveckla nya applikationer, vilket lett till snabb tillväxt på den japanska marknaden.
Piezoelektricitet har revolutionerat vårt sätt att använda energi, från vardagliga föremål som tändare till avancerad vetenskaplig forskning. Det är en mångsidig teknologi som har gjort det möjligt för oss att utforska och utveckla nya material och applikationer, och den kommer att fortsätta att vara en viktig del av våra liv i många år framöver.
Generering av högspänningselektricitet
Piezoelektricitet är förmågan hos vissa fasta material att ackumulera elektrisk laddning som svar på pålagd mekanisk påkänning. Ordet 'piezoelektricitet' kommer från de grekiska orden 'piezein' som betyder 'pressa' eller 'pressa' och 'ēlektron' som betyder 'bärnsten', en gammal källa till elektrisk laddning. Piezoelektricitet är en linjär elektromekanisk interaktion mellan mekaniska och elektriska tillstånd i kristallina material med inversionssymmetri.
Den piezoelektriska effekten är en reversibel process; material som uppvisar piezoelektricitet uppvisar också den omvända piezoelektriska effekten, den interna genereringen av mekanisk påkänning som är ett resultat av ett pålagt elektriskt fält. Till exempel genererar blyzirkonat-titanatkristaller mätbar piezoelektricitet när deras statiska struktur deformeras från sin ursprungliga dimension. Omvänt kan kristaller ändra sin statiska dimension när ett externt elektriskt fält appliceras, ett fenomen som kallas den omvända piezoelektriska effekten, som används vid produktion av ultraljudsvågor.
Den piezoelektriska effekten används i en mängd olika tillämpningar, inklusive generering av högspänningselektricitet. Piezoelektriska material används vid produktion och detektering av ljud, i piezoelektrisk bläckstråleutskrift, i klockgeneratorer, i elektroniska enheter, i mikrovågar, i drivande ultraljudsmunstycken och i optiska enheter med ultrafin fokusering.
Piezoelektricitet används också i vardagliga applikationer, som att generera gnistor för att antända gas i matlagnings- och värmeapparater, i facklor, cigarettändare och pyroelektriska effektmaterial, som genererar elektrisk potential som svar på en temperaturförändring. Denna effekt studerades av Carl Linnaeus och Franz Aepinus i mitten av 18-talet, med hjälp av kunskap från René Haüy och Antoine César Becquerel, som ansåg ett samband mellan mekanisk stress och elektrisk laddning, även om deras experiment visade sig vara ofullständiga.
Den kombinerade kunskapen om pyroelektricitet och förståelsen av de underliggande kristallstrukturerna gav upphov till förutsägelsen av pyroelektricitet och förmågan att förutsäga kristallbeteende. Detta visades av effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochellesalt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat och kvarts uppvisade också piezoelektricitet, och en piezoelektrisk skiva användes för att generera en spänning när den deformerades. Detta var kraftigt överdrivet i Curies demonstration av den direkta piezoelektriska effekten.
Bröderna Pierre och Jacques Curie fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektroelastomekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller. I decennier förblev piezoelektricitet en nyfikenhet i laboratoriet, men det var ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie. Deras arbete med att utforska och definiera kristallstrukturerna som uppvisade piezoelektricitet kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturliga kristallklasserna som kan piezoelektricitet och strikt definierade de piezoelektriska konstanterna med hjälp av tensoranalys.
Den praktiska tillämpningen av piezoelektriska enheter började med utvecklingen av ekolod under första världskriget. I Frankrike utvecklade Paul Langevin och hans medarbetare en ubåtsdetektor med ultraljud. Detektorn bestod av en givare gjord av tunna kvartskristaller noggrant limmade på stålplåtar, och en hydrofon för att detektera det returnerade ekot. Genom att sända ut en högfrekvent puls från givaren och mäta den tid det tar att höra ekot av ljudvågorna som studsar mot ett föremål, kunde de beräkna objektets avstånd. De använde piezoelektricitet för att göra ekolodet till en framgång, och projektet skapade en intensiv utveckling och intresse för piezoelektriska enheter under de följande decennierna.
Nya piezoelektriska material och nya tillämpningar för dessa material utforskades och utvecklades. Piezoelektriska enheter hittade hem inom en mängd olika områden, till exempel keramiska fonografkassetter, vilket förenklade spelardesignen och gjorde det till billigare, mer exakta skivspelare som var billigare att underhålla och enklare att bygga. Utvecklingen av ultraljudsomvandlare möjliggjorde enkel mätning av viskositet och elasticitet hos vätskor och fasta ämnen, vilket resulterade i enorma framsteg inom materialforskning. Ultraljudsreflektometrar för tidsdomän skickar en ultraljudspuls in i ett material och mäter reflektioner och diskontinuiteter för att hitta brister inuti gjutna metall- och stenföremål, vilket förbättrar den strukturella säkerheten.
Under andra världskriget upptäckte oberoende forskargrupper i USA, Ryssland och Japan en ny klass av syntetiska material som kallas fer
Klockgenerator
Piezoelektricitet är förmågan hos vissa material att ackumulera elektrisk laddning som svar på pålagd mekanisk påfrestning. Detta fenomen har använts för att skapa ett antal användbara applikationer, inklusive klockgeneratorer. Klockgeneratorer är enheter som använder piezoelektricitet för att generera elektriska signaler med exakt timing.
Klockgeneratorer används i en mängd olika tillämpningar, såsom i datorer, telekommunikationer och bilsystem. De används också i medicinsk utrustning, som pacemakers, för att säkerställa korrekt timing av elektriska signaler. Klockgeneratorer används också inom industriell automation och robotik, där exakt timing är avgörande.
Den piezoelektriska effekten är baserad på den linjära elektromekaniska interaktionen mellan mekaniska och elektriska tillstånd i kristallina material med inversionssymmetri. Denna effekt är reversibel, vilket innebär att material som uppvisar piezoelektricitet också kan generera mekanisk påkänning när ett elektriskt fält appliceras. Detta är känt som den omvända piezoelektriska effekten och används för att producera ultraljudsvågor.
Klockgeneratorer använder denna omvända piezoelektriska effekt för att generera elektriska signaler med exakt timing. Det piezoelektriska materialet deformeras av ett elektriskt fält, vilket får det att vibrera med en viss frekvens. Denna vibration omvandlas sedan till en elektrisk signal, som används för att generera en exakt tidssignal.
Klockgeneratorer används i en mängd olika applikationer, från medicinsk utrustning till industriell automation. De är pålitliga, exakta och lätta att använda, vilket gör dem till ett populärt val för många applikationer. Piezoelektricitet är en viktig del av modern teknik, och klockgeneratorer är bara en av många tillämpningar av detta fenomen.
Elektroniska enheter
Piezoelektricitet är förmågan hos vissa fasta material att ackumulera elektrisk laddning som svar på pålagd mekanisk påkänning. Detta fenomen, känt som den piezoelektriska effekten, används i en mängd olika elektroniska enheter, från pickuper i elektroniskt förstärkta gitarrer till triggers i moderna elektroniska trummor.
Piezoelektricitet kommer från de grekiska orden πιέζειν (piezein) som betyder "pressa" eller "pressa" och ἤλεκτρον (ēlektron) som betyder "bärnsten", en gammal källa till elektrisk laddning. Piezoelektriska material är kristaller, keramik och biologiskt material såsom ben och DNA-proteiner, som uppvisar den piezoelektriska effekten.
Den piezoelektriska effekten är en linjär elektromekanisk interaktion mellan mekaniska och elektriska tillstånd i kristallina material med inversionssymmetri. Det är en reversibel process, vilket innebär att material som uppvisar den piezoelektriska effekten också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, vilket är den interna genereringen av mekanisk påkänning som härrör från ett pålagt elektriskt fält. Till exempel genererar blyzirkonat-titanatkristaller mätbar piezoelektricitet när deras statiska struktur deformeras från sin ursprungliga dimension. Omvänt kan kristaller ändra sin statiska dimension när ett externt elektriskt fält appliceras, ett fenomen som kallas den omvända piezoelektriska effekten, som används vid produktion av ultraljudsvågor.
Upptäckten av piezoelektricitet tillskrivs de franska fysikerna Pierre och Jacques Curie, som demonstrerade den direkta piezoelektriska effekten 1880. Deras kombinerade kunskap om pyroelektricitet och förståelse av de underliggande kristallstrukturerna gav upphov till förutsägelsen av den pyroelektriska effekten, och förmågan att förutsäga. Kristallbeteende visades med effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochelle-salt.
Piezoelektricitet har använts i en mängd olika vardagliga applikationer, som att generera gnistor för att antända gas i matlagnings- och värmeanordningar, facklor, cigarettändare och pyroelektriska effektmaterial som genererar elektrisk potential som svar på en temperaturförändring. Detta studerades av Carl Linnaeus och Franz Aepinus i mitten av 18-talet, med hjälp av kunskap från René Haüy och Antoine César Becquerel, som ansåg ett samband mellan mekanisk spänning och elektrisk laddning. Experiment visade sig dock inte vara avgörande, tills synen på en piezokristall på Curie-kompensatormuseet i Skottland visade den direkta piezoelektriska effekten av bröderna Curie.
Piezoelektricitet används i en mängd olika elektroniska enheter, från pickuper i elektroniskt förstärkta gitarrer till triggers i moderna elektroniska trummor. Den används också vid produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift, generering av högspänningselektricitet, klockgeneratorer, mikrovågar, drivande ultraljudsmunstycken och optiska enheter med ultrafin fokusering. Piezoelektricitet är också grunden för skanningsprobmikroskop, som används för att lösa upp bilder i atomskala.
Mikrobalanser
Piezoelektricitet är förmågan hos vissa fasta material att ackumulera elektrisk laddning som svar på pålagd mekanisk påkänning. Piezoelektricitet kommer från de grekiska orden πιέζειν (piezein), som betyder "pressa" eller "pressa", och ἤλεκτρον (ēlektron), som betyder "bärnsten", en gammal källa till elektrisk laddning.
Piezoelektricitet används i en mängd olika vardagliga tillämpningar, som att generera gnistor för att antända gas för matlagnings- och uppvärmningsanordningar, facklor, cigarettändare och mer. Det används också vid produktion och detektering av ljud och vid piezoelektrisk bläckstråleutskrift.
Piezoelektricitet används också för att generera högspänningselektricitet och är grunden för klockgeneratorer och elektroniska enheter som mikrovågar. Piezoelektricitet används också för att driva ultraljudsmunstycken och optiska enheter med ultrafin fokusering.
Upptäckten av piezoelektricitet tillskrivs de franska fysikerna Jacques och Pierre Curie 1880. Bröderna Curie kombinerade sin kunskap om pyroelektricitet och sin förståelse av de underliggande kristallstrukturerna för att ge upphov till begreppet piezoelektricitet. De kunde förutsäga kristallbeteendet och visade effekten i kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochelle-salt.
Den piezoelektriska effekten utnyttjades för användbara tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud. Utvecklingen av ekolod under första världskriget var ett stort genombrott i användningen av piezoelektricitet. Efter andra världskriget upptäckte oberoende forskargrupper i USA, Ryssland och Japan en ny klass av syntetiska material som kallas ferroelektriska ämnen, som uppvisade piezoelektriska konstanter upp till tio gånger högre än naturliga material.
Detta ledde till intensiv forskning och utveckling av bariumtitanat och senare blyzirkonattitanatmaterial, som hade specifika egenskaper för särskilda applikationer. Ett betydande exempel på användningen av piezoelektriska kristaller utvecklades vid Bell Telephone Laboratories efter andra världskriget.
Frederick R. Lack, som arbetade på radiotelefoniteknikavdelningen, utvecklade en skuren kristall som fungerade över ett brett temperaturområde. Lacks kristall behövde inte de tunga tillbehören från tidigare kristaller, vilket underlättade användningen i flygplan. Denna utveckling gjorde det möjligt för de allierade flygvapnen att delta i samordnade massattacker med hjälp av flygradio.
Utvecklingen av piezoelektriska enheter och material i USA höll flera företag i affärer, och utvecklingen av kvartskristaller utnyttjades kommersiellt. Piezoelektriska material har sedan dess använts i en mängd olika applikationer, inklusive medicinsk bildbehandling, ultraljudsrengöring och mer.
Driv ultraljudsmunstycke
Piezoelektricitet är den elektriska laddningen som ackumuleras i vissa fasta material som kristaller, keramik och biologiskt material som ben och DNA. Det är ett svar på applicerad mekanisk påfrestning och kommer från de grekiska orden 'piezein', som betyder 'pressa' eller 'pressa', och 'elektron', som betyder 'bärnsten', en gammal källa till elektrisk laddning.
Den piezoelektriska effekten är en linjär elektromekanisk interaktion mellan de mekaniska och elektriska tillstånden hos kristallina material med inversionssymmetri. Det är en reversibel process, vilket innebär att material som uppvisar den piezoelektriska effekten också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, vilket är den interna genereringen av mekanisk påkänning som härrör från ett pålagt elektriskt fält. Ett exempel på detta är blyzirkonat-titanatkristaller, som genererar mätbar piezoelektricitet när deras statiska struktur deformeras från sin ursprungliga dimension. Omvänt, när ett externt elektriskt fält appliceras, ändrar kristallerna sin statiska dimension, vilket resulterar i den omvända piezoelektriska effekten, som är produktionen av ultraljudsvågor.
De franska fysikerna Jacques och Pierre Curie upptäckte piezoelektricitet 1880 och den har sedan dess utnyttjats för en mängd användbara tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud. Piezoelektricitet finner också vardagliga användningsområden, som att generera gnistor för att antända gas i matlagnings- och värmeapparater, facklor, cigarettändare och mer.
Den pyroelektriska effekten, som är det material som genererar en elektrisk potential som svar på en temperaturförändring, studerades av Carl Linnaeus, Franz Aepinus och mitten av 18-talet hämtade kunskap från René Haüy och Antoine César Becquerel som ansåg förhållandet mellan mekanisk stress och elektrisk laddning. Experiment för att bevisa detta var osäkra.
Utsikten över en piezokristall i Curie Compensator på Hunterian Museum i Skottland är en demonstration av den direkta piezoelektriska effekten av bröderna Pierre och Jacques Curie. Att kombinera deras kunskap om pyroelektricitet och förstå de underliggande kristallstrukturerna gav upphov till förutsägelsen av pyroelektricitet och tillät dem att förutsäga kristallbeteendet. Detta visades med effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochelle-salt. Natrium- och kaliumtartrat-tetrahydrat och kvarts uppvisade också piezoelektricitet, och en piezoelektrisk skiva användes för att generera en spänning när den deformerades. Detta överdrevs kraftigt av Curies för att förutsäga den omvända piezoelektriska effekten, som matematiskt härleddes från grundläggande termodynamiska principer av Gabriel Lippmann 1881.
The Curies bekräftade omedelbart förekomsten av den omvända effekten och fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektroelastomekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller. I decennier förblev piezoelektricitet en laboratoriekuriosa, men var ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie i deras arbete med att utforska och definiera kristallstrukturer som uppvisade piezoelektricitet. Detta kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturliga kristallklasserna som kan piezoelektricitet och strikt definierade de piezoelektriska konstanterna genom tensoranalys.
Den praktiska tillämpningen av piezoelektriska enheter började med ekolod, som utvecklades under första världskriget. I Frankrike utvecklade Paul Langevin och hans medarbetare en ubåtsdetektor med ultraljud. Detektorn bestod av en givare gjord av tunna kvartskristaller noggrant limmade på stålplåtar, en så kallad hydrofon, för att detektera det returnerade ekot efter att ha avgett en högfrekvent puls. Genom att mäta tiden det tar att höra ekot av ljudvågor som studsar mot ett föremål, kunde de beräkna avståndet för föremålet. Denna användning av piezoelektricitet i ekolod var en framgång, och projektet skapade en intensiv utveckling och intresse för piezoelektriska enheter i decennier.
Nya piezoelektriska material och nya tillämpningar för dessa material utforskades och utvecklades, och piezoelektriska enheter hittade hem inom områden som keramiska grammofonkassetter, vilket förenklade spelardesignen och gjorde för billigare, mer exakta skivspelare som var billigare att underhålla och enklare att bygga . Utvecklingen av ultraljudsomvandlare möjliggjorde enkel mätning av viskositet och elasticitet hos vätskor och fasta ämnen, vilket resulterade i enorma framsteg inom materialforskning. Ultraljudsreflektometrar för tidsdomän skickar en ultraljudspuls genom ett material och mäter reflektioner och diskontinuiteter för att hitta brister inuti gjutna metall- och stenföremål
Ultrafina fokuserande optiska enheter
Piezoelektricitet är förmågan hos vissa material att ackumulera elektrisk laddning när de utsätts för mekanisk påfrestning. Det är en linjär elektromekanisk interaktion mellan elektriska och mekaniska tillstånd av kristallina material med inversionssymmetri. Piezoelektricitet är en reversibel process, vilket innebär att material som uppvisar piezoelektricitet också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, vilket är den interna genereringen av mekanisk påkänning som härrör från ett pålagt elektriskt fält.
Piezoelektricitet har använts i en mängd olika tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud och generering av högspänningselektricitet. Piezoelektricitet används också i bläckstråleutskrift, klockgeneratorer, elektroniska enheter, mikrovågar, drivande ultraljudsmunstycken och optiska enheter för ultrafin fokusering.
Piezoelektricitet upptäcktes 1880 av de franska fysikerna Jacques och Pierre Curie. Den piezoelektriska effekten utnyttjas i användbara tillämpningar, såsom produktion och detektering av ljud och generering av högspänningselektricitet. Piezoelektrisk bläckstråleutskrift används också, liksom klockgeneratorer, elektroniska enheter, mikrovågar, drivande ultraljudsmunstycken och optiska enheter med ultrafin fokusering.
Piezoelektricitet har hittat sin väg till vardagsbruk, som att generera gnistor för att antända gas för matlagnings- och uppvärmningsanordningar, facklor, cigarettändare och pyroelektriska effektmaterial som genererar elektrisk potential som svar på en temperaturförändring. Denna effekt studerades av Carl Linnaeus och Franz Aepinus i mitten av 18-talet, med hjälp av kunskap från René Haüy och Antoine César Becquerel som ansåg ett samband mellan mekanisk spänning och elektrisk laddning. Experiment visade sig inte vara avgörande.
Utsikten över en piezokristall i Curie Compensator på Hunterian Museum i Skottland är en demonstration av den direkta piezoelektriska effekten av bröderna Pierre och Jacques Curie. I kombination med deras kunskap om pyroelektricitet och deras förståelse av de underliggande kristallstrukturerna, gav de upphov till förutsägelsen av pyroelektricitet och förmågan att förutsäga kristallbeteende. Detta visades i effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochellesalt.
Natrium- och kaliumtartrat-tetrahydrat, och kvarts och Rochelle-salt uppvisade piezoelektricitet, och en piezoelektrisk skiva användes för att generera en spänning när den deformerades, även om formförändringen var kraftigt överdriven. The Curies förutspådde den omvända piezoelektriska effekten, och den omvända effekten härleddes matematiskt från grundläggande termodynamiska principer av Gabriel Lippmann 1881. The Curies bekräftade omedelbart förekomsten av den omvända effekten och fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektro- elastomekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller.
I decennier förblev piezoelektricitet en nyfikenhet i laboratoriet tills den blev ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie. Deras arbete med att utforska och definiera de kristallstrukturer som uppvisade piezoelektricitet kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Detta beskrev de naturliga kristallklasserna som kan piezoelektricitet och definierade noggrant de piezoelektriska konstanterna med användning av tensoranalys för praktisk tillämpning av piezoelektriska enheter.
Utvecklingen av ekolod var ett framgångsprojekt som skapade en intensiv utveckling och intresse för piezoelektriska enheter. Decennier senare utforskades och utvecklades nya piezoelektriska material och nya tillämpningar för dessa material. Piezoelektriska enheter hittade hem inom en mängd olika områden, till exempel keramiska fonografkassetter, vilket förenklade spelardesignen och gjorde skivspelare billigare och enklare att underhålla och bygga. Utvecklingen av ultraljudsomvandlare möjliggjorde enkel mätning av viskositet och elasticitet hos vätskor och fasta ämnen, vilket resulterade i enorma framsteg inom materialforskning. Ultraljudsreflektometrar för tidsdomän skickar en ultraljudspuls in i ett material och mäter reflektioner och diskontinuiteter för att hitta brister inuti gjutna metall- och stenföremål, vilket förbättrar den strukturella säkerheten.
Början av området för piezoelektricitetsintressen säkrades med de lönsamma patenten på nya material som utvecklats från kvartskristaller, som utnyttjades kommersiellt som ett piezoelektriskt material. Forskare sökte efter material med högre prestanda, och trots framsteg i material och mognad av tillverkningsprocesser, växte inte den amerikanska marknaden snabbt. Däremot delade japanska tillverkare information snabbt och nya applikationer för tillväxt i USA:s piezoelektriska industri drabbades i motsats till japanska tillverkare.
Piezoelektriska motorer
I det här avsnittet kommer jag att prata om hur piezoelektricitet används i modern teknik. Från scanningsprobmikroskop som kan lösa bilder i atomskala till pickuper för elektroniskt förstärkta gitarrer och triggers för moderna elektroniska trummor, piezoelektricitet har blivit en integrerad del av många enheter. Jag ska utforska historien om piezoelektricitet och hur den har använts i en mängd olika tillämpningar.
Bildar grund för skanningsprobmikroskop
Piezoelektricitet är den elektriska laddningen som ackumuleras i vissa fasta material, såsom kristaller, keramik och biologiskt material som ben och DNA. Det är svaret på applicerad mekanisk påfrestning, och ordet piezoelektricitet kommer från det grekiska ordet πιέζειν (piezein) som betyder "pressa" eller "pressa" och ἤλεκτρον (ēlektron) som betyder "bärnsten", en gammal källa till elektrisk laddning.
Piezoelektriska motorer är enheter som använder den piezoelektriska effekten för att generera rörelse. Denna effekt är den linjära elektromekaniska interaktionen mellan mekaniska och elektriska tillstånd i kristallina material med inversionssymmetri. Det är en reversibel process, vilket innebär att material som uppvisar den piezoelektriska effekten också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, vilket är den interna genereringen av mekanisk påkänning som härrör från ett pålagt elektriskt fält. Exempel på material som genererar mätbar piezoelektricitet är blyzirkonat-titanatkristaller.
Den piezoelektriska effekten utnyttjas i användbara applikationer, såsom produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift, generering av högspänningselektricitet, klockgeneratorer och elektroniska enheter som mikrovågar och drivande ultraljudsmunstycken för ultrafinfokuserande optiska sammansättningar. Det utgör också grunden för skanningsprobmikroskop, som används för att lösa upp bilder i atomskala.
Piezoelektricitet upptäcktes 1880 av de franska fysikerna Jacques och Pierre Curie. Utsikten över en piezokristall och Curie-kompensatorn kan ses på Hunterian Museum i Skottland, som är en demonstration av den direkta piezoelektriska effekten av bröderna Pierre och Jacques Curie.
Att kombinera deras kunskap om pyroelektricitet och deras förståelse av de underliggande kristallstrukturerna gav upphov till förutsägelsen av pyroelektricitet, vilket gjorde det möjligt för dem att förutsäga kristallbeteendet. Detta visades av effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochellesalt. Natrium- och kaliumtartrat-tetrahydrat, och kvarts och Rochelle-salt uppvisade piezoelektricitet, och en piezoelektrisk skiva användes för att generera en spänning när den deformerades, även om detta var kraftigt överdrivet av Curies.
De förutspådde också den omvända piezoelektriska effekten, och denna härleddes matematiskt från grundläggande termodynamiska principer av Gabriel Lippmann 1881. The Curies bekräftade omedelbart förekomsten av den omvända effekten och fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektroelasto- mekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller.
I decennier förblev piezoelektricitet en nyfikenhet i laboratoriet tills den blev ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie. Deras arbete med att utforska och definiera kristallstrukturerna som uppvisade piezoelektricitet kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturliga kristallklasserna som kan piezoelektricitet och strikt definierade de piezoelektriska konstanterna och tensoranalysen.
Detta ledde till den praktiska tillämpningen av piezoelektriska enheter, såsom ekolod, som utvecklades under första världskriget. I Frankrike utvecklade Paul Langevin och hans medarbetare en ubåtsdetektor med ultraljud. Denna detektor bestod av en omvandlare gjord av tunna kvartskristaller noggrant limmade på stålplåtar, och en hydrofon för att detektera det returnerade ekot efter att ha utsänt en högfrekvent puls från omvandlaren. Genom att mäta tiden det tar att höra ekot av ljudvågorna som studsar mot ett föremål, kunde de beräkna avståndet för föremålet. De använde piezoelektricitet för att göra detta ekolod till en framgång, och projektet skapade en intensiv utveckling och intresse för piezoelektriska enheter i decennier.
Nya piezoelektriska material och nya applikationer för dessa material utforskades och utvecklades, och piezoelektriska enheter hittade hem inom många områden, till exempel keramiska grammofonkassetter, vilket förenklade spelardesignen och gjorde för billigare och mer exakta skivspelare som var billigare att underhålla och enklare. att bygga. Utvecklingen av ultraljudsomvandlare möjliggjorde enkel mätning av viskositet och elasticitet hos vätskor och fasta ämnen, vilket resulterade i enorma framsteg inom materialforskning. Ultraljudsreflektometrar för tidsdomän skickar en ultraljudspuls in i ett material och mäter reflektioner och diskontinuiteter för att hitta brister inuti gjutna metall- och stenföremål, vilket förbättrar den strukturella säkerheten.
Under andra världskriget, oberoende forskargrupper i USA
Lös bilder i skala av atomer
Piezoelektricitet är den elektriska laddningen som ackumuleras i vissa fasta material som kristaller, keramik och biologiskt material som ben och DNA. Det är ett svar på applicerad mekanisk påfrestning och kommer från det grekiska ordet "piezein", som betyder att klämma eller pressa. Den piezoelektriska effekten är resultatet av den linjära elektromekaniska interaktionen mellan de mekaniska och elektriska tillstånden i kristallina material med inversionssymmetri.
Piezoelektricitet är en reversibel process, och material som uppvisar den piezoelektriska effekten uppvisar också den omvända piezoelektriska effekten, vilket är den interna genereringen av mekanisk påkänning som härrör från ett pålagt elektriskt fält. Exempel på detta inkluderar blyzirkonat-titanatkristaller, som genererar mätbar piezoelektricitet när deras statiska struktur deformeras från sin ursprungliga dimension. Omvänt ändrar kristaller sin statiska dimension när ett externt elektriskt fält appliceras, vilket är känt som den omvända piezoelektriska effekten och används vid produktion av ultraljudsvågor.
De franska fysikerna Jacques och Pierre Curie upptäckte piezoelektricitet 1880. Den piezoelektriska effekten har utnyttjats för en mängd användbara tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift, generering av högspänningselektricitet, klockgeneratorer och elektroniska enheter som t.ex. mikrovågar och drivande ultraljudsmunstycken. Det utgör också grunden för skanningsprobmikroskop, som används för att lösa upp bilder i atomskala.
Piezoelektricitet används också i vardagliga applikationer, som att generera gnistor för att antända gas i matlagnings- och värmeapparater, facklor, cigarettändare och mer. Den pyroelektriska effekten, som är ett material som genererar en elektrisk potential som svar på en temperaturförändring, studerades av Carl Linnaeus och Franz Aepinus i mitten av 18-talet. Med hjälp av kunskapen från René Haüy och Antoine César Becquerel ansåg de ett samband mellan mekanisk påfrestning och elektrisk laddning, men deras experiment visade sig inte vara avgörande.
Besökare på Hunterian Museum i Glasgow kan se en Curie-kompensator i piezokristall, en demonstration av den direkta piezoelektriska effekten av bröderna Pierre och Jacques Curie. I kombination med deras kunskap om pyroelektricitet och förståelse för de underliggande kristallstrukturerna, gav de upphov till förutsägelsen av pyroelektricitet och förmågan att förutsäga kristallbeteende. Detta visades av effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochellesalt. Natrium- och kaliumtartrat-tetrahydrat samt kvarts- och Rochellesalt uppvisade piezoelektricitet, och en piezoelektrisk skiva genererar en spänning när den deformeras, även om formförändringen är kraftigt överdriven. The Curies kunde förutsäga den omvända piezoelektriska effekten, och den omvända effekten härleddes matematiskt från grundläggande termodynamiska principer av Gabriel Lippmann 1881.
The Curies bekräftade omedelbart förekomsten av den omvända effekten och fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektroelastomekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller. I decennier förblev piezoelektricitet en nyfikenhet i laboratoriet, men det var ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie. Deras arbete med att utforska och definiera kristallstrukturer som uppvisade piezoelektricitet kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics).
Pickuper elektroniskt förstärkta gitarrer
Piezoelektriska motorer är elektriska motorer som använder den piezoelektriska effekten för att omvandla elektrisk energi till mekanisk energi. Den piezoelektriska effekten är förmågan hos vissa material att generera en elektrisk laddning när de utsätts för mekanisk påfrestning. Piezoelektriska motorer används i en mängd olika applikationer, från att driva små enheter som klockor och klockor till att driva större maskiner som robotar och medicinsk utrustning.
Piezoelektriska motorer används i pickuper elektroniskt förstärkta gitarrer. Dessa pickuper använder den piezoelektriska effekten för att omvandla gitarrsträngarnas vibrationer till en elektrisk signal. Denna signal förstärks sedan och skickas till en förstärkare, som producerar ljudet från gitarren. Piezoelektriska pickuper används också i moderna elektroniska trummor, där de används för att upptäcka vibrationerna från trumhuvudena och omvandla dem till en elektrisk signal.
Piezoelektriska motorer används också i skanningsprobmikroskop, som använder den piezoelektriska effekten för att flytta en liten sond över en yta. Detta gör att mikroskopet kan lösa bilder i atomskala. Piezoelektriska motorer används också i bläckstråleskrivare, där de används för att flytta skrivhuvudet fram och tillbaka över sidan.
Piezoelektriska motorer används i en mängd andra applikationer, inklusive medicinsk utrustning, fordonskomponenter och konsumentelektronik. De används också i industriella tillämpningar, såsom vid tillverkning av precisionsdelar och vid montering av komplexa komponenter. Den piezoelektriska effekten används också vid produktion av ultraljudsvågor, som används vid medicinsk bildbehandling och vid upptäckt av brister i material.
Sammantaget används piezoelektriska motorer i ett brett spektrum av applikationer, från att driva små enheter till att driva större maskiner. De används i pickuper elektroniskt förstärkta gitarrer, moderna elektroniska trummor, skanningsprobmikroskop, bläckstråleskrivare, medicinsk utrustning, fordonskomponenter och konsumentelektronik. Den piezoelektriska effekten används också vid produktion av ultraljudsvågor och vid upptäckt av brister i material.
Utlöser moderna elektroniska trummor
Piezoelektricitet är den elektriska laddningen som ackumuleras i vissa fasta material som kristaller, keramik och biologiskt material som ben och DNA. Det är dessa materials svar på applicerad mekanisk påfrestning. Ordet piezoelektricitet kommer från det grekiska ordet "piezein", som betyder "att klämma eller trycka", och ordet "elektron", som betyder "bärnsten", en gammal källa till elektrisk laddning.
Piezoelektriska motorer är enheter som använder den piezoelektriska effekten för att generera rörelse. Denna effekt är resultatet av den linjära elektromekaniska interaktionen mellan de mekaniska och elektriska tillstånden hos kristallina material med inversionssymmetri. Det är en reversibel process, vilket innebär att material som uppvisar den piezoelektriska effekten också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, vilket är den interna genereringen av mekanisk påkänning som härrör från ett pålagt elektriskt fält. Ett exempel på detta är blyzirkonat-titanatkristaller, som genererar mätbar piezoelektricitet när deras statiska struktur deformeras från sin ursprungliga dimension. Omvänt, när ett externt elektriskt fält appliceras, ändrar kristallerna sin statiska dimension, vilket producerar ultraljudsvågor.
Piezoelektriska motorer används i en mängd olika vardagliga applikationer, såsom:
• Genererar gnistor för att antända gas i matlagnings- och värmeapparater
• Ficklampor, cigarettändare och material med pyroelektrisk effekt
• Genererar elektrisk potential som svar på temperaturförändringar
• Produktion och detektering av ljud
• Piezoelektrisk bläckstråleutskrift
• Generering av högspänningsel
• Klockgenerator och elektroniska enheter
• Mikrovågar
• Driv ultraljudsmunstycken och ultrafina fokuserande optiska enheter
• Ligger till grund för scanningsprobmikroskop
• Lös upp bilder i skalan av atomer
• Pickuper elektroniskt förstärkta gitarrer
• Utlöser moderna elektroniska trummor.
Elektromekanisk modellering av piezoelektriska givare
I det här avsnittet kommer jag att utforska den elektromekaniska modelleringen av piezoelektriska givare. Jag kommer att titta på historien om upptäckten av piezoelektricitet, experimenten som bevisade dess existens och utvecklingen av piezoelektriska enheter och material. Jag kommer också att diskutera bidragen från de franska fysikerna Pierre och Jacques Curie, Carl Linnaeus och Franz Aepinus, Rene Hauy och Antoine Cesar Becquerel, Gabriel Lippmann och Woldemar Voigt.
De franska fysikerna Pierre och Jacques Curie
Piezoelektricitet är ett elektromekaniskt fenomen där elektrisk laddning ackumuleras i vissa fasta material som kristaller, keramik och biologiskt material som ben och DNA. Denna laddning genereras som svar på en applicerad mekanisk påkänning. Ordet 'piezoelektricitet' kommer från det grekiska ordet 'piezein', som betyder 'pressa eller pressa', och 'elektron', som betyder 'bärnsten', en gammal källa till elektrisk laddning.
Den piezoelektriska effekten är resultatet av en linjär elektromekanisk interaktion mellan mekaniska och elektriska tillstånd i material med inversionssymmetri. Denna effekt är reversibel, vilket innebär att material som uppvisar den piezoelektriska effekten också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, där intern generering av mekanisk påkänning produceras som svar på ett pålagt elektriskt fält. Till exempel genererar blyzirkonat-titanatkristaller mätbar piezoelektricitet när deras statiska struktur deformeras från sin ursprungliga dimension. Omvänt, när ett externt elektriskt fält appliceras, ändrar kristallerna sin statiska dimension, vilket producerar ultraljudsvågor i den process som kallas den omvända piezoelektriska effekten.
År 1880 upptäckte de franska fysikerna Pierre och Jacques Curie den piezoelektriska effekten och den har sedan dess utnyttjats för en mängd användbara tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift, generering av högspänningselektricitet, klockgeneratorer och elektroniska enheter som mikrovågar och drivande ultraljudsmunstycken för ultrafinfokuserande optiska sammansättningar. Det ligger också till grund för scanning av sondmikroskop, som kan lösa bilder i atomskala. Piezoelektricitet används också i pickuper för elektroniskt förstärkta gitarrer och triggers för moderna elektroniska trummor.
Piezoelektricitet finner också vardagliga användningsområden, som att generera gnistor för att antända gas i matlagnings- och värmeapparater, facklor, cigarettändare och mer. Den pyroelektriska effekten, där ett material genererar en elektrisk potential som svar på en temperaturförändring, studerades av Carl Linnaeus och Franz Aepinus i mitten av 18-talet, med utgångspunkt i kunskapen hos René Hauy och Antoine César Becquerel, som ansåg ett förhållande mellan mekanisk stress och elektrisk laddning, även om deras experiment visade sig vara osäkra.
Genom att kombinera sin kunskap om pyroelektricitet med en förståelse för de underliggande kristallstrukturerna kunde Curies ge upphov till förutsägelsen av pyroelektricitet och förutsäga kristallernas beteende. Detta visades i effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochellesalt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat och kvarts uppvisade också piezoelektricitet. En piezoelektrisk skiva genererar en spänning när den deformeras, även om detta är kraftigt överdrivet i Curies demonstration. De kunde också förutsäga den omvända piezoelektriska effekten och matematiskt härleda den från grundläggande termodynamiska principer av Gabriel Lippmann 1881.
The Curies bekräftade omedelbart förekomsten av den omvända effekten och fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektroelastomekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller. Under decennierna som följde förblev piezoelektricitet en laboratoriekuriosa tills den blev ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie. Deras arbete med att utforska och definiera kristallstrukturerna som uppvisade piezoelektricitet kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts "Lehrbuch der Kristallphysik" (Lärobok i Kristallfysik).
Experiment visade sig vara osäkra
Piezoelektricitet är ett elektromekaniskt fenomen där elektrisk laddning ackumuleras i vissa fasta material, såsom kristaller, keramik och biologiskt material som ben och DNA. Det är svaret på applicerad mekanisk påfrestning, och ordet 'piezoelektricitet' kommer från de grekiska orden 'piezein', som betyder 'att pressa eller pressa', och 'ēlektron', som betyder 'bärnsten', en gammal källa till elektrisk laddning.
Den piezoelektriska effekten är resultatet av den linjära elektromekaniska interaktionen mellan de mekaniska och elektriska tillstånden hos kristallina material med inversionssymmetri. Det är en reversibel process; material som uppvisar den piezoelektriska effekten uppvisar också den omvända piezoelektriska effekten, som är den interna genereringen av mekanisk påkänning som härrör från ett pålagt elektriskt fält. Till exempel genererar blyzirkonat-titanatkristaller mätbar piezoelektricitet när deras statiska struktur deformeras från sin ursprungliga dimension. Omvänt kan kristaller ändra sin statiska dimension när ett externt elektriskt fält appliceras, känd som den omvända piezoelektriska effekten, som används vid produktion av ultraljudsvågor.
De franska fysikerna Pierre och Jacques Curie upptäckte piezoelektricitet 1880. Den har sedan dess utnyttjats för en mängd användbara tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift, generering av högspänningselektricitet, klockgeneratorer och elektroniska enheter som mikrovågor , driva ultraljudsmunstycken och ultrafina fokuseringsoptiska enheter. Det utgör också grunden för skanningssondmikroskop, som kan lösa bilder i atomskala. Piezoelektricitet används också i pickuper för elektroniskt förstärkta gitarrer, och triggers för moderna elektroniska trummor.
Piezoelektricitet används dagligen för att generera gnistor för att antända gas i matlagnings- och värmeapparater, facklor, cigarettändare och mer. Den pyroelektriska effekten, i vilken ett material genererar en elektrisk potential som svar på en temperaturförändring, studerades av Carl Linnaeus och Franz Aepinus i mitten av 18-talet, med utgångspunkt i kunskapen från René Hauy och Antoine César Becquerel, som ansåg ett förhållande. mellan mekanisk spänning och elektrisk laddning. Experiment visade sig inte vara avgörande.
Den kombinerade kunskapen om pyroelektricitet och förståelsen av de underliggande kristallstrukturerna gav upphov till förutsägelsen av pyroelektricitet och förmågan att förutsäga kristallernas beteende. Detta visades i effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochellesalt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat och kvarts uppvisade också piezoelektricitet, och en piezoelektrisk skiva användes för att generera en spänning när den deformerades. Detta var kraftigt överdrivet i Curies demonstration av den direkta piezoelektriska effekten.
Bröderna Pierre och Jacques Curie förutspådde den omvända piezoelektriska effekten, och den omvända effekten härleddes matematiskt från grundläggande termodynamiska principer av Gabriel Lippmann 1881. The Curies bekräftade omedelbart förekomsten av den omvända effekten och fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibilitet av elektroelastomekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller.
I decennier förblev piezoelektricitet en nyfikenhet i laboratoriet, men det var ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie. Deras arbete med att utforska och definiera de kristallstrukturer som uppvisade piezoelektricitet kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Detta beskrev de naturliga kristallklasserna som kan piezoelektricitet och definierade noggrant de piezoelektriska konstanterna med hjälp av tensoranalys. Detta var den första praktiska tillämpningen av piezoelektriska givare, och ekolod utvecklades under första världskriget. I Frankrike utvecklade Paul Langevin och hans medarbetare en ubåtsdetektor med ultraljud.
Carl Linnaeus och Franz Aepinus
Piezoelektricitet är ett elektromekaniskt fenomen där elektrisk laddning ackumuleras i vissa fasta material som kristaller, keramik och biologiskt material som ben och DNA. Denna laddning genereras som svar på applicerad mekanisk påkänning. Ordet piezoelektricitet kommer från de grekiska orden πιέζειν (piezein) som betyder "att klämma eller trycka" och ἤλεκτρον (ēlektron) som betyder "bärnsten", en uråldrig källa till elektrisk laddning.
Den piezoelektriska effekten är resultatet av en linjär elektromekanisk interaktion mellan de mekaniska och elektriska tillstånden hos kristallina material med inversionssymmetri. Denna effekt är reversibel, vilket innebär att material som uppvisar piezoelektricitet också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, vilket är den interna genereringen av mekanisk påkänning som härrör från ett pålagt elektriskt fält. Till exempel genererar blyzirkonat-titanatkristaller mätbar piezoelektricitet när deras statiska struktur deformeras från sin ursprungliga dimension. Omvänt kan kristaller ändra sin statiska dimension när ett externt elektriskt fält appliceras, vilket är känt som den omvända piezoelektriska effekten och används vid produktion av ultraljudsvågor.
År 1880 upptäckte de franska fysikerna Jacques och Pierre Curie den piezoelektriska effekten och den har sedan dess utnyttjats för många användbara tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift, generering av högspänningselektricitet, klockgeneratorer, elektroniska enheter, mikrovågor , driva ultraljudsmunstycken och ultrafina fokuseringsoptiska enheter. Det ligger också till grund för skanningsprobmikroskop, som används för att lösa upp bilder i atomskala. Piezoelektricitet används också i pickuper för elektroniskt förstärkta gitarrer och triggers för moderna elektroniska trummor.
Piezoelektricitet finns också i vardagsbruk, som att generera gnistor för att antända gas i matlagnings- och värmeapparater, facklor, cigarettändare och den pyroelektriska effekten, som är när ett material genererar en elektrisk potential som svar på en temperaturförändring. Denna effekt studerades av Carl Linnaeus och Franz Aepinus i mitten av 18-talet, med hjälp av kunskap från René Hauy och Antoine César Becquerel, som ansåg ett samband mellan mekanisk stress och elektrisk laddning, även om deras experiment visade sig vara osäkra.
Utsikten över en piezokristall i Curie-kompensatorn på Hunterian Museum i Skottland är en demonstration av den direkta piezoelektriska effekten av bröderna Pierre och Jacques Curie. Att kombinera deras kunskap om pyroelektricitet med en förståelse för de underliggande kristallstrukturerna gav upphov till förutsägelsen av pyroelektricitet och förmågan att förutsäga kristallbeteendet. Detta visades av effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochellesalt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat och kvarts från Rochelle-salt uppvisade piezoelektricitet, och en piezoelektrisk skiva genererar en spänning när den deformeras, även om detta är kraftigt överdrivet i Curies demonstration.
Förutsägelsen av den omvända piezoelektriska effekten och dess matematiska härledning från grundläggande termodynamiska principer gjordes av Gabriel Lippmann 1881. The Curies bekräftade omedelbart förekomsten av den omvända effekten och fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektroelasto- mekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller. I decennier förblev piezoelektricitet en laboratoriekuriosa tills den blev ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie, som använde den för att utforska och definiera kristallstrukturer som uppvisade piezoelektricitet. Detta kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturliga kristallklasserna som kan piezoelektricitet och strikt definierade de piezoelektriska konstanterna med hjälp av tensoranalys.
Denna praktiska tillämpning av piezoelektriska givare ledde till utvecklingen av ekolod under första världskriget. I Frankrike utvecklade Paul Langevin och hans medarbetare en ubåtsdetektor med ultraljud. Detektorn bestod av en givare gjord av tunna kvartskristaller noggrant limmade på stålplåtar, och en hydrofon för att detektera det returnerade ekot efter att ha avgett en högfrekvent puls från givaren. Genom att mäta tiden det tar att höra ekot av ljudvågor som studsar mot ett föremål, kunde de beräkna avståndet för föremålet. De använde piezoelektricitet för att göra detta ekolod till en framgång, och projektet skapade en intensiv utveckling och intresse för piezoelektriska enheter
Rene Hauy och Antoine Cesar Becquerel
Piezoelektricitet är ett elektromekaniskt fenomen som uppstår när vissa fasta material, såsom kristaller, keramik och biologiskt material som ben och DNA, ackumulerar elektrisk laddning som svar på pålagd mekanisk stress. Piezoelektricitet kommer från det grekiska ordet 'piezein', som betyder 'att pressa eller trycka', och 'elektron', som betyder 'bärnsten', en gammal källa till elektrisk laddning.
Den piezoelektriska effekten är resultatet av en linjär elektromekanisk interaktion mellan mekaniska och elektriska tillstånd i kristallina material med inversionssymmetri. Denna effekt är reversibel, vilket innebär att material som uppvisar den piezoelektriska effekten också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, eller intern generering av mekanisk påkänning som är ett resultat av ett pålagt elektriskt fält. Till exempel genererar blyzirkonat-titanatkristaller mätbar piezoelektricitet när deras statiska struktur deformeras från sin ursprungliga dimension. Omvänt kan kristaller ändra sin statiska dimension när ett externt elektriskt fält appliceras, vilket resulterar i den omvända piezoelektriska effekten och produktionen av ultraljudsvågor.
De franska fysikerna Pierre och Jacques Curie upptäckte den piezoelektriska effekten 1880. Denna effekt har utnyttjats för en mängd användbara tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift, generering av högspänningselektricitet, klockgeneratorer och elektroniska enheter som mikrovågor, drivande ultraljudsmunstycken och optiska enheter för ultrafin fokusering. Det utgör också grunden för skanningsprobmikroskop, som kan lösa bilder på en skala av atomer. Piezoelektricitet används också i pickuper för elektroniskt förstärkta gitarrer, och triggers för moderna elektroniska trummor.
Den piezoelektriska effekten studerades först av Carl Linnaeus och Franz Aepinus i mitten av 18-talet, med hjälp av kunskap från Rene Hauy och Antoine Cesar Becquerel, som ansåg ett samband mellan mekanisk stress och elektrisk laddning. Experiment visade sig dock inte vara avgörande. I kombination med kunskap om pyroelektricitet och förståelse för de underliggande kristallstrukturerna, gav detta upphov till förutsägelse av pyroelektricitet och förmågan att förutsäga kristallbeteende. Detta visades i effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochellesalt. Natriumkaliumtartrat-tetrahydrat och kvarts uppvisade också piezoelektricitet, och en piezoelektrisk skiva användes för att generera en spänning när den deformerades. Denna effekt var kraftigt överdriven i Curies demonstration på Museum of Scotland, som visade den direkta piezoelektriska effekten.
Bröderna Pierre och Jacques Curie fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektroelastomekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller. I decennier förblev piezoelektricitet en laboratoriekuriosa, tills den blev ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie. Detta arbete utforskade och definierade kristallstrukturerna som uppvisade piezoelektricitet, som kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Lärobok i Kristallfysik).
The Curies bekräftade omedelbart förekomsten av den omvända effekten och fortsatte med att matematiskt härleda de grundläggande termodynamiska principerna för den omvända effekten. Detta gjordes av Gabriel Lippmann 1881. Piezoelektricitet användes sedan för att utveckla ekolod under första världskriget. I Frankrike utvecklade Paul Langevin och hans medarbetare en ubåtsdetektor med ultraljud. Denna detektor bestod av en givare gjord av tunna kvartskristaller noggrant limmade på stålplåtar, och en hydrofon för att detektera det returnerade ekot. Genom att sända ut en högfrekvent puls från givaren och mäta tiden det tar att höra ekot av ljudvågorna som studsar mot ett föremål, kunde de beräkna avståndet till föremålet.
Användningen av piezoelektriska kristaller utvecklades ytterligare av Bell Telephone Laboratories efter andra världskriget. Frederick R. Lack, som arbetade på radiotelefoniteknikavdelningen, utvecklade en skuren kristall som kunde fungera över ett brett temperaturområde. Lacks kristall behövde inte de tunga tillbehören från tidigare kristaller, vilket underlättade användningen i flygplan. Denna utveckling gjorde det möjligt för de allierade flygvapnen att delta i samordnade massattacker med hjälp av flygradio. Utvecklingen av piezoelektriska anordningar och material i USA höll företag i utvecklingen av krigstidens början på fältet, och intressen i att säkra lönsamma patent på nya material utvecklades. Kvartskristaller utnyttjades kommersiellt som ett piezoelektriskt material, och forskare sökte efter material med högre prestanda. Trots framsteg i material och mognad av tillverkningsprocesser, USA
Gabriel Lippmann
Piezoelektricitet är ett elektromekaniskt fenomen där elektrisk laddning ackumuleras i vissa fasta material, såsom kristaller, keramik och biologiskt material som ben och DNA. Det är resultatet av en interaktion mellan mekaniska och elektriska tillstånd i material med inversionssymmetri. Piezoelektricitet upptäcktes först av de franska fysikerna Pierre och Jacques Curie 1880.
Piezoelektricitet har utnyttjats för en mängd användbara tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift och generering av högspänningselektricitet. Piezoelektricitet kommer från de grekiska orden πιέζειν (piezein) som betyder "pressa eller pressa" och ἤλεκτρον (ēlektron) som betyder "bärnsten", en gammal källa till elektrisk laddning.
Den piezoelektriska effekten är reversibel, vilket innebär att material som uppvisar piezoelektricitet också uppvisar den omvända piezoelektriska effekten, i vilken den interna genereringen av mekanisk påkänning är ett resultat av appliceringen av ett elektriskt fält. Till exempel genererar blyzirkonat-titanatkristaller mätbar piezoelektricitet när deras statiska struktur deformeras från sin ursprungliga dimension. Omvänt kan kristaller ändra sin statiska dimension när ett externt elektriskt fält appliceras, en process som kallas den omvända piezoelektriska effekten. Denna process kan användas för att producera ultraljudsvågor.
Den piezoelektriska effekten har studerats sedan mitten av 18-talet, när Carl Linnaeus och Franz Aepinus, med utgångspunkt i René Hauys och Antoine César Becquerels kunskap, ansåg ett samband mellan mekanisk spänning och elektrisk laddning. Experiment visade sig dock inte vara avgörande. Det var inte förrän den kombinerade kunskapen om pyroelektricitet och en förståelse för de underliggande kristallstrukturerna gav upphov till förutsägelsen av pyroelektricitet som forskare kunde förutsäga kristallbeteende. Detta visades av effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochellesalt.
Gabriel Lippmann, 1881, härledde matematiskt de grundläggande termodynamiska principerna för den omvända piezoelektriska effekten. The Curies bekräftade omedelbart förekomsten av den omvända effekten och fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektroelastomekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller.
I decennier förblev piezoelektricitet en nyfikenhet i laboratoriet tills den blev ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre och Marie Curie. Deras arbete med att utforska och definiera de kristallstrukturer som uppvisade piezoelektricitet kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics). Detta beskrev de naturliga kristallklasserna som kan piezoelektricitet och definierade noggrant de piezoelektriska konstanterna med tensoranalys.
Den praktiska tillämpningen av piezoelektriska enheter började med utvecklingen av ekolod under första världskriget. Paul Langevin och hans medarbetare utvecklade en ubåtsdetektor med ultraljud. Denna detektor bestod av en givare gjord av tunna kvartskristaller noggrant limmade på stålplåtar, och en hydrofon för att detektera det returnerade ekot. Genom att sända ut en högfrekvent puls från givaren och mäta tiden det tar att höra ekot av ljudvågor som studsar mot ett föremål, kunde de beräkna avståndet till föremålet. Denna användning av piezoelektricitet för ekolod var en framgång, och projektet skapade ett intensivt utvecklingsintresse för piezoelektriska enheter. Under årtiondena har nya piezoelektriska material och nya tillämpningar för dessa material utforskats och utvecklats. Piezoelektriska enheter hittade hem inom en mängd olika områden, från keramiska fonografkassetter som förenklade spelardesign och gjorde billiga, exakta skivspelare billigare att underhålla och enklare att bygga, till utvecklingen av ultraljudsgivare som gjorde det enkelt att mäta vätskors viskositet och elasticitet. och fasta ämnen, vilket resulterar i enorma framsteg inom materialforskning. Ultraljudsreflektometrar för tidsdomän skickar en ultraljudspuls in i ett material och mäter reflektioner och diskontinuiteter för att hitta brister inuti gjutna metall- och stenföremål, vilket förbättrar den strukturella säkerheten.
Efter andra världskriget upptäckte oberoende forskargrupper i USA, Ryssland och Japan en ny klass av syntetiska material som kallas ferroelektriska ämnen som uppvisade piezoelektriska konstanter upp till tio gånger högre än naturliga material. Detta ledde till intensiv forskning för att utveckla bariumtitanat, och senare blyzirkonattitanat, material med specifika egenskaper för särskilda applikationer. Ett betydande exempel på användningen av piezoelektriska kristaller utvecklades
Woldemar Voigt
Piezoelektricitet är ett elektromekaniskt fenomen där elektrisk laddning ackumuleras i vissa fasta material, såsom kristaller, keramik och biologiskt material som ben och DNA. Denna laddning genereras som svar på en applicerad mekanisk påkänning. Ordet piezoelektricitet kommer från det grekiska ordet "piezein", som betyder "pressa eller trycka" och "elektron", som betyder "bärnsten", en gammal källa till elektrisk laddning.
Den piezoelektriska effekten är resultatet av en linjär elektromekanisk interaktion mellan de mekaniska och elektriska tillstånden hos kristallina material med inversionssymmetri. Denna effekt är reversibel, vilket innebär att material som uppvisar piezoelektricitet också uppvisar en omvänd piezoelektrisk effekt, där den interna genereringen av mekanisk påkänning är ett resultat av ett pålagt elektriskt fält. Till exempel genererar blyzirkonat-titanatkristaller mätbar piezoelektricitet när deras statiska struktur deformeras från sin ursprungliga dimension. Omvänt kan kristaller ändra sin statiska dimension när ett externt elektriskt fält appliceras, ett fenomen som kallas den omvända piezoelektriska effekten, som används vid produktion av ultraljudsvågor.
De franska fysikerna Pierre och Jacques Curie upptäckte piezoelektricitet 1880. Den piezoelektriska effekten har sedan dess utnyttjats för en mängd användbara tillämpningar, inklusive produktion och detektering av ljud, piezoelektrisk bläckstråleutskrift, generering av högspänningselektricitet, klockgeneratorer och elektroniska enheter som mikrovågar och drivande ultraljudsmunstycken för ultrafin fokusering av optiska enheter. Det utgör också grunden för skanningssondmikroskop, som kan lösa bilder i atomskala. Dessutom använder pickuper i elektroniskt förstärkta gitarrer och triggers i moderna elektroniska trummor den piezoelektriska effekten.
Piezoelektricitet hittar också daglig användning för att generera gnistor för att antända gas i matlagnings- och värmeapparater, i facklor, cigarettändare och mer. Den pyroelektriska effekten, där ett material genererar en elektrisk potential som svar på en temperaturförändring, studerades av Carl Linnaeus och Franz Aepinus i mitten av 18-talet, med utgångspunkt i kunskap från Rene Hauy och Antoine Cesar Becquerel, som ansåg ett samband mellan mekaniska stress och elektrisk laddning. Experiment för att bevisa detta förhållande visade sig inte vara avgörande.
Utsikten över en piezokristall i Curie-kompensatorn på Hunterian Museum i Skottland är en demonstration av den direkta piezoelektriska effekten av bröderna Pierre och Jacques Curie. Att kombinera sin kunskap om pyroelektricitet med en förståelse för de underliggande kristallstrukturerna gav upphov till förutsägelsen av pyroelektricitet, vilket gjorde det möjligt för dem att förutsäga kristallbeteendet de visade i effekten av kristaller som turmalin, kvarts, topas, rörsocker och Rochelle-salt . Natrium- och kaliumtartrat-tetrahydrat och kvarts uppvisade också piezoelektricitet, och en piezoelektrisk skiva användes för att generera en spänning när den deformerades. Denna formförändring var kraftigt överdriven i Curies demonstration, och de fortsatte med att förutsäga den omvända piezoelektriska effekten. Den omvända effekten härleddes matematiskt från grundläggande termodynamiska principer av Gabriel Lippmann 1881.
The Curies bekräftade omedelbart förekomsten av den omvända effekten och fortsatte med att erhålla kvantitativa bevis för den fullständiga reversibiliteten av elektroelastomekaniska deformationer i piezoelektriska kristaller. Under decennierna som följde förblev piezoelektricitet en laboratoriekuriosa, tills den blev ett viktigt verktyg i upptäckten av polonium och radium av Pierre Marie Curie, som använde den för att utforska och definiera kristallstrukturer som uppvisade piezoelektricitet. Detta kulminerade i publiceringen av Woldemar Voigts Lehrbuch der Kristallphysik (Textbook of Crystal Physics), som beskrev de naturliga kristallklasserna som kan piezoelektricitet och strikt definierade de piezoelektriska konstanterna med hjälp av tensoranalys.
Detta ledde till den praktiska tillämpningen av piezoelektriska enheter, såsom ekolod, som utvecklades under första världskriget. I Frankrike utvecklade Paul Langevin och hans medarbetare en ubåtsdetektor med ultraljud. Denna detektor bestod av en omvandlare gjord av tunna kvartskristaller noggrant limmade på stålplåtar, och en hydrofon för att detektera det returnerade ekot efter att ha utsänt en högfrekvent puls från omvandlaren. Genom att mäta tiden det tar att höra ekot av ljudvågorna som studsar mot ett föremål, kunde de beräkna avståndet till föremålet. De använde piezoelektricitet för att göra detta ekolod till en framgång, och projektet skapade en intensiv utveckling och intresse för.
Viktiga relationer
- Piezoelektriska ställdon: Piezoelektriska ställdon är enheter som omvandlar elektrisk energi till mekanisk rörelse. De används ofta i robotik, medicinsk utrustning och andra applikationer där exakt rörelsekontroll krävs.
- Piezoelektriska sensorer: Piezoelektriska sensorer används för att mäta fysiska parametrar som tryck, acceleration och vibrationer. De används ofta i industriella och medicinska tillämpningar, såväl som i konsumentelektronik.
- Piezoelektricitet i naturen: Piezoelektricitet är ett naturligt förekommande fenomen i vissa material och finns i många levande organismer. Det används av vissa organismer för att känna av sin miljö och för att kommunicera med andra organismer.
Slutsats
Piezoelektricitet är ett fantastiskt fenomen som har använts i en mängd olika applikationer, från ekolod till fonografkassetter. Det har studerats sedan mitten av 1800-talet och har använts med stor effekt i utvecklingen av modern teknik. Det här blogginlägget har utforskat historien och användningarna av piezoelektricitet, och har belyst betydelsen av detta fenomen i utvecklingen av modern teknik. För dem som är intresserade av att lära sig mer om piezoelektricitet är det här inlägget en bra utgångspunkt.
Jag är Joost Nusselder, grundaren av Neaera och en innehållsmarknadsförare, pappa och älskar att testa ny utrustning med gitarr i hjärtat av min passion, och tillsammans med mitt team har jag skapat djupgående bloggartiklar sedan 2020 för att hjälpa trogna läsare med inspelningar och gitarrtips.
