П’єзоелектрика: вичерпний посібник із розуміння її механіки та застосування

П’єзоелектрика — це здатність певних матеріалів виробляти електрику під час механічного впливу і навпаки. Слово походить від грецького п’єзо, що означає тиск і електрику. Вперше його виявили в 1880 році, але концепція відома вже давно.

Найвідомішим прикладом п’єзоелектрики є кварц, але багато інших матеріалів також демонструють це явище. Найпоширенішим застосуванням п'єзоелектрики є виробництво ультразвуку.

У цій статті я обговорю, що таке п’єзоелектрика, як вона працює та деякі з багатьох практичних застосувань цього дивовижного явища.

Що таке п'єзоелектрика?

П’єзоелектрика — це здатність певних матеріалів генерувати електричний заряд у відповідь на прикладену механічну дію. Це лінійна електромеханічна взаємодія між механічними та електричними станами в кристалічних матеріалах з інверсійною симетрією. П’єзоелектричні матеріали можуть бути використані для генерації електроенергії високої напруги, тактових генераторів, електронних пристроїв, мікровагів, приводу ультразвукових сопел і надтонких фокусуючих оптичних вузлів.

П’єзоелектричні матеріали включають кристали, певну кераміку, біологічну речовину, як-от кістка та ДНК, і білки. Коли до п’єзоелектричного матеріалу прикладається сила, він створює електричний заряд. Потім цей заряд можна використовувати для живлення пристроїв або створення напруги.

П'єзоелектричні матеріали використовуються в різних сферах застосування, зокрема:
• Виробництво та виявлення звуку
• П'єзоелектричний струменевий друк
• Виробництво електроенергії високої напруги
• Тактові генератори
• Електронні пристрої
• Мікроваги
• Привід ультразвукових насадок
• Оптичні вузли надтонкого фокусування
• Пікапи для гітар з електронним підсиленням
• Тригери для сучасних електронних барабанів
• Виробництво іскри для запалювання газу
• Варильні та нагрівальні прилади
• Смолоскипи та запальнички.

Яка історія п'єзоелектрики?

П'єзоелектрику відкрили в 1880 році французькі фізики Жак і П'єр Кюрі. Це електричний заряд, який накопичується в певних твердих матеріалах, таких як кристали, кераміка та біологічна речовина, у відповідь на механічний вплив. Слово «п’єзоелектрика» походить від грецького слова «piezein», що означає «стиск» або «прес», і «elektron», що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду.

П’єзоелектричний ефект є результатом лінійної електромеханічної взаємодії між механічним і електричним станами кристалічних матеріалів з інверсійною симетрією. Це оборотний процес, тобто матеріали, які виявляють п’єзоелектрику, також виявляють зворотний п’єзоелектричний ефект, який є внутрішнім генеруванням механічної деформації в результаті прикладеного електричного поля.

Об’єднані знання подружжя Кюрі про піроелектрику та розуміння основних кристалічних структур дали початок передбаченню піроелектрики та здатності передбачати поведінку кристала. Це було продемонстровано на ефекті таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль.

Подружжя Кюрі негайно підтвердило існування зворотного ефекту, а потім отримало кількісне підтвердження повної оборотності електроеластомеханічних деформацій у п’єзоелектричних кристалах. Протягом десятиліть п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, поки не стала життєво важливим інструментом у відкритті П’єром і Марією Кюрі полонію та радію.

П’єзоелектрика використовується для багатьох корисних застосувань, включаючи виробництво та виявлення звуку, п’єзоелектричний струменевий друк, генерування електроенергії високої напруги, генератори годинника та електронні пристрої, мікроваги, привод ультразвукових сопел, надточне фокусування оптичних вузлів і форми основа скануючих зондових мікроскопів для розділення зображень у масштабі атомів.

П’єзоелектрика також знаходить повсякденне застосування, наприклад, генерування іскор для запалювання газу в кухонних і нагрівальних пристроях, факелах, запальничках, а також піроелектричний ефект, коли матеріал генерує електричний потенціал у відповідь на зміну температури.

Розвиток гідролокатора під час Першої світової війни ознаменувався використанням п’єзоелектричних кристалів, розроблених Bell Telephone Laboratories. Це дозволило військово-повітряним силам союзників брати участь у скоординованих масових атаках за допомогою авіаційного радіо. Розробка п'єзоелектричних пристроїв і матеріалів у Сполучених Штатах утримувала компанії, що почали розвиватися під час війни, у сфері інтересів, забезпечуючи прибуткові патенти на нові матеріали.

Японія побачила нові застосування та зростання п’єзоелектричної промисловості Сполучених Штатів і швидко розробила власну. Вони швидко обмінювалися інформацією та розробили титанат барію, а пізніше цирконат титанат свинцю зі специфічними властивостями для певних застосувань.

П’єзоелектрика пройшла довгий шлях з моменту свого відкриття в 1880 році і зараз використовується в різноманітних повсякденних додатках. Його також використовували для досягнення успіхів у дослідженні матеріалів, таких як ультразвукові рефлектометри у часовій області, які посилають ультразвуковий імпульс через матеріал для вимірювання відображень і розривів, щоб знайти дефекти всередині литих металевих і кам’яних об’єктів, покращуючи безпеку конструкції.

Як працює п'єзоелектрика

У цьому розділі я досліджу, як працює п’єзоелектрика. Я розглядаю накопичення електричного заряду в твердих тілах, лінійну електромеханічну взаємодію та оборотний процес, які утворюють це явище. Я також обговорюватиму історію п’єзоелектрики та її застосування.

Накопичення електричного заряду в твердих тілах

П’єзоелектрика — це електричний заряд, який накопичується в певних твердих матеріалах, таких як кристали, кераміка та біологічні речовини, такі як кістки та ДНК. Це реакція на прикладений механічний вплив, а його назва походить від грецьких слів «piezein» (стискати або натискати) і «ēlektron» (янтар).

П’єзоелектричний ефект є результатом лінійної електромеханічної взаємодії між механічними та електричними станами в кристалічних матеріалах з інверсійною симетрією. Це оборотний процес, тобто матеріали, що виявляють п’єзоелектрику, також виявляють зворотний п’єзоелектричний ефект, коли внутрішня генерація механічної напруги є результатом прикладеного електричного поля. Приклади матеріалів, які генерують вимірювану п’єзоелектрику, включають кристали титанату цирконата свинцю.

Французькі фізики П’єр і Жак Кюрі відкрили п’єзоелектрику в 1880 році. Відтоді її використовували для різноманітних корисних застосувань, зокрема для виробництва та виявлення звуку, п’єзоелектричного струменевого друку, генерації електроенергії високої напруги, тактових генераторів та електронних пристроїв, таких як мікроваги. і приводні ультразвукові насадки для надтонкого фокусування оптичних вузлів. Він також є основою для скануючих зондових мікроскопів, які можуть розділяти зображення в масштабі атомів. П'єзоелектрика також використовується в звукознімачах для гітар з електронним підсиленням і тригерах для сучасних електронних барабанів.

П’єзоелектрика знаходить повсякденне застосування у створенні іскор для запалювання газу, у пристроях для приготування їжі та нагріванні, факелах, запальничках, а також у піроелектричному ефекті, коли матеріал генерує електричний потенціал у відповідь на зміну температури. Це було досліджено Карлом Ліннеєм і Францем Епіном у середині XVIII століття, спираючись на знання Рене Аюї та Антуана Сезара Беккереля, які встановили взаємозв’язок між механічною напругою та електричним зарядом. Експерименти виявилися безрезультатними.

Вигляд п’єзокристала в компенсаторі Кюрі в Музеї Хантера в Шотландії є демонстрацією прямого п’єзоелектричного ефекту. Брати П’єр і Жак Кюрі поєднали свої знання про піроелектрику з розумінням основних кристалічних структур, що дало початок передбаченню піроелектрики. Вони змогли передбачити поведінку кристалів і продемонстрували ефект у таких кристалах, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль. Тетрагідрат тартрату натрію калію та кварц також показали п’єзоелектрику. П’єзоелектричний диск генерує напругу при деформації, і зміна форми сильно перебільшена в демонстрації Кюрі.

Вони змогли передбачити зворотний п’єзоелектричний ефект, і зворотний ефект був математично виведений Габріелем Ліппманом у 1881 році. Подружжя Кюрі негайно підтвердило існування зворотного ефекту та продовжило отримання кількісних доказів повної оборотності електроеласто-ефекту. механічні деформації в п'єзокристалах.

Десятиліттями п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, але вона була життєво важливим інструментом у відкритті П’єром і Марією Кюрі полонію та радію. Їхня робота з дослідження та визначення кристалічних структур, що виявляють п’єзоелектрику, завершилася публікацією Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник з кристалічної фізики) Вольдемара Фойгта, у якій описано природні кристалічні класи, здатні створювати п’єзоелектрику, і чітко визначено п’єзоелектричні константи за допомогою тензорного аналізу. Це було практичне застосування п’єзоелектричних пристроїв, а гідролокатор був розроблений під час Першої світової війни. У Франції Поль Ланжевен і його співробітники розробили ультразвуковий детектор підводного човна.

Детектор складався з a перетворювач виготовлений із тонких кристалів кварцу, ретельно приклеєних до сталевих пластин, і гідрофон для виявлення відбитого ехо. Випромінюючи високий частота імпульс від перетворювача та вимірювання часу, необхідного для того, щоб почути відлуння звукових хвиль, що відбиваються від об’єкта, вони змогли обчислити відстань до об’єкта. Вони використовували п’єзоелектрику, щоб зробити ехолот успішним, і проект викликав інтенсивний розвиток і інтерес до п’єзоелектричних пристроїв. Протягом десятиліть досліджувалися та розроблялися нові п’єзоелектричні матеріали та нові сфери їх застосування, а п’єзоелектричні пристрої знайшли застосування в різних галузях. Керамічні картриджі для фонографа спростили конструкцію програвача та створили дешеві та точні програвачі, які були дешевшими в обслуговуванні та легшими у виготовленні.

Розробка ультразвукових перетворювачів дозволила легко вимірювати в’язкість і еластичність рідин і твердих речовин, що призвело до величезного прогресу в дослідженні матеріалів.

Лінійна електромеханічна взаємодія

П’єзоелектрика — це здатність певних матеріалів генерувати електричний заряд при механічному впливі. Це слово походить від грецьких слів πιέζειν (piezein), що означає «стискати або натискати», і ἤλεκτρον (ēlektron), що означає «янтар», який був стародавнім джерелом електричного заряду.

П'єзоелектрику відкрили в 1880 році французькі фізики Жак і П'єр Кюрі. Він заснований на лінійній електромеханічній взаємодії між механічним і електричним станами кристалічних матеріалів з інверсійною симетрією. Цей ефект є оборотним, тобто матеріали, які виявляють п’єзоелектрику, також виявляють зворотний п’єзоелектричний ефект, у результаті чого внутрішня генерація механічної деформації є результатом прикладеного електричного поля. Приклади матеріалів, які генерують вимірювану п’єзоелектрику при деформації їх статичної структури, включають кристали титанату цирконата свинцю. І навпаки, кристали можуть змінювати свої статичні розміри, коли прикладається зовнішнє електричне поле, що відоме як зворотний п’єзоелектричний ефект і використовується для виробництва ультразвукових хвиль.

Best strings for electric guitar

Share

Watch on

П’єзоелектрика використовується для різноманітних корисних застосувань, таких як:

• Виробництво та виявлення звуку
• П'єзоелектричний струменевий друк
• Виробництво електроенергії високої напруги
• Тактовий генератор
• Електронні пристрої
• Мікроваги
• Привід ультразвукових насадок
• Оптичні вузли надтонкого фокусування
• Формує основу скануючих зондових мікроскопів для розділення зображень у масштабі атомів
• Звукознімачі в гітарах з електронним підсиленням
• Тригери в сучасних електронних барабанах
• Утворення іскор для запалювання газу в приладах для приготування їжі та нагріванні
• Смолоскипи та запальнички

П’єзоелектрика також знаходить повсякденне застосування в піроелектричному ефекті, який є матеріалом, який генерує електричний потенціал у відповідь на зміну температури. Це було досліджено Карлом Ліннеєм і Францем Епіном у середині XVIII століття, спираючись на знання Рене Аюї та Антуана Сезара Беккереля, які встановили взаємозв’язок між механічною напругою та електричним зарядом. Однак експерименти виявилися безрезультатними.

Перегляд п'єзокристала в компенсаторі Кюрі в Хантеріанському музеї в Шотландії є демонстрацією прямого п'єзоелектричного ефекту. Це була робота братів П’єра та Жака Кюрі, яка досліджувала та визначала кристалічні структури, які виявляли п’єзоелектрику, кульмінацією якої стала публікація Вольдемара Фойгта Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник з фізики кристалів). Це описало класи природних кристалів, здатних до п’єзоелектрики, і чітко визначило п’єзоелектричні константи за допомогою тензорного аналізу, що призвело до практичного застосування п’єзоелектричних пристроїв.

Сонар був розроблений під час Першої світової війни, коли француз Поль Ланжевен і його колеги розробили ультразвуковий детектор підводного човна. Цей детектор складався з перетворювача, виготовленого з тонких кварцових кристалів, ретельно приклеєних до сталевих пластин, і гідрофону для виявлення відбитого відлуння після випромінювання високочастотного імпульсу від перетворювача. Вимірявши час, який потрібен, щоб почути відлуння звукових хвиль, що відбиваються від об’єкта, вони змогли обчислити відстань до об’єкта, використовуючи п’єзоелектрику. Успіх цього проекту викликав інтенсивний розвиток і інтерес до п’єзоелектричних пристроїв протягом десятиліть, з новими п’єзоелектричними матеріалами та новими застосуваннями для цих матеріалів, які вивчаються та розробляються. П’єзоелектричні пристрої знайшли застосування в багатьох галузях, наприклад, керамічні картриджі для фонографів, які спростили конструкцію програвачів і зробили дешевші та точніші програвачі, а також дешевші та простіші у створенні та обслуговуванні.

Розробка ультразвукових перетворювачів дозволила легко вимірювати в’язкість і пружність рідин і твердих речовин, що призвело до величезного прогресу в дослідженні матеріалів. Ультразвукові рефлектометри у часовій області посилають ультразвуковий імпульс у матеріал і вимірюють відбиття та розриви, щоб знайти дефекти всередині литих металевих і кам’яних об’єктів, підвищуючи надійність конструкції. Після Другої світової війни незалежні дослідницькі групи в Сполучених Штатах, Росії та Японії відкрили новий клас синтетичних матеріалів під назвою сегнетоелектрики, які демонстрували п’єзоелектричні константи у багато разів вищі, ніж у природних матеріалів. Це призвело до інтенсивних досліджень для розробки титанату барію, а пізніше цирконат-титанату свинцю, матеріалів зі специфічними властивостями для певних застосувань.

Вагомий приклад використання п'єзоелектричних кристалів був розроблений Bell Telephone Laboratories після Другої світової війни. Фредерік Р. Лекк, який працює в інженерному відділі радіотелефонії,

Оборотний процес

П’єзоелектрика — це електричний заряд, який накопичується в певних твердих матеріалах, таких як кристали, кераміка та біологічні речовини, такі як кістки та ДНК. Це реакція цих матеріалів на прикладене механічне навантаження. Слово «п’єзоелектрика» походить від грецьких слів «piezein», що означає «стиск» або «прес», і «ēlektron», що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду.

П’єзоелектричний ефект є результатом лінійної електромеханічної взаємодії між механічним і електричним станами кристалічних матеріалів з інверсійною симетрією. Це оборотний процес, тобто матеріали, які виявляють п’єзоелектрику, також виявляють зворотний п’єзоелектричний ефект, який є внутрішнім генеруванням механічної деформації в результаті прикладеного електричного поля. Приклади матеріалів, які генерують вимірювану п’єзоелектрику, включають кристали титанату цирконата свинцю. Коли статична структура цих кристалів деформується, вони повертаються до свого початкового розміру, і навпаки, коли прикладається зовнішнє електричне поле, вони змінюють свій статичний розмір, створюючи ультразвукові хвилі.

Французькі фізики Жак і П’єр Кюрі відкрили п’єзоелектрику в 1880 році. З тих пір її використовували для різноманітних корисних застосувань, включаючи створення та виявлення звуку, п’єзоелектричний струменевий друк, генерування електроенергії високої напруги, тактові генератори, електронні пристрої, мікроваги, приводні ультразвукові насадки, оптичні вузли надтонкої фокусування. Це також є основою для скануючих зондових мікроскопів, які можуть розділяти зображення в масштабі атомів. П'єзоелектрика також використовується в звукознімачах для гітар з електронним підсиленням і тригерах для сучасних електронних барабанів.

П’єзоелектрика також знаходить повсякденне застосування, наприклад, для генерування іскор для запалювання газу в приладах для приготування їжі та нагріванні, факелах, запальничках тощо. Піроелектричний ефект, коли матеріал генерує електричний потенціал у відповідь на зміну температури, вивчали Карл Лінней, Франц Епін і Рене Хаю в середині XVIII століття, спираючись на знання про бурштин. Антуан Сезар Беккерель встановив зв'язок між механічною напругою та електричним зарядом, але експерименти виявилися безрезультатними.

Відвідувачі Хантеріанського музею в Глазго можуть побачити п’єзокристалічний компенсатор Кюрі, демонстрацію прямого п’єзоелектричного ефекту братів П’єра та Жака Кюрі. Поєднання їхніх знань про піроелектрику з розумінням основних кристалічних структур дало початок передбаченню піроелектрики та здатності передбачати поведінку кристала. Це було продемонстровано з ефектом таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль. Тетрагідрат тартрату натрію та калію та кварц також демонстрували п’єзоелектрику, а п’єзоелектричний диск використовувався для генерування напруги при деформації. Ця зміна форми була значно перебільшена подружжям Кюрі, щоб передбачити зворотний п’єзоелектричний ефект. Зворотний ефект був математично виведений із фундаментальних термодинамічних принципів Габріелем Ліппманом у 1881 році.

Подружжя Кюрі негайно підтвердило існування зворотного ефекту, а потім отримало кількісне підтвердження повної оборотності електроеластомеханічних деформацій у п’єзоелектричних кристалах. Десятиліттями п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, але вона була життєво важливим інструментом у відкритті П’єром і Марією Кюрі полонію та радію. Їхня робота з дослідження та визначення кристалічних структур, які виявляють п’єзоелектрику, завершилася публікацією Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник з фізики кристалів) Вольдемара Фойгта. Це описало класи природних кристалів, здатних до п’єзоелектрики, і чітко визначило п’єзоелектричні константи за допомогою тензорного аналізу.

Практичне застосування п'єзоелектричних пристроїв, таких як гідролокатор, було розроблено під час Першої світової війни. У Франції Поль Ланжевен і його співробітники розробили ультразвуковий детектор підводних човнів. Цей детектор складався з перетворювача, виготовленого з тонких кварцових кристалів, ретельно приклеєних до сталевих пластин, і гідрофону для виявлення повернутої луни. Випромінюючи високочастотний імпульс із перетворювача та вимірюючи час, який потрібен, щоб почути відлуння звукових хвиль, що відбиваються від об’єкта, вони змогли обчислити відстань до об’єкта. Вони використовували п’єзоелектрику, щоб зробити цей ехолот успішним. Цей проект викликав інтенсивний розвиток і інтерес до п’єзоелектричних пристроїв, і протягом десятиліть були досліджені та розроблені нові п’єзоелектричні матеріали та нові застосування для цих матеріалів. П'єзоелектричні пристрої

Що викликає п'єзоелектрику?

У цьому розділі я досліджуватиму походження п’єзоелектрики та різні матеріали, які демонструють це явище. Я буду дивитися на грецьке слово «piezein», стародавнє джерело електричного заряду та ефект піроелектрики. Я також обговорюватиму відкриття П’єра та Жака Кюрі та розвиток п’єзоелектричних пристроїв у 20 столітті.

Грецьке слово Piezein

П’єзоелектрика — це накопичення електричного заряду в певних твердих матеріалах, таких як кристали, кераміка та біологічні речовини, такі як кістки та ДНК. Це викликано реакцією цих матеріалів на прикладене механічне навантаження. Слово «п’єзоелектрика» походить від грецького слова «piezein», що означає «стискати або натискати», і «ēlektron», що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду.

П’єзоелектричний ефект є результатом лінійної електромеханічної взаємодії між механічним і електричним станами кристалічних матеріалів з інверсійною симетрією. Це оборотний процес, тобто матеріали, що демонструють п’єзоелектрику, також демонструють зворотний п’єзоелектричний ефект, який є внутрішнім утворенням механічної деформації в результаті прикладеного електричного поля. Наприклад, кристали цирконат-титанату свинцю генерують вимірну п’єзоелектрику, коли їх статична структура деформується порівняно з початковим розміром. І навпаки, кристали можуть змінювати свій статичний розмір під час застосування зовнішнього електричного поля, що відоме як зворотний п’єзоелектричний ефект і є створенням ультразвукових хвиль.

Французькі фізики Жак і П’єр Кюрі відкрили п’єзоелектрику в 1880 році. П’єзоелектричний ефект використовувався для багатьох корисних застосувань, включаючи створення та виявлення звуку, п’єзоелектричний струменевий друк, генерування електроенергії високої напруги, тактові генератори та електронні пристрої, такі як мікроваги. , приводні ультразвукові сопла та оптичні вузли надтонкої фокусування. Він також є основою для скануючих зондових мікроскопів, які можуть розділяти зображення в масштабі атомів. П'єзоелектрика також використовується в звукознімачах для гітар з електронним підсиленням і тригерах для сучасних електронних барабанів.

П’єзоелектрика знаходить повсякденне застосування, наприклад, для генерування іскор для запалювання газу в приладах для приготування їжі та нагріванні, факелах, запальничках тощо. Піроелектричний ефект, який є утворенням електричного потенціалу у відповідь на зміну температури, вивчали Карл Лінней і Франц Епін в середині XVIII століття, спираючись на знання Рене Аюї та Антуана Сезара Беккереля, які встановили зв'язок між механічне навантаження та електричний заряд. Експерименти виявилися безрезультатними.

У музеї в Шотландії відвідувачі можуть побачити п’єзокристалічний компенсатор Кюрі, демонстрацію прямого п’єзоелектричного ефекту братів П’єра та Жака Кюрі. Поєднання їхніх знань про піроелектрику з розумінням основних кристалічних структур дало початок прогнозу піроелектрики та здатності передбачати поведінку кристала. Це було продемонстровано дією таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль. Тетрагідрат тартрату натрію калію та кварц з рошельської солі демонструють п’єзоелектрику, а п’єзоелектричний диск генерує напругу при деформації. Ця зміна форми сильно перебільшена в демонстрації Кюрі.

Подружжя Кюрі отримало кількісне підтвердження повної оборотності електроеластомеханічних деформацій у п’єзоелектричних кристалах. Протягом десятиліть п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, поки не стала життєво важливим інструментом у відкритті П’єром і Марією Кюрі полонію та радію. Їхня робота з дослідження та визначення кристалічних структур, які виявляють п’єзоелектрику, завершилася публікацією Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник з фізики кристалів) Вольдемара Фойгта. Це описало класи природних кристалів, здатних до п’єзоелектрики, і чітко визначило п’єзоелектричні константи за допомогою тензорного аналізу.

Це практичне застосування п’єзоелектрики призвело до розробки гідролокатора під час Першої світової війни. У Франції Поль Ланжевен та його колеги розробили ультразвуковий детектор підводного човна. Детектор складався з перетворювача, виготовленого з тонких кварцових кристалів, ретельно приклеєних до сталевих пластин, званих гідрофоном, для виявлення повернутої луни після випромінювання високочастотного імпульсу. Перетворювач вимірював час, який знадобився, щоб почути відлуння звукових хвиль, що відбиваються від об’єкта, щоб обчислити відстань до об’єкта. Використання п’єзоелектрики в ехолотах було успішним, і проект викликав інтенсивний розвиток і інтерес до п’єзоелектричних пристроїв протягом десятиліть.

Були досліджені та розроблені нові п’єзоелектричні матеріали та нові застосування для цих матеріалів, і п’єзоелектричні пристрої знайшли застосування в багатьох галузях, наприклад, керамічні фонографічні картриджі, які спростили конструкцію програвача та створили дешевші, точніші програвачі, які були дешевшими в обслуговуванні та простішими. будувати. Розвиток

Стародавнє джерело електричного заряду

П’єзоелектрика — це електричний заряд, який накопичується в певних твердих матеріалах, таких як кристали, кераміка та біологічні речовини, такі як кістки та ДНК. Це викликано реакцією матеріалу на прикладене механічне навантаження. Слово «п’єзоелектрика» походить від грецького слова «piezein», що означає «стискати або тиснути», і слова «elektron», що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду.

П’єзоелектричний ефект є результатом лінійної електромеханічної взаємодії між механічним і електричним станами кристалічних матеріалів з інверсійною симетрією. Це оборотний процес, тобто матеріали, що демонструють п’єзоелектрику, також демонструють зворотний п’єзоелектричний ефект, який є внутрішнім утворенням механічної деформації в результаті прикладеного електричного поля. Наприклад, кристали цирконат-титанату свинцю генерують вимірну п’єзоелектрику, коли їх статична структура деформується порівняно з початковим розміром. І навпаки, коли прикладається зовнішнє електричне поле, кристали змінюють свій статичний розмір у зворотному п’єзоелектричному ефекті, створюючи ультразвукові хвилі.

П'єзоелектричний ефект був відкритий в 1880 році французькими фізиками Жаком і П'єром Кюрі. Він використовується для різноманітних корисних застосувань, включаючи виробництво та виявлення звуку, п’єзоелектричний струменевий друк, генерування електроенергії високої напруги, тактові генератори та електронні пристрої, такі як мікроваги та приводні ультразвукові сопла для надтонкого фокусування оптичних вузлів. Це також є основою для скануючих зондових мікроскопів, які використовуються для розділення зображень у масштабі атомів. П'єзоелектрика також використовується в звукознімачах для гітар з електронним підсиленням і тригерах для сучасних електронних барабанів.

П’єзоелектрика знаходить повсякденне застосування для генерування іскор для запалювання газу в кухонних і нагрівальних пристроях, факелах, запальничках тощо. Піроелектричний ефект, тобто створення електричного потенціалу у відповідь на зміну температури, вивчали Карл Лінней і Франц Епін в середині XVIII століття, спираючись на знання Рене Аюї та Антуана Сезара Беккереля, які встановили зв'язок між механічними стрес і електричний заряд. Однак їхні експерименти виявилися безрезультатними.

Вигляд п’єзокристала та компенсатора Кюрі в Хантеріанському музеї в Шотландії демонструє прямий п’єзоелектричний ефект. Це була робота братів П’єра та Жака Кюрі, яка досліджувала та визначала кристалічні структури, які виявляли п’єзоелектрику, кульмінацією якої стала публікація Вольдемара Фойгта Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник з фізики кристалів). Це описувало класи природних кристалів, здатних створювати п’єзоелектрику, і чітко визначало п’єзоелектричні константи за допомогою тензорного аналізу, дозволяючи практичне застосування п’єзоелектричних пристроїв.

Сонар був розроблений під час Першої світової війни французом Полем Ланжевеном та його колегами, які розробили ультразвуковий детектор підводного човна. Детектор складався з перетворювача, виготовленого з тонких кристалів кварцу, ретельно приклеєних до сталевих пластин, і гідрофону для виявлення відбитого ехо. Випромінюючи високочастотний імпульс із датчика та вимірюючи час, який потрібен, щоб почути відлуння звукових хвиль, що відбиваються від об’єкта, вони змогли обчислити відстань до об’єкта. Вони використовували п’єзоелектрику, щоб зробити цей ехолот успішним. Проект викликав інтенсивний розвиток і інтерес до п'єзоелектричних пристроїв протягом десятиліть.

Піроелектрика

П’єзоелектрика — це здатність певних матеріалів накопичувати електричний заряд у відповідь на прикладену механічну дію. Це лінійна електромеханічна взаємодія між механічним і електричним станами кристалічних матеріалів з інверсійною симетрією. Слово «п’єзоелектрика» походить від грецького слова «piezein», що означає «стискати або натискати», і грецького слова «ēlektron», що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду.

П’єзоелектричний ефект був відкритий французькими фізиками Жаком і П’єром Кюрі в 1880 році. Це оборотний процес, тобто матеріали, які демонструють п’єзоелектричний ефект, також демонструють зворотний п’єзоелектричний ефект, тобто внутрішню генерацію механічної деформації в результаті прикладеного електричного поля. Приклади матеріалів, які генерують вимірювану п’єзоелектрику, включають кристали титанату цирконата свинцю. Коли статична конструкція деформується, вона повертається до початкових розмірів. І навпаки, при застосуванні зовнішнього електричного поля виникає зворотний п’єзоелектричний ефект, що призводить до утворення ультразвукових хвиль.

П’єзоелектричний ефект використовується для багатьох корисних застосувань, включаючи виробництво та виявлення звуку, п’єзоелектричний струменевий друк, генерування електроенергії високої напруги, тактові генератори та електронні пристрої, такі як мікроваги, приводні ультразвукові сопла та надтонкі фокусуючі оптичні вузли. Він також є основою для скануючих зондових мікроскопів, які використовуються для розділення зображень у масштабі атомів. П'єзоелектрика також використовується в звукознімачах для гітар з електронним підсиленням і тригерах для сучасних електронних барабанів.

П’єзоелектрика знаходить повсякденне застосування, наприклад, для генерування іскор для запалювання газу в приладах для приготування їжі та нагріванні, факелах, запальничках тощо. Піроелектричний ефект, тобто створення електричного потенціалу у відповідь на зміну температури, вивчали Карл Лінней і Франц Епін в середині XVIII століття, спираючись на знання Рене Аюї та Антуана Сезара Беккереля, які встановили взаємозв’язок між механічною напругою та електричним зарядом. Однак експерименти виявилися безрезультатними.

Вигляд п’єзокристала в Музеї компенсатора Кюрі в Шотландії є демонстрацією прямого п’єзоелектричного ефекту. Брати П’єр і Жак Кюрі об’єднали свої знання про піроелектрику та розуміння основних кристалічних структур, щоб дати початок розумінню піроелектрики та передбачити поведінку кристала. Це було продемонстровано на ефекті таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль. Було виявлено, що тетрагідрат тартрату натрію калію та кварц демонструють п’єзоелектрику, а п’єзоелектричний диск використовувався для створення напруги при деформації. Це було значно перебільшено Кюрі, щоб передбачити зворотний п’єзоелектричний ефект. Зворотний ефект був математично виведений на основі фундаментальних термодинамічних принципів Габріелем Ліппманом у 1881 році.

Подружжя Кюрі негайно підтвердило існування зворотного ефекту, а потім отримало кількісне підтвердження повної оборотності електроеластомеханічних деформацій у п’єзоелектричних кристалах. У наступні десятиліття п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, поки не стала життєво важливим інструментом у відкритті П’єром і Марією Кюрі полонію та радію. Їхня робота з дослідження та визначення кристалічних структур, які виявляють п’єзоелектрику, завершилася публікацією Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник з фізики кристалів) Вольдемара Фойгта.

Розробка гідролокатора була успішною, і проект викликав інтенсивний розвиток і інтерес до п'єзоелектричних пристроїв. У наступні десятиліття були досліджені та розроблені нові п’єзоелектричні матеріали та нові сфери застосування цих матеріалів. П’єзоелектричні пристрої знайшли застосування в багатьох галузях, наприклад, керамічні картриджі для фонографа, які спростили конструкцію програвача та створили дешевші та точніші програвачі, які були дешевшими в обслуговуванні та легшими у виготовленні. Розробка ультразвукових перетворювачів дозволила легко вимірювати в’язкість і пружність рідин і твердих речовин, що призвело до величезного прогресу в дослідженні матеріалів. Ультразвукові рефлектометри у часовій області посилають ультразвуковий імпульс у матеріал і вимірюють відбиття та розриви, щоб знайти дефекти всередині литих металевих і кам’яних об’єктів, підвищуючи надійність конструкції.

Після Другої світової війни незалежні дослідницькі групи в Сполучених Штатах, Росії та Японії відкрили новий клас синтетичних матеріалів під назвою сегнетоелектрики, які демонстрували п’єзоелектричні константи, які були

П'єзоелектричні матеріали

У цьому розділі я обговорюватиму матеріали, які виявляють п’єзоелектричний ефект, тобто здатність певних матеріалів накопичувати електричний заряд у відповідь на прикладену механічну дію. Я розглядаю кристали, кераміку, біологічну речовину, кістку, ДНК і білки, а також те, як вони реагують на п’єзоелектричний ефект.

кристали

П’єзоелектрика — це здатність певних матеріалів накопичувати електричний заряд у відповідь на прикладену механічну дію. Слово «п’єзоелектрика» походить від грецьких слів πιέζειν (piezein), що означає «стискати» або «пресувати», і ἤλεκτρον (ēlektron), що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду. П’єзоелектричні матеріали включають кристали, кераміку, біологічну речовину, кістку, ДНК і білки.

П’єзоелектрика — це лінійна електромеханічна взаємодія між механічними та електричними станами в кристалічних матеріалах з інверсійною симетрією. Цей ефект є оборотним, тобто матеріали, що демонструють п’єзоелектрику, також демонструють зворотний п’єзоелектричний ефект, який є внутрішнім утворенням механічного напруження в результаті прикладеного електричного поля. Приклади матеріалів, які генерують вимірювану п’єзоелектрику, включають кристали цирконат-титанату свинцю, які можуть деформуватися до початкового розміру або, навпаки, змінювати свій статичний розмір під час застосування зовнішнього електричного поля. Це відоме як зворотний п’єзоелектричний ефект і використовується для отримання ультразвукових хвиль.

Французькі фізики Жак і П’єр Кюрі відкрили п’єзоелектрику в 1880 році. П’єзоелектричний ефект використовувався для цілого ряду корисних застосувань, включаючи виробництво та виявлення звуку, п’єзоелектричний струменевий друк, генерування електроенергії високої напруги, тактові генератори та електронні пристрої, такі як як мікроваги, приводні ультразвукові насадки та надтонкі фокусуючі оптичні вузли. Це також є основою для скануючих зондових мікроскопів, які використовуються для розділення зображень у масштабі атомів. П'єзоелектричні звукознімачі також використовуються в гітарах з електронним підсиленням і тригери в сучасних електронних барабанах.

П’єзоелектрика знаходить повсякденне застосування для генерування іскор для запалювання газу в кухонних і нагрівальних пристроях, а також у факелах і запальничках. Піроелектричний ефект, який є утворенням електричного потенціалу у відповідь на зміну температури, вивчали Карл Лінней і Франц Епін в середині XVIII століття, спираючись на знання Рене Аюї та Антуана Сезара Беккереля, які встановили зв'язок між механічними стрес і електричний заряд. Експерименти на підтвердження цієї теорії виявилися безрезультатними.

Вигляд п’єзокристала в компенсаторі Кюрі в музеї Хантеріан у Шотландії є демонстрацією прямого п’єзоелектричного ефекту. Брати П’єр і Жак Кюрі поєднали свої знання про піроелектрику з розумінням основних кристалічних структур, щоб дати початок передбаченню піроелектрики. Вони змогли передбачити поведінку кристалів і продемонстрували ефект у таких кристалах, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль. Тетрагідрат тартрату натрію калію та кварц також показали п’єзоелектрику. П'єзоелектричний диск при деформації створює напругу; зміна форми сильно перебільшена в демонстрації Кюрі.

Вони також змогли передбачити зворотний п’єзоелектричний ефект і математично вивести фундаментальні термодинамічні принципи, що стоять за ним. Габріель Ліппман зробив це в 1881 році. Подружжя Кюрі негайно підтвердило існування зворотного ефекту і продовжило отримання кількісних доказів повної оборотності електроеластомеханічних деформацій у п’єзоелектричних кристалах.

Десятиліттями п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, але вона була життєво важливим інструментом у відкритті П’єром і Марією Кюрі полонію та радію. Їхня робота з дослідження та визначення кристалічних структур, що виявляють п’єзоелектрику, завершилася публікацією Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник кристалічної фізики) Вольдемара Фойгта, в якій описано природні класи кристалів, здатних створювати п’єзоелектрику, і чітко визначено п’єзоелектричні константи за допомогою тензорного аналізу.

Практичне застосування п'єзоелектричних пристроїв у гідролокації було розроблено під час Першої світової війни. У Франції Поль Ланжевен і його співробітники розробили ультразвуковий детектор підводних човнів. Цей детектор складався з перетворювача, виготовленого з тонких кварцових кристалів, ретельно приклеєних до сталевих пластин, званих гідрофоном, для виявлення повернутої луни після випромінювання високочастотного імпульсу. Вимірявши час, який потрібен, щоб почути відлуння звукових хвиль, що відбиваються від об’єкта, вони змогли обчислити відстань до об’єкта. Таке використання п’єзоелектрики в ехолотах мало успіх, і протягом десятиліть проект викликав інтенсивний розвиток і інтерес до п’єзоелектричних пристроїв.

Кераміка

П’єзоелектричні матеріали — це тверді речовини, які накопичують електричний заряд у відповідь на механічний вплив. П’єзоелектрика походить від грецьких слів πιέζειν (piezein), що означає «стиск» або «тиснути», і ἤλεκτρον (ēlektron), що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду. П’єзоелектричні матеріали використовуються в різноманітних сферах застосування, включаючи виробництво та виявлення звуку, п’єзоелектричний струменевий друк і генерацію електроенергії високої напруги.

П’єзоелектричні матеріали містяться в кристалах, кераміці, біологічних речовинах, кістках, ДНК та білках. Кераміка є найпоширенішим п'єзоелектричним матеріалом, який використовується в повсякденному застосуванні. Кераміку виготовляють із комбінації оксидів металів, наприклад цирконат титанату свинцю (PZT), які нагрівають до високих температур для утворення твердої речовини. Кераміка дуже міцна і може витримувати екстремальні температури та тиск.

П’єзоелектрична кераміка має різноманітне застосування, зокрема:

• Створення іскор для запалювання газу для приготування їжі та нагрівання приладів, таких як факели та запальнички.
• Генерування ультразвукових хвиль для медичного зображення.
• Генерація електроенергії високої напруги для тактових генераторів та електронних пристроїв.
• Створення мікроваг для використання в точному зважуванні.
• Привідні ультразвукові сопла для надтонкого фокусування оптичних вузлів.
• Формування основи для скануючих зондових мікроскопів, які можуть розділяти зображення в масштабі атомів.
• Звукознімачі для гітар з електронним підсиленням і тригери для сучасних електронних барабанів.

П’єзоелектрична кераміка використовується в широкому діапазоні застосувань, від побутової електроніки до медичної візуалізації. Вони дуже міцні та можуть витримувати екстремальні температури та тиск, що робить їх ідеальними для використання в різних галузях промисловості.

Біологічна матерія

П’єзоелектрика — це здатність певних матеріалів накопичувати електричний заряд у відповідь на прикладену механічну дію. Воно походить від грецького слова «piezein», що означає «стискати або натискати», і «ēlektron», що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду.

Біологічні речовини, такі як кістки, ДНК і білки, належать до матеріалів, які виявляють п’єзоелектрику. Цей ефект є оборотним, тобто матеріали, що демонструють п’єзоелектрику, також демонструють зворотний п’єзоелектричний ефект, який є внутрішнім генеруванням механічного напруження в результаті прикладеного електричного поля. Приклади цих матеріалів включають кристали цирконат-титанату свинцю, які генерують вимірну п’єзоелектрику, коли їх статична структура деформується порівняно з початковим розміром. І навпаки, коли прикладається зовнішнє електричне поле, кристали змінюють свій статичний розмір, створюючи ультразвукові хвилі через зворотний п’єзоелектричний ефект.

Відкриття п’єзоелектрики було зроблено французькими фізиками Жаком і П’єром Кюрі в 1880 році. Відтоді його використовували для різноманітних корисних застосувань, таких як:

• Виробництво та виявлення звуку
• П'єзоелектричний струменевий друк
• Виробництво електроенергії високої напруги
• Тактовий генератор
• Електронні пристрої
• Мікроваги
• Привід ультразвукових насадок
• Оптичні вузли надтонкого фокусування
• Створює основу скануючих зондових мікроскопів
• Розрізняйте зображення в масштабі атомів
• Звукознімачі в гітарах з електронним підсиленням
• Тригери в сучасних електронних барабанах

П’єзоелектрика також використовується в повсякденних предметах, таких як газові кухонні та нагрівальні пристрої, факели, запальнички тощо. Піроелектричний ефект, тобто створення електричного потенціалу у відповідь на зміну температури, вивчали Карл Лінней і Франц Епін в середині XVIII століття. Спираючись на знання Рене Аюї та Антуана Сезара Беккереля, вони встановили зв’язок між механічною напругою та електричним зарядом, але їхні експерименти виявилися безрезультатними.

Вигляд п’єзокристала в компенсаторі Кюрі в Музеї Хантеріана в Шотландії є демонстрацією прямого п’єзоелектричного ефекту. Брати П’єр і Жак Кюрі об’єднали свої знання про піроелектрику та розуміння базових кристалічних структур, щоб дати початок передбаченню піроелектрики та передбачити поведінку кристала. Це було продемонстровано дією таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль. Тетрагідрат тартрату натрію та калію та кварц також демонстрували п’єзоелектрику, а п’єзоелектричний диск використовувався для генерування напруги при деформації. Цей ефект був значно перебільшений подружжям Кюрі, щоб передбачити зворотний п’єзоелектричний ефект. Зворотний ефект був математично виведений із фундаментальних термодинамічних принципів Габріелем Ліппманом у 1881 році.

Подружжя Кюрі негайно підтвердило існування зворотного ефекту, а потім отримало кількісне підтвердження повної оборотності електроеластомеханічних деформацій у п’єзоелектричних кристалах. Протягом десятиліть п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, поки не стала життєво важливим інструментом у відкритті П’єром і Марією Кюрі полонію та радію. Їхня робота з дослідження та визначення кристалічних структур, що виявляють п’єзоелектрику, завершилася публікацією «Lehrbuch der Kristallphysik» (Підручника з фізики кристалів) Вольдемара Фойгта.

кісткова

П’єзоелектрика — це здатність певних матеріалів накопичувати електричний заряд у відповідь на прикладену механічну дію. Кістка є одним із таких матеріалів, який демонструє це явище.

Кістка — це тип біологічної речовини, що складається з білків і мінералів, включаючи колаген, кальцій і фосфор. Це найбільш п’єзоелектричний з усіх біологічних матеріалів і здатний генерувати напругу під час механічного впливу.

П'єзоелектричний ефект у кістці є результатом її унікальної структури. Він складається з мережі колагенових волокон, вбудованих у матрицю мінералів. Коли кістка піддається механічному навантаженню, колагенові волокна рухаються, спричиняючи поляризацію мінералів і генерацію електричного заряду.

П'єзоелектричний ефект у кістці має ряд практичних застосувань. Він використовується в медичних візуалізаціях, таких як ультразвукове та рентгенівське дослідження, для виявлення переломів кісток та інших аномалій. Він також використовується в слухових апаратах з кістковою провідністю, які використовують п’єзоелектричний ефект для перетворення звукових хвиль в електричні сигнали, які надсилаються безпосередньо у внутрішнє вухо.

П'єзоелектричний ефект у кістці також використовується в ортопедичних імплантатах, таких як штучні суглоби та протези кінцівок. Імплантати використовують п’єзоелектричний ефект для перетворення механічної енергії в електричну, яка потім використовується для живлення пристрою.

Крім того, п’єзоелектричний ефект у кістках досліджується для використання в розробці нових медичних методів лікування. Наприклад, дослідники досліджують використання п’єзоелектрики для стимуляції росту кісток і відновлення пошкодженої тканини.

Загалом, п’єзоелектричний ефект у кістці — це захоплююче явище з широким спектром практичних застосувань. Він використовується в різноманітних медичних і технологічних додатках і досліджується для розробки нових методів лікування.

ДНК

П’єзоелектрика — це здатність певних матеріалів накопичувати електричний заряд у відповідь на прикладену механічну дію. ДНК є одним із таких матеріалів, який виявляє цей ефект. ДНК — це біологічна молекула, яка міститься в усіх живих організмах і складається з чотирьох нуклеотидних основ: аденіну (A), гуаніну (G), цитозину (C) і тиміну (T).

ДНК — це складна молекула, яка може використовуватися для генерування електричного заряду під час механічного впливу. Це пов’язано з тим, що молекули ДНК складаються з двох ланцюгів нуклеотидів, які утримуються разом водневими зв’язками. Коли ці зв’язки розриваються, утворюється електричний заряд.

П'єзоелектричний ефект ДНК використовувався в різних цілях, зокрема:

• Виробництво електроенергії для медичних імплантів
• Виявлення та вимірювання механічних сил у клітинах
• Розробка нанорозмірних сенсорів
• Створення біосенсорів для секвенування ДНК
• Генерування ультразвукових хвиль для візуалізації

П’єзоелектричний ефект ДНК також досліджується для його потенційного використання в розробці нових матеріалів, таких як нанодроти та нанотрубки. Ці матеріали можна використовувати для різноманітних застосувань, включаючи зберігання енергії та зондування.

П’єзоелектричний ефект ДНК був широко вивчений, і було встановлено, що він дуже чутливий до механічного впливу. Це робить його цінним інструментом для дослідників та інженерів, які прагнуть розробляти нові матеріали та технології.

Підсумовуючи, ДНК є матеріалом, який демонструє п’єзоелектричний ефект, який є здатністю накопичувати електричний заряд у відповідь на прикладене механічне навантаження. Цей ефект використовувався в різних додатках, включаючи медичні імплантати, нанорозмірні датчики та секвенування ДНК. Він також досліджується для його потенційного використання в розробці нових матеріалів, таких як нанодроти та нанотрубки.

Білки

П’єзоелектрика — це здатність певних матеріалів накопичувати електричний заряд у відповідь на прикладену механічну дію. П’єзоелектричні матеріали, такі як білки, кристали, кераміка та біологічні речовини, такі як кістки та ДНК, демонструють цей ефект. Білки, зокрема, є унікальним п’єзоелектричним матеріалом, оскільки вони складаються зі складної структури амінокислот, які можна деформувати для генерування електричного заряду.

Білки є найпоширенішим типом п’єзоелектричного матеріалу, і вони зустрічаються в різноманітних формах. Їх можна знайти у формі ферментів, гормонів і антитіл, а також у формі структурних білків, таких як колаген і кератин. Білки також зустрічаються у формі м’язових білків, які відповідають за скорочення та розслаблення м’язів.

П'єзоелектричний ефект білків зумовлений тим, що вони складаються зі складної структури амінокислот. Коли ці амінокислоти деформуються, вони генерують електричний заряд. Потім цей електричний заряд можна використовувати для живлення різноманітних пристроїв, таких як датчики та виконавчі механізми.

Білки також використовуються в різних медичних цілях. Наприклад, вони використовуються для виявлення наявності певних білків в організмі, які можуть бути використані для діагностики захворювань. Вони також використовуються для виявлення присутності певних бактерій і вірусів, які можуть бути використані для діагностики інфекцій.

Білки також використовуються в різноманітних промислових цілях. Наприклад, вони використовуються для створення датчиків і виконавчих механізмів для різноманітних промислових процесів. Вони також використовуються для створення матеріалів, які можна використовувати в будівництві літаків та інших транспортних засобів.

Підсумовуючи, протеїни є унікальним п’єзоелектричним матеріалом, який можна використовувати в різних цілях. Вони складаються зі складної структури амінокислот, які можна деформувати для генерування електричного заряду, і вони використовуються в різних медичних і промислових цілях.

Збір енергії за допомогою п’єзоелектрики

У цьому розділі я обговорюватиму, як можна використовувати п’єзоелектрику для збору енергії. Я розглядаю різноманітні застосування п’єзоелектрики, від п’єзоелектричного струменевого друку до генераторів годинника та мікровагів. Я також вивчатиму історію п’єзоелектрики, від її відкриття П’єром Кюрі до її використання під час Другої світової війни. Нарешті, я обговорю поточний стан п’єзоелектричної промисловості та потенціал для подальшого зростання.

П'єзоелектричний струменевий друк

П’єзоелектрика — це здатність певних матеріалів генерувати електричний заряд у відповідь на прикладену механічну дію. Слово «п’єзоелектрика» походить від грецьких слів «piezein» (стискати або натискати) і «elektron» (бурштин), стародавнє джерело електричного заряду. П’єзоелектричні матеріали, такі як кристали, кераміка та біологічні речовини, такі як кістки та ДНК, використовуються в різноманітних сферах застосування.

П’єзоелектрика використовується для генерації електроенергії високої напруги, як тактовий генератор, в електронних пристроях і мікровагах. Він також використовується для керування ультразвуковими соплами та оптичними вузлами ультратонкого фокусування. П'єзоелектричний струменевий друк є популярним застосуванням цієї технології. Це тип друку, який використовує п’єзоелектричні кристали для створення високочастотної вібрації, яка використовується для викиду крапель чорнила на сторінку.

Відкриття п’єзоелектрики датується 1880 роком, коли французькі фізики Жак і П’єр Кюрі відкрили цей ефект. Відтоді п’єзоелектричний ефект використовувався для різноманітних корисних застосувань. П’єзоелектрика використовується в повсякденних предметах, таких як газові пристрої для приготування їжі та нагрівання, смолоскипи, запальнички, звукознімачі в гітарах з електронним підсиленням і тригери в сучасних електронних барабанах.

П'єзоелектрика також використовується в наукових дослідженнях. Це основа для скануючих зондових мікроскопів, які використовуються для розділення зображень у масштабі атомів. Він також використовується в ультразвукових рефлектометрах у часовій області, які посилають ультразвукові імпульси в матеріал і вимірюють відбиття, щоб виявити розриви та знайти дефекти всередині литих металевих і кам’яних об’єктів.

Розробка п’єзоелектричних пристроїв і матеріалів була зумовлена ​​потребою в кращій продуктивності та спрощенні виробничих процесів. У Сполучених Штатах розробка кристалів кварцу для комерційного використання стала головним чинником розвитку п’єзоелектричної промисловості. Навпаки, японські виробники змогли швидко обмінюватися інформацією та розробляти нові програми, що призвело до швидкого зростання японського ринку.

П’єзоелектрика революціонізувала спосіб використання енергії, від повсякденних речей, таких як запальнички, до передових наукових досліджень. Це універсальна технологія, яка дозволила нам досліджувати та розробляти нові матеріали та застосування, і вона залишатиметься важливою частиною нашого життя протягом багатьох років.

Виробництво електроенергії високої напруги

П’єзоелектрика — це здатність певних твердих матеріалів накопичувати електричний заряд у відповідь на прикладену механічну дію. Слово «п’єзоелектрика» походить від грецьких слів «piezein», що означає «стиск» або «прес», і «ēlektron», що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду. П’єзоелектрика — це лінійна електромеханічна взаємодія між механічними та електричними станами в кристалічних матеріалах з інверсійною симетрією.

П'єзоефект є оборотним процесом; матеріали, що демонструють п’єзоелектрику, також демонструють зворотний п’єзоелектричний ефект, внутрішнє генерування механічного напруження в результаті прикладеного електричного поля. Наприклад, кристали цирконат-титанату свинцю генерують вимірну п’єзоелектрику, коли їх статична структура деформується порівняно з початковим розміром. І навпаки, кристали можуть змінювати свій статичний розмір під час застосування зовнішнього електричного поля, явище, відоме як зворотний п’єзоелектричний ефект, який використовується для виробництва ультразвукових хвиль.

П'єзоелектричний ефект використовується в різних сферах застосування, включаючи генерацію електроенергії високої напруги. П’єзоелектричні матеріали використовуються у виробництві та виявленні звуку, у п’єзоелектричному струминному друку, у генераторах годинника, в електронних пристроях, у мікровагах, в приводних ультразвукових соплах та в оптичних вузлах надтонкої фокусування.

П’єзоелектрика також використовується в повсякденному застосуванні, наприклад для генерування іскор для запалювання газу в кухонних і нагрівальних пристроях, у факелах, запальничках і матеріалах з піроелектричним ефектом, які генерують електричний потенціал у відповідь на зміну температури. Цей ефект досліджували Карл Лінней і Франц Епін в середині XVIII століття, спираючись на знання Рене Аюї та Антуана Сезара Беккереля, які встановили зв’язок між механічною напругою та електричним зарядом, хоча їхні експерименти виявилися безрезультатними.

Поєднання знань про піроелектрику та розуміння базових кристалічних структур призвело до передбачення піроелектрики та здатності передбачати поведінку кристала. Це було продемонстровано дією таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль. Тетрагідрат тартрату натрію калію та кварц також демонстрували п’єзоелектрику, а п’єзоелектричний диск використовувався для генерування напруги при деформації. Це було значно перебільшено в демонстрації Кюрі прямого п'єзоелектричного ефекту.

Брати П’єр і Жак Кюрі отримали кількісні докази повної оборотності електроеластомеханічних деформацій у п’єзоелектричних кристалах. Десятиліттями п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, але вона була життєво важливим інструментом у відкритті П’єром і Марією Кюрі полонію та радію. Їхня робота з дослідження та визначення кристалічних структур, що виявляють п’єзоелектрику, завершилася публікацією Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник кристалічної фізики) Вольдемара Фойгта, в якій описано природні класи кристалів, здатних створювати п’єзоелектрику, і чітко визначено п’єзоелектричні константи за допомогою тензорного аналізу.

Практичне застосування п'єзоелектричних пристроїв почалося з розробки гідролокатора під час Першої світової війни. У Франції Поль Ланжевен і його співробітники розробили ультразвуковий детектор підводних човнів. Детектор складався з перетворювача, виготовленого з тонких кристалів кварцу, ретельно приклеєних до сталевих пластин, і гідрофону для виявлення відбитого ехо. Випромінюючи високочастотний імпульс із перетворювача та вимірюючи час, який потрібен, щоб почути відлуння звукових хвиль, що відбиваються від об’єкта, вони змогли обчислити відстань до об’єкта. Вони використовували п’єзоелектрику, щоб зробити сонар успішним, і цей проект викликав інтенсивний розвиток і інтерес до п’єзоелектричних пристроїв протягом наступних десятиліть.

Були досліджені та розроблені нові п’єзоелектричні матеріали та нові застосування для цих матеріалів. П’єзоелектричні пристрої знайшли застосування в різних галузях, наприклад, керамічні картриджі для фонографів, які спростили конструкцію програвача та створили дешевші та точніші програвачі, які були дешевшими в обслуговуванні та легшими у виготовленні. Розробка ультразвукових перетворювачів дозволила легко вимірювати в’язкість і еластичність рідин і твердих речовин, що призвело до величезного прогресу в дослідженні матеріалів. Ультразвукові рефлектометри у часовій області посилають ультразвуковий імпульс у матеріал і вимірюють відбиття та розриви, щоб знайти дефекти всередині литих металевих і кам’яних об’єктів, підвищуючи надійність конструкції.

Під час Другої світової війни незалежні дослідницькі групи в Сполучених Штатах, Росії та Японії відкрили новий клас синтетичних матеріалів під назвою fer

Генератор годинника

П’єзоелектрика — це здатність певних матеріалів накопичувати електричний заряд у відповідь на прикладену механічну дію. Це явище було використано для створення ряду корисних програм, включаючи генератори тактових частот. Тактові генератори — це пристрої, які використовують п’єзоелектрику для генерування електричних сигналів із точним часом.

Тактові генератори використовуються в різних сферах застосування, наприклад, у комп’ютерах, телекомунікаціях і автомобільних системах. Вони також використовуються в медичних пристроях, як-от кардіостимулятори, для забезпечення точної синхронізації електричних сигналів. Тактові генератори також використовуються в промисловій автоматизації та робототехніці, де важлива точна синхронізація.

П'єзоелектричний ефект заснований на лінійній електромеханічній взаємодії між механічним і електричним станами в кристалічних матеріалах з інверсійною симетрією. Цей ефект є оборотним, тобто матеріали, що виявляють п’єзоелектрику, також можуть створювати механічні напруги під час застосування електричного поля. Це відоме як зворотний п’єзоелектричний ефект і використовується для отримання ультразвукових хвиль.

Тактові генератори використовують цей зворотний п’єзоелектричний ефект для генерації електричних сигналів із точним синхронізацією. П'єзоелектричний матеріал деформується електричним полем, яке змушує його вібрувати з певною частотою. Ця вібрація потім перетворюється на електричний сигнал, який використовується для генерації сигналу точної синхронізації.

Тактові генератори використовуються в різних сферах застосування, від медичних пристроїв до промислової автоматизації. Вони надійні, точні та прості у використанні, що робить їх популярним вибором для багатьох застосувань. П’єзоелектрика є важливою частиною сучасної технології, а тактові генератори – лише одне з багатьох застосувань цього явища.

Електронні пристрої

П’єзоелектрика — це здатність певних твердих матеріалів накопичувати електричний заряд у відповідь на прикладену механічну дію. Це явище, відоме як п’єзоелектричний ефект, використовується в різноманітних електронних пристроях, від звукознімачів у гітарах з електронним підсиленням до тригерів у сучасних електронних барабанах.

П’єзоелектрика походить від грецьких слів πιέζειν (piezein), що означає «стискати» або «тиснути», і ἤλεκτρον (ēlektron), що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду. П’єзоелектричні матеріали — це кристали, кераміка та біологічні речовини, такі як кістка та білки ДНК, які виявляють п’єзоелектричний ефект.

П'єзоелектричний ефект - це лінійна електромеханічна взаємодія між механічними та електричними станами в кристалічних матеріалах з інверсійною симетрією. Це оборотний процес, тобто матеріали, які виявляють п’єзоелектричний ефект, також виявляють зворотний п’єзоелектричний ефект, який є внутрішнім утворенням механічної деформації в результаті прикладеного електричного поля. Наприклад, кристали цирконат-титанату свинцю генерують вимірну п’єзоелектрику, коли їх статична структура деформується порівняно з початковим розміром. І навпаки, кристали можуть змінювати свій статичний розмір під час застосування зовнішнього електричного поля, явище, відоме як зворотний п’єзоелектричний ефект, який використовується для виробництва ультразвукових хвиль.

Відкриття п’єзоелектрики приписують французьким фізикам П’єру та Жаку Кюрі, які продемонстрували прямий п’єзоелектричний ефект у 1880 році. Їхні спільні знання про піроелектрику та розуміння кристалічних структур, що лежать в основі, дали початок передбаченню піроелектричного ефекту та здатності передбачати Поведінка кристалів була продемонстрована з ефектом таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і ротельська сіль.

П’єзоелектрика використовується в різноманітних повсякденних цілях, таких як генерування іскор для запалювання газу в кухонних і нагрівальних пристроях, факелах, запальничках і матеріалах з піроелектричним ефектом, які генерують електричний потенціал у відповідь на зміну температури. Це було досліджено Карлом Ліннеєм і Францем Епіном у середині XVIII століття, спираючись на знання Рене Аюї та Антуана Сезара Беккереля, які встановили взаємозв’язок між механічною напругою та електричним зарядом. Проте експерименти виявилися безрезультатними, доки вид на п’єзокристал у музеї компенсатора Кюрі в Шотландії не продемонстрував прямий п’єзоелектричний ефект братів Кюрі.

П’єзоелектрика використовується в різноманітних електронних пристроях, від звукознімачів у гітарах з електронним підсиленням до тригерів у сучасних електронних барабанах. Він також використовується для виробництва та виявлення звуку, п’єзоелектричного струменевого друку, генерації електроенергії високої напруги, тактових генераторів, мікровагів, приводних ультразвукових сопел і надтонких фокусуючих оптичних вузлів. П’єзоелектрика також є основою для скануючих зондових мікроскопів, які використовуються для розділення зображень у масштабі атомів.

Мікробаланси

П’єзоелектрика — це здатність певних твердих матеріалів накопичувати електричний заряд у відповідь на прикладену механічну дію. П’єзоелектрика походить від грецьких слів πιέζειν (piezein), що означає «стискати» або «тиснути», і ἤλεκτρον (ēlektron), що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду.

П’єзоелектрика використовується в різноманітних повсякденних цілях, таких як генерування іскор для запалювання газу для приготування їжі та нагрівання, факелів, запальничок тощо. Він також використовується для створення та виявлення звуку, а також у п’єзоелектричному струминному друку.

П’єзоелектрика також використовується для генерації електроенергії високої напруги та є основою тактових генераторів та електронних пристроїв, таких як мікроваги. П’єзоелектрика також використовується для керування ультразвуковими соплами та оптичними вузлами ультратонкого фокусування.

Відкриття п’єзоелектрики приписують французьким фізикам Жаку та П’єру Кюрі в 1880 році. Брати Кюрі об’єднали свої знання про піроелектрику та розуміння основних кристалічних структур, щоб створити концепцію п’єзоелектрики. Вони змогли передбачити поведінку кристалів і продемонстрували ефект у таких кристалах, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль.

П'єзоелектричний ефект використовувався для корисних застосувань, включаючи виробництво та виявлення звуку. Розробка гідролокатора під час Першої світової війни стала великим проривом у використанні п'єзоелектрики. Після Другої світової війни незалежні дослідницькі групи в Сполучених Штатах, Росії та Японії відкрили новий клас синтетичних матеріалів під назвою сегнетоелектрики, які демонстрували п’єзоелектричні константи в десять разів вищі, ніж у природних матеріалів.

Це призвело до інтенсивних досліджень і розробок титанату барію, а пізніше цирконат-титанату свинцю, які мали специфічні властивості для певних застосувань. Вагомий приклад використання п’єзоелектричних кристалів був розроблений у Bell Telephone Laboratories після Другої світової війни.

Фредерік Р. Лек, працюючи в інженерному відділі радіотелефонії, розробив гранований кристал, який працював у широкому діапазоні температур. Кристал Лака не потребував важких аксесуарів попередніх кристалів, що полегшило його використання в літаках. Ця розробка дозволила військово-повітряним силам союзників брати участь у скоординованих масових атаках з використанням авіаційного радіо.

Розробка п’єзоелектричних пристроїв і матеріалів у Сполучених Штатах утримала кілька компаній у бізнесі, а розробка кварцових кристалів була комерційно використана. П’єзоелектричні матеріали з тих пір використовувалися в різних цілях, включаючи медичну візуалізацію, ультразвукове очищення тощо.

Ультразвукова насадка приводу

П’єзоелектрика – це електричний заряд, який накопичується в певних твердих матеріалах, таких як кристали, кераміка та біологічні речовини, такі як кістки та ДНК. Це реакція на прикладений механічний вплив і походить від грецьких слів «piezein», що означає «стиск» або «тиснути», і «elektron», що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду.

П'єзоелектричний ефект - це лінійна електромеханічна взаємодія між механічним і електричним станами кристалічних матеріалів з інверсійною симетрією. Це оборотний процес, тобто матеріали, які виявляють п’єзоелектричний ефект, також виявляють зворотний п’єзоелектричний ефект, тобто внутрішню генерацію механічної деформації в результаті прикладеного електричного поля. Прикладом цього є кристали цирконат-титанату свинцю, які генерують вимірювану п’єзоелектрику, коли їх статична структура деформується порівняно з початковим розміром. І навпаки, коли прикладається зовнішнє електричне поле, кристали змінюють свій статичний розмір, що призводить до зворотного п’єзоелектричного ефекту, який є виробництвом ультразвукових хвиль.

Французькі фізики Жак і П’єр Кюрі відкрили п’єзоелектрику в 1880 році, і з тих пір вона використовується для різноманітних корисних застосувань, включаючи створення та виявлення звуку. П’єзоелектрика також знаходить повсякденне застосування, наприклад, для генерування іскор для запалювання газу в приладах для приготування їжі та нагріванні, факелах, запальничках тощо.

Піроелектричний ефект, який є матеріалом, що генерує електричний потенціал у відповідь на зміну температури, вивчали Карл Лінней, Франц Епін, а в середині 18-го століття черпали знання від Рене Аюї та Антуана Сезара Беккереля, які встановили взаємозв’язок між механічною напругою та електричний заряд. Експерименти, щоб довести це, були безрезультатними.

Вигляд п’єзокристала в компенсаторі Кюрі в Хантеріанському музеї в Шотландії є демонстрацією прямого п’єзоелектричного ефекту братами П’єром і Жаком Кюрі. Об’єднання їхніх знань про піроелектрику та розуміння основних кристалічних структур дало початок прогнозу піроелектрики та дозволило їм передбачити поведінку кристала. Це було продемонстровано з ефектом таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль. Тетрагідрат тартрату натрію та калію та кварц також демонстрували п’єзоелектрику, а п’єзоелектричний диск використовувався для генерування напруги при деформації. Це було значно перебільшено Кюрі, щоб передбачити зворотний п’єзоелектричний ефект, який був математично виведений із фундаментальних термодинамічних принципів Габріелем Ліппманом у 1881 році.

Подружжя Кюрі негайно підтвердило існування зворотного ефекту, а потім отримало кількісне підтвердження повної оборотності електроеластомеханічних деформацій у п’єзоелектричних кристалах. Десятиліттями п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, але була життєво важливим інструментом у відкритті П’єром і Марією Кюрі полонію та радію в їхній роботі з дослідження та визначення кристалічних структур, які виявляли п’єзоелектрику. Кульмінацією цього стала публікація Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник з фізики кристалів) Вольдемара Фойгта, в якій описано природні класи кристалів, здатних створювати п’єзоелектрику, і чітко визначено п’єзоелектричні константи за допомогою тензорного аналізу.

Практичне застосування п'єзоелектричних пристроїв почалося з гідролокатора, який був розроблений під час Першої світової війни. У Франції Поль Ланжевен і його співробітники розробили ультразвуковий детектор підводних човнів. Детектор складався з перетворювача, виготовленого з тонких кварцових кристалів, ретельно приклеєних до сталевих пластин, званих гідрофоном, для виявлення повернутої луни після випромінювання високочастотного імпульсу. Вимірявши час, який потрібен, щоб почути відлуння звукових хвиль, що відбиваються від об’єкта, вони могли обчислити відстань до об’єкта. Таке використання п’єзоелектрики в ехолотах мало успіх, і проект викликав інтенсивний розвиток і інтерес до п’єзоелектричних пристроїв протягом десятиліть.

Були досліджені та розроблені нові п’єзоелектричні матеріали та нові застосування для цих матеріалів, і п’єзоелектричні пристрої знайшли дім у таких галузях, як керамічні картриджі для фонографів, які спростили конструкцію програвача та створили дешевші, точніші програвачі, які були дешевшими в обслуговуванні та легшими у виготовленні. . Розробка ультразвукових перетворювачів дозволила легко вимірювати в’язкість і пружність рідин і твердих речовин, що призвело до величезного прогресу в дослідженні матеріалів. Ультразвукові рефлектометри у часовій області посилають ультразвуковий імпульс через матеріал і вимірюють відбиття та розриви, щоб знайти дефекти всередині литих металевих і кам’яних об’єктів.

Оптичні вузли надтонкого фокусування

П'єзоелектрика - це здатність певних матеріалів накопичувати електричний заряд при механічному впливі. Це лінійна електромеханічна взаємодія між електричними та механічними станами кристалічних матеріалів з інверсійною симетрією. П’єзоелектрика є оборотним процесом, тобто матеріали, що демонструють п’єзоелектрику, також демонструють зворотний п’єзоелектричний ефект, який є внутрішнім генеруванням механічної деформації в результаті прикладеного електричного поля.

П’єзоелектрика використовується в різних сферах застосування, зокрема для створення та виявлення звуку, а також для виробництва електроенергії високої напруги. П’єзоелектрика також використовується в струминному друку, тактових генераторах, електронних пристроях, мікровагах, приводних ультразвукових соплах і оптичних вузлах ультратонкого фокусування.

П'єзоелектрику відкрили в 1880 році французькі фізики Жак і П'єр Кюрі. П'єзоелектричний ефект використовується в таких корисних програмах, як виробництво та виявлення звуку та генерація електроенергії високої напруги. Використовується також п'єзоелектричний струменевий друк, тактові генератори, електронні прилади, мікроваги, приводні ультразвукові сопла, ультратонкі фокусуючі оптичні вузли.

П’єзоелектрика знайшла свій шлях до повсякденного використання, наприклад, для генерування іскор для запалювання газу для приготування їжі та нагрівальних пристроїв, факелів, запальничок і матеріалів з піроелектричним ефектом, які генерують електричний потенціал у відповідь на зміну температури. Цей ефект досліджували Карл Лінней і Франц Епін в середині 18 століття, спираючись на знання Рене Аюї та Антуана Сезара Беккереля, які встановили зв’язок між механічною напругою та електричним зарядом. Експерименти виявилися безрезультатними.

Вигляд п’єзокристала в компенсаторі Кюрі в Хантеріанському музеї в Шотландії є демонстрацією прямого п’єзоелектричного ефекту братами П’єром і Жаком Кюрі. У поєднанні зі своїми знаннями про піроелектрику та розумінням основних кристалічних структур вони дали початок передбаченню піроелектрики та здатності передбачати поведінку кристала. Це було продемонстровано на ефекті таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль.

Тетрагідрат тартрату натрію та калію, а також кварц і сіль Рошелля виявляли п’єзоелектрику, а п’єзоелектричний диск використовувався для створення напруги під час деформації, хоча зміна форми була значно перебільшена. Подружжя Кюрі передбачило зворотний п’єзоелектричний ефект, і зворотний ефект був математично виведений із фундаментальних термодинамічних принципів Габріелем Ліппманом у 1881 році. Подружжя Кюрі негайно підтвердило існування зворотного ефекту та продовжило отримання кількісних доказів повної оборотності електро- пружно-механічні деформації в п'єзокристалах.

Протягом десятиліть п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, поки не стала життєво важливим інструментом у відкритті П’єром і Марією Кюрі полонію та радію. Їхня робота з дослідження та визначення кристалічних структур, які виявляють п’єзоелектрику, завершилася публікацією Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник з фізики кристалів) Вольдемара Фойгта. Це описало класи природних кристалів, здатних до п’єзоелектрики, і чітко визначило п’єзоелектричні константи за допомогою тензорного аналізу для практичного застосування п’єзоелектричних пристроїв.

Розробка гідролокатора була успішним проектом, який викликав інтенсивний розвиток і інтерес до п'єзоелектричних пристроїв. Десятиліттями пізніше були досліджені та розроблені нові п’єзоелектричні матеріали та нові застосування для цих матеріалів. П’єзоелектричні пристрої знайшли застосування в різних галузях, наприклад, керамічні картриджі для фонографів, які спростили конструкцію програвачів і зробили програвачі грамзаписів дешевшими та легшими в обслуговуванні та виготовленні. Розробка ультразвукових перетворювачів дозволила легко вимірювати в’язкість і пружність рідин і твердих речовин, що призвело до величезного прогресу в дослідженні матеріалів. Ультразвукові рефлектометри у часовій області посилають ультразвуковий імпульс у матеріал і вимірюють відбиття та розриви, щоб знайти дефекти всередині литих металевих і кам’яних об’єктів, підвищуючи надійність конструкції.

Початок інтересів у галузі п’єзоелектрики був забезпечений вигідними патентами на нові матеріали, розроблені з кристалів кварцу, які комерційно використовувалися як п’єзоелектричний матеріал. Вчені шукали матеріали з кращими характеристиками, і, незважаючи на прогрес у матеріалах і вдосконаленні виробничих процесів, ринок Сполучених Штатів не розвивався швидко. Навпаки, японські виробники швидко обмінювалися інформацією, і нові програми для розвитку п’єзоелектричної промисловості Сполучених Штатів постраждали на відміну від японських виробників.

П'єзоелектричні двигуни

У цьому розділі я розповім про використання п’єзоелектрики в сучасній техніці. Від скануючих зондових мікроскопів, які можуть розрізняти зображення в масштабі атомів, до звукознімачів для гітар з електронним підсиленням і тригерів для сучасних електронних барабанів, п’єзоелектрика стала невід’ємною частиною багатьох пристроїв. Я досліджуватиму історію п’єзоелектрики та її використання в різних сферах застосування.

Форми основи скануючих зондових мікроскопів

П’єзоелектрика — це електричний заряд, який накопичується в певних твердих матеріалах, таких як кристали, кераміка та біологічні речовини, такі як кістки та ДНК. Це реакція на прикладений механічний вплив, і слово п’єзоелектрика походить від грецького слова πιέζειν (piezein), що означає «стиск» або «тиснути», і ἤλεκτρον (ēlektron), що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду.

П'єзоелектричні двигуни - це пристрої, які використовують п'єзоелектричний ефект для створення руху. Цей ефект є лінійною електромеханічною взаємодією між механічними та електричними станами в кристалічних матеріалах з інверсійною симетрією. Це оборотний процес, тобто матеріали, які виявляють п’єзоелектричний ефект, також виявляють зворотний п’єзоелектричний ефект, який є внутрішнім утворенням механічної деформації в результаті прикладеного електричного поля. Прикладами матеріалів, які генерують вимірювану п’єзоелектрику, є кристали цирконат-титанату свинцю.

П’єзоелектричний ефект використовується в таких корисних програмах, як виробництво та виявлення звуку, п’єзоелектричний струменевий друк, генерація електроенергії високої напруги, тактові генератори та електронні пристрої, такі як мікроваги та приводні ультразвукові сопла для надтонких фокусуючих оптичних вузлів. Він також є основою для скануючих зондових мікроскопів, які використовуються для розділення зображень у масштабі атомів.

П'єзоелектрику відкрили в 1880 році французькі фізики Жак і П'єр Кюрі. Вигляд п’єзокристала та компенсатора Кюрі можна побачити в Хантеріанському музеї в Шотландії, що є демонстрацією прямого п’єзоелектричного ефекту братів П’єра та Жака Кюрі.

Поєднання їхніх знань про піроелектрику та розуміння базових кристалічних структур дало початок передбаченню піроелектрики, що дозволило їм передбачити поведінку кристала. Це було продемонстровано дією таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль. Тетрагідрат тартрату натрію та калію, а також кварц і сіль Рошелля виявляли п’єзоелектрику, а п’єзоелектричний диск використовувався для генерування напруги при деформації, хоча це було значно перебільшено Кюрі.

Вони також передбачили зворотний п’єзоелектричний ефект, і це було математично виведено з фундаментальних термодинамічних принципів Габріелем Ліппманом у 1881 році. Подружжя Кюрі негайно підтвердило існування зворотного ефекту та продовжило отримання кількісних доказів повної оборотності електро-еласто- механічні деформації в п'єзокристалах.

Протягом десятиліть п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, поки не стала життєво важливим інструментом у відкритті П’єром і Марією Кюрі полонію та радію. Їхня робота з дослідження та визначення кристалічних структур, що виявляють п’єзоелектрику, завершилася публікацією Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник кристалічної фізики) Вольдемара Фойгта, в якій описано природні кристалічні класи, здатні створювати п’єзоелектрику, і чітко визначено п’єзоелектричні константи та тензорний аналіз.

Це призвело до практичного застосування п’єзоелектричних пристроїв, таких як гідролокатор, який був розроблений під час Першої світової війни. У Франції Поль Ланжевен і його співробітники розробили ультразвуковий детектор підводного човна. Цей детектор складався з перетворювача, виготовленого з тонких кварцових кристалів, ретельно приклеєних до сталевих пластин, і гідрофону для виявлення відбитого відлуння після випромінювання високочастотного імпульсу від перетворювача. Вимірявши час, який потрібен, щоб почути відлуння звукових хвиль, що відбиваються від об’єкта, вони змогли обчислити відстань до об’єкта. Вони використовували п’єзоелектрику, щоб зробити цей ехолот успішним, і проект викликав інтенсивний розвиток і інтерес до п’єзоелектричних пристроїв протягом десятиліть.

Були досліджені та розроблені нові п’єзоелектричні матеріали та нові застосування для цих матеріалів, і п’єзоелектричні пристрої знайшли застосування в багатьох галузях, наприклад, керамічні фонографічні картриджі, які спростили конструкцію програвача та створили дешевші та точніші програвачі, які були дешевшими в обслуговуванні та простішими. будувати. Розробка ультразвукових перетворювачів дозволила легко вимірювати в’язкість і еластичність рідин і твердих речовин, що призвело до величезного прогресу в дослідженні матеріалів. Ультразвукові рефлектометри у часовій області посилають ультразвуковий імпульс у матеріал і вимірюють відбиття та розриви, щоб знайти дефекти всередині литих металевих і кам’яних об’єктів, підвищуючи надійність конструкції.

Під час Другої світової війни незалежні дослідницькі групи в США

Розділяти зображення в масштабі атомів

П’єзоелектрика – це електричний заряд, який накопичується в певних твердих матеріалах, таких як кристали, кераміка та біологічні речовини, такі як кістки та ДНК. Це реакція на застосований механічний вплив і походить від грецького слова «piezein», що означає стискати або натискати. П'єзоелектричний ефект є результатом лінійної електромеханічної взаємодії між механічним і електричним станами в кристалічних матеріалах з інверсійною симетрією.

П’єзоелектрика є оборотним процесом, і матеріали, які демонструють п’єзоелектричний ефект, також демонструють зворотний п’єзоелектричний ефект, який є внутрішнім генеруванням механічної деформації в результаті прикладеного електричного поля. Приклади цього включають кристали цирконатного титанату свинцю, які генерують вимірну п’єзоелектрику, коли їх статична структура деформується порівняно з початковим розміром. І навпаки, кристали змінюють свій статичний розмір, коли прикладається зовнішнє електричне поле, що відоме як зворотний п’єзоелектричний ефект і використовується для виробництва ультразвукових хвиль.

Французькі фізики Жак і П’єр Кюрі відкрили п’єзоелектрику в 1880 році. П’єзоелектричний ефект використовувався для цілого ряду корисних застосувань, включаючи виробництво та виявлення звуку, п’єзоелектричний струменевий друк, генерування електроенергії високої напруги, тактові генератори та електронні пристрої, такі як мікроваги і приводні ультразвукові насадки. Він також є основою для скануючих зондових мікроскопів, які використовуються для розділення зображень у масштабі атомів.

П’єзоелектрика також використовується в повсякденному застосуванні, наприклад, для генерування іскор для запалювання газу в приладах для приготування їжі та нагріванні, факелах, запальничках тощо. Піроелектричний ефект, тобто матеріал, який генерує електричний потенціал у відповідь на зміну температури, вивчали Карл Лінней і Франц Епін в середині XVIII століття. Спираючись на знання Рене Аюї та Антуана Сезара Беккереля, вони встановили зв’язок між механічною напругою та електричним зарядом, але їхні експерименти виявилися безрезультатними.

Відвідувачі Хантеріанського музею в Глазго можуть побачити п’єзокристалічний компенсатор Кюрі, демонстрацію прямого п’єзоелектричного ефекту братів П’єра та Жака Кюрі. У поєднанні зі своїми знаннями про піроелектрику та розумінням основних кристалічних структур вони дали початок передбаченню піроелектрики та здатності передбачати поведінку кристала. Це було продемонстровано дією таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль. Тетрагідрат тартрату натрію та калію, а також кварц і сіль Рошелля демонструють п’єзоелектрику, а п’єзоелектричний диск генерує напругу при деформації, хоча зміна форми сильно перебільшена. Подружжя Кюрі змогли передбачити зворотний п’єзоелектричний ефект, і зворотний ефект був математично виведений із фундаментальних термодинамічних принципів Габріелем Ліппманом у 1881 році.

Подружжя Кюрі негайно підтвердило існування зворотного ефекту, а потім отримало кількісне підтвердження повної оборотності електроеластомеханічних деформацій у п’єзоелектричних кристалах. Десятиліттями п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, але вона була життєво важливим інструментом у відкритті П’єром і Марією Кюрі полонію та радію. Їхня робота з дослідження та визначення кристалічних структур, що виявляють п’єзоелектрику, завершилася публікацією Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник з фізики кристалів) Вольдемара Фойгта.

Звукознімачі Гітари з електронним підсиленням

П'єзоелектричні двигуни - це електродвигуни, які використовують п'єзоелектричний ефект для перетворення електричної енергії в механічну. П'єзоелектричний ефект - це здатність певних матеріалів генерувати електричний заряд при механічному впливі. П’єзоелектричні двигуни використовуються в різних сферах застосування: від живлення невеликих пристроїв, таких як годинники та годинники, до живлення великих машин, таких як роботи та медичне обладнання.

П'єзоелектричні двигуни використовуються в звукознімачах гітар з електронним підсиленням. Ці звукознімачі використовують п’єзоелектричний ефект для перетворення коливань гітарних струн в електричний сигнал. Потім цей сигнал посилюється та надсилається на підсилювач, який створює звук гітари. П'єзоелектричні датчики також використовуються в сучасних електронних барабанах, де вони використовуються для виявлення вібрацій головок барабанів і перетворення їх в електричний сигнал.

П’єзоелектричні двигуни також використовуються в скануючих зондових мікроскопах, які використовують п’єзоелектричний ефект для переміщення крихітного зонда по поверхні. Це дозволяє мікроскопу розрізняти зображення в масштабі атомів. П’єзоелектричні двигуни також використовуються в струменевих принтерах, де вони використовуються для переміщення друкуючої головки вперед і назад по сторінці.

П’єзоелектричні двигуни використовуються в багатьох інших сферах застосування, включаючи медичні пристрої, автомобільні компоненти та побутову електроніку. Вони також використовуються в промислових цілях, наприклад, у виробництві точних деталей і складанні складних компонентів. П’єзоелектричний ефект також використовується у виробництві ультразвукових хвиль, які використовуються в медичній візуалізації та для виявлення дефектів матеріалів.

Загалом п’єзоелектричні двигуни використовуються в широкому діапазоні застосувань, від живлення невеликих пристроїв до живлення більших машин. Вони використовуються в звукознімачах, гітарах з електронним підсиленням, сучасних електронних барабанах, скануючих зондових мікроскопах, струменевих принтерах, медичних пристроях, автомобільних компонентах і побутовій електроніці. П'єзоелектричний ефект також використовується при створенні ультразвукових хвиль і при виявленні дефектів матеріалів.

Тригери сучасних електронних барабанів

П’єзоелектрика – це електричний заряд, який накопичується в певних твердих матеріалах, таких як кристали, кераміка та біологічні речовини, такі як кістки та ДНК. Це реакція цих матеріалів на прикладене механічне навантаження. Слово п’єзоелектрика походить від грецького слова «piezein», що означає «стискати або натискати», і слова «elektron», що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду.

П'єзоелектричні двигуни - це пристрої, які використовують п'єзоелектричний ефект для створення руху. Цей ефект є результатом лінійної електромеханічної взаємодії між механічним і електричним станами кристалічних матеріалів з інверсійною симетрією. Це оборотний процес, тобто матеріали, які виявляють п’єзоелектричний ефект, також виявляють зворотний п’єзоелектричний ефект, тобто внутрішню генерацію механічної деформації в результаті прикладеного електричного поля. Прикладом цього є кристали цирконат-титанату свинцю, які генерують вимірювану п’єзоелектрику, коли їх статична структура деформується порівняно з початковим розміром. І навпаки, коли прикладається зовнішнє електричне поле, кристали змінюють свій статичний розмір, створюючи ультразвукові хвилі.

П'єзоелектричні двигуни використовуються в різних повсякденних цілях, таких як:

• Утворення іскор для запалювання газу в приладах для приготування їжі та нагріванні
• Смолоскипи, запальнички та матеріали з піроелектричним ефектом
• Створення електричного потенціалу у відповідь на зміну температури
• Виробництво та виявлення звуку
• П'єзоелектричний струменевий друк
• Виробництво електроенергії високої напруги
• Тактовий генератор та електронні пристрої
• Мікроваги
• Привід ультразвукових сопел і оптичних вузлів ультратонкого фокусування
• Створює основу скануючих зондових мікроскопів
• Розрізняйте зображення в масштабі атомів
• Звукознімачі гітар з електронним підсиленням
• Тригери сучасних електронних барабанів.

Електромеханічне моделювання п'єзоелектричних перетворювачів

У цьому розділі я досліджуватиму електромеханічне моделювання п’єзоелектричних перетворювачів. Я розгляну історію відкриття п’єзоелектрики, експерименти, які довели її існування, а також розробку п’єзоелектричних пристроїв і матеріалів. Я також обговорюватиму внесок французьких фізиків П’єра та Жака Кюрі, Карла Ліннея та Франца Епіна, Рене Хої та Антуана Сезара Беккереля, Габріеля Ліппмана та Вольдемара Фойгта.

Французькі фізики П'єр і Жак Кюрі

П’єзоелектрика — це електромеханічне явище, коли електричний заряд накопичується в певних твердих матеріалах, таких як кристали, кераміка та біологічні речовини, такі як кістки та ДНК. Цей заряд утворюється у відповідь на прикладене механічне навантаження. Слово «п’єзоелектрика» походить від грецького слова «piezein», що означає «стискати або натискати», і «elektron», що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду.

П’єзоелектричний ефект є результатом лінійної електромеханічної взаємодії між механічними та електричними станами в матеріалах з інверсійною симетрією. Цей ефект є оборотним, тобто матеріали, які демонструють п’єзоелектричний ефект, також демонструють зворотний п’єзоелектричний ефект, коли внутрішня генерація механічної деформації виникає у відповідь на прикладене електричне поле. Наприклад, кристали цирконат-титанату свинцю генерують вимірну п’єзоелектрику, коли їх статична структура деформується порівняно з початковим розміром. І навпаки, коли прикладається зовнішнє електричне поле, кристали змінюють свій статичний розмір, виробляючи ультразвукові хвилі в процесі, відомому як зворотний п’єзоелектричний ефект.

У 1880 році французькі фізики П’єр і Жак Кюрі відкрили п’єзоелектричний ефект, і з тих пір його використовували для цілого ряду корисних застосувань, включаючи виробництво та виявлення звуку, п’єзоелектричний струменевий друк, генерацію електроенергії високої напруги, тактові генератори та електроніку. прилади, такі як мікроваги та приводні ультразвукові насадки для оптичних вузлів надтонкого фокусування. Це також є основою для скануючих зондових мікроскопів, які можуть розділяти зображення в масштабі атомів. П'єзоелектрика також використовується в звукознімачах для гітар з електронним підсиленням і тригерах для сучасних електронних барабанів.

П’єзоелектрика також знаходить повсякденне застосування, наприклад, для генерування іскор для запалювання газу в приладах для приготування їжі та нагріванні, факелах, запальничках тощо. Піроелектричний ефект, коли матеріал генерує електричний потенціал у відповідь на зміну температури, вивчали Карл Лінней і Франц Епін в середині XVIII століття, спираючись на знання Рене Хої та Антуана Сезара Беккереля, які встановили зв’язок між механічної напруги та електричного заряду, хоча їхні експерименти виявилися безрезультатними.

Поєднавши свої знання про піроелектрику з розумінням основних кристалічних структур, подружжя Кюрі змогли дати початок прогнозу піроелектрики та передбачити поведінку кристалів. Це було продемонстровано на ефекті таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль. Тетрагідрат тартрату натрію калію та кварц також показали п’єзоелектрику. П’єзоелектричний диск генерує напругу, коли його деформують, хоча це значно перебільшено в демонстрації Кюрі. Вони також змогли передбачити зворотний п’єзоелектричний ефект і математично вивести його з фундаментальних термодинамічних принципів Габріеля Ліппмана в 1881 році.

Подружжя Кюрі негайно підтвердило існування зворотного ефекту, а потім отримало кількісне підтвердження повної оборотності електроеластомеханічних деформацій у п’єзоелектричних кристалах. У наступні десятиліття п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, поки не стала життєво важливим інструментом у відкритті П’єром і Марією Кюрі полонію та радію. Їхня робота з дослідження та визначення кристалічних структур, що виявляють п’єзоелектрику, завершилася публікацією «Lehrbuch der Kristallphysik» (Підручника з фізики кристалів) Вольдемара Фойгта.

Експерименти виявилися безрезультатними

П’єзоелектрика — це електромеханічне явище, під час якого електричний заряд накопичується в певних твердих матеріалах, таких як кристали, кераміка та біологічні речовини, такі як кістки та ДНК. Це реакція на прикладений механічний вплив, а слово «п’єзоелектрика» походить від грецьких слів «piezein», що означає «стискати або натискати», і «ēlektron», що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду.

П’єзоелектричний ефект є результатом лінійної електромеханічної взаємодії між механічним і електричним станами кристалічних матеріалів з інверсійною симетрією. Це оборотний процес; матеріали, що демонструють п’єзоелектричний ефект, також демонструють зворотний п’єзоелектричний ефект, який є внутрішнім генеруванням механічного напруження в результаті прикладеного електричного поля. Наприклад, кристали цирконат-титанату свинцю генерують вимірну п’єзоелектрику, коли їх статична структура деформується порівняно з початковим розміром. І навпаки, кристали можуть змінювати свій статичний розмір під час застосування зовнішнього електричного поля, відомого як зворотний п’єзоелектричний ефект, який використовується для створення ультразвукових хвиль.

Французькі фізики П’єр і Жак Кюрі відкрили п’єзоелектрику в 1880 році. Відтоді її використовували для різноманітних корисних застосувань, зокрема для виробництва та виявлення звуку, п’єзоелектричного струменевого друку, генерації електроенергії високої напруги, тактових генераторів та електронних пристроїв, таких як мікроваги. , приводні ультразвукові сопла та оптичні вузли надтонкої фокусування. Він також є основою для скануючих зондових мікроскопів, які можуть розділяти зображення в масштабі атомів. П'єзоелектрика також використовується в звукознімачах для гітар з електронним підсиленням і тригерах для сучасних електронних барабанів.

П’єзоелектрика знаходить повсякденне застосування для генерування іскор для запалювання газу в кухонних і нагрівальних пристроях, факелах, запальничках тощо. Піроелектричний ефект, при якому матеріал генерує електричний потенціал у відповідь на зміну температури, вивчали Карл Лінней і Франц Епін в середині 18 століття, спираючись на знання Рене Хої та Антуана Сезара Беккереля, які встановили зв'язок між механічною напругою та електричним зарядом. Експерименти виявилися безрезультатними.

Об’єднані знання про піроелектрику та розуміння базових кристалічних структур дали початок передбаченню піроелектрики та здатності передбачати поведінку кристалів. Це було продемонстровано на ефекті таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль. Тетрагідрат тартрату натрію калію та кварц також демонстрували п’єзоелектрику, а п’єзоелектричний диск використовувався для генерування напруги при деформації. Це було значно перебільшено в демонстрації Кюрі прямого п'єзоелектричного ефекту.

Брати П’єр і Жак Кюрі передбачили зворотний п’єзоелектричний ефект, і зворотний ефект був математично виведений із фундаментальних термодинамічних принципів Габріелем Ліппманом у 1881 році. Подружжя Кюрі негайно підтвердило існування зворотного ефекту та продовжило отримання кількісних доказів повного оборотність електропружномеханічних деформацій у п'єзоелектричних кристалах.

Десятиліттями п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, але вона була життєво важливим інструментом у відкритті П’єром і Марією Кюрі полонію та радію. Їхня робота з дослідження та визначення кристалічних структур, які виявляють п’єзоелектрику, завершилася публікацією Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник з фізики кристалів) Вольдемара Фойгта. Це описало класи природних кристалів, здатних до п’єзоелектрики, і чітко визначило п’єзоелектричні константи за допомогою тензорного аналізу. Це було перше практичне застосування п’єзоелектричних перетворювачів, а гідролокатор був розроблений під час Першої світової війни. У Франції Поль Ланжевен та його співробітники розробили ультразвуковий детектор підводного човна.

Карл Лінней і Франц Епін

П’єзоелектрика — це електромеханічне явище, під час якого електричний заряд накопичується в певних твердих матеріалах, таких як кристали, кераміка та біологічні речовини, такі як кістки та ДНК. Цей заряд утворюється у відповідь на механічне навантаження. Слово п’єзоелектрика походить від грецьких слів πιέζειν (piezein), що означає «стискати або натискати», і ἤλεκτρον (ēlektron), що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду.

П’єзоелектричний ефект є результатом лінійної електромеханічної взаємодії між механічним та електричним станами кристалічних матеріалів з інверсійною симетрією. Цей ефект є оборотним, тобто матеріали, що демонструють п’єзоелектрику, також демонструють зворотний п’єзоелектричний ефект, який є внутрішнім утворенням механічного напруження в результаті прикладеного електричного поля. Наприклад, кристали цирконат-титанату свинцю генерують вимірну п’єзоелектрику, коли їх статична структура деформується порівняно з початковим розміром. І навпаки, кристали можуть змінювати свої статичні розміри, коли прикладається зовнішнє електричне поле, що відоме як зворотний п’єзоелектричний ефект і використовується для виробництва ультразвукових хвиль.

У 1880 році французькі фізики Жак і П’єр Кюрі відкрили п’єзоелектричний ефект, і з тих пір він використовувався для багатьох корисних застосувань, включаючи виробництво та виявлення звуку, п’єзоелектричний струменевий друк, генерування електроенергії високої напруги, генератори годинника, електронні пристрої, мікроваги. , приводні ультразвукові сопла та оптичні вузли надтонкої фокусування. Це також є основою для скануючих зондових мікроскопів, які використовуються для розділення зображень у масштабі атомів. П'єзоелектрика також використовується в звукознімачах для гітар з електронним підсиленням і тригерах для сучасних електронних барабанів.

П’єзоелектрика також використовується в повсякденному використанні, наприклад, для генерування іскор для запалювання газу в кухонних і нагрівальних пристроях, факелах, запальничках, а також піроелектричний ефект, коли матеріал створює електричний потенціал у відповідь на зміну температури. Цей ефект досліджували Карл Лінней і Франц Епін в середині XVIII століття, спираючись на знання Рене Хої та Антуана Сезара Беккереля, які встановили зв’язок між механічною напругою та електричним зарядом, хоча їхні експерименти виявилися безрезультатними.

Вигляд п’єзокристала в компенсаторі Кюрі в Хантеріанському музеї в Шотландії є демонстрацією прямого п’єзоелектричного ефекту братами П’єром і Жаком Кюрі. Поєднання їхніх знань про піроелектрику з розумінням основних кристалічних структур дало початок прогнозу піроелектрики та здатності передбачати поведінку кристала. Це було продемонстровано дією таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль. Тетрагідрат тартрату натрію калію та кварцу з Рошельської солі виявляли п’єзоелектрику, а п’єзоелектричний диск генерує напругу при деформації, хоча це значно перебільшено в демонстрації Кюрі.

Передбачення зворотного п’єзоелектричного ефекту та його математичний висновок із фундаментальних термодинамічних принципів було зроблено Габріелем Ліппманом у 1881 році. Подружжя Кюрі негайно підтвердило існування зворотного ефекту та продовжило отримання кількісних доказів повної оборотності електроеласто-ефекту. механічні деформації в п'єзокристалах. Десятиліттями п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, поки вона не стала життєво важливим інструментом у відкритті полонію та радію П’єром і Марією Кюрі, які використовували її для дослідження та визначення кристалічних структур, які виявляли п’єзоелектрику. Кульмінацією цього стала публікація Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник фізики кристалів) Вольдемара Фойгта, в якій описувалися класи природних кристалів, здатних до п’єзоелектрики, і чітко визначені п’єзоелектричні константи за допомогою тензорного аналізу.

Це практичне застосування п’єзоелектричних перетворювачів призвело до розробки гідролокатора під час Першої світової війни. У Франції Поль Ланжевен та його колеги розробили ультразвуковий детектор підводного човна. Детектор складався з перетворювача, виготовленого з тонких кристалів кварцу, ретельно приклеєних до сталевих пластин, і гідрофону для виявлення відбитого відлуння після випромінювання високочастотного імпульсу від перетворювача. Вимірявши час, який потрібен, щоб почути відлуння звукових хвиль, що відбиваються від об’єкта, вони змогли обчислити відстань до об’єкта. Вони використовували п’єзоелектрику, щоб зробити цей ехолот успішним, і проект викликав інтенсивний розвиток і інтерес до п’єзоелектричних пристроїв

Рене Хоі та Антуан Сезар Беккерель

П’єзоелектрика — це електромеханічне явище, яке виникає, коли певні тверді матеріали, такі як кристали, кераміка та біологічні речовини, як-от кістки та ДНК, накопичують електричний заряд у відповідь на механічне навантаження. П’єзоелектрика походить від грецького слова «piezein», що означає «стискати або натискати», і «elektron», що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду.

П’єзоелектричний ефект є результатом лінійної електромеханічної взаємодії між механічними та електричними станами в кристалічних матеріалах з інверсійною симетрією. Цей ефект є оборотним, тобто матеріали, які демонструють п’єзоелектричний ефект, також демонструють зворотний п’єзоелектричний ефект або внутрішнє генерування механічної деформації в результаті прикладеного електричного поля. Наприклад, кристали цирконат-титанату свинцю генерують вимірну п’єзоелектрику, коли їх статична структура деформується порівняно з початковим розміром. І навпаки, кристали можуть змінювати свій статичний розмір, коли прикладається зовнішнє електричне поле, що призводить до зворотного п’єзоелектричного ефекту та виробництва ультразвукових хвиль.

Французькі фізики П’єр і Жак Кюрі відкрили п’єзоелектричний ефект у 1880 році. Цей ефект використовувався для різноманітних корисних застосувань, включаючи виробництво та виявлення звуку, п’єзоелектричний струменевий друк, генерацію електроенергії високої напруги, тактові генератори та електронні пристрої. як мікроваги, приводні ультразвукові сопла та оптичні вузли надтонкої фокусування. Він також є основою для скануючих зондових мікроскопів, які можуть розділяти зображення в масштабі атомів. П'єзоелектрика також використовується в звукознімачах для гітар з електронним підсиленням і тригерах для сучасних електронних барабанів.

П'єзоелектричний ефект вперше дослідили Карл Лінней і Франц Епін в середині XVIII століття, спираючись на знання Рене Гауї та Антуана Сезара Беккереля, які встановили зв'язок між механічною напругою та електричним зарядом. Однак експерименти виявилися безрезультатними. У поєднанні зі знанням піроелектрики та розумінням основних кристалічних структур це дало початок передбаченню піроелектрики та здатності передбачати поведінку кристала. Це було продемонстровано на ефекті таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль. Тетрагідрат тартрату натрію калію та кварц також демонстрували п’єзоелектрику, а п’єзоелектричний диск використовувався для генерування напруги при деформації. Цей ефект був значно перебільшений у демонстрації Кюрі в Музеї Шотландії, яка показала прямий п’єзоелектричний ефект.

Брати П’єр і Жак Кюрі отримали кількісні докази повної оборотності електроеластомеханічних деформацій у п’єзоелектричних кристалах. Десятиліттями п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавиною, поки не стала життєво важливим інструментом у відкритті П’єром і Марією Кюрі полонію та радію. Ця робота досліджувала та визначала кристалічні структури, які виявляли п’єзоелектрику, кульмінацією якої стала публікація Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник з фізики кристалів) Вольдемара Фойгта.

Подружжя Кюрі негайно підтвердило існування зворотного ефекту та продовжило математичний висновок про фундаментальні термодинамічні принципи зворотного ефекту. Це було зроблено Габріелем Ліппманом у 1881 році. Потім п’єзоелектрику використовували для розробки гідролокатора під час Першої світової війни. У Франції Поль Ланжевен та його колеги розробили ультразвуковий детектор підводного човна. Цей детектор складався з перетворювача, виготовленого з тонких кварцових кристалів, ретельно приклеєних до сталевих пластин, і гідрофону для виявлення повернутої луни. Випромінюючи високочастотний імпульс із датчика та вимірюючи час, який потрібен, щоб почути відлуння звукових хвиль, що відбиваються від об’єкта, вони могли обчислити відстань до об’єкта.

Після Другої світової війни використання п’єзоелектричних кристалів було продовжено розроблено Bell Telephone Laboratories. Фредерік Р. Лек, працюючи в інженерному відділі радіотелефонії, розробив гранований кристал, який міг працювати в широкому діапазоні температур. Кристал Лака не потребував важких аксесуарів попередніх кристалів, що полегшило його використання в літаках. Ця розробка дозволила військово-повітряним силам союзників брати участь у скоординованих масових атаках, використовуючи авіаційне радіо. Розробка п’єзоелектричних пристроїв і матеріалів у Сполучених Штатах утримувала компанії у розробці воєнних початків у цій галузі, а також інтереси в забезпеченні прибуткових патентів на нові матеріали розвивалися. Кристали кварцу комерційно використовували як п’єзоелектричний матеріал, і вчені шукали матеріали з більшою ефективністю. Незважаючи на прогрес у матеріалах і вдосконалення виробничих процесів, США

Габріель Ліппман

П’єзоелектрика — це електромеханічне явище, під час якого електричний заряд накопичується в певних твердих матеріалах, таких як кристали, кераміка та біологічні речовини, такі як кістки та ДНК. Це результат взаємодії між механічним і електричним станами в матеріалах з інверсійною симетрією. П'єзоелектрику вперше відкрили французькі фізики П'єр і Жак Кюрі в 1880 році.

П’єзоелектрику використовували для різноманітних корисних застосувань, включаючи виробництво та виявлення звуку, п’єзоелектричний струменевий друк і генерацію електроенергії високої напруги. П’єзоелектрика походить від грецьких слів πιέζειν (piezein), що означає «стискати або натискати», і ἤλεκτρον (ēlektron), що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду.

П’єзоелектричний ефект є оборотним, тобто матеріали, що виявляють п’єзоелектрику, також демонструють зворотний п’єзоелектричний ефект, у якому внутрішня генерація механічної напруги є результатом застосування електричного поля. Наприклад, кристали цирконат-титанату свинцю генерують вимірну п’єзоелектрику, коли їх статична структура деформується порівняно з початковим розміром. І навпаки, кристали можуть змінювати свої статичні розміри під час застосування зовнішнього електричного поля, процес, відомий як зворотний п’єзоелектричний ефект. Цей процес можна використовувати для отримання ультразвукових хвиль.

П'єзоелектричний ефект вивчався з середини XVIII століття, коли Карл Лінней і Франц Епін, спираючись на знання Рене Хої та Антуана Сезара Беккереля, встановили зв'язок між механічною напругою та електричним зарядом. Однак експерименти виявилися безрезультатними. Дослідники змогли спрогнозувати поведінку кристалів лише після того, як об’єднані знання про піроелектрику та розуміння базових кристалічних структур дали початок передбаченню піроелектрики. Це було продемонстровано дією таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль.

Габріель Ліппман у 1881 році математично вивів фундаментальні термодинамічні принципи зворотного п’єзоелектричного ефекту. Подружжя Кюрі негайно підтвердило існування зворотного ефекту, а потім отримало кількісне підтвердження повної оборотності електроеластомеханічних деформацій у п’єзоелектричних кристалах.

Протягом десятиліть п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, поки не стала життєво важливим інструментом у відкритті П’єром і Марією Кюрі полонію та радію. Їхня робота з дослідження та визначення кристалічних структур, які виявляють п’єзоелектрику, завершилася публікацією Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник з фізики кристалів) Вольдемара Фойгта. Це описало класи природних кристалів, здатних до п’єзоелектрики, і чітко визначило п’єзоелектричні константи за допомогою тензорного аналізу.

Практичне застосування п'єзоелектричних пристроїв почалося з розробки гідролокатора під час Першої світової війни. Поль Ланжевен і його співробітники розробили ультразвуковий детектор підводних човнів. Цей детектор складався з перетворювача, виготовленого з тонких кристалів кварцу, ретельно приклеєних до сталевих пластин, і гідрофону для виявлення відбитого ехо. Випромінюючи високочастотний імпульс із перетворювача та вимірюючи час, який потрібен, щоб почути відлуння звукових хвиль, що відбиваються від об’єкта, вони змогли обчислити відстань до об’єкта. Це використання п’єзоелектрики для гідролокатора було успішним, і проект викликав інтенсивний інтерес до розвитку п’єзоелектричних пристроїв. Протягом десятиліть досліджувалися та розроблялися нові п’єзоелектричні матеріали та нові сфери застосування цих матеріалів. П’єзоелектричні пристрої знайшли застосування в різних галузях: від керамічних картриджів для фонографа, які спростили конструкцію програвачів і зробили дешеві, точні програвачі, дешевшими в обслуговуванні та легшими для створення, до розробки ультразвукових перетворювачів, які дозволяли легко вимірювати в’язкість і еластичність рідин. і твердих речовин, що призвело до величезного прогресу в дослідженні матеріалів. Ультразвукові рефлектометри у часовій області посилають ультразвуковий імпульс у матеріал і вимірюють відбиття та розриви, щоб знайти дефекти всередині литих металевих і кам’яних об’єктів, підвищуючи надійність конструкції.

Після Другої світової війни незалежні дослідницькі групи в Сполучених Штатах, Росії та Японії відкрили новий клас синтетичних матеріалів під назвою сегнетоелектрики, які демонстрували п’єзоелектричні константи в десять разів вищі, ніж у природних матеріалів. Це призвело до інтенсивних досліджень для розробки титанату барію, а пізніше цирконат-титанату свинцю, матеріалів зі специфічними властивостями для певних застосувань. Розроблено показовий приклад використання п'єзоелектричних кристалів

Вольдемар Фойгт

П’єзоелектрика — це електромеханічне явище, під час якого електричний заряд накопичується в певних твердих матеріалах, таких як кристали, кераміка та біологічні речовини, такі як кістки та ДНК. Цей заряд утворюється у відповідь на прикладене механічне навантаження. Слово «п’єзоелектрика» походить від грецького слова «piezein», що означає «стискати або тиснути», і «elektron», що означає «бурштин», стародавнє джерело електричного заряду.

П’єзоелектричний ефект є результатом лінійної електромеханічної взаємодії між механічним та електричним станами кристалічних матеріалів з інверсійною симетрією. Цей ефект є оборотним, тобто матеріали, які виявляють п’єзоелектрику, також виявляють зворотний п’єзоелектричний ефект, коли внутрішня генерація механічної деформації є результатом прикладеного електричного поля. Наприклад, кристали цирконат-титанату свинцю генерують вимірну п’єзоелектрику, коли їх статична структура деформується порівняно з початковим розміром. І навпаки, кристали можуть змінювати свій статичний розмір під час застосування зовнішнього електричного поля, явище, відоме як зворотний п’єзоелектричний ефект, який використовується для виробництва ультразвукових хвиль.

Французькі фізики П’єр і Жак Кюрі відкрили п’єзоелектрику в 1880 році. З тих пір п’єзоелектричний ефект використовувався для різноманітних корисних застосувань, включаючи виробництво та виявлення звуку, п’єзоелектричний струменевий друк, генерування електроенергії високої напруги, тактові генератори та електронні пристрої. як мікроваги та приводні ультразвукові насадки для надтонкого фокусування оптичних вузлів. Він також є основою для скануючих зондових мікроскопів, які можуть розділяти зображення в масштабі атомів. Крім того, звукознімачі в гітарах з електронним підсиленням і тригери в сучасних електронних барабанах використовують п’єзоелектричний ефект.

П’єзоелектрика також знаходить повсякденне застосування для генерування іскор для запалювання газу в кухонних і нагрівальних пристроях, у факелах, запальничках тощо. Піроелектричний ефект, коли матеріал генерує електричний потенціал у відповідь на зміну температури, вивчали Карл Лінней і Франц Епін в середині 18 століття, спираючись на знання Рене Хауї та Антуана Сезара Беккереля, які встановили зв'язок між механічними стрес і електричний заряд. Експерименти для підтвердження цього зв’язку виявилися безрезультатними.

Вигляд п’єзокристала в компенсаторі Кюрі в Хантеріанському музеї в Шотландії є демонстрацією прямого п’єзоелектричного ефекту братами П’єром і Жаком Кюрі. Поєднання їхніх знань про піроелектрику з розумінням базових кристалічних структур призвело до передбачення піроелектрики, що дозволило їм передбачити поведінку кристалів, які вони продемонстрували під впливом таких кристалів, як турмалін, кварц, топаз, тростинний цукор і Рошельська сіль. . Тетрагідрат тартрату натрію та калію та кварц також демонстрували п’єзоелектрику, а п’єзоелектричний диск використовувався для генерування напруги при деформації. Ця зміна форми була значно перебільшена в демонстрації Кюрі, і вони передбачили зворотний п’єзоелектричний ефект. Зворотний ефект був математично виведений із фундаментальних термодинамічних принципів Габріелем Ліппманом у 1881 році.

Подружжя Кюрі негайно підтвердило існування зворотного ефекту, а потім отримало кількісне підтвердження повної оборотності електроеластомеханічних деформацій у п’єзоелектричних кристалах. У наступні десятиліття п’єзоелектрика залишалася лабораторною цікавістю, доки вона не стала життєво важливим інструментом у відкритті П’єром Марією Кюрі полонію та радію, який використовував її для дослідження та визначення кристалічних структур, які виявляли п’єзоелектрику. Кульмінацією цього стала публікація Lehrbuch der Kristallphysik (Підручник фізики кристалів) Вольдемара Фойгта, в якій описувалися класи природних кристалів, здатних до п’єзоелектрики, і чітко визначені п’єзоелектричні константи за допомогою тензорного аналізу.

Це призвело до практичного застосування п’єзоелектричних пристроїв, таких як гідролокатор, який був розроблений під час Першої світової війни. У Франції Поль Ланжевен і його співробітники розробили ультразвуковий детектор підводного човна. Цей детектор складався з перетворювача, виготовленого з тонких кварцових кристалів, ретельно приклеєних до сталевих пластин, і гідрофону для виявлення відбитого відлуння після випромінювання високочастотного імпульсу від перетворювача. Вимірюючи час, який потрібен, щоб почути відлуння звукових хвиль, що відбиваються від об’єкта, вони могли обчислити відстань до об’єкта. Вони використовували п’єзоелектрику, щоб зробити цей ехолот успішним, і проект викликав інтенсивний розвиток і інтерес.

Важливі відносини

• П'єзоелектричні приводи: п'єзоелектричні приводи - це пристрої, які перетворюють електричну енергію в механічний рух. Вони зазвичай використовуються в робототехніці, медичних пристроях та інших додатках, де потрібне точне керування рухом.
• П’єзоелектричні датчики: п’єзоелектричні датчики використовуються для вимірювання фізичних параметрів, таких як тиск, прискорення та вібрація. Вони часто використовуються в промисловості та медицині, а також у побутовій електроніці.
• П’єзоелектрика в природі: п’єзоелектрика — це природне явище, яке зустрічається в певних матеріалах і зустрічається в багатьох живих організмах. Він використовується деякими організмами, щоб відчувати навколишнє середовище та спілкуватися з іншими організмами.

Висновок

П’єзоелектрика — дивовижне явище, яке використовувалося в різноманітних додатках, від ехолота до картриджів для фонографа. Його вивчали з середини 1800-х років і з великим ефектом використовували в розробці сучасних технологій. У цій публікації в блозі досліджено історію та використання п’єзоелектрики, а також підкреслено важливість цього явища для розвитку сучасних технологій. Для тих, хто хоче дізнатися більше про п’єзоелектрику, ця публікація є чудовою відправною точкою.

Я Йост Нуссельдер, засновник Neaera і маркетолог із контенту, тато, я люблю випробовувати нове обладнання з гітарою в основі моєї пристрасті, і разом зі своєю командою я створюю детальні статті в блозі з 2020 року. щоб допомогти вірним читачам порадами щодо запису та гітари.

Перевірте мене на Youtube де я пробую все це спорядження:

Підписуватися