Piezoelectricity ist die Anklage, die in bestimmten festen Materialien (namentlich Kristalle, bestimmte Keramik und biologische Sache wie Knochen, DNA und verschiedene Proteine) als Antwort auf angewandte mechanische Betonung anwächst. Das Wort piezoelectricity bedeutet Elektrizität, die sich aus Druck ergibt. Es wird aus dem Griechen Piezo- oder piezein () abgeleitet, was bedeutet, zu quetschen oder, und elektrisch oder Elektron zu drücken , der für Bernstein, eine alte Quelle der elektrischen Anklage eintritt. Piezoelectricity wurde 1880 von französischen Physikern Jacques und Pierre Curie entdeckt.

Die piezoelektrische Wirkung wird als die geradlinige elektromechanische Wechselwirkung zwischen dem mechanischen und dem elektrischen Staat in kristallenen Materialien ohne Inversionssymmetrie verstanden. Die piezoelektrische Wirkung ist ein reversibler Prozess darin Materialien, die die direkte piezoelektrische Wirkung (die innere Generation der elektrischen Anklage ausstellen, die sich aus einer angewandten mechanischen Kraft ergibt) stellen auch, die piezoelektrische Rückwirkung (die innere Generation einer mechanischen Beanspruchung aus, die sich aus einem angewandten elektrischen Feld ergibt). Führen Sie zum Beispiel zirconate titanate Kristalle werden messbaren piezoelectricity erzeugen, wenn ihre statische Struktur durch ungefähr 0.1 % der ursprünglichen Dimension deformiert wird. Umgekehrt werden sich jene dieselben Kristalle um ungefähr 0.1 % ihrer statischen Dimension ändern, wenn ein elektrisches Außenfeld auf das Material angewandt wird.

Piezoelectricity wird in nützlichen Anwendungen wie die Produktion und Entdeckung des Tons, Generation von Hochspannungen, elektronische Frequenzgeneration, Mikrogleichgewichte und ultrafeine Fokussierung von optischen Bauteilen gefunden. Es ist auch die Basis mehrerer wissenschaftlicher instrumentaler Techniken mit der Atomentschlossenheit, die Abtastungsuntersuchungsmikroskopie wie STM, AFM, MTA, SNOM, usw., und täglicher Gebrauch solches so Handeln wie die Zünden-Quelle für Feuerzeuge und Propan-Barbecues des Stoß-Anfangs.

Geschichte

Entdeckung und frühe Forschung

Die pyroelectric Wirkung, durch die ein Material ein elektrisches Potenzial als Antwort auf eine Temperaturänderung erzeugt, wurde von Carl Linnaeus und Franz Aepinus Mitte des 18. Jahrhunderts studiert. Als sie sich auf diese Kenntnisse gestützt haben, haben sowohl René Just Haüy als auch Antoine César Becquerel eine Beziehung zwischen mechanischer Betonung und elektrischer Anklage postuliert; jedoch haben sich Experimente durch beide nicht überzeugend erwiesen.

Die erste Demonstration der direkten piezoelektrischen Wirkung war 1880 durch die Brüder Pierre Curie und Jacques Curie. Sie haben ihre Kenntnisse von pyroelectricity mit ihrem Verstehen der zu Grunde liegenden Kristallstrukturen verbunden, die pyroelectricity verursacht haben, um Kristallverhalten vorauszusagen, und die Wirkung mit Kristallen des Turmalins, Quarz, Topas, Rohrzucker und Salz von Rochelle (Natriumskalium tartrate tetrahydrate) demonstriert haben. Quarz und Salz von Rochelle haben den grössten Teil von piezoelectricity ausgestellt.

Die Curie haben jedoch die gegenteilige piezoelektrische Wirkung nicht vorausgesagt. Die gegenteilige Wirkung wurde aus grundsätzlichen thermodynamischen Grundsätzen von Gabriel Lippmann 1881 mathematisch abgeleitet. Die Curie haben sofort die Existenz der gegenteiligen Wirkung bestätigt und haben fortgesetzt, quantitativen Beweis der ganzen Umkehrbarkeit von electro-elasto-mechanical Deformierungen in piezoelektrischen Kristallen zu erhalten.

Seit den nächsten paar Jahrzehnten ist piezoelectricity etwas von einer Laborwissbegierde geblieben. Mehr Arbeit wurde getan, um die Kristallstrukturen zu erforschen und zu definieren, die piezoelectricity ausgestellt haben. Das hat 1910 mit der Veröffentlichung des Lehrbuch der Kristallphysik von Woldemar Voigt kulminiert (Lehrbuch auf der Kristallphysik), der die 20 natürlichen Kristallklassen beschrieben hat, die zu piezoelectricity fähig sind, und streng die piezoelektrischen Konstanten mit der Tensor-Analyse definiert hat.

Erster Weltkrieg und Nachkriegs-

Die erste praktische Anwendung für piezoelektrische Geräte war Echolot, das zuerst während des Ersten Weltkriegs entwickelt ist. In Frankreich 1917 haben Paul Langevin und seine Mitarbeiter einen Überschallunterseebootentdecker entwickelt. Der Entdecker hat aus einem Wandler bestanden, der aus dünnen Quarzkristallen sorgfältig gemacht ist, die zwischen zwei Stahltellern und einem Hydrotelefon geklebt sind, um das zurückgegebene Echo zu entdecken. Durch das Ausstrahlen eines Hochfrequenzzwitscherns vom Wandler und das Messen der Zeitdauer nimmt es, um ein Echo von den Schallwellen zu hören, die von einem Gegenstand springen, man kann die Entfernung zu diesem Gegenstand berechnen.

Der Gebrauch von piezoelectricity im Echolot und der Erfolg dieses Projektes, haben intensives Entwicklungsinteresse an piezoelektrischen Geräten geschaffen. Im Laufe der nächsten paar Jahrzehnte wurden neue piezoelektrische Materialien und neue Anwendungen für jene Materialien erforscht und entwickelt.

Piezoelektrische Geräte haben Häuser in vielen Feldern gefunden. Keramische Plattenspieler-Patronen haben Spieler-Design vereinfacht, waren preiswert und genau, und haben Rekordspieler preiswerter gemacht, um aufrechtzuerhalten, und leichter zu bauen. Die Entwicklung des Überschallwandlers hat leichtes Maß der Viskosität und Elastizität in Flüssigkeiten und Festkörpern berücksichtigt, auf riesige Fortschritte auf die Material-Forschung hinauslaufend. Überschallzeitabschnitt-Reflektometer (die einen Überschallpuls durch ein Material und Maß-Nachdenken von Diskontinuitäten senden) konnten Fehler innerhalb von Wurf-Metall und Steingegenständen finden, Struktursicherheit verbessernd.

Zweiter Weltkrieg und Nachkriegs-

Während des Zweiten Weltkriegs haben unabhängige Forschungsgruppen in den Vereinigten Staaten, Russland und Japan eine neue Klasse von künstlichen Materialien, genannt ferroelectrics entdeckt, der piezoelektrische Konstanten oft höher ausgestellt hat als natürliche Materialien. Das hat zu intensiver Forschung geführt, um Barium titanate und spätere Leitung zirconate titanate Materialien mit spezifischen Eigenschaften für besondere Anwendungen zu entwickeln.

Ein bedeutendes Beispiel des Gebrauches von piezoelektrischen Kristallen wurde von Glockentelefonlaboratorien entwickelt. Folgender Erster Weltkrieg, Frederick R. Lack, in der Radiotelefonie in der Technikabteilung arbeitend, hat sich "AN der Kürzung" Kristall, ein Kristall entwickelt, der durch eine breite Reihe von Temperaturen funktioniert hat. Der Kristall von Lack hat die schweren Zusätze vorheriger verwendeter Kristall nicht gebraucht, seinen Gebrauch auf dem Flugzeug erleichternd. Diese Entwicklung hat Verbündeten Luftwaffen erlaubt, sich mit koordinierten Massenangriffen durch den Gebrauch des Flugradios zu beschäftigen.

Die Entwicklung von piezoelektrischen Geräten und Materialien in den Vereinigten Staaten wurde innerhalb der Gesellschaften behalten, die die Entwicklung, größtenteils wegen der Kriegsanfänge des Feldes, und in den Interessen tun, gewinnbringende Patente zu sichern. Neue Materialien waren erst, um entwickelt zu werden — Quarzkristalle waren das erste gewerblich ausgenutzte piezoelektrische Material, aber Wissenschaftler haben nach Materialien der höheren Leistung gesucht. Trotz der Fortschritte in Materialien und der Reifung von Fertigungsverfahren war der USA-Markt als schnell nicht gewachsen. Ohne viele neue Anwendungen hat das Wachstum der piezoelektrischen USA-Industrie gelitten.

Im Gegensatz haben japanische Hersteller ihre Information geteilt, schnell technische und Produktionsherausforderungen überwindend und neue Märkte schaffend. Japanische Anstrengungen in der Material-Forschung haben piezoceramic Materialien geschaffen, die zu den amerikanischen Materialien, aber frei von teuren offenen Beschränkungen konkurrenzfähig sind. Piezoelektrische japanische Hauptentwicklungen schließen neue Designs von piezoceramic Filtern für Radios und Fernsehen, Piezosummer und Audiowandler ein, die direkt zu elektronischen Stromkreisen und dem piezoelektrischen Zünder in Verbindung stehen können, der Funken für kleine Motorzünden-Systeme (und Gasgrill lighters) durch das Zusammendrücken einer keramischen Scheibe erzeugt. Überschallwandler, die Schallwellen durch Luft übersenden, hatten eine Zeit lang bestanden, aber haben zuerst kommerziellen Hauptgebrauch in frühen Fernsehfernbedienungen gesehen. Diese Wandler werden jetzt auf mehreren Automodellen als ein echolocation Gerät bestiegen, dem Fahrer helfend, die Entfernung von der Hinterseite des Autos zu irgendwelchen Gegenständen zu bestimmen, die in seinem Pfad sein können.

Mechanismus

Die Natur der piezoelektrischen Wirkung ist nah mit dem Ereignis von elektrischen Dipolmomenten in Festkörpern verbunden. Die Letzteren können entweder für Ionen auf Kristallgitter-Seiten mit asymmetrischen Anklage-Umgebungen (als in BaTiO und PZTs) veranlasst werden oder können von molekularen Gruppen (als in Rohrzucker) direkt getragen werden. Die Dipoldichte oder Polarisation (dimensionality [Cm/M]) können für Kristalle durch das Summieren der Dipolmomente pro Volumen der crystallographic Einheitszelle leicht berechnet werden. Da jeder Dipol ein Vektor ist, ist die Dipoldichte P auch ein Vektor oder eine geleitete Menge. Dipole in der Nähe von einander neigen dazu, in Gebieten genannt Gebiete von Weiss ausgerichtet zu werden. Die Gebiete werden gewöhnlich zufällig orientiert, aber können mit dem Prozess von poling (nicht dasselbe als magnetischer poling), einem Prozess ausgerichtet werden, durch den ein starkes elektrisches Feld über das Material gewöhnlich bei Hochtemperaturen angewandt wird. Nicht alle piezoelektrischen Materialien können poled sein.

Der entscheidenden Wichtigkeit für die piezoelektrische Wirkung ist die Änderung der Polarisation P, wenn man eine mechanische Betonung anwendet. Das könnte entweder durch eine Wiederkonfiguration der dipolveranlassenden Umgebung oder durch die Umorientierung von molekularen Dipolmomenten unter dem Einfluss der Außenbetonung verursacht werden. Piezoelectricity kann dann in einer Schwankung der Polarisationskraft, seiner Richtung oder beider, mit den Details je nachdem 1 erscheinen. die Orientierung von P innerhalb des Kristalls, 2. Kristallsymmetrie und 3. die angewandte mechanische Betonung. Die Änderung in P erscheint als eine Schwankung der Flächenladungsdichte auf die Kristallgesichter, d. h. als eine Schwankung des elektrischen Feldes, das sich zwischen den Gesichtern ausstreckt, da die Einheiten der Flächenladungsdichte und Polarisation dasselbe, [C/m] = [Cm/M] sind. Jedoch wird piezoelectricity durch eine Änderung verantwortlich Dichte auf der Oberfläche, aber durch die Dipoldichte im Hauptteil nicht verursacht. Zum Beispiel kann ein 1-Cm-Würfel von Quarz mit 2 kN (500 lbf) der richtig angewandten Kraft eine Stromspannung 12500 V erzeugen.

Piezoelektrische Materialien zeigen auch die entgegengesetzte Wirkung, genannt gegenteilige piezoelektrische Wirkung, wo die Anwendung eines elektrischen Feldes mechanische Deformierung im Kristall schafft.

Mathematische Beschreibung

Piezoelectricity ist die vereinigte Wirkung des elektrischen Verhaltens des Materials:

:

wo D die elektrische Anklage-Dichte-Versetzung (elektrische Versetzung) ist, ist ε permittivity, und E ist elektrische Feldkraft und

Das Gesetz von Hooke:

:

wo S Beanspruchung ist, ist s Gehorsam, und T ist Betonung.

Diese können in so genannte verbundene Gleichungen verbunden werden, von denen die Beanspruchungsanklage-Form ist:

:

\{S\} = \left [s^E \right] \{T\} + [d^t] \{E\}\

</Mathematik>:

\{D\} = [d] \{T\} + \left [\varepsilon^T \right] \{E\}\

</Mathematik>,

wo die Matrix für die direkte piezoelektrische Wirkung ist und die Matrix für die gegenteilige piezoelektrische Wirkung ist. Der Exponent E zeigt eine Null oder unveränderliches, elektrisches Feld an; der Exponent T zeigt eine Null, oder unveränderlich, Betonungsfeld an; und der Exponent t tritt für Umstellung einer Matrix ein.

Die Beanspruchungsanklage für ein Material der 4 Mm (C) Kristallklasse (wie eine poled piezoelektrische Keramik wie tetragonal PZT oder BaTiO) sowie die 6-Mm-Kristallklasse kann auch als (ANSI IEEE 176) geschrieben werden:

:

\begin {bmatrix} S_1 \\S_2 \\S_3 \\S_4 \\S_5 \\S_6 \end {bmatrix }\

\begin {bmatrix} s_ {11} ^E & s_ {12} ^E & s_ {13} ^E & 0 & 0 & 0 \\

s_ {21} ^E & s_ {22} ^E & s_ {23} ^E & 0 & 0 & 0 \\

s_ {31} ^E & s_ {32} ^E & s_ {33} ^E & 0 & 0 & 0 \\

0 & 0 & 0 & s_ {44} ^E & 0 & 0 \\

0 & 0 & 0 & 0 & s_ {55} ^E & 0 \\

0 & 0 & 0 & 0 & 0 & s_ {66} ^E=2\left (s_ {11} ^E-s_ {12} ^E\right) \end {bmatrix }\

\begin {bmatrix} T_1 \\T_2 \\T_3 \\T_4 \\T_5 \\T_6 \end {bmatrix }\

+

\begin {bmatrix} 0 & 0 & d_ {31} \\

0 & 0 & d_ {32} \\

0 & 0 & d_ {33} \\

0 & d_ {24} & 0 \\

d_ {15} & 0 & 0 \\

0 & 0 & 0 \end {bmatrix }\

\begin {bmatrix} E_1 \\E_2 \\E_3 \end {bmatrix }\

</Mathematik>:

\begin {bmatrix} D_1 \\D_2 \\D_3 \end {bmatrix }\

\begin {bmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 & d_ {15} & 0 \\

0 & 0 & 0 & d_ {24} & 0 & 0 \\

d_ {31} & d_ {32} & d_ {33} & 0 & 0 & 0 \end {bmatrix }\

\begin {bmatrix} T_1 \\T_2 \\T_3 \\T_4 \\T_5 \\T_6 \end {bmatrix }\+

\begin {bmatrix} {\\varepsilon} _ {11} & 0 & 0 \\

0 & {\\varepsilon} _ {22} & 0 \\

0 & 0 & {\\varepsilon} _ {33} \end {bmatrix }\

\begin {bmatrix} E_1 \\E_2 \\E_3 \end {bmatrix }\</Mathematik>

wo die erste Gleichung die Beziehung für die gegenteilige piezoelektrische Wirkung und die Letzteren für die direkte piezoelektrische Wirkung vertritt.

Obwohl die obengenannten Gleichungen die am meisten verwendete Form in der Literatur sind, sind einige Anmerkungen über die Notation notwendig. Allgemein sind D und E Vektoren, d. h. Kartesianischer Tensor der Reihe 1; und permittivity ε ist Kartesianischer Tensor der Reihe 2. Beanspruchung und Betonung, sind im Prinzip, auch Reihe 2 Tensor. Aber herkömmlich, weil Beanspruchung und Betonung der ganze symmetrische Tensor sind, kann die Subschrift der Beanspruchung und Betonung auf die folgende Mode wiederetikettiert werden: 11  1; 22  2; 33  3; 23  4; 13  5; 12  6. (Verschiedene Tagung kann von verschiedenen Autoren in der Literatur verwendet werden., Sagen Sie etwas Gebrauch 12  4; 23  5; 31  6 stattdessen.) Deshalb scheinen S und T, die "Vektor-Form" von 6 Bestandteilen zu haben. Folglich scheint s, 6 durch 6 Matrix statt der Reihe 4 Tensor zu sein. Solch eine wiederetikettierte Notation wird häufig Notation von Voigt genannt.

Insgesamt gibt es 4 piezoelektrische Koeffizienten, und definiert wie folgt:

:

d_ {ij} = \left (\frac {\\teilweiser D_i} {\\teilweiser T_j} \right) ^E

= \left (\frac {\\teilweiser S_j} {\\teilweiser E_i} \right) ^T

</Mathematik>:

e_ {ij} = \left (\frac {\\teilweiser D_i} {\\teilweiser S_j} \right) ^E

=-\left (\frac {\\teilweiser T_j} {\\teilweiser E_i} \right) ^S

</Mathematik>:

g_ {ij} =-\left (\frac {\\teilweiser E_i} {\\teilweiser T_j} \right) ^D

= \left (\frac {\\teilweiser S_j} {\\teilweiser D_i} \right) ^T

</Mathematik>:

h_ {ij} =-\left (\frac {\\teilweiser E_i} {\\teilweiser S_j} \right) ^D

=-\left (\frac {\\teilweiser T_j} {\\teilweiser D_i} \right) ^S

</Mathematik>

wo der erste Satz von 4 Begriffen der direkten piezoelektrischen Wirkung entspricht und der zweite Satz von 4 Begriffen der gegenteiligen piezoelektrischen Wirkung entsprechen. Ein Formalismus ist für jene piezoelektrischen Kristalle ausgearbeitet worden, für die die Polarisation des veranlassten Typs des Kristallfeldes ist, der die Berechnung von piezoelectrical Koeffizienten von elektrostatischen Gitter-Konstanten oder höherwertigen Konstanten von Madelung berücksichtigt.

Kristallklassen

Der zweiunddreißig Kristallklassen, einundzwanzig sind non-centrosymmetric (ein Zentrum der Symmetrie nicht habend), und von diesen, zwanzig stellen direkten piezoelectricity aus (der 21. ist die kubische Klasse 432). Zehn von diesen vertreten die polaren Kristallklassen, die eine spontane Polarisation ohne mechanische Betonung wegen eines nichtverschwindenden elektrischen Dipolmoments zeigen, der mit ihrer Einheitszelle vereinigt ist, und die pyroelectricity ausstellen. Wenn der Dipolmoment durch die Anwendung eines elektrischen Feldes umgekehrt werden kann, wie man sagt, ist das Material eisenelektrisch.

• Polare Kristallklassen: 1, 2, M, mm2, 4, 4 Mm, 3, 3 M, 6, 6 Mm.
• Piezoelektrische Kristallklassen: 1, 2, M, 222, mm2, 4, 422, 4 Mm, 2 M, 3, 32, 3 M, 6, 622, 6 Mm, 2 M, 23, 3 M.

Für polare Kristalle, für die P  0 hält, ohne eine mechanische Last anzuwenden, äußert sich die piezoelektrische Wirkung durch das Ändern des Umfangs oder der Richtung von P oder beiden.

Für die nichtpolaren aber piezoelektrischen Kristalle, andererseits, wird eine Polarisation P verschieden von der Null nur durch die Verwendung einer mechanischen Last entlockt. Für sie, wie man vorstellen kann, gestaltet die Betonung das Material von einer nichtpolaren Kristallklasse (P =0) zu einer polaren um, P  0 habend.

Materialien

Viele Materialien, sowohl natürlich als auch künstlich, stellen piezoelectricity aus:

Natürlich vorkommende Kristalle

• Berlinite (AlPO), ein seltenes Phosphatmineral, das zu Quarz strukturell identisch

ist

• Rohrzucker (Tabellenzucker)
• Quarz
• Salz von Rochelle
• Topas
• Minerale der Turmalin-Gruppe

Die Handlung von piezoelectricity im Topas kann wahrscheinlich der Einrichtung (F, Ohio) in seinem Gitter zugeschrieben werden, das sonst centrosymmetric ist: Orthorhombic Bipyramidal (mmm). Topas hat anomale optische Eigenschaften, die solcher Einrichtung zugeschrieben werden.

Andere natürliche Materialien

• Knochen: Trockener Knochen stellt einige piezoelektrische Eigenschaften aus. Studien von Fukada. haben gezeigt, dass diese nicht wegen der apatite Kristalle sind, die centrosymmetric, so nichtpiezoelektrisch, aber wegen collagen sind. Collagen stellt die polare einachsige Orientierung von molekularen Dipolen in seiner Struktur aus und kann als bioelectret, eine Art dielektrische materielle ausstellende quasidauerhafte Raumanklage und zweipolige Anklage betrachtet werden. Wie man denkt, kommen Potenziale vor, wenn mehrere collagen Moleküle ebenso betont werden, bedeutende Anzahlen der Anklage-Transportunternehmen von innen zur Oberfläche des Musters versetzend. Piezoelectricity von einzelnem individuellem collagen fibrils wurde mit piezoresponse Kraft-Mikroskopie gemessen, und es wurde gezeigt, dass sich collagen fibrils vorherrschend benehmen, wie piezoelektrische Materialien scheren.

Wie man

allgemein denkt, handelt die piezoelektrische Wirkung als ein biologischer Kraft-Sensor. Diese Wirkung wurde durch die Forschung ausgenutzt, die an der Universität Pennsylvaniens gegen Ende der 1970er Jahre und Anfang der 1980er Jahre geführt ist, die festgestellt haben, dass die anhaltende Anwendung des elektrischen Potenzials sowohl Resorption als auch Wachstum (abhängig von Widersprüchlichkeit) des Knochens in - vivo stimulieren konnte. Weitere Studien haben in den 1990er Jahren die mathematische Gleichung zur Verfügung gestellt, um lange Knochen-Welle-Fortpflanzung betreffs dieses von sechseckigen (Klasse 6) Kristalle zu bestätigen.

• Sehne
• Seide
• Holz wegen der piezoelektrischen Textur
• Email
• Zahnbein
• DNA

Künstliche Kristalle

• Gallium orthophosphate (GaPO), ein Quarz analoger Kristall
• Langasite (LaGaSiO), ein Quarz analoger Kristall

Künstliche Keramik

Die Familie der Keramik mit perovskite oder mit dem Wolframbronzestrukturen stellt piezoelectricity aus:

• Barium titanate (BaTiO) — Barium titanate war die erste piezoelektrische entdeckte Keramik.
• Führen Sie titanate (PbTiO)
• Führen Sie zirconate titanate (Pb 0x1) — allgemeiner bekannt als PZT, führen Sie zirconate ist titanate die allgemeinste piezoelektrische Keramik im Gebrauch heute.
• Kalium niobate (KNbO)
• Lithium niobate (LiNbO)
• Lithium tantalate (LiTaO)
• Natrium tungstate (NaWO)
• Zinkoxyd (ZnO)
• BaNaNbO
• PbKNbO

Bleifreier piezoceramics

Mehr kürzlich, dort baut Sorge bezüglich der Giftigkeit in leitungsenthaltenden Geräten an, die durch das Ergebnis der Beschränkung von gefährlichen lenkenden Substanz-Regulierungen gesteuert sind. Um diese Sorge zu richten, hat es ein Wiederaufleben in der compositional Entwicklung von bleifreien piezoelektrischen Materialien gegeben.

• Natriumskalium niobate ((K, Na) NbO). 2004 hat eine Gruppe von japanischen von Yasuyoshi Saito geführten Forschern ein Natriumskalium niobate Zusammensetzung mit Eigenschaften in der Nähe von denjenigen von PZT einschließlich eines hohen entdeckt.
• Wismut ferrite (BiFeO) ist auch ein viel versprechender Kandidat für den Ersatz der leitungsbasierten Keramik.
• Natrium niobate NaNbO
• Wismut titanate BiTiO
• Natriumswismut titanate NaBiTiO

Bis jetzt sind weder die Umweltauswirkung noch die Stabilität, diese Substanzen zu liefern, nicht bestätigt worden.

Polymer

• Fluorid von Polyvinylidene (PVDF): PVDF stellt piezoelectricity aus, der mehrere Male größer ist als Quarz. Verschieden von der Keramik, wo die Kristallstruktur des Materials die piezoelektrische Wirkung in Polymern schafft, ziehen die verflochtenen Moleküle der langen Kette an und treiben einander zurück, wenn ein elektrisches Feld angewandt wird.

Anwendungen

Zurzeit, industriell und Herstellung ist der größte Anwendungsmarkt für piezoelektrische Geräte, die von der Automobilindustrie gefolgt sind. Starke Nachfrage kommt auch aus medizinischen Instrumenten sowie Information und Fernmeldewesen. Die globale Nachfrage nach piezoelektrischen Geräten wurde auf etwa US$ 14.8 Milliarden 2010 geschätzt. Die größte materielle Gruppe für piezoelektrische Geräte ist piezocrystal, und piezopolymer erfährt das schnellste Wachstum wegen seines leichten Gewichts und kleiner Größe.

Piezoelektrische Kristalle werden jetzt auf zahlreiche Weisen verwendet:

Hochspannung und Macht-Quellen

Direkter piezoelectricity von einigen Substanzen wie Quarz kann wie oben erwähnt potenzielle Unterschiede von Tausenden von Volt erzeugen.

• Die am besten bekannte Anwendung ist das elektrische Feuerzeug: Das Drücken des Knopfs veranlasst einen frühlingsgeladenen Hammer, einen piezoelektrischen Kristall, das Produzieren eines elektrischen Stroms der genug Hochspannung zu schlagen, der über eine kleine Funken-Lücke fließt, so heizend und das Benzin entzündend. Der tragbare sparkers hat gepflegt, Gasgrill- oder Ofen-Arbeit derselbe Weg anzuzünden, und viele Typen von Brennern haben jetzt eingebaute Piezozünden-Systeme.
• Eine ähnliche Idee wird durch DARPA in den Vereinigten Staaten in einem Projekt genannt Energieernten erforscht, das einen Versuch einschließt, Schlachtfeld-Ausrüstung durch piezoelektrische in den Stiefeln von Soldaten eingebettete Generatoren anzutreiben. Jedoch haben diese Energieernten-Quellen durch die Vereinigung einen Einfluss auf den Körper. Die Anstrengung von DARPA, 1-2 Watt vom dauernden Schuh-Einfluss anzuspannen, während man spazieren gegangen ist, wurde wegen des impracticality und der Unbequemlichkeit von der zusätzlichen Energie aufgegeben, die von einer Person ausgegeben ist, die die Schuhe trägt. Andere Energieernten-Ideen schließen Ernten der Energie von menschlichen Bewegungen in Bahnstationen oder anderen öffentlichen Plätzen und dem Umwandeln einer Tanzfläche ein, um Elektrizität zu erzeugen. Vibrationen von der Industriemaschinerie können auch durch piezoeletric Materialien geerntet werden, um Batterien für den Aushilfsbedarf zu beladen oder niedrige Macht-Mikroprozessoren und Radioradios anzutreiben.
• Ein piezoelektrischer Transformator ist ein Typ des AC Stromspannungsvermehrers. Verschieden von einem herkömmlichen Transformator, der magnetische Kopplung zwischen Eingang und Produktion verwendet, verwendet der piezoelektrische Transformator akustische Kopplung. Eine Eingangsstromspannung wird über eine kurze Länge einer Bar des piezoceramic Materials wie PZT angewandt, eine Wechselbetonung in der Bar durch die umgekehrte piezoelektrische Wirkung schaffend und die ganze Bar veranlassend, zu vibrieren. Die Schwingungszahl wird gewählt, um die Resonanzfrequenz des Blocks normalerweise in den 100 Kilohertz bis der 1. anordnen zu sein. Eine höhere Produktionsstromspannung wird dann über eine andere Abteilung der Bar durch die piezoelektrische Wirkung erzeugt. Anstieg-Verhältnisse mehr als 1000:1 sind demonstriert worden. Eine Extraeigenschaft dieses Transformators ist, dass, durch das Funktionieren davon über seiner Resonanzfrequenz, es gemacht werden kann, als eine induktive Last zu erscheinen, die in Stromkreisen nützlich ist, die einen kontrollierten weichen Anfang verlangen. Diese Geräte können im Gleichstrom-AC inverters verwendet werden, um kalte Kathode Leuchtstofflampen zu steuern. Piezotransformatoren sind einige der kompaktesten Hochspannungsquellen.

Sensoren

Der Grundsatz der Operation eines piezoelektrischen Sensors ist, dass eine physische Dimension, die in eine Kraft umgestaltet ist, zwei gegenüberliegenden Gesichtern des Abfragungselements folgt. Abhängig vom Design eines Sensors können verschiedene "Weisen", um das piezoelektrische Element zu laden, verwendet werden: Längs gerichtet, transversal und mähen.

Die Entdeckung von Druck-Schwankungen in der Form des Tons ist die allgemeinste Sensoranwendung, z.B piezoelektrische Mikrofone (biegen Schallwellen das piezoelektrische Material, eine sich ändernde Stromspannung schaffend), und piezoelektrische Erholungen für Akustisch-elektrische Gitarren. Ein dem Körper eines Instrumentes beigefügter Piezosensor ist als ein Kontakt-Mikrofon bekannt.

Piezoelektrische Sensoren werden besonders mit dem hohen Frequenzton in Überschallwandlern für die medizinische Bildaufbereitung und auch nichtzerstörende Industrieprüfung (NDT) verwendet.

Für viele Abfragungstechniken kann der Sensor sowohl als ein Sensor als auch als ein Auslöser - häufig handeln der Begriff Wandler wird bevorzugt, wenn die Gerät-Taten in dieser Doppelkapazität, aber die meisten Piezogeräte haben dieses Eigentum der Umkehrbarkeit, ob es verwendet wird oder nicht. Überschallwandler können zum Beispiel Ultraschall-Wellen in den Körper einspritzen, die zurückgegebene Welle erhalten, und es zu einem elektrischen Signal (eine Stromspannung) umwandeln. Die meisten medizinischen Ultraschall-Wandler sind piezoelektrisch.

Zusätzlich zu denjenigen, die oben erwähnt sind, schließen verschiedene Sensoranwendungen ein:

• Piezoelektrische Elemente werden auch in der Entdeckung und Generation von Echolot-Wellen verwendet.
• Macht-Überwachung in hohen Macht-Anwendungen (z.B ärztliche Behandlung, sonochemistry und Industrieverarbeitung).
• Piezoelektrische Mikrogleichgewichte werden als sehr empfindliche chemische und biologische Sensoren verwendet.
• Piezos werden manchmal in Beanspruchungsmaßen verwendet.
• Piezoelektrische Wandler werden in elektronischen Trommel-Polstern verwendet, um den Einfluss der Stöcke des Drummers zu entdecken, und Muskelbewegungen in medizinischem acceleromyography zu entdecken.
• Automobilmotorverwaltungssysteme verwenden piezoelektrische Wandler, um Detonation durch die Stichprobenerhebung der Vibrationen des Motorblocks zu entdecken und auch den genauen Moment der Kraftstoffeinspritzung (Nadel-Liftsensoren) zu entdecken.
• Überschallpiezosensoren werden in der Entdeckung von akustischen Emissionen in der akustischen Emissionsprüfung verwendet.
• Kristallbügel werden manchmal in alten oder niedrigen Macht-Radios verwendet

Auslöser

Da sehr hohe elektrische Felder nur winzigen Änderungen in der Breite des Kristalls entsprechen, kann diese Breite mit besser geändert werden als \U 00B5\m Präzision, Piezokristalle das wichtigste Werkzeug machend, um Gegenstände mit der äußersten Genauigkeit — so ihr Gebrauch in Auslösern einzustellen.

Mehrschicht-Keramik, mit Schichten, die dünner sind als, erlaubt, hohe elektrische Felder mit der Stromspannung tiefer zu erreichen, als. Diese Keramik werden innerhalb von zwei Arten von Auslösern verwendet: direkte Piezoauslöser und Verstärkte piezoelektrische Auslöser. Während der Schlag des direkten Auslösers allgemein niedriger ist als, hat ausführlicher erläutert Piezoauslöser können Millimeter-Schläge erreichen.

• Lautsprecher: Stromspannung wird zur mechanischen Bewegung eines piezoelektrischen Polymer-Films umgewandelt.
• Piezoelektrische Motoren: Piezoelektrische Elemente wenden eine Richtungskraft auf eine Achse an, es veranlassend, zu rotieren. Wegen der äußerst kleinen beteiligten Entfernungen wird der Piezomotor als ein Ersatz der hohen Präzision für den Schrittmotor angesehen.
• Piezoelektrische Elemente können in der Laserspiegelanordnung verwendet werden, wo ihre Fähigkeit, eine große Masse (das Spiegelgestell) über mikroskopische Entfernungen zu bewegen, ausgenutzt wird, um einige Laserspiegel elektronisch auszurichten. Durch das genaue Steuern der Entfernung zwischen Spiegeln kann die Laserelektronik optische Bedingungen innerhalb der Laserhöhle genau aufrechterhalten, um die Balken-Produktion zu optimieren.
• Eine zusammenhängende Anwendung ist der Acousto-Sehmodulator, ein Gerät dass Streuungslicht von von Schallwellen in einem Kristall, der durch piezoelektrische Elemente erzeugt ist. Das ist für die feine Einstimmung eine Frequenz eines Lasers nützlich.
• Atomkraft-Mikroskope und tunneling Mikroskope scannend, verwenden gegenteiligen piezoelectricity, um die Abfragungsnadel in der Nähe von der Untersuchung zu behalten.
• Drucker von Inkjet: Auf vielen inkjet Druckern werden piezoelektrische Kristalle verwendet, um die Ausweisung von Tinte vom Inkjet-Druckkopf zum Papier zu vertreiben.
• Dieselmotoren: Allgemeine Hochleistungsschiene-Dieselmotoren verwenden piezoelektrische Kraftstoffinjektoren, die zuerst von Robert Bosch GmbH statt der allgemeineren Solenoidklappe-Geräte entwickelt sind.
• Aktive Vibrieren-Kontrolle damit hat Auslöser verstärkt.
• Röntgenstrahl-Verschlüsse.
• XY Stufen für die Mikroabtastung in Infrarotkameras verwendet.
• Das Bewegen des Patienten genau innerhalb von aktivem CT und MRI Scannern, wo die starke Radiation oder der Magnetismus elektrische Motoren ausschließen.

Frequenzstandard

Die piezoelectrical Eigenschaften von Quarz sind als Standard der Frequenz nützlich.

• Quarzuhren verwenden einen Kristalloszillator, der von einem Quarzkristall gemacht ist, der eine Kombination sowohl von direktem als auch von gegenteiligem piezoelectricity verwendet, um eine regelmäßig zeitlich festgelegte Reihe von elektrischen Pulsen zu erzeugen, die verwendet wird, um Zeit zu kennzeichnen. Der Quarzkristall (wie jedes elastische Material) hat eine genau definierte natürliche Frequenz (verursacht durch seine Gestalt und Größe), an dem es es vorzieht zu schwingen, und das verwendet wird, um die Frequenz einer periodischen auf den Kristall angewandten Stromspannung zu stabilisieren.
• Derselbe Grundsatz ist in allen Radiosendern und Empfängern, und in Computern kritisch, wo er einen Uhr-Puls schafft. Beide von diesen verwenden gewöhnlich einen Frequenzvermehrer, um Gigahertz-Reihen zu erreichen.

Piezoelektrische Motoren

Typen des piezoelektrischen Motors schließen ein:

• Der Motor der Reisen-Welle, der für den Autofokus in Reflexkameras verwendet ist
• Motoren von Inchworm für die geradlinige Bewegung
• Rechteckige Vier-Quadranten-Motoren mit der hohen Macht-Dichte (2.5 Watt/Cm) und Geschwindigkeit im Intervall von 10 nm/s zu 800 mm/s.
• Gehender Piezomotor, mit der Wirkung des Stock-Gleitens.

Alle diese Motoren, außer der gehenden Motorarbeit des Stock-Gleitens an demselben Grundsatz. Gesteuert durch orthogonale Doppelvibrieren-Weisen mit einem Phase-Unterschied von 90 ° vibriert der Kontakt-Punkt zwischen zwei Oberflächen in einem elliptischen Pfad, eine Reibungskraft zwischen den Oberflächen erzeugend. Gewöhnlich wird eine Oberfläche befestigt, den anderen veranlassend, sich zu bewegen. In den meisten piezoelektrischen Motoren ist der piezoelektrische Kristall durch ein Sinus-Welle-Signal an der Resonanzfrequenz des Motors aufgeregt. Mit der Klangfülle-Wirkung kann eine viel niedrigere Stromspannung verwendet werden, um einen hohen Vibrieren-Umfang zu erzeugen.

Motorarbeiten des Stock-Gleitens mit der Trägheit einer Masse und der Reibung einer Klammer. Solche Motoren können sehr klein sein. Einige werden für die Kamerasensorversetzung verwendet, anti Schütteln-Funktion erlaubend.

Die Verminderung von Vibrationen und Geräusch

Verschiedene Mannschaften von Forschern haben Weisen untersucht, Vibrationen in Materialien zu reduzieren, indem sie Piezoelemente dem Material beifügen. Wenn das Material durch ein Vibrieren in einer Richtung gebogen wird, antwortet das System der Vibrieren-Verminderung auf die Kurve und sendet elektrische Macht zum Piezoelement, um sich in der anderen Richtung zu biegen. Wie man erwartet, reduzieren zukünftige Anwendungen dieser Technologie in Autos und Häusern Geräusch.

In einer Demonstration auf der Materiellen Visionsmesse in Frankfurt im November 2005 hat eine Mannschaft von TU Darmstadt in Deutschland mehrere Tafeln gezeigt, die mit einem Gummihammer geschlagen wurden, und die Tafel mit dem Piezoelement sofort aufgehört hat zu schwingen.

Piezoelektrische keramische Faser-Technologie wird als ein elektronisches Dämpfungssystem auf einigen HAUPT-Tennisschlägern verwendet.

Unfruchtbarkeitsbehandlung

In Leuten mit dem vorherigen Gesamtfruchtbarmachungsmisserfolg scheint die piezoelektrische Aktivierung von oocytes zusammen mit der intracytoplasmic Sperma-Einspritzung (ICSI), Fruchtbarmachungsergebnis zu verbessern.

Chirurgie

Eine neue Anwendung piezoelektrischer Ultraschall-Quellen ist piezoelektrische Chirurgie, auch bekannt als piezosurgery. Piezosurgery ist eine minimal angreifende Technik, die zum Ziel hat, ein Zielgewebe mit dem geringen Schaden zu benachbarten Geweben zu schneiden. Zum Beispiel hat Hoigne. seinen Gebrauch in der Handchirurgie für den Ausschnitt des Knochens, mit Frequenzen in der Reihe 25-29 Kilohertz gemeldet, Mikrovibrationen von 60-210 μm verursachend. Es ist in der Lage, mineralized Gewebe zu schneiden, ohne neurovascular Gewebe und anderes weiches Gewebe zu schneiden, dadurch eine blutfreie Bedienungsfläche, bessere Sichtbarkeit und größere Präzision aufrechterhaltend.

Siehe auch

• Anklage-Verstärker
• Elektronischer Bestandteil
• Electret
• Electrostriction
• Energieernten, Methoden, andere Formen der Energie zur Elektrizität umzuwandeln.
• Eisenelektrizität
• Flexoelectricity
• Magnetostriktion
• Piezomagnetism
• Piezosurgical
• Wirkung von Piezoresistive
• Sonomicrometry
• Akustische Oberflächenwelle
• Triboluminescence

Weiterführende Literatur

Rao S und Sunar M (1994), Fuduka E (2000), Ballato (1996), Trainer M (2003), sowie Manbachi A und Cobbold RSC (2011).

Internationale Standards

• ANSI-IEEE 176 (1987) Standard auf Piezoelectricity
• IEEE 177 (1976) Standarddefinitionen & Methoden des Maßes für Piezoelektrische Vibratoren
• IEC 444 (1973) Grundlegende Methode für das Maß der Klangfülle freq & des equiv Reihe-Widerstands von Quarzkristalleinheiten durch die nullphasige Technik in einem Pi-Netz
• IEC 302 (1969) Standarddefinitionen & Methoden des Maßes für Piezoelektrische Vibratoren, die über die Freq-Reihe bis zu 30 MHz Funktionieren

Links

• Gautschi, Gustav H., 2002, Piezoelektrischer Sensorics, Springer, internationale Standardbuchnummer 3-540-42259-5,
• Grundlagen von piezoelektrischen Effekten
• Piezomotor hat Mikrolaufwerk für das Nervensignal gestützt, das registriert
• Geschichte von Piezoelectricity
• Forschung über neue Piezoelektrische Materialien
• Piezogleichungen
• Piezo-im medizinischen Design
• Videodemonstration von Piezoelectricity
• DoITPoMS lehrend und das Lernen des Pakets - piezoelektrische Materialien
• Piezomotortypen