Piëso-elektrisiteit

Piëso-elektrisiteit is die vermoë van sommige materiale (veral kristalle en sekere keramieke) om 'n elektriese potensiaalverskil te veroorsaak wanneer daar 'n meganiese spanning daarop uitgeoefen word. Dit kan die vorm neem van 'n skeiding van elektriese lading oor 'n kristalrooster. As die materiaal nie gekortsluit word nie, veroorsaak die uitgeoefende spanning 'n elektriese potensiaalverskil oor die materiaal. Die woord is afgelei van die Griekse woord piezein wat om te druk of te pers beteken.

'n Piëso-elektriese skyf laat 'n spanningsverskil ontstaan wanneer dit vervorm word (vervorming word oordryf)

Luidsprekertjie van 'n digitale polshorlosie

Toestel wat die piëso-elektrisiteit van 'n kitaar optel

Die piëso-elektriese effek is omkeerbaar deurdat materiale wat die direkte piëso-elektriese effek vertoon (die ontstaan van 'n elektriese potensiaalverskil onder meganiese spanning) ook die omgekeerde piëso-elektriese effek (die ontstaan van meganiese spanning wanneer 'n elektriese veld toegepas word). Loodzirkontitanaatkristalle sal byvoorbeeld 'n vervorming van ongeveer 0.1% ondergaan (vergeleke met oorspronklike vorm) wanneer sodanige elektriese spanning daarop uitgeoefen word.

Die verskynsel word nuttig ingespan in toepassings soos die produksie en nasporing van klanke, die skep van hoë spannings, die skepping van hoë elektroniese frekwensies, mikro-weegskale en ultrafyn verstellings aan die fokus van optiese samestellings. Dit vorm ook die basis van verskeie wetenskaplike instrumentele tegnieke.

Geskiedenis

Ontdekking en vroeë navorsing

Die piro-elektriese effek, waar 'n elektriese potensiaalverskil in 'n materiaal ontstaan wanneer dit 'n temperatuursverandering ondergaan is deur Carolus Linnaeus en Franz Aepinus in die middel 18^de eeu bestudeer. Met hierdie kennis het René Just Haüy en Antoine César Becquerel 'n moontlike verwantskap tussen meganiese spanning en elektriese lading voorgestel; nie een van die twee navorsers kon egter onomwonde bewys lewer van so 'n verskynsel nie.

Die eerste demonstrasie van die direkte piëso-elektriese effek was in 1880 deur die broers Pierre Curie en Jacques Curie. Hulle het hulle kennis van piro-elektrisiteit gekombineer met hulle kennis van die onderliggende kristalstrukture wat aanleiding gegee het tot piro-elektrisiteit om kristalgedrag te voorspel en die verskynsel gedemonstreer deur kristalle van toermalien, kwarts, topaas, rietsuiker en Rochelle sout (natriumkaliumtartraat-tetrahidraat). Kwarts en Rochelle sout het die sterkste piëso-elektriese eienskappe vertoon.

Die Curies het op dié tydstip egter nie die omgekeerde verskynsel voorspel nie. Die omgekeerde effek is wiskundig afgelei vanuit fundamentele termodinamiese beginsels deur Gabriel Lippman in 1881. Die Curies het daarna onmiddellik die bestaan van die omgekeerde effek bevestig en verder kwantitatiewe bewys van die omkeerbaarheid van elektro-elastiese-meganiese vervormings in piëso-elektriese kristalle gelewer.

In die daaropvolgende dekades was piëso-elektrisiteit bloot 'n verskynsel wat in die laboratorium bestudeer is. Meer werk is gedoen om die kristalstrukture te verstaan wat tekens van piëso-elektrisitiese aktiwiteit getoon het. Die hoogtepunt van hierdie werk het in 1910 plaasgevind toe Woldemar Voigt sy Lehrbuch der Kristallphysik (handboek van kristalfisika) gepubliseer het, wat 20 klasse van natuurlike kristalle wat piëso-elektriese aktiwiteit getoon het en die piëso-elektriese konstantes deeglik gedefinieer het deur van tensoranalise gebruik te maak.

Die Eerste Wêreldoorlog en na-oorlogse tydperk

Die eerste praktiese toepassing van piëso-elektriese toestelle was sonar, wat vir die eerste keer in die Eerste Wêreldoorlog in 1917 ontwikkel is. In 1917 het Paul Langevin en medewerkers 'n ultrasoniese duikboot-opspoorder in Frankryk ontwikkel. Die opspoorder het bestaan uit 'n oorvormer wat vervaardig is uit dun kwartskristalle wat versigtig tussen twee staalplate vasgegom is en 'n hidrofoon om die eggo waar te neem. Deur 'n hoë-frekwensie klank vanaf die oorvormer uit te stuur en die tydsinterval te meet wat dit neem om die ego te hoor kan 'n mens die afstand na daardie voorwerp bepaal.

Die gebruik van piëso-elektrisiteit in sonar en die sukses van daardie projek het intense belangstelling in die ontwikkeling van piëso-elektriese toestelle laat ontstaan. In die daaropvolgende dekades is nuwe piëso-elektriese materiale en nuwe toepassings vir daardie materiale ondersoek.