الكهربائية الضغطية

الكهرباء الضغطية ( / ˌp iː z oʊ- , ˌp iː t s oʊ- , p aɪ ˌiː z oʊ- / , US : / p iˌeɪ z oʊ- , p iˌeɪ t s oʊ- / ) ^[1] هي الشحنة الكهربائية التي تتراكم في بعض المواد الصلبة - مثل البلورات وبعض السيراميك والمواد البيولوجية مثل العظام والحمض النووي والبروتينات المختلفة - استجابة للإجهاد الميكانيكي المطبق . [ 2 ^] تعني كلمة الكهرباء الضغطية الكهرباء الناتجة عن الضغط والحرارة الكامنة . وهي مشتقة من الكلمة اليونانية القديمة πιέζω ( piézō )  "الضغط أو الضغط" و ἤλεκτρον ( ḗlektron )  " العنبر " (مصدر قديم للكهرباء الساكنة). ^{[3] [4]} تم صياغة الشكل الألماني للكلمة ( Piezoelektricität ) في عام 1881 من قبل الفيزيائي الألماني فيلهلم جوتليب هانكل ؛ تم صياغة الكلمة الإنجليزية في عام 1883. ^{[5] [6]}

تنتج ظاهرة التأثير الكهروضغطي عن التفاعل الكهروميكانيكي الخطي بين الحالات الميكانيكية والكهربائية في المواد البلورية بدون تماثل عكسي . ^[7] التأثير الكهروضغطي هو عملية عكسية : المواد التي تظهر التأثير الكهروضغطي تظهر أيضًا التأثير الكهروضغطي العكسي، وهو التوليد الداخلي للإجهاد الميكانيكي الناتج عن تطبيق مجال كهربائي . على سبيل المثال، ستولد بلورات تيتانات الزركونيوم الرصاصي كهرباء ضغطية قابلة للقياس عندما يتشوه بنيتها الثابتة بنحو 0.1٪ من البعد الأصلي. وعلى العكس من ذلك، ستتغير نفس البلورات بنحو 0.1٪ من بعدها الثابت عند تطبيق مجال كهربائي خارجي. يستخدم التأثير الكهروضغطي العكسي في إنتاج الموجات فوق الصوتية . ^[8]

اكتشف الفيزيائيان الفرنسيان جاك وبيير كوري الكهرباء الانضغاطية في عام 1880. ^[9] تم استغلال التأثير الكهربائي الانضغاطي في العديد من التطبيقات المفيدة، بما في ذلك إنتاج الصوت واكتشافه، والطباعة النافثة للحبر الكهروضوئي ، وتوليد الكهرباء عالية الجهد، كمولد ساعة في الأجهزة الإلكترونية، في الموازين الدقيقة ، لتشغيل فوهة الموجات فوق الصوتية ، وفي التركيز الدقيق للتجمعات البصرية. إنه يشكل الأساس لمجاهر المجس الماسح التي تحل الصور على نطاق الذرات . يتم استخدامه في أجهزة التقاط بعض القيثارات المضخمة إلكترونيًا وكمحفزات في معظم الطبول الإلكترونية الحديثة . ^{[10] [11]} يجد التأثير الكهربائي الانضغاطي أيضًا استخدامات يومية، مثل توليد الشرارات لإشعال أجهزة الطهي والتدفئة بالغاز، والمشاعل، والولاعات .

تمت دراسة التأثير الكهروكهربائي ، والذي من خلاله تولد المادة جهدًا كهربائيًا استجابةً لتغير درجة الحرارة، بواسطة كارل لينيوس وفرانز إيبينوس في منتصف القرن الثامن عشر. واستنادًا إلى هذه المعرفة، افترض كل من رينيه جوست هاوي وأنطوان سيزار بيكريل وجود علاقة بين الإجهاد الميكانيكي والشحنة الكهربائية؛ ومع ذلك، أثبتت التجارب التي أجراها كلاهما أنها غير حاسمة. ^[12]

كان أول عرض للتأثير الكهرضغطي المباشر في عام 1880 من قبل الأخوين بيير كوري وجاك كوري . ^[13] لقد جمعوا بين معرفتهم بالكهرباء الحرارية وفهمهم للهياكل البلورية الأساسية التي أدت إلى الكهرباء الحرارية للتنبؤ بسلوك البلورة، وأظهروا التأثير باستخدام بلورات التورمالين والكوارتز والتوباز وقصب السكر وملح روشيل ( رباعي هيدرات طرطرات الصوديوم والبوتاسيوم). أظهر الكوارتز وملح روشيل أكبر قدر من الكهرباء الضغطية.

ومع ذلك، لم يتنبأ آل كوري بالتأثير العكسي الكهرضغطي. وقد استنتج غابرييل ليبمان التأثير العكسي رياضيًا من المبادئ الديناميكية الحرارية الأساسية في عام 1881. ^[14] وأكد آل كوري على الفور وجود التأثير العكسي، ^[15] واستمروا في الحصول على دليل كمي على إمكانية عكس التشوهات الكهروميكانيكية المرنة في البلورات الكهرضغطية تمامًا.

على مدى العقود القليلة التالية، ظلت الكهرباء الضغطية شيئًا من فضول المختبرات، على الرغم من أنها كانت أداة حيوية في اكتشاف البولونيوم والراديوم بواسطة بيير وماري كوري في عام 1898. تم إجراء المزيد من العمل لاستكشاف وتحديد الهياكل البلورية التي أظهرت الكهرباء الضغطية. بلغ هذا ذروته في عام 1910 مع نشر كتاب Woldemar Voigt 's Lehrbuch der Kristallphysik ( كتاب مدرسي عن فيزياء البلورات )، ^[16] والذي وصف فئات البلورات الطبيعية العشرين القادرة على الكهرباء الضغطية، وحدد بدقة الثوابت الكهربائية الضغطية باستخدام تحليل الموتر .

كان أول تطبيق عملي للأجهزة الكهرضغطية هو السونار ، الذي تم تطويره لأول مرة خلال الحرب العالمية الأولى . وقد حل الأداء المتفوق للأجهزة الكهرضغطية، التي تعمل بترددات فوق صوتية، محل مذبذب فيسيندين السابق . وفي فرنسا عام 1917، طور بول لانجفين وزملاؤه كاشفًا للغواصات بالموجات فوق الصوتية . ^[17] يتكون الكاشف من محول ، مصنوع من بلورات كوارتز رقيقة ملتصقة بعناية بين لوحين فولاذيين، وهيدروفون للكشف عن الصدى المرتد . ومن خلال إصدار نبضة عالية التردد من المحول، وقياس مقدار الوقت المستغرق لسماع صدى من الموجات الصوتية المرتدة عن جسم ما، يمكن للمرء حساب المسافة إلى ذلك الجسم.

لقد وجدت الأجهزة الكهرضغطية مكانها في العديد من المجالات. فقد عملت خراطيش الفونوغراف الخزفية على تبسيط تصميم المشغل، وكانت رخيصة ودقيقة، وجعلت مشغلات الأسطوانات أرخص في الصيانة وأسهل في البناء. كما سمح تطوير المحول بالموجات فوق الصوتية بقياس اللزوجة والمرونة في السوائل والمواد الصلبة بسهولة، مما أدى إلى تقدم هائل في أبحاث المواد. ويمكن لمقياسات الانعكاس بالموجات فوق الصوتية في المجال الزمني (التي ترسل نبضة فوق صوتية عبر مادة وتقيس الانعكاسات من الانقطاعات) العثور على عيوب داخل الأجسام المعدنية والحجرية المصبوبة، مما يحسن من السلامة الهيكلية.

خلال الحرب العالمية الثانية ، اكتشفت مجموعات بحثية مستقلة في الولايات المتحدة والاتحاد السوفييتي واليابان فئة جديدة من المواد الاصطناعية، تسمى المواد الكهروضوئية ، والتي أظهرت ثوابت كهربائية ضغطية أعلى بعدة مرات من المواد الطبيعية. أدى هذا إلى إجراء أبحاث مكثفة لتطوير مواد تيتانات الباريوم وزركونات الرصاص لاحقًا ذات خصائص محددة لتطبيقات معينة.

كان أحد الأمثلة المهمة لاستخدام البلورات الكهرضغطية هو ما طورته مختبرات بيل للهاتف . بعد الحرب العالمية الأولى، طور فريدريك آر لاك، الذي كان يعمل في مجال الاتصالات الهاتفية اللاسلكية في قسم الهندسة، بلورة "AT cut"، وهي بلورة تعمل في نطاق واسع من درجات الحرارة. لم تكن بلورة لاك بحاجة إلى الملحقات الثقيلة التي كانت تستخدمها البلورة السابقة، مما سهّل استخدامها في الطائرات. سمح هذا التطور للقوات الجوية المتحالفة بالانخراط في هجمات جماعية منسقة من خلال استخدام الراديو الجوي.

كان تطوير الأجهزة والمواد الكهرضغطية في الولايات المتحدة مقتصرًا على الشركات التي تقوم بالتطوير، ويرجع ذلك في الغالب إلى بدايات هذا المجال في زمن الحرب، ولصالح تأمين براءات اختراع مربحة. كانت المواد الجديدة هي أول ما تم تطويره - كانت بلورات الكوارتز أول مادة كهرضغطية يتم استغلالها تجاريًا، لكن العلماء بحثوا عن مواد ذات أداء أعلى. وعلى الرغم من التقدم في المواد ونضج عمليات التصنيع، لم تنمو سوق الولايات المتحدة بنفس السرعة التي نمت بها اليابان. وفي غياب العديد من التطبيقات الجديدة، عانى نمو صناعة الكهرضغطية في الولايات المتحدة.

في المقابل، شارك المصنعون اليابانيون معلوماتهم، وتغلبوا بسرعة على التحديات التقنية والتصنيعية وخلقوا أسواقًا جديدة. في اليابان، طور إسحاق كوجا قطعًا بلوريًا مستقرًا لدرجة الحرارة . أدت الجهود اليابانية في مجال أبحاث المواد إلى إنشاء مواد سيراميكية ضغطية قادرة على المنافسة مع المواد الأمريكية ولكنها خالية من قيود براءات الاختراع الباهظة الثمن. تضمنت التطورات اليابانية الرئيسية في مجال الكهرباء الضغطية تصميمات جديدة لمرشحات سيراميكية ضغطية لأجهزة الراديو والتلفزيون، وأجهزة الطنانة الكهربائية الضغطية ومحولات الصوت التي يمكن توصيلها مباشرة بالدوائر الإلكترونية، والمشعل الكهربائي الضغطي ، الذي يولد شرارات لأنظمة إشعال المحرك الصغيرة وموقدات الشواية الغازية، عن طريق ضغط قرص سيراميكي. كانت المحولات فوق الصوتية التي تنقل الموجات الصوتية عبر الهواء موجودة لبعض الوقت ولكنها شهدت أولاً استخدامًا تجاريًا رئيسيًا في أجهزة التحكم عن بعد في التلفزيون المبكرة. يتم الآن تثبيت هذه المحولات على العديد من نماذج السيارات كجهاز تحديد الموقع بالصدى ، مما يساعد السائق على تحديد المسافة من السيارة إلى أي أشياء قد تكون في طريقها.

ترتبط طبيعة التأثير الكهرضغطي ارتباطًا وثيقًا بحدوث لحظات ثنائية القطب الكهربائية في المواد الصلبة. يمكن تحريض الأخير إما للأيونات على مواقع الشبكة البلورية ذات محيط الشحنة غير المتماثلة (كما هو الحال في BaTiO3 و PZTs ) أو قد يتم حملها مباشرة بواسطة المجموعات الجزيئية (كما هو الحال في قصب السكر ). يمكن حساب كثافة ثنائي القطب أو الاستقطاب (الأبعاد [C·m/m3]) بسهولة _{للبلورات} عن طريق ^جمع لحظات ثنائية القطب لكل حجم من خلية الوحدة البلورية . ^[18] نظرًا لأن كل ثنائي قطب هو متجه، فإن كثافة ثنائي القطب P هي مجال متجه . تميل ثنائيات القطب القريبة من بعضها البعض إلى المحاذاة في مناطق تسمى مجالات فايس. عادةً ما تكون المجالات موجهة عشوائيًا، ولكن يمكن محاذاتها باستخدام عملية الاستقطاب (ليست مثل الاستقطاب المغناطيسي )، وهي عملية يتم من خلالها تطبيق مجال كهربائي قوي عبر المادة، عادةً في درجات حرارة مرتفعة. لا يمكن استقطاب جميع المواد الكهرضغطية. ^[19]

من الأهمية الحاسمة للتأثير الكهرضغطي هو تغيير الاستقطاب P عند تطبيق إجهاد ميكانيكي . قد يكون هذا ناتجًا عن إعادة تكوين المحيط المحفز للثنائي القطب أو عن طريق إعادة توجيه عزم ثنائي القطب الجزيئي تحت تأثير الإجهاد الخارجي. قد تتجلى الكهرباء الضغطية بعد ذلك في اختلاف في قوة الاستقطاب أو اتجاهه أو كليهما، مع تفاصيل تعتمد على: 1. اتجاه P داخل البلورة؛ 2. تناسق البلورة ؛ و 3. الإجهاد الميكانيكي المطبق. يظهر التغيير في P كاختلاف في كثافة الشحنة السطحية على وجوه البلورة، أي كاختلاف في المجال الكهربائي الممتد بين الوجوه بسبب تغير في كثافة ثنائي القطب في الكتلة. على سبيل المثال، يمكن لمكعب 1 سم ³ من الكوارتز بقوة مطبقة بشكل صحيح تبلغ 2 كيلو نيوتن (500 رطل) أن ينتج جهدًا يبلغ 12500 فولت . ^[20]

تظهر المواد الكهرضغطية أيضًا التأثير المعاكس، والذي يسمى التأثير الكهرضغطي المعاكس ، حيث يؤدي تطبيق المجال الكهربائي إلى خلق تشوه ميكانيكي في البلورة.

الكهرباء الضغطية الخطية هي التأثير المشترك لـ

• السلوك الكهربائي الخطي للمادة:

${\displaystyle \mathbf {D} ={\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} \quad \ضمنا }$ ${\displaystyle \quad D_{i}=\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j}\;}$

حيث D هي كثافة التدفق الكهربائي ^{[21] [22]} ( الإزاحة الكهربائية )، ε هي نفاذية المجال الكهربائي ( ثابت العزل للجسم الحر)، E هي شدة المجال الكهربائي ، و ،.${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {D} =0}$${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =\mathbf {0} }$

• قانون هوك للمواد المرنة الخطية:

${\displaystyle {\boldsymbol {S}}={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}\quad \implies \quad S_{ij}=\sum _{k,\ell }s_{ijk\ell }\,T_{k\ell }\;}$

حيث S هو الانفعال الخطي ، وs هو الامتثال في ظل ظروف الدائرة القصيرة، و T هو الإجهاد ، و

${\displaystyle \nabla \cdot {\boldsymbol {T}}=\mathbf {0} \,\,,\,{\boldsymbol {S}}={\frac {\nabla \mathbf {u} +\mathbf { u} \nabla {2}},}$

حيث u هو متجه الإزاحة .

يمكن دمجها في ما يسمى بالمعادلات المقترنة ، والتي يكون شكل الإجهاد والشحنة منها : ^[23]

${\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {S}}&={\mathsf {s}}\,{\boldsymbol {T}}+{\mathfrak {d}}^{t}\,\mathbf {E} \ &&\implies \quad S_{ij}=\sum _{k,\ell }s_{ijk\ell }\,T_{k\ell }+\sum _{k}d_{ijk}^{t}\,E_{k},\\[6pt]\mathbf {D} &={\mathfrak {d}}\,{\boldsymbol {T}}+{\boldsymbol {\varepsilon }}\,\mathbf {E} &&\implies \quad D_{i}=\sum _{j,k}d_{ijk}\,T_{jk}+\sum _{j}\varepsilon _{ij}\,E_{j},\end{aligned}}}$

حيث يمثل الموتر الكهرضغطي والرمز العلوي t يمثل منقوله. ونظرًا لتناظر ، . ${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$${\displaystyle d_{ijk}^{t}=d_{kji}=d_{kij}}$

في شكل مصفوفة،

${\displaystyle {\begin{aligned}\{S\}&=\left[s^{E}\right]\{T\}+[d^{\mathrm {t} }]\{E\},\\[6pt]\{D\}&=[d]\{T\}+\left[\varepsilon ^{T}\right]\{E\},\end{aligned}}}$

حيث [ d ] هي مصفوفة التأثير الكهرضغطي المباشر و[ d ^t ] هي مصفوفة التأثير الكهرضغطي العكسي. يشير الرمز العلوي E إلى مجال كهربائي صفري أو ثابت؛ ويشير الرمز العلوي T إلى مجال إجهاد صفري أو ثابت؛ ويمثل الرمز العلوي t نقل مصفوفة .

لاحظ أن موتر الدرجة الثالثة يرسم المتجهات في مصفوفات متماثلة. لا توجد موترات غير تافهة ثابتة الدوران تتمتع بهذه الخاصية، ولهذا السبب لا توجد مواد كهربائية ضغطية متساوية الخواص. ${\displaystyle {\mathfrak {d}}}$

يمكن أيضًا كتابة شحنة الانفعال لمادة من فئة البلورات 4 مم (C _4v ) (مثل السيراميك الكهرضغطي القطبي مثل PZT رباعي الزوايا أو BaTiO ₃ ) بالإضافة إلى فئة البلورات 6 مم على النحو التالي (ANSI IEEE 176):

${\displaystyle {\begin{aligned}&{\begin{bmatrix}S_{1}\\S_{2}\\S_{3}\\S_{4}\\S_{5}\\S_{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}s_{11}^{E}&s_{12}^{E}&s_{13}^{E}&0&0&0\\s_{21}^{E}&s_{22}^{E}&s_{23}^{E}&0&0&0\\s_{31}^{E}&s_{32}^{E}&s_{33}^{E}&0&0&0\\0&0&0&s_{44}^{E}&0&0\\0&0&0&0&s_{55}^{E}&0\\0&0&0&0&0&s_{66}^{E}=2\left(s_{11}^{E}-s_{12}^{E}\right)\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}0&0&d_{31}\\0&0&d_{32}\\0&0&d_{33}\\0&d_{24}&0\\d_{15}&0&0\\0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\\[8pt]&{\begin{bmatrix}D_{1}\\D_{2}\\D_{3}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}0&0&0&0&d_{15}&0\\0&0&0&d_{24}&0&0\\d_{31}&d_{32}&d_{33}&0&0&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}T_{1}\\T_{2}\\T_{3}\\T_{4}\\T_{5}\\T_{6}\end{bmatrix}}+{\begin{bmatrix}{\varepsilon }_{11}&0&0\\0&{\varepsilon }_{22}&0\\0&0&{\varepsilon }_{33}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}E_{1}\\E_{2}\\E_{3}\end{bmatrix}}\end{aligned}}}$

حيث تمثل المعادلة الأولى العلاقة للتأثير الكهرضغطي العكسي والأخيرة للتأثير الكهرضغطي المباشر. ^[24]

على الرغم من أن المعادلات أعلاه هي الشكل الأكثر استخدامًا في الأدبيات، إلا أن بعض التعليقات حول الترميز ضرورية. بشكل عام، D و E عبارة عن متجهات ، أي موتر ديكارت من الرتبة 1؛ والسماحية ε عبارة عن موتر ديكارت من الرتبة 2. الانفعال والإجهاد هما أيضًا موتر من الرتبة 2 من حيث المبدأ . ولكن تقليديًا، نظرًا لأن الانفعال والإجهاد عبارة عن موتر متماثل، يمكن إعادة تسمية الرمز السفلي للانفعال والإجهاد بالطريقة التالية: 11 → 1؛ 22 → 2؛ 33 → 3؛ 23 → 4؛ 13 → 5؛ 12 → 6. (قد يستخدم مؤلفون مختلفون اتفاقيات مختلفة في الأدبيات. على سبيل المثال، يستخدم البعض 12 → 4؛ 23 → 5؛ 31 → 6 بدلاً من ذلك.) لهذا السبب يبدو أن S و T لهما "شكل متجه" من ستة مكونات. وبالتالي، يبدو أن s عبارة عن مصفوفة 6 × 6 بدلاً من موتر رتبة 3. غالبًا ما يُطلق على مثل هذا الترميز المعاد تسميته ترميز فويجت . ما إذا كانت مكونات إجهاد القص S ₄ و S ₅ و S ₆ عبارة عن مكونات موتر أو إجهادات هندسية هو سؤال آخر. في المعادلة أعلاه، يجب أن تكون إجهادات هندسية لمعامل 6,6 لمصفوفة الامتثال ليتم كتابتها كما هو موضح، أي 2( s^هـ
₁₁ -  س^هـ
₁₂). تكون إجهادات القص الهندسية ضعف قيمة قص الموتر المقابل، مثل S ₆  = 2 S ₁₂ وما إلى ذلك. وهذا يعني أيضًا أن s ₆₆  =  ⁠1/ج ₁₂حيث G 12 _هي معامل القص.

_{في المجموع ،} هناك أربعة معاملات كهرضغطية، dij ، eij ، gij _{، و} hij يتم تعريفها على النحو التالي _:

${\displaystyle {\begin{aligned}d_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{E}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]e_{ij}&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial D_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{E}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial E_{i}}}\right)^{S}\\[6pt]g_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial T_{j}}}\right)^{D}&&={\phantom {+}}\left({\frac {\partial S_{j}}{\partial D_{i}}}\right)^{T}\\[6pt]h_{ij}&=-\left({\frac {\partial E_{i}}{\partial S_{j}}}\right)^{D}&&=-\left({\frac {\partial T_{j}}{\partial D_{i}}}\right)^{S}\end{aligned}}}$

حيث تتوافق المجموعة الأولى المكونة من أربعة مصطلحات مع التأثير الكهرضغطي المباشر والمجموعة الثانية المكونة من أربعة مصطلحات تتوافق مع التأثير الكهرضغطي العكسي. تنشأ المساواة بين الموتر الكهرضغطي المباشر ونقل الموتر الكهرضغطي العكسي من علاقات ماكسويل في الديناميكا الحرارية. ^[25] بالنسبة لتلك البلورات الكهرضغطية التي يكون الاستقطاب فيها من النوع المستحث بواسطة مجال البلورة، تم التوصل إلى صيغة تسمح بحساب المعاملات الكهرضغطية d _ij من ثوابت الشبكة الكهروستاتيكية أو ثوابت مادلونج ذات الدرجة الأعلى . ^[18]

من بين 32 فئة بلورية ، 21 فئة غير مركزية التناظر (لا يوجد لها مركز تماثل)، ومن بين هذه الفئات، 20 فئة تظهر كهرضغطية مباشرة ^[26] (الفئة 21 هي الفئة المكعبة 432). عشرة من هذه الفئات تمثل فئات البلورات القطبية، ^[27] والتي تظهر استقطابًا تلقائيًا بدون إجهاد ميكانيكي بسبب عزم ثنائي القطب الكهربائي غير المتلاشي المرتبط بخلية الوحدة الخاصة بها، والتي تظهر كهروضوئية . إذا كان من الممكن عكس عزم ثنائي القطب عن طريق تطبيق مجال كهربائي خارجي، يقال إن المادة كهربائية حديدية .

• فئات البلورات القطبية العشرة (الكهربائية الحرارية): 1، 2، م، مم2، 4، 4 مم، 3، 3 م، 6، 6 مم.
• الفئات العشرة الأخرى من البلورات الكهرضغطية: 222، 4 ، 422، 4 2م، 32، 6 ، 622، 6 2م، 23، 4 3م.

بالنسبة للبلورات القطبية، حيث تكون P  ≠ 0 بدون تطبيق حمل ميكانيكي، يتجلى التأثير الكهرضغطي عن طريق تغيير مقدار أو اتجاه P أو كليهما.

من ناحية أخرى، بالنسبة للبلورات غير القطبية ولكن الكهرضغطية، لا يتم استنباط استقطاب P مختلف عن الصفر إلا من خلال تطبيق حمل ميكانيكي. بالنسبة لها، يمكن تصور الإجهاد لتحويل المادة من فئة بلورة غير قطبية ( P  = 0) إلى فئة قطبية، ^[18] حيث P  ≠ 0.

تظهر العديد من المواد خاصية الكهرباء الضغطية.

• لانجاسيت ( _La3Ga5SiO14 ) – _بلورة تشبه _{الكوارتز}
• فوسفات الغاليوم (GaPO4 ₎ – بلورة مشابهة للكوارتز
• نيوبات الليثيوم ( _LiNbO3 )
• تانتالات الليثيوم ( _LiTaO3 )
• كوارتز
• البرلينيت (AlPO _{4 ) –} معدن فوسفات نادر متطابق هيكليًا مع الكوارتز
• ملح روشيل
• التوباز  - يمكن أن تُعزى القدرة الكهربائية الانضغاطية في التوباز على الأرجح إلى ترتيب (F,OH) في شبكته، والتي تكون غير متناظرة مركزيًا: هرمية ثنائية الشكل (mmm). يتمتع التوباز بخصائص بصرية شاذة، والتي تُعزى إلى هذا الترتيب. ^[28]
• معادن مجموعة التورمالين
• تيتانات الرصاص (PbTiO3 ₎ - على الرغم من وجوده في الطبيعة كمعادن ماسيدونيت، ^{[29] [30]} يتم تصنيعه لأغراض البحث والتطبيقات.

يجب أن تكون السيراميك ذات الحبيبات الموجهة عشوائيًا كهربائية حديدية لإظهار الكهرباء الضغطية. ^[31] إن حدوث نمو غير طبيعي للحبيبات (AGG) في السيراميك الكهرضغطي متعدد البلورات المسحوق له تأثيرات ضارة على الأداء الكهرضغطي في مثل هذه الأنظمة ويجب تجنبه، حيث تميل البنية الدقيقة في السيراميك الكهرضغطي التي تظهر نموًا غير طبيعي للحبيبات (AGG) إلى أن تتكون من عدد قليل من الحبيبات الطويلة الكبيرة بشكل غير طبيعي في مصفوفة من الحبيبات الدقيقة الموجهة عشوائيًا. الكهرباء الضغطية العيانية ممكنة في المواد الكهرضغطية غير الكهربائية الحديدية متعددة البلورات، مثل AlN وZnO. تُظهر عائلات السيراميك ذات البيروفسكايت والتنغستن - البرونز والهياكل ذات الصلة الكهرباء الضغطية :

• زركونات الرصاص والتيتانات ( Pb [ Zr _x Ti _{1− x} ] O ₃ مع 0 ≤  x  ≤ 1) - والمعروف أكثر باسم PZT، وهو السيراميك الكهرضغطي الأكثر شيوعًا المستخدم اليوم.
• نيوبات البوتاسيوم (KNbO3 ₎ [ ^32]
• تنجستات الصوديوم ( _{Na2WO3 )}​
• با ₂ نونب ₅ أو ₅
• الرصاص ₂ KNb ₅ O ₁₅
• أكسيد الزنك (ZnO) - بنية Wurtzite . في حين أن البلورات المفردة من ZnO هي كهرضغطية وكهربائية حرارية، فإن ZnO متعدد البلورات (السيراميك) مع حبيبات موجهة عشوائيًا لا يُظهر أي تأثير كهرضغطي أو كهرحراري. نظرًا لعدم كونه كهروضوئيًا، لا يمكن قطب ZnO متعدد البلورات مثل تيتانات الباريوم أو PZT. قد تُظهر السيراميك والأغشية الرقيقة متعددة البلورات من ZnO كهرضغطية وكهربائية حرارية فقط إذا كانت ذات نسيج (الحبيبات موجهة بشكل تفضيلي)، بحيث لا تُلغى الاستجابات الكهرضغطية والكهربائية الحرارية لجميع الحبوب الفردية. يتم إنجاز هذا بسهولة في الأغشية الرقيقة متعددة البلورات. ^[24]

• نيوبات الصوديوم والبوتاسيوم ((K,Na)NbO ₃ ). تُعرف هذه المادة أيضًا باسم NKN أو KNN. في عام 2004، اكتشفت مجموعة من الباحثين اليابانيين بقيادة ياسويوشي سايتو تركيبة نيوبات الصوديوم والبوتاسيوم ذات خصائص قريبة من خصائص PZT، بما في ذلك درجة حرارة عالية _{للكربون} . ^[33] وقد ثبت أن تركيبات معينة من هذه المادة تحتفظ بعامل جودة ميكانيكية مرتفع ( Q _m  ≈ 900) مع زيادة مستويات الاهتزاز، في حين يتدهور عامل الجودة الميكانيكية لـ PZT الصلب في مثل هذه الظروف. تجعل هذه الحقيقة من NKN بديلاً واعدًا لتطبيقات الرنين عالي القدرة، مثل المحولات الكهرضغطية. ^[34]
• فيريت البزموت (BiFeO3 ₎ – مرشح واعد ليحل محل السيراميك المحتوي على الرصاص.
• نيوبات الصوديوم ( _NaNbO3 )
• تيتانات الباريوم (BaTiO3 ₎ – كان تيتانات الباريوم أول مادة سيراميكية كهربائية ضغطية تم اكتشافها.
• تيتانات البزموت ( _{Bi4Ti3O12 )}​_​​
• تيتانات البزموت الصوديوم (NaBi( _TiO3 ) ₂ )

إن تصنيع السيراميك الكهروضغطي الخالي من الرصاص يفرض تحديات متعددة، من وجهة نظر بيئية وقدرته على تكرار خصائص نظيراته القائمة على الرصاص. من خلال إزالة مكون الرصاص من السيراميك الكهروضغطي، ينخفض ​​خطر السمية للإنسان، ولكن تعدين واستخراج المواد يمكن أن يكون ضارًا بالبيئة. ^[35] يُظهر تحليل الملف البيئي لـ PZT مقابل نيوبات الصوديوم والبوتاسيوم (NKN أو KNN) أنه عبر المؤشرات الأربعة المعتبرة (استهلاك الطاقة الأولية، والبصمة السامة، والمؤشر البيئي 99، وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري من المدخلات والمخرجات)، فإن KNN أكثر ضررًا بالبيئة. معظم المخاوف بشأن KNN، وتحديدًا مكون Nb ₂ O ₅ ، هي في المرحلة المبكرة من دورة حياتها قبل أن تصل إلى الشركات المصنعة. نظرًا لأن التأثيرات الضارة تركز على هذه المراحل المبكرة، يمكن اتخاذ بعض الإجراءات لتقليل التأثيرات. _إن إعادة الأرض إلى شكلها الأصلي بعد استخراج أكسيد _{النيوبيوم} عن طريق هدم السدود أو استبدال مخزون التربة القابلة للاستخدام هي من الوسائل المعروفة التي تساعد في أي عملية استخراج. وللحد من تأثيرات جودة الهواء، لا يزال من الضروري إجراء النمذجة والمحاكاة لفهم أساليب التخفيف المطلوبة بشكل كامل. لم ينمو استخراج مكونات السيراميك الكهروميكانيكي الخالية من الرصاص إلى نطاق كبير في هذا الوقت، ولكن من خلال التحليل المبكر، يشجع الخبراء على توخي الحذر عندما يتعلق الأمر بالتأثيرات البيئية.

تواجه عملية تصنيع السيراميك الكهرضغطي الخالي من الرصاص تحدي الحفاظ على أداء واستقرار نظيراتها القائمة على الرصاص. بشكل عام، يتمثل التحدي الرئيسي في عملية التصنيع في إنشاء "حدود الطور الشكلية (MPBs)" التي تزود المواد بخصائصها الكهرضغطية المستقرة دون إدخال "حدود الطور متعددة الأشكال (PPBs)" التي تقلل من استقرار درجة حرارة المادة. ^[36] يتم إنشاء حدود طور جديدة من خلال تغيير تركيزات المواد المضافة بحيث تتقارب درجات حرارة انتقال الطور عند درجة حرارة الغرفة. يؤدي إدخال حدود الطور متعددة الأشكال إلى تحسين الخصائص الكهرضغطية، ولكن إذا تم إدخال حدود طور متعددة الأشكال، فإن المادة تتأثر سلبًا بدرجة الحرارة. البحث جارٍ للتحكم في نوع حدود الطور التي يتم إدخالها من خلال هندسة الطور، وانتقالات الطور المنتشرة، وهندسة المجال، والتعديل الكيميائي.

يمكن إنشاء جهد كهربائي ضغطي في أي بلورة شبه موصلة كبيرة أو نانوية ذات تماثل غير مركزي، مثل مواد المجموعة الثالثة - الخامسة والثانية - السادسة ، بسبب استقطاب الأيونات تحت الضغط والانفعال المطبقين. هذه الخاصية مشتركة بين كل من بنية بلورة الزنكبلند والورتزيت . من الدرجة الأولى ، يوجد معامل كهربائي ضغطي مستقل واحد فقط في الزنكبلند ، يسمى e ₁₄ ، مقترنًا بمكونات القص للانفعال. في الورتزيت ، توجد بدلاً من ذلك ثلاثة معاملات كهربائية ضغطية مستقلة: e ₃₁ و e ₃₃ و e _15. أشباه الموصلات التي تُلاحظ فيها أقوى كهرباء ضغطية هي تلك الموجودة عادةً في بنية الورتزيت ، أي GaN و InN و AlN و ZnO (انظر الإلكترونيات الضغطية ).

منذ عام 2006، كان هناك أيضًا عدد من التقارير عن تأثيرات كهربائية ضغطية غير خطية قوية في أشباه الموصلات القطبية . ^[37] ومن المعترف به عمومًا أن مثل هذه التأثيرات مهمة على الأقل إن لم تكن بنفس ترتيب الحجم مثل التقريب من الدرجة الأولى.

إن استجابة البوليمرات للضغط الكهرضغطي ليست عالية مثل استجابة السيراميك؛ ومع ذلك، فإن البوليمرات تتمتع بخصائص لا يتمتع بها السيراميك. على مدى العقود القليلة الماضية، تمت دراسة البوليمرات غير السامة والضغط الكهرضغطي وتطبيقها بسبب مرونتها ومعاوقتها الصوتية الأصغر . ^[38] تشمل الخصائص الأخرى التي تجعل هذه المواد مهمة توافقها الحيوي وقابليتها للتحلل البيولوجي وتكلفتها المنخفضة واستهلاكها المنخفض للطاقة مقارنة بالمواد الضغطية الأخرى (السيراميك، إلخ). ^[39] يمكن استخدام البوليمرات الضغطية والمركبات البوليمرية غير السامة نظرًا لخصائصها الفيزيائية المختلفة.

يمكن تصنيف البوليمرات الكهرضغطية إلى بوليمرات سائبة، وبوليمرات مشحونة مفرغة ("كهرباء ضغطية")، ومركبات بوليمرية. ترجع الاستجابة الكهرضغطية التي لوحظت بواسطة البوليمرات السائبة في الغالب إلى بنيتها الجزيئية. هناك نوعان من البوليمرات السائبة: غير متبلورة وشبه بلورية . ومن أمثلة البوليمرات شبه البلورية فلوريد بولي فينيلدين (PVDF) وبوليمراته المشتركة ، والبولي أميدات ، والباريلين-سي . تندرج البوليمرات غير البلورية، مثل البولي إيميد وكلوريد بولي فينيلدين (PVDC)، ضمن البوليمرات السائبة غير المتبلورة. تُظهر البوليمرات المشحونة المفرغة التأثير الكهرضغطي بسبب الشحنة الناتجة عن استقطاب فيلم بوليمري مسامي. تحت المجال الكهربائي، تتشكل الشحنات على سطح الفراغات لتشكل ثنائيات القطب. يمكن أن تحدث الاستجابات الكهربائية بسبب أي تشوه لهذه الفراغات. يمكن أيضًا ملاحظة التأثير الكهرضغطي في المركبات البوليمرية من خلال دمج جزيئات السيراميك الكهرضغطية في فيلم بوليمر. لا يجب أن يكون البوليمر نشطًا كهرضغطيًا ليكون مادة فعالة لمركب بوليمر. ^[39] في هذه الحالة، يمكن أن تتكون المادة من مصفوفة خاملة مع مكون نشط كهرضغطي منفصل.

يُظهِر PVDF قدرة كهربائية ضغطية أكبر عدة مرات من الكوارتز. تبلغ الاستجابة الضغطية الملحوظة من PVDF حوالي 20-30 بيكو سي/نيوتن. وهذا أقل بحوالي 5-50 مرة من تلك الموجودة في تيتانات الزركونيوم الرصاصي الكهرضغطي الخزفي (PZT). ^{[38] [39]} تصل الاستقرارية الحرارية للتأثير الكهرضغطي للبوليمرات في عائلة PVDF (أي فينيلدين فلوريد كوبوليمر ثلاثي فلورو إيثيلين) إلى 125 درجة مئوية. بعض تطبيقات PVDF هي أجهزة استشعار الضغط والهيدروفونات وأجهزة استشعار الموجات الصادمة. ^[38]

بسبب مرونتها، تم اقتراح المركبات الكهرضغطية كحاصدات للطاقة ومولدات نانوية. في عام 2018، أفاد Zhu et al. أنه يمكن الحصول على استجابة كهرضغطية تبلغ حوالي 17 بيكو كربون/نيوتن من مركب نانوي من PDMS/PZT عند مسامية 60٪. ^[40] تم الإبلاغ عن مركب نانوي آخر من PDMS في عام 2017، حيث تم دمج BaTiO ₃ في PDMS لصنع مولد نانوي شفاف قابل للتمدد لمراقبة فسيولوجية ذاتية التشغيل. ^[41] في عام 2016، تم إدخال جزيئات قطبية في رغوة البولي يوريثين حيث تم الإبلاغ عن استجابات عالية تصل إلى 244 بيكو كربون/نيوتن. ^[42]

تظهر معظم المواد استجابات كهربائية ضغطية ضعيفة على الأقل. تشمل الأمثلة التافهة السكروز (سكر المائدة) والحمض النووي والبروتينات الفيروسية، بما في ذلك تلك الموجودة في البكتيريا . ^{[43] [44]} تم الإبلاغ عن محرك يعتمد على ألياف الخشب، يسمى ألياف السليلوز . ^[39] تبلغ استجابات D33 للبولي بروبيلين الخلوي حوالي 200 بيكو كربون/نيوتن. بعض تطبيقات البولي بروبيلين الخلوي هي لوحات المفاتيح الموسيقية والميكروفونات وأنظمة تحديد الموقع بالصدى القائمة على الموجات فوق الصوتية. ^[38] في الآونة الأخيرة، أظهر حمض أميني واحد مثل β-glycine أيضًا كهرباء ضغطية عالية (178 بيكو فولت ^-1 ) مقارنة بالمواد البيولوجية الأخرى. ^[45]

تم التعرف مؤخرًا على السوائل الأيونية باعتبارها أول سائل كهرضغطي. ^[46]

يمكن للكهرباء الضغطية المباشرة لبعض المواد، مثل الكوارتز، أن تولد فروق جهد تصل إلى آلاف الفولتات.

• التطبيق الأكثر شهرة هو ولاعة السجائر الكهربائية : يؤدي الضغط على الزر إلى دفع مطرقة محملة بنابض إلى ضرب بلورة كهرضغطية، مما ينتج عنه تيار كهربائي عالي الجهد بدرجة كافية يتدفق عبر فجوة شرارة صغيرة ، وبالتالي تسخين وإشعال الغاز. تعمل الشرارات المحمولة المستخدمة لإشعال مواقد الغاز بنفس الطريقة، والآن تحتوي العديد من أنواع الشعلات الغازية على أنظمة إشعال مدمجة تعتمد على الكهرضغطية.
• تجري وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA ) أبحاثًا حول فكرة مماثلة في الولايات المتحدة في مشروع يُدعى حصاد الطاقة ، والذي يتضمن محاولة لتشغيل معدات ساحة المعركة بواسطة مولدات كهربائية ضغطية مدمجة في أحذية الجنود . ومع ذلك، تؤثر مصادر حصاد الطاقة هذه عن طريق الارتباط على الجسم. تم التخلي عن جهود وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) لتسخير 1-2 واط من تأثير الحذاء المستمر أثناء المشي بسبب عدم جدوى هذه الفكرة وعدم الراحة من الطاقة الإضافية التي يبذلها الشخص الذي يرتدي الحذاء. تشمل أفكار حصاد الطاقة الأخرى مزرعة الحشود ، وحصاد الطاقة من الحركات البشرية في محطات القطارات أو الأماكن العامة الأخرى ^{[47] [48]} وتحويل حلبة الرقص لتوليد الكهرباء. ^[49] يمكن أيضًا حصاد الاهتزازات من الآلات الصناعية بواسطة مواد كهربائية ضغطية لشحن البطاريات للإمدادات الاحتياطية أو لتشغيل المعالجات الدقيقة منخفضة الطاقة وأجهزة الراديو اللاسلكية. ^{[50] [51]}
• المحول الكهربي الضغطي هو نوع من مضاعفات الجهد المتردد. على عكس المحول التقليدي، الذي يستخدم اقترانًا مغناطيسيًا بين المدخل والمخرج، يستخدم المحول الكهربي الضغطي اقترانًا صوتيًا . يتم تطبيق جهد الدخل عبر طول قصير من قضيب من مادة السيراميك الضغطي مثل PZT ، مما يخلق إجهادًا متناوبًا في القضيب بواسطة التأثير الكهربي الضغطي العكسي ويتسبب في اهتزاز القضيب بالكامل. يتم اختيار تردد الاهتزاز ليكون التردد الرنيني للكتلة، عادةً في نطاق 100  كيلو هرتز إلى 1 ميغا هرتز. ثم يتم توليد جهد خرج أعلى عبر قسم آخر من القضيب بواسطة التأثير الكهربي الضغطي. تم إثبات نسب رفع تزيد عن 1000: 1. ^{[ بحاجة لمصدر ]} ميزة إضافية لهذا المحول هي أنه من خلال تشغيله فوق تردده الرنيني، يمكن جعله يبدو كحمل حثي ، وهو أمر مفيد في الدوائر التي تتطلب بداية ناعمة محكومة. ^[52] يمكن استخدام هذه الأجهزة في محولات التيار المستمر والتيار المتردد لتشغيل مصابيح الفلورسنت ذات الكاثود البارد . تعد المحولات الكهرضغطية من أكثر مصادر الجهد العالي إحكاما.

مبدأ تشغيل المستشعر الكهرضغطي هو أن البعد المادي، الذي يتحول إلى قوة، يؤثر على وجهين متقابلين لعنصر الاستشعار. اعتمادًا على تصميم المستشعر، يمكن استخدام "أوضاع" مختلفة لتحميل العنصر الكهرضغطي: الطولي والعرضي والقص.

يعد اكتشاف تغيرات الضغط في شكل صوت هو أكثر تطبيقات المستشعرات شيوعًا، على سبيل المثال الميكروفونات الكهرضغطية (تثني الموجات الصوتية المادة الكهرضغطية، مما يؤدي إلى إحداث جهد متغير) والمكبرات الكهرضغطية للغيتارات الكهربائية الصوتية . يُعرف المستشعر الكهرضغطي المتصل بجسم الآلة باسم الميكروفون التلامسي .

تُستخدم المستشعرات الكهرضغطية بشكل خاص مع الصوت عالي التردد في المحولات بالموجات فوق الصوتية للتصوير الطبي وكذلك الاختبارات الصناعية غير المدمرة (NDT).

بالنسبة للعديد من تقنيات الاستشعار، يمكن للمستشعر أن يعمل كمستشعر ومشغل في نفس الوقت - غالبًا ما يُفضَّل استخدام مصطلح محول عندما يعمل الجهاز بهذه القدرة المزدوجة، ولكن معظم أجهزة البيزو تتمتع بخاصية الانعكاس سواء تم استخدامها أم لا. على سبيل المثال، يمكن لمحولات الموجات فوق الصوتية حقن الموجات فوق الصوتية في الجسم، واستقبال الموجة المرتدة، وتحويلها إلى إشارة كهربائية (جهد كهربائي). معظم محولات الموجات فوق الصوتية الطبية هي بيزوكهربائية.

بالإضافة إلى تلك المذكورة أعلاه، تتضمن تطبيقات المستشعرات والمحولات المختلفة ما يلي:

• تُستخدم العناصر الكهرضغطية أيضًا في اكتشاف وتوليد موجات السونار.
• تُستخدم المواد الكهرضغطية في الاستشعار بالميل أحادي المحور وثنائي المحور. ^[54]
• مراقبة الطاقة في تطبيقات الطاقة العالية (على سبيل المثال العلاج الطبي والسونوكيمياء والمعالجة الصناعية).
• تُستخدم الموازين الدقيقة الكهرضغطية كأجهزة استشعار كيميائية وبيولوجية حساسة للغاية.
• تُستخدم المواد الكهرضغطية أحيانًا في مقاييس الانفعال . ولكن في أغلب الأحيان، يتم استخدام عنصر تأثير مقاوم للضغط .
• تم استخدام محول كهربائي ضغطي في جهاز قياس الاختراق على مسبار هويجنز .
• تُستخدم المحولات الكهربائية الضغطية في لوحات الطبل الإلكترونية للكشف عن تأثير عصي الطبال، وللكشف عن حركات العضلات في تخطيط التسارع الطبي .
• تستخدم أنظمة إدارة محرك السيارة محولات كهربائية ضغطية للكشف عن طرق المحرك (مستشعر الطرق، KS)، والمعروف أيضًا باسم الانفجار، عند ترددات هرتز معينة. كما يستخدم المحول الكهربائي الضغطي في أنظمة حقن الوقود لقياس الضغط المطلق للمجمع (مستشعر MAP) لتحديد حمل المحرك، وفي النهاية ميلي ثانية من وقت تشغيل حاقن الوقود.
• يتم استخدام أجهزة الاستشعار البيزو بالموجات فوق الصوتية في الكشف عن الانبعاثات الصوتية في اختبار الانبعاثات الصوتية .
• يمكن استخدام المحولات الكهربائية الانضغاطية في أجهزة قياس التدفق بالموجات فوق الصوتية أثناء النقل .

نظرًا لأن المجالات الكهربائية العالية جدًا تتوافق مع تغييرات طفيفة فقط في عرض البلورة، يمكن تغيير هذا العرض بدقة أفضل من ميكرومتر ، مما يجعل بلورات البيزو الأداة الأكثر أهمية لتحديد موضع الأشياء بدقة شديدة - وبالتالي استخدامها في المحركات . ^[55] تسمح السيراميك متعدد الطبقات، باستخدام طبقات أرق من 100 ميكرومتر ، بالوصول إلى مجالات كهربائية عالية بجهد أقل من 150 فولت . تُستخدم هذه السيراميك في نوعين من المحركات: المحركات البيزو المباشرة والمحركات البيزو الكهربائية المكبرة . في حين أن شوط المحرك المباشر أقل عمومًا من 100 ميكرومتر ، يمكن للمحركات البيزو المكبرة الوصول إلى شوطات ملليمتر.

• مكبرات الصوت : يتم تحويل الجهد إلى حركة ميكانيكية للغشاء المعدني.
• تستخدم عملية التنظيف بالموجات فوق الصوتية عادةً عناصر كهرضغطية لإنتاج موجات صوتية مكثفة في السائل.
• المحركات الكهرضغطية : تطبق العناصر الكهرضغطية قوة اتجاهية على المحور ، مما يتسبب في دورانه. ونظرًا للمسافات الصغيرة للغاية المعنية، يُنظر إلى المحرك الكهرضغطي باعتباره بديلاً عالي الدقة للمحرك المتدرج .
• يمكن استخدام العناصر الكهرضغطية في محاذاة المرايا بالليزر ، حيث يتم استغلال قدرتها على تحريك كتلة كبيرة (حامل المرآة) عبر مسافات مجهرية لمحاذاة بعض المرايا بالليزر إلكترونيًا. من خلال التحكم الدقيق في المسافة بين المرايا، يمكن للإلكترونيات الليزرية الحفاظ بدقة على الظروف البصرية داخل تجويف الليزر لتحسين خرج الشعاع.
• من التطبيقات ذات الصلة جهاز التعديل الصوتي البصري ، وهو جهاز ينثر الضوء من الموجات الصوتية في البلورة، والتي يتم توليدها بواسطة عناصر كهربائية ضغطية. وهذا مفيد لضبط تردد الليزر بدقة.
• تستخدم المجاهر القوة الذرية والمجاهر النفقية المسحية طاقة كهربائية ضغطية معاكسة لإبقاء إبرة الاستشعار قريبة من العينة. ^[56]
• الطابعات النافثة للحبر : في العديد من الطابعات النافثة للحبر، يتم استخدام بلورات كهربائية ضغطية لدفع عملية إخراج الحبر من رأس الطباعة النافثة للحبر نحو الورق.
• محركات الديزل : تستخدم محركات الديزل ذات السكك الحديدية المشتركة عالية الأداء حاقنات وقود كهربائية ضغطية ، تم تطويرها لأول مرة بواسطة شركة Robert Bosch GmbH ، بدلاً من أجهزة صمام الملف اللولبي الأكثر شيوعًا .
• التحكم النشط في الاهتزازات باستخدام المحركات المكبرة.
• مصاريع الأشعة السينية .
• مراحل XY للمسح المجهري المستخدمة في الكاميرات بالأشعة تحت الحمراء.
• نقل المريض بدقة داخل أجهزة التصوير المقطعي المحوسب وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي النشطة حيث يمنع الإشعاع القوي أو المغناطيسية المحركات الكهربائية. ^[57]
• تُستخدم سماعات الأذن البلورية أحيانًا في أجهزة الراديو القديمة أو منخفضة الطاقة.
• يمكن تحقيق الموجات فوق الصوتية المركزة عالية الكثافة للتسخين الموضعي أو إنشاء تجويف موضعي، على سبيل المثال، في جسم المريض أو في عملية كيميائية صناعية.
• شاشة برايل قابلة للتحديث . يتم توسيع بلورة صغيرة بتطبيق تيار يحرك رافعة لرفع خلايا برايل الفردية.
• المحرك الكهرضغطي. يتم توسيع بلورة واحدة أو عدد من البلورات عن طريق تطبيق جهد لتحريك والتحكم في آلية أو نظام. ^[55]
• تُستخدم المحركات الكهرضغطية لتحديد موضع المؤازرة بشكل دقيق في محركات الأقراص الصلبة. ^{[58] [59]}

تعتبر الخصائص الكهرضغطية للكوارتز مفيدة كمعيار للتردد .

• تستخدم ساعات الكوارتز مذبذبًا بلوريًا مصنوعًا من بلورة كوارتز تستخدم مزيجًا من كل من الكهرباء الضغطية المباشرة والمعاكسة لتوليد سلسلة منتظمة من النبضات الكهربائية التي تُستخدم لتحديد الوقت. تتمتع بلورة الكوارتز (مثل أي مادة مرنة ) بتردد طبيعي محدد بدقة (ناتج عن شكلها وحجمها) تفضل التذبذب عنده ، ويُستخدم هذا لتثبيت تردد الجهد الدوري المطبق على البلورة.
• يتم استخدام نفس المبدأ في بعض أجهزة الإرسال والاستقبال اللاسلكية ، وفي أجهزة الكمبيوتر حيث يتم إنشاء نبضة ساعة . يستخدم كلا الجهازين عادةً مضاعف التردد للوصول إلى نطاقات الجيجاهيرتز.

تشمل أنواع المحركات الكهرضغطية ما يلي:

• المحرك بالموجات فوق الصوتية المستخدم للتركيز التلقائي في الكاميرات العاكسة
• محركات دودة القياس للحركة الخطية
• محركات مستطيلة رباعية الأرباع ذات كثافة طاقة عالية (2.5  واط / سم ³ ) وسرعة تتراوح من 10 نانومتر / ثانية إلى 800 مم / ثانية.
• محرك بيزو متدرج يستخدم تأثير الالتصاق والانزلاق .

بصرف النظر عن المحرك ذي الخطوة المتدرجة، تعمل جميع هذه المحركات على نفس المبدأ. حيث يتم تشغيلها بواسطة وضعي اهتزاز متعامدين مزدوجين بفارق طور يبلغ 90 درجة، حيث تهتز نقطة التلامس بين سطحين في مسار بيضاوي ، مما ينتج عنه قوة احتكاك بين السطحين. وعادةً ما يكون أحد السطحين ثابتًا، مما يتسبب في تحرك السطح الآخر. وفي معظم المحركات الكهرضغطية، يتم إثارة البلورة الكهرضغطية بواسطة إشارة موجة جيبية عند التردد الرنان للمحرك. وباستخدام تأثير الرنين، يمكن استخدام جهد أقل بكثير لإنتاج سعة اهتزاز عالية.

يعمل محرك الالتصاق والانزلاق باستخدام عزم القصور الذاتي للكتلة واحتكاك المشبك. يمكن أن تكون هذه المحركات صغيرة جدًا. يتم استخدام بعضها لإزاحة مستشعر الكاميرا، مما يسمح بوظيفة مقاومة الاهتزاز.

وقد قامت فرق مختلفة من الباحثين بدراسة طرق تقليل الاهتزازات في المواد من خلال ربط عناصر بيزو بالمادة. فعندما تنحني المادة بفعل اهتزاز في اتجاه واحد، يستجيب نظام تقليل الاهتزاز للانحناء ويرسل الطاقة الكهربائية إلى عنصر البيزو لينحني في الاتجاه الآخر. ومن المتوقع أن يتم استخدام هذه التكنولوجيا في تطبيقات مستقبلية في السيارات والمنازل لتقليل الضوضاء. كما تمت دراسة تطبيقات أخرى للهياكل المرنة، مثل الأصداف والألواح، منذ ما يقرب من ثلاثة عقود.

في عرض توضيحي في معرض Material Vision في فرانكفورت في نوفمبر 2005، أظهر فريق من جامعة دارمشتات في ألمانيا العديد من الألواح التي تم ضربها بمطرقة مطاطية، وتوقفت اللوحة ذات العنصر الكهرضغطي عن التأرجح على الفور.

يتم استخدام تقنية الألياف الخزفية الكهرضغطية كنظام تخميد إلكتروني في بعض مضارب التنس HEAD . ^[60]

تتمتع جميع محولات الطاقة الكهرضغطية بتردد رنيني أساسي والعديد من الترددات التوافقية. أنظمة السوائل التي تعمل بالكهرباء الكهرضغطية حساسة للاهتزازات الإضافية في بنية الكهرضغطية والتي يجب تقليلها أو التخلص منها. حلت إحدى شركات نفث الحبر، Howtek، Inc هذه المشكلة عن طريق استبدال فوهات نفث الحبر الزجاجية (الصلبة) بفوهات نفث الحبر Tefzel (الناعمة). أدت هذه الفكرة الجديدة إلى ترويج نفثات الحبر ذات الفوهة الواحدة وهي تستخدم الآن في طابعات نفث الحبر ثلاثية الأبعاد التي تعمل لسنوات إذا تم الحفاظ عليها نظيفة من الداخل ولم يتم تسخينها بشكل زائد (يتسرب Tefzel تحت الضغط في درجات حرارة عالية جدًا)

في الأشخاص الذين عانوا من فشل الإخصاب الكامل سابقًا ، يبدو أن التنشيط الكهرضغطي للبويضات مع حقن الحيوانات المنوية داخل الخلية (ICSI) يحسن نتائج الإخصاب. ^[61]

جراحة البيزو ^[62] هي تقنية قليلة التوغل تهدف إلى قطع الأنسجة المستهدفة مع إحداث ضرر ضئيل للأنسجة المجاورة. على سبيل المثال، يستخدم Hoigne et al. ^[63] ترددات في نطاق 25-29 كيلوهرتز، مما يتسبب في حدوث اهتزازات دقيقة تتراوح بين 60-210 ميكرومتر. ولديها القدرة على قطع الأنسجة المعدنية دون قطع الأنسجة العصبية الوعائية والأنسجة الرخوة الأخرى، وبالتالي الحفاظ على منطقة تشغيل خالية من الدم، ورؤية أفضل ودقة أكبر. ^[64]

في عام 2015، وجد باحثو جامعة كامبريدج الذين يعملون بالاشتراك مع باحثين من المختبر الفيزيائي الوطني وشركة الهوائيات العازلة Antenova Ltd ومقرها كامبريدج، باستخدام أغشية رقيقة من المواد الكهرضغطية أنه عند تردد معين، لا تصبح هذه المواد مجرد مرنانات فعالة فحسب، بل ومشعات فعالة أيضًا، مما يعني أنه يمكن استخدامها كهوائيات. وجد الباحثون أنه من خلال إخضاع الأغشية الرقيقة الكهرضغطية لإثارة غير متماثلة، يتم كسر تماثل النظام بشكل مماثل، مما يؤدي إلى كسر تماثل المجال الكهربائي وتوليد الإشعاع الكهرومغناطيسي. ^{[65] [66]}

ظهرت عدة محاولات لتطبيق تكنولوجيا الكهرباء الضغطية على نطاق واسع ^{[67] [68]} لحصاد الطاقة الحركية من المشاة.

في هذه الحالة، يعد تحديد مناطق المرور الكثيف أمرًا بالغ الأهمية لتحسين كفاءة حصاد الطاقة، كما يؤثر اتجاه رصف البلاط بشكل كبير على إجمالي كمية الطاقة المحصودة. ^[69] يوصى بإجراء تقييم تدفق الكثافة لتقييم إمكانات حصاد الطاقة الكهرضغطية للمنطقة المعتبرة بشكل نوعي بناءً على عدد معابر المشاة لكل وحدة زمنية. ^[70] في دراسة X. Li، تم فحص ومناقشة التطبيق المحتمل لحصاد الطاقة الكهرضغطية التجارية في مبنى مركزي في جامعة ماكواري في سيدني، أستراليا. يتم تقديم تحسين نشر البلاط الكهرضغطي وفقًا لتكرار حركة المشاة ويتم تطوير نموذج حيث يتم رصف 3.1٪ من إجمالي مساحة الأرضية ذات أعلى حركة للمشاة ببلاط كهرضغطي. تشير نتائج النمذجة إلى أن إجمالي إمكانات حصاد الطاقة السنوية لنموذج الرصف البلاطي المُحسَّن المقترح يُقدَّر بنحو 1.1 ميجاوات ساعة/سنة، وهو ما يكفي لتلبية ما يقرب من 0.5% من احتياجات الطاقة السنوية للمبنى. ^[70] في إسرائيل، توجد شركة قامت بتثبيت مواد كهرضغطية تحت طريق سريع مزدحم. الطاقة المولدة كافية لتشغيل مصابيح الشوارع واللوحات الإعلانية واللافتات. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تخطط شركة Goodyear للإطارات لتطوير إطار لتوليد الكهرباء، حيث يتم تغليفه بمادة كهربائية ضغطية. فمع تحرك الإطار، يتشوه وبالتالي يتم توليد الكهرباء. ^[71]

يمكن زيادة كفاءة الخلية الكهروضوئية الهجينة التي تحتوي على مواد كهرضغطية ببساطة عن طريق وضعها بالقرب من مصدر للضوضاء المحيطة أو الاهتزاز. وقد تم إثبات التأثير باستخدام الخلايا العضوية باستخدام أنابيب أكسيد الزنك النانوية . الكهرباء المولدة بواسطة التأثير الكهرضغطي نفسه تشكل نسبة ضئيلة من الناتج الإجمالي. تعمل مستويات الصوت المنخفضة التي تصل إلى 75 ديسيبل على تحسين الكفاءة بنسبة تصل إلى 50٪. بلغت الكفاءة ذروتها عند 10 كيلو هرتز، وهو التردد الرنان للأنابيب النانوية. يتفاعل المجال الكهربائي الذي تم إنشاؤه بواسطة الأنابيب النانوية المهتزة مع الإلكترونات المهاجرة من طبقة البوليمر العضوي. تقلل هذه العملية من احتمالية إعادة التركيب، حيث يتم تنشيط الإلكترونات ولكنها تستقر مرة أخرى في حفرة بدلاً من الهجرة إلى طبقة أكسيد الزنك التي تقبل الإلكترونات. ^{[72] [73]}

• EN 50324 (2002) الخصائص الكهرضغطية للمواد والمكونات الخزفية (3 أجزاء)
• ANSI-IEEE 176 (1987) معيار الكهرباء الانضغاطية
• IEEE 177 (1976) التعريفات القياسية وطرق القياس للاهتزازات الكهرضغطية
• IEC 444 (1973) الطريقة الأساسية لقياس تردد الرنين ومقاومة السلسلة المكافئة لوحدات بلورة الكوارتز باستخدام تقنية الطور الصفري في شبكة pi
• IEC 302 (1969) تعريفات قياسية وطرق قياس للاهتزازات الكهرضغطية العاملة على نطاق تردد يصل إلى 30 ميجا هرتز

• Gautschi, Gustav H. (2002). Piezoelectric Sensorics . Springer. ISBN 978-3-540-42259-4.
• أغشية البوليمر الخلوية الكهرضغطية: التصنيع والخصائص والتطبيقات
• محرك ميكروي قائم على محرك بيزو لتسجيل الإشارات العصبية
• البحث عن مواد كهرضغطية جديدة
• معادلات البيزو
• البيزو في التصميم الطبي
• فيديو توضيحي للكهرباء الضغطية
• حزمة التدريس والتعلم DoITPoMS – المواد الكهرضغطية
• PiezoMat.org – قاعدة بيانات عبر الإنترنت للمواد الكهرضغطية وخصائصها وتطبيقاتها
• أنواع المحركات الكهرضغطية
• نظرية البيزو وتطبيقاتها