Как работает пьезоэлектрический элемент - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Многие современные электронные устройства используют в своей работе пьезоэлектрический эффект. Например, в некоторых устройствах распознавания звука микрофоны, которые они используют, работают с помощью вышеупомянутого эффекта. Пьезоэлектрический кристалл преобразует энергию вашего голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства.

Содержание

Как работает пьезоэлектрический кристалл

Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что давление на кварц или отдельные кристаллы создает электрический заряд. Это явление позже назвали пьезоэлектрическим эффектом.

Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это происходит, когда к материалу или кристаллу прикладывается электрическое поле, что приводит к механической деформации объекта.

Термин “пьезоэлектричество” происходит от греческого слова “пьезо”, что означает сжатие. Стоит отметить, что от греческого слова amber происходит слово “электричество”. Янтарь также может быть источником электроэнергии.

Многие современные электронные устройства используют в своей работе пьезоэлектрический эффект. Например, в случае некоторых устройств распознавания звука, используемые ими микрофоны работают с упомянутым выше эффектом. Пьезоэлектрический кристалл преобразует энергию вашего голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства.

Создание некоторых передовых технологий также стало возможным благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Например, в мощных сонарах используются маленькие чувствительные микрофоны и керамический датчик звука, основанный на пьезоэлектрическом эффекте.

Среди многих диэлектрических материалов есть такие, которые обладают так называемым пьезоэлектрическим эффектом. На их поверхности могут возникать электрические заряды в результате деформации. Существует и обратный эффект, при котором диэлектрики начинают деформироваться под воздействием внешнего электрического поля. Сам пьезоэлектрический элемент не может рассматриваться как источник электрической энергии. Он преобразует только механическую энергию в электрическую с очень низким КПД. Однако, благодаря своим свойствам, пьезоэлектрические элементы широко используются в технике, особенно в качестве источников электрического разряда.

Физические свойства пьезоэлектрического элемента

Пьезоэлектрические материалы довольно просты по своей природе и характеризуются только двумя физическими величинами – диэлектрической проницаемостью и пьезоэлектрическим модулем. Емкость пьезоэлектрического элемента зависит от первого значения, а пьезоэлектрический модуль – от электрического заряда, развиваемого на электродах при приложении к ним определенной силы.

В пьезокерамике для описания процесса используются три модуля, в зависимости от положения действующей силы по отношению к полярности пьезоэлектрической оси.

Наиболее выраженный эффект наблюдается в модуле d₃₃где первая цифра индекса обозначает направление полярной оси вдоль оси Z обычной системы координат, а вторая цифра обозначает направление действующей силы вдоль той же оси. В результате получается пьезоэлектрический элемент с модулем упругости d₃₃ значительно больше, чем в случае комбинаций с другими направлениями.

Прямой пьезоэлектрический эффект модуля измеряется в единицах кулон/ньютон (K/N). Это величина, характеризующая материал, из которого он изготовлен. Независимо от приложенной силы и размера ячейки, сила в 1 ньютон приведет к одинаковому заряду на электродах.

Существует формула для определения напряжения на электродах: U = q/C, где в свою очередь q = F d₃₃. Из этой формулы видно, что, в отличие от заряда, напряжение будет зависеть от размера пьезоэлектрода, поскольку емкость C связана с площадью поверхности электродов и расстоянием между ними. Если, в качестве примера, принять емкость обычной зажигалки за 40 пикофарад (пф), то приложенная сила в 1 Н даст напряжение в 6 В. Следовательно, если силу увеличить до 1000 Н (100 кг), то результирующее напряжение составит уже 6 кВ.

Пьезокерамика – искусственный материал, плод прогресса

Пьезокерамические источники высокого напряжения

Нет недостатка в сенсационных публикациях, приписывающих пьезоэлектричеству чудодейственные способности. Например, вот цитата: “Два года назад несколько физиков попытались заново решить формальную проблему: как преобразовать механическую энергию человека в киловатты электричества. Таким образом, родился пьезоэлектрический генератор. Сначала первое поколение, затем второе, а сегодня восьмая версия проходит лабораторные испытания. Легкое нажатие на генератор и: “Сожгите все дотла”. …и когда все будет готово, это будет революция альтернативной энергии. (teros.org.ru).

Понятно, что пьезоэлектрический элемент не является источником энергии. Также очевидно, что в качестве преобразователя механической энергии в электрическую он не произведет революцию в производстве энергии. В конце концов, к чему сводится идея использования пьезогенераторов в кроссовках, в асфальте, в ногах балерины для выработки электроэнергии? Все сводится к выработке нетрадиционной электроэнергии посредством механической работы (кстати, с очень низким КПД), которая, в свою очередь, осуществляется путем сжигания традиционного топлива и поедания традиционного картофеля. Пьезоэлектрический генератор является преобразователем, но не источником электроэнергии. Как преобразователь, он занимает свое место в технике в качестве источника электрического заряда, источника высокого напряжения для целей зажигания, контроля изоляции и многих других. В некоторых случаях он также подходит в качестве источника микропитания. В этой статье мы расскажем о пьезоэлектрических генераторах для генерирования искр и создания электрических зарядов.

Немного теории

Вам не нужна обширная теоретическая информация, чтобы понять устройство, основной частью которого является пьезоэлектрический генератор. Вам нужно знать только две величины, характеризующие пьезоэлектрический материал. К ним относятся: диэлектрическая проницаемость, поскольку она определяет емкость пьезоэлектрического элемента, и пьезомодуль. Пьезомодуль определяет величину электрического заряда на электродах пьезоэлектрического элемента при приложении к ним единицы силы. Пьезокерамика описывается тремя пьезомодулями, в зависимости от ориентации приложенной силы относительно полярной оси пьезокерамического образца. Нас будет интересовать пьезомодуль />Первый подстрочный индекс указывает, что полярная ось ориентирована вдоль оси 3 или Z системы координат (перпендикулярно электродам). Второй подстрочный индекс указывает на то, что эффективная сила направлена вдоль той же оси. Пьезоэлектрический эффект наиболее выражен при такой взаимной ориентации. Пьезомодуль /> больше, чем пьезомодуль, соответствующий другим комбинациям направлений. Для прямого пьезоэлектрического эффекта пьезомодуль равен “K/N” (кулон:ньютон) и его значение, в зависимости от марки пьезокерамики, колеблется от 200 до 500 пикокулонов/ньютон (10 -12 К/Н). Пьезомодуль – это свойство материала. Это означает, что если мы изготовим пьезоэлемент из пьезокерамики с пьезомодулем, например. 240*10 -12 K240*10 -12 К/Н, то независимо от размера пьезоэлектрического элемента, независимо от его формы, независимо от способа приложения силы, будь то точечное приложение или распределение по поверхности электрода, мы всегда получим 240 пикокулонов заряда на электродах при приложении силы в 1 ньютон. Каким будет напряжение на электродах пьезоэлектрического элемента? Воспользуемся известной формулой:

(1)

Из формулы следует, что напряжение уже зависит от размера пьезоэлектрического элемента, поскольку емкость C, входящая в формулу, является функцией расстояния между электродами и площади поверхности электрода. Легко проверить, что в данном примере, применив емкость, равную 40 пикофарадам (такова емкость пьезоэлементов пьезозажигалки), мы получим, что напряжение при силе 1Н составит 6В. Если мы приложим силу в 1000 Н (100 кГ), то получим 6 кВ.

Этой информации вполне достаточно, чтобы проанализировать, как работает пьезоэлектрическая зажигалка. Давайте сделаем это на примере пьезозажигалки.

Как работает пьезозажигалка?

Данная зажигалка представляет собой пьезоэлектрическую зажигалку под давлением, которая при работе производит серию искр. Существуют молотковые зажигалки, которые дают одну искру при срабатывании молоткового механизма. Пьезозажигалка – это, пожалуй, самый удачный пример пьезозажигалки. Это один из самых популярных бытовых приборов в домах с газовыми плитами. Они надежны, долговечны, не требуют обслуживания и всегда готовы к работе. На рис.1 показано фотографическое изображение развернутой пьезозажигалки с пьезогенератором. Мы не будем подробно останавливаться на описании конструкции

Рис.1. Открытая пьезозажигалка с пьезогенератором

Мы не будем подробно останавливаться на конструкции пьезоэлектрической зажигалки, поскольку в ней нет ничего, что выходило бы за рамки интеллектуального наследия Архимеда, но рассмотрим упрощенную модель пьезоэлектрической зажигалки, показанную на рис.2. Она состоит из опоры с рычагом, который позволяет применять

Пьезоэлектрические элементы поддерживаются рычагом, что позволяет прикладывать значительное усилие. Пьезоэлектрические элементы, имеющие форму сплошного цилиндра с электродами на торцах, укладываются друг на друга и, соответственно, подвергаются одинаковому усилию. Пьезоэлектроды ориентированы таким образом, что электроды на соприкасающихся поверхностях заряжены с одним знаком, а противоположные электроды – с другим знаком. Противоположные электроды электрически замыкаются элементами рычажного механизма. В этих условиях пьезоэлектрические элементы оказываются электрически соединенными параллельно. Проведите проводник от контактных электродов с помощью наконечника, предпочтительно с закругленным концом, и поместите наконечник на расстоянии от металлического основания. Теперь, когда рычаг нажат, воздушный зазор между наконечником и основанием будет пробит. При более сильном нажатии на рычаг можно “выбить” вторую искру, третью и так далее, пока пьезоэлектрические элементы не будут разрушены. В этом заключается простой на первый взгляд принцип работы пьезозажигалки. Однако есть возможность взглянуть на это устройство поближе. Для этого мы поставим несколько вопросов и задач. Ответы могут быть неожиданными.

1. Почему пьезозажигалка издает характерный потрескивающий звук при искрении? Это звук маленьких разрядов молнии? Нет, хотя эти разряды тоже издают звук, но очень слабый. Проведем умозрительный эксперимент на модели пьезоэлектрического элемента, сославшись на рис.3. Модель содержит сильную пружину1, которую можно сжать, надавив на платформу3. Есть дугообразные, более слабые пружины2. Почему они дугообразные, и почему их два, не имеет значения. Только из-за красоты дизайна. В экспериментальном наборе имеется много дугообразных пружин разной длины, потому что они быстро

сломаться. В начальном состоянии, когда сила равна нулю, выберите две дугообразные пружины с расстоянием между концами, равным расстоянию между платформой и нижним основанием, и вставьте их, как показано на рисунке. Теперь начинайте наращивать силу сверху. Пружины начнут сжиматься под действием силы. Основной атлас – spring1 – примет на себя наибольшую нагрузку. Она поддерживается арочными пружинами. Но в какой-то момент арочные пружины ломаются. Атлас остается без помощников и резко уступает, чтобы мобилизовать дополнительную силу своей эластичности и тем самым уравновесить внешнюю. В этот же момент вставляем новую пару арочных пружин, но с меньшим расстоянием между концами, соответствующим новой высоте платформы над основанием. Теперь у сильной пластины снова есть два слабых помощника. Но и они, претерпев некоторую деформацию, тоже ломаются. Сильная пружина снова быстро поддается, и так далее. Затем мы прерываем этот процесс и вставляем самые короткие дугообразные пружины перед снятием внешней силы. И не только вставить, но и приклеить их в местах контакта. Теперь, освободившись от внешней силы, большая пружина начинает двигаться вверх, растягивая малую пружину. Маленькие пружины также ломаются при растяжении, нам удается заменить и приклеить их в кратчайшие сроки. Наконец, большая пружина остановила свое движение, но еще не достигла своей начальной высоты, потому что последняя пара пружин не сломалась. Мы ломаем их, после чего пружина и платформа возвращаются в исходное положение. Следовательно, при обратном ходе происходит меньше независимых поломок.

Что является эквивалентом сильной и слабой пружины в пьезоэлементе? Что значит слабый весенний перерыв? В целом, каждое твердое тело является пружиной. Однако его шаг очень короткий, и, согласно нашей аналогии, это сильная пружина. Пьезоэлектрический элемент также является сильной пружиной, но в отличие от обычных твердых тел он обладает и слабой пружиной. Когда мы сжимаем обычное твердое тело, мы увеличиваем потенциальную энергию упругости. Когда мы сжимаем пьезоэлектрический элемент, мы также работаем над увеличением потенциальной энергии, но при этом мы создаем электрическое поле в образце, которое также обладает потенциальной энергией. В приведенной выше аналогии можно вообще не вставлять дуговые пружины. Тогда сильную пружину будет легче сжать. В пьезоэлементе то же самое, можно исключить появление электрического поля путем короткого замыкания электродов, и он также будет легче сжиматься.

Теперь вернемся к предыдущему рисунку 2. Пусть кончик токоприемника находится на расстоянии около четырех миллиметров (как у пьезозажигалки) от основания рычажного механизма. В этом разрядном промежутке произойдет искровой пробой, если напряжение достигнет примерно 3000 В. Что происходит в точке отказа? Напряжение падает практически до нуля, электрическое поле исчезает, исчезает и соответствующая сила, противодействующая внешней силе через рычаг. Это приводит к поломке дуговой пружины в приведенной выше аналогии. Пьезоэлектрический элемент “сжался”. Конечно, он сократился совсем немного, но этот механический импульс передался всему натянутому рычажному механизму. Механизм издал звук, щелчок. В то же время от микромоций исходил звуковой импульс, но он был намного слабее. Его можно сравнить со звуком сломанной пружины лука. Давайте продолжать нажимать на рычаг. Опять же, на электродах существует электрическое поле и напряжение. Это автоматическая замена пружин дуги. Происходит второй разряд и соответствующий щелчок механизма. Когда ключ зажигалки свободно перевернут, искрение происходит за счет накопленной упругой потенциальной энергии пьезоэлектрического элемента (сильной пружины), но полярность напряжения будет обратной и количество искр будет меньше, как и в модели. Так же, как мы сломали последнюю пружину, давайте разрядим пьезоэлектрический элемент, закоротив электроды.

Ответ на первый вопрос довольно длинный, но он также является интерпретацией одной из основных теорем пьезоэлектричества. В дальнейшем решения будут короче.

2. Какова мощность разряда пьезоэлектрического элемента? Производить точные расчеты крайне сложно и бессмысленно, но интересно оценить порядок величины. Мощность тока искры равна квадрату напряжения, деленного на сопротивление разрядного промежутка. Напряжение, конечно, изменяется во время разряда от 3000 вольт до почти нуля. Поэтому возьмем среднее значение 1500 вольт. Но каково сопротивление разрядного промежутка? Мы оцениваем его примерно в 1 Ом, поскольку было замечено, что увеличение сопротивления токопровода до 1 Ом уменьшает яркость искры. Теперь проведем расчет.

Мегаватт.

Возможно, реальное значение отличается от этого результата, тем не менее, порядок величины составляет миллион!

Давайте подойдем к этому вопросу с другой стороны. По определению, мощность – это работа в единицу времени. Для этого сначала рассчитаем энергию, которая затрачивается на работу тока в разрядном промежутке.

3. Какая энергия расходуется при искровом разряде? Это энергия электрического поля пьезоэлектрического элемента. Рассчитаем его по формуле:

микроджоулей.

Мы обсудим этот результат, а сейчас давайте продолжим расчет мощности. Продолжительность разряда неизвестна. Определите это время как удвоенную постоянную времени для RC-цепи при уменьшении напряжения на пьезоэлектрическом элементе на порядок

наносекунды.

Разделив работу тока на время его протекания, получим следующее значение мощности:

киловатт.

Несмотря на некоторую произвольность в оценке данных, результат получается того же порядка величины.

4. Каков КПД пьезоэлектрической зажигалки? Полезная работа была рассчитана в предыдущем разделе, но ее следует взять на порядок выше, т.е. 600 микроджоулей, поскольку зажигалка производит до 10 искр при перемещении рычага. Необходимая работа рассчитывается как произведение хода клавиши (2 см) и силы нажатия. Сила линейно изменяется от 0 до 5 кГ. Его можно легко измерить с помощью бытового аккумуляторного ножа. Для расчетов возьмите среднее значение – 2,5 кГ (25 Н). Умножение 25 Н на 0,02 м дает 0,5 Дж. Тогда эффективность составит 1,2*10 -3

5. Сколько тепла выделяет искра? В нашем случае задача искры – воспламенить газ. Не каждая искра способна воспламенить газ, хотя температура в канале разряда, судя по спектральному содержанию, не сильно меняется, будь то зажигалка или шаровая молния. Она составляет около 10000 о К. Для воспламенения необходима определенная критическая масса вещества, нагретого до температуры воспламенения, т.е. 2-3 тысячи градусов. Таким образом, массы пламени спички явно недостаточно, чтобы разжечь костер из больших поленьев. В пункте 3 мы узнали, что энергия искры составляет порядка 60 микроджоулей. Давайте посмотрим, на сколько повысится температура 1 см3 воды, если она получит 60 микроджоулей тепла. Теплоемкость воды составляет C=4,18 джоулей на градус. Тогда повышение температуры составит:

Четырнадцать миллионных долей градуса! На сколько процентов увеличится температура того же объема воздуха? Его теплоемкость составляет 1 Дж/грамм градус. Масса 1 см3 почти равна 10 -3 г, или одному миллиграмму. Приращение температуры 1 см3 воздуха составит:

Кубический миллиметр? – за 60 о . Легко вычислить объем искрового канала, поскольку известна его температура, 10000 o K? Очевидно, что его объем составляет 0,006 мм 3 . Площадь поперечного сечения выходного зазора при его длине 4 мм составляет 0,0015 мм 2 . Тогда диаметр канала (“толщина” искры) составит 44 микрона. Его нельзя измерить штангенциркулем. Плазма в разрядном промежутке, объем которого составляет шесть тысячных долей кубического миллиметра, надежно воспламеняет смесь газа и воздуха. Если разрядный промежуток уменьшается вдвое, легко определить, что объем плазмы уменьшается в четыре раза – до 15 десятитысячных долей кубического миллиметра. Такой объем плазмы не обеспечивает надежного воспламенения. Если выходной зазор уменьшается еще в два раза, воспламенение газовоздушной смеси становится невозможным.

Источник высокого напряжения

Рассмотрим другую задачу, когда для зажигания не требуется затрачивать пьезоэлектрическую энергию, но целью является получение максимально возможного напряжения. Какое напряжение можно получить на пьезоэлектродах рассмотренных пьезоэлектрических генераторов без разряда? Очевидно, не более 15 киловольт, поскольку расстояние между электродами составляет 15 миллиметров, а электрическая прочность воздуха – около 1 кВ/мм. Используя уравнения (1), получаем, что эта сила равна

.Подставляя емкость C, ( 40*10 -12 ), напряжение U и пьезомодуль мы получим силу в 2400 Ньютонов или 240 кГ. Рычажный механизм обеспечивает такое усилие при небольшом давлении на приводной рычаг. При этом величина генерируемого заряда будет:

микрокулон.

Пьезоэлектрический генератор, используемый в пьезоэлектрической зажигалке, позволил создать два устройства, которые являются источниками высокого напряжения и успешно используются в этом качестве. Они показаны на рисунке 4. Слева на фото – тестер свечей зажигания Test-1m. Справа – фотография прибора “Кристалл”, используемого для проверки индикаторов высокого напряжения. Это тип имитации высоковольтной линии. Для получения высокого напряжения Е.Л. Каган и В.В. Панченко предложил так называемый дипольный генератор, который включает в себя два пьезоэлектрических генератора. Они соединены последовательно, но на них действуют одни и те же силы. Следовательно, генератор обеспечивает вдвое большее напряжение. Принципиальная схема дипольного генератора показана на рисунке 5. Если полярность пьезоэлектрических элементов сохраняется, как в

Рисунок 4: Устройства – источники высокого напряжения:

“Тест-1м” (слева) и “Кристалл” (справа).

Рис.5. Диаграмма дипольного генератора

На рисунке ниже дипольный генератор генерирует электрические заряды, равные по величине, но противоположные по знаку, и создает разность потенциалов около 30 кВ. На основе предложенного технического решения была создана рабочая модель устройства, которая может быть успешно использована для демонстрации экспериментов по физике кафедры электростатики во всех учебных дисциплинах. Внешний вид устройства показан на рис.6. На рис.7 показана демонстрация одного из экспериментов по электростатике. На будущее

Рис.6. Эксплуатационная модель источника

Рис.7. Демонстрация электростатического эксперимента по электрическим зарядам Устройство уже имеет свое название – “Пьезостат”.

Опасен ли “Пьезостат”?

Ток силой 10 миллиампер и более опасен для жизни. Этот ток может возникнуть при напряжении 220 вольт и хорошем контакте с токоведущими частями. Одной минуты достаточно, чтобы нанести необратимый ущерб. Легко проверить, что разрушительная работа тока для тела составляет порядка 100 – 150 джоулей. Итак, давайте подсчитаем, какую разрушительную работу способен произвести “Пьезостат”. Эта работа равна энергии, вырабатываемой пьезоэлектрическим генератором. Входными величинами для расчета являются емкость пьезогенератора, 20пФ, и генерируемое напряжение, 30000В.

Эта работа в 10 000 раз меньше, чем опасность для жизни. Однако, если прикоснуться к электродам этого устройства, произойдет разряд в тысячи ампер. Однако длительность этого эффекта не превышает одной микросекунды. Почему действие такого импульса не вызывает никаких повреждений? Мы не будем приводить расчеты, но причина в следующем. Все знают, как движется транспорт в пробке. Аналогично, направленная скорость зарядов в искровом канале, которая составляла 10 м/с при входе, скажем, в палец, уменьшается пропорционально увеличению поперечного сечения проводника (пальца), т.е. в 10 6 раз. Скорость направленного движения ионов в теле тогда будет порядка 10 -5 м/с, и за одну микросекунду они пройдут расстояние в 0,1 ангстрем. Но атомы имеют размер порядка 1 ангстрема! Разрушающая клетки электролитическая диссоциация невозможна. Тепловые колебания происходят с большей амплитудой. Совокупность носителей заряда, ионов, в организме раскачивается в унисон, как толпа пассажиров в автобусе. Нам также не нужно говорить о тепловых эффектах. Мы видели, на сколько повышается температура одного грамма воды, из которой мы в основном состоим. Оказывается, наша нервная система реагирует на этот безобидный электрический импульс. Он сознательно активирует рефлекторный механизм, который велит нам отдернуть руки от воображаемой угрозы.

Пьезокерамика – это искусственный материал, плод достижений

современного материаловедения. Пьезоэлектрические генераторы из него

К сожалению, эти достижения не соответствуют устремлениям сегодняшних

сегодняшних мечтателей, грезящих об альтернативных источниках энергии

электричество. Если бы только пресловутые пружины лука были

сильнее, чем “сильная” пружина! Или если “сильный” был слабее пружины лука.

Если они поменялись местами, то это все наша механическая работа,

Сегодня установка пьезоэлектрических преобразователей в реактивных самолетах позволяет экономить до 30 процентов топлива за счет вибрации фюзеляжа и крыльев. Компания Phillips создала светофор, аккумулятор которого заряжается от шума. Нетрудно предсказать, что подобные явления будут становиться все более распространенными. В будущем сфера их применения значительно расширится.

Что такое пьезоэлектрические элементы и где они используются

Пьезоэлектрики – это диэлектрики с пьезоэлектрическим эффектом, то есть диэлектрики, которые могут индуцировать электрический заряд на своей поверхности при деформации (прямой пьезоэлектрический эффект) или деформироваться при воздействии внешнего электрического поля (обратный пьезоэлектрический эффект). Оба эффекта были открыты братьями Жаком и Пьером Кюри между 1880 и 1881 годами.

Пьезоэлектрики широко используются в современной технике в качестве элементов датчиков (например, давления). Существуют пьезоэлектрические детонаторы, мощные источники звука, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и другие. Кроме кристаллического кварца, для этих целей чаще всего используется поляризованная пьезокерамика из поликристаллических сегментов титаната цирконата свинца.

Проще всего понять этот процесс на примере пьезоэлектрического элемента в зажигалке, который представляет собой небольшой кристалл кварца с пьезоэлектрическими свойствами. Если к такому кристаллу приложить напряжение, кристаллическая решетка деформируется, и размер кристалла изменяется. Это прямой пьезоэлектрический эффект.

При сжатии или растяжении кристалла кварца к его поверхности прикладывается напряжение. Это так называемый обратный пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрические элементы, которые при деформации индуцируют электрический заряд, давно используются для преобразования механической энергии в электрическую. Например, на паркетных полах и парковках.

Однако мы уверяем вас, что потенциал этих материалов этим не ограничивается. Например, европейские исследователи представили свои достижения на Международной встрече по электронным устройствам. Они продемонстрировали прототип устройства размером с микромашину.

Для этого они использовали нитрид алюминия в качестве пьезоэлектрического элемента вместо традиционного цирконата-титаната свинца. Этот прототип работает как беспроводной датчик температуры, который поглощает энергию от всех видов вибраций и передает данные на базовую станцию каждые 15 секунд.

В настоящее время установка пьезоэлектрических преобразователей в реактивных самолетах позволяет экономить до 30 процентов топлива за счет вибрации фюзеляжа и крыльев самолета. Компания Philips создала светофор, аккумулятор которого заряжается от шума. Нетрудно предсказать, что подобные явления будут происходить все чаще и чаще. В будущем сфера их применения значительно расширится.

Эксперты уверенно заявляют, что в ближайшем будущем дефицита электроэнергии не будет вообще. В конце концов, если есть пьезоэлектрический элемент, энергию можно извлекать из движущихся автомобилей и идущих людей. Даже консервативные расчеты показывают, что десять километров двухполосной пьезоэлектрической дороги будут генерировать около пяти мегаватт в час! Чтобы понять, сколько это, вспомните, что именно столько производит первая атомная электростанция в Обнинске.

Монослои – они изменяют ширину, длину и толщину при воздействии электричества. При растяжении или сжатии они вырабатывают электроэнергию.

Ссылки

↑ Иоффе А.Ф. (1956). “Пьер Кюри”. UFN58 (4): 572-9.

Фонд Викимедиа . 2010 .

Полезный сайт

Смотреть что такое “пьезоэлектрический элемент” в других словарях

пьезоэлектрический элемент – пьезоэлектрический элемент … Орфографический словарь

Пьезоэлектрический элемент – Активный преобразовательный элемент, изготовленный из материала с пьезоэлектрическими свойствами. [Система неразрушающего контроля. Виды (методы) и техника неразрушающего контроля. Термины и определения (справочник). Москва 2003]……… Руководство технического переводчика

пьезоэлемент – pjezoelektrinis elementas statusas T sritis automika atitikmenys: angl. piezoelectric element vok. Пьезоэлемент, н рус. пьезоэлемент, м пранк. пьезоэлемент, м … Автоматический терминал žodynas

пьезоэлектрический элемент – piezoelektrinis elementas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. piezoelectric crystal element; piezoelectric element vok. piezoelektrisches Element, n rus. piezo element, m pranc. element piézo électrique, m … Fizikos terminų žodynas

пьезоэлектрический элемент – пьезоэлемент, … Русский орфографический словарь

пьезоэлектрический элемент – (2 м); m. piezoeleme/ent, R. piezoeleme/ent … Русский орфографический словарь

пьезоэлемент – piezoeleme/nt, a … сплавленный. Отдельно. Комбинированный.

Защищенный пьезоэлемент – Пьезоэлектрический элемент с защитными свойствами для предотвращения истирания или других повреждений. [Система неразрушающего контроля. Методы и методики неразрушающего контроля. Термины и определения (справочник). Москва 2003] Темы Типы (методы) и …. … Руководство технического переводчика

Металлизированный пьезоэлектрический элемент – Пьезоэлектрический элемент с металлическими электродами, нанесенными на его поверхность. [Система неразрушающего контроля. Виды (методы) и техника неразрушающего контроля. Термины и определения (справочник). Москва 2003] Темы Типы (методы) и … … Руководство технического переводчика

незащищенный (открытый) пьезоэлемент – Пьезоэлектрический элемент без защиты от истирания или других повреждений. [Система неразрушающего контроля. Методы и методики неразрушающего контроля. Термины и определения (справочник). Москва 2003] Темы Типы (методы) и … … Руководство технического переводчика

На пьезоэлектрическом наконечнике установлены стальные диски для равномерного распределения нагрузки.

Пьезоэлектрические генераторы. Проектирование и эксплуатация. Свойства и применение

По мере развития технологий человечество начинает потреблять все меньше и меньше энергии без необходимости. Солнечные панели, ветряные электростанции, солнечные концентраторы, пьезоэлектрические генераторы, суперконденсаторы и другие устройства появились для того, чтобы помочь людям собирать и хранить альтернативную энергию. Большинство из этих устройств уже используются в повседневной жизни.

Но наука не стоит на месте, скоро можно будет вырабатывать энергию с помощью повседневных и мелких движений. Это станет возможным благодаря пьезоэлектрическим генераторам. Этого достаточно для быстрой зарядки телефона или плеера. Можно также создать пьезоэлектрические генераторы, которые будут заряжать, например, наручные часы, используя стимуляцию, вызываемую биением сердца.

Устройство

В последние годы было разработано несколько прототипов пьезогенераторов для различных применений. Их можно разделить на два класса, различающихся по типу колебаний, – продольные и поперечные.

Пьезоэлектрический генератор, работающий по принципу продольных колебаний. В этом устройстве один пьезоэлектрический элемент устанавливается во вставку обуви и позволяет генерировать определенное количество энергии во время быстрого движения, например, бега. Это устройство было изобретено в Технологическом университете Луизианы и имеет форму специального пьезоэлектрического элемента в виде спиральной пластины.

В настоящее время трудно обеспечить надежность и долговечность такого устройства из-за хрупкости пьезокерамического материала. Однако идея может быть продуктивной, если использовать гибкие пьезополимерные пластины. Однако в настоящее время такие материалы находятся на стадии исследования.

Не менее перспективными являются пьезоэлектрические генераторы, работающие по принципу изгибных колебаний. Они также могут различаться по конфигурации и внешнему виду.

Для относительно высоких мощностей были разработаны прототипы макроимпульсных генераторов различных конструкций. Одной из самых передовых разработок в этом классе устройств является экспериментальная система хранения энергии на основе пьезогенераторов, которые встроены в пол у билетных терминалов на входе на станцию метро Marunouchi (Токио).

Известно, что взрывное устройство пьезогенератора содержит:

Инициирующее устройство:
Генератор ударных волн:
Пьезоэлектрический преобразователь, изготовленный из набора пьезоэлектрических пластин, соединенных параллельно:
Электроды, наложенные на противоположные поверхности пьезоэлектрических пластин, расположены перпендикулярно выходной поверхности генератора ударных волн:
Пьезоэлектрическая пластина в сборе помещена в цилиндрический объем, торцевая часть которого совпадает с поверхностью генератора ударных волн:
Генератор ударных волн выглядит как осесимметричная конструкция и состоит из слоя взрывчатого вещества, конической алюминиевой вставки и конического алюминиевого колпачка.

Принцип работы

Пьезоэлектрический эффект, используемый в пьезоэлектрических генераторах, состоит из специального диэлектрического материала, к которому прикладывается механическое напряжение. В результате диэлектрик создает разность потенциалов на двух разных концах. В результате, оказывая давление на такой пьезоэлектрический элемент, на выходе может генерироваться электрическое напряжение определенной величины.

Пьезоэлектрический эффект может также вызывать обратное преобразование, то есть обеспечивать преобразование электрической энергии в механическую, например, для создания излучателей звука. Исходя из типа применяемой связи между вектором пьезоэлектрической поляризации и направлением механических колебаний, пьезоэлектрические генераторы можно разделить на классы с поперечным и продольным направлением механического воздействия.

Если подробно рассмотреть физику процессов, происходящих в пьезоэлектриках, то дело выглядит довольно просто. Нам нужно лишь понять принципы получения энергии с помощью пьезоэлектрических материалов:

При механическом воздействии на пьезоэлектрический элемент атомы его материала, т.е. асимметричной кристаллической решетки, смещаются.
Это смещение создает электрическое поле, которое индуцирует заряды на электродах пьезоэлектрического элемента.

В отличие от стандартного конденсатора, катушки которого могут удерживать заряд в течение очень долгого времени, заряд, индуцированный в пьезоэлектрическом генераторе, сохраняется до прекращения механической нагрузки. Именно в этот период из клетки может быть извлечена энергия. Как только нагрузка снимается, индуцированные заряды исчезают.

Явление пьезоэлектричества было открыто братьями Пьером и Джексоном Кюри в 1880 году и с тех пор широко используется в измерительной технике и радиотехнике. Термин “пьезогенераторы” описывает только направление преобразования энергии, а не эффективность преобразования. Именно явление выработки электроэнергии посредством механического воздействия в последние годы привлекает интерес инженеров и изобретателей.

Стали появляться сообщения о возможности получения электричества за счет действия различных механических энергий:

Движение волн и ветра.
Влияние дорожного шума.
Нагрузки, возникающие в результате движения машин и людей.
Сердцебиение и так далее.

На основе всех этих вариантов были придуманы различные изобретения. Многие из них уже нашли применение, а некоторые находятся на стадии планирования, поскольку технологии еще не достигли необходимого уровня.

Применение и функции

В настоящее время известно несколько практических применений пьезоэлектрических генераторов:

Пьезоэлектрические зажигалки, назначение которых – вырабатывать высокое напряжение на специальном ограничителе, основанное на движении пальца. Сегодня каждый курильщик может носить свою собственную “электростанцию” в кармане.
В качестве элемента обнаружения в гидролокационных приемниках, микрофонах, электрофонных головках, гидрофонах.
Контактные пьезоэлектрические воспламенители, например, для снарядов гранатометов РПГ-7.
Датчики в виде чувствительного к силе элемента, например, датчики давления для газов и жидкостей, датчики измерения силы и т.д.

Обратный пьезоэлектрический эффект может быть использован в:

Пьезокерамические излучатели звука, напр. музыкальные открытки, маячки всех видов, которые используются в самых разных бытовых приборах – от стандартных наручных часов до кухонной техники.
В системах точного позиционирования, например, в позиционерах головок жестких дисков, в сканирующих туннельных микроскопах, в системах позиционирования игл.
Сонарные излучатели.
Ультразвуковые излучатели для ультразвуковой обработки воды (промышленные ультразвуковые ванны, ультразвуковые мойки).
Пьезоэлектрические двигатели.
Струйные принтеры для подачи чернил.
Адаптивная оптика для изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала.

Пьезоэлектрические генераторы используют как обратный, так и прямой эффект:

Датчики специальных поверхностных акустических волн.
Ультразвуковые линии задержки для специальных электронных устройств.
Устройства, основанные на действии специальных поверхностных акустических волн.
Пьезотрансформаторы для высокочастотного преобразования напряжения.
Кварцевые резонаторы, используемые в качестве стандартов частоты.

Большинство используемых пьезоэлектрических генераторов вырабатывают небольшой ток. Отдельные пьезоэлектрические элементы могут генерировать высокое напряжение, которое пробивает разрядный промежуток, затем ток поступает на выпрямитель и далее на запоминающее устройство, такое как ионистор.

Читайте далее: