в чем суть пьезоэлектрического эффекта
Применение пьезоэлектрического эффекта
Технология основанная на принципе, называемом пьезоэффектом, при котором определенные материалы обладают способностью накапливать электрический заряд от приложенных к ним давления и деформации может использоваться для производства электроэнергии.
Пьезоэлектричество относится к способности некоторых материалов генерировать электрический потенциал в ответ на приложенное давление. Встроенный пьезоэлектрический материал может обеспечить магию преобразования давления, оказываемого движущимися людьми или машинами, в электрический ток из-за давления, приложенного к пьезоэлектрическому материалу.
Исследование пьезоэлектрического материала
Пьезоэлектрический эффект был открыт братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 году, которые наблюдали, что некоторые материалы генерируют электрический ток, когда они деформируются. Материал, который преобразует механическую деформацию или силу в электрический ток или напряжение, известен как пьезоэлектрический эффект.
Повседневными примерами силы или напряжения являются человеческие движения, а вибрации-различные виды механических напряжений. При определенном расположении молекулы прижимаются друг к другу, близость одного атома к другому изменяется настолько, что происходит изменение конфигурации электронов валентности. Когда давление ослабляется, электроны возвращаются на свои прежние места. Если к пьезоэлектрическому материалу соединить провода, то электроны могут быть использованы для создания тока. Пьезоэлектрический материал чаще всего состоит из цирконата титаната свинца.
Пьезоэффект существует в двух свойствах:
Пьезоматериалы в напольной плитке
В этих типах применения используется специальные напольные плитки, которые могут ощущать вибрацию, под которыми помещаются пьезоэлектрические материалы. Когда любое движение ощущается этим пьезо, они генерируют электричество. Эти типы напольных покрытий устанавливаются в местах, где ожидаются большие движения толпы людей, таких как железнодорожный вокзал, автовокзалы, аэропорты, торговые центры, пешеходные дорожки и т. д.. Когда люди наступают на такую напольную плитку, то за счет пьезоэлектрического эффекта накапливается небольшой заряд и генерируется энергия. Сгенерированная энергия на одного человека мала, но если количество шагов на таких плитках разных людей большое, то энергия, производимая ею, увеличивается.
Когда человек ступает по таким плиткам, пьезоэлектрический кристалл под плитками ощущает некоторое механическое напряжение, и это заставляет электрический заряд накапливаться на поверхности кристалла, который может быть собран с помощью электродов. Генерируемая энергия может храниться конденсатором, и эта энергия может быть передана в соответствии с требованиями.
Япония уже начала экспериментировать с использованием эффекта пьезоэлектрика для выработки энергии. Они установили специальные напольные плитки на двух самых загруженных станциях столицы. Плитка была установлена перед билетными турникетами. Таким образом, каждый раз, когда пассажир ступает на определенное место, то он вызывают небольшую вибрацию, которая может быть сохранена в виде энергии.
Дорога для питания уличных фонарей
Строительство специальных типов дорог, которые вырабатывают электричество, просто проезжая по ним. С помощью трафика по существующим дорогам можно генерировать электрическую энергию с помощью пьезоэлектрического эффекта. План строительства специальных типов дорог, генерирующих электроэнергию, является уникальным приложением в методологии сбора электроэнергии. Эта система работает путем встраивания небольших пьезоэлектрических кристаллов в дорогу. Хотя небольшой заряд генерируется одним автомобилем, но 1-километровый участок такой дороги может генерировать около 400 Вт – достаточно для питания уличных фонарей. Если бы такая система была установлена на одном очень длинном участке автострады, она бы вырабатывала достаточно энергии для автозаправки.
На шоссейных дорогах трафик постоянен в течении 24 часов в сутки. Общую силу, оказываемую движением автомобилей по дорожному покрытию можно рассчитать, рассматривая среднее количество транспортных средств, проходящих через определенную точку, за период времени. В ходе обследования в стране Израиль установлено, что транспортное средство весом около 5 тонн может генерировать 2000 Вт, а 1-километровый кластер таких генераторов может генерировать энергию 400 кВт * ч. Если по этой дороге в течение часа проезжает 600 автомобилей, то она может питать до 600-800 домов.
Танцполы
Пьезоэлектрический эффект также можно использовать на танцплощадках, как и на дорогах и железнодорожных станциях. Когда пол сжимается ногами танцоров, пьезоэлектрический материал вступает в контакт и генерирует электричество около 2-20 Вт. Выработка электричества зависит от силы ног. Постоянное сжатие пьезокристаллов вызывает выработку небольшого количества энергии, которая может запитать размещенные маломощные устройства.
Пьезоэлектрогенерация внутри каблука обуви
Точно так же, как плитка, дороги, танцполы, предпринимаются попытки производить энергию из наших ежедневных движений, устанавливая пьезоэлектрические кристаллы в обувь. У этих ботинок пьезоэлектрические кристаллы размещаются с задней стороны обуви около пятки. Таким образом, с каждым шагом пьезоэлектрический кристалл будет проходить через давление, которая, в свою очередь, может генерировать достаточно энергии для питания сотовых телефонов.
Если эти ботинки будут проходить через движения ежедневно, то они смогут генерировать достаточно электричества, чтобы зарядить небольшие электронные устройства или гаджеты.
Выработка энергии с пешеходных дорожек
Пешеходная дорожка — это самое распространенное место, где мы вставляем пьезоэлектрические плитки, чтобы произвести небольшое количество энергии, используя человеческий шаг по ней. Произведенный заряд хранится в батарее, а затем этот накопленный заряд можно использовать для зарядки маломощных электронных устройств.
Железнодорожные пути
Железнодорожные пути являются важным местом, которое отвечает за выработку большой энергии, так как огромное количество давления оказывают поезда на железнодорожные пути. Встроенные пьезоэлектрические кристаллы на железнодорожных путях, где колеса соприкасаются с рельсами получают избыточное давление за счет массы составов, из-за этого накапливается большее количество энергии.
Энергогенерирующая взлетно-посадочная полоса аэропорта
В большом количестве давление оказывается на взлетно-посадочные полосы, когда самолет взлетает или садится. Если мы поместим здесь пьезоэлектрические устройства, то сможем преобразовать эту механическую энергию. Эффективность системы может быть повышена путем размещения штабелированной структуры, которая состоит из нескольких слоев пьезоэлектрических кластеров и обладает способностью выдерживать огромное количество давления. Максимальная взлетная масса для самолета Аirbus (A380) это 560 тонн, которые могут вырабатывать 224 КВт, так что если учесть общее количество посадок на взлетно-посадочную полосу, то можно было бы произвести большое количество энергии. Можно было бы произвести почти 8138 кВт * ч энергии, которая может питать до 12207-16276 домов.
Школы, колледжи, торговые центры и спортивные залы
Наличие пола из пьезоэлектрического материала заставит производить больше энергии в торговых центрах и школах. Мы можем встроить пьезоэлектрик в торговые центры и школы. Идея использования вибраций, вызванных машинами в тренажерном зале и на рабочих местах, а также сидя на стуле, эта энергия может быть сохранена в батареях, поместив пьезоэлектрические кристаллы в кресло.
Заключение
Это утверждение Альберта Эйнштейна верно: “Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, она может быть передана из одной формы в другую.” Этот метод получения электроэнергии с использованием пьезоэлектрического материала уже запущен во многих странах, а именно в Японии, Израиле, Нидерландах.
Использование пьезоэлектрического материала является экологически чистым и не вызывает загрязнения окружающей среды. Это недорогой способ получения электроэнергии прост в установке.
В будущем этот метод станет перспективным для получения экологически чистой электроэнергии.
Что такое пьезоэлектрический эффект
В 19 веке в 1880 году братья Кюри проводили эксперимент, во время которого происходило образование электрического разряда, когда на кварц или другие виды кристаллов оказывалось давление. В дальнейшем это явление стало известно, как пьезоэлектрический эффект. Греческое слово «пьезо» в переводе на русский язык означает сжатие. Некоторое время спустя, те же ученые открыли явление обратного пьезоэлектрического эффекта, представляющего собой механическую деформацию кристалла под действием электрического поля. Данное явление используется в электронных устройствах, где необходимо распознавание и преобразование звуковых сигналов.
Физические свойства пьезоэффекта
В ходе исследований было установлено, что пьезоэлектрический эффект присущ кварцу, турмалину и другим кристаллам естественного и искусственного происхождения. Перечень таких материалов постоянно растет. Если любой из этих кристаллов сжать или растянуть в определенном направлении, на отдельных гранях появятся электрические заряды с положительным и отрицательным значением. Разность потенциалов таких зарядов будет незначительной.
Для того чтобы понять природу пьезоэффекта, необходимо соединить электроды между собой и разместить их на гранях кристалла. При кратковременном сжатии или растяжении в цепи, образованной электродами, можно заметить образование короткого электрического импульса. Именно он является электрическим и физическим проявлением пьезоэффекта. Если же кристалл испытывает постоянное давление, в этом случае импульс не появится. Данное свойство кристаллических материалов широко используется при изготовлении точных чувствительных приборов.
Одним из качеств пьезоэлектрических кристаллов является их высокая упругость. По окончании действия деформирующего усилия, эти материалы без всякой инерции принимают свою изначальную форму и объем. Если же прикладывается новое усилие или изменяется приложенное ранее, в этом случае мгновенно образуется еще один токовый импульс. Данное свойство, известное как прямой и обратный пьезоэффект, успешно используется в устройствах, регистрирующих совсем слабые механические колебания.
В самом начале открытия пьезоэффекта решение такой задачи было невозможно из-за слишком незначительной силы тока в колеблющейся кристаллической цепи. В современных условиях ток может быть усилен многократно, а некоторые виды кристаллов имеют довольно высокий пьезоэффект. Ток, полученный от них, не требует дополнительного усиления и свободно передается по проводам на значительные расстояния.
Прямой и обратный пьезоэффект
Все кристаллы, рассмотренные выше, обладают качествами прямого и обратного пьезоэффекта. Данное свойство одновременно присутствует во всех подобных материалах – с моно- и поликристаллической структурой. Обязательным условием является их предварительная поляризация в процессе кристаллизации воздействием сильного электрического поля.
Для того чтобы понять, как действует прямой пьезоэффект, необходимо кристалл или керамический материал расположить между металлическими пластинами. Генерация электрического заряда происходит в результате приложенного механического усилия – сжатия или растяжения.
Величина полной энергии, полученной от внешней механической силы, составит сумму энергий упругой деформации и заряда емкости элемента. Поскольку пьезоэлектрический эффект носит обратимый характер, возникает специфическая реакция. Прямой пьезоэффект приводит к возникновению электрического напряжения, которое в свою очередь, под влиянием обратного эффекта вызывает деформацию и механические напряжения, оказывающие противодействие внешним силам. За счет этого жесткость элемента будет увеличиваться. В случае отсутствия электрического напряжения, обратный пьезоэффект тоже будет отсутствовать, а жесткость пьезоэлемента уменьшится.
Таким образом, обратный пьезоэлектрический эффект заключается в механической деформации материала – расширении или сжатии под действием приложенного к нему напряжения. Данные элементы выполняют функцию своеобразного мини-аккумулятора и применяются в гидролокаторах, микрофонах, датчиках давления, других чувствительных приборах и устройствах. Свойства обратного эффекта широко используются в миниатюрных акустических устройствах мобильных телефонов, в гидроакустических и медицинских ультразвуковых датчиках.
Виды пьезоэлектрических материалов
Основным свойством таких материалов является возможность получения электроэнергии за счет сжатия или растяжения, то есть, деформации.
Все материалы, используемые на практике, классифицируются следующим образом:
Если сравнивать ЦТС и кварц, становится заметно, что при одной и той же деформации, искусственный элемент вырабатывает более высокое напряжение. Когда на него влияет обратный пьезоэлектрический эффект он соответственно сильнее деформируется, когда к нему приложено такое же напряжение, как и к кварцу. Благодаря своим качествам, искусственные материалы получили широкое распространение в конструкциях керамических конденсаторов, ультразвуковых преобразователей и прочих электронных устройств.
Использование пьезоэффекта на практике
Пьезоэлектрические свойства кристаллов и материалов искусственного происхождения успешно применяются в различных областях. В качестве примеров можно привести ультразвуковую дефектоскопию, позволяющую выявлять дефекты внутри металлических конструкций, электромеханические преобразователи, стабилизирующие радиочастоты, различные датчики и другие приборы.
В электротехнике широко используется обратный пьезоэлектрический эффект, связанный с деформацией кристалла под действием приложенного напряжения. В случае наложения на кристалл электрических колебаний с частотой звука, в нем возникнут колебания такой же частоты с выделением в окружающее пространство звуковых волн. Таким образом, один и тот же кристалл может быть использован не только как микрофон, но и как динамик.
Все пьезоэлектрики имеют собственную частоту механических колебаний. Они проявляются с наибольшей силой, когда совпадают с частотой подведенного напряжения. Подобное наложение колебаний известно, как электромеханический резонанс. Данное свойство позволило создать различные виды пьезоэлектрических стабилизаторов, поддерживающих постоянную частоту в генераторах незатухающих колебаний.
Точно такая же реакция наблюдается при действии механических колебаний с частотой, совпадающей с собственными колебаниями кристалла. Подобный эффект и его применение позволил создать акустические приборы, способные выделять из всей массы звуков лишь необходимые для конкретных целей.
При изготовлении приборов и устройств цельные кристаллы не используются. Они распиливаются на пластинки, имеющие строгую ориентацию с их кристаллографическими осями. Пластинки изготавливаются определенной толщины, в зависимости от того, какую резонансную частоту колебаний нужно получить. Они соединяются с металлическими слоями, и в результате происходит рождение готового пьезоэлемента.
Принцип работы пьезоэлемента
Что такое пьезоэлектрический эффект?
Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что при давлении на кварц или отдельные кристаллы образуется электрический заряд. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта.
Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после приложения к материалу или кристаллу электрического поля, которое привело к механической деформации объекта.
Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова «пьезо», что обозначает сжатие. Стоит отметить, что от греческого слова «янтарь» происходит слово «электричество». Янтарь тоже может быть источником электрической энергии.
Многие современные электронные устройства используют пьезоэлектрический эффект для своей работы. Например, при использовании некоторых устройств распознавания звука микрофоны, которые они используют, работают на основе упомянутого выше эффекта. Пьезоэлектрический кристалл превращает энергию вашего голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства.
Создание некоторых продвинутых технологий тоже стало возможно благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Например, мощные гидролокаторы используют маленькие чувствительные микрофоны и керамический звуковой датчик, созданные на основе пьезоэлектрического эффекта.
Прямой пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрический материал (керамический или кристаллический) помещают между двумя металлическими пластинами. Для генерации электрического заряда необходимо приложить механическое усилие (сжать или разжать). При приложении механического усилия на металлических пластинах начинает скапливаться электрический заряд:
Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрный аккумулятор. Микрофоны, датчики давления, гидролокаторы и другие чувствительные устройства используют этот эффект для своей работы.
Обратный пьезоэлектрический эффект
Он заключается в том, что при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет механическая деформация тела, под которой оно будет расширяться или сжиматься:
Обратный пьезоэлектрический эффект значительно помогает при разработке акустических устройств.
Примером могут послужить звуковые колонки, сирены, звонки.
Преимущества таких динамиков в том, что они очень тонкие, а это делает их практически незаменимыми при использовании в мелких устройствах, например, в мобильных телефонах.
Также этот эффект часто используют медицинские ультразвуковые и гидроакустические датчики.
Пьезоэлектрические материалы
Данные материалы должны производить электрическую энергию из-за механических воздействий, таких как сжатие. Также эти материалы должны деформироваться при приложении к ним напряжения.
Данные материалы условно разделяют на две группы – кристаллы и керамические изделия. ЦТС (цирконат-титанат свинца), титанат бария, ниобат лития – примеры искусственных пьезоэлектрических материалов, обладающих более ярко выраженным эффектом, чем кварц и другие природные материалы.
Пьезоэлектрические устройства
Гидролокатор
Гидролокатор был изобретен в 1900-х годах Льюисом Никсоном. Первоначально он использовался для обнаружения айсбергов.
Однако интерес к нему очень сильно возрос в период Первой мировой войны, где он использовался для обнаружения подводных лодок.
В наше время гидролокатор является распространенным прибором с большим количеством различного рода применений.
На рисунке ниже показан принцип работы гидролокатора:
Принцип работы довольно прост – передатчик, который использует обратный пьезоэлектрический эффект, посылает звуковые волны в определенном направлении. При попадании волны на объект она отражается и возвращается обратно, где ее обнаруживает приемник.
Приемник, в отличии от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Он преобразует возвращаемую отраженную звуковую волну в электрический сигнал и передает его в электронную систему, которая и будет производит дальнейшую обработку сигнала. Расстояние от источника сигнала до определяемого объекта вычисляется на основании временных характеристик сигналов передатчик – приемник.
Пьезоэлектрические исполнительные устройства
Ниже показана работа силового привода на основе пьезоэлектрического эффекта:
Работа привода довольно проста – под воздействием приложенного к материалу напряжения происходит его расширение или сужение, которое и приводит привод в движение.
Например, некоторые вязальные машины используют этот эффект для своей работы благодаря его простоте и минимальному количеству вращающихся частей. Такие приводы применяются даже в некоторых видеокамерах и мобильных телефонах в качестве приводов фокусировки.
Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры
Такие устройства используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания и воспроизведения звука. При подаче напряжения к динамикам и зуммерам он начинает вибрировать и таким образом генерирует звуковые волны.
Пьезоэлектрические динамики обычно используют в будильниках или других несложных акустических системах для создания простой аудиосистемы. Эти ограничение вызваны частотой среза данных систем.
Пьезо драйверы
Пьезо драйверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое для питания силовых пьезоэлектрических устройств. Пьезо драйверы помогают инженерам создавать большие значения синусоидального напряжения.
Ниже представлена блок схема, показывающая принцип работы пьезо драйвера:
Пьезо драйвер будет получать низкое напряжение от батареи и повышать его с помощью усилителя.
Осциллятор будет подавать на вход драйвера синусоидальное напряжение малой амплитуды, которое в последующем будет повышено пьезо драйвером и отправлено на пьезо устройство.
Описание устройства и цепей измерения
Пьезоэлектрический преобразователь давления имеет следующую структуру:
Мощность на выходе – минимальна, в связи с этим предусматривают усилитель с большим сопротивлением. По сути, напряжение зависит от емкости цепи входа. Характеристики преобразователя указывают на чувствительность и емкость. В основном это заряд и собственные показатели устройства. Если рассчитать суммарно, то получится следующая выходная мощность: Sq = q/F или Uxx = d11·F/Co.
Чтобы расширить диапазон частоты, необходимо измеряемые низкие переменные увеличить в сторону постоянной цепи времени. Подобное действие легко осуществить с помощью включения конденсаторов, которые расположены параллельно с устройством. Правда при этом напряжение выхода снизится. Сопротивление, которое было увеличено, расширит диапазон без утрат чувствительности. Но для его повышения необходимы улучшенные изоляционные качества и усилители с высокоомным входом.
Описание цепей измерения
Удельное и поверхностное сопротивления определяют собственное, причем основная составляющая для кварца выше, поэтому пьезоэлектрический преобразователь необходимо герметизировать. В результате повышаются качества, и поверхность защищается от влаги и грязи. Цепи измерения датчиков создавались как высокоомные усилители, в основе которых использовались выходной каскад на полевом транзисторе и неинвертирующий усилитель с операционным устройством. Напряжение поступает на вход и выход.
Однако в этом устаревшем пьезоэлектрическом преобразователе были недостатки:
Напряжение усилителя и чувствительность определяются допустимой погрешностью, если дополнить включенный стабильный объем С1.
Формула: ys = (ΔCo + ΔCk)/(Co+Ck +C1).
После преобразования получаем: S=Ubx/F.
Если коэффициент увеличивается, соответственно, и эти переменные возрастают.
Для измерительной цепи характерно:
Анализируя последнюю переменную, можно предположить, что постоянная линия времени следующая: t ≤ 1c. Сегодня устройства могут использовать с усилителями напряжения пьезоэлектрические датчики для заряда.
Преимущественные характеристики устройств
Однако развитие высокоточной техники улучшило способность реализовать точность без потерь.
В результате можно прийти к выводу, что для измерителей сил, давления и прочих элементов наиболее подходящими являются пьезоэлектрические преобразователи.
ПЭП ускорения имеет следующую конструкцию:
Конструкционные особенности преобразователей
Если необходимо изготовить датчик акселерометра, то важно правильно прикрепить пьезочувствительные пластины к основанию. Это действие осуществляется паянием.
Кабель должен соответствовать следующим требованиям:
То есть на вход усилителя не должна производиться тряска кабеля. Измерительная цепь создается симметрично, чтобы не возникало помех. В датчике связь несимметричная, сопротивление выводов и корпуса соединено таким образом, что получается изоляция внешних пластин. Чтобы добиться нужного результата, требуется измеритель выполнить из нечетного количества материалов, которые используются в процессе. Элементы прижимаются к усилителю сквозь отверстия в центральной части и через изоляторы, которые привинчены к корпусу.
Особенности приборов, измеряющих вибрации
Чтобы увеличить чувствительность измерительного прибора, необходимо применить пьезоэлементы с высоким модулем. Этот материал укладывают параллельно в ряд и соединяют металлическими прокладками и пластинами. Для подобного эффекта еще могут применяться вещества, которые работают на изгиб. Однако они имеют низкую частоту и уступают механике сжатия.
Материал может быть биморфным, его обычно собирают последовательно или параллельно, все зависит от положительно расположенных осей. Как правило, это две пластины. Если учитывать нейтральный слой, то над ним вместо пьезоэлемента может использоваться накладка из металла со средней толщиной.
Чтобы измерить сигналы, которые двигаются достаточно медленно, необходимо сделать следующее:
Сегодня пьезоакселерометры – усовершенствованные приборы, которые могут быть высокочастотными, с сильной чувствительностью.
Альтернативный источник энергии посредством преобразователей
Одним из знаменитых и неисчерпаемых средств получения электричества является энергия волн. Такие станции монтируют непосредственно в водную среду. Это явление связано с солнечными лучами, которые нагревают массу воздуха, благодаря чему возникают волны. Вал данного явления имеет энергоемкость, которая определяется по силе ветра, ширине воздушных фронтов, продолжительности порывов.
Значение может колебаться на мелководье или достигать 100 кВт на один метр. Пьезоэлектрический преобразователь энергии волн работает по определенному принципу. Уровень воды поднимается посредством волны, в процессе воздух выдавливается из сосуда. Затем потоки пропускаются реверсирующейся турбиной. Агрегат вращается по определенному направлению, вне зависимости от движения волн.
Этот аппарат имеет положительную характеристику.
До сегодняшнего дня совершенствование конструкции не прогнозируется, потому что эффективность и принцип работы доказаны всеми существующими путями.
В процессе технического прогресса, возможно, будут построены плавучие станции.
Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь
Этот прибор устроен таким образом, что не требует дополнительных настроек. Он снабжен блоком памяти, который выдает технический результат. Относится к контрольно-измерительным аппаратам. Подобные устройства отличаются по типу, техническим характеристикам, которые составляются на основе данных о конструкции и предназначении с минимальными погрешностями. Все требования учитываются на основе конструкции.
Для всех подобных аппаратов предусмотрена стандартная схема создания: дефектоскоп, корпус, электроды, главный элемент, который скрепляют с основанием, жила, фольга и другие материалы. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь является полезной моделью. Он позволяет получать данные непосредственно с помощью звука, установленного на основании устройства.