Пьезоэлектрические преобразователи как источник альтернативной энергии

Получение электрического тока

Электрический ток не может возникнуть сам по себе. Что же нужно создать в проводнике, чтобы в нём возник и существовал ток?

При появлении электрического поля, возникнут и электрические силы. Они приведут в движение заряженные частицы. Именно так и возникает электрический ток.

Хорошо, вот создали мы электрическое поле, появился ток. Логично предположить, что если электрическое поле исчезнет, то исчезнет и ток.

Значит, для более длительного существования тока нам необходимо поддерживать постоянное существование электрического поля.

{"questions":,"explanations":,"answer":}}}]}

Описание и свойства [ править | править код ]

Пьезоэлектрики — кристаллы (пьезокристаллы), которые обладают (наделены) свойством при сжатии продуцировать электрический заряд (прямой пьезоэффект) или обратным свойством под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект).

Пьезоэлектричество открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг.

Исполнительные устройства — конвертируют электрическую энергию в механическую.

Сенсоры (датчики, генераторы), наоборот, конвертируют механическую энергию в электрическую.

Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы.

Однослойные — под воздействием электричества изменяются в ширину, длину и толщину. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество.

Двухслойные — могут быть использованы как однослойные, могут сгибаться или удлиняться. «Сгибатели» создают наибольшую величину перемещения относительно других видов, а «расширители», будучи более упругими, развивают гораздо большее усилие при гораздо меньшем перемещении.

Многослойные — развивают наибольшую силу при минимальном перемещении (изменении формы).

Преимущества и недостатки солнечной энергии

Преимущества

Бесплатно. Одно из главных преимуществ энергии солнца – это отсутствие платы за неё. Солнечные панели делаются с использованием кремния, запасов которого достаточно много;
Нет побочного действия. Процесс преобразования энергии происходит без шума, вредных выбросов и отходов, воздействия на окружающую среду. Этого нельзя сказать о тепловой, гидро и атомной энергетике. Все традиционные источники в той или иной мере наносят вред ОС;
Безопасность и надёжность. Оборудование долговечное (служит до 30 лет). После 20─25 лет использования фотоэлементы выдают до 80 процентов от своего номинала;
Рециркуляция. Солнечные панели полностью перерабатываются и могут быть снова использованы в производстве;
Простота обслуживания. Оборудование довольно просто разворачивается и работает в автономном режиме;
Хорошо адаптированы для использования в частных домах;
Эстетика. Можно установить на крыше или фасаде здания не в ущерб внешнему виду;
Хорошо интегрируются в качестве вспомогательных систем энергоснабжения.

Недостатки

Эффективность зависит от времени суток и погоды. Нерентабельно использовать в высоких широтах;
Требуется аккумулировать преобразованную энергию;
Первоначальные вложения высокие. Особенно это ощутимо для обычных людей при покупке оборудования для частного дома;
Периодически нужно делать очистку панелей от загрязнения;
Для размещения требуется большая площадь;
Некоторые фотоэлементы имеют в своём составе Pb, Cd, мышьяк, что усложняет и переработку.

Ломать, не делать

«>Разряд тока, произведенный пьезоэлементом зажигалки, может сломать смартфон. Достаточно будет 8-12 раз «прощелкать» металлические разъемы гаджета, вход для наушников, оголенные части платы. При таком воздействии телефон откажется работать. При этом никаких видимых повреждений или оплавленных элементов не будет. Теперь вы можете с радостью нести сломанный гаджет в салон и требовать возврата денег. В сервисном центре ничего не должны понять.

Но пьезоэлементом газовой зажигалки нельзя вывести из строя обыкновенные «звонилки», сработанные в КНР. Не знаю почему, но даже после 50 ударов слабым током кнопочный телефон продолжил исправно функционировать.

Применение пьезокерамики

Пьезоэлектрические материалы нашли применение в широком ряде областей, таких как медицинские инструменты, контроль промышленных процессов, системах производства полупроводников, бытовых электрических приборах, системах контроля связи, различных измерительных приборах и в других областях. Коммерческие системы, которые используют пьезоэлектрические материалы – помпы, швейные машины, датчики (давления, обледенения, угловых скоростей и т.д.), оптические инструменты, лазерные принтеры, моторы для автофокусировки камер и многие другие. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента

обычно сводится к четырем категориям: сенсоры, генераторы, силовые приводы, и преобразователи.

В генераторах

, пьезоэлектрические материалы могут генерировать напряжение, которого достаточно для возникновения искры между электродами, и таким образом могут быть использованы как электроды для воспламенения топлива, для газовых плит и для сварочного оборудования. Альтернативно, электрическая энергия, генерируемая пьезоэлектрическими элементами, может накапливаться. Такие генераторы являются превосходными твердыми аккумуляторными батареями для электронных схем.

Вам нужны устройства сбора и обработки данных с ультразвуковых датчиков? Обращайтесь к нам, мы поможем Вам выбрать!

В сенсорах

, пьезоэлектрические материалы преобразуют физические параметры, такие как ускорение, давление и вибрации в электрический сигнал.

В силовых приводах

, пьезоэлектрические материалы преобразуют электрический сигнал в точно контролируемое физическое смещение, четко устанавливая точность механических инструментов, линз и зеркал.

В преобразователях

, пьезоэлектрические преобразователи могут, как генерировать ультразвуковой сигнал из электрической энергии, так и конвертировать приходящие механические колебания в электрические. Пьезоэлектрические приборы проектируются для измерения расстояний, скорости потока, и уровня жидкости. Преобразователи так же используются, чтобы генерировать ультразвуковые вибрации для очистки, сверления, сварки, размельчения керамики и для медицинской диагностики .

Магнитная энергия

Магниты используются для захвата магнитных материалов, таких как гайки и болты.

Способность объекта выполнять работу из-за его положения в магнитном поле является потенциальной энергией магнитного поля. Магниты имеют магнитное поле и две области, называемые магнитными полюсами. Равные полюса отбрасываются, а разные полюса притягиваются. Наиболее используемые магнитные материалы — это железо и его сплавы.

Например, железный винт, который приближается к магниту, но не касается его, обладает потенциальной магнитной энергией. Объекты движутся в направлении, которое уменьшает их потенциальную магнитную энергию.

Микрофоны, например, хорошо работают благодаря магнитной энергии. Операция заключается в следующем: микрофон имеет мембрану, которая вибрирует со звуком. Эта вибрация передается на кабель, обмотанный вокруг магнита, который посылает электрический сигнал на усилитель, делая звук громче. В этом случае мы имеем преобразование звуковой энергии в магнитную энергию, затем электрическую энергию и затем звуковую энергию.

Железные дороги с электромагнитной подвеской — еще один пример того, как мы можем использовать магнитную энергию для выполнения работы. Железная дорога движется через магнитное поле, которое движется вдоль ферромагнитного пути.

Механизм действия пьезоэлемента

Основа здесь — это блок пьезоэлемента, который отправляет от кнопки силу давления на сам пьезоэлемент. Основная составляющая пьезоэлемента — пьезокристалл. Это пластинка, вырезанная из кварцевого кристалла. Ее функция — механическую деформацию превращать в электрическое напряжение. Пластинка очень твердая, способна выдержать значительные изгибы и сжатия и выдавать высокое напряжение.При плавном нажатии на кристалл, выдаваемое напряжение будет невелико, но оно будет длительным. При нажатии на кристалл с той же силой, но быстро и мгновенно — выдаваемое напряжение сильнее, но оно будет моментальным.Поэтому для создания искры в пьезозажигалке используется это свойство кристалла. Для изменения силы удара с плавного на резкий в зажигалке имеется механизм: упругая пружина, которая находится под кнопкой пьезозажигалки. Нажимая на кнопку — сжимается и пружина. После нажатия на кнопку до конца — пружина отодвигает рычажок, на который она опирается. После этого пружина резко распрямляется. На другом конце пружины расположен металлический молоточек, который при раскрытии пружины с огромной скоростью ударяет в кристалл. На обратной стороне кристалла имеется металлическая подкладка, которая не дает кристаллу сдвинуться от движения молоточка.В результате получается мгновенный и сильный удар по кристаллу, который вызывает искру.Пьезоэлемент из зажигалки: что можно сделать? Умельцы научились применять его в ремонте (точнее, в «убийстве») смартфонов или мобильных телефонов. Сразу же появляется логичный вопрос: а зачем индивиду со здоровой нервной системой ломать свой смартфон? Ситуация может быть разной. Кто-то желает сдать телефон по гарантии, так как он ему уже разонравился. Кто-то просто решил приколоться над дружком.

Принцип работы

Действие пьезоэлемента наиболее четко просматривается на примере зажигалки нажимного действия. При нажатии на клавишу, зажигалка выдает целую серию искр, что свидетельствует о наиболее удачном использовании пьезогенератора в данной конструкции. Чтобы представить себе принцип работы, рекомендуется рассмотреть схему упрощенной модели этого устройства. Она выполнена в виде опоры с рычагом, создающим большое усилие, воздействующее на пьезоэлемент.

Сами элементы представляют собой сплошные цилиндрические конструкции, на торцах которых расположены электроды. Они соприкасаются друг с другом, поэтому на них воздействует одинаковая сила. Ориентация каждого пьезоэлемента между собой выполнена таким образом, чтобы электроды соприкасающихся поверхностей имели один заряд, например, положительный, а противоположные концы — заряд с другим знаком. Порядок подключения необходимо обязательно соблюдать, особенно при изготовлении подобного устройства своими руками.

Под действием рычага электроды замыкаются, и возникает электрическое параллельное соединение каждого пьезоэлемента между собой. От точки соприкосновения выводится токовод с закругленным наконечником, расположенным от металлической основы на определенном расстоянии. Во время нажатия на рычаг воздушный промежуток между основой и наконечником пробивается электрической искрой. Теперь уже понятно, как работает такая зажигалка. При дальнейшем нажатии усилие возрастает, что приводит к появлению второй и последующей искр. Это будет происходить до тех пор, пока пьезоэлементы не разрушатся полностью.

Описание и свойства

Пьезоэлектричество открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг.

Исполнительные устройства — конвертируют электрическую энергию в механическую.

Сенсоры (датчики, генераторы), наоборот, конвертируют механическую энергию в электрическую.

Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы.

Многослойные — развивают наибольшую силу при минимальном перемещении (изменении формы).

Электрический ток

Само слово «ток» подразумевает под собой движение.

В некоторых телах (проводниках) есть свободные электроны, которые могут переносить электрический заряд. Этот заряд будет отрицательный, ведь электроны именно таким и обладают.

А есть ли еще какие-то частицы в телах, способные переносить заряд? Оказывается, что есть.

Если обычные атомы электрически нейтральны, то ионы обладают некоторым зарядом. Он может быть как отрицательным, так и положительным. Эти частицы крупнее электронов, но тоже могут переносить электрический заряд.

Значит, электроны или ионы могут как-то перемещаться в проводниках. Отсюда и следует определение электрического тока (рисунок 1).

Рисунок 1. Движение заряженных частиц в проводниках

Обратите внимание, что это движение направленное, а не беспорядочное. Когда мы говорим, что по телу идет ток, мы подразумеваем определенное его направление

О том, какое же это направление мы поговорим в отдельном уроке.

{"questions":,"explanations":,"answer":}}}]}

Как работает электричество, электризация

Положительный и отрицательный ионы

Как уже было отмечено, по умолчанию, атом электрически нейтрален: положительный и отрицательный заряды равны. Они компенсируют другу друга. Но, если, вдруг, представить себе, что хотя-бы один электрон покинет сове место в атоме, то суммарный положительный электрический заряд протонов превысит отрицательный заряд всех оставшихся электронов. Поэтому такой атом в целом имеет свойства положительного заряда и называется положительный ион.

Электризация

Атом, получивший дополнительный электрон, будет иметь в преобладающей степени отрицательный заряд. В этом случае атом называется отрицательный ион.

Следует заметить, что не только атом будет иметь положительный или отрицательный заряд, но и молекула, а соответственно и вещество, которое содержит данный атом.

Электризация

Электризацией называют процесс получения дополнительного электрона, либо наоборот его потерю. Если какое-либо тело имеет избыток или нехватку электронов, то есть явно выраженный заряд какого либо знака, то говорят, что тело наэлектризовано.

Опытным путем установлено, что заряды одного знака отталкиваются, а разных знаков притягиваются. Подобный опыт можно повторить следующим очень известным образом: подвесить на нити два металлических шарика, которые изначально имеют нейтральный заряд. Далее придать одному шарику положительный заряд, а второму отрицательный. В результате шарики притянутся друг к другу. Если двум шарикам сообщить заряд одного знака, то они будут отталкиваться.

Электризация трением

А вот, при натирании стеклянной палочки шелком, все происходит наоборот. Электроны поверхностного слоя стекла покидают палочку. В этом случае стеклянная палочка приобретает положительный заряд за счет перевеса суммарного заряда протонов.

Электризация металла

Если мы возьмем хорошо проводящий материал, например кусок металла, то при натирании его о диэлектрик, образовавшийся на поверхности металла заряд, мгновенно уйдет в землю через наше тело и другие предметы. Поскольку в отличии от рассматриваемых диэлектриков наше тело обладает относительно хорошей проводимостью и по нему сравнительно легко перемещаются заряды.

Опыт электризации трением не получится оценить и в том случае, когда мы возьмём два металлических предмета даже с хорошо изолированными рукоятками. При взаимном трении металл об металл, как и в предыдущих опытах возникнут свободные электроны. Однако вследствие наличия неизбежной шероховатости поверхностей, не получится одновременно по всей поверхности отделить оба металлических предмета. Так, в последней точке соприкосновения двух поверхностей электроны перетекут через так называемый «мостик» пока их количество снова не станет таким же, как и до натирания.

Статическое электричество

Итак, теперь нам известно, что при натирании рассмотренных предметов, некоторые электроны получают избыточную энергию. Затем они покидают атомы одного тела, которое становится положительно заряженным. Эти электроны занимают места на орбитах атомов другого вещества. Которое, в свою очередь, приобретает свойства отрицательного заряда. При этом одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные – притягиваются. Силы, порождаемые зарядами, называются электрическими. А сам факт наличия электрических зарядов и их взаимодействие называют электричество.

В рассмотренных примерах получают так называемое статическое электричество.

Электрическая сила

В процессе электризации к заряженной пластмассовой палочке будут сами собой притягиваться кусочки бумаги. Почему это происходит?

Попробуем раскрыть тайну физического процесса. Она заключается в следующем. При поднесении заряженного тела к незаряженному телу под действием электрических сил происходит перемещение электронов к одному из краев тела. И этот край тела ввиду избытка электронов становится отрицательно заряженным. А противоположный край, соответственно, положительно заряженным. Средняя часть тела будет нейтрально заряженной. Таким образом, заряды смещаются по краям данного тела.

Ближе к поднесенному заряженному телу будут стремиться заряды противоположного знака. Например, если палочка заряжена положительно, то к ней притянется бумага. Той поверхностью, на которой скопились отрицательные заряды. И наоборот.

Формула закона Кулона

Практическое использование пьезоэффекта

Самое известное применение пьезоэлементов – в качестве элемента для зажигания. Пьезоэффект используется в карманных зажигалках или в кухонных воспламенителях для газовых плит. При нажатии на кристалл возникает разность потенциалов и в воздушном промежутке появляется искра.

Этим область применения пьезоэлементов не исчерпывается. Кристаллы, обладающие подобным эффектом, могут применяться в качестве датчиков деформации, но эту сферу использования ограничивает свойство пьезоэффекта проявляться только в динамике – если изменения остановились, сигнал перестает генерироваться.

Пьезокристаллы могут быть использованы в качестве микрофона – при воздействии акустических волн формируются электрические сигналы. Обратный пьезоэффект позволяет также (иногда одновременно) применять такие элементы в качестве звукоизлучателей. При подаче на кристалл электрического сигнала, пьезоэлемент начнет генерировать акустические волны.

Такие излучатели широко применяются для создания ультразвуковых волн, в частности, в медицинской технике. При этом можно использовать и резонансные свойства пластины. Она может применяться в качестве акустического фильтра, выделяющего волны только собственной частоты. Другой вариант – использование в звуковом генераторе (сирене, извещателе и т.п.) пьезоэлемента одновременно в качестве частотозадающего и звукоизлучающего элемента. В этом случае звук всегда будет генерироваться на резонансной частоте, и можно получить максимальную громкость с небольшими энергозатратами.

Резонансные свойства используются для стабилизации частот генераторов, работающих в радиочастотном диапазоне. Пластинки из кварца выполняют роль высокостабильных и высокодобротных колебательных контуров в частотозадающих цепях.

Существуют фантастические пока проекты преобразовывать энергию упругой деформации в электрическую энергию в промышленных масштабах. Можно использовать деформацию дорожного покрытия под действием тяжести пешеходов или автомобилей, например, для освещения участков трасс. Можно применять энергию деформации крыльев самолета для обеспечения бортсети. Такое использование сдерживается недостаточным КПД пьезоэлементов, но опытные установки уже созданы, и они показали перспективность дальнейшего совершенствования.

Что такое диэлектрическая проницаемость

Что такое симистор и как с его помощью управлять нагрузкой

Что такое датчик Холла: принцип работы, устройство и способы проверки на работоспособность

Что такое ЭДС индукции и когда возникает?

Что такое электрофорная машина и как она работает?

Что такое кварцевый резонатор и как он работает?

Суть электричества, его открытие

Итак, суть электричества заключается в следующем: в составе атомов и молекул находятся так называемые элементарные частицы электроны и протоны. В центре атома находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов.

Протоны — это частицы положительного заряда. Они по силе действия на другой заряд другой частицы могут отталкивать или притягивать её. Нейроны — это частицы нейтральные с точки зрения зарядов. Электроны вращаются на очень большой скорости вокруг ядра атома, и имеют отрицательный заряд. Количество элементарных частиц в атоме может быть разным в зависимости от конкретного вещества.

Суть электричества волновала человечество с античных времен. В VII веке до нашей эры) был такой философ Фалес Милетский, который впервые заметил некоторое электрическое явление. Если потереть о кусочек шерсти янтарь, то он начинает притягивать к себе имеющие небольшой вес предметы. Однако на этом развитие исследований в данной сфере почти на 2,5 тысячелетия остановилось. Продолжилось оно лишь в XVII веке. Сначала греческим философом был введен термин, затем начались активные изыскания по изучению природы электричества, возможностей его применения на благо человечества.

Наиболее значимые открытия и изобретения

1633 год – немецкий инженер Отто фон Герике изобретает первую в мире электростатическую машину, позволившую наблюдать различные виды взаимодействия электрических зарядов — их отталкивание и притягивание;
1729 год – английский ученый Стивен Грей в результате своих изысканий и экспериментов по передаче электричества на значительные расстояния обнаружил, что материалы, имеющие различную электропроводность неодинаково его пропускают через свою толщу;
1745 год – ученый из Нидерландов Питер ван Мушенбрук изобретает первый в мире накопитель электрического заряда (простейший конденсатор) – Лейденскую банку;
1800 год – итальянский ученый Алессандро Вольта изобрел первый источник тока – гальванический элемент, состоящий из круглых цинковых и серебряных пластин, сложенных поочередно столбиком и разделенных между собой смоченной в солевом растворе бумагой;
1820 год – датским ученым-физиком Хансом Эрстедом открыто электромагнитное взаимодействие между различными по знаку электрическими зарядами и заряженными частицами;
1831 год– Майкл Фарадей открывает такое явление, как электромагнитная индукция ;
1880 год– француз Пьер Кюри открывает эффект генерирования кристаллом электрического заряда при его сжатии или другом изменении.

Никола Тесла

На рубеже XIX – XX веков одним из самых известных и загадочных ученых, занимавшихся изучением того, что такое электричество, и создавшим множество изобретений был Никола Тесла. Он раскрыл суть электричества.

Никола Тесла — выдающийся учёный в области электричества

Никола Тесла – выдающийся ученый, внесший огромный вклад в изучение данного явления. Ему принадлежит более 1000 разнообразных изобретений, около 800 из которых он запатентовал. Наиболее значительными и важными изобретениями великого ученого являются:

Генератор высоких частот;
Индукционный асинхронный электродвигатель; Высокочастотный трансформатор;
Мачтовая антенна для передачи и приема радиосигналов.

А ещё Тесла был первым, кто разработал и выдвинул в практику правила техники безопасности при работе с электрическим током различной частоты и силы.

Делаем магнитную минипушку

Необходимые
материалы для изготовления минипушки
:
1
. любая
бутылка

2
. корпус
шариковой
ручки

3
. пьезоэлемент
из
старой
зажигалки
4
. термоклей
5
. ножницы
6
. спрей
для
волос

Шаг
1
: Берем
ручку
и
вынимаем
колпачки
с
2
—ух
сторон
.

Шаг
2
: Собираем
минипушку
.

Сначала берем бутылку от лекарства и делаем отверстие для того чтобы вставить туда корпус авторучки, далее с использованием термоклея делаем соединениегерметичным.

можно вывезти из строя домофон
(лучше не портить общественное имущество!),
можно сделать минишокер
, сняв предварительно защиту,

Настоящего электрошокера сделать не получится, а вот подшутить над одноклассниками — вполне реально.

Вещества, обладающие пьезоэффектом

Впервые пьезоэффект был найден у кристаллов горного хрусталя (кварца). По сегодняшнее время этот материал очень распространен в производстве пьезоэлементов, но в производстве применяются не только природные материалы.

Много пьезоэлектриков изготавливается на основе веществ с формулой ABO₃, например BaTiO₃, РbТiO₃. Эти материалы обладают поликристаллической (состоящей из множества кристаллов) структурой, и чтобы придать им способность проявлять пьезоэффект они должны быть подвергнуты поляризации с помощью внешнего электрического поля.

Существую технологии, позволяющие получить плёночные пьезоэлектрики (поливинилиденфторид и т.п.). Чтобы придать им необходимые свойства, их также надо длительное время поляризовать в электрическом поле. Преимущество таких материалов – очень малая толщина.