Как работает пьезоэлемент: Как работает пьезоэлемент в зажигалке, пьезоэлектрический генератор

Содержание

Принцип работы пьезоэлемента

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:

  • мембрана, которая является дном корпуса;
  • обкладка снаружи заземлена, а средняя изолируется кварцем;
  • пластины имеют высокое сопротивление, соединены параллельно;
  • фольгу и внутреннюю жилу кабеля скрепляют в отверстии, закрывающемся крышкой.

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:

  • зависимость напряжения выхода и чувствительность по отношению к объему датчика;
  • нестабильная емкость, которая меняется из-за температурных условий.

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:

  • постоянная линия времени;
  • сопротивление R определено входным усилением, изоляцией датчиков, кабелей, и R3;
  • МДП-транзисторы сильнее по сравнению с полевыми устройствами, однако имеют высокий уровень шума;
  • R3 стабилизирует напряжение, его значение высчитывается как ~ 1011 Ом.

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

  • простота конструкционной сборки;
  • габариты;
  • надежность;
  • преобразование напряжения механики в электрический заряд;
  • переменные величины, которые можно быстро измерить.

В случае с материалом вроде кварца, который близок к идеальному состоянию тела, преобразование механики в заряд электрики возможно с минимальной погрешностью от -4 до -6.

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:

  • все материалы крепятся к титановому основанию;
  • два одновременно включенных пьезоэлемента из кварца;
  • высокоплотная инерционная масса предназначена для минимальных габаритов;
  • снятие сигнала посредством латунной фольги;
  • она, в свою очередь, соединена с кабелем, который припаивается;
  • датчик закрыт крышкой, навинченной в основании;
  • чтобы укрепить измеритель на объекте, нарезают резьбу.

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:

  • изоляционное сопротивление должно быть высоким;
  • экран размещен рядом с жилой;
  • антивибрационность;
  • гибкость.

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:

  • пьезопреобразователь включают в автогенератор;
  • кристалл находится на резонансной частоте;
  • как только произойдет нагрузка, показатели изменятся.

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.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 10 чел.
Средний рейтинг: 4.1 из 5.

Устройство и принцип работы пьезофорсунок

 

Устройство пьезоэлектрической форсунки

В основе устройства форсунки этого типа лежит принцип обратного пьезоэффекта. Суть его заключается в том, что под действием поступающего напряжения происходит изменение геометрических параметров, в частности длины, кристалла, обладающего пьезоэлектрическими свойствами. На этом же принципе, кстати, основаны проверка, диагностика и ремонт пьезофорсунок.

Основными узлами пьезофорсунки являются:

1. пьезоэлемент, соединенный с поршнем-толкателем;

2. толкатель;

3. переключающий клапан;

4. игла впрыска.

 

Принцип действия

Работа пьезофорсунки основана на принципе гидравлического сопротивления. В исходом состоянии игла устройства плотно посажена в седло. Этому способствует высокое давление над верхней ее частью, создаваемое топливным насосом. При поступлении сигнала из ЭБУ пьезоэлемент увеличивается в длине, что передает усилие на поршень толкателя. Последний открывает переключающий клапан. Благодаря этому топливо, находящееся над иглой, поступает в сливную магистраль за счет высокого давления. В результате этого давление топлива над иглой становится меньше, чем в нижней ее части. По закону гидравлики игла приподнимается и осуществляется впрыск топлива.

 

Достоинства пьезофорсунок

1. Максимальное быстродействие и совершенное управление фазами впрыска. По сравнению с электромагнитным клапаном пьезоэлектрический срабатывает в 4 раза быстрее. Это способствует меньшему времени отклика и лучшему и более точному разделению фаз впрыска.

2. Переменное значение давления впрыска. Пьезофорсунки лучше отвечают требованиям необходимости применения разного давления впрыска при различных фазах работы двигателя (запальной, рабочей).

3. Минимальный уровень шума при работе двигателя, что обусловлено быстродействием пьезоклапана и минимальным диаметром плунжера форсунки.

4. Высокий КПД форсунки благодаря тому, что для функционирования клапана требуется подавать электрический сигнал минимальной мощности. Уменьшение объема топлива поспособствовало сужению диаметра плунжера пьезофорсунки.

 

Особенности применения, диагностика и ремонт пьезофорсунок

Пьезоэлектрические форсунки существенно улучшают качество работы двигателя, уменьшают расход топлива и практически сводят к нулю вредные выбросы из-за неполного сжигания топливной смеси. Однако такая совершенная система впрыска требует и максимально качественно топлива. Малейшие загрязнения быстро выведут ее из строя и приведут к поломке. Только последующая проверка пьезофорсунок на стенде компании-производителя может дать точное определение истинной причины их поломок. В любом случае ремонт пьезофорсунок почти вдвое выгоднее покупки и установки новых.

 

 

 

что делать, как найти поломку и починить пьезоэлемент

Привычным атрибутом современной газовой плиты является электрический поджиг на пьезоэлементе. Использование спичек для розжига конфорки обусловлено неудобством и возможностью обжечься. Наличие электроподжига делает кухонную плиту безопасной и удобной в эксплуатации.

Содержание статьи

Что делать если электроподжиг не работает

Современное оснащение газовой печки иногда выходит из строя. При обнаружении проблем в работе электрического поджига не стоит торопиться с вызовом мастера. Имеет смысл попробовать самостоятельно найти неисправность и устранить её.

Симптомы, признаки поломки

Подтверждением выхода из строя электрической функции является:

  • нажатие на кнопку сопровождается отключением автомата электроснабжения квартиры или дома;
  • после выключения кнопки управления, пьезоэлемент продолжает работать и не отключается, при этом газ – зажёгся;
  • при включении слышны щелчки, автоматика работает, но газ – не зажигается;
  • включение функции отдельной кнопкой или поворотом ручки не зажигает выходящий газ, щелчков – не слышно;
  • при нажатии появляется искра, а газ – не зажигается;
  • произвольно включается пьезоэлемент при включённой конфорке.

Появление этих или подобных признаков в работе электрической функции говорит о наличии неисправности. Появляется она неожиданно и требует скорейшего устранения для удобства пользования плитой.

Возможные причины поломки

Для устранения неисправности необходимо выявить причину, по которой не работает электрический поджиг:

  • при коротком замыкании произошло окисление контактов, и наличие нагара не позволяет нормально использовать данную функцию;
  • дефект кремниевой свечи – она может иметь трещину или повреждение изоляции;
  • неисправность трансформатора, который предназначен для генерирования тока искры;
  • наличие жира или влаги внутри системы поджига;
  • обрыв электросети системы.

ВНИМАНИЕ! Влажная уборка газовой плиты может стать причиной появления неисправности электрической опции. Чтобы этого не произошло, при обслуживании печки не рекомендуется использование большого количества воды.

Как произвести ремонт пьезоэлемента

Для самостоятельного устранения неисправности необходимо выяснить причину, а затем, приступить к её ликвидации.

Выяснение причины

Часто приходится сталкиваться с тем, что не работает электрический поджиг одной конфорки. Это означает, что поиск неисправностей нужно проводить по пути электрического тока к неисправному пьезоэлементу.

В первую очередь производят внешний осмотр. Наличие посторонних предметов на поверхности контактов нужно исключить.

ВНИМАНИЕ! При осмотре керамической поверхности элемента желательно использовать увеличительное стекло для убеждения в отсутствии или наличии трещин.

Если пьезоэлемент работает, а газ не загорается, конфорку включают посредством другого источника огня и внимательно наблюдают за процессом горения. Если огонь тусклый или с желтоватым оттенком, то причиной неисправности является некачественное смесеобразование, обусловленное необходимостью обслуживания подающих газовых каналов и конфорок.

Выявленный при осмотре дефект, устраняют методом замены поломанного элемента. Для обнаружения скрытых неисправностей проводки электрической сети газовой плиты используют тестер. Измеряя напряжение, в момент включения кнопки, выявляют работоспособность проверяемого участка цепи или блока управления и выходящим из него током.

Проведение ремонта

После осмотра доступных элементов снаружи и возникновения потребности в исследовании внутренней части плиты и проведения ремонта, необходимо:

  1. Снять верхнюю крышку печки или получить доступ к нижней части варочной поверхности, врезанной в кухонную мебель.
  2. После проведения диагностики и выявления неисправного пьезоэлемента, его откручивают с внутренней стороны варочной поверхности. Для этого, иногда требуется лёгкое постукивание деревянным предметом, чтобы не повредить керамический корпус.

ВАЖНО! Перед тем как снимать искрообразующий элемент, нужно проверить плотность контакта с сетью. Неисправность может обусловлена окислением контактных поверхностей.

  1. Теперь нужно заменить пьезоэлемент на новый и вставить его в штатное место.

После установки проверяют работоспособность плиты и закрепляют всё в исходных местах.

ВНИМАНИЕ! Причиной неисправности искрообразующего элемента часто бывает жира на его контактах. Для устранения такого недостатка нужно очистить эти поверхности с помощью наждачной бумаги.

При выявлении неисправности блока управления или контактных проводов, делают замену неисправных деталей, после этого проверяют работу печки.

Меры безопасности

При проведении работ по разборке верхней части плиты или варочной поверхности необходимо отключать электричество, затем перекрывать подачу газа. При проверке работоспособности печки в разобранном виде после выполнения ремонта, подключение электричества и газа выполняют в краткосрочном режиме. Полноценное подключение плиты к требуемым коммуникациям, производят после окончания всех сборочных работ.

Имея навыки работы с отвёрткой и электрическим тестером, каждый может самостоятельно выявить и устранить поломку варочной поверхности с электроподжигом. Работоспособность бытовой техники служит залогом хорошего настроения, особенно после выполнения ремонта собственными руками.

Пьезогенераторы. Устройство и работа. Особенности и применение

С развитием технологий человечество начинает расходовать все меньше энергии понапрасну. Появились солнечные панели, ветровые электростанции, солнечные концентраторы, пьезогенераторы, суперконденсаторы и иные устройства, которые помогают людям получать альтернативную энергию и сохранять ее. Большинство из этих устройств уже используются в повседневной жизни.

Но наука не стоит на месте, в скором времени можно будет получать энергию с помощью повседневных и малозначительных движений. Это можно будет сделать при помощи пьезогенераторов. Ее вполне хватит, чтобы быстро зарядить телефон или плеер. Могут появиться и такие пьезогенераторы, которые будут подзаряжать, к примеру, наручные часы при помощи возбуждения, которое передается сердцебиением.

Устройство

В последние годы было создано несколько опытных образцов пьезогенераторов для различного применения. Они могут быть объединены в два различных класса, которые отличаются по типу колебаний, продольных и поперечных.

Пьезогенератор, работающий по продольной схеме колебаний. В данном устройстве одиночный пьезоэлемент монтируется в подкладку обуви, он позволяет генерировать определенную мощность энергии при быстром передвижении, к примеру, при беге человека. Данное устройство изобретено в техническом университете Луизианы и был выполнен в виде специального спирального пластинчатого пьезоэлемента.

На данный момент обеспечить надежность и долговечность подобного устройства затруднительно в виду хрупкости пьезокерамического материала. Однако данная идея может оказаться продуктивной при использовании гибких пьезополимерных пластин. Но подобные материалы на данный момент находятся на стадии исследований.

Не менее перспективны пьезогенераторы, работающие на изгибных колебаниях. Они также могут отличаться своей конфигурацией и конструктивным исполнением.

Для источников питания сравнительно большой мощности созданы опытные образцы макропьезогенераторов самых разных конструкций. К самым продвинутым разработкам подобного класса устройств можно отнести экспериментальную систему накопителей энергии, созданную на основе пьезогенераторов, которые вмонтированы в настил пола у билетных терминалов на входе в станции метро Marunouchi (Токио).

Известно устройство взрывного пьезогенератора, который включает:
  • Устройство инициирования:
  • Генератор ударной волны:
  • Пьезоэлектрический преобразователь, выполненный из набора пьезопластин, соединенных параллельно:
  • Электроды, которые нанесены на противоположные грани пьезопластин, расположены перпендикулярно выходной поверхности генератора ударной волны:
  • Блок пьезопластин размещен в цилиндрический объем, у которого торцевая часть совпадает с поверхностью генератора ударной волны:
  • Генератор ударной волны выглядит как аксиально симметричная конструкция, она выполнена из слоя взрывчатого вещества, конического алюминиевого лайнера и конической алюминиевой крышки.
Принцип действия

Пьезоэффект, который применяется в пьезогенераторах, заключается в том, что в устройстве имеется специальный диэлектрик, к которому прикладываются механические напряжения. В результате диэлектрик на двух разных концах создает разницу потенциалов. В итоге, создавая давление на подобный пьезоэлемент, можно на выходе получить электрическое напряжение определенной величины.

Пьезоэффект также может вызывать и обратное преобразование, то есть обеспечить превращение электрической энергии в механическую, к примеру, для создания звуковых излучателей. По типу применяемого соотношения между вектором поляризации пьезоэлемента и направлением механических колебаний пьезогенераторы можно разделить на классы с поперечным и продольным направлением механического воздействия.

Если рассматривать физику процессов, которые происходят в пьезоэлектрике, подробней, то все выглядит довольно просто. Для этого нужно только понимать принципы генерации энергии пьезоэлектрическими материалами:
  • При механическом воздействии на пьезоэлемент наблюдается смещение атомов в его материале, то есть в несимметричной кристаллической решетке.
  • Данное смещение приводит к появлению электрического поля, которое приводит к индукции зарядов на электродах пьезоэлемента.

В отличие от стандартного конденсатора, обкладки которого способны сохранять заряды весьма долго, индуцированные заряды пьезогенератора сохраняются до момента, пока не перестает действовать механическая нагрузка. Именно в течение данного периода от элемента можно получать энергию. Как только нагрузка снимается, индуцированные заряды исчезают.

Явление пьезоэлектричества открыто братьями Пьером и Джексоном Кюри в 1880 году, с того времени оно широкое распространение в измерительной технике и радиотехнике. Термин «пьезогенераторы» характеризует лишь направление преобразования энергии, а не эффективность превращения. Именно с явлением, связанным с генерацией электричества в случае механического воздействия, заинтересовались инженера и изобретатели в последние годы.

Начали появляться сообщения о возможностях получения электрической энергии при помощи воздействия разной механической энергии:
  • Движение волн и ветра.
  • Воздействие уличного шума.
  • Нагрузки от перемещения машин и людей.
  • Сердцебиение и так далее.

На основе всех этих вариантов стали придумываться различные изобретения. Многие из них уже нашли применение, а некоторые на данный момент находятся в планах, так как технологии не достигли требуемого уровня.

Применения и особенности
На текущий момент известно несколько вариантов практического применения пьезогенераторов в:
  • Пьезозажигалках с целью высокого напряжения на специальном разряднике от движения пальца. Сегодня любой курильщик может носить в кармане собственную «электростанцию».
  • Качестве чувствительного элемента в приемных элементах сонаров, микрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, гидрофонах.
  • Контактном пьезоэлектрическом взрывателе, к примеру, к выстрелам гранатомета РПГ-7.
  • Датчиках в виде чувствительного к силе элемента, к примеру, датчиках давления газов и жидкостей, силоизмерительных датчиках и так далее.
Обратный пьезоэлектрический эффект может применяться в:
  • Пьезокерамических излучателях звука, к примеру, музыкальные открытки, всевозможные оповещатели, которые используются в самых разных бытовых устройствах от стандартных наручных часов до техники на кухне.
  • Системах сверхточного позиционирования, к примеру, позиционер перемещения головки винчестера, в сканирующем туннельном микроскопе в системе позиционирования иглы.
  • Излучателях гидролокаторов (сонарах).
  • Ультразвуковых излучателях для ультразвуковой гидроочистки (промышленные ультразвуковые ванны, ультразвуковые стиральные машины).
  • Пьезоэлектрических двигателях.
  • Струйных принтерах для подачи чернил.
  • Адаптивной оптике с целью изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала.
Обратный и прямой эффект пьезогенераторов одновременно используются в:
  • Датчиках на специальных поверхностных акустических волнах.
  • Ультразвуковых линиях задержки специальных электронной аппаратуры.
  • Приборах на эффекте специальных поверхностных акустических волн.
  • Пьезотрансформаторах с целью изменения напряжения высокой частоты.
  • Кварцевых резонаторах, применяемых в качестве эталона частоты.

Большинство из применяемых пьезогенераторов вырабатывают небольшой ток. Отдельные пьезоэлементы могут генерировать высокое напряжение, которое пробивает разрядный промежуток, затем ток поступает на выпрямитель, после чего в накопительное устройство, к примеру, ионистор.

Достоинства и недостатки
Среди преимуществ пьезогенераторов можно выделить:
  • Длительный срок службы.
  • Небольшие габариты.
  • Мобильность.
  • Отсутствие отходов, а также загрязнения окружающей среды.
  • Независимость от погодных и природных условий.
  • Не требует выделения дополнительных площадей.
  • Широкая применяемость пьезогенераторов в самых разных устройствах.
  • Отличное решение в качестве источника электрических зарядов, контроля изоляции, источника высокого напряжения с целью воспламенения и многих других. В некоторых случаях применение пьезогенераторов целесообразно в качестве микромощных источников питания. Максимальное напряжение, которое могут выдавать пьезогенераторы, в большинстве случаев не превышает 1,6 В, чего вполне хватает для небольших источников света, мобильных плееров или мобильных коммуникационных аппаратов.
Среди недостатков пьезогенераторов можно выделить:
  • Небольшой ток. Пьезогенератор является преобразователем, но не источником электроэнергии.
  • Выработка электрического заряда только в момент механического воздействие. Ток идет краткосрочный, что требует внедрение в ряд устройств дополнительных элементов. В результате конструкция усложняется, а значит, утрачивает свою надежность.
  • На текущий момент времени пьезогенераторы не могут использоваться для питания мощных устройств.
Перспективы
  • Развитие технологий в ближайшем будущем позволит использовать пьезогенераторы мощности в случае невозможности применения солнечных батарей. Они смогут эффективно заменить их, для этого потребуется энергия ветра, моря или мускул. Вырабатываемой энергии вполне будет хватать для зарядки аккумуляторов планшетов, ноутбуков и возможно для питания целого дома.
  • Сегодня проводятся опыты по созданию систем с пьезогенераторами, которые могли бы получать энергию от движущегося автотранспорта. По подсчетам ученых километр автобана способен генерировать электрическую мощность, равную 5 МВт. Однако на текущий момент прорыв в этой области альтернативной энергетики останавливает недостаточное развитие технологий.
  • В обозримом будущем будет возможно подзаряжать плеер, мобильный телефон или иное устройство, просто положив его в карман. А сердцебиение человека сможет стать источником тока, к примеру, для портативного датчика артериального давления. Подобные революционные перспективы открываются благодаря созданию плоских миниатюрных «наногенераторов», которые могут при тряске, сгибании или сжатии вырабатывать то же напряжение, что и стандартная батарейка АА.
Похожие темы:

Пьезоэлектричество — Как это работает?

Вы, вероятно, использовали пьезоэлектричество (произносится как «пи-ай-зо-электричество») сегодня не раз. Если у вас есть кварцевые часы, пьезоэлектричество — это то, что помогает ему сохранять правильное время. Если вы были написать письмо или эссе на компьютере с помощью программное обеспечение для распознавания голоса, микрофон, в который вы говорили, вероятно, использовался пьезоэлектричество, чтобы превратить звуковую энергию вашего голоса в электрические сигналы, которые ваш компьютер может интерпретировать.Если вы немного меломан и любит слушать музыку на виниле, свой граммофон использовал бы пьезоэлектричество, чтобы «читать» звуки с ваши записи LP. Пьезоэлектричество (буквально «давящее электричество») намного проще, чем кажется: это просто означает использование кристаллов для преобразования механической энергии в электричество или наоборот. Давайте подробнее рассмотрим, как это работает и почему это так полезно!

Фото: Пьезоэлектрический привод, используемый НАСА для различного рода испытаний. Фото предоставлено Исследовательским центром НАСА в Лэнгли (NASA-LaRC).

Что такое пьезоэлектричество?

Сожмите определенные кристаллы (например, кварц), и вы сможете сделать поток электричества через их. Обычно верно и обратное: если вы пропускаете электричество через те же кристаллы они «протискиваются» вибрируя назад и вперед. Короче говоря, это пьезоэлектричество. но, ради науки, давайте формальное определение:

Пьезоэлектричество (также называемое пьезоэлектрическим эффектом) появление электрического потенциала (другими словами, напряжения) по бокам кристалла, когда вы подвергаете его механическому стресс (при сдавливании).

На практике кристалл становится своего рода крошечная батарея с положительным зарядом на одной стороне и отрицательным зарядом на противоположном лице; ток течет, если мы соединим две грани вместе, чтобы сделать цепь. При обратном пьезоэлектрическом эффекте кристалл становится механически напряженным (деформируется по форме) при к его противоположным сторонам приложено напряжение.

Что вызывает пьезоэлектричество?

Подумайте о кристалле, и вы, вероятно, представите себе шары (атомы), закрепленные на стержнях (связи, которые держите их вместе), что-то вроде альпинистской рамы.Теперь по кристаллам, ученые не обязательно имеют в виду интригующие кусочки скалы, которые вы находите в сувенирных лавках: кристалл — научное название любого твердый чей атомы или молекулы расположены очень упорядоченным образом на основе бесконечные повторения одного и того же основного атомного строительного блока (называется элементарной ячейкой). Итак, кусок железо — такой же кристалл, как и кусок кварца. В кристалле то, что у нас есть, на самом деле меньше похоже на лазалки. (который не обязательно имеет упорядоченную повторяющуюся структуру) и больше похоже на трехмерные узорчатые обои.

Произведение искусства: Что ученые подразумевают под кристаллом: правильное, повторяющееся расположение атомов в твердом теле. Атомы практически неподвижны, но могут слегка вибрировать.

В большинстве кристаллов (таких как металлы) элементарная ячейка (основная повторяющаяся единица) симметрична; в пьезоэлектрических кристаллах это не так. Обычно пьезоэлектрические кристаллы электрически нейтральны: атомы внутри них могут быть не расположены симметрично, но их электрические заряды идеально сбалансированный: положительный заряд в одном месте компенсирует отрицательный зарядка рядом.Однако, если вы сожмете или растянете пьезоэлектрический кристалла, вы деформируете структуру, сближая часть атомов вместе или дальше друг от друга, нарушая баланс положительных и отрицательный и вызывающий появление чистых электрических зарядов. Этот эффект несет через всю структуру так чистый положительный и отрицательный заряды появляются на противоположных внешних гранях кристалла.

Обратно-пьезоэлектрический эффект происходит обратным образом. Положите напряжение на пьезоэлектрическом кристалле, и вы подвергаете атомов внутри него к «электрическому давлению».«Они должны двигаться балансировать себя — и это то, что заставляет пьезоэлектрические кристаллы деформируются (слегка меняют форму) при подаче напряжения через них.

Для чего используется пьезоэлектричество?

Фото: Типовой пьезоэлектрический преобразователь. Это звонок в моем стационарном телефоне: он издает особенно пронзительный и ужасный чирикающий звук, когда звонит телефон!

Существуют всевозможные ситуации, когда нам необходимо преобразовать механическую энергию (давление или движение) в электрические сигналы или наоборот.Часто мы можем сделать это с помощью пьезоэлектрического преобразователя. преобразователь это просто устройство, преобразующее небольшое количество энергии из одного вида в другой (например, преобразование света, звука или механического давления в электрические сигналы).

В ультразвуковом оборудовании пьезоэлектрический преобразователь преобразует электрическую энергию в чрезвычайно быстрые механические колебания — фактически настолько быстрые, что издает звуки, но те, которые слишком высоки для наших ушей, чтобы услышать. Эти ультразвуковые колебания могут быть использованы для сканирование, очистка и многое другое.

В микрофон нам нужно преобразовать звуковая энергия (волны давления, проходящие через воздух) в электрическую энергию — и это что-то пьезоэлектрическое. кристаллы могут помочь нам с. Просто приклейте вибрирующую часть микрофон к кристаллу и, как напорные волны от твоего голоса прибудут, они заставят кристалл двигаться вперед и назад, создавая соответствующие электрические сигналы. «Игла» в граммофоне (иногда его называют проигрывателем) работает противоположным образом. Как игла с алмазным наконечником движется по спиральной канавке в вашей пластинке, она удары вверх и вниз.Эти вибрации толкают и тянут легкий пьезоэлектрический кристалл, генерирующий электрические сигналы, затем преобразуется обратно в слышимые звуки.

Фото: Стилус для проигрывателя грампластинок (фото снизу): Если вы все еще проигрываете грампластинки, вы будете использовать такой стилус для преобразования механических ударов на грампластинке в звуки, которые вы слышите. Игла (серебристая горизонтальная планка) содержит крошечный алмазный кристалл (маленькая точка на конце справа), который подпрыгивает вверх и вниз в канавке для записи.Вибрации искажают пьезоэлектрический кристалл внутри желтого картриджа, который генерирует электрические сигналы, которые усиливаются для создания звуков, которые вы слышите.

В кварцевых часах обратный пьезоэлектрический эффект используется для очень точного определения времени. Электрическая энергия от батареи подается в кристалл для заставить его колебаться тысячи раз в секунду. Затем часы используют электронная схема, превращающая это в более медленные удары с частотой один раз в секунду что крошечный мотор и некоторая точность шестерни используются для движения секундной, минутной и часовой стрелок вокруг циферблата.

Пьезоэлектричество также используется, гораздо более грубо, в искровых зажигалках для газовых плит и барбекю. Нажмите выключатель прикуривателя, и вы услышите щелчок и увидеть искры появляются. Что вы делаете, когда вы нажимаете переключатель, сжимает пьезоэлектрический кристалл, генерирует напряжение и заставляя искру лететь через небольшой зазор.

Если у вас на столе стоит струйный принтер, он использует точные «шприцы» для распыления капель чернила на бумагу. Некоторые струйные принтеры разбрызгивают шприцы с помощью пьезоэлектрических кристаллов с электронным управлением, которые сжимают и выжимают их «плунжеры»; Пузырьковые струйные принтеры Canon сжигают чернила, вместо этого нагревая их.(Более подробную информацию об обоих методах вы найдете в нашей статье о струйных принтерах.)

Фото: НАСА экспериментировало с использованием пьезоэлектрических материалов для снижения вибрации и шума от быстро вращающихся винтов вертолетов. Фото предоставлено НАСА.

Сбор энергии с помощью пьезоэлектричества?

Если вы можете получить немного электричества, нажав один раз на один пьезоэлектрический кристалл, сможете ли вы получить значительное количество электричества, нажимая много кристаллов снова и снова? Что, если мы закопаем кристаллы под городскими улицами и тротуарами, чтобы улавливать энергию, когда мимо проезжают машины и люди? Эта идея, известная как сбор энергии , привлекла внимание многих людей.Изобретатели предлагали всевозможные идеи для хранения энергии с помощью скрытых пьезоэлектрических устройств, от обуви, которая преобразует ваши движения в тепло, чтобы согреть ваши ноги, и мобильных телефонов, которые заряжаются от движений вашего тела, до дорог, питающих уличные фонари, контактных линз, которые захватывают свет. энергию, когда вы моргаете, и даже гаджеты, которые производят энергию из давления падающего дождя.

Работа: Сбор энергии? Изобретатели подали множество патентов на носимые гаджеты, которые будут генерировать небольшое количество электричества от движений вашего тела.Этот пример представляет собой ботинок со встроенным пьезоэлектрическим преобразователем (1), который пружинит вверх и вниз при ходьбе, посылая электричество в цепь (2) и сохраняя его в батарее (3).

Является ли сбор энергии хорошей идеей? На первый взгляд все, что сводит к минимуму потери энергии и повышает эффективность, кажется действительно разумным. Если бы вы могли использовать пол продуктового магазина для сбора энергии от ног спешащих покупателей, толкающих свои тяжелые тележки, и использовать ее для питания освещения магазина или его холодильных шкафов, конечно, это должно быть хорошо? Иногда сбор энергии действительно может обеспечить приличное, хотя и довольно скромное, количество энергии.

Проблема, однако, в том, что схемы сбора энергии могут сильно отвлекать от лучших идей. Рассмотрим, например, концепцию строительства улиц с пьезоэлектрическими «виброполосами», которые поглощают энергию проходящего транспорта. Автомобили — чрезвычайно неэффективные машины, и лишь небольшое количество (примерно 15 процентов) энергии их топлива дает вам силы в дороге. Только часть этой фракции доступна для восстановления с дороги, и вы не сможете восстановить всю эту часть со 100-процентной эффективностью.Таким образом, количество энергии, которое вы могли бы практически восстановить, и прирост эффективности, который вы бы получили за потраченные деньги, были бы ничтожными. Если вы действительно хотите экономить энергию от автомобилей, разумный способ сделать это — решить проблему неэффективности автомобильного транспорта гораздо раньше; например, путем разработки более эффективных двигателей, поощрения людей к совместному использованию автомобилей, перехода от бензиновые двигатели к электромобили и тому подобное.

Это не значит, что сбору энергии не место; это может быть действительно полезно для зарядки мобильных устройств с использованием энергии, которая в противном случае была бы потрачена впустую.Представьте, например, мобильный телефон, который автоматически заряжается каждый раз, когда он качается в вашем кармане. Тем не менее, когда дело доходит до экономии энергии, мы всегда должны рассматривать более широкую картину и следить за тем, чтобы время и деньги, которые мы вкладываем, приносили наилучшие результаты.

Кто открыл пьезоэлектричество?

Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 году двумя французскими физиками, братьями Пьер и Поль-Жак Кюри в кристаллах кварца, турмалина и сегнетовая соль (виннокислый калий-натрия).Они взяли название от греческое слово piezein, что означает «давить». Жак подытожил это наблюдение в статье 1889 года в журнале Annales de Chimie et de Physique . (мой собственный очень грубый перевод с французского):

«Если тянуть или сжимать вдоль главной оси [блока кварца], на концах этой оси появляются равные количества электричества противоположных знаков, пропорциональные действующей силе и не зависящие от размеров кварца».

Работа: Иллюстрации работы Кюри из Quartz Piezo-Electrique: Extrait de la These de J.КЮРИ: Annales de Chimie et de Physique, t. XVII, 1889, с. 392.

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектричество было открыто двумя братьями французских ученых, Жаком и Пьером Кюри, в 1880 году. Они узнали о пьезоэлектричестве после того, как впервые поняли, что давление, приложенное к кварцу или даже к некоторым определенным кристаллам, создает электрический заряд в этом определенном материале. 1 Позднее они назвали это странное научное явление пьезоэлектрическим эффектом.

Братья Кюри вскоре открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после того, как они подтвердили, что когда электрическое поле прикладывалось к кристаллическим выводам, это приводило к деформации или беспорядку в кристаллическом выводе, что теперь называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова piezo, означающего сжимать или давить. Интересно, что электрический в переводе с греческого означает янтарь. Янтарь также оказался источником электрического заряда. 2

Сегодня многие электронные устройства используют пьезоэлектричество.Например, когда вы используете какое-либо программное обеспечение для распознавания голоса или даже Siri на своем смартфоне, микрофон, в который вы говорите, вероятно, использует пьезоэлектричество. Этот пьезокристалл превращает звуковую энергию вашего голоса в электрические сигналы, которые интерпретирует ваш компьютер или телефон. 3 Все это становится возможным благодаря пьезоэлектричеству.

Создание различных более совершенных технологий можно проследить до открытия пьезоэлектричества. Например, мощный гидроакустический «гидроакустический буй», небольшие чувствительные микрофоны и керамический преобразователь звукового тона стали возможными благодаря пьезоэлектричеству.Сегодня мы наблюдаем развитие все большего количества пьезоэлектрических материалов и устройств.

Прямой пьезоэлектрический эффект

Как уже говорилось, сжатие пьезоэлектрического материала производит электричество (пьезоэлектричество). Рисунок 1 поясняет концепцию.

1. Пьезоэлектрический эффект возникает при сжатии пьезоэлектрического материала.

 

Пьезокерамический материал — непроводящая пьезоэлектрическая керамика или кристалл — помещается между двумя металлическими пластинами.Для генерации пьезоэлектричества необходимо, чтобы этот материал был сжат или сжат. Механическое напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому керамическому материалу, генерирует электричество.

Как показано на рис. 1, на материале присутствует потенциал напряжения. Между двумя металлическими пластинами находится пьезокристалл. Металлические пластины собирают заряды, которые создают/производят напряжение (символ молнии), то есть пьезоэлектричество. Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрная батарея, потому что он производит электричество.Это прямой пьезоэлектрический эффект. К устройствам, использующим прямой пьезоэлектрический эффект, относятся микрофоны, датчики давления, гидрофоны и многие другие типы датчиков.

Обратный пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрический эффект можно обратить, что называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Это создается путем подачи электрического напряжения, чтобы заставить пьезоэлектрический кристалл сжиматься или расширяться   (рис. 2) . Обратный пьезоэлектрический эффект преобразует электрическую энергию в механическую.

2. Обратный пьезоэлектрический эффект, называемый обратным пьезоэлектрическим эффектом, возникает, когда прикладывается напряжение для сжатия или расширения пьезоэлектрического кристалла.

 

Использование обратного пьезоэлектрического эффекта может помочь в разработке устройств, генерирующих и производящих акустические звуковые волны. Примерами пьезоэлектрических акустических устройств являются динамики (обычно используемые в портативных устройствах) или зуммеры. Преимущество таких динамиков в том, что они очень тонкие, что делает их полезными в ряде телефонов.Даже в медицинских ультразвуковых и гидролокационных преобразователях используется обратный пьезоэлектрический эффект. Неакустические инверсные пьезоэлектрические устройства включают в себя двигатели и приводы.

Пьезоэлектрические материалы

Пьезоэлектрические материалы — это материалы, которые могут производить электричество за счет механического воздействия, например сжатия. Эти материалы также могут деформироваться при подаче напряжения (электричества).

Все пьезоэлектрические материалы являются непроводящими для возникновения и работы пьезоэлектрического эффекта.Их можно разделить на две группы: кристаллы и керамика. 4

Некоторыми примерами пьезоэлектрических материалов являются PZT (также известный как цирконат-титанат свинца), титанат бария и ниобат лития. Эти искусственные материалы имеют более выраженный эффект (лучший материал для использования), чем кварц и другие природные пьезоэлектрические материалы.

Сравните PZT с кварцем. PZT может производить большее напряжение при той же величине приложенного механического напряжения. И наоборот, подача напряжения на PZT вместо кварца обеспечивает большее движение.Кварц, хорошо известный пьезоэлектрический материал, также является первым известным пьезоэлектрическим материалом.

PZT создается и производится (при высоких температурах) из двух химических элементов — свинца и циркония — и в сочетании с химическим соединением, называемым титанатом. Химическая формула PZT: (Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O 3 ). Он обычно используется для производства ультразвуковых преобразователей, керамических конденсаторов и других датчиков и исполнительных механизмов. Он также демонстрирует особый набор различных свойств. В 1952 году PZT был изготовлен Токийским технологическим институтом. 5

Титанат бария представляет собой сегнетоэлектрический керамический материал с пьезоэлектрическими свойствами. 6 По этой причине титанат бария использовался в качестве пьезоэлектрического материала дольше, чем большинство других. Его химическая формула BaTiO 3 . Титанат бария был открыт в 1941 году во время Второй мировой войны. 7

Ниобат лития представляет собой соединение, которое сочетает в себе кислород, литий и ниобий. Его химическая формула LiNbO 3 . 8 Сегнетоэлектрический керамический материал, как и титанат бария, обладает пьезоэлектрическими свойствами. 9

Пьезоэлектрические устройства

Сонар

Сонар

, появившийся в 1900-х годах, был изобретен Льюисом Никсоном. Первоначально он разработал сонар для обнаружения айсбергов. Однако интерес к гидролокаторам возрос во время Первой мировой войны, чтобы помочь обнаружить подводные лодки под водой. Конечно, у гидролокатора сегодня много целей и применений, от поиска рыбы до подводной навигации и так далее.

3. В пьезоэлектрическом гидролокаторе передатчик, использующий обратный пьезоэлектрический эффект, посылает звуковую волну для поиска объектов впереди.

 

На рисунке 3 сонар посылает через передатчик звуковую волну (сигнал) для поиска объектов впереди. Передатчик использует обратный пьезоэлектрический эффект, когда передатчик использует напряжение, чтобы помочь ему послать звуковую волну. Как только звуковая волна достигает объекта, она отражается. Отраженная звуковая волна будет обнаружена приемником.

Приемник, в отличие от передатчика, использует прямой пьезоэлектрический эффект. Пьезоэлектрическое устройство приемника сжимается возвращающейся звуковой волной.Он посылает сигнал (напряжение) на электронику обработки сигналов, которая принимает отраженную звуковую волну и начинает ее обрабатывать. Он определит расстояние до объекта, вычислив синхронизирующие сигналы от передатчика и приемника.

Пьезоэлектрические приводы

На рис. 4 показана работа пьезоэлектрического привода. Основание остается неподвижным и действует как металлическая пластина, которая сжимает средний пьезоэлектрический материал. Затем к материалу прикладывается напряжение, которое расширяется и сжимается от электрического поля приложенного напряжения.Пьезокристалл движется очень мало, будь то вперед или назад. Как только пьезоматериал или кристалл перемещаются, он медленно толкает и тянет привод.

4. В пьезоэлектрическом приводе к пьезоэлектрическому материалу прикладывается напряжение, вызывающее расширение и сжатие.

 

Пьезоэлектрический привод имеет множество применений и применений. Например, эти актуаторы используются в вязальных машинах и машинах Брайля, поскольку они имеют такое небольшое количество движущихся частей и очень простую конструкцию.Их можно найти даже в видеокамерах и сотовых телефонах, потому что они доказали свою эффективность в качестве механизма автофокусировки. 10

Пьезоэлектрические громкоговорители и зуммеры

Пьезоэлектрические динамики и зуммеры используют обратный пьезоэлектрический эффект для создания и воспроизведения звука. Когда напряжение подается на динамики и зуммеры, оно создает звуковые волны (снова рис. 2) . Сигнал звукового напряжения, подаваемый на пьезоэлектрическую керамику динамиков или зуммеров, заставит материал вибрировать воздух.Эта вибрация производит звуковые волны, которые исходят из динамика.

Пьезоэлектрические динамики обычно используются в будильниках или других небольших механических устройствах для воспроизведения простых звуков высокого качества. Это потому, что они ограничены небольшим количеством частотных характеристик. 11

Пьезодрайверы

Пьезодрайверы могут преобразовывать низкое напряжение батареи в высокое напряжение для питания пьезоэлектрических устройств. Пьезодрайверы очень важны, потому что они помогают инженерам производить большее напряжение для создания больших синусоидальных волн.

5. Пьезодрайвер преобразует низкое напряжение батареи в более высокое напряжение, которое используется для питания усилителя, управляющего устройством. Генератор вводит небольшие синусоидальные волны, которые усилитель превращает в более крупные синусоидальные волны.

 

На рис. 5 представлена ​​блок-схема, иллюстрирующая работу пьезопривода. Пьезодрайверы берут низкое напряжение батареи и используют усилитель для преобразования его в более высокое напряжение. Затем более высокое напряжение используется для питания усилителя. Генератор будет вводить небольшие синусоидальные волны, которые усилитель преобразует в синусоидальные волны большего напряжения.Усилитель управляет пьезоустройством.

В приведенной ниже таблице перечислены несколько различных компаний, которые продают и производят различные типы пьезоэлектрических драйверов.

Каталожные номера:

1. http://www.piezo.com/tech5history.html

2. https://en.wikipedia.org/wiki/Пьезоэлектричество

3. http://www.explainthatstuff.com/piezoelectricity.html

4. http://www.piezomaterials.com/

5. https://www.americanpiezo.com/piezo-theory/pzt.html

6. https://en.wikipedia.org/wiki/Barium_titanate

7. http://ceramics.org/wp-content/uploads/2009/03/elec_division_member_papers1.pdf

8. https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_niobat     

9. http://www.inradoptics.com/products/non-linear-crystals/lithium-niobate-linbo3

10. https://www.americanpiezo.com/piezo-theory/actuators.html

11. http://www.edisontechcenter.org/speakers.html#sound

Что такое пьезоэлектричество?

Кость, дерево и кварц являются пьезоэлектрическими материалами.Но что такое пьезоэлектричество и как оно работает? Здесь мы объясним, откуда взялось это замечательное свойство.

Связь между электрическими и механическими свойствами

Пьезоэлектричество — это явление, означающее наличие связи между электрическим и механическим состоянием материала. Когда кусок пьезоэлектрического материала механически деформируется, т.е. сжатый, ток потечет и зарядит его грани. и наоборот, он будет деформироваться при воздействии на него электрического поля.

Феномен был открыт в 1880 году Полем-Жаком Кюри и его младшим братом Пьером, мужем известной Марии Кюри. В дополнение к уже упомянутым материалам существует еще много материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, таких как сахароза, шелк, сегнетовая соль, ПВДФ и многие виды керамики. Но почему не все материалы обладают этим свойством? Причина этого в том, что для появления пьезоэлектричества материал должен быть кристаллическим, но не иметь центра симметрии.Почему, мы скоро увидим.

Пьезоэлектрический эффект возникает при перераспределении чистых зарядов

Проявление индуцированного давлением тока связано с перераспределением зарядов внутри материала. В равновесном состоянии, когда материал разгружается, заряды в решетке материала располагаются так, что элементарная ячейка разряжена, рис. 1 А. Однако при механической деформации материала происходит перераспределение зарядов внутри элемента клетка.Это перераспределение индуцирует чистые заряды на гранях элементарной ячейки и приводит к чистому дипольному моменту, рис. 1B и 1C.

Рис. 1. Схематическое изображение того, как работает пьезоэлектричество. А) в равновесии заряды элементарной ячейки распределяются таким образом, что результирующий дипольный момент отсутствует. Б) При сжатии возникает чистый дипольный момент в вертикальном направлении. в) при растяжении возникает результирующий дипольный момент в горизонтальном направлении.

Сумма общего вклада заряда от всех элементарных ячеек будет электрической поляризацией куска материала.Это означает, что приложенная механическая сила индуцирует напряжение в материале. Однако для возникновения поляризации не должно быть центра симметрии, рис. 2. Как уже упоминалось, это требование выполняется только некоторыми материалами.

Рис. 2. Схематическое изображение распределения заряда в элементарной ячейке материала с центром симметрии. Как в равновесном состоянии (А), так и при механической деформации (В, С) распределение заряда таково, что результирующий дипольный момент никогда не возникает.

Противоположное явление, т. е. когда материал меняет форму, когда к его сторонам прикладывается напряжение, называется обратным пьезоэлектрическим эффектом, и он был обнаружен только год спустя, в 1881 году.

Пьезоэлектричество широко используется, и новые приложения ожидаются не за горами

С тех пор, как более века назад был открыт пьезоэлектрический эффект, он нашел широкое применение в различных приложениях. Области включают управление частотой, например, в часах, громкоговорители для создания звука и микровесы, такие как QCM и QCM-D, для мониторинга массовых изменений.Но это не останавливается на достигнутом. Теперь пьезоэлектричество является кандидатом на вклад в будущее устойчивое энергоснабжение. Свет, ветер и тепловая энергия долгое время были очевидными источниками, а благодаря пьезоэлектрическому эффекту к этому списку добавилась вибрация. Одним из способов использования вибрационных источников для выработки электроэнергии является, например, сбор кинетической энергии человека с помощью уличной или тротуарной плитки. то есть преобразовывать энергию шагов в электричество. Энергия, полученная таким образом, может быть использована, например, для работы уличных фонарей или другого низковольтного оборудования в городах.

Заключительные замечания

Пьезоэлектричество — это свойство некоторых материалов индуцировать электрический ток при механическом воздействии. Он используется, например, в приложениях управления частотой и генерации тока.

Загрузите текст в формате pdf ниже.

 

Как работает пьезоэлектрический генератор? – Типы и характеристики

Большая часть электротехники сосредоточена на новых способах производства электроэнергии из других источников энергии вокруг нас, а другая большая часть сосредоточена на ее кондиционировании.Один новый тип датчика преобразует механическую энергию непосредственно в электрическую энергию без необходимости вращательного движения, характерного для генератора, – пьезоэлектрический генератор.

 

Поскольку пьезоэлектрический генератор не нуждается в движущихся частях, его можно сделать очень компактным, надежным и долговечным; это также упрощает обработку сигнала. Существует много типов пьезоэлектрических элементов, как показано ниже (источник: piceramic), каждый элемент имеет различную форму и характеристики.Давайте подробно обсудим работу пьезоэлектрического генератора и его свойства в этой статье.

 

Что такое пьезоэлектрический эффект и как он работает?

Пьезоэлектричество — это электричество, генерируемое в результате приложения механического напряжения к определенным материалам, таким как кристаллы (кварц), керамика (цирконат титанат свинца) и даже некоторые биологические материалы, такие как кости и ДНК.

Фактический механизм включает генерацию электрических диполей, которые представляют собой два противоположных заряда, разделенных небольшим расстоянием, что можно приблизительно сравнить со стержневым магнитом в кристаллической структуре.

 

Когда к кристаллу прикладывается сила, небольшие изменения в структуре кристаллической решетки вызывают образование электрического диполя, который, в свою очередь, создает напряжение на гранях кристалла.

 

Это напряжение делает доступным небольшое количество заряда, которое можно использовать для питания внешней цепи. Этот эффект работает и в обратную сторону, приложенное к пьезоэлементу напряжение приводит к его деформации вдоль плоскости. Так работают пьезоизлучатели и ультразвуковые преобразователи.

 

Рассмотрим подробно распространенный пьезоэлектрический материал — кварц.

Кварц представляет собой кристаллическую форму сложного диоксида кремния, который имеет один атом кремния, окруженный четырьмя атомами кислорода, расположенными в виде шестиугольника. Обычно каждая вершина шестиугольника имеет один атом кислорода или кремния в чередующемся порядке.

 

Каждый атом несет небольшой заряд. В случае кварца атом кислорода несет отрицательный заряд, а атом кремния – положительный.Поскольку все атомы расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, заряды уравновешены в каждой вершине, и дипольный момент отсутствует.

 

При деформации кристалла по двум противоположным сторонам шестиугольника структура уплощается и теперь расстояние между противоположными вершинами увеличивается на концах. Это вызывает дисбаланс зарядов вдоль центральной оси, создавая небольшой дипольный момент .

 

Этот дипольный момент индуцирует небольшое напряжение на кристалле, перпендикулярное приложенной силе.

 

Выходные характеристики и формирование сигнала

Сформированный источник энергии больше всего напоминает конденсатор, поскольку при каждом приложении напряжения может генерироваться только дискретное количество заряда. Выход представляет собой низковольтный импульс высокого напряжения, который необходимо настроить перед использованием.

Схема кондиционирования обычно включает выпрямитель с малым прямым падением напряжения и трансформатор для преобразования высокого напряжения в более низкое полезное напряжение, а также накопительный элемент, обычно суперконденсатор, для хранения энергии и преобразователь постоянного тока для преобразования энергию в полезную форму.

 

В настоящее время существует много микросхем, которые помещают все в один небольшой корпус, например, LTC3588 , для которого требуется очень мало внешних компонентов и который имеет встроенную схему преобразователя мощности, включая силовые ключи, что упрощает реализацию маломощного Piezo . системы сбора энергии .

Для непрерывной выработки электроэнергии необходим постоянно колеблющийся источник механической энергии. Это может быть вызвано вибрациями от работающих двигателей или другого механического оборудования.

 

Однако по мере удаления механических колебаний от резонансной частоты пьезоэлектрического элемента потери диэлектрической мощности увеличиваются. Этому можно противодействовать, сделав элемент с той же резонансной частотой, что и источник механических колебаний, что можно сделать, изменив размеры.

 

Пьезоэлектрическая постоянная пьезокристалла выражается в единицах C/N (кулон на ньютон).В основном это относится к заряду на каждый приложенный Ньютон силы. Это значение зависит от материала, из которого изготовлен кристалл, и размеров.

 

Общие пьезоэлектрические материалы

Пьезоэлектрические материалы могут встречаться как в естественных, так и в искусственных элементах. Некоторые известные пьезоэлектрические материалы упомянуты ниже.

 

Материалы природного происхождения:

Кварц был первым природным материалом, в котором было обнаружено, что он проявляет пьезоэлектрический эффект.Кварц сделан из оксида кремния и имеет пьезоэлектрический коэффициент около 2pC/N.

Другие материалы, такие как сегнетовая соль (тартарат калия-натрия) и сахароза (обычный сахар), также проявляют пьезоэлектричество.

 

Материалы искусственного происхождения:

Керамика обычно используется в качестве пьезоэлектрических элементов. Некоторые примеры включают оксид цинка, титанат бария и титанат цирконата свинца.

 

Пьезоэлектрические генераторы – преимущества и ограничения

Самым большим преимуществом пьезоэлектрических генераторов является их размер и универсальность.Пьезоэлектрические элементы обычно очень плоские и в определенной степени гибкие, поэтому их легко встроить во многие вещи.

 

Одним из распространенных примеров является встраивание такого датчика в обувь. Каждый раз, когда делается шаг, элемент сжимается и вырабатывает электричество. Хотя количество вырабатываемой электроэнергии невелико, ее можно кондиционировать и хранить, чтобы позже сделать что-нибудь полезное, например, зарядить телефон или включить аварийный фонарик.

 

Несколько единиц также могут быть объединены друг с другом для обеспечения большей выходной мощности, однако после определенного момента отдача уменьшается, поскольку для сжатия требуется больше силы.

 

Поскольку пьезоэлементы собирают ненужную энергию от устройств, пьезоэлектрические элементы, прикрепленные к двигателю, например, могут собирать энергию вибраций и уменьшать шум, поскольку энергия вибрации преобразуется в электрическую энергию.

 

Однако самым большим недостатком пьезоэлектрического генератора является ограниченная выходная мощность. Поскольку он очень похож на конденсатор, чтобы получить постоянную выходную мощность, он должен подвергаться вибрациям.Выход представляет собой переменный ток, поэтому требуется некоторое преобразование сигнала для преобразования его в постоянный ток и в пригодные для использования уровни напряжения и тока.

 

Учитывая эти ограничения и преимущества, пьезоэлементы хорошо подходят для промышленных сред с большим количеством механических вибраций, которые можно использовать для питания небольших микроконтроллеров IoT, используемых для мониторинга оборудования.

 

В заключение, пьезоэлектрические генераторы используют пьезоэлектрический эффект для преобразования механической энергии в электрическую.Они имеют низкую выходную мощность и подходят для питания слаботочных датчиков от источников механической вибрации и, следовательно, собирают энергию, которая в противном случае была бы потрачена впустую.

ЦЕНТР ТВОРЧЕСКОЙ НАУКИ

ЦЕНТР ТВОРЧЕСКОЙ НАУКИ ссылка на 6 страницу самодельного электрогенератора (взято из: Простая демонстрация пьезоэлектричества. JP Hare, IOP Press, Journal of Physics Education, май 2006 г., том 41, стр. 212-213)

Фотография простого устройства для демонстрации пьезоэлектричества.Светодиод подключен к пьезоэлектрическому преобразователю.
Светодиод на короткое время загорается, когда устройство щелкают, четко демонстрируя, что электричество было выработано в результате стресса и напряжения.

Введение
Пьезоэлектричество — это эффект, возникающий при механическом воздействии на определенные материалы. В кристалле возникает электрическая поляризация, в результате чего грани становятся электрически заряженными. Заряд меняется на противоположный, если сжатие меняется на растяжение.Поскольку эффект обратим, электрическое поле, приложенное к материалу, заставляет его сжиматься или расширяться в зависимости от знака поля. Пьезоэлектрические материалы включают; Кристаллы кварца, сегнетовые соли, титанат бария [1].

Все знакомы с пронзительным бип-бипом автосигнализации, переустанавливающей саму себя, сигнализацией наручных часов или звуком детектора дыма. Звук издается пьезоэлектрическим преобразователем. Переменное электрическое напряжение прикладывается к тонкой пластине из пьезоэлектрического материала, которая изгибается с той же скоростью.Устройство эффективно только в узкой полосе частот, но на этом резонансе оно работает настолько эффективно, что очень громкий шум создается при очень небольшой мощности и размере, поэтому их используют в качестве звукового оповещателя во многих электрических устройствах.

Пьезоэлектрические кристаллы используются в зажигалках для сигарет и газовых плит, где напряжение, создаваемое рычагом, составляет сотни вольт — этого достаточно, чтобы создать искру для зажигания газа. Мы также можем использовать этот эффект, чтобы показать пьезоэлектричество более безопасным и простым способом.

Как сделать демонстрацию
Пьезопреобразователь состоит из тонкой пластины пьезоэлектрического материала, зажатой между двумя гибкими металлическими соединениями (обычно это тонкий кусок гибкого латунного листа и тонкий слой золота поверх). Получите пьезопреобразователь как можно большего размера (возможно, из старой игрушки или купленный у поставщика электроники [3]). Подключите светодиод между двумя разъемами преобразователя (см. рисунок выше).

Держите датчик (с прикрепленным светодиодом) в одной руке между большим и указательным пальцами в одну сторону.Используйте палец другой руки, чтобы щелкнуть противоположную сторону диска. Изгиб создает напряжение в пьезоэлектрическом материале, которое создает соответствующее напряжение, достаточное для того, чтобы на короткое время зажечь светодиод, аккуратно демонстрируя пьезоэлектричество!

Примечание: иногда в этой простой демонстрации может работать неоновый индикатор, поскольку напряжение, создаваемое пьезокристаллом, может достигать 100 В [2]. Сила тока очень низкая, поэтому опасности для здоровья не представляет.

Ссылки и примечания
[1] Электронный словарь Penguin, E.К. Янг, любое издание
[2] Записки о цепи Форреста Мимса, Vol. II, LLH Тех. Паб, 2000
[3] Коды Maplin Electronics: пьезопреобразователь: Ю82Д, сверхъяркий светодиод: УФ72П два должны быть меньше фунта.
[4] Майк Булливант, химик из Занзибарского (5-го) сериала телесериала Rough Science, изготовил пьезоэлектрические сегнетовые соли. Он использовался в качестве элемента микрофона для гидрофона, чтобы слушать морских обитателей под водой. Для тех, кто интересуется подробностями химии изготовления ваших собственных пьезокристаллов, они должны быть представлены в готовящейся к публикации статье М. Булливана и Дж. Хэйра в журнале RSC «Образование в области химии».

Фотография очень простого демонстрационного пьезоустройства Lego с ручным заводом. Рукоятка прикреплена к шестеренке Lego, когда она вращается, каждый зубец шестерни щелкает пьезоэлементом — мигает светодиод. Вибрации, кажется, тормозят припой к верхней части преобразователя, поэтому я использовал резиновую ленту и некоторые детали Lego, чтобы удерживать верхнее соединение светодиода на месте. (Примечание: датчики изготавливаются из листовой латуни двух толщин, тонкая версия лучше всего подойдет для этого очень простого устройства).

ссылка на 6 страницу самодельного электрогенератора


ЦЕНТР ТВОРЧЕСКОЙ НАУКИ

Доктор Джонатан Хэйр, Университет Сассекс
Брайтон, Восточный Сассекс. БН1 9QJ.

главная | дневник | что на | CSC резюме | самый последний новости


Что такое пьезоэлектрический башмак?

Как работает пьезоэлектрическая обувь?

К счастью, мы можем воспользоваться этим особым свойством, поместив пьезоэлементы под ноги таким образом, что каждый раз, когда мы делаем шаг, мы используем свой вес, чтобы толкать пьезоэлектрические элементы, которые затем, в свою очередь, преобразуют эту энергию. в электричество.

Что делает пьезоэлектрическое устройство?

Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой устройство, которое производит акустическую волну из радиочастотного (РЧ) входа или, наоборот, преобразует акустическую волну в РЧ-выход.

Как работает башмак, улавливающий энергию?

Трубка покрыта тонкой пленкой электродов, и когда жидкость скользит вперед и назад, электроды заряжаются — электросмачивание в обратном порядке. Маленькая батарея хранит энергию, и вы можете получить доступ к этой энергии через порт micro-USB на пятке обуви.

Как сделать пьезоэлектрическое зарядное устройство для обуви?

4:014:32Как сделать башмак для зарядки пьезоэлектрических батарей Да, теорема — это мобильная концепция диаграмм. Более светлая энергия катаракты или гитара используют проклятие. Да, теорема — это мобильная концепция диаграмм. Боль. Так что да, я пьезоэлектрическая обувь.

Почему возникает пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектрический кристалл помещен между двумя металлическими пластинами.… Затем металлические пластины прикладывают к материалу механическое давление, которое выводит электрические заряды внутри кристалла из равновесия . Избыточные отрицательные и положительные заряды появляются на противоположных сторонах грани кристалла.

Что такое пьезоэлектрическая дорога?

. дороги, которые производят электричество за счет применения механической энергии, когда транспортное средство движется по дороге , такие дороги называются пьезоэлектрическими дорогами. На этих дорогах есть пьезоэлектрический датчик для производства электроэнергии.

Что является примером пьезоэлектрического устройства?

Примерами пьезоэлектрических акустических устройств являются динамики (обычно используемые в портативных устройствах) или зуммеры . Преимущество таких динамиков в том, что они очень тонкие, что делает их полезными в ряде телефонов. Даже в медицинских ультразвуковых и гидролокационных преобразователях используется обратный пьезоэлектрический эффект.

Каковы некоторые примеры пьезоэлектрических материалов?

Некоторые встречающиеся в природе пьезоэлектрические материалы включают берлинит (по структуре идентичный кварцу) , тростниковый сахар, кварц, сегнетовую соль, топаз, турмалин и кость (сухая кость проявляет некоторые пьезоэлектрические свойства благодаря кристаллам апатита, а пьезоэлектрический эффект обычно думал действовать как биологический …

Вырабатывает ли ходьба электричество?

Но это правда, что вы можете генерировать электричество, просто прогуливаясь по .Принцип очень прост, когда вы оказываете давление на пьезоэлектрические кристаллы, электричество вырабатывается по кристаллической решетке!. Когда вы идете, на землю оказывается давление, благодаря которому вырабатывается электричество.

Что такое пьезоэлектрический генератор?

Пьезоэлектрический генератор преобразует механическую энергию в электричество и используется в устройствах сбора энергии. … В статье мы используем сбор активной энергии для управления потоком мощности, и все результаты достигаются на частоте 200 Гц, что значительно ниже резонансной частоты генератора.

Может ли пьезоэлектрический зарядить телефон?

Я часто обнаруживаю, что люди надеются, что пьезоэлектрический сбор энергии можно будет использовать в качестве источника питания в очень энергоемких приложениях, таких как зарядка сотового телефона. … Как продемонстрировала Натали, сбор пьезоэлектрической энергии не совсем подходит для зарядки мобильных телефонов и/или сбора энергии от движения человека.

Что из следующего является примером пьезоэлектрических материалов?

Некоторыми примерами пьезоэлектрических материалов являются PZT (также известный как титанат цирконата свинца) , титанат бария и ниобат лития.Эти искусственные материалы обладают более выраженным эффектом, чем кварц и другие природные пьезоэлектрические материалы.

Кто разработал пьезоэлектрический эффект?

И наоборот, те же самые кристаллы будут изменять свои статические размеры примерно на 0,1% при приложении внешнего электрического поля. Обратный пьезоэлектрический эффект используется для получения ультразвуковых волн. Французские физики Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектричество в 1880 году.

Как работают пьезоэлектрические материалы?

Пьезоэлектрический кристалл помещен между двумя металлическими пластинами.На данный момент материал находится в идеальном балансе и не проводит электрический ток. Затем металлические пластины прикладывают к материалу механическое давление, которое выводит электрические заряды внутри кристалла из равновесия.

Как работают пьезоэлектрические дороги?

В пьезоэлектрических дорогах используются кристаллы , встроенные в асфальт, для преобразования давления и вибрации в энергию . Кристаллы, расположенные примерно на 5 сантиметров ниже поверхности асфальта, слегка деформируются, когда по ним проезжает транспорт.Это производит энергию.

Что такое пьезоэлемент?

Пьезоэлектрический датчик — это устройство, использующее пьезоэлектрический эффект для обнаружения изменений давления, ускорения, температуры, деформации или силы путем преобразования их в электрический заряд. Пьезоэлектрический диск генерирует напряжение при деформации.

Алмазы пьезоэлектрические?

Алмазы

удовлетворяют всем этим требованиям, кроме — нет пьезоэффекта . Вот почему устройствам понадобилась пленка из нитрида алюминия.

Что вы подразумеваете под пьезоэлектрическим?

Пьезоэлектрический эффект — это способность определенных материалов генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Слово пьезоэлектрический происходит от греческого piezein, что означает сжимать или давить, и piezo, что в переводе с греческого означает «толкать».

Как можно использовать пьезоэлектрические материалы в устойчивой архитектуре? — РТФ

Пьезоэлектрические материалы — это материалы, способные производить электрический ток при механическом воздействии и наоборот.Пьезоэлектрический эффект был впервые обнаружен в 1880 году братьями Жаком Кюри и Пьером Кюри и с тех пор применялся и экспериментировал в различных сценариях.

Механизм пьезоэлектрического эффекта_MDPI

Некоторые природные материалы, такие как кристаллы, некоторые виды керамики, сахар, эмаль и т. д., обладают этим свойством. Некоторые из самых ранних применений пьезоэлектрического эффекта относятся ко времени Первой и Второй мировых войн, когда пьезоэлектрические материалы использовались для изготовления радар-детекторов, сверхчувствительных микрофонов, гидролокаторов и интеллектуальных датчиков в различном оружии.

На протяжении многих лет исследователи разрабатывали новые методы использования пьезоэлектрических материалов, и сегодня они используются в широком спектре интеллектуальных датчиков, приводов и т. д., включая предметы повседневного использования, такие как газовые грили и плиты, зажигалки, микрофоны и кварцевые часы.

Работа зажигалки с пьезоэлектричеством_©ecodemlab

Но как такие материалы помогают строительной индустрии?

Концепции, ориентированные на устойчивость, стали необходимыми для рассмотрения при проектировании и строительстве любой конструкции, чтобы свести к минимуму и уменьшить негативное воздействие на окружающую среду.Именно под этим кронштейном можно использовать пьезоэлектрические материалы.

Эти материалы могут улавливать и реагировать на вибрации окружающей среды, воздушный поток, звуковые волны, сохраняя и преобразовывая механическую энергию, вызванную напряжением и скрытой теплотой, в электрический ток. Это очень хорошо подтверждает их использование для сбора энергии и интеллектуального зондирования в зданиях, чтобы сделать конструкции самодостаточными.

Пьезоэлектрические деревья собирают дождевую воду и производят энергию_Inhabitat

Представьте, что вы могли бы использовать механическую энергию группы учеников, идущих по школьному коридору, или команды спортсменов, играющих в футбольный матч, или вибрации, вызванные движением больничных коек и другого медицинского оборудования. , и преобразовать стресс, вызванный такими движениями, в электроэнергию, вы сможете генерировать электроэнергию на месте и поддерживать автономные системы.

Если это так, то не заставляет ли все это задаться вопросом, можно ли добиться пьезоэлектрического эффекта в некоторых широко используемых строительных материалах, таких как дерево и бетон? Вот несколько фактов, чтобы развеять двусмысленность.

Бетон, как известно, является широко используемым строительным материалом в строительной индустрии, настолько широко используемым, что добавление пьезоэлектрических свойств к его свойствам сделало бы большинство построенных форм по всему миру самодостаточными.

Но поскольку его химический состав и структура не похожи на кристалл, он по своей сути не проявляет пьезоэлектрических свойств.Но исследования показали, что добавление компонентов добавок и внешнее кондиционирование могут повысить пьезоэлектрические свойства цементных смесей, которые затем можно использовать для сбора энергии на месте.

С другой стороны, древесина, которая является еще одним широко используемым строительным материалом, демонстрирует потенциал для применения концепции пьезоэлектричества. Древесина, являющаяся легким строительным материалом, имеет проблему создания высоких звуковых вибраций и чаще всего требует вмешательства, такого как демпферы, чтобы избежать дискомфорта, вызванного сильными вибрациями в конструкции.Здесь пьезоэлектрические материалы могут использоваться как для поглощения ненужных вибраций, так и для преобразования их в полезную электрическую энергию.

Этот метод использования концепции преобразования механических вибраций окружающей среды в электрические может быть отнесен к категории производства энергии на месте и может значительно снизить эксплуатационную потребность здания в энергии.

Тогда как именно этот эффект можно использовать в архитектуре?

«Элементы здания могут значительно снизить потребление энергии за счет использования устройств сбора энергии, автономных датчиков и исполнительных устройств с пьезоэлектрическими материалами.

Использование пьезоэлектрических материалов для обеспечения устойчивости в архитектуре включает в себя сбор множества внешних вибраций, которые могут предложить обитатели здания. Акустическая обработка для уменьшения воздействия нежелательного шума может быть основана на использовании пьезоэлектрических материалов для поглощения и преобразования механических волн в электричество. Это также будет означать, что все больше и больше устройств могут работать без проводов, что приведет к меньшему спросу и использованию рабочей энергии.

Инженеры Ланкастера изучают передовые дорожные материалы, которые могли бы генерировать электричество от проезжающего транспорта_techbriefs

Хорошим местом для использования пьезоэлектрических материалов могут быть входы и выходы, вход и выход из здания/комнаты/любого пространства. Может быть введен дверной коврик, подобный элементу со встроенными пьезоэлектрическими материалами, который мог бы собирать и хранить механическую энергию каждый раз, когда человек проходит по нему при входе или выходе из комнаты / пространства, который затем можно использовать для питания электрических функций этого самого пространства. .

Точно так же, поскольку пьезоэлектрические материалы также способны улавливать звуковые волны и реагировать на них, функциями освещения и вентиляции можно управлять с помощью звуковых волн, создаваемых пользователями пространства в виде хлопков или голосовых рецепторов.

Пьезоэлектрические маты на вокзалах Токио — Энергетические полы в Японии_©wired

Здания, которые часто подвергаются сильным ветровым нагрузкам, умеренным сейсмическим колебаниям и механическим волнам, могут улавливать механическую энергию вибраций и сохранять ее для будущего использования в качестве электрической энергии. в создании автономных технологий для зданий.

В то время как высотные здания могут извлекать выгоду из энергии вибрации, малоэтажные здания могут получать механическую энергию от более локализованных действий, таких как пешеходное движение людей по различным пространствам здания. Таковы концепции, которые исследуются и разрабатываются.

Пьезоэлектрические сады от Марго Красоевич — система освещения, работающая от пьезоэлектричества, используемого в результате человеческой деятельности, такой как ходьба и бег_©inhabitat

В Японии был установлен пьезоэлектрический коврик для использования механической энергии от ходьбы пассажиров для обеспечения электричества для освещения светодиодных табло. на станции.Подобные маты — керамические плитки — были установлены на вокзале в Токио в билетных кассах для выработки электроэнергии за счет пьезоэлектрического эффекта.

В рамках исследования была разработана система для сбора и обработки вибраций от движущихся транспортных средств по автомагистралям. Другим примером подобного исследовательского эксперимента является система, которая была разработана для использования вибраций окружающей среды для выработки электроэнергии, достаточной для таяния снега на тротуарах.

Вибрации окружающей среды, которые можно использовать для электричества_Research Gate

Многие такие приложения все еще находятся в стадии исследований и экспериментов с огромными возможностями для продвижения в методах применения и использовании.И хотя пьезоэлектрические материалы кажутся многообещающими с точки зрения демонстрации свойств для использования в категории устойчивого развития, они имеют ограничения, которые могут ограничивать или минимизировать их использование только в тех областях, которые эффективно обеспечивают требуемое количество механической энергии или источники для требуемого количества энергии. коэффициент, который должен быть достигнут для использования.

Поэтому необходимо изучить их состав и поведенческие свойства в условиях сильного стресса, а затем инвестировать их в методы обеспечения устойчивости.

Каталожные номера:

Бахер, И. и Фарахат (nd). Пьезоэлектрические материалы «Потенциалы и ограничения» Модернизация конструкций и методов . [онлайн] . Доступно по адресу: https://www.bau.edu.lb/BAUUpload/Library/Files/Architecture/Publications/Piezoelectric%20materials.pdf.

Чен Дж., Цю К., Хан Ю. и Лау Д. (2019). Пьезоэлектрические материалы для устойчивых строительных конструкций: основы и приложения. Renewable and Sustainable Energy Reviews , [онлайн] 101, стр.14–25. Доступно по адресу: http://bccw.cityu.edu.hk/denvid.lau/documents/2019_Piezoelectric_materials_used_in_sustainable_building_structures_fundamentals_and_applications.pdf.

Ван, В., Цзян, Ю. и Томас, П. Дж. (2021). Структурный дизайн и физический механизм осевых и радиальных многослойных резонаторов с пьезоэлектрической керамикой: обзор. Датчики , [онлайн] 21(4), стр.1112. Доступно по адресу: https://www.mdpi.com/1424-8220/21/4/1112/htm [По состоянию на 4 апреля 2021 г.].

Гавайи, Ю.of, Монтерей, М.И. И.С. at и Twitter, T. (nd). Шесть тротуаров, которые работают, пока вы идете . [онлайн] Treehugger. Доступно по адресу: https://www.treehugger.com/six-sidewalks-that-work-while-you-walk-4855810 [По состоянию на 4 апреля 2021 г.].

‌Americanpiezo.com. (2015). Лучшие способы использования пьезоэлектричества в повседневных приложениях | APC International Ltd. [онлайн] Доступно по адресу: https://www.americanpiezo.com/blog/top-uses-of-piezoelectricity-in-everyday-applications/.

участника Википедии (2019 г.). Пьезоэлектричество . [онлайн] Википедия. Доступно по ссылке: https://en.wikipedia.org/wiki/Piezoelectricity.

ЭлПроКус – Электронные проекты для студентов инженерных специальностей. (2019). Пьезоэлектрический материал: типы, свойства и характеристики .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.