Как работает пьезоэлемент: Пьезоэлемент

Пьезоэлемент: применение и принцип работы

Среди множества диэлектрических материалов встречаются и такие, которые обладают так называемым пьезоэффектом. На их поверхности могут возникать электрические заряды под влиянием деформации. Существует и обратный эффект, когда диэлектрики начинают деформироваться под действием внешнего электрического поля. Пьезоэлемент сам по себе не может считаться источником электроэнергии. Он всего лишь преобразует механическую энергию в электрическую, с очень низким КПД. Однако, благодаря своим качествам, пьезоэлементы широко используются в технике, в первую очередь, как источники электрических разрядов.

Содержание

Физические свойства пьезоэлемента

Пьезоэлектрические материалы по своей сути довольно простые и характеризуются всего лишь двумя физическими величинами – диэлектрической проницаемостью и пьезоэлектрическим модулем. От первой величины зависит емкость пьезоэлемента, а от пьезоэлектрического модуля – электрический заряд, образующийся на электродах, после того как к ним была приложена какая-то сила.

В пьезокерамике для описания процесса применяется три модуля в зависимости от расположения силы, действующей по отношению к полярности оси пьезоэлемента.

Наиболее выраженный эффект проявляется в модуле d₃₃, в котором первая цифра индекса означает направление полярной оси вдоль оси Z традиционной системы координат, а вторая указывает на направление действующей силы вдоль этой же оси. За счет этого пьезоэлемент с величиной модуля d₃₃ существенно превышает значение комбинаций с другими направлениями.

Прямой пьезоэффект модуля измеряется в единицах кулон/ньютон (К/Н). Именно эта величина характеризует материал, из которого он изготовлен. Независимо от приложенной силы и размеров самого элемента, при воздействии силы в 1 ньютон, на электродах будет образовываться один и тот же заряд.

Для определения напряжения на электродах существует формула: U = q/C, в которой в свою очередь q = F d₃₃. Из данной формулы видно, что в отличие от заряда, напряжение будет зависеть от размеров пьезоэлемента, поскольку емкость С связана с площадью электродов и расстоянием между ними. Если в качестве примера взять емкость обычной зажигалки, равной 40 пикофарадам (пф), то приложенная сила в 1 Н даст напряжение 6 В. Соответственно, если сила увеличится до 1000 Н (100 кг), то полученное напряжение составит уже 6 кВ.

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.

Применение

Любой пьезоэлемент можно использовать в современных технических устройствах разного назначения. Они применяются в качестве кварцевых резонаторов, миниатюрных трансформаторов, пьезоэлектрических детонаторах, генераторах частоты с высокой стабильностью и во многих других местах. Каждый прибор устроен таким образом, что в нем может использоваться не только кристаллический кварц, но и элементы из поляризованной пьезокерамики.

Однако пьезоэлемент не ограничивается одними лишь зажигалками. В настоящее время ведутся работы по решению задачи, как сделать использование этих материалов более продуктивным. Данный принцип достаточно давно применяется на танцевальных площадках и стоянках автомобилей, где под давлением происходит превращение механической энергии в электрическую.

В перспективе возможно устройство более мощных энергодобывающих систем. В настоящее время разрабатываются генераторы, обладающие небольшими размерами, основой которых служит нитрид алюминия, успешно заменивший традиционный цирконат-титанат свинца. Данное устройство по своей сути является беспроводным температурным датчиком, способным накапливать энергию от различных вибраций и передавать полученные данные через установленные промежутки времени.

В настоящее время преобразователи на базе пьезоэлементов устанавливаются на реактивные самолеты. Данное техническое решение дает возможность экономии до 30% топливных ресурсов, используя колебания крыльев и самого фюзеляжа. Созданы экспериментальные светофоры, работающие от аккумуляторов, заряжающихся от колебаний воздуха, вызванных городским шумом.

В будущем эти разработки позволят ликвидировать дефицит мощностей. С помощью пьезоэлементов станет возможно получать электричество в результате движения автомобилей по специально оборудованным трассам. Даже десять километров такой пьезодороги выдадут около 5 МВт/час. Тротуары для пешеходов также внесут свой вклад в добычу электроэнергии. Данное направление очень интересное и перспективное, привлекающее внимание ученых многих стран.
https://www.youtube.com/watch?v=Kwyt618tbv0

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.

•  Прямой пьезоэлектрический эффект
• Обратный пьезоэлектрический эффект
• Пьезоэлектрические материалы
• Пьезоэлектрические устройства
• Описание устройства и цепей измерения
• Описание цепей измерения
• Преимущественные характеристики устройств
• Конструкционные особенности преобразователей
• Особенности приборов, измеряющих вибрации
• Альтернативный источник энергии посредством преобразователей
• Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь

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.

Как работает пьезоэлемент в зажигалке

Войдите , пожалуйста.

Хабр Geektimes Тостер Мой круг Фрилансим. Войти Регистрация. Tesla: самозаряжающаяся электро-зажигалка, которая работает везде и всюду Блог компании Даджет , Гаджеты , Энергия и элементы питания , Лайфхаки для гиков Recovery Mode На вид ничего необычного, правда? На Kickstarter относительно недавно было выставлено интересное устройство, которое на первый взгляд ничем особым не выделяется.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Пьезозажигалка ремонт своими руками
• Небольшой обзор на две зажигалки для газовой плиты.
• Зажигалка пьезо-пистолет кухонная, блистер, JZDD-18
• Зажигалки: личный огонь — Как работают зажигалки пьезо?
• Зажигалка для газовой плиты. Виды и работа. Особенности
• Пьезокерамические источники высокого напряжения

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Фонарик из зажигалки с питанием от пьезоэлемента

Пьезозажигалка ремонт своими руками

Зажигалка в зависимости от конструкции и используемого топлива может быть газовой , бензиновой или электрической.

Первая газовая зажигалка, огниво Дёберейнера , была изобретена Иоганном Вольфгангом Дёберейнером в году. В ней химически получаемый водород каталитически поджигался на платине. Несмотря на взрывоопасность водорода и использование едкой кислоты, она производилась до года. Также существовали механические огнива , сделанные на основе оружейных кремневых замков. На основе этих идей в году компания Cartier получила патент на зажигалку.

Ситуация кардинально изменилась в году, с открытием ферроцерия бароном Карлом Ауэром фон Вельсбахом. Этот сплав, заменив железо в кресале, позволил заменить неудобный минерал кремень на обычную сталь. И сегодня мишметаллы являются основой для изготовления кресальных камней для зажигалок. Тогда кремнёвая зажигалка и обрела конструкцию, практически без изменений дошедшую до наших дней: зазубренное стальное колёсико высекает искру из ферроцериевого кресала, а искра поджигает пропитанный бензином фитиль либо выходящий из клапана газ.

Развитие зажигалок было ускорено во время Первой мировой войны. Солдаты использовали спички, чтобы видеть дорогу в темноте, но интенсивная вспышка при зажигании выдавала их местоположение. Необходимость в огне без большой вспышки способствовала развитию индустрии зажигалок. К концу войны зажигалки были массово производимым продуктом. Лидером производства подобных зажигалок в то время была родина ферроцерия, Австрия, а также Германия.

Чуть позже зажигалки стали массово выпускаться по всему миру. В году компания S. DuPont представила на международной выставке в Париже первую в мире газовую зажигалку современной конструкции. В х стали выпускать зажигалки, с высоким давлением паров на выходе редуктора, т.

Они давали острое направленное пламя, которое трудно было погасить ветром. Большинство зажигалок работает по принципу поджига специального легковоспламеняющегося топлива, заправленного в зажигалку. Горящее топливо служит источником огня для пользователя зажигалки. В качестве топлива чаще всего используются легко испаряющиеся жидкие углеводороды, чаще всего бензин для так называемых бензиновых зажигалок и сжиженные углеводородные газы для газовых зажигалок. Принципиальная разница между ними в том что топливо газовых зажигалок испаряется очень быстро и потому содержится в герметичных контейнерах под небольшим давлением, образованным парами испаряющегося газа.

А бензин испаряется относительно медленно и потому не требует герметичной емкости. В газовых зажигалках в качестве горючего используются сжиженная смесь пропана и бутана , которая после прохождения через редуктор испаряется, образуя легковоспламеняющуюся смесь газа и воздуха. В бензиновых зажигалках горят пары бензина. В зависимости от типа горючего температура пламени зажигалки может достигать следующих величин:.

В газовых зажигалках для дозированной подачи газа из емкости в зону горения используется газовый редуктор , обычно выполненный в виде пористого пластикового стержня.

В нём происходит постепенное снижение давления газа. Различают зажигалки с низким давлением паров газа на выходе редуктора и так называемые турбозажигалки с высоким давлением паров. Турбозажигалки дают плотный направленный поток газа, сбить пламя с которого ветром гораздо труднее. В бензиновых зажигалках используется сменный фитиль в виде хлопкового жгутика. Существуют зажигалки без топлива, создающие требуемые температуры пропусканием тока через проволоку или длительным электрическим разрядом искровым или дуговым.

Первоначально такие зажигалки были стационарными, работая от электрической розетки. Принцип действия основан на искровом разряде, возникающем на контактах при коммутации индуктивной нагрузки.

Цикличность действия обеспечивалась пружиной и электромагнитом. Контакт под действием пружины замыкал цепь, включая электромагнит, который размыкал контакт и обесточивал электромагнит; затем процесс повторялся.

Образующаяся серия искр позволяла поджечь газ в бытовом газовом оборудовании. Достоинством подобных зажигалок было надёжное и быстрое зажигание газа, простота и долговечность конструкции, отсутствие обслуживания.

Недостатки: зависимость от наличия электричества, высокий уровень радиопомех, опасность электротравматизма. В XXI веке начали появляться карманные зажигалки, работающие от аккумулятора. В дуговых зажигалках миниатюрная электронная схема генерирует высокое напряжение, достаточное для пробоя воздуха между электродами с мощностью, достаточной для поддержания миниатюрной электрической дуги. Представляет собой импульсный преобразователь с повышающим электромагнитным или пьезоэлектрическим трансформатором.

В проволочных зажигалках кусочек нихромовой проволоки раскаляется до красного каления током от батареи, аналогично автомобильному прикуривателю. Температура нагревательного элемента и особенности конструкции таких зажигалок затрудняют поджиг паров огнеопасных газов и огнеопасных конструкционных материалов типа красок, дерева или пластика.

Потому они получили название беспламенных зажигалок и распространены в местах, где ограничено применение открытого огня. Дизайн зажигалки напрямую зависит от её назначения. Наибольшее распространение получили карманные и кухонные зажигалки. Иногда встречаются стационарные зажигалки. Кухонные зажигалки предназначены для розжига бытовых газовых приборов и каминов. Такие зажигалки имеют удлинённый носик, чтобы можно было подобраться к горелкам.

Карманные зажигалки имеют небольшие размеры, их легко переносить. Оформление совершенно любое, но ограничены размеры. Настольные зажигалки довольно редки. Такие зажигалки достаточно массивны и не предназначены для переноски.

Дизайн таких зажигалок может быть любым. Существуют также специальные каминные зажигалки, при большой длине они имеют небольшую ширину и толщину, и даже зажигалки от известных брендов.

Не так давно появились сенсорные зажигалки, в которых зажигание газа происходит без механических воздействий, а путём воздействия на сенсорный датчик.

Иногда они становятся элементом интерьера. Существуют стационарные беспламенные зажигалки для курительных комнат опасных производств, домов престарелых. В последнее время всё большую популярность набирают так называемые рекламные зажигалки. Они представляют собой обычную карманную зажигалку с информацией, как правило, рекламного характера, наносимой с помощью шелкотрафаретной или тампонной печати.

Широко используются крупными сетями магазинов и гостинично-ресторанными компаниями для рекламы услуг и продвижения товаров. В ЕС и ряде штатов США приняты либо готовятся к принятию законодательные акты, воспрещающие оборот сувенирных зажигалок, выполненных в виде предметов, не являющихся зажигалками животных, героев мультфильмов, фонарей, фотоаппаратов и др.

Существуют международные и национальные требования к зажигалкам, направленные на безопасность обращения с ними. Например, для получения пламени оговариваются минимум двукратное действие пользователя с усилием не ниже 15 Ньютонов.

Некоторые региональные стандарты, например, европейский EN , оговаривают ограничения дизайна зажигалок чтобы они не были привлекательными для детей несознательного возраста.

Например, выполненных в виде предметов, не являющихся зажигалками животных, героев мультфильмов, фонарей, фотоаппаратов и др. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии , проверенной 1 июня ; проверки требуют 15 правок. В этой статье не хватает ссылок на источники информации.

Информация должна быть проверяема , иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 30 июня года. Табак Бумага Фильтр Пачка [en]. Пепельница Мундштук Зажигалка Автомат [en] Урна [en]. Табакокурение Карточки [en] Курительный фетишизм. Борьба с курением Рамочная конвенция Контрабанда [en] Незаконная торговля [en] Единая упаковка [en] Запрет на курение в автомобилях [en] Соглашение Tobacco Master Settlement [en] Предупреждающие надписи [en] Табачная политика [en].

Марки [en] Добавки [en] Возраст курильщиков [en] Канцерогены [en] Страны по потреблению сигарет Запреты на курение [en]. Категория Commons. Категория : Зажигалки. Скрытые категории: Википедия:Статьи без ссылок на источники с июня года Википедия:Статьи без источников тип: не указан.

Пространства имён Статья Обсуждение. В других проектах Викисклад. Эта страница в последний раз была отредактирована 3 июля в Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike ; в отдельных случаях могут действовать дополнительные условия. Подробнее см. Условия использования. Политика конфиденциальности Описание Википедии Отказ от ответственности Свяжитесь с нами Разработчики Заявление о куки Мобильная версия.

Небольшой обзор на две зажигалки для газовой плиты.

English Help. By continuing to browse, you consent to our use of cookies. You can read our Cookies Policy here. Девочку назвали Россией. Добро не забывается!

В общем разобрал зажигалку, достал пьезо элемент. Пробивает около 8мм Искра бьет страшная — оборудование работает. Причем.

Зажигалка пьезо-пистолет кухонная, блистер, JZDD-18

Зажигалка для газовой плиты представлена в большом ассортименте приспособлений. Они конструктивно отличаются, но их объединяет простота и практичность использования. По принципу действия различают электрические, газовые, электронные и зажигалки с пьезоэлементом. Весь механизм облачен в изящный пластмассовый корпус, железный конец имеет вытянутую форму, в виде стержня. Основана на замыкании цепи кнопкой на корпусе, электрическая искра между электродами проволокой воспламеняет газ конфорки плиты. Она исполнена в виде портативного прибора, работающего от сети. Зажигалка для газовой плиты этого типа работает по принципу подачи газа и пьезоэффекта. Прибор выполнен в изящном корпусе, работает от встроенной емкости с газом. При нажатии кнопки на корпусе, сжимается пьезоэлемент, происходит возбуждение напряжения электрического тока и газ вступает в контакт с искрой. Электронная зажигалка импульсная функционирует по принципу взаимодействия дуги Тесла плазмы с огнем газовой горелки.

Зажигалки: личный огонь — Как работают зажигалки пьезо?

Искра через раз. Газ не зажигает. Внутри ничего нет кроме пьезоэлемента от обычной зажигалки. Корпус пластик оставляет желать лучшего, курок ненадежный, хлипкий и установлен изначально не правильно. При осмотре самого пьезоэлемента видна коррозия.

Войти или зарегистрироваться. Возникла такая идея создать компактный источник HV исходя из нескольких пьезоэлементов соединённых параллельно ибо стандартый пьезоэлемент от зажигалки выдаёт кВ.

Зажигалка для газовой плиты. Виды и работа. Особенности

Обычная пьезокерамическая пластинка не сможет выработать напряжения, достаточного для пробоя слоя воздуха в несколько мм и даже в 1 мм. Поэтому пьезокристалл в зажигалках, да и не только в них, выполнен в виде столбика из большого числа пьезокристаллов, которые оказываются включенными последовательно, поэтому их напряжения складываются, достигая значений в несколько киловольт, что и дает возможность получить искру для поджигания газа. Пьезоэлемент — это кристалл кварца или сегнетовой соли. При нажатии на кнопку смещаются слои кристалла и образуется электродвижущая сила или электрический ток. Появляется искра и поджигает газ в зажигалке.

Пьезокерамические источники высокого напряжения

Зажигалка в зависимости от конструкции и используемого топлива может быть газовой , бензиновой или электрической. Первая газовая зажигалка, огниво Дёберейнера , была изобретена Иоганном Вольфгангом Дёберейнером в году. В ней химически получаемый водород каталитически поджигался на платине. Несмотря на взрывоопасность водорода и использование едкой кислоты, она производилась до года. Также существовали механические огнива , сделанные на основе оружейных кремневых замков. На основе этих идей в году компания Cartier получила патент на зажигалку.

В Галамарте собран очень объемный каталог Зажигалка пьезо-пистолет кухонная, блистер, Выглядит не очень надежно, но все еще работает.

By Sasha00 , September 23, in Корзина. Привет народ! Попал ко мне в руки вот такой пьезоэлемент из зажигалки. Подскажите пожалуйста сколько вольт выдает такой элемент.

В общем разобрал зажигалку, достал пьезо элемент. Пробивает около 8мм воздушного зазора. Как думаете, годится ли такой разряд для проверки входов на стойкость к ESD? Ну хотя-бы в каком-то далёком приближении? Переживаю за то, что энергия разряда может оказаться больше. Судя по показаниям пальцемера — статика вроде бъет поменьше.

Дубликаты не найдены.

В пьезо зажигалках для осуществления поджога используется пьезоэлемент. Пьезоэлемент — это механизм в котором образуется искра от удара в пьезопластинку. Под действием удара в пьезопластинку возникает деформация пьезопластинки, на поверхности которой образуется электрический заряд, который мы видим в виде искры при нажатии кнопки зажигания на пьезо зажигалке. В последние годы все чаще в продаже появляются пьезо зажигалки с дополнительными функциями. В зажигалки встраивают различные устройства, которые могут понадобится в различных ситуациях в быту. Если раньше в продаже имелись только зажигалки с открывалкой для пива в бутылках, то сейчас с легкостью можно преобрести зажигалки: с часами, с фонариком, с термометром, с компасом,с шариковой ручкой,с духами, и с другими дополнительными и полезными функциями. Самыми распрастранёнными в данный момент являются пьезо зажигалки с фонариком.

Устройство пьезозажигалки. Принцип поджигания, основанный на пьезоэффекте от греч. Это явление, открытое братьями Жаком и Пьером Кюри в г, заключается в том, что при сдавливании монокристаллов некоторых веществ на их гранях возникают электрические заряды.

Пьезоэлектричество — Как это работает?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 21 мая 2022 г.

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 NASA для различных испытаний. Фото предоставлено Исследовательским центром НАСА в Лэнгли (NASA-LaRC).

Содержание

1. Что такое пьезоэлектричество?
2. Что вызывает пьезоэлектричество?
3. Как работает пьезоэлектричество
4. Для чего используется пьезоэлектричество?
5. Сбор энергии с помощью пьезоэлектричества?
6. Кто открыл пьезоэлектричество?
7. Узнать больше

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 взад 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 нужно 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, но 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 предоставлено НАСА.

Вы также обнаружите, что пьезоэлектричество играет роль в некоторых типах тензодатчиков. Если вы хотите определить, не слишком ли сильно вибрирует что-то вроде крыла самолета, привяжите к нему полоску пьезоэлектрического материала, и вы сможете измерить, насколько оно деформируется из-за тока, который оно генерирует при изгибе.

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 привлек 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).

Сбор энергии — хорошая идея? 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».

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

Узнайте больше

На этом сайте

• Электричество
• Микрофоны
• Кварцевые часы и часы
• Твердые вещества, жидкости и газы
• УЗИ

Практические демонстрации

• Простая демонстрация пьезоэлектричества: попробуйте сами пьезоэлектричество с помощью доктора Джонатана Хэйра и Центра творческой науки.
• Как сделать пьезоэлектрический звукосниматель для трубы: забавный инструктаж использует пьезоэлектричество для преобразования старомодного звука трубы в нечто более интересное.

Статьи

Новости и научно-популярные новости

• Новая лидарная система обещает 3D-видение для камер, автомобилей и ботов Марка Харриса. IEEE Spectrum, 21 апреля 2022 г. Пьезоэлектричество лежит в основе лидара нового типа.
• Лучшее ультразвуковое изображение и сонар через самарий, Чарльз К. Чой. IEEE Spectrum, 18 апреля 2019 г.. Самарий позволяет пьезоэлектрическим преобразователям генерировать гораздо больший заряд, что потенциально дает оборудованию для медицинской визуализации гораздо более высокое разрешение (показывая больше деталей).
• Fitbit для желудка от Меган Скуделлари. IEEE Spectrum, 11 октября 2017 г. Исследователи разрабатывают пьезоэлектрический датчик желудка.
• Хорошие вибрации? Калифорния проведет испытания, используя дорожный грохот в качестве источника энергии, Филип Э. Росс. IEEE Spectrum, 19 апреля 2017 г. Могут ли пьезоэлектрические шумоподавители генерировать полезное количество энергии? Учитывая, сколько энергии автомобили тратят на преобразование топлива в движение, мысль о сборе крошечной доли этой энергии сама по себе может быть пустой тратой (умственной) энергии.
• Волокно, собирающее энергию, изобретено в Университете Болтона: BBC News, 28 июня 2011 г. Гибкие пьезоэлектрические волокна могут быть вшиты в вашу одежду, чтобы заряжать ваш MP3-плеер или мобильный телефон во время движения!
• Вертолеты будущего станут умнее: НАСА, 25 февраля 2009 г. Ученые НАСА считают, что пьезоэлектрические лопасти могут сделать вертолеты тише и экономичнее.
• На шаг ближе к комплекту с автономным питанием: BBC News, 4 декабря 2008 г. Описывает, как небольшие пьезоэлектрические генераторы можно использовать для создания различных гаджетов с автономным питанием.
• Имплантат может помочь глухим услышать музыку: BBC News, 19 октября 2005 г. Как пьезоэлектрические материалы используются в новых кохлеарных имплантах для улучшения слуха глухих.

Более научно-технические

• От пояснения к описанию: Молекулярные и феноменологические теории пьезоэлектричества Шауль Кацир, Исторические исследования в области физических и биологических наук, Vol. 34, № 1 (2003), стр. 69–94. История того, как ученые пытались объяснить пьезоэлектричество с момента его открытия. включая сравнение теорий, выдвинутых Жаком и Пьером Кюри, Полом Чермаком, Вольдемаром Фойгтом, Эдуардом Рике и лордом Кельвином.
• Кто знал пьезоэлектричество? Резерфорд и Ланжевен об обнаружении подводных лодок и изобретении гидролокатора Шаулем Кациром, Заметки и отчеты Лондонского королевского общества, Vol. 66, № 2 (20 июня 2012 г.), стр. 141–157. Как Эрнест Резерфорд и Поль Ланжевен (независимо) пытались разработать пьезоэлектрические методы обнаружения подводных лодок во время Первой мировой войны.
• Открытие пьезоэлектрического эффекта Шаулем Кациром, Архив истории точных наук, Том. 57, № 1 (январь 2003 г.), стр. 61–9.1.
• Quartz Piezo-Electrique: Extrait de la These de J. CURIE: Annales de Chimie et de Physique, t. XVII, 1889, с. 392. Это перепечатка одной из статей Жака Кюри из Произведения Пьера Кюри Пьера Кюри, стр. 554

Книги

• Пьезоэлектрические материалы: применение в SHM, сборе энергии и биомеханике Суреш Бхалла, Сумедха Мохарана, Навит Каур и Висалакши Талакокула. Wiley/Athena, 2017. Актуальное введение, связывающее теоретические аспекты пьезоэлектричества с практическими приложениями в медицине и производстве энергии.
• Piezoelectric Ceramics: Principles and Applications: APC International, Ltd. 2011. Содержательное (114 страниц) введение в принципы пьезоэлектричества и его использование в различных типах генераторов, датчиков, приводов и преобразователей.
• Начало пьезоэлектричества: исследование мирской физики Шауля Кацира. Springer, 2011. Увлекательный исторический отчет о том, как пьезоэлектрический эффект был открыт и объяснен множеством различных теорий и моделей.
• Пьезоэлектричество: эволюция и будущее технологии Уолтера Хейванга, Карла Любица и Вольфрама Версинга. Springer, 2008. Что такое пьезоэлектричество и как мы можем применить его в медицине, обороне и других важных сферах жизни общества?

Патенты

Изобретатели годами придумывали всевозможные творческие способы использования пьезоэлектричества. Вот несколько примеров из базы данных Ведомства по патентам и товарным знакам США:

• Патент США: US 20140128753 A1: Пьезоэлектрическое измерение частоты сердечных сокращений для носимых устройств или мобильных устройств, Майкл Эдвард Смит, Луна и др., 8 мая 2014 г. датчик, который может контролировать ваше сердце и отправлять данные на ваш мобильный телефон (или аналогичное мобильное устройство).
• Патент США: 8,087,186: Пьезоэлектрические обогреватели для пальцев ног для защиты от обморожения, Джахангир С. Растегар, 3 января 2012 г. В этих туфлях используются пьезоэлектрические материалы для преобразования повторяющихся сдавливаний и растяжений вашей обуви в электрическую энергию, которая может согреть ваши ноги.
• Патент США: 20050127677: Дорога, вырабатывающая электроэнергию за счет включения пьезоэлектрических материалов, Джеффри Латтрулл, 16 июня 2005 г. Описывает метод сбора энергии с дорог. Патент США: 8 278 800: Многослойный пьезоэлектрический генератор, автор Haim Abramovich et al, Innowattech, 2 октября 2010 г., представляет собой вариант той же основной идеи с более подробной информацией о том, как на самом деле будут работать дорожные генераторы.
• Патент США: 4,685,296: Преобразование энергии океанских волн с использованием элементов из пьезоэлектрических материалов, Джозеф Р. Бернс, 11 августа 1987 г. В этом изобретении пьезоэлектрические материалы генерируют электричество за счет движения океанских волн вверх и вниз.
• Патент США: 5,598,196: Пьезоэлектрическая струйная печатающая головка и способ изготовления Хилариона Брауна, Eastman Kodak, 28 января 1987 г. Струйная печатающая головка, которая выбрасывает точные капли чернил с использованием пьезоэлектрических материалов.

Пьезоэлектричество — Как это работает?

Крис Вудфорд. Последнее обновление: 21 мая 2022 г.

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 NASA для различных испытаний. Фото предоставлено Исследовательским центром НАСА в Лэнгли (NASA-LaRC).

Содержание

1. Что такое пьезоэлектричество?
2. Что вызывает пьезоэлектричество?
3. Как работает пьезоэлектричество
4. Для чего используется пьезоэлектричество?
5. Сбор энергии с помощью пьезоэлектричества?
6. Кто открыл пьезоэлектричество?
7. Узнать больше

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 взад 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 нужно 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, но 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 предоставлено НАСА.

Вы также обнаружите, что пьезоэлектричество играет роль в некоторых типах тензодатчиков. Если вы хотите определить, не слишком ли сильно вибрирует что-то вроде крыла самолета, привяжите к нему полоску пьезоэлектрического материала, и вы сможете измерить, насколько оно деформируется из-за тока, который оно генерирует при изгибе.

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 привлек 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).

Сбор энергии — хорошая идея? 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».

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

Узнайте больше

На этом сайте

• Электричество
• Микрофоны
• Кварцевые часы и часы
• Твердые вещества, жидкости и газы
• УЗИ

Практические демонстрации

• Простая демонстрация пьезоэлектричества: попробуйте сами пьезоэлектричество с помощью доктора Джонатана Хэйра и Центра творческой науки.
• Как сделать пьезоэлектрический звукосниматель для трубы: забавный инструктаж использует пьезоэлектричество для преобразования старомодного звука трубы в нечто более интересное.

Статьи

Новости и научно-популярные новости

• Новая лидарная система обещает 3D-видение для камер, автомобилей и ботов Марка Харриса. IEEE Spectrum, 21 апреля 2022 г. Пьезоэлектричество лежит в основе лидара нового типа.
• Лучшее ультразвуковое изображение и сонар через самарий, Чарльз К. Чой. IEEE Spectrum, 18 апреля 2019 г.. Самарий позволяет пьезоэлектрическим преобразователям генерировать гораздо больший заряд, что потенциально дает оборудованию для медицинской визуализации гораздо более высокое разрешение (показывая больше деталей).
• Fitbit для желудка от Меган Скуделлари. IEEE Spectrum, 11 октября 2017 г. Исследователи разрабатывают пьезоэлектрический датчик желудка.
• Хорошие вибрации? Калифорния проведет испытания, используя дорожный грохот в качестве источника энергии, Филип Э. Росс. IEEE Spectrum, 19 апреля 2017 г. Могут ли пьезоэлектрические шумоподавители генерировать полезное количество энергии? Учитывая, сколько энергии автомобили тратят на преобразование топлива в движение, мысль о сборе крошечной доли этой энергии сама по себе может быть пустой тратой (умственной) энергии.
• Волокно, собирающее энергию, изобретено в Университете Болтона: BBC News, 28 июня 2011 г. Гибкие пьезоэлектрические волокна могут быть вшиты в вашу одежду, чтобы заряжать ваш MP3-плеер или мобильный телефон во время движения!
• Вертолеты будущего станут умнее: НАСА, 25 февраля 2009 г. Ученые НАСА считают, что пьезоэлектрические лопасти могут сделать вертолеты тише и экономичнее.
• На шаг ближе к комплекту с автономным питанием: BBC News, 4 декабря 2008 г. Описывает, как небольшие пьезоэлектрические генераторы можно использовать для создания различных гаджетов с автономным питанием.
• Имплантат может помочь глухим услышать музыку: BBC News, 19 октября 2005 г. Как пьезоэлектрические материалы используются в новых кохлеарных имплантах для улучшения слуха глухих.

Более научно-технические

• От пояснения к описанию: Молекулярные и феноменологические теории пьезоэлектричества Шауль Кацир, Исторические исследования в области физических и биологических наук, Vol. 34, № 1 (2003), стр. 69–94. История того, как ученые пытались объяснить пьезоэлектричество с момента его открытия. включая сравнение теорий, выдвинутых Жаком и Пьером Кюри, Полом Чермаком, Вольдемаром Фойгтом, Эдуардом Рике и лордом Кельвином.
• Кто знал пьезоэлектричество? Резерфорд и Ланжевен об обнаружении подводных лодок и изобретении гидролокатора Шаулем Кациром, Заметки и отчеты Лондонского королевского общества, Vol. 66, № 2 (20 июня 2012 г.), стр. 141–157. Как Эрнест Резерфорд и Поль Ланжевен (независимо) пытались разработать пьезоэлектрические методы обнаружения подводных лодок во время Первой мировой войны.
• Открытие пьезоэлектрического эффекта Шаулем Кациром, Архив истории точных наук, Том. 57, № 1 (январь 2003 г.), стр. 61–9.1.
• Quartz Piezo-Electrique: Extrait de la These de J. CURIE: Annales de Chimie et de Physique, t. XVII, 1889, с. 392. Это перепечатка одной из статей Жака Кюри из Произведения Пьера Кюри Пьера Кюри, стр. 554

Книги

• Пьезоэлектрические материалы: применение в SHM, сборе энергии и биомеханике Суреш Бхалла, Сумедха Мохарана, Навит Каур и Висалакши Талакокула. Wiley/Athena, 2017. Актуальное введение, связывающее теоретические аспекты пьезоэлектричества с практическими приложениями в медицине и производстве энергии.
• Piezoelectric Ceramics: Principles and Applications: APC International, Ltd. 2011. Содержательное (114 страниц) введение в принципы пьезоэлектричества и его использование в различных типах генераторов, датчиков, приводов и преобразователей.
• Начало пьезоэлектричества: исследование мирской физики Шауля Кацира. Springer, 2011. Увлекательный исторический отчет о том, как пьезоэлектрический эффект был открыт и объяснен множеством различных теорий и моделей.
• Пьезоэлектричество: эволюция и будущее технологии Уолтера Хейванга, Карла Любица и Вольфрама Версинга. Springer, 2008. Что такое пьезоэлектричество и как мы можем применить его в медицине, обороне и других важных сферах жизни общества?

Патенты

Изобретатели годами придумывали всевозможные творческие способы использования пьезоэлектричества. Вот несколько примеров из базы данных Ведомства по патентам и товарным знакам США:

• Патент США: US 20140128753 A1: Пьезоэлектрическое измерение частоты сердечных сокращений для носимых устройств или мобильных устройств, Майкл Эдвард Смит, Луна и др., 8 мая 2014 г. датчик, который может контролировать ваше сердце и отправлять данные на ваш мобильный телефон (или аналогичное мобильное устройство).
• Патент США: 8,087,186: Пьезоэлектрические обогреватели для пальцев ног для защиты от обморожения, Джахангир С. Растегар, 3 января 2012 г. В этих туфлях используются пьезоэлектрические материалы для преобразования повторяющихся сдавливаний и растяжений вашей обуви в электрическую энергию, которая может согреть ваши ноги.
• Патент США: 20050127677: Дорога, вырабатывающая электроэнергию за счет включения пьезоэлектрических материалов, Джеффри Латтрулл, 16 июня 2005 г. Описывает метод сбора энергии с дорог. Патент США: 8 278 800: Многослойный пьезоэлектрический генератор, автор Haim Abramovich et al, Innowattech, 2 октября 2010 г., представляет собой вариант той же основной идеи с более подробной информацией о том, как на самом деле будут работать дорожные генераторы.
• Патент США: 4,685,296: Преобразование энергии океанских волн с использованием элементов из пьезоэлектрических материалов, Джозеф Р. Бернс, 11 августа 1987 г. В этом изобретении пьезоэлектрические материалы генерируют электричество за счет движения океанских волн вверх и вниз.
• Патент США: 5,598,196: Пьезоэлектрическая струйная печатающая головка и способ изготовления Хилариона Брауна, Eastman Kodak, 28 января 1987 г. Струйная печатающая головка, которая выбрасывает точные капли чернил с использованием пьезоэлектрических материалов.

Как работает пьезоэлектричество — APC International

Что такое пьезоэлектричество?

Термин «пьезоэлектричество» происходит от греческих слов «пресс» и «янтарь», которые исторически использовались в качестве источника электричества. В буквальном переводе «пьезоэлектричество» относится к электричеству, которое является результатом применения скрытого тепла и давления.

Из-за приложения механических нагрузок электрический заряд может накапливаться в ряде твердых материалов, включая некоторые виды керамики, кристаллы и некоторые биологические материалы, такие как ДНК, кости и некоторые белки. Полученный эффект представляет собой тип электричества, производимого из-за давления и / или скрытой теплоты, иначе известный как пьезоэлектричество.

Как работает пьезоэлектричество

В 1880 году французские физики Жак и Пьер Кюри, казавшиеся братьями, обнаружили необычную особенность некоторых кристаллических минералов: под действием механической силы пьезоэлектрические кристаллы становились электрически поляризованными. Напряжение и сжатие генерируют напряжения противоположной полярности и пропорциональны приложенной силе.

Важно понять, что энергия, приложенная к материалу, может быть ударом, сжатием, постукиванием или другой силой, которая воздействует на материал, но не разрушает его. Таким образом, сила должна быть применена с максимальной осторожностью. Из-за приложенной силы баланс заряда материала изменяется. Например, когда баланс заряда кристалла изменяется на 10 процентов, он генерирует электричество. Следовательно, он будет иметь отрицательный заряд на одной стороне и положительный заряд на противоположной стороне.

Впоследствии было подтверждено обратное этому соотношению: если один из этих генерирующих напряжение кристаллов подвергался воздействию электрического поля, он удлинялся или укорачивался в зависимости от полярности поля и пропорционально силе поля. Это поведение было названо пьезоэлектрическим эффектом и обратным пьезоэлектрическим эффектом, соответственно, от греческого слова piezein, означающего сжимать или сжимать.

Хотя величины пьезоэлектрических напряжений, перемещений или сил малы и часто требуют усиления (например, типичный диск из пьезоэлектрической керамики будет увеличиваться или уменьшаться в толщине лишь на небольшую долю миллиметра), пьезоэлектрические материалы были адаптированы к впечатляющему спектру приложений. Пьезоэлектрический эффект используется в датчиках, таких как датчики силы или смещения.

Применение пьезоэлектрических датчиков

Пьезоэлектричество можно использовать для целого ряда пьезоэлектрических приложений, таких как струйная печать, обнаружение и воспроизведение звука. Например, он используется в смартфонах для преобразования энергии голоса человека в электрические сигналы, которые принимаются другим телефоном и преобразуются в узнаваемые звуки. Он также используется для генерации электронной частоты, генерации высокого напряжения, сверхтонкой концентрации оптических сборок, управления ультразвуковыми соплами и микровесами.

Поскольку пьезоэлектрические технологии могут использоваться во многих областях, они широко используются во всех отраслях и секторах. В дополнение к смартфонам и устройствам, он также управляет устройствами доступа без ключа, звуковыми сигнализаторами, такими как датчики дыма, мониторами пациентов, датчиками подушек безопасности, эхолотами и эхолотами, и это лишь некоторые из них.

Обратный пьезоэлектрический эффект используется в исполнительных устройствах, например, в двигателях и устройствах, точно управляющих позиционированием, а также в генерировании звуковых и ультразвуковых сигналов. В 20-м веке пьезоэлектрическая керамика на основе оксида металла и другие искусственные материалы позволили разработчикам использовать пьезоэлектрический эффект и обратный пьезоэлектрический эффект во многих новых приложениях. Эти пьезоэлектрические материалы, как правило, физически прочны и химически инертны, и их производство относительно недорого. Состав, форма и размеры пьезокерамического элемента могут быть подобраны в соответствии с требованиями конкретной цели. Керамика, изготовленная из композиций цирконата свинца/титаната свинца, обладает большей чувствительностью и более высокими рабочими температурами по сравнению с керамикой других составов, а материалы «PZT» в настоящее время являются наиболее широко используемой пьезоэлектрической керамикой.

Сделать запрос сегодня

Пьезокерамические элементы

Традиционная пьезоэлектрическая керамика представляет собой массу керамических кристаллов перовскита, каждый из которых состоит из небольшого иона четырехвалентного металла, обычно титана или циркония, в решетке более крупных ионов двухвалентного металла, обычно свинца или бария и ионов О2- (рис. 1.1). В условиях, придающих кристаллам тетрагональную или ромбоэдрическую симметрию, каждый кристалл обладает дипольным моментом (рис. 1.1б).

Для приготовления пьезоэлектрической керамики мелкие порошки PZT оксидов металлов смешивают в определенных пропорциях, затем нагревают до получения однородного порошка. Пьезопорошок смешивается с органическим связующим и формуется в конструктивные элементы нужной формы (диски, стержни, пластины и т.д.). Элементы обжигаются по определенной временной и температурной программе, в ходе которой частицы пьезопорошка спекаются, а материал приобретает плотную кристаллическую структуру. Элементы охлаждаются, затем формуются или обрезаются в соответствии со спецификациями, а электроды наносятся на соответствующие поверхности.

Выше критической температуры, точки Кюри, каждый кристалл перовскита в обожженном керамическом элементе демонстрирует простую кубическую симметрию без дипольного момента (рис. 1.1а). Однако при температурах ниже точки Кюри каждый кристалл имеет тетрагональную или ромбоэдрическую симметрию и дипольный момент (рис. 1.1б). Соседние диполи образуют области локального выравнивания, называемые доменами. Выравнивание дает домену чистый дипольный момент и, следовательно, результирующую поляризацию. Однако направление поляризации между соседними доменами является случайным, поэтому керамический элемент не имеет общей поляризации (рис. 1.2а).

Домены в пьезокерамическом элементе выравниваются путем воздействия на элемент сильного электрического поля постоянного тока, обычно при температуре немного ниже точки Кюри (рис. 1.2b). Благодаря этой поляризационной (полирующей) обработке домены, наиболее близко выровненные с электрическим полем, расширяются за счет доменов, которые не выровнены с полем, и элемент удлиняется в направлении поля. Когда электрическое поле снимается, большинство диполей фиксируются в конфигурации, близкой к выравниванию (рис. 1.2c). Элемент теперь имеет постоянную поляризацию, остаточную поляризацию и постоянно вытянут.

 

Подобно соответствующим характеристикам ферромагнитных материалов, поляризованный ферроэлектрический материал проявляет гистерезис. На рис. 1.3 показана типичная кривая гистерезиса, созданная приложением электрического поля к пьезоэлектрическому керамическому элементу до достижения максимальной поляризации Ps, уменьшением поля до нуля для определения остаточной поляризации Pr, реверсированием поля для достижения отрицательной максимальной поляризации и отрицательная остаточная поляризация и повторное обращение поля для восстановления положительной остаточной поляризации. График под кривой гистерезиса отображает относительное изменение размера керамического элемента вдоль направления поляризации, соответствующее изменению электрического поля. Относительное увеличение/уменьшение размера, параллельного направлению электрического поля, сопровождается соответствующим, но примерно на 50% меньшим, относительным уменьшением/увеличением размера, перпендикулярного направлению электрического поля. Рисунок 1.3. Влияние электрического поля (E) на поляризацию (P) и соответствующее удлинение/сжатие керамического элемента

На что способна пьезокерамика?

Механическое сжатие или растяжение поляризованного пьезоэлектрического керамического элемента изменяет дипольный момент, создавая напряжение. Сжатие вдоль направления поляризации или растяжение перпендикулярно направлению поляризации генерирует напряжение той же полярности, что и напряжение поляризации (рис. 1.4б). Растяжение вдоль направления поляризации или сжатие перпендикулярно направлению поляризации создает напряжение с полярностью, противоположной полярности напряжения поляризации (рис. 1.4в). Эти действия являются действиями генератора — керамический элемент преобразует механическую энергию сжатия или растяжения в электрическую энергию. Такое поведение используется в устройствах воспламенения топлива, твердотельных батареях, датчиках силы и других продуктах. Значения сжимающего напряжения и напряжения (или напряженности поля), создаваемого при приложении напряжения к пьезоэлектрическому керамическому элементу, линейно пропорциональны вплоть до напряжения, характерного для материала. То же самое верно для приложенного напряжения и создаваемой деформации.

Если к керамическому элементу приложить напряжение той же полярности, что и напряжение поляризации, в направлении напряжения поляризации, элемент удлинится, а его диаметр уменьшится (рис. 1.4d). Если приложить напряжение полярности, противоположной полярному напряжению, элемент станет короче и шире (рис. 1.4д).

При подаче переменного напряжения элемент циклически удлиняется и укорачивается с частотой приложенного напряжения. Это моторное действие — электрическая энергия преобразуется в механическую энергию. Этот принцип адаптирован для пьезоэлектрических двигателей, устройств, генерирующих звук или ультразвук, и многих других продуктов.

APC International, Ltd. — ваш надежный поставщик пьезоэлектрической керамики

Компания APC International, Ltd., ранее известная как American Piezo Ceramics, Inc., гордится тем, что является ведущим производителем, поставщиком и дистрибьютором пьезоэлектрических технологий, в том числе керамика и порошки — для наших отечественных и зарубежных клиентов. Наши возможности производства пьезоэлементов, от стандартных и нестандартных керамических форм до ультразвуковых компонентов, хорошо известны, обширны и заслуживают доверия.

Наша продукция используется в следующих отраслях:

• Аэрокосмическая отрасль
• Автомобилестроение
• Товары народного потребления
• Защита
• Машиностроение
• Производство
• Медицинское оборудование
• Исследования и разработки
• Безопасность

 

Кроме того, наша философия понимания потребностей каждого из наших клиентов означает, что мы делаем все, что в наших силах, чтобы ваш опыт заказа пьезоизделий у нас ощущался как надежное партнерство.