С развитием технологий человечество начинает расходовать все меньше энергии понапрасну. Появились солнечные панели, ветровые электростанции, солнечные концентраторы, пьезогенераторы, 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.

Тонкая пьезоэлектрическая пленка на оконном стекле, поглощающая шум улицы и преобразующая его в энергию для зарядки телефона. Пешеходы на тротуарах, эскалаторах метро, которые заряжают через пьезо преобразователи аккумуляторы автономного освещения. Плотные потоки автомобилей на оживленных трассах, вырабатывающие мегаватты электроэнергии, которой хватает для целых городов и поселков.

Фантастика? К сожалению, пока да, и таковой может остаться. Есть большая вероятность, что скоро закончится ажиотаж вокруг сенсационных сообщений о чудесных перспективах генераторов энергии на пьезоэлементах . А мы будем опять мечтать о безопасной, возобновляемой и, что греха таить, дешевой электрической энергии, полученной с привлечением других явлений. Ведь список физических эффектов замечательно велик.

Явление пьезоэлектричества было открыто братьями Джексоном и Пьером Кюри в 1880 году и с тех пор получило широкое распространение в радиотехнике и измерительной технике. Заключается оно в том, что усилие, приложенное к образцу пьезоэлектрического материала, приводит к появлению на электродах разности потенциалов. Эффект обратим, т.е. наблюдается и обратное явление: прикладывая к электродам напряжение, образец деформируется.

В зависимости от направления преобразования энергии пьезоэлектрики делятся на генераторы (прямое преобразование) и двигатели (обратное) . Термин “пьезогенераторы” характеризует не эффективность превращения, а только направление преобразования энергии.

Именно первым явлением, связанным с генерацией электричества при механическом воздействии , заинтересовались в последние годы инженера и изобретатели. Как из рога изобилия, посыпались сообщения о возможностях получения электрической энергии, утилизируя уличный шум, движение волн и ветра, нагрузки от перемещения людей и машин.

Сегодня известно несколько примеров практического использования подобной энергии. На станции метро «Марунучи» в Токио установлены пьезогенераторы в зале для приобретения билетов. Скопления пассажиров хватает для управления турникетами.

В Лондоне, в элитной дискотеке, пьезогенераторы питают несколько ламп, которые стимулируют танцующих и...продажу прохладительных напитков. Стали обыденными пьезоэлектрические зажигалки. Сейчас любой курильщик носит в кармане собственную «электростанцию».

Сравнительно недавно взорвало мировую общественность сообщение об испытаниях систем получения энергии от движущегося автотранспорта. Израильские ученые из небольшой фирмы Innowattech подсчитали, что 1 километр автобана может генерировать электрическую мощность до 5 МВт. Они не только выполнили расчеты, но и вскрыли несколько десятков метров полотна автострады и смонтировали под ним свои пьезогенераторы. Казалось, что наконец наступил прорыв в области альтернативной энергетики. Но в этом возникают серьезные сомнения.

Рассмотрим подробней физику процессов, происходящих в пьезоэлектрике. Для знакомства с принципами генерации энергии пьезоэлектрическими материалами достаточно понимания нескольких базовых механизмов. При механическом воздействии на пьезоэлемент происходит смещение атомов в несимметричной кристаллической решетке материала. Это смещение приводит к возникновению электрического поля, которое индуцирует (наводит) заряды на электродах пьезоэлемента.

В отличие от обычного конденсатора, обкладки которого могут сохранять заряды достаточно долго, индуцированные заряды пьезоэлемента сохраняются только до тех пор, пока действует механическая нагрузка. Именно в это время можно получить от элемента энергию. После снятия нагрузки индуцированные заряды исчезают. По сути, пьезоэлемент является источником тока ничтожной величины, с очень высоким внутренним сопротивлением.

Из обилия технических характеристик пьезоматериалов нам понадобятся всего несколько. Это значение пьезоэлектрического модуля, которое для распространенных (а иных пока промышленность не выпускает) пьезоэлектриков составляет от 200 до 500 пикокулон (10 в минус 12 степени) на ньютон, и характеризует эффективность генерации заряда под воздействием силы.

Эта характеристика не зависит от размеров пьезоэлемента, а полностью определяется свойствами материала. Поэтому пытаться делать более мощные преобразователи за счет увеличения геометрических размеров бессмысленно. Емкость обкладок пьезоэлемента зажигалок известна и составляет около 40 пикофарад.

Рычажная система передачи усилия на пьезоэлемент создает нагрузку приблизительно 1000 ньютонов. Зазор, в котором проскакивает искра - 5 мм. Диэлектрическую прочность воздуха принимаем 1 кВ/мм. При таких исходных данных зажигалка генерирует искры мощностью от 0,9 до 2,2 мегаватта!

Но не стоит пугаться. Длительность разряда составляет всего 0,08 наносекунды, отсюда такие огромные значения мощности. Подсчет же суммарной энергии, генерируемой зажигалкой, дает значение всего 600 микроджоулей. При этом КПД зажигалки, с учетом того, что механическое усилие через рычажную систему полностью передается пьезоэлектрику, составляет всего... 0,12%.

Предлагаемые в разных проектах схемы извлечения энергии близки к режимам работы зажигалок. Отдельные пьезоэлементы генерируют высокое напряжение, которое пробивает разрядный промежуток, и ток поступает на выпрямитель, а затем в накопительное устройство, например, ионистор. Дальнейшее преобразование энергии стандартно и интереса не представляет.

От зажигалок перейдем к задаче получения энергии в промышленных масштабах. Пусть будут использованы наиболее эффективные элементы, генерирующие 10 милливатт на элемент. Собранные в кластеры (группы) по 100-200 элементов, они помещаются под полотно дороги. Тогда для получения заявленной величины мощности порядка 1 МВт на километр дороги потребуется всего... 100 миллионов отдельных элементов с индивидуальными схемами съема энергии. Остается еще задача ее суммирования, преобразования и передачи потребителю. При этом токи элементов, учитывая изменяющуюся нагрузку на дорожное полотно, будут лежать в диапазоне нано или даже пикоампер.

Знакомясь с подобными проектами получения энергии от пьезоэффекта, невольно напрашивается аналогия с гидроэлектростанцией, в которой турбины работают от влаги утренней росы, бережно собранной с окрестных полей.

А как же с экспериментом израильской компании? Отчет о результатах «вредительства» на полотне автострады так и не появился. А ведь впереди выполнение контракта на получении энергии с автострады Венеция - Триест, который заключила фирма Innowattech.

По этому поводу есть одна версия: это компания типа «стартап», т.е. с высоким риском инвестиционного капитала. Получив более чем скромные предварительные результаты исследователей, ее основатели решили оправдать затраченные деньги инвесторов и провернули великолепный маркетинговый ход - провели эффектное испытание с участием прессы. И весь мир заговорил о маленькой компании. И в этом шуме потерялся основной вопрос: где же мегаватты дешевой энергии?

Подводя итоги, можно сделать только один вывод: пьезоэлементы никогда не станут в промышленных масштабах. Круг их применений ограничится маломощными (микромощными) источниками питания и датчиками. А жаль, такая красивая была идея!

2 года назад

Пьезоэлектрики — диэлектрики, в которых происходит пьезоэффект, то есть те диэлектрики, которые могут под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект) или под влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный пьезоэффект). Оба эффекта открыты братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880 — 1881 годах.

Пьезоэлектрики широко применяются в современной технике как элементы датчиков (например давления) . Существуют пьезоэлектрические детонаторы, источники звука большой мощности, миниатюрные трансформаторы, кварцевые резонаторы для высокостабильных генераторов частоты, пьезокерамические фильтры, ультразвуковые линии задержки и другое. Наиболее широкое применение в этих целях кроме кристаллического кварца получила поляризованная пьезокерамика, изготовленная из поликристаллических сегнетоэлектриков, изготовленные из цирконата-титаната свинца.

Понять этот процесс проще всего на примере пьезоэлемента в зажигалке, который представляет собой маленький кристалл кварца, обладающий пьезоэлектрическими свойствами. Если приложить к такому кристаллу напряжение, то происходит деформация кристаллической решётки и изменение размеров кристалла. Так происходит прямой пьезоэффект.

Если сжать или растянуть кристалл кварца, то на его поверхности образуется напряжение. Это так называемый обратный пьезоэффект. Пьезоэлементы, которые под действием деформации индуцируют электрический заряд, уже давно используют для того, чтобы преобразовать механическую энергию в электричество. Например, на танцполах, и на автомобильных парковках.

Однако уверяем, что потенциал данных материалов этим не ограничивается. Например, европейские ученые представили свою разработку на конференции International Electron Devices Meeting. Они продемонстрировали прототип устройства с габаритами микромашины.

Для этого они применили в качестве пьезоэлемента нитрид алюминия вместо традиционного цирконат-титаната свинца. Этот прототип выполняет функцию беспроводного датчика температуры, который впитывает энергию от всевозможных вибраций и передает данные на базовую станцию каждые 15 секунд.

Сегодня установка на реактивные самолеты пьезопреобразователей позволяет экономить до 30 процентов топлива за счет колебаний фюзеляжа и крыльев самолета. Фирма «Филипс» создала светофор, батарея которого заряжается от шума. Нетрудно предположить, что подобные разработки будут появляться все чаще. Сфера их применения в перспективе значительно расширится.

Эксперты смело говорят о том, что в ближайшее время вообще исчезнет нехватка мощностей. Ведь, если есть пьезоэлемент, то можно извлекать электроэнергию из движущихся автомобилей и идущих людей. Даже по скромным подсчетам получается, что с десяти километров двухполосной пьезодороги можно будет получить примерно пять мегаватт в час! Чтобы иметь представление, насколько это много, достаточно вспомнить, что именно столько вырабатывает первая атомная станция в Обнинске.

Электромеханический преобразователь, изготавливаемый из пьезоэлектрических материалов, определенной формы и ориентации относительно кристаллографических осей, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую (прямой пьезоэффект), а электрическая в механическую (обратный пьезоэффект).

Конструктивно пьезоэлемент представляет из себя пьезокерамику с нанесенными электродами. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др. Для вибраторов и генераторов пьезоэлементы объединяют в пьезостек, чтобы достичь лучших характеристик.

Сменить цвет

Диаметр: 10 мм
Толщина: 1 мм
Материал: ЦТС-26
Напряжение: 5В
Частота возбуждения: 1МГц
Масштаб колебаний: 30000:1

Посмотреть колебания

Остановить колебания

Рисунок - Колебание свободного пьезоэлемента под действием напряжения (обратный пьезоэффект)

Пьезоэлектрический эффект

Пьезоэлектрические вещества (пьезоэлектрики ), в частности пьезокерамика, имеет то свойство, что при деформации под действием внешнего механического давления на их поверхности возникают электрические заряды. Этот эффект называется прямым пьезоэлектрическим эффектом и был открыт в 1880 г. братьями Кюри.

Справка: Первая статья Жака и Пьера Кюри о пьезоэлектричестве была представлена Минералогическому обществу Франции (Societe mineralogique de France) на сессии 8 Апреля 1880 года и позже Академии наук (Academie des Sciences) на сессии 24 августа 1880 года. Пьер и Жак Кюри впервые открыли прямой пьезоэлектрический эффект у кристалла турмалина . Они заметили, что если оказывать механическое давление на кристалл в определенном направлении, на противоположных сторонах кристалла возникают электрические заряды пропорциональные давлению и противоположной полярности. Позже они открыли подобный эффект у кварца и других кристаллов. В 1880 году Пьеру Кюри был только 21 год .

Вскоре после этого (в 1881 г.) был подтвержден и обратный пьезоэффект , а именно что такое вещество, расположенное между двумя электродами, реагирует на приложенное к нему электрическое напряжение изменением своей формы. Первый эффект в настоящее время используется для измерений, а второй – для возбуждения механических давлений, деформаций и колебаний.

Более детальные исследования пьезоэффекта показали, что он объясняется свойством элементарной ячейки структуры материала. При этом элементарная ячейка является наименьшей симметричной единицей материала, из которой путем ее многократного повторения можно получить микроскопический кристалл. Было показано, что необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейки.

Свойства пьезокерамики

Связь между приложенной силой и результирующим ответом пьезоэлемента зависит от: пьезоэлектрических свойств пьезокерамики, размера и форм образца, направления электрического и механического возбуждения.

По своей природе пьезоэлектрические материалы являются анизотропными кристаллами. показывает различные направления и оси ориентации пьезоэлектрического материала. Оси 1, 2 и 3 являются соответственными аналогами осей X, Y, Z классической ортогональной системы координат, в то время как оси 4, 5, и 6 определяют оси вращения. Направление оси 3 является направлением поляризации . Это направление устанавливается во время производства посредством высокого постоянного напряжения, которое создается между электродами.

Характеризуется следующими свойствами:

Относительная диэлектрическая постоянная является отношением диэлектрической проницаемости материала (в этом случае и ) к диэлектрической проницаемости вакуума ()

где = 8,85· 10 -12 , Ф/м

Верхний индекс показывает граничные условия действующие на материал в процессе определения значения относительной диэлектрической постоянной. В частности индекс T (в этом случае) говорит о том, что диэлектрическая постоянная измеряется на свободном (не зажатом) образце . А индекс S показывает, что измерения происходят при постоянной деформации пьезокерамики (в зажатом состоянии). Первый нижний индекс показывает направление диэлектрического смещения, а второй – электрического поля . Формула расчета относительной диэлектрической постоянной следующая:

Собственная частота пластины по толщине вычисляется по следующей формуле

где с – скорость звука в материале, м/с

Нажимайте сюда для просмотра колебаний пьезоэлемента!

Частота возбуждения f=25кГц
Масштаб колебаний 200000:1

Частота возбуждения f=73,6кГц
Масштаб колебаний 10000:1

Частота возбуждения f=280кГц
Масштаб колебаний 10000:1

Рисунок 4 - Амлитудно-частотная характеристика пьезоэлемента. Виды колебаний на разных частотах

Коэффициенты электромеханической связи k p , k 33 , k 15 , k t и k 31 описывают способность пьезоэлемента превращать энергию из электрической в механическую и наоборот. Квадрат коэффициента электромеханической связи определяется как отношение накопленной преобразованной энергии одного вида (механической или электрической) к входной энергии второго вида (электрической или механической). Индекс показывает относительные направления электрических и механических величин и вид колебаний. Они могут быть связанны с модой колебаний простого преобразователя определенной формы. k p означает взаимосвязь электрической и механической энергии в тонком круглом диске, поляризованном по толщине и колеблющемся в радиальном направлении – планарная мода (). k 31 относится к длинному тонкому бруску с электродами на длинной поверхности. Вид колебаний – растяжение сжатие по длине (). k t связан с тонким диском или пластиной и определяет растяжения сжатия по толщине (). k 33 соответствует длинному тонкому бруску с электродами на его концах и поляризованному по длине. Вид колебаний – растяжения сжатия по длине (). k 15 описывает энергию преобразованную в сдвиговые колебания по толщине () .

Этот коэффициент может быть вычислен через резонансную и антирезонансную частоту по формуле.

, (4)

Чтобы измерить эти частоты обычно используется , с помощью которого можно получить зависимость сопротивления от частоты пьезокерамики ().

По своей природе, резонансная частота возникает, когда система имеет очень маленькое сопротивление, в то время как антирезонанс происходит, когда система имеет очень большое сопротивление. На частота которая имеет минимальное сопротивление считается резонансной (), а частота с максимальным сопротивлением – антирезонансной ().

Рисунок 5 – Виды колебаний образцов пьезокерамики разной формы

Упругие свойства пьезоэлектрических материалов характеризуются упругими податливостями () или упругими жесткостями (). Упругая податливость определяет величину деформации возникающей под воздействием приложенного механического напряжения. Ввиду того, что под воздействием механического напряжения керамика порождает электрический ответ, который противодействует результирующей деформации, эффективный модуль Юнга при коротком замыкании электродов меньше чем при холостом ходе. В дополнение, жесткость различна в разных направлениях, поэтому для точного определения величины указывается электрические и механические условия. Верхний индекс E говорит о том, что замеры происходят при постоянном электрическом поле (короткое замыкание). В то время как, индекс D указывает на граничное условие – постоянное электрическое смещение (индукция), т.е. замеры происходят при холостом ходе. Первая нижняя цифра показывает направление деформации, вторая направление механического напряжения .

Пьезоэлектрический модуль d – отношение механической деформации к приложенному электрическому полю (Кл/Н)

Полезно помнить, что большие значения d ij приводят к большим механическим смещениям, что обычно добивается при проектировании ультразвуковых преобразователей . d 33 применяют, когда сила направлена в направлении оси поляризации (). d 31 используют, когда сила прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом заряд возникает на электродах, так же как и в предыдущем случае (). d 15 показывает, что заряд накапливается на электродах, которые находятся под прямым углом к изначальным поляризующим электродам и что получаемые механические колебания являются сдвиговыми ().

Пьезоэлектрическая константа давления g ij – отношение полученного напряжения к приложенному давлению.

, (6)

Индекс “33” показывает, что электрическое поле и механическое напряжение направлены по оси поляризации. Индекс “31” означает, что давление прикладывается под прямым углом к оси поляризации, при этом напряжение снимается с тех же самых электродов, что и в случае “33”. Индекс “15” подразумевает, что приложенное напряжение является сдвиговым и результирующее электрическое поле перпендикулярно к оси поляризации. Высокое значение g ij ведет к большим выходным напряжениям, что является желательным для сенсоров.

Коэффициент Пуассона – это отношение относительного поперечного сжатия к соответствующему относительному продольному удлинению

, (7)

Температурный коэффициент показывает изменение различных свойств материала (резонансная частота, емкость, размеры) при изменение температуры

, (8)

, (9)

, (10)

Скорость старения это показатель изменения резонансной частоты и емкости со временем. Чтобы вычислить эту скорость, после поляризации электроды преобразователя соединяются вместе, и образец нагревается определенный период времени. Производятся замеры резонансной частоты и емкости каждые 2 n (1,2,4 и 8) дня. Скорость старения вычисляется по следующей формуле :

, (11)

Добротность – количественная характеристика резонансных свойств колебательных систем, указывающая во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частоте много ниже резонансной при одинаковой амплитуде возбуждающей силы . Добротность равна отношению собственной частоты резонансной системы к ширине частотной полосы, на границах которой энергия системы при вынужденных колебаниях вдвое меньше энергии на резонансной частоте

Рисунок 7 – Порошок для изготовления пьезоэлемента

Процесс изготовления пьезокерамики разделяется на несколько этапов. При осуществлении синтеза заданного сегнетоэлектрического соединения исходное сырье (окислы или соли, например, двуокись титана и окись бария) измельчается и смешивается в количествах, соответствующих стехиометрическому составу соединения, а затем подвергается термической обработке при температурах 900 – 1300 °С, в процессе которой происходит химический синтез. Используется также так называемый метод осаждения из водных растворов, при котором температура синтеза благодаря идеальному перемешиванию компонентов снижается до 750 – 1000 °С. Из порошкообразного синтезированного материала прессованием (а также литьём под давлением) получаются заготовки необходимой конфигурации и размеров для будущих пьезоэлементов, которые затем подвергаются обжигу по строго определенному температурному режиму, в большой степени определяющему свойства пьезокерамики. Механическая обработка детали после обжига обеспечивает ей точно заданную форму и размеры. На деталь наносятся электроды из серебра, никеля, платины и др., причем наибольшее распространение получил метод вжигания серебра. Для поляризации керамики к электродам подводится электрическое напряжение (напряжённость поля Е составляет от 0,5 до 3 кВ/мм в зависимости от химического состава и метода поляризации). С целью уменьшения напряженности поля Е при поляризации образец нагревают до температур, близких к точке Кюри (т. к. при этом домены обладают большей подвижностью), а затем медленно охлаждают в присутствии поля. Пьезокерамике свойственно т. н. старение, т. е. изменение её параметров (диэлектрической проницаемости, пьезомодулей) со временем, особенно заметное в первые несколько суток после изготовления и поляризации образцов, которое обусловлено изменением как механических напряжений на границах между зёрнами, так и величины остаточной поляризации .

Применение пьезокерамики

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

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

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

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

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

16 февраля 2016 в 20:06

Пьезоэлектрический генератор электрической мощности

• Компьютерное железо

Ажиотаж в мире в отношении создания пьезоэлектрических источников энергии до недавнего времени не отличался высоким уровнем изобретательских предложений. Например, учёные Израиля предлагают монтировать пьезоэлементы в дорожном полотне и использовать энергию проезжающих машин. В Японии пол одного из залов метро покрыт пьезоэлементами. Эти и подобные им проекты генераторов напряжения не выдерживают никакой критики с экономической точки зрения. Причина в следующем.

За один щелчок электрозажигалки, который длится примерно 0,1 наносекунды, выделяется мощность более 2 мегаватт. То есть мощность за секунду равна 0,2 ватта. Если бы можно было сделать 1000 щелчков в секунду, то получили бы мощность 200 ватт. Мощность большая, но как сделать 1000 щелчков в секунду. Это невозможно, но вот прижать пьезоэлемент к гладкому вращающемуся колесу 20 и более тысяч раз можно, возбуждая в нём ультразвуковые колебания.

Это хотя бы доказывает ниже приведенный рисунок (рис.1). Тридцать ватт отбираемой от пьезоэлемента мощности (ватт на грамм пьезоэлемента) в непрерывном режиме при напряжении 300В было достаточно, чтобы питать люминесцентную лампу. Для этого энергия вращающегося колеса преобразовывается в изгибные ультразвуковые колебания камертона выполненного на одном из концов пакета Ланжевена, и затем, за счёт пьезоэффекта, в электрические колебания высокой частоты.

То есть, с помощью пьезоэлементов можно создавать не только электрические генераторы напряжения, но и генераторы мощности.

Идея использовать пьезоэлектрический мотор в качестве генератора мощности (рис.2) долго обходилась без должного внимания. Причина в том, что, согласно этой идее, один тип колебаний принудительно должен возбуждаться в одной из частей пьезоэлемента. Эту часть назовём возбудителем. Для этого, помимо механического воздействия, используется отдельный источник питания. Второй тип колебаний должен генерироваться в другой части пьезоэлемента, за счёт принудительного вращения ротора. Эту часть пьезоэлемента назовём генератором.

Испытания опытных образцов подтвердили возможность получения энергии в генераторе. Но мощность генератора должна быть в несколько раз больше мощности отбираемой от источника питания возбудителя. Иначе в таком генераторе нет смысла. Вот как раз это долго и не получалось.

Лишь только относительно недавно Вячеслав Лавриненко, изобретатель пьезоэлектрического мотора, пенсионер, работая у себя дома после тщательной подборки материалов пьезоэлемента и контактных пар смог получить полезную мощность на нагрузке в несколько раз больше, мощности, отбираемой от дополнительного источника питания. Появилась возможность часть мощности генератора направить в возбудитель и убрать дополнительный источник. Эту задачу он решал двумя способами.

По первому способу измерял амплитуду и фазу на входе возбудителя и с помощь реактивных элементов подгоняли под такую же амплитуду и фазу напряжение на выходе генератора. То есть, как и в обычных электрических генераторах выполнялись условия баланса амплитуды и фазы. Когда эти условия были выполнены, выход замыкался с входом.

По второму способу напряжение с генератора преобразовывалось в постоянное напряжение, которым питался усилитель мощности и маломощный генератор переменного напряжения. По мере того, как удалось устойчиво получать полезную мощность в пределах 0,2 Ватта на грамм пьезоэлемента, Лавриненко обнаруживает интересный эффект, соизмеримый в физике с открытием, который он сформулировал так:

В двух, совмещённых в одном теле, резонаторах взаимно перпендикулярных акустических колебаний, с частотами резонанса смещёнными друг относительно друга для создания сдвига фаз между колебаниями при их возбуждении спонтанно генерируются взаимно поперечные колебания на частоте между упомянутыми резонансными частотами при фрикционном взаимодействии тела с другим телом, например, с вращающимся колесом.

То есть, при фрикционном взаимодействии упомянутых тел существует положительная обратная связь. Появление случайных колебаний образуют эллипс, размеры которого увеличиваются при вращении колеса. Подобным образом в электрическом усилителе напряжения, охваченной положительной обратной связью спонтанно возбуждаются электрические колебания, и энергия источника постоянного напряжения преобразуется в переменное напряжение. Зависимость этого напряжения от скорости вращения имеет вид, показанный на рис.3.

Обнаруженный эффект значительно упрощает идею создания пьезоэлектрических генераторов мощности, причем мощность в 5 ватт на грамм пьезоэлемента становится вполне реальной. Будут ли они иметь преимущества перед электромагнитными генераторами можно будет сказать только со временем, по мере их изучения, хотя о некоторых из них можно говорить уже сейчас.

Отсутствие меди и обмоток – это надёжность в условиях повышенной влажности. Отсутствие тяжёлых металлов (меди и сплавов железа) – это высокие удельные параметры. Получаемый на выходе высокочастотный сигнал, легко трансформируется под любую нагрузку. А главное преимущество, что для любых частот вращения колеса не требуется редуктор. Достаточно лишь правильно рассчитать диаметр колеса.

При невозможности применения солнечных батарей, пьезоэлектрические генераторы мощности, используя энергию, мускул или ветра, могут их заменить, например, для зарядки аккумуляторов ноутбуков, планшетов и пр. Хотя актуальность направления очевидна, для его развития требуется достаточная финансовая поддержка, которой, как и у многих проектов наших стран, пока нет.