X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

С развитием технологий человечество всё больше задумывается о новых возможностях получения и снижении потерь энергии. Появились солнечные панели и концентраторы солнечной энергии, ветровые энергетические установки, инверторные и пьезоэлектрические генераторы, суперконденсаторы, иные устройства, которые способствуют получению и сохранению альтернативной энергии. Большинство из этих устройств уже используются в нашей жизни, используются в ходе повседневной деятельности войск.

Целью работы является изучение пьезоэлектрической эффекта и исследование возможностей получения электрической энергии при помощи пьезоэлектрических генераторов.

Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри¹. Они заметили, что при давлении на кварц или отдельные кристаллы образуется электрический заряд. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта.

Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после приложения к материалу или кристаллу электрического поля, которое привело к механической деформации объекта.

Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова «пьезо» (от греч. piézō (πιέζω), что обозначает давлю, сжимаю).

Пьезоэффект – это явление возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). При прямом пьезоэффекте деформация пьезоэлектрического образца приводит к возникновению электрического напряжения между поверхностями деформируемого твёрдого тела. Существует и обратный пьезоэлектрический эффект – возникновение механических деформаций под действием электрического поля. При обратном пьезоэффекте приложение напряжения к телу вызывает его механическую деформацию.

Пьезоэлектрические вещества всегда обладают одновременно и прямым, и обратным пьезоэффектом. Не обязательно, чтобы вещество было монокристаллом, эффект наблюдается и в поликристаллических веществах, предварительно поляризованных сильным электрическим полем во время кристаллизации, или при фазовом переходе в точке температуры Кюри² при охлаждении для сегнетоэлектриков (например, керамические пьезоэлектрические материалы на основе цирконата-титаната свинца) при наложенном внешнем электрическом поле. 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. Сегнетоэле́ктрики – это вещества, обладающие в определённом интервале температур самопроизвольной (при отсутствии электрического поля) электрической поляризацией, сильно зависящей от внешних условий. К сегнетоэлектрикам относятся вещества, такие, как сегнетова соль, титанат бария (BaTiO₃), дигидрофосфат калия (KH₂PO₄), ниобат лития (LiNbO₃) и др. В настоящее время изучение сегнетоэлектриков привело к развитию сегнетокерамики. В свою очередь, сегне́токера́мика – это керамика, полученная на основе сегнетоэлектрических материалов. Сегнетокерамика активно используется в технике, в частности, в электро- и радиотехнике, в качестве диэлектрического слоя в конденсаторах, поскольку даже в поляризованном состоянии сегнетоэлектрики остаются хорошими изолятороми с большим значением диэлектрической проницаемости. В то же время за счёт поляризации сегнетоэлектрики способны накапливать электрический заряд, поэтому сегнетокерамика используется для изготовления низкочастотных малогабаритных конденсаторов, варикондов и других активных элементов электрических схем. Кроме того, из сегнетоэлектрической керамики изготавливают модуляторы света, позволяющие управлять интенсивностью световых пучков. Принцип действия модуляторов света основан на изменении коэффициента преломления света при приложении электрического поля к образцу из такой керамики.

Для получения оптимальных свойств керамики используют твёрдые растворы сегнетоэлектрических материалов, что позволяет регулировать значения, смещать температуру Кюри и т. д. Для регулирования температурных зависимостей параметров конденсаторов в состав сегнетокерамики вводят различные добавки. В большинстве случаев конденсаторные сегнетокерамики содержат несколько кристаллических фаз. Такая сегнетокерамика имеет максимально высокое значение диэлектрической проницаемости, которая практически не зависит от температуры, низкие диэлектрические потери, высокую электрическую прочность. Эти материалы применяются главным образом в пьезоэлектрических преобразователях, в детекторах электромагнитных излучений, а также в различных конденсаторах.

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 (рис. 1).

Рис. 1 – Процесс накопления электрический заряд на противоположных поверхностях диэлектрика

Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрный аккумулятор. Микрофоны, датчики давления, гидролокаторы и другие чувствительные устройства используют этот эффект для своей работы.

При обратной пьезоэлектрическом эффекте при приложении электрического напряжения к пьезоэлектрическому кристаллу произойдет механическая деформация тела, под которой оно будет расширяться или сжиматься (рис. 2).

Рис. 2 – Обратный пьезоэлектрический эффект

Обратный пьезоэлектрический эффект способствует созданию 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. Часто этот эффект используют ультразвуковые и гидроакустические датчики.

Энергия пьезогенераторов оказалась достаточной для мобильной зарядки телефона или другого гаджета, что позволяет использовать их в полевых условиях. В ближайшее время могут появиться и такие пьезогенераторы, которые в результате своей работы способны подзаряжать, например, наручные часы при помощи возбуждения, которое генерируется собственным сердцебиением человека. 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.

Рассмотрим устройство пьезоэлектрических генераторов разного типа. 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. 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 разность потенциалов. В итоге, создавая давление на подобный пьезоэлемент, можно на выходе получить электрическое напряжение определенной величины.

Пьезоэффект 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.

Пьезогенератор, работающий по продольной схеме колебаний. В данном устройстве одиночный пьезоэлемент монтируется в подкладку обуви, он позволяет генерировать определенную мощность энергии при быстром передвижении, например, при беге человека (рис. 3).

Рис. 3 – Пьезогенератор – одиночный пьезоэлемент, вмонтированный в подкладку обуви

На данный момент обеспечить надежность и долговечность подобного устройства пока затруднительно по причине хрупкости пьезокерамического материала. Однако данная идея может оказаться продуктивной при использовании гибких пьезополимерных пластин или композитных материалов. Подобные материалы в настоящее время 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 (рис. 4):

Рис. 4 – Пьезогенератор

1) устройство инициирования;

2) генератор ударной волны;

3) пьезоэлектрический преобразователь, выполненный из набора пьезопластин, соединенных параллельно;

4) электроды, которые нанесены на противоположные грани пьезопластин, расположены перпендикулярно выходной поверхности генератора ударной волны;

5) блок пьезопластин размещен в цилиндрический объем, у которого торцевая часть совпадает с поверхностью генератора ударной волны;

6) генератор ударной волны выглядит как аксиально симметричная конструкция, она выполнена из слоя взрывчатого вещества, конического алюминиевого лайнера и конической алюминиевой крышки.

Применения и особенности

На текущий момент известно несколько вариантов практического применения пьезогенераторов:

В пьезозажигалках с целью высокого напряжения на специальном разряднике от движения руки.

В качестве чувствительного элемента в микрофонах, головках звукоснимателя электрофонов, гидрофонах.

В контактном пьезоэлектрическом взрывателе, к примеру, к выстрелам гранатомета РПГ-7.

В 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;

в системах сверхточного позиционирования, к примеру, позиционер перемещения головки винчестера, в сканирующем туннельном микроскопе в системе позиционирования иглы;

в излучателях гидролокаторов (сонарах);

в ультразвуковых излучателях для ультразвуковой гидроочистки (промышленные ультразвуковые ванны, ультразвуковые стиральные машины);

в пьезоэлектрических двигателях;

в струйных принтерах для подачи чернил;

в адаптивной оптике с целью изгиба отражающей поверхности деформируемого зеркала.

Обратный и прямой эффект пьезогенераторов одновременно используются:

в датчиках на специальных поверхностных акустических волнах;

в ультразвуковых линиях задержки специальных электронной аппаратуры;

в приборах на эффекте специальных поверхностных акустических волн;

в пьезотрансформаторах с целью изменения напряжения высокой частоты;

в 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 выделим:

длительный срок службы;

небольшие габариты;

мобильность;

отсутствие отходов и загрязнений окружающей среды;

независимость от погодных и природных условий;

не требует выделения дополнительных площадей;

универсальность.

Отличное решение в качестве источника электричества, 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 пьезоэлектрические генераторы, в большинстве случаев составляет 1,6 В.

Среди недостатков пьезогенераторов отметим:

небольшой ток; пьезогенератор является преобразователем, но не источником электроэнергии;

выработка электрического заряда только в момент механического воздействия; ток идёт краткосрочный, что требует внедрение в ряд устройств дополнительных элементов; в результате конструкция усложняется, утрачивает свою надёжность;

на текущий момент времени пьезоэлектрические генераторы не могут использоваться для питания мощных устройств.

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 человека. Вырабатываемой энергии будет достаточно для зарядки аккумуляторов планшетов, ноутбуков, других устройств

Сегодня проводятся опыты по созданию систем с пьезогенераторами, которые могли бы получать энергию от движущегося автотранспорта. 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 перспективы открываются благодаря созданию плоских миниатюрных «наногенераторов», которые могут при тряске, сгибании или сжатии вырабатывать то же напряжение, что и стандартная батарейка АА.

Список использованных источников

1. Боргман, Основания учения об электрических и магнитных явлениях (в редакции от 2004г) (т. I) 348 с.;

2. Ландау, Л.Д., Лифшиц, Е.М. Теория поля. – Издание 7-е, исправленное. – М.: Наука, 1988. (в редакции 2002г) – 512 с. – («Теоретическая физика», том II).

3. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. – М.: Высшая школа, 2003. – 463 с.

4. Пьезогенераторы. Устройство и принцип действия. Применения и особенности [Интернет-ресурс]. Режим доступа https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/jelektropitanie/pezogeneratory/

5. Пьезоэлектрический эффект // Википедия [Интернет-ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%8C%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82.

1^ Кюри // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). – СПб.: 1890–1907.

2^ То́чка Кюри́, или температу́ра Кюри́, – температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества (например, магнитной – в ферромагнетиках, электрической – в сегнетоэлектриках, кристаллохимической – в упорядоченных сплавах). Термин происходит от имени исследователя П. Кюри.

Код для цитирования: Скопировать