Пьезокристалл что это такое
Что такое пьезоэлементы, и где они применяются
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.
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.
Пьезоэлемент
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.
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
Диммер – что это, принцип действия светорегулятора, преимущества и недостатки, область применения, схема подключения устройства
Как работает пьезоэлемент
Пьезоэлектрический преобразователь
Пьезоэлектрическая пластина представляет собой устройство, которое использует пьезоэлектрический эффект для измерения давления, ускорения, деформации или силы путем преобразования их в электрический заряд.
Пьезоэлектричество — это электричество, генерируемое пьезоэлементом, эффект которого называется пьезоэлектрическим эффектом. Это способность некоторых материалов генерировать напряжение переменного тока (переменного тока) при механическом напряжении или вибрации или вибрировать при воздействии переменного напряжения или и то и другое. Наиболее распространенным пьезоэлектрическим материалом является кварц.
Этот эффект оказывает определенная керамика, соли Рошеля и другие другие твердые вещества. Когда звуковая волна ударяет по одной или обеим сторонам пластин, пластины вибрируют. Кристалл поднимает эту вибрацию, что приводит к слабому напряжению переменного тока. Следовательно, между двумя металлическими пластинами возникает напряжение переменного тока, с формой волны, подобной форме звуковых волн. И наоборот, если к пластинам подается сигнал переменного тока, это заставляет кристалл вибрировать синхронно с сигнальным напряжением. В результате металлические пластины также вибрируют и создают акустические помехи.
Практически каждый человек хотя бы один раз в жизни пользовался газовой зажигалкой, например моделью IMCO TRIPLEX, с пьезоэлементом. Это простое в исполнении и полезное в быту устройство позволяет добывать огонь всего одним щелчком. Огонь образуется из-за возгорания газа при контакте с электрическим разрядом, производимым пьезоэлементом зажигалки при нажатии на соответствующую клавишу.
При нажатии кнопки на пьезозажигалке мы слышим треск искры, далее газовая горелка разгорается.
Механизм действия пьезоэлемента
Использование пьезоэлемента для других целей
Необходимые материалы для изготовления минипушки:
1. любая бутылка
2. корпус шариковой ручки
3. пьезоэлемент из старой зажигалки
4. термоклей
5. ножницы
6. спрей для волос
Шаг 1: Берем ручку и вынимаем колпачки с 2—ух сторон.
Шаг 2: Собираем минипушку.
Сначала берем бутылку от лекарства и делаем отверстие для того чтобы вставить
туда корпус авторучки, далее с использованием термоклея делаем соединение
Затем ножницами делаем два отверстия в боковой части бутылки из—
под лекарства, там будут проходить провода пьезоэлемента.
Затем помещаем пъезолемент с проводами в отверстия, приклеиваем
с использованием термоклея пьезоэлемент и провода к бутылке.
Шаг 3: Испытания.
Берем спрэй для волос и распыляем 2 раза по 2— сек. внутрь бутылки.
Сделаем небольшие пульки из скатанных бумажек и помещаем их внутрь емкости.
Далее нажимаем на кнопку пьезоэлемента
и наши бумажные пульки отлетают на достаточное расстояние!
Также вы можете посмотреть и видео изготовления минипушки:
Настоящего электрошокера сделать не получится, а вот подшутить над одноклассниками — вполне реально.
Как сделать слабый шокер своими руками в домашних условиях с использованием пьезоэлемента?
Еще один способ изготовления мини электрошокера, для этого потребуется:
— пьезоэлемент (вынутый из зажигалки),
— металлическая ручка,
— фольга,
— пассатижи.
Разбираем ручку, все детали ручки должны быть металлические. Выводной провод тока пьезоэлемента подкручиваем и вставляем в стержень пасты. И далее собираем, как показано на видео.
А дальше можете подшутить над другом — предложить ему попользоваться вашей ручкой.
Ток будет слабым, а эффект от неожиданности — очень сильным!
Удачных вам экспериментов, друзья.
Пьезоэлектрический генератор электрической мощности
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.
Описание и свойства
Пьезоэлектрики — кристаллы (пьезокристаллы), которые обладают (наделены) свойством при сжатии продуцировать электрический заряд (прямой пьезоэффект) или обратным свойством под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект).
Пьезоэлектричество открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг.
Исполнительные устройства — конвертируют электрическую энергию в механическую.
Сенсоры (датчики, генераторы), наоборот, конвертируют механическую энергию в электрическую.
Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы.
Однослойные — под воздействием электричества изменяются в ширину, длину и толщину. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество.
Двухслойные — могут быть использованы как однослойные, могут сгибаться или удлиняться. «Сгибатели» создают наибольшую величину перемещения относительно других видов, а «расширители», будучи более упругими, развивают гораздо большее усилие при гораздо меньшем перемещении.
Многослойные — развивают наибольшую силу при минимальном перемещении (изменении формы).
Что такое пьезоэлектрический эффект?
Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что при давлении на кварц или отдельные кристаллы образуется электрический заряд. Позже это явление получило название пьезоэлектрического эффекта.
Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это было после приложения к материалу или кристаллу электрического поля, которое привело к механической деформации объекта.
Термин пьезоэлектричество происходит от греческого слова «пьезо», что обозначает сжатие. Стоит отметить, что от греческого слова «янтарь» происходит слово «электричество». Янтарь тоже может быть источником электрической энергии.
Многие современные электронные устройства используют пьезоэлектрический эффект для своей работы. Например, при использовании некоторых устройств распознавания звука микрофоны, которые они используют, работают на основе упомянутого выше эффекта. Пьезоэлектрический кристалл превращает энергию вашего голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства.
Создание некоторых продвинутых технологий тоже стало возможно благодаря пьезоэлектрическому эффекту. Например, мощные гидролокаторы используют маленькие чувствительные микрофоны и керамический звуковой датчик, созданные на основе пьезоэлектрического эффекта.
Прямой пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрический материал (керамический или кристаллический) помещают между двумя металлическими пластинами. Для генерации электрического заряда необходимо приложить механическое усилие (сжать или разжать). При приложении механического усилия на металлических пластинах начинает скапливаться электрический заряд:
Таким образом, пьезоэлектрический эффект действует как миниатюрный аккумулятор. Микрофоны, датчики давления, гидролокаторы и другие чувствительные устройства используют этот эффект для своей работы.
Обратный пьезоэлектрический эффект
Выше упоминалось, что существует и 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 (известный как цирконат-титанат свинца), титанат бария, ниобат лития – примеры искусственных пьезоэлектрических материалов, обладающих более ярко выраженным эффектом, чем кварц и другие природные материалы.
Давайте сравним искусственно полученный цирконат-титанат свинца ЦТС и природный элемент кварц. Итак, ЦТС способен вырабатывать гораздо большее напряжение при одинаковой деформации. Соответственно при обратном эффекте он склонен к большей деформации при одном и том же напряжении. Кварц – первый известный пьезоэлектрический материал.
ЦТС производится при высоких температурах с двух химических элементов – свинца и циркония, с добавлением химического соединения под названием титанат. Химическая формула ЦТС Pb[Zr(x)Ti(1-x)]O3. Он широко используется для производства ультразвуковых преобразователей, керамических конденсаторов, датчиков и других электронных устройств. Он также имеет специфический диапазон различных свойств. Впервые был изготовлен в 1952 году в Токийском технологическом институте.
Титанат бария представляет собой сегнетоэлектрический керамический материал с пьезоэлектрическими свойствами. По этой причине титанат бария использовался в качестве пьезоэлектрического материала больше, чем другие. Титанат бария был открыт в 1941 году во время Второй мировой войны и имеет химическую формулу BaTiO3.
Ниобат лития – соединение, сочетающее в себе кислород, литий и ниобий. Имеет химическую формулу LiNbO3. Как и титанат бария, является сегнетоэлектрическим керамическим материалом.
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:
А 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.