Un traductor electromecanic realizat din materiale piezoelectrice de o anumită formă și orientare față de axele cristalografice, cu ajutorul căruia energia mecanică este transformată în energie electrică (efect piezoelectric direct), iar energia electrică în energie mecanică (efect piezoelectric invers).

Din punct de vedere structural, elementul piezoelectric este un piezoceramic cu electrozi aplicați. Piezoelementele pot fi de diferite forme: sub formă de discuri, inele, tuburi, plăci, sfere etc. Pentru vibratoare și generatoare, piezoelementele sunt combinate într-o stivă piezoelectrică pentru a obține caracteristici mai bune.

Schimba culoarea

Diametru: 10 mm
Grosime: 1 mm
Material: TsTS-26
Tensiune: 5V
Frecvența de excitare: 1MHz
Scala de oscilație: 30000:1

Vedeți fluctuațiile

Opriți vibrațiile

Figura - Vibrația unui element piezoelectric liber sub influența tensiunii (efect piezoelectric invers)

Efect piezoelectric

substanțe piezoelectrice ( piezoelectrice), în special piezoceramica, au proprietatea că atunci când sunt deformate sub influența presiunii mecanice exterioare, pe suprafața lor apar sarcini electrice. Acest efect se numește efect piezoelectric directși a fost descoperit în 1880 de frații Curie.

Referinţă: Prima lucrare a lui Jacques și Pierre Curie despre piezoelectricitate a fost prezentată Societății Mineralogice din Franța (Societe mineralogique de France) la o sesiune din 8 aprilie 1880 și mai târziu Academiei des Sciences la o sesiune din 24 august 1880. Pierre și Jacques Curie au descoperit pentru prima dată efectul piezoelectric direct în cristale turmalina. Ei au observat că dacă se aplică presiune mecanică asupra unui cristal într-o anumită direcție, sarcini electrice apar pe părțile opuse ale cristalului, proporționale cu presiunea și de polaritate opusă. Mai târziu au descoperit un efect similar în cuarț și alte cristale. În 1880, Pierre Curie avea doar 21 de ani.

Curând după aceasta (în 1881) a fost confirmată şi efect piezoelectric invers, și anume că o substanță situată între doi electrozi reacționează la o tensiune electrică aplicată acesteia schimbându-i forma. Primul efect este utilizat în prezent pentru măsurători, iar al doilea este folosit pentru a excita presiuni mecanice, deformații și vibrații.

Studii mai detaliate ale efectului piezoelectric au arătat că acesta se explică prin proprietatea celulei unitare a structurii materialului. În acest caz, celula unitară este cea mai mică unitate simetrică de material, din care se poate obține un cristal microscopic repetându-l de mai multe ori. S-a demonstrat că o condiție prealabilă necesară pentru apariția efectului piezoelectric este absența unui centru de simetrie în celula unitară.

Proprietățile piezoceramice

Relația dintre forța aplicată și răspunsul rezultat al elementului piezoelectric depinde de: proprietățile piezoelectrice ale ceramicii piezoelectrice, dimensiunea și forma probei și direcția excitației electrice și mecanice.

Prin natura lor, materialele piezoelectrice sunt cristale anizotrope. arată diferitele direcții și axe de orientare ale materialului piezoelectric. Axele 1, 2 și 3 sunt analogii corespunzători ai axelor X, Y, Z ale sistemului de coordonate ortogonal clasic, în timp ce axele 4, 5 și 6 definesc axele de rotație. Direcția axei 3 este direcția de polarizare. Această direcție este stabilită în timpul producției prin intermediul unei tensiuni constante ridicate care se creează între electrozi.

Caracterizat prin următoarele proprietăți:

Constanta dielectrică relativă este raportul dintre constanta dielectrică a materialului (în acest caz și ) și constanta dielectrică a vidului ()

unde = 8,85 10 -12, F/m

Superscriptul arată condițiile la limită care acționează asupra materialului în procesul de determinare a valorii constantei dielectrice relative. În special, indicele T (în acest caz) indică faptul că constanta dielectrică este măsurată pe o probă liberă (neprinsă). Iar indicele S arată că măsurătorile au loc sub deformarea constantă a piezoceramicelor (în stare prinsă). Primul indice arată direcția deplasării dielectrice, iar al doilea - câmpul electric. Formula de calcul a constantei dielectrice relative este următoarea:

Frecvența naturală a plăcii de-a lungul grosimii se calculează folosind următoarea formulă

unde c este viteza sunetului în material, m/s

Faceți clic aici pentru a vizualiza oscilațiile elementului piezoelectric!

Frecvența de excitare f=25kHz
Scară de oscilație 200000:1

Frecvența de excitare f=73,6 kHz
Scară de oscilație 10000:1

Frecvența de excitare f=280kHz
Scară de oscilație 10000:1

Figura 4 - Răspunsul amplitudine-frecvență al elementului piezoelectric. Tipuri de vibrații la frecvențe diferite

Coeficienții de cuplare electromecanic k p, k 33, k 15, k t și k 31 descriu capacitatea unui element piezoelectric de a converti energia din electric în mecanic și invers. Pătratul coeficientului de cuplare electromecanic este definit ca raportul dintre energia convertită acumulată de un tip (mecanic sau electric) și energia de intrare a celui de-al doilea tip (electric sau mecanic). Indicele arată direcțiile relative ale mărimilor electrice și mecanice și tipul de vibrații. Ele pot fi asociate cu modul de oscilație al unui traductor simplu de o anumită formă. k p înseamnă relația dintre energia electrică și cea mecanică într-un disc rotund subțire, polarizat în grosime și oscilant în direcția radială - mod plan (). k 31 se referă la o bară lungă și subțire cu electrozi pe o suprafață lungă. Tipul de vibrație este tensiune și compresie de-a lungul lungimii (). k t este asociat cu un disc sau placă subțire și determină tensiunea de compresie de-a lungul grosimii (). k 33 corespunde unei bare lungi și subțiri cu electrozi la capete și polarizați pe lungimea sa. Tipul de oscilații este întinderea și compresia de-a lungul lungimii (). k 15 descrie energia convertită în vibrații de forfecare de-a lungul grosimii ().

Acest coeficient poate fi calculat prin frecvențele rezonante și antirezonante folosind formula.

, (4)

Pentru a măsura aceste frecvențe, se folosește de obicei, cu care se poate obține dependența rezistenței de frecvența piezoceramicelor ().

Prin natură, frecvența de rezonanță apare atunci când sistemul are o rezistență foarte mică, în timp ce antirezonanța apare atunci când sistemul are o rezistență foarte mare. Frecvența care are rezistența minimă este considerată rezonantă (), iar frecvența cu rezistență maximă este considerată antirezonantă ().

Figura 5 – Tipuri de vibrații ale mostrelor piezoceramice de diferite forme

Proprietățile elastice ale materialelor piezoelectrice sunt caracterizate prin complianță elastică () sau rigiditate elastică (). Conformitatea elastică determină cantitatea de deformare care apare sub influența solicitărilor mecanice aplicate. Datorită faptului că, sub influența solicitărilor mecanice, ceramica generează un răspuns electric care contracarează deformarea rezultată, modulul efectiv de Young atunci când electrozii sunt scurtcircuitați este mai mic decât în ​​condiții de gol. În plus, rigiditatea variază în direcții diferite, astfel încât condițiile electrice și mecanice sunt specificate pentru a determina cu exactitate valoarea. Superscriptul E indică faptul că măsurătorile au loc într-un câmp electric constant (scurtcircuit). În timp ce indicele D indică condiția la limită - deplasarea electrică constantă (inducție), adică măsurătorile au loc la ralanti. Primul număr inferior arată direcția deformarii, al doilea direcția tensiunii mecanice.

Modulul piezoelectric d – raportul dintre efortul mecanic și câmpul electric aplicat (C/N)

Este util să ne amintim că valorile mari ale d ij au ca rezultat deplasări mecanice mari, ceea ce se realizează de obicei la proiectarea traductoarelor cu ultrasunete. d 33 este utilizat când forța este direcționată în direcția axei de polarizare (). d 31 este utilizat atunci când o forță este aplicată în unghi drept față de axa de polarizare și o sarcină apare pe electrozi, la fel ca în cazul precedent (). d 15 arată că sarcina se acumulează pe electrozii care sunt în unghi drept față de electrozii polarizați originali și că vibrațiile mecanice rezultate sunt forfecare ().

Constanta de presiune piezoelectrică g ij este raportul dintre tensiunea rezultată și presiunea aplicată.

, (6)

Indicele „33” arată că câmpul electric și solicitarea mecanică sunt direcționate de-a lungul axei de polarizare. Indicele „31” înseamnă că presiunea este aplicată în unghi drept față de axa de polarizare, iar tensiunea este îndepărtată de la aceiași electrozi ca în cazul lui „33”. Indicele „15” implică faptul că tensiunea aplicată este forfecare și câmpul electric rezultat este perpendicular pe axa de polarizare. O valoare mare a lui g ij duce la tensiuni de ieșire ridicate, ceea ce este de dorit pentru senzori.

Raportul lui Poisson este raportul dintre compresia laterală relativă și alungirea longitudinală relativă corespunzătoare

, (7)

Coeficientul de temperatură arată modificarea diferitelor proprietăți ale materialelor (frecvență de rezonanță, capacitate, dimensiuni) cu schimbările de temperatură

, (8)

, (9)

, (10)

Rata de îmbătrânire este o măsură a modificării frecvenței de rezonanță și capacității în timp. Pentru a calcula această rată, după polarizare, electrozii traductorului sunt conectați împreună și proba este încălzită pentru o anumită perioadă de timp. Frecvența de rezonanță și capacitatea sunt măsurate la fiecare 2 n (1,2,4 și 8) zile. Rata de îmbătrânire se calculează folosind următoarea formulă:

, (11)

Factorul de calitate este o caracteristică cantitativă a proprietăților rezonante ale sistemelor oscilatoare, indicând de câte ori amplitudinea oscilațiilor forțate la rezonanță depășește amplitudinea oscilațiilor forțate la o frecvență mult mai mică decât cea rezonantă cu aceeași amplitudine a forței de excitare. Factorul de calitate este egal cu raportul dintre frecvența naturală a sistemului de rezonanță și lățimea benzii de frecvență, la limitele căreia energia sistemului în timpul oscilațiilor forțate este jumătate decât energia la frecvența de rezonanță.

Figura 7 – Pulbere pentru realizarea unui element piezoelectric

Proces de fabricație piezoceramice este împărțit în mai multe etape. Când se realizează sinteza unui compus feroelectric dat, materiile prime inițiale (oxizi sau săruri, de exemplu, dioxid de titan și oxid de bariu) sunt zdrobite și amestecate în cantități corespunzătoare compoziției stoechiometrice a compusului și apoi supuse tratamentului termic. la temperaturi de 900 - 1300 ° C, timp în care sinteza chimică. Se folosește și așa-numita metodă de precipitare din soluții apoase, în care temperatura de sinteză, datorită amestecării ideale a componentelor, este redusă la 750 - 1000 ° C. Din materialul sintetizat sub formă de pulbere, presarea (precum și turnarea prin injecție) produce semifabricate cu configurația și dimensiunea necesară pentru viitoarele elemente piezoelectrice, care sunt apoi arse după un regim de temperatură strict definit, care determină în mare măsură proprietățile piezoceramicelor. Prelucrarea mecanică a piesei după ardere îi conferă o formă și o dimensiune precis specificate. Pe piesa se aplica electrozi din argint, nichel, platina etc., iar metoda cea mai folosita este arderea in argint. Pentru polarizarea ceramicii, electrozilor se aplică tensiune electrică (intensitatea câmpului E variază de la 0,5 la 3 kV/mm în funcție de compoziția chimică și metoda de polarizare). Pentru a reduce intensitatea câmpului E în timpul polarizării, proba este încălzită la temperaturi apropiate de punctul Curie (deoarece domeniile au o mobilitate mai mare) și apoi răcită lent în prezența unui câmp. Piezoceramica se caracterizează prin așa-numita. îmbătrânirea, adică o modificare a parametrilor săi (constantă dielectrică, module piezoelectrice) în timp, vizibilă mai ales în primele zile după fabricare și polarizare a probelor, care este cauzată de modificările ambelor tensiuni mecanice la granițele dintre boabe și magnitudinea polarizării reziduale.

Aplicarea piezoceramicelor

Materialele piezoelectrice și-au găsit aplicații într-o gamă largă de aplicații, cum ar fi instrumentele medicale, controlul proceselor industriale, sistemele de fabricare a semiconductoarelor, aparatele electrice de uz casnic, sistemele de control al comunicațiilor, diverse instrumente și alte domenii. Sistemele comerciale care folosesc materiale piezoelectrice sunt pompele, mașinile de cusut, senzorii (presiune, gheață, viteze unghiulare etc.), instrumente optice, imprimante laser, motoare de autofocus pentru camere și multe altele. În același timp, domeniul de aplicare al acestor materiale este în continuă creștere. Aplicarea unui element piezo de obicei se rezumă la patru categorii: senzori, generatoare, actuatoare și convertoare.

În generatoare Materialele piezoelectrice pot genera o tensiune suficientă pentru a crea o scânteie între electrozi și astfel pot fi folosite ca electrozi pentru aprinderea combustibililor, pentru sobe cu gaz și pentru echipamente de sudare. Alternativ, energia electrică generată de elementele piezoelectrice poate fi stocată. Astfel de generatoare fac baterii cu stare solidă excelente pentru circuite electronice.

În senzori, Materialele piezoelectrice convertesc parametrii fizici precum accelerația, presiunea și vibrația într-un semnal electric.

În motorizări, Materialele piezoelectrice transformă un semnal electric într-o deplasare fizică controlată cu precizie, stabilind precis precizia instrumentelor mecanice, lentilelor și oglinzilor.

În convertoare, traductoarele piezoelectrice pot genera atât un semnal ultrasonic din energia electrică, cât și pot transforma vibrațiile mecanice primite în cele electrice. Instrumentele piezoelectrice sunt concepute pentru a măsura distanțe, debite și niveluri de lichid. Traductoarele sunt, de asemenea, utilizate pentru a genera vibrații ultrasonice pentru curățare, găurire, sudare, șlefuire a ceramicii și pentru diagnosticare medicală.

16 februarie 2016 la 20:06

Generator de energie electrică piezoelectrică

• Hardware de calculator

Până de curând, entuziasmul din lume cu privire la crearea surselor de energie piezoelectrică nu a fost caracterizat de un nivel ridicat de propuneri inventive. De exemplu, oamenii de știință israelieni propun instalarea unor elemente piezoelectrice pe suprafața drumului și utilizarea energiei mașinilor care trec. În Japonia, podeaua uneia dintre holurile de metrou este acoperită cu elemente piezoelectrice. Acestea și proiectele de generatoare de tensiune similare nu rezistă criticilor din punct de vedere economic. Motivul este acesta.

Un clic al brichetei electrice, care durează aproximativ 0,1 nanosecunde, eliberează mai mult de 2 megawați de putere. Adică puterea pe secundă este de 0,2 wați. Dacă ai putea face 1000 de clicuri pe secundă, ai obține 200 de wați de putere. Puterea este mare, dar cum să faci 1000 de clicuri pe secundă. Acest lucru este imposibil, dar este posibil să apăsați un element piezoelectric pe o roată rotativă lină de 20 sau mai mult de 20 de mii de ori, provocând vibrații ultrasonice în ea.

Acest lucru este cel puțin dovedit de figura de mai jos (Fig. 1). Treizeci de wați de putere preluați de la elementul piezoelectric (wați pe gram de element piezoelectric) în mod continuu la o tensiune de 300V a fost suficient pentru a alimenta o lampă fluorescentă. Pentru a face acest lucru, energia roții rotative este convertită în vibrații ultrasonice de îndoire ale unui diapazon realizat la un capăt al pachetului Langevin și apoi, datorită efectului piezoelectric, în vibrații electrice de înaltă frecvență.

Adică, cu ajutorul piezoelementelor este posibil să se creeze nu numai generatoare electrice de tensiune, ci și generatoare de energie.

Ideea de a folosi un motor piezoelectric ca generator de energie (Fig. 2) a fost de mult ignorată. Motivul este că, conform acestei idei, un tip de vibrație trebuie excitat forțat într-una dintre părțile elementului piezoelectric. Să numim această parte excitatorul. Pentru aceasta, pe lângă acțiunea mecanică, se folosește o sursă de alimentare separată. Al doilea tip de vibrații ar trebui să fie generat într-o altă parte a elementului piezoelectric, din cauza rotației forțate a rotorului. Să numim această parte a elementului piezoelectric generator.

Testele prototipurilor au confirmat posibilitatea de a genera energie în generator. Dar puterea generatorului trebuie să fie de câteva ori mai mare decât puterea luată de la sursa de alimentare a excitatorului. Altfel, un astfel de generator nu are rost. Acesta este exact ceea ce nu a funcționat mult timp.

Abia relativ recent, Vyacheslav Lavrinenko, inventatorul unui motor piezoelectric, pensionar, lucrând acasă, după ce a selectat cu atenție materialele elementului piezoelectric și perechile de contact, a reușit să obțină putere utilă la o sarcină de câteva ori mai mare decât puterea luată de la o sursă de alimentare suplimentară. A devenit posibilă direcționarea unei părți din puterea generatorului către excitator și îndepărtarea sursei suplimentare. A rezolvat această problemă în două moduri.

Conform primei metode, am măsurat amplitudinea și faza la intrarea excitatorului și, folosind elemente reactive, am ajustat tensiunea la ieșirea generatorului la aceeași amplitudine și fază. Adică, ca și în generatoarele electrice convenționale, au fost îndeplinite condițiile pentru echilibrul de amplitudine și fază. Când aceste condiții au fost îndeplinite, ieșirea a fost conectată la intrare.

Conform celei de-a doua metode, tensiunea de la generator a fost convertită în tensiune continuă, care a alimentat un amplificator de putere și un generator de tensiune alternativă de putere mică. Deoarece a fost posibil să se obțină în mod constant o putere utilă cu 0,2 Watt per gram de element piezoelectric, Lavrinenko a descoperit un efect interesant, comparabil în fizică cu descoperirea, pe care a formulat-o după cum urmează:

În două rezonatoare de oscilații acustice reciproc perpendiculare combinate într-un singur corp, cu frecvențele de rezonanță deplasate unul față de celălalt pentru a crea o schimbare de fază între oscilații, atunci când sunt excitate, oscilații reciproc transversale sunt generate spontan la o frecvență între frecvențele de rezonanță menționate în timpul frecării. interacțiunea unui corp cu un alt corp, de exemplu, cu o roată care se rotește.

Adică, în timpul interacțiunii de frecare a corpurilor menționate, există un feedback pozitiv. Apariția vibrațiilor aleatorii formează o elipsă, ale cărei dimensiuni cresc pe măsură ce roata se rotește. În mod similar, într-un amplificator de tensiune electrică, înconjurat de feedback pozitiv, oscilațiile electrice sunt excitate spontan, iar energia sursei de tensiune continuă este convertită în tensiune alternativă. Dependența acestei tensiuni de viteza de rotație are forma prezentată în Fig. 3.

Efectul descoperit simplifică foarte mult ideea de a crea generatoare de energie piezoelectrică, iar o putere de 5 wați pe gram de element piezoelectric devine destul de realistă. Dacă vor avea avantaje față de generatoarele electromagnetice se poate spune doar în timp, întrucât sunt studiate, deși unele dintre ele pot fi deja discutate.

Absența cuprului și a înfășurărilor înseamnă fiabilitate în condiții de umiditate ridicată. Absența metalelor grele (cupru și aliaje de fier) ​​înseamnă parametri specifici înalți. Semnalul de înaltă frecvență obținut la ieșire poate fi ușor transformat pentru a se potrivi oricărei sarcini. Și principalul avantaj este că nu este necesară o cutie de viteze pentru nicio viteză de rotație a roții. Este suficient doar să calculați corect diametrul roții.

Dacă este imposibilă utilizarea panourilor solare, generatoarele piezoelectrice, folosind energie, muşchi sau vânt, le pot înlocui, de exemplu, pentru a încărca bateriile laptopurilor, tabletelor etc. Deşi relevanţa direcţiei este evidentă, dezvoltarea acesteia necesită sprijin financiar suficient, care, ca și multe proiecte din țările noastre, nu există încă.

acum 2 ani

Piezoelectricii sunt dielectrici în care apare efectul piezoelectric, adică acei dielectrici care, sub influența deformării, pot induce o sarcină electrică pe suprafața lor (efect piezoelectric direct) sau se pot deforma sub influența unui câmp electric extern (efect piezoelectric invers). ). Ambele efecte au fost descoperite de frații Jacques și Pierre Curie în 1880-1881.

Piezoelectricele sunt utilizate pe scară largă în tehnologia modernă ca elemente ale senzorilor (de exemplu, presiunea). Există detonatoare piezoelectrice, surse de sunet de mare putere, transformatoare miniaturale, rezonatoare de cuarț pentru generatoare de frecvență foarte stabile, filtre piezoceramice, linii de întârziere cu ultrasunete și multe altele. Pe lângă cuarțul cristalin, cele mai utilizate în aceste scopuri sunt piezoceramica polarizată din feroelectrici policristalini din titanat de zirconat de plumb.

Cel mai simplu mod de a înțelege acest proces este să folosiți exemplul unui element piezoelectric într-o brichetă, care este un mic cristal de cuarț cu proprietăți piezoelectrice. Dacă unui astfel de cristal i se aplică o tensiune, rețeaua cristalină este deformată și dimensiunile cristalului se modifică. Așa apare efectul piezoelectric direct.

Dacă stoarceți sau întindeți un cristal de cuarț, se creează tensiune pe suprafața acestuia. Acesta este așa-numitul efect piezoelectric invers. Elementele piezoelectrice, care induc o sarcină electrică atunci când sunt supuse deformării, au fost folosite de multă vreme pentru a transforma energia mecanică în electricitate. De exemplu, pe ringurile de dans și în parcări.

Cu toate acestea, vă asigurăm că potențialul acestor materiale nu se limitează la asta. De exemplu, oamenii de știință europeni și-au prezentat dezvoltarea la întâlnirea internațională a dispozitivelor electronice. Au demonstrat un dispozitiv prototip cu dimensiunile unei micromașini.

Pentru a face acest lucru, au folosit nitrură de aluminiu ca element piezoelectric în loc de titanatul tradițional de zirconat de plumb. Acest prototip funcționează ca un senzor de temperatură fără fir care absoarbe energia de la toate tipurile de vibrații și transmite date către o stație de bază la fiecare 15 secunde.

Astăzi, instalarea traductoarelor piezoelectrice pe avioanele cu reacție permite economisirea de până la 30% din combustibil datorită vibrațiilor fuzelajului și aripilor aeronavei. Philips a creat un semafor a cărui baterie este încărcată de zgomot. Nu este greu de presupus că astfel de evoluții vor apărea din ce în ce mai des. Domeniul de aplicare al acestora se va extinde semnificativ în viitor.

Experții spun cu îndrăzneală că în viitorul apropiat deficitul de capacitate va dispărea cu totul. La urma urmei, dacă există un element piezoelectric, atunci este posibil să extrageți electricitate din mașinile în mișcare și din oamenii care merg pe jos. Chiar și conform estimărilor conservatoare, se dovedește că de la zece kilometri dintr-un drum piezo cu două benzi va fi posibil să obțineți aproximativ cinci megawați pe oră! Pentru a avea o idee despre cât de mult este aceasta, este suficient să ne amintim că aceasta este exact ceea ce produce prima centrală nucleară din Obninsk.

- capacitatea unor materiale de a genera o sarcină electrică ca răspuns la solicitarea mecanică aplicată.

Cristale piezoelectrice spectacol efect piezoelectric.
Acest efect are două proprietăți:
Primul- efect piezoelectric direct, ceea ce înseamnă că materialul are capacitatea de a transforma deformarea mecanică în sarcină electrică.
Al doilea- efectul opus, în care potențialul electric aplicat este transformat în energie de deformare mecanică. Elementul piezo al unei brichete este un exemplu al acestui efect.

Traductor piezoelectric

Placă piezoelectrică este un dispozitiv care folosește efectul piezoelectric pentru a măsura presiunea, accelerația, deformarea sau forța prin transformarea acesteia într-o sarcină electrică.

Piezoelectricitate este electricitatea generată de un element piezoelectric, al cărui efect se numește efect piezoelectric. Este capacitatea unor materiale de a genera tensiune de curent alternativ (AC) atunci când sunt supuse la solicitări mecanice sau vibrații, sau de a vibra atunci când sunt supuse la tensiune alternativă, sau ambele.
Cel mai comun material piezoelectric este cuarțul.

Anumite ceramică, săruri Rochelle și alte solide au acest efect. Când o undă sonoră lovește una sau ambele părți ale plăcilor, plăcile vibrează. Cristalul ridică această vibrație, ceea ce duce la o tensiune alternativă slabă. În consecință, între cele două plăci metalice se generează o tensiune de curent alternativ, cu o formă de undă similară cu cea a undelor sonore.

În schimb, dacă pe plăci este aplicat un semnal de curent alternativ, acesta face ca cristalul să vibreze sincronizat cu tensiunea semnalului. Drept urmare, plăcile metalice vibrează și creează interferențe acustice.
Aproape fiecare persoană a folosit cel puțin o dată în viață o brichetă pe gaz, de exemplu modelul IMCO TRIPLEX, cu element piezo. Acest dispozitiv simplu și util vă permite să porniți un foc cu un singur clic. Se formează un incendiu din cauza aprinderii gazului la contactul cu o descărcare electrică produsă de elementul piezoelectric al brichetei atunci când este apăsată tasta corespunzătoare.

Când apăsăm butonul de pe bricheta piezo, auzim trosnetul unei scântei, apoi arzătorul pe gaz se aprinde.

În ce constă o brichetă piezo?

Carcasa din plastic conține un bloc de element piezoelectric și fire, care sunt folosite ca electrozi.

Mecanismul de acțiune al elementului piezoelectric

Baza- acesta este un bloc al unui element piezoelectric care trimite o forță de presiune de la buton către elementul piezoelectric în sine. Componenta principală a elementului piezoelectric este piezocristal. Aceasta este o placă tăiată dintr-un cristal de cuarț. Funcția sa este de a converti deformația mecanică în tensiune electrică . Placa este foarte dura, poate rezista la îndoire și compresie semnificativă și produce tensiune înaltă.
Când apăsați ușor cristalul, tensiunea de ieșire va fi mică, dar va fi de lungă durată. Când apăsați cristalul cu aceeași forță, dar rapid și instantaneu, tensiunea de ieșire este mai puternică, dar va fi instantanee.
Prin urmare, această proprietate a cristalului este folosită pentru a crea o scânteie într-o brichetă piezo . Pentru a schimba forța de impact de la neted la ascuțit, bricheta are un mecanism: un arc elastic, care se află sub butonul piezo-brichetei. Prin apăsarea butonului, arcul este de asemenea comprimat. După ce ați apăsat butonul până la capăt, arcul se deplasează înapoi pârghia pe care se sprijină. După aceasta, arcul se îndreaptă brusc. La celălalt capăt al arcului se află un ciocan de metal, care, când arcul se deschide, lovește cu mare viteză cristalul. Pe spatele cristalului se afla o captuseala metalica care impiedica miscarea cristalului datorita miscarii ciocanului.
Rezultatul este un impact instantaneu și puternic asupra cristalului, care provoacă o scânteie.

Meșterii au învățat să-l folosească la repararea (mai precis, la „uciderea”) smartphone-urilor sau telefoanelor mobile. Apare imediat o întrebare logică: de ce și-ar rupe smartphone-ul un individ cu un sistem nervos sănătos? Situația poate varia. Cineva vrea sa returneze telefonul in garantie pentru ca nu ii mai place. Cineva tocmai a decis să-și bată joc de prietenul său.

Pauză, nu face

Descărcarea de curent produsă de elementul piezoelectric al brichetei poate sparge smartphone-ul. Va fi suficient să „faceți clic” pe conectorii metalici ai gadgetului, pe intrarea pentru căști și pe părțile expuse ale plăcii de 8-12 ori. Dacă este expus la acest lucru, telefonul va refuza să funcționeze. În acest caz, nu vor exista daune vizibile sau elemente topite. Acum poți să-ți duci cu plăcere gadgetul spart la salon și să ceri o rambursare. Centrul de service nu ar trebui să înțeleagă nimic.

Dar elementul piezoelectric al unei brichete cu gaz nu poate dezactiva „dialerele” obișnuite fabricate în RPC. Nu știu de ce, dar chiar și după 50 de șocuri cu un curent slab, telefonul cu buton a continuat să funcționeze corect.

Utilizarea unui element piezoelectric în alte scopuri

• ca sursă de înaltă tensiune în experimentele de fizică,
• pentru dezactivarea electronicelor de acasă(Acesta este deja huliganism!), Făcând clic de mai multe ori pe conectorii metalici ai echipamentului, este puțin probabil ca cineva să ghicească care este cauza defecțiunii, deoarece va arăta ca o defecțiune,
• meșterii pot face pistol magnetic.

CU GRIJA! Nu-l îndrepta în față, nu trage în oameni!

Realizarea unui minipistol magnetic

Necesar materiale pentru fabricarea unui minipistol:
1 . orice sticla

2. corp pix

3. element piezoelectric de la o brichetă veche
4 . adeziv topit la cald
5 . foarfece
6. fixativ pentru păr

Pasul 1: Luați mânerul și îndepărtați capacele de pe ambele părți.

Pasul 2: Asamblarea minipistolului.

În primul rând, luăm o sticlă de medicament și facem o gaură pentru a introduce corpul unui stilou acolo, apoi folosim lipici fierbinte pentru a face o conexiune
ermetic.

• poti scoate interfonul(este mai bine să nu deteriorați proprietatea publică!),
• poate fi facut mini soc după ce am eliminat mai întâi protecția,

Nu vei putea să faci un adevărat pistol paralizant, dar să faci o farsă colegilor tăi de clasă este foarte posibil.

Fabricarea unui mini pistol paralizant

Necesar:
- element piezoelectric (demontat din brichetă),
-maner metalic,
- folie,
- clești.

Dezasamblam mânerul; toate părțile mânerului trebuie să fie metalice. Răsucim firul de ieșire al elementului piezoelectric și îl introducem în tija de pastă. Și apoi îl asamblam, așa cum se arată în videoclip.
Și apoi poți să-ți faci joc de prietenul tău - invită-l să-ți folosească stiloul.
Curentul va fi slab, iar efectul surprizei va fi foarte puternic!

• poti incerca sa o faci microsudare,
• Poate sa aplicați inscripții cu o scânteie,
• poate fi facut dispozitiv de securitate activă.

Mult succes cu experimentele voastre, prieteni.

Trimis de:

Branțuri de casă cu elemente piezoelectrice care generează electricitate pentru a alimenta gadgeturile.

Apreciez onestitatea și deschiderea în oameni. Îmi place să fac diverse articole de casă. Îmi place să traduc articole. La urma urmei, pe lângă faptul că înveți ceva nou, le oferi oamenilor și posibilitatea de a se plonja în lumea produselor de casă.

Știați că puteți genera electricitate mergând pe jos? Acest articol descrie un experiment științific care demonstrează clar secretul branțuri de pantofi, cu care puteți încărca dispozitive USB.

Provocarea este de a face branțuri care să producă suficientă energie electrică pentru a încărca bateriile.

Dezvoltarea proiectului.

Branțuri care generează electricitate este primul meu proiect conceptual. Primul prototip a fost construit acum mai bine de 5 ani. Era format din două distanțiere din plastic în care erau prinse două discuri piezoelectrice. Sistemul a produs suficientă putere pentru a încărca Nokia 3310.

După 5 ani am revenit la această idee. Pentru a îmbunătăți, am decis să integrez un controler de încărcare și un pachet de baterii în sistem. În plus, am mărit numărul de discuri cu 2 perechi. La urma urmei, mai mult este mai bine.

Conceptul de proiect.

Piezoelectricitatea a fost descoperită în mijloc secolul al 18-lea. Efectul este următorul: electric încărca se acumuleazăîn unele greu materiale, cum ar fi: cristale, unele tipuri de ceramică, ca răspuns la aplicarea sarcinii mecanice. Sună incredibil!

De ce să nu folosiți dinamuri.

Pe cât posibil, încerc să evit folosirea dinamurilor în proiectele mele. Dinamole produc mult mai multă energie electrică, dar fac mult zgomot.

Uz practic.

Deși sună amuzant, extragerea energiei electrice din branțuri este departe de a fi o glumă. De exemplu, compania de pantofi Nike ar putea folosi branțuri pentru a alimenta cipurile de fitness (în interiorul pantofilor) care s-ar sincroniza fără fir cu un telefon.
Astfel, nu ar fi nevoie să încărcați pantofii inteligenți.

Articolul arată cum să-l faci singur generator electric folosind elemente piezoelectrice. Pasul 1: Partea științifică a proiectului

Întrebări care m-au deranjat.

De ce să nu folosiți surse tradiționale de energie regenerabilă? Piezoelectricele nu se dezvoltă la fel de repede ca energia solară. Dar orice inventator tremură la gândul de a descoperi o nouă sursă de electricitate regenerabilă. Ascunderea generatoarelor în pantofi poate părea o idee nebună la prima vedere, dar nu totul este atât de simplu pe cât pare la prima vedere. Aceste branțuri subțiri generatoare generează suficientă energie pentru a încărca dispozitivele care consumă o cantitate mică de curent.

Probleme.

Centralele pe cărbune sunt cele mai comune surse de energie electrică în Filipine și în întreaga lume. Prin urmare, țările din întreaga lume caută surse alternative de energie electrică. Majoritatea zonelor nedezvoltate nu au acces la electricitate. Cu toate acestea, oamenii au nevoie de capacitatea de a încărca telefoane mobile și alte dispozitive care sunt alimentate de baterii.

În ultimii ani, experimentele mele științifice s-au concentrat în principal pe sursele regenerabile de energie electrică. Primul experiment a fost o mașină mică alimentată cu energie solară. Târgurile științifice ulterioare au prezentat experimente care au implicat energie solară, eoliană, hidro și chimică.

Scopul meu a fost să găsesc o nouă sursă de energie care să nu depindă de condițiile meteorologice. După ce am parcurs sute de articole legate de energia alternativă și am efectuat zeci de experimente, într-o zi mi-am spus că simpla copiere sau a lua drept bază ideea altcuiva nu este calea mea. Ca un adevărat inventator, trebuie să vin cu și să construiesc totul de la zero.

Întrebări de luat în considerare .

• Există suficientă energie pentru a alimenta dispozitivele portabile?


• Va produce suficientă putere pentru a încărca dispozitivele USB?


• Este posibil să treceți la standardul de alimentare USB?


• Este posibil să conectați un ansamblu LED?

Aplicații viitoare ale tehnologiei rezultate.

• Instalare de module pentru încărcarea dispozitivelor în încălțăminte și îmbrăcăminte;


• Sursa de alimentare pentru modulele GPS, care va ajuta la urmarirea calatorilor in colturile indepartate ale planetei, in cazul lipsei turistilor in desert, padure etc.;


• Excelent pentru zonele planetei unde electricitatea este insuficientă.

Cercetare.

Proiectul a folosit tehnologia piezoelectrică. Unele materiale au capacitatea de a acumula sarcină electrică atunci când sunt expuse la forțe mecanice. Exemplele includ mai multe tipuri de ceramică, sare Rochelle și diverse alte tipuri de particule solide. De exemplu: PbO3 unde, 0≤x≤1, numit și zirconat de plumb titanat ( PZT), generează energie electrică măsurabilă atunci când structura sa se deformează la aproximativ 0,1% din dimensiunea inițială.

În acest proiect, cantitatea de energie electrică generată va fi determinată și înregistrată pentru a determina în continuare dacă este posibilă încărcarea unei baterii litiu-ion sau a unui condensator mare.

Efectul piezoelectric, prin care un material generează un potențial electric, a fost studiat de Carl Linn și Franz Epinus la mijlocul secolului al XVIII-lea. Pe baza acestor cunoștințe, René Juste Gahuy și Antoine César Becquerel au propus o relație între sarcinile mecanice și sarcinile electrice. Cu toate acestea, experimentele lor au eșuat.

Prima demonstrație a efectului piezoelectric direct a fost prezentată în 1880 de frații Pierre și Jacques Curie. Ei și-au combinat cunoștințele despre efectul piezoelectric cu o înțelegere a fundamentelor structurilor cristaline. Sinteza unor astfel de cunoștințe a făcut posibilă prezicerea comportamentului cristalului și demonstrarea efectului generării de energie electrică folosind cristale de turmalină, cuarț, topaz, zahăr din trestie și sare Rochelle (tartrat tetrahidrat de sodiu, potasiu). Cele mai bune rezultate au fost obținute folosind cuarț și sare Rochelle.

Discul piezoelectric generează tensiune atunci când este deformat (schimbarea formei este foarte exagerată). Cu toate acestea, Curies nu au prezis efectul opus. Efectul opus a fost derivat matematic din principiile termodinamicii de Gabriel Lippmann în 1881. Curies au confirmat imediat existența efectului invers și și-au propus să obțină dovezi cantitative ale reversibilității complete a deformării electro-elastic-mecanice în cristalele piezoelectrice.

În următoarele câteva decenii, piezoelectricitatea a rămas o curiozitate de laborator. S-a făcut multă muncă pentru a identifica și a studia structurile cristaline care stochează electricitate. Acest lucru a condus la publicarea unei lucrări în 1910 în care au fost descrise peste 20 de cristale naturale care erau capabile să genereze electricitate, constantele erau strict definite etc.

Metodă/testare.

Descris în pașii 3 și 14.

Rezultate.

Sistemul a fost conectat la computer prin intermediul unui dispozitiv încorporat TTL, care a fost folosit pentru a crea comunicații seriale între Arduino și PC. Conexiunea rezultată a fost folosită pentru a monitoriza intrarea analogică prin care a fost conectat generatorul de branț. Program separat" prelucrare 2.0 „a fost folosit pentru a controla pulsațiile care ies din generator.

Concluzii/raport.

Rezultatele actuale au arătat că cantitatea de curent generată de elementul piezoelectric este suficientă pentru a încărca o baterie litiu-ion. Deși există neajunsuri, rezultatele pozitive actuale oferă o oportunitate de dezvoltare a proiectului în viitor. Generatorul de branț produce suficientă energie pentru a alimenta circuite de putere redusă, cum ar fi microcontrolere și transmițătoare Bluetooth TTL. După toate acestea, putem spune cu mândrie că produsul este gata de producție și instalare în îmbrăcăminte/încălțăminte.

Pentru a încărca un dispozitiv USB, un generator nu va fi suficient.

Planuri de viitor.

Utilizarea imprimării 3D și dezvoltarea desenelor standard ale dispozitivului vor permite societății să utilizeze pe scară largă invenția descrisă.

Glosar/Termeni pe care le puteți întâlni.

• Piezoelectricitate – este capacitatea unor materiale de a genera curent alternativ când
  expunerea la solicitări mecanice și vibrații sau vibrații când
  expunerea la tensiune alternativă sau ambele. Cel mai
  Un piezomaterial comun este cuarțul. Unele tipuri
  ceramica și sarea Rochelle demonstrează un efect similar.


• Piezo– abreviere pentru pieoelectrice.


• Curent alternativ– un flux de sarcină electrică care își schimbă periodic direcția. Elementele piezoelectrice produc acești curenți.


• DC– fluxul de sarcină electrică într-o singură direcție.


• Pod de diode– constă din 4 diode redresoare care redresează curentul alternativ în curent continuu.


• Piezo Disc/Element/Traductor – toate elementele aparțin unor componente discrete.

Pasul 3: Materiale și instrumente

Materiale necesare:

• acumulator cu USB;


• traductoare piezoelectrice - 6 buc;


• 1N4007 – dioda redresoare - 4 lucruri;


• Firul - 30 cm;


• O pereche veche de pantofi;


• Lipici.

Instrumente:

• Multimetru digital;


• Instrument multifuncțional (clești, tăietori de sârmă etc.);


• Gravor de fabrică sau gravor, Ce realizat manual.

Nu este necesar:

• Condensator cu capacitate 100 nF(pentru testare);


• Velcro;


• Indicatoare LED (pentru testare);


• Superglue (pentru fixarea firelor);


• Curea sport pentru smartphone;


• 5 V stabilizator de puls.

Alternativă (pentru cei care nu pot cumpăra totul):

• Pachet baterie > baterie telefon veche + invertor 5V recondiționat;


• Traductoare piezoelectrice > o pereche de căști vechi/învechite;


• Instrument multifuncțional > clește.

Pasul 4: Măsurarea talpii

Să măsurăm dimensiunea și forma branțului. Cu ajutorul foarfecelor, tăiați o bucată de plastic. Acesta va sta la baza viitorului design, pe care vor fi montate ulterior discuri piezoelectrice cu componente suplimentare.

Tine minte:

Grosimea plăcii ar trebui să fie în interval 2-5 mm. Dacă grosimea este prea mare, elementul piezoelectric se va rupe din cauza deviației mari. Dacă materialul este prea subțire, elementul nu se va îndoi „complet”, iar convertorul va produce mai puțină energie.

Pasul 5: Material ideal

Să ne aranjam 3 discuri pe branț în locurile în care călcâiul apasă pe talpă. După aceasta, vom schița locurile instalației propuse pentru a le repara pentru lucrări ulterioare.

Ce materiale au fost folosite în proiect.

Pe baza conceptului proiectului, a fost necesar să se găsească o placă în interior 2-5 mm gros, dar trebuia să fie ușor și rigid, capabil să reziste la sarcini constante de încovoiere. Metalele sunt prea dure, iar fibra de carbon este prea subțire. După ce am experimentat cu un număr mare de materiale, alegerea a căzut mai departe PVC.

De unde pot obține material PVC?

Materialele PVC sunt în jurul nostru. Le poti achizitiona de la cel mai apropiat magazin de feronerie sau il poti intreba pe vecinul tau care a facut recent reparatii si a schimbat instalatiile sanitare. Am avut noroc, garajul era plin de țevi pătrate.

Pasul 6: Tăiați găuri pentru plăcuțele din PVC

În această etapă, ar trebui să faceți găuri rotunde în branțurile din plastic. Tăiați o gaură cu ajutorul unui gravor. Dacă aveți un burghiu cu diametrul necesar, atunci sarcina este simplificată. De asemenea, puteți merge pe „moda veche” încălzind un cui de fier și topind plasticul.

Pasul 7: Lipiți elementele piezo

Montarea discului trebuie să reziste la îndoiri repetate, deoarece acestea vor fi călcate în mod repetat. Nu folosi superglue! Când se usucă, se întărește și nu prezintă flexibilitate articulară. Cea mai bună opțiune în acest caz este adeziv de cauciuc. Capacitatea sa de a fi afectată va fi ideală pentru proiect.

Pasul 8: Lipiți elementele piezo

Lipim elementele în paralel. Nu le lipiți în serie, deoarece curentul va crește și tensiunea va scădea.

Pasul 9: Realizarea unei punți de diode

Urmăm cele date sistem. Curentul alternativ nu are polaritate, puteți lipi elemente piezoelectrice în orice mod. Sarcina (rezistorul din diagramă) va fi dispozitivul care se încarcă.

Pasul 10: Adăugați spumă

Să lipim bucăți mici de spumă în centrul discurilor, acestea vor acționa ca împingătoare. Cu ajutorul lor, puteți strânge discurile în timp ce mergeți.

Pasul 11: Observare și testare

În cele din urmă, a sosit momentul să testăm toată teoria în practică. Să conectăm multimetrul digital în modul ampermetru, pornind domeniul de măsurare DC cu 2 cifre. Amintiți-vă că curentul din elemente este generat în momentul apăsării și durează o perioadă scurtă de timp. Prin urmare, pentru citiri mai lizibile, vom folosi un condensator pornit 100 nF.

Citirile voltmetrului:

Apăsare manuală = 15,03 V (2 mA);

Plimbare = 18,53 V (5 mA);

Alergare = 27,89 V (11 mA);

Pasul 12: Instalarea branțurilor

Instalăm generatorul între bloc și branț.

Pasul 13: Adăugați acumulatorul

Generatorul produce până la 28 V. Deși valoarea curentului este mică, tensiunea este destul de capabilă să deterioreze un dispozitiv alimentat la 5V.

Notă: Pentru funcționarea în siguranță a dispozitivului, este necesar să instalați o unitate de coborâre la 5 V.

Pasul 14: Prototipuri viitoare

S-a dovedit atât de neobișnuit de casă. Bucurați-vă de plimbare tuturor.