Напряжение пьезоэлемента зажигалки: Сайт о зажигалках — Устройство пьезозажигалки

Как выбрать зажигалку?

Ассортимент выпускаемых зажигалок огромен, в основном это касается их внешнего вида. Материал, корпус, форма зажигалок бывают самыми непредсказуемыми

Механизм работы

Зажигалки различаются, в первую очередь, по механизму работы и их внутреннему содержанию.

1. Бензиновые зажигалки прочны и долговечны. Обычно они продаются незаправленными, и топливо необходимо отдельно покупать, внимательно следуя инструкции по заправке. Во всех бензиновых зажигалках единый принцип работы — состоят они из емкости для бензина, которая заполнена специальной ватой, а также колесика запального устройства с кремнием и фитиля. В бензиновых зажигалках воспламенение происходит за счет трения о кремень зубчатого колеса, поэтому долговечность и высокая надежность являются преимуществом таких зажигалок.

2. Газовые зажигалки. По устройству поджига газовые зажигалки делятся на пьезо, кремневые и с электронной схемой воспламенения.

Кремневые газовые зажигалки функционируют по принципу бензиновых. Такие зажигалки надежны. Недостаток в том, что приходится время от времени заменять кремень.

В пьезозажигалках для поджога используется пьезоэлемент. Воспламенение происходит путем срабатывания пьезоэлемента и возникновенияискорки между его проводом и рассекателем на конце верхнего клапана. Рассекатель способствует возникновению газовоздушной смеси, которая  обеспечивает зажигание. Ни в коем случает самим трогать рассекатель нельзя, т.к. зажигалка может сломаться. Эти зажигалки очень долгосрочны.

В зажигалке с электронной схемой воспламенение происходят практически те же процессы, что и у зажигалки с пьезоэлементом. Эти зажигалки работают при нажатии кнопки от батарейки, напряжение самой электронной схемой преобразовывается до необходимой величины. Эти зажигалки наиболее удобны в использовании.

По типу пламени зажигалка с электронной схемой делятся на следующие: с  трубонадувом и обычные

В обычных зажигалках газ выходит через рассекатель из верхнего клапана с маленькой скоростью,  на его выходе смешиваясь с воздухом.

В трубонадувной зажигалке газ проходит сначала через специальную диафрагму через очень маленькое отверстие в турбине,  при этом газ  резко увеличивает скорость. Затем через боковые отверстия затягивается воздух и попадает под сильным давлением в формирователь пламени в верхней части турбины. Формирователь придает пламени нужную форму. Над турбиной в некоторых турбозажикалках устанавливается спираль из тугоплавкого металла,  которая способствует  более сильной ветроустойчивости. Спираль накаляется благодаря тепловой инерции и не дает  огню гаснуть при сильном ветре. Лучше в плохую погоду пользоваться именно такими зажигалками.

Примечание! Нельзя допускать попадания на зажигалку грязи, влаги и пыли. Лучше не прикасаться до рассекателя или турбины, это может нарушить работу зажигалки.

Исполнение зажигалки

По исполнению зажигалки могут быть:

•    Настольными

•    Ручными

Второй вариант универсальный и используется массово. Первый подходит для кабинета или офиса и может стать необычным и интересным элементом интерьера. Основная часть зажигалки бывает мраморной, деревянной, металлической. Такие зажигалки устойчиво располагаются на горизонтальной поверхности.

Зажигалки для трубок и сигар

Испокон веков сигары и трубки поджигали спичками. Истинные поклонники сигар так делают и сейчас Существуют специальные спички для трубок и сигар, они длиннее и толще обычных, т.к. разжечь сигару не так уж и просто. Но современные технологии берут своё, и любители сигар постепенно переходят на зажигалки. Очень важно выбрать зажигалку правильно. Ведь сигара имеет свойство хорошо впитывать любые посторонние запахи, поэтому бензиновой зажигалкой разжигать сигару никак не рекомендуется.  Запах бензина через огонь передается  к аромату сигары. Лучше использовать газовую зажигалку с невысоким пламенем. Сигары курят чаще всего в довольно солидном обществе, и это обязывает выбирать солидную зажигалку. Например, существуют зажигалки с двумя соплами (пламя невысокое и широкое) или с гильотиной (обрезать кончик сигар).

Для разжигания сигар используются и зажигалки турбо. Благодаря их прекрасным индивидуальным свойствам, разжечь сигару можно очень быстро. Ведь газ зажигалке подаётся в ней под высоким давлением, что делает пламя даже в плохих погодных условиях устойчивым. Но быстроту зажигания можно отнести и к недостаткам, т.к. сигары не принято прикуривать на ходу, тем более под  дождём или ветром. Главное отличие зажигалки для трубки от остальных  в том, что огонь в нее подаётся сбоку.

Универсальные зажигалки

Универсальная зажигалка помогает разжечь в загородном доме камин или костер на пикнике. Будет удобно с ее помощью зажечь и высоко расположенные свечи. Если в вашей квартире установлена газовая плита, включить газовую конфорку удобно и безопасно можно ручной зажигалкой. Кроме того, универсальная зажигалка очень симпатично смотрится и украсит вашу кухню. Впрочем, нельзя отрицать и возможность самого привычного способа для использования этой зажигалки — прикурить сигарету, если под рукой нет обычной зажигалки или спичек!

Цвет и покрытие зажигалки

Сейчас преобладают в основном следующие тона: золотой, серебристый, коричневый, черный, синий, медный, красный, зеленый, серый, желтый, хром, белый и проч.

В ходе также зажигалки с матовым корпусом. В целом, на 95 процентов состоят из сплава цинка с различными примесями. Корпус покрывают нетоксичными лаками и красками. Большая часть технологий производства засекречена и принадлежит исключительно производителям. Встречаются  зажигалки с дополнительным покрытием на  корпусе: с родием, палладием, пластиком, металлом, позолотой, полировкой, серебрением.

Также внешняя сторона украшается логотипом, эмблемой, рисунком и даже венецианским узором, кристаллами сваровски или портретом основателя фирмы-изготовителя, что, безусловно, отражается на цене зажигалки.

Подбираем зажигалку

Выбирая зажигалку, обращайте обязательно внимание на эстетичность, внешний вид, качество и ровность поверхности. На поверхности не должно быть никаких шероховатостей и царапин.

Зажигалка должна быть непременно упакована в специальный чехол или коробку. Должна прилагаться также этикетка с названием производителя, сроком службы изделия, особенностями эксплуатации.

Если бензиновая зажигалка изготовлена качественно, а вы правильно ее используете, в таком случае она прослужит вам долго и не подведет  хозяина. Минус в том, что бензиновая зажигалка действительно хорошего качества стоит довольно дорого. Еще один недостаток – это запах бензина, который далеко не всем нравится, однако неизменно сопровождает прикуривание.  Такая зажигалка часто нуждается в дозаправке. Отправляясь в дорогу, нужно помнить о том, чтобы взять с собой флакончик с бензином.

Самыми качественными зажигалками — с покрытием из родия либо палладия. Эти зажигалки  наиболее стойкие к механическим повреждениям. Обязательно обращать внимание на качество состыковки деталей, т.к. эти механизмы легко воспламеняемые и имеют пожароопасные составы. Между элементами никаких зазоров быть не должно. В противном случае газ тут же будет улетучиваться, а бензин будет быстро испаряться. Выбирая зажигалку в подарок, необходимо учитывать вкусы виновника подарка. Солидного человека не порадует зажигалка с прикольным рисунком, а закоренелого рокера — изящная зажигалка-брелок со стразами.

Можете заказать гравировку на корпусе зажигалки — вензель или рисунок, логотип компании либо ваш девиз. Большая, удобная настольная зажигалка не потеряется, и будет всегда под рукой. Оригинальная идея украсить настольной зажигалкой комнату для курения приятно удивит Ваших гостей и друзей. Если вы все еще  раздумываете, что подарить коллеге или начальнику, лучшим решением будет покупка настольной зажигалки!

Меры предосторожности. Зажигалки, топливо из которых быстро испаряется, к использованию не пригодны, т.к. это свидетельствует дефекте или незаметной трещине. Нужно избегать  контакта с влагой и любой грязью или пылью. К турбине ил рассекателю лучше не прикасаться, чтобы зажигалка не вышла из строя.

Желаем удачного выбора!

Автор: Светлана Белоногова

Код ТН ВЭД 9613800000 калькулятор ставки ввозной пошлины, ТНВЭД необходимые документы

Компания	Продукция	Страна
Zippo Manufacturing Company	Бензиновая зажигалка (латунь), с маркировкой «Мерседес-Бенц»
Leifheit AG	Зажигалки газовые бытовые регулируемые, с пьезоэлементом, модель PROLINE (кроме питаемых от сети) с маркировками «Leifheit»
Cixi Hengchen Electronic Co. , Ltd.	Зажигалки газовые для поджога открытого огня, подлежащие повторной заправке, с электрической системой зажигания, регулируемые, со знаками ФИФА. Модель FLAMECLUB B-01.
LIT GAS LIGHTER COLLECTION S.R.L.	зажигалки пьезоэлектрические (кроме питаемых от сети) с маркировкой «DEKOK» для всех видов газовых плит, колонок и духовых шкафов
TIANQIN ARTS AND CRAFTS CO. LTD.	Зажигалки (кроме питаемых от сети) маркировки «TIANQIN ARTS AND CRAFTS CO. LTD.»/«ТИАНКИН АРТС ЭНД КРАФТС КО. ЛТД.»
Zhengtai Metal Craft Zhejiang Co., Ltd	Зажигалки кремниевые
Guangzhou Zhongchuang Packing Products Co., Ltd	ЗАЖИГАЛКА бензиновая, с маркировкой «Zhongchuang»
Tescoma s.r.o.	Зажигалка газовая с маркировкой «TESCOMA» модель «PRESTO»
Ningbo Ameritek Electric Co., Ltd	Пьезоэлектрическая зажигалка, марикровки: PTS, H&S
NINGBO FENGLIN IMPORT & EXPORT CO. , LTD.	Зажигалки с пьезоэлементом (кроме питаемых от сети) т.м. «ENERGY», модели: JZDD-17-BRD, JZDD-17-LBL, JZDD-17-PRP, JZDD-17-R, JZDD-21-BL, JZDD-21-BRD, JZDD-21-G, JZDD-21-SLV, JZDD-25-B, JZDD-25-G, JZDD-25-R, JZDD-25-BG, J-2
NINGBO OUQI SMOKING SET CO., LTD	Зажигалки (кроме питаемых от сети):
Looft Industries International Headguarters	Зажигалки электрические с питанием от сети,
Общество с ограниченной ответственностью ТЕКСТОН КОРПОРЕЙШН	Зажигалка газовая многоразовая регулируемая с пьезоэлементом, торговой марки «POLARIS», модель: PGL 4001, PGL 4002
Ningbo Jiawei Electron Co. Ltd	Зажигалки (кроме питаемых от сети)
Xiamen Goldenbridge Imp. & Exp. Co., Ltd.	Зажигалки (кроме питаемых от сети): зажигалки, пьезозажигалки в наборах и отдельными предметами
GEFU Kuchenboss GmbH & co. KG	Зажигалки (кроме питаемых от сети): марки «GEFU», артикулы: 12690, 12695, 12980, 12990
Ningbo Wanjiacheng Electron Industry Co., Ltd.	Зажигалки (кроме питаемых от сети): Зажигалки газовые для розжига открытого огня, подлежащие повторной заправке, с электрической системой зажигания, регулируемые, торговая марка «FC FLAMECLUB», модель B-01
ANDREAS STIHL AG & Co. KG	Зажигалки т.м. «STIHL»,
Menz & Konecke GmbH	Зажигалки газовые, подлежащие повторной заправке, торговой марки «Сканпарт» («Scanpart»)
«Looft Industries AB»	Зажигалки электрические с питанием от сети торговой марки «Looftlighter»
Walter Herzog GmbH	Оборудование лабораторное немедицинского назначения: Лабораторный накальный воспламенитель, напряжение питания 230 Вольт
Xiamen Wong`s Ming Fat Lighter Co, Ltd	Зажигалки с электрической системой зажигания, аккумуляторного типа, со встроенным устройством типа USB
Yiwu City Longfei Import & Export	Зажигалки электронные, работающие от химические источников питания для газовых плит,
ShenZhen WanYang Technology Co. LTD	пьезозажигалки с питанием от сети серия «lighter»
WHICEPART INDUSTRIAL LIMITED	Блок розжига
YIWU ZHOUSIMA CRAFTS COMPANY LIMITED	Зажигалки (кроме питаемых от сети), в наборах и отдельными предметами: Зажигалки бензиновые, подлежащие повторной заправке
CREAZIONI ITALIANE s.r.l.s	Зажигалка
CoorsTek	Воспламенитель электрический для котлов Lochinvar
WENZHOU HONGBANG ELECTRONIC CO., LTD	Зажигалки (кроме питаемых от сети) пьезоэлектрические газовые
NINGBO XINGDA LIGHTER MANUFACTURE CO., LTD	Зажигалки (кроме питаемых от сети): газовая
Поларис Корпорейшн Лимитед (POLARIS CORPORATION LIMITED)	Зажигалки газовые многоразовые регулируемые с пьезоэлементом
OXUS INTERNATIONAL TRADING CO., LIMITED	Зажигалки (кроме питаемых от сети) маркировки OXUS INTERNATIONAL TRADING CO. , LIMITED
Cixi Huaneng Lighter Industrial Co., LTD	Зажигалки (кроме питаемых от сети): ЗАЖИГАЛКИ ГАЗОВЫЕ, ПОДЛЕЖАЩИЕ И НЕ ПОДЛЕЖАЩИЕ ПОВТОРНОЙ ЗАПРАВКЕ ТОРГОВОЙ МАРКИ: «GOLD MILL», «X-LINE», «ZETTA»
Swedish Match Lighters B.V.	Зажигалки (кроме питаемых от сети): Зажигалки газовые многоразовые нерегулируемые с пьезоэлементом, для поджига газовых плит, костров, каминов, барбекю, торговой марки «Сricket» модели: «Fireflex» , «Firepower»
Lin’an CF Co., Ltd	Зажигалки (кроме питаемых от сети): Зажигалка газовая с пьезоэлементом, торговых марок Rexant, Proconnect, DUX , СОКОЛ, ЧЕТЫРЕ СЕЗОНА

Наклейка-индикатор СВЧ-излучения — это… Что такое Наклейка-индикатор СВЧ-излучения?

Наклейка-индикатор электронная предназначена для визуальной индикации наличия СВЧ-излучения мобильного телефона в декоративных и информационных целях.

Устройство изделия

Электрическая схема наклейки собрана на круглой плате диаметром примерно с десятикопеечную монету (иногда встречаются платы и других форм и размеров, в частности, широко распространены овальные). По аналогии с монетой, будем называть её стороны аверсом и реверсом.

На реверсе платы расположены две кольцевых приёмных антенны: внешнее кольцо для диапазона 900 МГц, внутреннее — для диапазона 1800 МГц. Оба кольца имеют зазубрины, по всей видимости, действующие как удлиняющие катушки. Антенны соединены параллельно, проводники от них через металлизированные отверстия выведены на аверс платы.

Там напряжение выпрямляется СВЧ-диодами, фильтруется конденсатором и поступает на синий светодиод. Поскольку прямое падение напряжение на синем светодиоде больше, чем на красном, он служит одновременно стабистором для ограничения напряжения питания пятивыводной КМОП ИМС, управляющей красными светодиодами. Эта ИМС при достижении интенсивностью излучения достаточной величины заставляет три подключённых к ней красных светодиода вспыхивать по очереди (в приборах, отличающихся от рассматриваемого по конструкции, могут применяться светодиоды иных цветов и в иных количествах).

Все детали прибора — бескорпусные, за исключением конденсатора, выполненного в обычном корпусе для поверхностного монтажа. Для защиты бескорпусных деталей от повреждения плата со стороны аверса залита толстым слоем прозрачного акрила куполообразной формы. Поверх акрила нанесён тонкий слой матовой белой краски, который, в свою очередь, служит основой для печати декоративного рисунка. Если аккуратно удалить матовый слой, через прозрачный акрил становится видимой внутренняя структура прибора.

Наклейка-индикатор СВЧ-излучения. Принципиальная электрическая схема.

Интересные факты

Наклейки-индикаторы запрещены в Чешской республике, вероятно, по причине возникновения высших гармоник при детектировании сигнала СВЧ-диодами.

Аналогичные изделия

Декоративный индикатор срабатывания пьезоэлемента зажигалки

Декоративный индикатор срабатывания пьезоэлемента зажигалки. Принципиальная электрическая схема.

В зажигалках производства КНР, оборудованных встроенными светодиодными фонарями, иногда встречаются приборы, выполненные по той же технологии, что и наклейки-индикаторы СВЧ-излучения (полностью на бескорпусных элементах и залитые слоем акрила). Плата такого прибора, в отличие от светодиода фонаря, подключена к батарее (3 гальванических элемента AG3) постоянно, минуя выключатель, и в обычном состоянии никак себя не проявляет. Форма её прямоугольная, а слой акрила на ней плоский, однако, имеет два небольших куполообразных утолщения. Под одним из них расположены КМОП ИМС иного типа и находящийся в непосредственной близости от неё красный светодиод, под другим — синий светодиод. Также на плате расположена печатная антенна, имеющая, как и у наклейки-индикатора, «удлиняющие» зазубрины, но не замкнутая. В отличие от наклейки, здесь антенна расположена на той же стороне платы, что и остальные элементы (плата односторонняя), а чувствительность КМОП ИМС выбрана такой, что на излучение мобильного телефона она не реагирует совершенно. Зато она «откликается» на короткие, но мощные импульсы электромагнитного излучения, возникающие при срабатывании пьезоэлемента зажигалки, после каждого из которых заставляя светодиоды мигать попеременно с частотой в несколько Гц в течение примерно 15. .20 секунд. Понятно, что такой прибор по объективным причинам может быть установлен лишь в зажигалку с пьезоэлементом, поскольку на срабатывание обычного механизма с кремнем он реагировать не станет.

Ссылки

USB зажигалка Fashion Flameless

USB зажигалка

Fashion Flameless

Описание

USB зажигалки имеют овальную форму, крышка легко и эффектно откидывается в сопровождении с приятным щелчком. Зажигалка имеет 2 дуги для розжига и заряд в 250 mAч. На торце корпуса имеется индикатор заряда батареи.

Технические характеристики

USB-зажигалка отлично функционирует при любых погодных условиях. Гаджетом удобно пользоваться как в повседневной жизни, так и в походе, на рыбалке или на охоте. Изделия абсолютно безопасны, поскольку заряжаются от USB, не требуют дополнительной заправки бензином или газом. Средняя мощность батареи составляет 200 мА-ч, а напряжение — порядка 3.7 V.

Преимущества гаджета

Устройство имеет множество преимуществ, среди которых можно выделить следующие:
высокая степень надежности;
длительный срок эксплуатации;
превосходная пожаробезопасность;
удобное использование в любую погоду;
простой уход;
экономичность;
стильный дизайн;
низкая ценовая категория.
Наиболее качественные электронные зажигалки с зарядкой от USB имеют родиевое или палладиевое покрытие, которое обладает высокой устойчивостью к любым механическим повреждениям. Современная зажигалка Потенциальным покупателям рекомендуется учитывать внешний вид, размер, форму и тип изделия, которые должны максимально соответствовать потребностям. В комплекте к изделиям прилагаются: мини-USB, аккумулятор и инструкция. Обширный модельный ряд включает гаджеты, выполненные в форме часов и других изделий. Некоторые зажигалки оснащены более расширенным функционалом — флешки, фонарики, открывашки. Хвалебные отзывы о данном девайсе говорят не только о многофункциональности изделия, но и возможности разместить его в кармане или небольшой сумке. Это особенно важно в том случае, если владелец гаджета собрался отдыхать на природе. В отзывах покупатели отмечают, что зажигалка может стать прекрасным подарком, который пригодится в повседневной жизни.

Принцип действия

Изделие заряжается от мобильного устройства или USB-порта. Наличие компьютера в каждом доме позволяет удобно использовать электрическую энергию для зарядки гаджета. Электронная зажигалка Изделие работает как зажигалка с пьезоэлементом, поэтому при нажатии кнопки происходит повышение напряжения электронной схемы. Для полной подзарядки потребуется от тридцати минут до одного часа. Отзывы покупателей говорят о том, что различные модели требуют индивидуального режима подзарядки.

Как правильно выбрать?

Потенциальные покупатели могут растеряться при выборе электронного устройства. Среди множества оригинальных, ярких и стильных гаджетов сложно сделать правильный выбор. При покупке следует обращать внимание не только на привлекательный внешний вид, но и техническую составляющую. Зажигалки электронные Важно учесть предполагаемую интенсивность использования электронной зажигалки, тип, размер прибора, качество изготовления, вес, комплектность и возможность замены деталей. Соблюдение рекомендаций по правильному использованию зажигалки позволит устройству прослужить длительный период времени. Отзывы об электронных гаджетах позволят сделать правильный выбор.

Комплектация

• Подарочная упаковка
• USB-зажигалка
• USB-кабель
• Инструкция

Пьезогенераторы новое перспективное направление малой энергетики. Пьезогенераторы

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

• 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.

Ученые превратили зажигалку для барбекю в зажигалку

image: Студент бакалавриата Технологического института Джорджии Гаурав Бьягатвалли и доцент Саад Бхамла демонстрируют образцы бутановых зажигалок, которые они использовали для создания недорогого ElectroPen — устройства электропоратора, полезного в исследованиях в области наук о жизни. посмотреть еще

Кредит: Кристофер Мур, Технологический институт Джорджии

Исследователи изобрели простую технику создания лабораторного устройства, известного как электропоратор, которое прикладывает электрический разряд к временно открытым стенкам ячеек из недорогих компонентов, включая пьезоэлектрический кристалл, взятый из бутановой зажигалки.

Цель состоит в том, чтобы сделать недорогое устройство доступным для средних школ, лабораторий с ограниченным бюджетом и других организаций, чьи исследования в противном случае могли бы быть ограничены доступом к обычным лабораторным электропораторам.Планы устройства, известного как ElectroPen, становятся доступными вместе с файлами, необходимыми для создания корпуса

, напечатанного на 3D-принтере.

«Наша цель с ElectroPen состояла в том, чтобы дать возможность средним школам, бюджетным лабораториям и даже тем, кто работает в удаленных местах без доступа к электричеству, проводить эксперименты или процессы, связанные с электропорацией», — сказал М. Саад Бхамла, доцент кафедры Школа химической и биомолекулярной инженерии Технологического института Джорджии.«Это еще один пример поиска способов обойти экономические ограничения для продвижения научных исследований, передав эту возможность в руки гораздо большего числа ученых и начинающих ученых».

В исследовании, которое будет опубликовано 9 января в журнале PLOS Biology и спонсируется Национальным научным фондом и Национальными институтами здравоохранения, исследователи подробно описывают метод создания ElectroPen, который способен генерировать короткие импульсы более чем 2000 вольт необходимы для широкого круга лабораторных задач.

Одна из основных задач клеточной мембраны — служить защитной границей, укрывая внутреннюю работу живой клетки от внешней среды.

Но все, что требуется, — это кратковременный разряд электричества, чтобы эта мембрана временно открылась и позволила проникнуть внутрь чужеродным молекулам — процесс, называемый электропорацией, который десятилетиями использовался в лабораториях молекулярной биологии для различных задач, от обнаружения бактерий до генной инженерии. .

Несмотря на то, что эта практика стала обычным явлением, высокая стоимость электропораторов и их зависимость от источника электричества удерживают методику в основном в рамках академических или профессиональных лабораторий.Бхамла и студентка Гаурав Бьягатвалли намеревались изменить это с помощью соавторов Сохама Синха, Яна Чжана, доцента Марка Стычински и учителя средней школы Ламберта Джанет Стандевен.

«Как только мы решили заняться этой проблемой, мы начали исследовать внутреннее устройство электропораторов, чтобы понять, почему они такие громоздкие и дорогие», — сказал Бьягатвалли. «С момента своего появления в начале 80-х годов прошлого века электропораторы не претерпели значительных изменений в конструкции, поэтому возникает вопрос, сможем ли мы достичь такой же производительности за небольшую часть стоимости.Когда мы нашли зажигалку, которая могла бы производить такое высокое напряжение с помощью пьезоэлектричества, мы были рады раскрыть новые загадки, лежащие в основе этого обычного инструмента ».

Помимо пьезоэлектрического кристалла зажигалки, который генерирует ток при приложении к нему давления, другие части устройства включают в себя медный провод, термоусадочный изолятор и алюминиевую ленту. Чтобы удержать все это вместе, исследователи разработали корпус, напечатанный на 3D-принтере, который также служит его активатором. По словам исследователей, со всеми деталями под рукой устройство можно собрать за 15 минут.

Хотя ElectroPen не предназначен для замены электропоратора лабораторного класса, который стоит тысячи долларов и способен обрабатывать широкий спектр клеточных смесей, устройство по-прежнему отлично справляется с задачами, когда не требуются большие объемы.

Исследователи протестировали несколько различных более легких кристаллов, чтобы найти те, которые вырабатывают постоянное напряжение с помощью пружинного механизма. Чтобы лучше понять, как работают зажигалки, команда использовала высокоскоростную камеру со скоростью 1057 кадров в секунду, чтобы увидеть их механику в замедленном движении.

«Одна из основных причин, по которой это устройство работает, состоит в том, что пьезоэлектрический кристалл вырабатывает постоянно высокое напряжение, независимо от силы, прикладываемой пользователем», — сказал Бхамла. «Наши эксперименты показали, что молот в этих зажигалках способен развивать ускорение в 3000 G, что объясняет, почему он способен генерировать такой высокий скачок напряжения».

Чтобы проверить его возможности, исследователи использовали устройство на образцах кишечной палочки, чтобы добавить химическое вещество, которое заставляет бактериальные клетки флуоресцировать под специальным светом, освещая части клеток и облегчая их идентификацию.Подобные методы могут использоваться в лаборатории или в удаленных полевых условиях для обнаружения присутствия бактерий или других клеток.

Команда также оценила, было ли устройство простым в использовании, отправив собранные электронные ручки студентам других университетов и средних школ.

«Исследовательские группы смогли успешно получить такое же выражение флуоресценции, что, я думаю, подтверждает, насколько легко эти устройства могут быть распространены и приняты студентами по всему миру», — сказал Бхамла.

С этой целью исследователи предоставили планы по созданию устройства, а также цифровые файлы, которые будут использоваться 3D-принтером для изготовления корпуса и привода. Следующие шаги исследования включают тестирование более широкого диапазона зажигалок в поисках постоянных напряжений в более широком диапазоне с целью создания ElectroPens с различными напряжениями.

###

Это исследование было поддержано Национальным научным фондом (NSF) в рамках гранта № 1817334, Фондом Миндлина в рамках гранта №MF19-1T1P03, Национальные институты здравоохранения, грант № R01-EB022592. Любые мнения, выводы, заключения или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат авторам и не обязательно отражают точку зрения организаций-спонсоров.

---

---

Заявление об ограничении ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

Почему мой воспламенитель гриля не работает? — MVOrganizing

Почему мой воспламенитель гриля не работает?

Убедитесь, что воспламенитель издает щелкающий звук при нажатии кнопки воспламенителя. Если он не щелкает, возможно, провода не подключены должным образом, возможно, батарея разряжена или установлена ​​неправильно, или, возможно, вышел из строя модуль воспламенителя.

Как проверить воспламенитель гриля?

Несколько раз нажмите кнопку зажигания на панели управления гриля, наблюдая за воспламенителем в зеркало.Если вы видите искру при каждом щелчке, воспламенитель работает нормально. Если искры не видно, то воспламенитель и провод воспламенителя необходимо заменить.

Можно ли отремонтировать пьезо-воспламенитель?

Пьезо-воспламенитель: пьезо-воспламенитель (рис. 1) также известен как «кнопочный» воспламенитель. Пьезо-воспламенитель генерирует искру, которая передается источнику воспламенения. Нет обслуживаемых деталей.

Что находится внутри запальника гриля?

Основные части зажигания гриля будут состоять из искрового генератора (модуля), электродов, коллекторных коробок (которые удерживают электрод на месте) и проводов.Генератор искры может быть аккумуляторной или пьезоэлектрической. Аккумуляторный генератор искры может содержать переключатель (кнопку) или вилку, которая используется для пускового переключателя.

У всех запальников гриля есть батарейки?

НЕТ, в запальниках нет батарей, как и во всех запальниках для гриля. Они просто зажигают искру, как длинная газовая зажигалка, в которой закончился бензин. Искра воспламеняет газ, идущий от горелок.

Что лучше — электронное или пьезозажигание?

Пьезо-воспламенитель представляет собой ручное зажигание «от кнопки».Пьезо-воспламенитель меньше ошибается, так как в нем нет электрики. Холодильники с пьезо-воспламенителем дешевле, чем их аналоги с электронным зажиганием. Электронная система зажигания подключена к источнику питания 12 В.

Износятся ли пьезо-воспламенители?

Пьезоэлектрические воспламенители никогда не изнашиваются до тех пор, пока кристалл кварца внутри не разбивается, молотковый механизм каким-либо образом не ломается и т. Д.

Сколько вольт у воспламенителя гриля?

Устройство выполнено таким образом, что, когда мы нажимаем на зажигалку, молоток толкается, ударяясь о пьезоэлектрический кристалл и вызывая электрический разряд высокого напряжения (800 вольт) в небольшом промежутке между двумя металлическими точками, расположенными в конец освещения.

Какое напряжение вырабатывает пьезо-воспламенитель?

Из-за пьезоэлектрического эффекта создается высокое напряжение в диапазоне 800 вольт. Зажигалка подключена таким образом, что все это напряжение прикладывается к небольшой области воздушного зазора между двумя металлическими точками. Из-за генерируемого высокого напряжения воздух ионизируется и действует как путь для разряда.

Может ли зажигательная искра убить вас?

Пьезоэлектрическая зажигалка дает очень короткий импульс высокого напряжения, который причинит вам боль, но не убьет вас.

Как электрическая зажигалка зажигает искру?

При нажатии кнопки пьезоэлектрического воспламенителя подпружиненный молоток ударяет по кварцу, чтобы вызвать искру. Это типичный процесс, используемый в таких зажигалках. Это создает необходимое количество напряжения для возникновения искры. Пьезоэлектрические устройства намного долговечнее, чем устройства, которые зависят от кремня.

Как работает искровой воспламенитель с батарейным питанием?

Когда стержень помещается в поток газа и возникает искра, газ воспламеняется.В искровом генераторе цепь замыкается нажатием кнопки или поворотом ручки. Электричество от аккумуляторной батареи будет проходить по проводам, и между стержнем зажигания электрода и пластиной заземления возникнет искра или искры.

Что вызывает искру в зажигалке?

Искра создается при ударе металла о кремнем или при нажатии кнопки, которая сжимает пьезоэлектрический кристалл (пьезоэлектрическое зажигание), образуя электрическую дугу. В зажигалках нафты жидкость достаточно летучая, и воспламеняющийся пар присутствует, как только открывается верхняя часть зажигалки.

Как починить зажигалку, которая не зажигает?

2 Включите настройку пламени или прочистите горелку, если бутановая зажигалка создает искру, но не создает полное пламя. Переместите регулятор пламени в сторону знака «+», чтобы увеличить настройку. Если это не сработает, возможно, засорилась горелка; очистите его струей сжатого воздуха.

Как закрепить воспламенитель на фонаре?

Как починить воспламенитель на бутановой горелке?… Вот несколько шагов, которые вы можете выполнить:

1. Проверьте, есть ли искра в воспламенителе.
2. Попробуйте запустить зажигание вручную, чтобы проверить исправность источника топлива.
3. Убедитесь, что ваше устройство чистое.
4. Заменить наконечник.
5. Долейте топливо.
6. Очистите устройство.

Как починить засорившуюся бутановую горелку?

Прижмите пластиковую удлинительную трубку сопла, прикрепленную к баллону со сжатым воздухом, к выпускному клапану зажигалки. Удерживайте поршень канистры в течение одной или двух секунд. Отодвиньте удлинительную трубку на дюйм или два назад, чтобы выдуть остатки из углубления для зажигалки.

Пьезомоторы | Принцип работы | Ресурсы для инженеров

Как это работает

Пьезоэлектрический эффект в пьезокерамике преобразует электрическое поле в механическую деформацию. Благодаря специальному электрическому приводу возбуждения и керамической геометрии двигателей Nanomotion, моды колебаний продольного вытяжения и поперечного изгиба возбуждаются при близкой частотной близости. Одновременное возбуждение режима продольного растяжения и режима поперечного изгиба создает небольшую эллиптическую траекторию керамической кромки, таким образом, достигается двухрежимный двигатель стоячей волны, запатентованный Nanomotion.

При соединении керамической кромки с прецизионным столиком результирующая движущая сила действует на столик, вызывая движение столика. Периодический характер движущей силы на частотах, намного превышающих механический резонанс столика, обеспечивает непрерывное плавное движение для неограниченного хода, сохраняя при этом высокое разрешение и точность позиционирования, типичные для пьезоэлектрических устройств. Ход может быть линейным или поворотным, в зависимости от механизма сцепления.

Сервоуправление с замкнутым контуром может быть обеспечено стандартными серийными сервоконтроллерами или сервоконтроллером Nanomotion, который предлагает полное ПИД-регулирование с частотой сервопривода 20 кГц.Далее двигатели могут работать в режиме срабатывания.

Пока управляющее напряжение не приложено, керамическая пластина неподвижна и создает удерживающий момент на сцене. В отличие от любого другого тормозного устройства, удерживающий момент двигателя Nanomotion не вызывает смещения положения.

Двигатели Nanomotion обеспечивают компактные, но точные моторизованные механические системы. Если требуется больше мощности, двигатели Nanomotion специально созданы с учетом каскадирования — по мере увеличения требований к мощности просто добавьте еще один двигатель Nanomotion в свою систему.

Что такое пьезоэлектрический эффект?

Пьезоэлектрический эффект — это способность определенных материалов генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение. Слово «пьезоэлектрический» происходит от греческого слова piezein, что означает «сжимать или давить», и «пьезо», что по-гречески означает «толкать».

Одной из уникальных характеристик пьезоэлектрического эффекта является то, что он обратим, что означает, что материалы, демонстрирующие прямой пьезоэлектрический эффект (генерация электричества при приложении напряжения), также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект (создание напряжения при приложении электрического поля). ).

Когда пьезоэлектрический материал подвергается механическому воздействию, происходит смещение центров положительного и отрицательного заряда в материале, что затем приводит к возникновению внешнего электрического поля. При изменении направления внешнее электрическое поле либо растягивает, либо сжимает пьезоэлектрический материал.

Пьезоэлектрический эффект очень полезен во многих приложениях, которые включают в себя создание и обнаружение звука, генерацию высокого напряжения, генерацию электронной частоты, микровесы и сверхтонкую фокусировку оптических сборок.Это также основа ряда научных инструментальных методов с атомным разрешением, таких как сканирующие зондовые микроскопы (СТМ, АСМ и т. Д.). Пьезоэлектрический эффект также находит свое применение в более приземленных применениях, например, в качестве источника зажигания для зажигалок.

История пьезоэффекта

Прямой пьезоэлектрический эффект был впервые обнаружен в 1880 году и был инициирован братьями Пьером и Жаком Кюри. Объединив свои знания о пироэлектричестве с пониманием кристаллических структур и поведения, братья Кюри продемонстрировали первый пьезоэлектрический эффект, используя кристаллы турмалина, кварца, топаза, тростникового сахара и соли Рошель.Их первоначальная демонстрация показала, что кварц и соль Рошеля проявляли наибольшую пьезоэлектрическую способность в то время.

В течение следующих нескольких десятилетий пьезоэлектричество оставалось в лаборатории, над чем следовало экспериментировать, поскольку были предприняты дополнительные работы по исследованию огромного потенциала пьезоэлектрического эффекта. Начало Первой мировой войны ознаменовало появление первого практического применения пьезоэлектрических устройств — гидролокатора. Это первоначальное использование пьезоэлектричества в гидролокаторах вызвало большой международный интерес к пьезоэлектрическим устройствам.В течение следующих нескольких десятилетий были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые применения для этих материалов.

Во время Второй мировой войны исследовательские группы в США, России и Японии открыли новый класс искусственных материалов, названных сегнетоэлектриками, пьезоэлектрические постоянные которых во много раз выше, чем у природных пьезоэлектрических материалов. Хотя кристаллы кварца были первым коммерчески используемым пьезоэлектрическим материалом и до сих пор используются в приложениях для обнаружения гидролокаторов, ученые продолжали искать материалы с более высокими характеристиками.Эти интенсивные исследования привели к разработке титаната бария и титаната цирконата свинца, двух материалов, которые обладали очень специфическими свойствами, подходящими для конкретных применений.

Пьезоэлектрические материалы

Существует множество материалов, как природных, так и созданных руками человека, которые проявляют ряд пьезоэлектрических эффектов. Некоторые природные пьезоэлектрические материалы включают берлинит (структурно идентичный кварцу), тростниковый сахар, кварц, соль Рошеля, топаз, турмалин и кость (сухая кость проявляет некоторые пьезоэлектрические свойства из-за кристаллов апатита, и обычно считается, что пьезоэлектрический эффект действует как датчик биологической силы).Примеры искусственных пьезоэлектрических материалов включают титанат бария и титанат цирконата свинца.

В последние годы из-за растущей озабоченности окружающей среды токсичностью свинцовых устройств и директивы RoHS, принятой в Европейском Союзе, возникла тенденция к разработке пьезоэлектрических материалов, не содержащих свинец. На сегодняшний день эта инициатива по разработке новых пьезоэлектрических материалов, не содержащих свинец, привела к появлению множества новых пьезоэлектрических материалов, которые более безопасны для окружающей среды.

Наиболее подходящие области применения с пьезоэлектрическим эффектом

Из-за свойств, присущих пьезоэлектрическим материалам, их использование может принести пользу во многих областях:

Источники высокого напряжения и энергии

Примером применения в этой области является электрическая прикуриватель, где нажатие кнопки заставляет подпружиненный молоток ударять по пьезоэлектрическому кристаллу, тем самым создавая достаточно высокое напряжение, чтобы электрический ток протекал через небольшой искровой промежуток, нагревая и воспламеняя газ. .Большинство типов газовых горелок и плит имеют встроенные пьезоэлектрические системы впрыска.

Датчики

Принцип действия пьезоэлектрического датчика заключается в том, что физический размер, преобразованный в силу, действует на две противоположные стороны чувствительного элемента. Обнаружение колебаний давления в форме звука — наиболее распространенное приложение датчика, которое можно увидеть в пьезоэлектрических микрофонах и пьезоэлектрических звукоснимателях для гитар с электрическим усилителем. В частности, пьезоэлектрические датчики используются с высокочастотным звуком в ультразвуковых преобразователях для медицинской визуализации и промышленного неразрушающего контроля.

Пьезоэлектрические двигатели

Поскольку очень высокие напряжения соответствуют лишь крошечным изменениям ширины кристалла, этой шириной кристалла можно управлять с точностью выше микрометра, что делает пьезокристаллы важным инструментом для позиционирования объектов с чрезвычайной точностью, что делает их идеальными для использования в двигателях. , например, различные серии двигателей, предлагаемые Nanomotion.

Что касается пьезоэлектрических двигателей, пьезоэлектрический элемент получает электрический импульс, а затем прикладывает направленную силу к противоположной керамической пластине, заставляя ее двигаться в желаемом направлении.Движение возникает, когда пьезоэлектрический элемент движется против статической платформы (например, керамических полос).

Характеристики пьезоэлектрических материалов обеспечили совершенную технологию, на основе которой Nanomotion разработала различные линейки уникальных пьезоэлектрических двигателей. Используя запатентованную пьезоэлектрическую технологию, Nanomotion разработала различные серии двигателей, размер которых варьируется от одноэлементного (обеспечивающего усилие 0,4 кг) до восьмиэлементного двигателя (обеспечивающего усилие 3,2 кг). Двигатели Nanomotion могут приводить в движение как линейные, так и вращательные ступени, имеют широкий динамический диапазон скоростей от нескольких микрон в секунду до 250 мм / сек и могут легко устанавливаться на традиционные ступени с низким коэффициентом трения или другие устройства.Рабочие характеристики двигателей Nanomotion обеспечивают внутреннее торможение и способность устранять дрожание сервопривода в статическом положении.

Пьезоэлектричество — Энциклопедия Нового Света

Пьезоэлектричество — это способность некоторых материалов (особенно кристаллов и некоторых керамических материалов) генерировать электрический потенциал ^[1] в ответ на приложенное механическое напряжение. Это может принимать форму разделения электрического заряда по кристаллической решетке.Если материал не закорочен, приложенный заряд индуцирует напряжение на материале. Слово происходит от греческого piezein, , что означает сжимать или давить.

Пьезоэлектрический эффект обратим, поскольку материалы, демонстрирующие прямой пьезоэлектрический эффект (производство электричества при приложении напряжения), также демонстрируют обратный пьезоэлектрический эффект (создание напряжения и / или деформации при приложении электрического поля). Например, кристаллы цирконата-титаната свинца будут демонстрировать максимальное изменение формы около 0.1 процент от исходного размера. Эффект находит полезные применения, такие как создание и обнаружение звука, генерация высокого напряжения, генерация электронной частоты, микровесы и сверхтонкая фокусировка оптических сборок.

История

Открытия и ранние исследования

Пироэлектрический эффект, при котором материал генерирует электрический потенциал в ответ на изменение температуры, был изучен Каролом Линнеем и Францем Эпином в середине восемнадцатого века.Опираясь на это знание, и Рене Жюст Хай, и Антуан Сезар Беккерель постулировали связь между механическим напряжением и электрическим зарядом; однако эксперименты обоих оказались безрезультатными.

Впервые прямой пьезоэлектрический эффект был продемонстрирован в 1880 году братьями Пьером Кюри и Жаком Кюри. Они объединили свои знания о пироэлектричестве с пониманием лежащих в основе кристаллических структур, которые привели к пироэлектричеству, чтобы предсказать поведение кристаллов, и продемонстрировали эффект, используя кристаллы турмалина, кварца, топаза, тростникового сахара и соли Рошеля (тетрагидрат тартрата натрия и калия).Кварц и соль Рошеля показали наибольшее количество пьезоэлектричества.

Кюри, однако, не предсказали обратный пьезоэлектрический эффект. Обратный эффект был математически выведен из фундаментальных термодинамических принципов Габриэлем Липпманом в 1881 году. Кюри немедленно подтвердили существование обратного эффекта и продолжили получать количественное доказательство полной обратимости электроэластомеханических деформаций в пьезоэлектрических кристаллах.

В течение следующих нескольких десятилетий пьезоэлектричество оставалось лабораторной диковинкой.Была проделана дополнительная работа по исследованию и определению кристаллических структур, демонстрирующих пьезоэлектричество. Это завершилось в 1910 году публикацией Вольдемара Фойгта Lehrbuch der Kristallphysik (учебник по кристаллофизике), в котором были описаны 20 классов природных кристаллов, способных к пьезоэлектричеству, и строго определены пьезоэлектрические константы с использованием тензорного анализа.

Первая мировая война и послевоенное время

Первым практическим применением пьезоэлектрических устройств был гидролокатор, впервые разработанный во время Первой мировой войны.Во Франции в 1917 году Поль Ланжевен и его сотрудники разработали ультразвуковой детектор подводных лодок. Детектор состоял из преобразователя, сделанного из тонких кристаллов кварца, аккуратно приклеенных между двумя стальными пластинами, и гидрофона для обнаружения отраженного эха. Излучая высокочастотный щебет от преобразователя и измеряя количество времени, необходимое для того, чтобы услышать эхо от звуковых волн, отражающихся от объекта, можно рассчитать расстояние до этого объекта.

Использование пьезоэлектричества в гидролокаторах и успех этого проекта вызвали большой интерес разработчиков к пьезоэлектрическим устройствам.В течение следующих нескольких десятилетий были исследованы и разработаны новые пьезоэлектрические материалы и новые применения для этих материалов.

Пьезоэлектрические устройства нашли применение во многих областях. Керамические картриджи для фонографов упростили конструкцию проигрывателя, были дешевыми и точными, а также сделали проигрыватели дешевле в обслуживании и облегчили сборку. Разработка ультразвукового преобразователя позволила легко измерять вязкость и эластичность жидкостей и твердых тел, что привело к огромным успехам в исследованиях материалов.Ультразвуковые рефлектометры во временной области (которые посылают ультразвуковой импульс через материал и измеряют отражения от неоднородностей) могут обнаруживать дефекты внутри литых металлических и каменных объектов, повышая безопасность конструкции.

Вторая мировая и послевоенная

Во время Второй мировой войны независимые исследовательские группы в США, России и Японии открыли новый класс искусственных материалов, названных сегнетоэлектриками, пьезоэлектрические постоянные которых во много раз выше, чем у природных материалов.Это привело к интенсивным исследованиям с целью разработки материалов из титаната бария, а затем и цирконата титаната свинца со специфическими свойствами для конкретных применений.

Разработка пьезоэлектрических устройств и материалов в Соединенных Штатах велась в рамках компаний, занимавшихся разработкой, в основном из-за того, что эта область зародилась в военное время, и в интересах получения прибыльных патентов. Первыми были разработаны новые материалы — кристаллы кварца были первым пьезоэлектрическим материалом, использовавшимся в коммерческих целях, но ученые искали материалы с более высокими характеристиками.Несмотря на достижения в области материалов и совершенствование производственных процессов, рынок Соединенных Штатов не рос так быстро. Без множества новых приложений рост пьезоэлектрической промышленности США пострадал.

Напротив, японские производители делились своей информацией, быстро преодолевая технические и производственные проблемы и создавая новые рынки. Усилия Японии в области исследования материалов позволили создать пьезокерамические материалы, конкурентоспособные по сравнению с материалами США, но без дорогостоящих патентных ограничений.Основные японские пьезоэлектрические разработки включают в себя новые конструкции пьезокерамических фильтров, используемых в радиоприемниках и телевизорах, пьезозуммеры и преобразователи звука, которые могут быть подключены непосредственно к электронным схемам, а также пьезоэлектрический воспламенитель, который генерирует искры для систем зажигания небольших двигателей (и зажигалок с газовыми решетками). путем сжатия керамического диска. Ультразвуковые преобразователи, которые могут передавать звуковые волны через воздух, существовали довольно давно, но впервые нашли широкое коммерческое использование в ранних телевизионных пультах дистанционного управления.Эти преобразователи теперь устанавливаются на нескольких моделях автомобилей в качестве устройства эхолокации, помогая водителю определять расстояние от задней части автомобиля до любых объектов, которые могут быть на его пути.

Материалы

Многие материалы, как природные, так и созданные руками человека, проявляют пьезоэлектрический эффект. Эти материалы включают:

Кристаллы природного происхождения

Прочие природные материалы

• Кость — Кость проявляет некоторые пьезоэлектрические свойства из-за кристаллов апатита, и предполагается, что как средство регулирования образования костей электромагнитные волны стимулируют рост костей.

Искусственные кристаллы

• Ортофосфат галлия (GaPO ₄ ) — кристалл аналога кварца
• Лангасит (La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ ) — кристалл аналога кварца

Искусственная керамика

Семейство керамических материалов со структурой перовскита или вольфрам-бронзы демонстрирует пьезоэлектричество:

• Титанат бария (BaTiO ₃ ). Титанат бария был первой обнаруженной пьезоэлектрической керамикой.
• Титанат свинца (PbTiO ₃ )
• Цирконат титанат свинца (Pb (ZrTi) O ₃ ) — более известный как PZT, титанат цирконата свинца является наиболее распространенной пьезоэлектрической керамикой, используемой сегодня.
• Ниобат калия (KNbO ₃ )
• Ниобат лития (LiNbO ₃ )
• Танталат лития (LiTaO ₃ )
• Вольфрамат натрия (Na _x WO ₃ )
• Ba ₂ NaNb ₅ O ₅
• Pb ₂ KNb ₅ O ₁₅

Полимеры

• Поливинилиденфторид (ПВДФ) —ПВДФ обладает пьезоэлектричеством в несколько раз больше, чем кварц.В отличие от керамики, где кристаллическая структура материала создает пьезоэлектрический эффект, в полимерах переплетенные длинноцепочечные молекулы притягивают друг друга и отталкивают друг друга при приложении электрического поля.

Приложения

Пьезоэлектрические кристаллы в настоящее время используются по-разному:

Источники высокого напряжения и питания

Прямое пьезоэлектричество некоторых веществ, например кварца, как упоминалось выше, может генерировать разность потенциалов в тысячи вольт.

• Вероятно, самым известным применением является электрическая прикуриватель: нажатие на кнопку заставляет подпружиненный молоток ударять по пьезоэлектрическому кристаллу, и создаваемое высокое напряжение воспламеняет газ, когда ток прыгает через небольшой искровой промежуток. Переносные источники зажигания, используемые для зажигания газовых грилей или печей, работают одинаково, и многие типы газовых горелок теперь имеют встроенные пьезоэлектрические системы зажигания.
• Аналогичная идея исследуется DARPA в Соединенных Штатах в рамках проекта под названием Energy Harvesting, , который включает попытку питания оборудования поля боя с помощью пьезоэлектрических генераторов, встроенных в солдатские ботинки.Однако эти источники сбора энергии по ассоциации оказывают влияние на организм. Усилия DARPA по использованию 1-2 Вт от непрерывного воздействия обуви во время ходьбы были прекращены из-за непрактичности и дискомфорта из-за дополнительной энергии, затрачиваемой человеком, носящим обувь.
• Пьезоэлектрический преобразователь — это тип умножителя переменного напряжения. В отличие от обычного трансформатора, в котором используется магнитная связь между входом и выходом, в пьезоэлектрическом трансформаторе используется акустическая связь.Входное напряжение прикладывается к короткому отрезку стержня из пьезокерамического материала, такого как PZT, создавая переменное напряжение в стержне за счет обратного пьезоэлектрического эффекта и заставляя весь стержень вибрировать. Частота вибрации выбирается равной резонансной частоте блока, обычно в диапазоне от 100 килогерц до 1 мегагерца. В этом случае более высокое выходное напряжение создается на другом участке шины за счет пьезоэлектрического эффекта. Были продемонстрированы коэффициенты увеличения более 1000: 1.Дополнительной особенностью этого трансформатора является то, что, работая с частотой выше его резонансной частоты, он может проявлять себя как индуктивная нагрузка, что полезно в схемах, требующих управляемого плавного пуска. Эти устройства могут использоваться в инверторах постоянного и переменного тока для управления CCFL. Пьезоэлектрические трансформаторы — одни из самых компактных доступных источников высокого напряжения.

Датчики

Принцип действия пьезоэлектрического датчика заключается в том, что физический размер, преобразованный в силу, действует на две противоположные стороны чувствительного элемента.В зависимости от конструкции датчика могут использоваться различные «режимы» нагрузки на пьезоэлемент: продольный, поперечный и сдвигающий.

Обнаружение колебаний давления в форме звука — наиболее распространенное применение датчиков, например, пьезоэлектрические микрофоны (звуковые волны изгибают пьезоэлектрический материал, создавая изменяющееся напряжение) и пьезоэлектрические звукосниматели для гитар с электрическим усилением. Пьезоэлектрический датчик, прикрепленный к корпусу инструмента, известен как контактный микрофон.

Пьезоэлектрические датчики особенно используются с высокочастотным звуком в ультразвуковых преобразователях для медицинской визуализации, а также для промышленного неразрушающего контроля (NDT).

Для многих методов измерения датчик может действовать как датчик и как исполнительный механизм — часто термин преобразователь предпочтителен, когда устройство действует в этой двойной емкости, но большинство пьезоустройств обладают этим свойством обратимости, независимо от того, используется он или нет. Например, ультразвуковые преобразователи могут вводить ультразвуковые волны в тело, принимать возвращенную волну и преобразовывать ее в электрический сигнал (напряжение).Большинство медицинских ультразвуковых преобразователей являются пьезоэлектрическими.

В дополнение к упомянутым выше, различные приложения датчиков включают:

• Пьезоэлектрические элементы также используются для обнаружения и генерации гидроакустических волн.
• Мониторинг мощности в приложениях с высокой мощностью (например, лечение, сонохимия и промышленная обработка).
• Пьезоэлектрические микровесы используются в качестве очень чувствительных химических и биологических датчиков.
• Пьезы иногда используются в тензодатчиках.
• Пьезоэлектрические преобразователи используются в электронных пэдах ударных для обнаружения ударов палочек барабанщика.
• Автомобильные системы управления двигателем используют пьезоэлектрический преобразователь для обнаружения детонации путем измерения вибрации блока цилиндров.
• Ультразвуковые пьезодатчики используются для обнаружения акустической эмиссии при испытании акустической эмиссии.

Приводы

Поскольку очень высокие напряжения соответствуют лишь крошечным изменениям ширины кристалла, эту ширину можно изменять с точностью лучше, чем микрометр, что делает пьезокристаллы наиболее важным инструментом для позиционирования объектов с чрезвычайной точностью — таким образом, их можно использовать в исполнительных механизмах.

• Громкоговорители: напряжения преобразуются в механическое движение пьезоэлектрической полимерной пленки.
• Пьезоэлектрические двигатели: Пьезоэлектрические элементы прикладывают направленную силу к оси, заставляя ее вращаться. Из-за чрезвычайно малых расстояний пьезодвигатель рассматривается как высокоточная замена шагового двигателя.
• Пьезоэлектрические элементы могут использоваться при юстировке лазерных зеркал, где их способность перемещать большую массу (держатель зеркала) на микроскопические расстояния используется для электронного юстировки некоторых лазерных зеркал.Точно контролируя расстояние между зеркалами, лазерная электроника может точно поддерживать оптические условия внутри лазерной полости для оптимизации выхода луча.
• Связанное применение — акустооптический модулятор, устройство, которое заставляет зеркало вибрировать, чтобы дать отраженному от него свету доплеровский сдвиг. Это полезно для точной настройки частоты лазера.
• Атомно-силовые микроскопы и сканирующие туннельные микроскопы используют обратное пьезоэлектричество для удержания чувствительной иглы близко к зонду.
• Струйные принтеры: на многих струйных принтерах пьезоэлектрические кристаллы используются для управления потоком чернил от картриджа к бумаге.
• Дизельные двигатели: В высокопроизводительных дизельных двигателях с общей топливной магистралью вместо более распространенных устройств с электромагнитными клапанами используются пьезоэлектрические топливные форсунки, впервые разработанные компанией Siemens AG.

Эталон частоты

Пьезоэлектрические свойства кварца полезны как эталон частоты.

• В кварцевых часах используется камертон, сделанный из кварца, который использует комбинацию прямого и обратного пьезоэлектричества для генерации регулярно синхронизируемых серий электрических импульсов, которые используются для отметки времени.Кристалл кварца (как и любой эластичный материал) имеет точно определенную собственную частоту (обусловленную его формой и размером), на которой он предпочитает колебаться, и это используется для стабилизации частоты периодического напряжения, приложенного к кристаллу.
• Тот же принцип важен для всех радиопередатчиков и приемников, а также для компьютеров, где он создает тактовый импульс. Оба они обычно используют умножитель частоты для достижения диапазонов мегагерц и гигагерц.

Пьезоэлектрические двигатели

Типы пьезоэлектрических двигателей включают хорошо известные двигатели бегущей волны, используемые для автофокусировки в зеркальных камерах, дюймовые червячные двигатели для линейного движения и прямоугольные четырехквадрантные двигатели с высокой удельной мощностью (2.5 Вт / см3) и скорости от 10 нм / с до 800 мм / с. Все эти моторы работают по одному принципу. Под воздействием двойных ортогональных режимов вибрации с фазовым сдвигом 90 ° точка контакта между двумя поверхностями колеблется по эллиптической траектории, создавая силу трения между поверхностями. Обычно одна поверхность фиксируется, заставляя другую двигаться. В большинстве пьезоэлектрических двигателей пьезоэлектрический кристалл возбуждается синусоидальным сигналом на резонансной частоте двигателя. Используя эффект резонанса, можно использовать гораздо более низкое напряжение для получения высокой амплитуды вибрации.

Снижение вибрации

Технический университет Дармштадта в Германии исследует способы уменьшения и устранения вибраций путем установки пьезоэлементов. Когда материал изгибается за счет вибрации в одном направлении, система наблюдает за изгибом и посылает электрическую энергию на пьезоэлемент для изгиба в другом направлении.

Такой эксперимент был показан на выставке Material Vision во Франкфурте в ноябре 2005 года. Несколько панелей ударили резиновым молотком, и панель с пьезоэлементом сразу перестала раскачиваться.

Исследовательская группа видит будущее применение в автомобилях и домах для снижения шума.

Классы кристаллов

Любой пространственно разделенный заряд приведет к электрическому полю и, следовательно, к электрическому потенциалу. Здесь показан стандартный диэлектрик в конденсаторе. В пьезоэлектрическом устройстве механическое напряжение является причиной разделения зарядов в отдельных атомах материала, а не приложенное извне напряжение.

Из тридцати двух классов кристаллов двадцать один нецентросимметричен (не имеет центра симметрии), и из них двадцать проявляют прямое пьезоэлектричество (21-й — кубический класс 432).Десять из них полярны (например, спонтанно поляризованы), имеют диполь в своей элементарной ячейке и проявляют пироэлектричество. Если этот диполь можно перевернуть путем приложения электрического поля, материал называется сегнетоэлектриком.

• Пьезоэлектрические кристаллы классов: 1, 2, м, 222, мм2, 4, -4, 422, 4 мм, -42 м, 3, 32, 3 м, 6, -6, 622, 6 мм, -62 м, 23, -43 м
• Пироэлектрик: 1, 2, м, мм2, 4, 4 мм, 3, 3 м, 6, 6 мм

В пьезоэлектрическом кристалле положительные и отрицательные электрические заряды разделены, но симметрично распределены, так что кристалл в целом электрически нейтральный.Каждый из этих сайтов образует электрический диполь, и диполи рядом друг с другом имеют тенденцию выстраиваться в областях, называемых доменами Вейсса. Домены обычно ориентированы случайным образом, но могут быть выровнены во время опроса (не того же, что и магнитного опроса), процесса, при котором к материалу прикладывается сильное электрическое поле, обычно при повышенных температурах.

При приложении механического напряжения эта симметрия нарушается, и асимметрия заряда создает напряжение на материале.Например, кварцевый куб размером 1 см с правильно приложенной к нему силой 500 фунтов силы (2 кН) может создавать напряжение 12500 В.

Пьезоэлектрические материалы также демонстрируют противоположный эффект, называемый обратным пьезоэлектрическим эффектом, , когда приложение электрического поля создает механическую деформацию в кристалле.

Математическое описание

Пьезоэлектричество — это совокупный эффект электрического поведения материала:

D = ϵE {\ displaystyle D = \ epsilon E \;}

Где D — электрическое смещение, ϵ {\ displaystyle \ epsilon \;} — диэлектрическая проницаемость, а E — напряженность электрического поля, а коэффициент Гука Закон:

S = sT {\ displaystyle S = sT \;}

Где S — деформация, s — податливость и T — напряжение. {E} \ right) \ end {bmatrix}} {\ begin {bmatrix} T_ {1} \\ T_ {2} \\ T_ {3} \\ T_ { 4} \\ T_ {5} \\ T_ {6} \ end {bmatrix}} + {\ begin {bmatrix} 0 & 0 & d_ {31} \\ 0 & 0 & d_ {31} \\ 0 & 0 & d_ {33} \\ 0 & d_ {15} & 0 \\ d_ {15} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 \ end {bmatrix}} {\ begin {bmatrix} E_ {1} \\ E_ {2} \\ E_ {3} \ end {bmatrix}}}

[ D1D2D3] = [0000d150000d1500d31d31d33000] [T1T2T3T4T5T6] + [ϵ 11000ϵ 11000ϵ 33] [E1E2E3] {\ displaystyle {\ begin {bmatrix} D_ {1} \\ D_ {2} \\ D_ {3} \ end {bmatrix} = {\ begin {bmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 & d_ {15} & 0 \\ 0 & 0 & 0 & d_ {15} & 0 & 0 \\ d_ {31} & d_ {31} & d_ {33} & 0 & 0 & 0 \ end {bmatrix}} {\ begin {bmatr ix} T_ {1} \\ T_ {2} \\ T_ {3} \\ T_ {4} \\ T_ {5} \\ T_ {6} \ end {bmatrix}} + {\ begin {bmatrix} \ epsilon \ {} _ {11} & 0 & 0 \\ 0 & \ epsilon \ {} _ {11} & 0 \\ 0 & 0 & \ epsilon \ {} _ {33} \ end {bmatrix}} {\ begin {bmatrix} E_ {1} \\ E_ {2} \\ E_ {3} \ end {bmatrix}}}

Хотя приведенные выше уравнения являются наиболее часто используемой формой в литературе, некоторые комментарии по поводу обозначений необходимы.Обычно D и E — векторы, то есть декартов тензор ранга-1; а диэлектрическая проницаемость ϵ {\ displaystyle \ epsilon \;} — декартов тензор ранга 2. Деформация и напряжение, в принципе, также являются тензорами второго ранга. Но условно, поскольку деформация и напряжение являются симметричными тензорами, субскрипт деформации и напряжения можно изменить следующим образом: 11 → 1 {\ displaystyle 11 \ rightarrow 1 \;}; 22 → 2 {\ Displaystyle 22 \ rightarrow 2 \;}; 33 → 3 {\ Displaystyle 33 \ rightarrow 3 \;}; 23 → 4 {\ Displaystyle 23 \ rightarrow 4 \;}; 13 → 5 {\ Displaystyle 13 \ rightarrow 5 \;}; 12 → 6 {\ Displaystyle 12 \ rightarrow 6 \;}.(В литературе разные авторы могут использовать разные соглашения. Скажем, некоторые используют 12 → 4 {\ displaystyle 12 \ rightarrow 4 \;}; 23 → 5 {\ displaystyle 23 \ rightarrow 5 \;}; 31 → 6 {\ displaystyle 31 \ rightarrow 6 \;}.) Вот почему S и T , похоже, имеют «векторную форму» из 6 компонентов. Следовательно, s оказывается матрицей 6 на 6 вместо тензора ранга 4. Такая перемаркированная нотация часто называется нотацией Фойгта.

Международные стандарты

• Стандарт ANSI-IEEE 176 (1987) по пьезоэлектричеству
• IEC 302 (1969) Стандартные определения и методы измерения для пьезоэлектрических вибраторов, работающих в диапазоне частот до 30 МГц
• IEC 444 (1973) Основной метод измерения резонансной частоты и эквивалентного последовательного сопротивления кварцевых кристаллов методом нулевой фазы в пи-цепи
• Стандартные определения IEEE 177 (1976) и методы измерения для пьезоэлектрических вибраторов

Примечания

1. ↑ Дуглас А.Скуг, Стэнли Р. Крауч и Ф. Джеймс Холлер, Принципы инструментального анализа (Cengage Learning, 2006, ISBN 978-0495012016).

Список литературы

• Гаучи, Густав Х. Пьезоэлектрическая сенсорика. Springer, 2002. ISBN 3540422595
• Скуг, Дуглас А., Стэнли Р. Крауч и Ф. Джеймс Холлер. Принципы инструментального анализа . Cengage Learning, 2006. ISBN 978-0495012016

Внешние ссылки

Все ссылки получены 28 марта 2019 г.

Кредиты

Энциклопедия Нового Света Писатели и редакторы переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников New World Encyclopedia, , так и на бескорыстных добровольцев Фонда Викимедиа.Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних публикаций википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание. Некоторые ограничения могут применяться к использованию отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Пьезоэлектричество — обзор | ScienceDirect Topics

Пьезоэлектрические материалы

Пьезоэлектрический эффект широко используется в природе и во многих синтетических материалах.Наиболее известным природным пьезоэлектрическим материалом является кварц SiO ₂ , в то время как среди тысяч синтетических материалов наиболее широко используются и наиболее изучены сегнетоэлектрическая керамика, принадлежащая к твердым растворам цирконата свинца и титаната свинца, Pb (Zr, Ti) O _{. 3} (PZT). Кварц демонстрирует почти идеальный, негистерезисный, линейный и стабильный, но слабый пьезоэлектрический отклик. Пьезоэлектрические коэффициенты ЦТС примерно на два порядка выше, чем у кварца (табл. 1). В настоящее время PZT не доступен в монокристаллической форме; он изготовлен в виде керамики, которую необходимо полюсить для демонстрации пьезоэлектрического отклика.Наилучшие пьезоэлектрические свойства в PZT наблюдаются при соотношении Zr: Ti 1: 1. В этой области (называемой морфотропной фазовой границей или MPB) кристаллическая структура PZT изменяется с тетрагональной (богатая сторона PbTiO ₃ ) на ромбоэдрическую (богатая сторона PbZrO ₃ ) через промежуточную моноклинную структуру (Рисунок 4). . Следующие аргументы используются для интерпретации происхождения исключительно больших пьезоэлектрических свойств в области MPB: (1) поскольку свободные энергии ромбоэдрической, тетрагональной и моноклинной фаз в MPB близки друг к другу, существует большое количество доступных направления (6 тетрагональных, 8 ромбоэдрических, 22 моноклинных), по которым вектор поляризации может переориентировать в процессе полинга; таким образом, керамику можно полировать более эффективно, (2) при MPB, которая представляет собой область фазового перехода, вызванную составом, некоторые пьезоэлектрические коэффициенты имеют максимум, так же, как и в окрестности фазового перехода, индуцированного температурой, (3) те зерна, полярное направление которых ориентировано вдоль наклонного направления по отношению к измерительному полю, обычно демонстрируют пьезоэлектрический отклик, сочетающий в себе продольный, поперечный и сдвиговый эффекты; это увеличивает пьезоэлектрический отклик, потому что эффекты сдвига имеют тенденцию быть большими на MPB.

Таблица 1. Пьезоэлектрические свойства выбранных материалов

Материал	Пьезоэлектрический коэффициент (pCN −1 )	Коэффициент связи	Комментарий		d 33 = 600	k 33 = 0,75	Керамика с поляризацией
Жесткий PZT	d 33 = 200	k .67	Керамика с поляризацией
	d 15 = 500
PMN-PT	d 33 = 2500	k 4 Одиночный кристалл; d 33 длинное [0 0 1] псевдокубическое направление
	d 15 = 4900
SiO 2	d .3	k 11 = 0,1	Монокристалл
PVDF	d 31 = 30	k 33 = 0,2	Полимер	164 900 d 33 = −15

Рис. 4. Схематическое изображение (а) фазовой диаграммы температура-состав и (б) зависимости пьезоэлектрического коэффициента от состава, наблюдаемых во многих твердых растворах простых и сложных перовскиты (например,g., PbZrO ₃ и Pb (Mg _1/2 Nb _2/3 ) O ₃ ) с PbTiO ₃ .

Недавно был открыт новый класс пьезоэлектрических кристаллов с продольными и поперечными пьезоэлектрическими коэффициентами, достигающими в определенных кристаллографических направлениях значений 1000–2500 пКл N ^–1 с коэффициентами сдвига в диапазоне 4000–5000 пКл N ^–1 , а коэффициенты связи достигают 0,95. Эти кристаллы представляют собой твердые растворы релаксорного сегнетоэлектрика, например Pb (Zn _1/2 Nb _2/3 ) O ₃ или Pb (Mg _1/2 Nb _2/3 ) O ₃ и сегнетоэлектрик PbTiO ₃ .Как и в случае PZT, свойства максимизируются вблизи MPB (рис. 4) и вдоль определенных кристаллографических направлений, как показано на рис. 5. Когда кристалл смещен в неполярном направлении, возникает особая доменная структура, которая называется на «спроектированную доменную структуру». В некоторых случаях (например, ромбоэдрические кристаллы, расположенные вдоль псевдокубического направления 〈0 0 1〉, рис. 5), спроектированное доменное состояние не только дает большой пьезоэлектрический отклик, но также является стабильным и свободным от гистерезиса.

Рис. 5. Зависимость продольного пьезоэлектрического коэффициента d ₃₃ от ориентации кристаллов для (а) кристаллов, принадлежащих точечной группе 3m , таких как ромбоэдрический PZT, BaTiO ₃ или Pb (Zn _{1 / 2} Nb _2/3 ) O ₃ -PbTiO ₃ , (b) четыре доменных состояния в таком кристалле, поляризованные вдоль псевдокубического направления [0 0 1].

Полимер-керамические пьезоэлектрические композиты, которые были разработаны в течение 1970-х и 1980-х годов, в настоящее время обычно используются для медицинских изображений и подводных приложений (SONAR).Полимерная фаза является непьезоэлектрической, а керамическая представляет собой композицию из ЦТС. Используются разные связи двух фаз. Роль полимера заключается в основном в уменьшении плотности и, таким образом, в улучшении согласования акустического импеданса с телом человека и водой, а также в уменьшении поперечного пьезоэлектрического эффекта и, таким образом, уменьшении перекрестных помех элементов в решетках преобразователей. Наиболее важным синтетическим органическим пьезоэлектриком является ПВДФ.

PZT, кварц и PVDF — наиболее широко используемые пьезоэлектрические материалы.Помимо этих материалов, LiNbO ₃ и LiTaO ₃ , турмалин, модифицированный PbTiO ₃ , метаниобат свинца PbNb ₂ O ₆ , BaTiO ₃ , а также материалы, относящиеся к семейству титанов на основе висмута. структуры aurivillius используются для специальных приложений. Предпринимаются попытки частично заменить кварц кристаллами, принадлежащими к семейству лангасита La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ и GaPO ₄ , оба из которых демонстрируют более высокий пьезоэлектрический отклик, чем кварц, термостабильные свойства и рабочие температуры значительно выше, чем у кварца.Последние разработки в области пьезоэлектрических тонких пленок вызвали интерес к пленкам PZT и AlN. В настоящее время предпринимаются попытки разработать бессвинцовые пьезоэлектрические материалы (например, композиции на основе KNbO ₃ , Na _0,5 Bi _0,5 TiO ₃ ) со свойствами, сопоставимыми со свойствами PZT. Теории ab initio кажутся многообещающим подходом в предсказании новых материалов с высокими пьезоэлектрическими свойствами.

Многие органические, синтетические, природные и биологические материалы являются пьезоэлектрическими, включая нейлон, дерево, волосы, кости и ткани глаза.Пьезоэлектрический эффект у бычьих глаз в несколько раз выше, чем у кварца. Происхождение пьезоэлектричества в тканях животных и человека можно проследить до коллагена. Однако в настоящее время неясно, играет ли пьезоэлектрический эффект в живой ткани какую-либо физиологическую роль.

Пружинно-защелкивающие механизмы для повторяемой генерации высокого напряжения …

Контекст 1

… общая конструкция миллижидкостного канала включает основание и два блока с алюминием (или другим проводящим материалом, например медью) лента, покрывающая стороны каждого блока, чтобы функционировать как электроды, и пространство между ними, чтобы удерживать смесь компетентных клеток, которая должна быть преобразована (рис. 1B и 1E, а также текст S3 и S1).Хотя для нашей реализации мы используем предметное стекло или акриловую конструкцию, вырезанную лазером, мы показываем, что эту технику можно легко распространить на другие материалы, такие как дерево (при необходимости можно обеспечить стерильность), а также надежный интервал дуги 0,1 см. достигается за счет использования листов бумаги или кредитной карты для установки расстояния зазора (S5 рис. и S3 видео). …

Context 2

… Чтобы проиллюстрировать лежащую в основе механику, мы записали быстрое движение пьезоэлектрического кристалла с помощью высокоскоростной камеры со скоростью 1057 кадров в секунду (S4 Video).Механизм состоит из двух пружин, молотка (металлическая деталь, ударяющая по кристаллу) и самого кристалла PZT, соединенного с металлическим проводником (рис. 3A и 3B). Действие молота разделено на 3 фазы: фаза загрузки, фаза освобождения защелки и фаза расслабления (рис. 3C-3E). …

Context 3

… механизм состоит из двух пружин, молотка (металлическая деталь, ударяющая по кристаллу) и самого кристалла PZT, соединенного с металлическим проводником (рис. 3A и 3B). Действие молота разделено на 3 фазы: фаза загрузки, фаза освобождения защелки и фаза расслабления (рис. 3C-3E)….

Контекст 4

… фаза расслабления, пользователь отпускает приложенную пользователем силу, чтобы вернуть молот в исходное положение. Анализ видеозаписи высвобождения молота с высокой скоростью показывает, что молот может развивать максимальную скорость 8 м / с при пиковом ускорении почти 30 000 м / с, что эквивалентно 3 000 g-сил (рис. 3E-3G. ). Благодаря взрывному характеру ускорения молота, мощная результирующая импульсная сила в 10 Н ударяет по кристаллу PZT, в результате чего (а) пьезоэлектрический выходной сигнал от ElectroPen создается в виде экспоненциально затухающей волны (оптимальная форма волны для электропорации). Э.coli [17],) с достижением среднего выходного пикового напряжения V max = 2 ± 0,3 кВ и постоянной времени τ = 5,1 ± 0,9 мс. …

пьезо-, пьез- + — Word Информация

Область, которая направлена ​​на разработку устройств с автономным питанием, не требующих сменных источников питания; например, батарейки.

Определенный тип пьезоэлектрического материала может скрывать энергию со 100-процентным увеличением при производстве очень маленького размера; в данном случае около 21 нанометра в толщину.

Многие высокотехнологичные устройства содержат компоненты, которые измеряются в нанометрах, что представляет собой микроскопическую единицу измерения, представляющую одну миллиардную часть метра; человеческий волос имеет ширину около 100 000 нанометров.

Пьезоэлектрики материалы; обычно кристаллы или керамика, которые генерируют напряжение при приложении механической нагрузки. Они демонстрируют изменение своих физических свойств при приложении электрического поля.

Пьезоэлектрики, открытые французскими учеными в 1880-х годах, не новость. Впервые они были использованы в гидроакустических устройствах во время Первой мировой войны.

Сегодня их можно встретить в микрофонах и кварцевых часах. Автомобильные зажигалки также содержат пьезоэлектрики.Нажатие кнопки зажигалки вызывает удар по пьезоэлектрическому кристаллу, который затем вырабатывает напряжение, достаточное для создания искры и воспламенения газа.

В то время как достижения в области применения пьезоэлектриков прогрессируют, работа с пьезоэлектрическими элементами в наномасштабе является новой задачей, требующей рассмотрения различных и сложных аспектов; особенно потому, что размер волос гораздо более податлив и подвержен изменениям из-за окружающей среды, чем более крупные виды материалов.

No related posts.