Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя школа № 12 с кадетскими классами имени адмирала флота А. И. Сорокина»

Арзамас, ул. Горького, д.56

Пьезоэлементы

и их применение.

Выполнил:

ученик 8 А класса Катурин Евгений.

Руководитель:

Соколова Наталия Валерьевна,

учитель физики.

Арзамас, 2024

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………...3

Глава 1. Обзор литературы………….. …………………………………..…5

Глава 2. Место и методы исследования………………….………………...7

Глава 3. Результаты работы………………………………………………......9

Заключение……………………………………………………………………10

Литература………………………………………………………………...…..12

Приложение…………………………………………………………………...13

Введение

Впервые с явлением под названием «пьезоэлектрический эффект» я столкнулся в школе на уроке физики, когда речь зашла об использовании бытовых газовых зажигалок. При нажатии на кнопку такого изделия издаётся характерный для него треск и вырабатывается искра, зажигающая природный газ. Понятно, что это происходит в результате превращения механического воздействия в электрический разряд. Меня это очень заинтересовало, ведь я даже не догадывался, что в обычной зажигалке имеется так называемый пьезоэлектрический элемент. И я попытался разобраться в сути происходящих в пьезоэлементах процессов. Так как я являюсь активным пользователем социальных сетей, то сразу же включился в работу и пересмотрел множество видеороликов о пьезоэлементах и их применении, а также попытался создать свой прибор для получения альтернативного источника света и тепла в виде фонарика. В настоящее время некоторые мои родственники, как и многие россияне, исполняют свой долг на СВО, и я думаю, что мой прибор поможет многим из них на полях сражения. 

 Актуальность работы заключается в получении альтернативного источника света и тепла, который частично решит проблемы для служащих СВО в полевых условиях.

Цель работы: изучить пьезоэлектрический эффект, выяснить области применения в жизни и сконструировать устройство на его основе.

Данная цель конкретизируется в следующих основных

Задачах:

1. Изучить литературу по данной теме и проанализировать полученную информацию.
2. Изучить историю открытия пьезоэлектрического эффекта.
3. Изучить устройство приборов, работа которых основана на пьезоэффекте.
4. Сконструировать устройство, работающее на пьезоэлементе и проверить его действие.
5. Выявить достоинства и недостатки использования пьезоэлементов как альтернативного источника электроэнергии.
6. Анализ и систематизация полученных результатов.
7. Сделать соответствующие выводы.

Для решения поставленных задач применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.

Объект исследования: пьезоэлектрический эффект.

Предмет исследования: пьезоэлектрический элемент.

Гипотеза исследования: пьезоэлектрические устройства могут стать новыми экологически чистыми источниками энергии.

Глава 1. Обзор литературы

   Многие современные электронные устройства используют в своей работе пьезоэлектрический эффект. Например, в некоторых устройствах распознавания звука микрофоны, которые они используют, работают с помощью вышеупомянутого эффекта. Пьезоэлектрический кристалл преобразует энергию голоса в электрический сигнал, с которым могут работать смартфоны, компьютеры и другие электронные устройства. Пьезоэлектричество было открыто в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что давление на кварц или отдельные кристаллы создает электрический заряд. Это явление позже назвали пьезоэлектрическим эффектом. Вскоре братья Кюри открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Это происходит, когда к материалу или кристаллу прикладывается электрическое поле, что приводит к механической деформации объекта.

Термин “пьезоэлектричество” происходит от греческого слова “пьезо”, что означает сжатие. 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. 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, чётко 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. Пьезоэлементы могут быть разнообразной формы: в виде дисков, колец, трубок, пластин, сфер и др.  Действие пьезоэлемента наиболее чётко просматривается на примере зажигалки нажимного действия. При нажатии на клавишу, зажигалка выдает целую серию искр, что свидетельствует о наиболее удачном использовании пьезогенератора в данной конструкции. Сами элементы представляют собой сплошные цилиндрические конструкции, на торцах которых расположены электроды. Они соприкасаются друг с другом, поэтому на них воздействует одинаковая сила. Ориентация каждого пьезоэлемента между собой выполнена таким образом, чтобы электроды соприкасающихся поверхностей имели один заряд, например, положительный, а противоположные концы – заряд с другим знаком. Под действием рычага электроды замыкаются, и возникает электрическое параллельное соединение каждого пьезоэлемента между собой. От точки соприкосновения выводится токовод с закругленным наконечником, расположенным от металлической основы на определенном расстоянии. Во время нажатия на рычаг воздушный промежуток между основой и наконечником пробивается электрической искрой. При дальнейшем нажатии усилие возрастает, что приводит к появлению второй и последующей искр. Это будет происходить до тех пор, пока пьезоэлементы не разрушатся полностью.

Глава 2.

Место и методы исследования

Свою работу я начал с того, что изучил литературу и другие информационные источники с материалами на данную тему, рассмотрев различные научные статьи, связанные с дискуссией о чудесных перспективах генераторов энергии на пьезоэлементах. Затем начал создавать своё устройство. Для этого взял обычную использованную зажигалку и извлёк из неё пьезоэлемент. Далее мне понадобилась светодиодная лампа и провода, которые я припаял к ней. Эту систему я установил в деревянном корпусе и проверил её действие. Затем попытался рассчитать основные характеристики работы пьезоэлемента.

1. Напряжение на электродах можно посчитать по формуле:

U =  ; где U напряжение поля в вольтах, С ёмкость элемента в фарадах.

Легко проверить, что в этом примере, положив ёмкость равной 40 пикофарадам (это ёмкость пьезоэлементов пьезозажигалки), получим, что напряжение при силе 1Н будет равно 6В. Если действовать силой 1000 Н, получим 6 кВ. Я действовал примерно силой в 250 Н, значит напряжение, которое получил составило 1,5 кВ.

2. Какова мощность разряда пьезоэлемента? Сделать точный расчёт крайне затруднительно. Мощность тока искры это квадрат напряжения, делённый на сопротивление разрядного промежутка. Напряжение, конечно, меняется за время существования разряда от 3000 вольт до, почти, нуля. Поэтому возьмём среднее значение 1500 вольт. Но какое же сопротивление у разрядного промежутка? Мы его грубо оценим в 1 Ом, так как было замечено, что увеличение сопротивления токовода до 1 Ома уменьшает яркость искры. Теперь делаем расчёт.

P = ==2250000 Вт=2,25 МВт

3. Какова энергия, потраченная на искровой разряд? Это энергия электрического поля пьезоэлемента. Вычислим её по формуле:

W =  в Джоулях.

Мы знаем, что ёмкость С равна 40 пФ, а напряжение U к началу пробоя 3000  Вольт. Рассчитываем энергию W=40*10-12*3000*3000/2=180*10-6=180 микро Джоулей.

Посчитаем то же самое для 1500 вольт, среднего значения напряжения пробоя. Оно равно 45 микро Джоулей.

Определим время за которое произойдет разряд:

t =2* R * C =2*1 Ом*40 пФ=80 пикосекунд,

Разделив работу тока на время его протекания, получим следующее значение мощности:

P = =180 микро Джоулей/80 пикосекунд=2250 кВт.

4. Каков КПД пьезогенератора зажигалки?

Сила линейно меняется от 0 до 500 Ньютон. Её легко измерить с помощью бытового безмена. В расчёте следует взять среднее значение (250Н). Умножив 250Н на 0,002м получим 0,05 Дж. Тогда КПД будет равен 0,03%

5. Посчитаем силу тока.

I =; q = C * U ; I =  = I= 40пикофарад*3000вольт/80 пикосекунд=1500Ампер. (Все полученные значения в таблице 1 в приложении).

Глава 3.

Результаты работы

1. Пьезоэлемент не является источником энергии. Он всего лишь является трансформатором механической и тепловой энергии в энергию электростатического поля.
2. Пьезоэлемент можно использовать в современных технических устройствах разного назначения.
3. Пьезоэлемент является источником высокого напряжения.
4. Мощность, вырабатываемая пьезоэлементом высокая и сила тока также большая.
5. КПД очень низкий.
6. Длительный срок службы.
7. Небольшие габариты.
8. Мобильность.
9. Отсутствие отходов, а также загрязнения окружающей среды.
10. Независимость от погодных и природных условий.
11. Выработка электрического заряда только в момент механического воздействия. Ток идет краткосрочный, что требует внедрение в ряд устройств дополнительных элементов.

Заключение

    Использование пьезоэлементов в пьезогенераторах это не фантастика, это наше будущее. По мере развития технологий человечество начинает потреблять все меньше и меньше энергии без необходимости. Солнечные панели, ветряные электростанции, солнечные концентраторы, пьезоэлектрические генераторы, суперконденсаторы и другие устройства появились для того, чтобы помочь людям собирать и хранить альтернативную энергию. Большинство из этих устройств уже используются в повседневной жизни. Но наука не стоит на месте, скоро можно будет вырабатывать энергию с помощью повседневных и мелких движений. Это станет возможным благодаря пьезоэлектрическим генераторам. Этого достаточно для быстрой зарядки телефона или планшета. Можно также создать пьезоэлектрические генераторы, которые будут заряжать, например, наручные часы, используя стимуляцию, вызываемую биением сердца. Любой пьезоэлемент можно использовать в современных технических устройствах разного назначения. Они применяются в качестве кварцевых резонаторов, миниатюрных трансформаторов, пьезоэлектрических детонаторах, генераторах частоты с высокой стабильностью и во многих других местах. Каждый прибор устроен таким образом, что в нем может использоваться не только кристаллический кварц, но и элементы из поляризованной пьезокерамики. Однако пьезоэлемент не ограничивается одними лишь зажигалками. В настоящее время ведутся работы по решению задачи, как сделать использование этих материалов более продуктивным. Данный принцип достаточно давно применяется на танцевальных площадках и стоянках автомобилей, где под давлением происходит превращение механической энергии в электрическую. В перспективе возможно устройство более мощных энергодобывающих систем. Данное устройство по своей сути является беспроводным температурным датчиком, способным накапливать энергию от различных вибраций и передавать полученные данные через установленные промежутки времени. В настоящее время преобразователи на базе пьезоэлементов устанавливаются на реактивные самолеты. Данное техническое решение дает возможность экономии до 30% топливных ресурсов, используя колебания крыльев и самого фюзеляжа. Созданы экспериментальные светофоры, работающие от аккумуляторов, заряжающихся от колебаний воздуха, вызванных городским шумом. В будущем эти разработки позволят ликвидировать дефицит мощностей. С помощью пьезоэлементов станет возможно получать электричество в результате движения автомобилей по специально оборудованным трассам. Даже десять километров такой пьезодороги выдадут около 5 МВт/час. Тротуары для пешеходов также внесут свой вклад в добычу электроэнергии. Данное направление очень интересное и перспективное, привлекающее внимание учёных многих стран. А я в будущем постараюсь усовершенствовать своё устройство, включив в цепь конденсатор для накапливания электрического заряда, и тогда моя лампа будет давать не кратковременные вспышки, а длительное свечение. Тогда это точно будет являться фонариком, и действительно может помочь нашим военным на полях сражения.

Литература

1. Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. МРСУ. 2004.
2. Бородин В.З., Залесский В.В., Крамаров О.П. и др. Об измерении пьезоконстант сегнетокерамики. – Пьезоэлектрические материалы и преобразователи: Ростовский госуниверситет, 1969.
3. Ганопольский В.В., Касаткин Б.А., Гегуша Ф.Ф. и др. Пьезокерамические преобразователи. Справочник – Л.: Судостроение, 1984.
4. Мадорский В.В., Установ Ю.А. К оценке однородности поля механических напряжений в пьезокерамических дисках. – Пьезоэлектрические материалы и преобразователи: Ростовский

госуниверситет, 1969.

5. Шведов Л.А. и др. Устройство для испытания пьезоэлементов пульсирующей силой. Авт. свид. №447873. – Бюл. Изобр., 1974, № 39.
6. Яффе Б., Кук У., Яффе Г. Пьезоэлектрическая керамика. – М.:Мир, 1974.

Приложение

Таблица 1.