Пиезоелектричният ефект като източник на алтернативна енергия

като източник на алтернативна енергия

Зеткина Светлана Илинична,

Челябинск, MAOU лицей № 142, 11 клас

Павлова Наталия Ивановна,

II Основна част 4

2.1 Теоретична основа 4

2.2 Създаване на модел 5

2.3 Описание на технологията 5

2.4 Приложение на пиезоелектриците 6

III Заключение 7

IV Литература 8

Пиезоелектричният ефект като източник на алтернативна енергия

Зеткина Светлана Илинична

Челябинск, лицей №142, 11 клас^ I Въведение

Феноменът на пиезоелектричеството е известен отдавна. Според съществуващите представи за природата на пиезоелектричния ефект, формирани преди около 2,5 века от братя Кюри, явлението е следствие от йонна асиметрия в кристалната решетка на материала, в резултат на което диполният момент, който е нулев в естествено състояние, придобива стойност в деформираното. Това последствие прави възможно генерирането на електроенергия по най-новия екологичен начин, който не изисква специална поддръжка и не използва енергийни суровини. Тези свойства на пиезоелектриците ме заинтересуваха и си поставихцел-въз основа на изучения теоретичен материал, да създам модел за използване на пиезоелектрици (дансинг) за генериране на електричество и да направя заключение за възможността за използване на пиезоелектричния ефект.

За постигането на тази цел бяха поставени следнитезадачи:

  1. Намерете и изучавайте материали за пиезоелектричните явления.
  2. Закупете необходимите елементи, за да създадете модела.
  3. Изградете модел с помощта на пиезокристали.
  4. Направете заключение за необходимостта и ползите от използването на пиезоелектричество.
Хипотеза:Предполагаме, че пиезоелектричеството може да бъдеможе да се използва в много технологии и ние искаме да докажем това, като конструираме подходящ модел.

Уместносттана нашата работа се крие във факта, че този вид алтернативна енергия е малко проучен и днес има остър въпрос за търсенето и развитието на екологично чисти видове енергия, чието производство ще бъде без производствени отпадъци.

^ Практическото значениена нашата работа се състои в това, че е създаден модел за използване на пиезоелектрични елементи за бъдеща реализация на проекти за въвеждане на тази технология в различни индустрии.

^ II Основно тяло

2.1 Теоретична основа

Ключов елемент на пиезоелектрическата технология са пиезоелектриците - вещества, които могат да генерират електричество под действието на механично напрежение или деформация и, обратно, да променят физическите си размери (разширяват се или се свиват), когато през тях преминава електрически ток (обратен ефект). Най-често това са кварцови кристали или керамика (Приложение А).

Пиезоелектриците са открити през втората половина на 19 век, но намират своето приложение едва по време на Първата световна война, когато на тяхна основа са разработени сонари (от англ. so [und] na [навигация] и r [anging] - звукова навигация и определяне на разстояние [1]) за откриване на подводници. Успешното изпълнение на този проект доведе до нови приложения на пиезоелектриците. Така се създават глави за грамофони – първите звуковъзпроизвеждащи устройства, пиезоелектрически запалки, кварцови часовници и микрофони.

Трябва да се отбележи, че пиезоелектричният ефект, първоначално открит в естествени материали като кварц, турмалин, Рошелска сол и др., е доста слаб. Поради тази причина, поликристфероелектрични керамични материали с подобрени свойства, като бариев титанат BaTiO3 и оловен цирконат-титанатPZT(съкращение от формулата Pb[ZrxTi1-x]O3 0 2000 V/mm), което води до нарушаване на симетрията в кристала (Приложение B.2).

В пиезокристалите зарядите с различни знаци образуват електрически дипол. Няколко близки дипола образуват така наречените домейни на Вайс. Докато се установи полярността, домейните са произволно ориентирани (Приложение B.1). Под действието на електрическо поле и висока температура кристалът 1 се разширява по посока на полето и се свива по перпендикулярната ос. Това води до подреждане на диполи по протежение на приложеното електрическо поле (Приложение B.2).

След изключване на полето и охлаждане, пиезокерамиката има остатъчна поляризация (Приложение Б.3). Ако електрическо поле се приложи към кристал с регулирана полярност, домейните на Вайс започват да се подреждат по полето, като степента на подравняване зависи от приложеното електрическо напрежение. В резултат на това има промяна в размерите на пиезоелектричния материал.

При механичен натиск симетрията на разпределението на заряда се нарушава, което води до потенциална разлика на кристалните повърхности. Например, кварц с обем 1 cm 3, когато се приложи сила от 2 kN, може да произведе напрежение до 12 500 V.

^ 2.2. Създаване на модел

Въз основа на проучената теоретична база решихме да създадем дизайн, в който пиезоелектриците ще бъдат източник на енергия за електрически крушки. За целта ни трябваха следните материали:

  • 6 пиезо кристала, извлечени от пиезо запалки
  • 3 LED светлини
  • Кондензатори:
a) Капацитет 470 pF, напрежение 30 kV

б)Капацитет 2.2uF, напрежение 63V

  • Трансформатор за високо напрежение
  • Променливо съпротивление
  • Диоди
  • Батерии
  • Ексцентрици
Разработихме оптимална схема за конструиране на модел (Приложение D). По него сглобихме модел и тествахме устройството.
  1. ^ Описание на технологията
Имитация на човешки движения на дансинга е въртенето на ексцентричната дръжка. Ексцентриците предават сила на пиезоелектричните елементи, които от своя страна дават импулсен разряд на електролитния кондензатор за съхранение. Когато кондензаторът се разреди към бобината за високо напрежение на трансформатора, понижаващият трансформатор извежда импулс към 2 електролитни кондензатора. И през диода се зарежда батерията. Крушките светят в импулсен режим (ако батерията е изключена от веригата) (Приложение Г).

^ III ЗаключениеТази статия представя метод за генериране на електрически ток, малко проучен в България. Разгледахме теоретичната обосновка и разработихме модел на устройство, работещо на принципа на пиезоелектричния ефект. Въз основа на аналози, различни характеристики на тази технология и нашите собствени тестове е доказана хипотезата за възможността за използване на пиезоелектричния ефект на практика. Пиезо системите могат да се използват в:

  • фабрични комплекти барабани,
  • подови настилки в концертни зали, нощни клубове, спортни зали,
  • колела на автомобили, велосипеди, различни уреди за упражнения,
  • железопътни линии и магистрали, линии на метрото, трамвайни линии.
И това са само няколко от възможните приложения на пиезоелектричния ефект. Всички тези идеи, по един или друг начин, имат аналози в света. Но, за даЗа съжаление България е много назад в развитието на този вид енергия. Този проект е доказателство за реалната възможност за преобразуване на механичното налягане в електрическа енергия. И също така, надявам се, че ще послужи като отправна точка за създаване и изпълнение на проекти за въвеждане на пиезо системи в нашето ежедневие.

IV Препратки

  1. Фейнман чете лекции по физика. Том 7. Физика на непрекъснатите среди / Р. Фейман Р. Лейтън М. Сандс / - М .: Издателство Мир, 1977
  2. Сиротин Ю.И., Шасколская М.П. Основи на кристалната физика. Урок. - 2-ро изд., преработено. - М.: Наука. Основно издание на физико-математическата литература, 1979
  3. Cady W., Пиезоелектричеството и неговите практически приложения. - Москва: Издателство за чуждестранна литература, 1949. - 718 с.
  4. Мейсън У., Пиезоелектрични кристали и техните приложения. - М.: Изд-во иностр. Лит., 1952. - 447 с.
  5. Plonsky A.F.,Пиезоелектричество.

http://habrahabr.ru/post/143978/