Какое преобразование энергии происходит в зажигалке

13

за счет чего появляется искра в «кнопочных» зажигалках? Детки ещё вытаскивают эти маленькие устройства..

там пьеза элемент, это небольшой разряд тока
Пьезоэлектричество — способность веществ при изменении формы продуцировать электрическую силу. Пьезоэлектрики — кристаллы, обладающие свойством при сжатии продуцировать электрический заряд (прямой пьезоэффект) и обратным свойством под действием электрического напряжения изменять форму: сжиматься/расширяться, скручиваться, сгибаться (обратный пьезоэффект) . Пьезоэлектричество открыто братьями Жаком и Пьером Кюри в 1880—1881 гг. [1]

Актуаторы (двигатели) — конвертируют электрическую энергию в механическую.

Сенсоры (датчики, генераторы) , наоборот, конвертируют механическую энергию в электрическую.

Существуют однослойные, двухслойные и многослойные пьезокристаллы.

Однослойные — под воздействием электричества изменяются в ширину, длину и толщину. Если их растянуть или сжать, они генерируют электричество.

Двуслойные — могут быть использованы как однослойные, могут сгибаться или удлиняться. «Сгибатели» создают наибольшую величину перемещения относительно других видов, а «расширятели» , будучи более упругими, развивают гораздо большее усилие при гораздо меньшем перемещении.

Многослойные — развивают наибольшую силу при минимальном перемещении (изменении формы).

Какое преобразование энергии происходит в зажигалке

• Главная
• Исследование возможных вариантов использования пьезоэлектрического эффекта в качестве альтернативного источника энергии

Исследование возможных вариантов использования пьезоэлектрического эффекта в качестве альтернативного источника энергии

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Обычная зажигалка. Небольшое усилие при надавливании кнопки, щелчок, и возникает мощная электрическая искра поджигающая газ. Причём, весь процесс происходит без участия, каких либо электрических источников. 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, поскольку наблюдается и обратное явление. При подаче напряжения к электродам, расположенным на образце пьезоэлектрического материала, образец деформируется. Десятилетие тому назад, когда появились полимерные плёночные пьезоэлектрики, заговорили о пьезоэнергетике. Плёночные полимерные пьезоэлементы, значительной площади, предполагалось укладывать в море. Тогда под действием давления волн они вырабатывали бы электричество. В США даже проводились соответствующие опыты, но положительных результатов не дали. Однако идею не забыли. Фактом является, что в одной из воинских частей США есть электрогенерирующая танцплощадка, под плитки пола которой, уложены пьезоэлементы. Имеются подобные предложения и в России. Предлагается замуровывать пьезоэлементы в асфальт шоссе. 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 пьезопреобразователи аккумуляторы автономного освещения. Плотные потоки автомобилей на оживленных трассах, вырабатывающие электроэнергию. Пока это фантастика, но вполне реально применить пьезоэлементы для зарядки небольших мобильных устройств в условиях автономного существования человека. В результате анализа литературных данных по применению пьезоэлементов в качестве генератора электрической энергии сформировалась рабочая гипотеза о возможном использовании плёночных пьезоэлектриков в качестве альтернативного источника энергии. Актуальность данной темы состоит в том, что в условиях автономии мы не всегда имеем возможности обеспечить средства связи энергией.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является, исследование возможностей использования плёночных пьезоэлектриков в качестве альтернативного резервного источника энергии и для зарядки мобильной электроники. Цель работы предполагала решение следующих задач:

— изучение литературных и интернет источников по вопросам разработки и создания пьезоэлектрических материалов, принципа их действия, эффективности преобразования энергии, возможностях использования в промышленности и быту;

— исследование свойств определённого образца плёночного пьезоэлектрика, определение электрических параметров в процессе преобразования энергии, определение возможных конструкционных характеристик преобразователя;

— разработка конструкции и изготовление рабочего макета пьезоэлектрической зарядной станции;

— исследование выходных характеристик зарядной станции и возможных областей применения изготовленного устройства.

Пьезоэлектрический эффект [1-3]

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, как было сказано выше, был открыт в 1880 г. братьями Кюри. Явление возникновения электрических зарядов на поверхности пластинки при ее деформации называется прямым пьезоэлектрическим эффектом (Приложение лист I , рис. 1). 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. Явление изменения размеров пластинки под действием электрического поля называется обратным пьезоэлектрическим эффектом (Приложение лист I , рис. 2). 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. Необходимой предпосылкой для появления пьезоэффекта, является отсутствие центра симметрии в элементарной ячейке. Пояснить пьезоэлектрический эффект можно на примере наиболее распространённого пьезоэлектрика титаната бария. Титанат бария ВаТiO₃ аналогичен по структуре целому классу материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом. Элементарная ячейка при температурах выше, критической, которая называется также точкой Кюри (температура Кюри – это температура при превышении которой пьезоэлектрический материал теряет свои свойства), является кубической. Если температура ниже этой критической, то элементарная ячейка тетрагонально искажается по направлению к одной из кромок. В результате изменяются и расстояния между положительно и отрицательно заряженными ионами (Приложение лист II , рис. 3). Смещение ионов из их первоначального положения очень мало: оно составляет несколько процентов параметра элементарной ячейки. Однако такое смещение приводит к разделению центров тяжести зарядов внутри ячейки, так что образуется электрический дипольный момент. По энергетическим условиям диполи соседних элементарных ячеек кристалла упорядочиваются по областям в одинаковом направлении, образуя так называемые домены (Приложение лист II , рис. 4). Направления поляризации доменов распределяются в поликристаллической структуре по статическому закону. Неупорядоченные скопления отдельных микрокристаллов в структуре вещества не могут давать никакого пьезоэлектрического эффекта. Только после процесса поляризации, в котором при наложении сильного электрического поля на керамику происходит выравнивание возможно большего числа доменов параллельно друг другу, удается использовать пьезоэлектрические свойства элементарных ячеек. Поляризация обычно проводится при температуре немного ниже температуры Кюри, чтобы облегчить ориентацию доменов. После охлаждения это упорядоченное состояние остается стабильным. Пьезоэлектрический эффект присущ некоторым природным кристаллам, таким как кварц и турмалин, которые в течение многих лет использовались в качестве электромеханических преобразователей. Природные пьезоэлектрические материалы имеют достаточно высокую стоимость. В связи с этим потребности бурно развивающейся электроники в настоящее время удовлетворяются синтетическими пьезоэлектрическими монокристаллами, которые выращиваются в специальных установках. Пьезоэлектрические свойства таких кристаллов с достаточно высокой повторяемостью можно задавать путем композиции входящих в него компонентов. Выращенные кристаллы определенным образом режутся на пластины, некоторые (сегнетоэлектрики) поляризуются, и из них путем шлифования и нанесения электродов изготавливаются пьезоэлектрические элементы. Большинство составов искусственной пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой (А)(В)О₃ (напр., BaTiO₃, РbТiO₃) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твёрдых растворов на их основе (например, системы BaTiO₃ — CaTiO₃, BaTiO₃ — CaTiO₃ — CoCO₃, NaNbO₃ — KNbO₃). Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы РbТiO₃ — PbZrO₃ (система PZT, или ЦТС). Практический интерес представляет также ряд соединений с формулой (А)(В)₂О₆, напр. PbNb₂O₆, имеющих весьма высокую точку Кюри (

570 °С), что позволяет создавать пьезоэлементы для работы при высоких температурах.

Применение эффекта [3]

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. Пьезоэлектрические элементы используются в помпах, швейных машинах, датчиках (давления, обледенения, угловых скоростей), оптических инструментах, лазерных принтерах, моторах для автофокусировки. При этом область применения данных материалов постоянно растет. Применение пьезоэлемента обычно сводится к четырем категориям:

В нашей работе область применения ограничена функциями генерирования энергии. 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.

Исследование электрических параметров пьезоэлектрического материала [4-5]

Разработчики пьезоэнергетических систем учитывают, что пьезоэлемент выдает электрический ток только тогда, когда его деформируют. Для деформации нужно совершить работу:

где F – приложенная сила, х — деформация. При этом вырабатываемая электроэнергия:

где k – коэффициент электромеханической связи. Коэффициент электромеханической связи k описывает 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). Для лучших пьезоматериалов k = 0,5. Поэтому в электричество преобразуется не более 25 % затраченной энергии (без учета неизбежных механических и электрических потерь). Следовательно, при использовании пьезоэлементов в энергетике необходимо учитывать, что затраты механической энергии будут превышать более чем в четыре раза энергетические возможности генератора. Простейшим материалом, на котором можно провести исследования параметров пьезоэлектрического эффекта является пьезокерамическая пластинка звуковых излучателей (Приложение лист III , рис. 5). Для того, что бы получить с пьезопластины электрический потенциал нужно создать определённые колебания этой пластины. При вибрационном воздействии на пластине возникает электрический потенциал. Проведённые экспериментальные исследования показали значение этого потенциала порядка 2,3 вольта при токе 0,02А (Приложение лист III, рис. 6). Повысить эффективное напряжение можно при включении в цепь диодного моста. В этом случае будет использоваться два полупериода переменного напряжения с выхода пьезоэлектрической пластины и напряжение, практически удвоится (Приложение лист IV , рис. 7). Применение схемы накопления энергии с помощью электролитического конденсатора, позволяет кратковременно повысить напряжение и ток в несколько раз, но его отдача происходит мгновенным импульсом (Приложение лист IV, рис. 8). В этом случае напряжение возрастает до 4-5 вольт, а ток составляет 0,025 А. Пьезоэлектрические излучатели, не являются генераторными модулями, поэтому обладают достаточно скромными параметрами с точки зрения вырабатываемой электроэнергии. Её едва хватает для работы одного светодиода. Для получения значительных напряжений и тока применяют более мощные пьезоэлектрические модули. Например, гибкие плёночные модули, которые можно приобрести на торговых сайтах. Модули представляют собой пластины размерами от 50 x 50 мм, до более крупных (Приложение лист IV, рис. 9). Исследуя параметры подобных модулей, мы получили следующие данные: При деформации пластины напряжение на выходе модуля составляет до 50 – 60 вольт при силе тока до 0,035А. Этих показателей уже вполне достаточно, для использования этих модулей, в качестве генератора альтернативной энергии.

Изготовление пьезоэлектрического генератора альтернативной энергии [6-8]

Как уже говорилось выше, пластины пьезокерамических излучателей, можно использовать только для организации местной подсветки, при условии постоянной вибрации. Такую подсветку можно организовать при работе электроинструмента. Например, если поместить излучатель на корпус электрической дрели, то горящим при её работе светодиодом, можно освещать рабочую зону. Вибрация корпуса дрели, создаёт достаточную механическую работу, преобразуемую пьезоэлементом, для устойчивой работы одного светодиода (Приложение лист V , рис. 10). Для зарядки мобильной техники, требуются определённые стабильные напряжения, в отличие от тех, что выдаёт пьезоэлектрический элемент. Батарея мобильных устройств, таких как смартфон, сотовый телефон, требуют напряжения зарядки не менее 6,5 вольт. В этом случае, идеальным вариантом генератора альтернативной энергии, являются гибкие пьезоэлектрические модули. Напряжение на их выходе слишком высокое и нестабильное, поэтому, при использовании в качестве зарядного устройства, необходимо это напряжение привести к стабильным параметрам. Самым простым вариантом является применение DC – DC преобразователя энергии. Ассортимент современных DC-DC конвертеров (а именно так называются преобразователи постоянного напряжения в постоянное напряжение) достаточно широк (Приложение лист V , рис. 11).В этих преобразователях, в основном используется микросхема LM2596. На вход преобразователя подается постоянное напряжение в диапазоне от 4,5 до 40 вольт (с диодного моста), а на выходе получается постоянное напряжение от 1,3 до 35 вольт (Приложение лист V , рис. 12). Максимальный ток, который можно получить от данного преобразователя составляет 3 ампера, однако в этом случае требуется радиатор, если же преобразователь используется без радиатора, средний ток не должен превышать 2 ампер. Эффективность такого преобразователя может достигать 92%. Таким образом, схема альтернативного генератора получается очень простой. Пьезоэлектрическая пластина, через диодный мост подключается к преобразователю, на выходе которого мы имеем нужное стабильное напряжение, для зарядки мобильного устройства (Приложение лист VI , рис. 13 — 14). Дальнейшие эксперименты показали, что для изготовления пьезоэлектрического генератора для зарядки мобильной техники, можно использовать и пьезоизлучатели. В этом случае несколько пьезоизлучателей собираем в блок, на какой либо пластине. Соединение их параллельное, с целью поднять не напряжение, а силу тока. Большая величина силы тока необходима для возбуждения повышающего преобразователя напряжения. Наиболее удачным вариантом микросхемы, при конструировании преобразователя, является контроллер TPS61040/41 компании «Texas Instruments» — аналоги LM2703, LT1615, АМЕ5131, САТ4137, G5111Т11, SP6690. Микросхема контроллера относится к так называемым повышающим DC — DC-преобразователям со встроенным ключом (максимальный ток до 400 мА) (Приложение лист VII , рис. 15). У этой микросхемы самый низкий диапазон напряжения питания 1,8 — 6 В. При получаемом с пьезоэлементов напряжении, около 2,5 вольт, это единственный вариант преобразователя. В остальном схема повторяет предыдущую, только преобразователь будет повышающим (Приложение лист VII , рис. 16).

Исследование выходных параметров генератора

Исследование выходных параметров, изготовленных генераторов, проводились по нескольким вариантам. Использовались различные источники вибрации:

— контрольный стенд – генератор звуковых колебаний (частота вибрации 200 Герц);

— оконное стекло при умеренном ветре;

— вибрация кузова автомобиля при работающем двигателе;

— динамическая головка работающего телевизора;

— акустическая система компьютера при воспроизведении музыки;

— помещение пьезопластины под стельку в обувь и замеры параметров при ходьбе.

Результаты измерений проанализированы и сведены в таблицу (Приложение лист VIII , таблица 1). По всем результатам испытаний мы получаем стабильное напряжение 6,5В. Этого напряжения достаточно для зарядки мобильной техники, но заряжать её придётся достаточно долго, поскольку сила тока зарядки в среднем составляет 20 мА.

В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:

— в ходе работы и проведённых исследований изучены литературные и интернет — источники по вопросам разработки и создания пьезоэлектрических материалов, принципа их действия, эффективности преобразования энергии, возможности использования в промышленности и быту;

— исследованы свойства пьезокерамических пластин пьезоизлучателей и образца плёночного пьезоэлектрика, определены их электрические параметры в процессе преобразования энергии;

— разработаны конструкции и изготовлены рабочие экземпляры пьезоэлектрических зарядных модулей с применением плёночного пьезоматериала, и с применением обычных керамических пьезоизлучателей. При изготовлении опытных образцов пьезогенераторов освоены приёмы преобразования энергии с помощью электронных преобразователей;

— проведённые исследования выходных характеристик рабочих экземпляров пьезогенераторов, показали возможность использования их в, качестве альтернативного источника энергии при зарядке мобильной техники.

Список использованных литературных и интернет источников

1. http://electrik.info/main/news/652-pezogeneratory-novye-alternativnye-istochniki-elektroenergii.html — Пьезогенераторы — новые источники электроэнергии. Фантазии или реальность?

2. http://www.dom-spravka.info/_alt_energo/ab_18.html — Альтернативная энергетика XXI века.

3. https://www.eprussia.ru/epr/136/10576.htm — Электричество: неожиданные источники.

4. https://studopedia.ru/2_1283_pezoelektricheskie-materiali.html — Пьезоэлектрические материалы.

5.Т.Д. Шермергор, Н.Н. Стрельцова, Пленочные пьезоэлектрики, М.: Радио и связь, 1986.

6. https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/jelektropitanie/preobrazovateli-napriazheniia/ — Преобразователи напряжения.

7. http://radio-hobby.org/modules/news/article.php?storyid=1269 — Сверхминиатюрные изолированные DC/DC-преобразователи со стабилизированным выходом и ультранизким уровнем пульсаций

8. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps61040.pdf — Описание контроллера TPS61040/41

Рис. 1. Прямой пьезоэлектрический эффект.

Рис. 2. Обратный пьезоэлектрический эффект.

Рис. 3. Элементарная ячейка титаната бария (ВаТiO₃) при температуре выше точки Кюри (слева), и ниже точки Кюри (справа).

Рис. 4. Неупорядоченная поляризация (слева) и упорядоченная поляризация доменов при наложении сильного электрического поля (справа).

Рис. 5. Пьезоизлучатели.

Рис. 6. Простой эксперимент по генерации энергии пьезоэлектрической пластиной.

Рис. 7. Экспериментальная схема с удвоением напряжения.

Рис. 8. Экспериментальная схема с удвоением напряжения и его накоплением.

Рис. 9. Пьезокерамические модули высокой мощности.

Рис. 10. Использование пьезоэлектрического излучателя, в качестве генератора альтернативной энергии, для организации местной подсветки.

Рис. 11. Миниатюрный DC-DC конвертер (преобразователь).

Рис. 12. Принципиальная схема преобразователя.

Рис. 13. Схема пьезоэлектрического генератора альтернативной энергии.

Рис. 14. Фотография пьезоэлектрического генератора.

Рис. 15. Схема повышающего DC-DC преобразователя на контроллере TPS61040/41.

Рис. 16. Схема пьезоэлектрического генератора альтернативной энергии собранного с применением пьезоэлементов.

Таблица 1. Результаты испытаний, изготовленных пьезоэлектрических генераторов.

Какое преобразование энергии происходит при зажигании зажигалки

Нет недостатка в сенсационных публикациях, приписывающих чудодейственные возможности пьезоэлектричеству. Вот, к примеру, цитата: «Два года назад несколько физиков попытались заново решить формальную задачку: как механическую энергию человека преобразовать в киловатты электрической. Так на свет появился пьезоэлектрический генератор. Сначала первого поколения, потом второго, сегодня в лаборатории уже испытывают восьмую версию. Лёгкое нажатие на генератор и: «Гори оно всё огнём». …и когда всё будет окончательно готово произойдёт своеобразная революция в области альтернативных видов энергии». (teros.org.ru).

То, что пьезоэлемент не является источником энергии, — очевидно. Ясно также и то, что как преобразователь механической энергии в электрическую, революцию в энергетике он не произведёт. Ведь к чему сводятся идеи использовать пьезогенераторы в кроссовках, в асфальте, в эспандере, на ногах балерины, чтобы ток давала? Всё это сводится к тому, чтобы получить нетрадиционный электрический ток за счёт механической работы (кстати, с крайне низким кпд), которая, в свою очередь, совершается за счёт сжигания традиционного топлива и съёдания традиционной картошки. Пьезогенератор это преобразователь, но никак не источник электроэнергии. Как преобразователь он занимает достойное место в технике в качестве источника электрических зарядов, источника высокого напряжения для целей воспламенения, контроля изоляции и многих других. В некоторых случаях целесообразно применение в качестве микромощных источников питания. В этой статье речь пойдёт о пьезогенераторах, предназначенных для искрообразования и создания электрических зарядов.

Чтобы понять работу устройства, основной частью которого является пьезогенератор, не требуются обширные теоретические сведения. Достаточно знать лишь две величины, характеризующие пьезоэлектрический материал. Это диэлектрическая проницаемость, поскольку от неё зависит ёмкость пьезоэлемента, и пьезоэлектрический модуль. Пьезомодуль определяет величину электрического заряда на электродах пьезоэлемента при приложении к ним единицы силы. Пьезокерамика описывается тремя пьезомодулями, в зависимости от ориентации прилагаемой силы относительно полярной оси пьезокерамического образца. Нас будет интересовать пьезомодуль />Первый подстрочный индекс означает, что полярная ось направлена вдоль оси 3 или Z системы координат (перпендикулярно электродам). Второй индекс говорит, что действующая сила направлена вдоль той же оси. При такой взаимной ориентации пьезоэффект наиболее выражен. Пьезомодуль />по величине больше, чем пьезомодули, отвечающие другим комбинациям направлений. Для прямого пьезоэффекта пьезомодуль имеет размерность «К/Н» (кулон:ньютон), а его величина, в зависимости от марки пьезокерамики, находится в интервале от 200 до 500 пикокулон/ньютон (10 -12 К/Н). Пьезомодуль – это характеристика материала. Это означает, что если мы изготовим пьезоэлемент из пьезокерамики с пьезомодулем, например, 240*10 -12 К/Н, то, какие бы ни были размеры пьезоэлемента, какой бы он ни был формы, каким бы образом ни прикладывали силу, то ли в точке, то ли она распределена по всей поверхности электрода, мы всегда получим на электродах заряд 240 пикокулон, если приложим силу 1 ньютон. Какое же при этом будет напряжение на электродах пьезоэлемента? Воспользуемся известной формулой:

Из формулы следует, что напряжение уже зависит от размеров пьезоэлемента, так как входящая в формулу ёмкость C является функцией межэлектродного расстояния и площади электродов. 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 1000Н (100кГ), получим 6 кВ.

Этих сведений вполне достаточно, чтобы проанализировать работу пьезогенератора. Сделаем это на примере пьезоэлектрической зажигалки.

Как работает пьезоэлектрическая зажигалка?

Речь пойдёт о пьезозажигалке нажимного действия, которая по ходу своей клавиши выдаёт серию искр. Есть зажигалки ударного действия, которые выдают одиночную искру при приведении в действие ударного механизма. Пьезоэлектрическая зажигалка – это пример, пожалуй, самого удачного применения пьезогенератора. Это один из самых популярных бытовых приборов в жилищах, оборудованных газовыми плитами для приготовления пищи. Они надёжны, долговечны, не требуют никакого обслуживания и всегда готовы к использованию. На рис.1 представлено фотоизображение раскрытой пьезозажигалки с пьезогенератором. Не будем останавливаться на описании конструкции

Рис.1. Пьезозажигалка в раскрытом виде с пьезогенератором

пьезогенератора, так как в нём нет ничего, выходящего за рамки интеллектуального наследия Архимеда, а рассмотрим упрощённую модель пьезогенератора, изображённую на рис.2. Она представляет собой опору с рычагом, позволяющим прикладывать

значительное усилие на пьезоэлементы. Пьезоэлементы, имеющие форму сплошного цилиндра с электродами на торцевых поверхностях, поставлены друг на друга и вследствие этого подвергаются действию одной и той же силы. Пьезоэлементы ориентированы так, что на электродах соприкасающихся поверхностей наводится заряд одного знака, а на противоположных – другого знака. Противоположные электроды электрически замкнуты элементами рычажного механизма. В таких условиях пьезоэлементы оказываются соединёнными электрически параллельно. Выведем от соприкасающихся электродов токовод с наконечником, желательно, с закруглённым концом и расположим наконечник на некотором расстоянии от металлического основания. Теперь, при нажатии на рычаг, произойдёт пробой воздушного промежутка между наконечником и основанием. Надавив на рычаг сильней можно «высечь» вторую искру, третью и так далее, пока не разрушим пьезоэлементы. Таков, на первый взгляд простой, принцип действия пьезозажигалки. Однако можно посмотреть на это устройство более пристально. Это мы сделаем поставив несколько вопросов и задач. Ответы на них могут оказаться неожиданными.

1. Почему пьезозажигалка издаёт характерный треск при искрении? Это звук маленьких грозовых разрядов? Нет, хотя эти разряды тоже издают звук, но очень слабый. Сделаем умозрительный эксперимент на модели пьезоэлемента, обратившись к рис.3. Модель включает в себя сильную пружину1, которую можно сжимать, надавливая на платформу3. Имеются дугообразные, более слабые, пружинки2. Почему дугообразные и почему их две – не имеет значения. Просто для красоты рисунка. В экспериментальном наборе имеется множество дугообразных пружинок разной длины, потому что они быстро

ломаются. В исходном состоянии, когда сила равна нулю, подберём две дугообразные пружинки с расстоянием между концами равном расстоянию между платформой и нижним основанием и вставим их, как показано на рисунке. Теперь начнём наращивать усилие сверху. Пружины начнут сжиматься противодействуя силе. Основную нагрузку берёт на себя главный атлант – пружина1. Ей помогают дугообразные пружинки. Но вот, в некоторый момент, дугообразные пружинки ломаются. Атлант остаётся без помощников и резко проседает, дабы мобилизовать дополнительную силу своей упругости и, тем самым, уравновесить внешнюю. В этот же момент мы вставляем новую пару дугообразных пружинок, но уже с меньшим расстоянием между концами, соответствующим новой высоте платформы над основанием. Теперь у сильной пластины вновь два более слабых помощника. Но и они, получив определённую деформацию, также ломаются. Сильная пружина вновь резко проседает и так далее. Затем приостановим этот процесс и, перед тем, как снять внешнее усилие, вставим самые короткие дугообразные пружинки. И не просто вставим, а приклеим их в точках касания. Теперь, будучи свободной от внешней силы, большая пружина начинает ход вверх, растягивая маленькие пружинки. Маленькие пружинки при растяжении также ломаются, а мы ухитряемся их мгновенно заменять и приклеивать. Наконец, большая пружина остановила свой ход, но исходной высоты не достигла, так как последняя пара пружинок не поломалась. Мы их доломаем, и тогда пружина и платформа вернутся в исходное положение. Так что на обратном ходе самостоятельных поломок меньше.

Что же в пьезоэлементе является аналогом сильной и слабой пружин? Что понимается под поломкой слабой пружины? Вообще любое твёрдое тело это пружина. Правда, её ход очень мал и, согласно нашей аналогии, это сильная пружина. Пьезоэлемент это тоже сильная пружина, но в нём, в отличие от обычных твёрдых тел, имеется и слабая пружина. Сжимая обычное твёрдое тело, мы затрачиваем работу на увеличение потенциальной энергии упругости. Сжимая пьезоэлемент, мы также трудимся на увеличение потенциальной энергии, но, кроме этого, создаём в образце электрическое поле, которое также обладает потенциальной энергией. В приведенной выше аналогии можно вообще не вставлять дугообразные пружинки. Тогда сильную пружину будет легче сжать. В пьезоэлементе, то же самое, можно исключить появление электрического поля, закоротив электроды, и также его будет легче сжать.

Теперь обратимся к предыдущему рис.2. Пусть наконечник токовода находится на расстоянии миллиметра четыре (как у пьезозажигалки) от массы рычажного механизма. В этом разрядном промежутке возникнет искровой пробой, если напряжение достигнет, приблизительно, 3000 вольт. Что произойдёт в момент пробоя? Напряжение упадёт, практически, до нуля, исчезнет электрическое поле и соответствующая сила, противодействующая внешней силе через рычаг. Это поломалась дугообразная пружинка в приведенной аналогии. Пьезоэлемент при этом «просел». Конечно, он сократился по длине крайне незначительно, но этот механический импульс передался всему, находящемуся в напряжённом состоянии, рычажному механизму. Механизм издал звук, щелчёк. Одновременно звуковой импульс пошёл и от «микромолнии», но он гораздо слабее. Ему можно поставить в соответствие звук поломавшейся дугообразной пружинки. Продолжим давить на рычаг. Вновь появляется электрическое поле и напряжение на электродах. Это произошла автоматическая замена дугообразных пружинок. Происходит второй разряд и соответствующий звук-щелчёк от механизма. При свободном обратном ходе клавиши зажигалки искрение происходит за счёт запасённой потенциальной энергии упругости пьезоэлемента (сильной пружины), но полярность напряжения будет обратная и количество искр будет, как и у модели, меньше. Подобно тому, как мы доломали последнюю пружинку, доразрядим пьезоэлемент, закоротив электроды.

Ответ на первый вопрос вышел довольно пространный, но зато попутно получилось толкование одного из основных положений пьезоэлектричества. Далее решения будут более короткими.

2. Какова мощность разряда пьезоэлемента? Сделать точный расчёт крайне затруднительно, да и не имеет смысла, а оценить порядок величины любопытно. 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.

Может быть реальная величина отличается от этого результата, тем не менее порядок величины – миллион!

Подойдём к этому вопросу с другой стороны. По своему определению мощность – это работа за единицу времени. Так и поступим, предварительно вычислив энергию, которая расходуется на работу тока в разрядном промежутке.

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

Этот результат ещё обсудим, а сейчас продолжим расчёт мощности. Нам не хватает продолжительности существования разряда. Определим это время как удвоенную постоянную времени RC-цепочки, когда напряжение на пьезоэлементе уменьшится на порядок.

наносекунды.

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

киловатт.

Несмотря на определённый произвол в оценке данных результат получился такого же порядка величины.

4. Каков кпд пьезогенератора зажигалки? Полезная работа вычислена в предыдущем пункте, однако её надо взять на порядок больше, то есть 600 микроджоулей, так как при движении рычага зажигалка выдаёт до 10 искр. Затраченную работу вычислим как произведение хода клавиши (2см) на силу её сжатия. Сила линейно меняется от 0 до 5кГ. Её легко измерить с помощью бытового безмена. В расчёте следует взять среднее значение, 2,5кГ (25Н). Умножив 25Н на 0,02м получим 0,5 дж. Тогда кпд будет равен 1,2*10 -3

5. Сколько тепла выделяет искра? В нашем случае задача искры – поджечь газ. Не всякая искра может поджечь газ, хотя температура в канале разряда, судя по спектральному содержанию, видимо, мало отличается, будь то зажигалка или грозовая молния. Это, примерно, 10000 о К. Для поджига требуется некое критическое количество массы вещества, нагретого до температуры воспламенения, 2 – 3 тысячи градусов. Так, массы пламени спички явно недостаточно, чтобы разжечь костёр из крупных поленьев. В пункте 3 мы выяснили, что энергия искры порядка 60 микроджоулей. Посмотрим, на сколько повысится температура 1см 3 воды, если она получит 60 микроджоулей тепла. Теплоёмкость воды С=4.18 дж/грамм градус. Тогда повышение температуры составит:

четырнадцать миллионных долей градуса! На сколько же повысится температура такого же объёма воздуха? Его теплоёмкость 1дж/грамм градус. Масса 1см 3 почти равна 10 -3 г, один миллиграмм. Повышение температуры 1см 3 воздуха составит:

А кубического миллиметра? – на 60 о . Легко вычислить объём искрового канала, так как его температура известна, 10000 о К? Очевидно, его объём 0,006мм 3 . Площадь сечения разрядного промежутка при его длине 4мм – 0,0015мм 2 . Тогда диаметр канала (»толщина» искры) будет равен 44 микронам. Штангенциркулем не измерить. Плазма в разрядном промежутке, имея объём шесть тысячных кубического миллиметра, надёжно поджигает газовоздушную смесь. Если разрядный промежуток уменьшить вдвое, то легко определить, что в этом случае объём плазмы уменьшится в четыре раза и составит 15 десятитысячных кубического миллиметра. Такой объём плазмы не обеспечивает надёжного воспламенения. Если разрядный промежуток уменьшить ещё вдвое, то воспламенить газовоздушную смесь будет уже невозможно.

Источник высокого напряжения

Рассмотрим иную задачу, когда не требуется расходовать пьезоэлектрическую энергию на искрообразование, а ставится цель получить возможно более высокое напряжение. Какое же напряжение можно получить на электродах пьезоэлементов рассмотренных пьезогенераторов без образования разряда? Очевидно не более 15 киловольт, так как расстояние между электродами составляет 15 миллиметров, а электрическая прочность воздуха порядка 1 кВ/мм. Используя формулы (1) получим, что эта сила равна

На основе пьезогенератора, применяемого в пьезозажигалке, созданы два прибора, являющиеся источниками высокого напряжения, и нашли в этом качестве удачное применение. Они избражены на рис. 4. Слева на фотоизображении прибор для проверки свечей зажигания Тест-1м». Справа изображение прибора «Кристалл», применяемого для проверки указателей высокого напряжения. Он как бы имитирует линию высокого напряжения. . Для получения высокого напряжения Э.Л. Каган и В.В.Панченко предложили так называемый диполь-генератор, который включает в себя два пьезогенератора. Они соединены последовательно, но подвергаются действию одной и той же силы. Вследствие этого генератор обеспечивает удвоенное напряжение. Принципиальная схема диполь-генератора изображена на рис.5. При соблюдении полярности пьезоэлементов, как на

Рис.4. Приборы – источники высокого напряжения:

«Тест-1м», слева и «Кристалл», справа.

Рис.5. Принципиальная схема диполь-генератора

рисунке, диполь-генератор вырабатывает равные по величине, но противоположные по знаку электрические заряды и обеспечивает разность потенциалов порядка 30 кВ. На основе предложенного технического решения был создан действующий макет прибора, который с успехом мог бы использоваться для демонстрации опытов по физике раздела «электростатика» по всем темам учебных программ. Внешний вид устройства показан на рис.6. На рис.7 показана демонстрация одного из опытов по электростатике. Для будущего

Рис.6. Действующий макет источника

Рис.7. Демонстрация опыта по электрических зарядов электростатике прибора уже придумано название – «Пьезостат».

Сила тока от 10 миллиампер и выше опасна для жизни. Такой ток может возникнуть при напряжении 220 В и хорошем контакте с деталями, находящимися под напряжением. Одной минуты достаточно, чтобы нанести непоправимый вред. Легко проверить, что деструктивная для организма работа тока имеет порядок величины 100 – 150 джоулей. Вычислим, какую деструктивную работу способен произвести «Пьезостат». Эта работа равна энергии, вырабатываемой пьезогенератором. Исходные для расчёта величины – это ёмкость пьезогенератора, 20пФ и вырабатываемое напряжение, 30000 В.

Эта работа в 10000 раз меньше, чем опасная для жизни. Однако, если прикоснуться к электродам прибора, то произойдёт разряд с силой тока тысячи ампер. Правда, длительность этого воздействия не превышает одной микросекунды. Почему действие такого импульса не приносит вреда? Не будем приводить здесь расчёты, но причина заключается в следующем. Все хорошо знают, как движется транспортный поток при наличии автомобильной пробки. Подобно этому, скорость направленного движения зарядов в канале искры, составлявшая 10 м/сек при входе, допустим, в палец уменьшается пропорционально увеличению сечения проводника (пальца), то есть в 10 6 раз. Скорость направленного движения ионов в теле тогда будет иметь величину порядка 10 -5 м/сек., и за время в одну микросекунду они пройдут путь 0,1 ангстрем. Но ведь атомы имеют размер порядка 1 ангстрема! Ни о какой разрушающей клетки организма электролитической диссоциации не может идти речи. Тепловые колебания происходят с большей амплитудой. Совокупность носителей зарядов, ионов, организма лишь дружно качнутся подобно толпе пассажиров в автобусе. О тепловом воздействии также не приходится говорить. Мы видели, на сколько поднимается температура одного грамма воды, из которой мы, в основном, состоим. Однако же, на этот, как выяснилось, безобидный импульс тока прекрасно реагирует наша нервная система. Она добросовестно включает рефлекторный механизм, заставляющий отдёрнуть руки от мнимой опасности.

Пьезокерамика – рукотворный материал, плод достижений

современного материаловедения. Пьезогенераторы, созданные на его

К сожалению, эти достижения не позволяют сегодня удовлетворить чаяния

современных фантастов, мечтающих об альтернативных источниках

электроэнергии. Вот если бы пресловутые дугообразные пружинки были

сильнее «сильной» пружины! Или «сильная» слабее дугообразных.

Если бы они поменялись местами, тогда вся наша механическая работа,

Какое преобразование энергии происходит в зажигалке

Электрические зажигалки с пьезо элементом имеют постоянное напряжение в размере от 1000 до 10 000 вольт. Если выражаться другими величинами, то 10-40 киловатт. Ток в таком девайсе для курения не опасен, так как его сила очень мала, и он высокой частоты. Но если ударить этим током по коже, то будут очень неприятные ощущения.

Электрический разряд в виде искры возникает между электродами. Температура в этом промежутке достигает 6000 градусов Цельсия. Разрядом легко управлять поэтому зажиг смеси происходит в цилиндре. Чтобы разряд прыгнул через 1 мм воздуха, требуется дать на электроды напряжение примерно равное 1000 вольт.

Пьезоэлемент может прослужить до 12 лет. В пьезо зажигалке происходит преобразование механической энергии в электрическую. Так как изначально требуется сделать нажатие за счет которого генерируется электрический ток.

Какую роль выполняет пьезоэлемент в зажигалках?

Он служит электромеханическим преобразователем энергии. Создают его из пьезоэлектрических материалов, которые имеют определенную форму. Так же они ориентированы относительно кристаллографических осей. За счет этого механическая энергия преобразуется в электрическую, а электрическая в механическую.

Звукосниматель для гитары — из пьезоэлементов зажигалок

), 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 [9].

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.

Рисунок 1 – Элементарная ячейка цирконата титоната свинца (ЦТС) при температуре выше точки Кюри (слева) и при температуре ниже точки Кюри (справа)

Здесь можно кратко пояснить пьезоэлектрический эффект

на примере титаната бария, часто применяемой пьезоэлектрической керамики со сравнительно простой конструкцией элементарной ячейки. Титанат бария ВаТiO3, как и многие другие пьезокерамические вещества, аналогичен по структуре перовскиту (СаТiО3), по которому и назван этот класс материалов. Элементарная ячейка при температурах выше, критической, которая называется также точкой Кюри, является кубической. Если температура ниже этой критической, то элементарная ячейка тетрагонально искажается по направлению к одной из кромок. В результате изменяются и расстояния между положительно и отрицательно заряженными ионами (рисунок 1, для ВаТiO3 вместо Pb — Ba). Смещение ионов из их первоначального положения очень мало: оно составляет несколько процентов параметра элементарной ячейки. Однако такое смещение приводит к разделению центров тяжести зарядов внутри ячейки, так что образуется электрический дипольный момент. По энергетическим условиям диполи соседних элементарных ячеек кристалла упорядочиваются по областям в одинаковом направлении, образуя так называемые домены.

Рисунок 2 – Неупорядоченная поляризация (слева) и упорядоченная поляризация доменов при наложениии сильного электрического поля (справа)

Направления поляризации доменов распределяются в поликристаллической структуре по статическому закону. Таким образом, неупорядоченные скопления отдельных микрокристаллов в структуре вещества, образующиеся только в спеченной керамики, в макроскопическом смысле вообще не могут давать никакого пьезоэлектрического эффекта. Только после так называемого процесса поляризации, в котором при наложении сильного электрического поля на керамику происходит выравнивание возможно большего числа доменов параллельно друг другу, удается использовать пьезоэлектрические свойства элементарных ячеек. Поляризация обычно проводится при температуре немного ниже температуры Кюри, чтобы облегчить ориентацию доменов. После охлаждения это упорядоченное состояние остается стабильным.

Современные средства проектирования позволяют рассчитать / промоделировать отдельно пьезоэлемент или пьезоэлектрический преобразователь целиком. По согласованию с Инженерными решениями Вы можете заказать расчет парметров пьезоэлектрического преобразователя

Механическое сжатие или растяжение, действующее на пьезоэлектрическую пластину параллельно направлению поляризации, приводит к деформации всех элементарных ячеек. При этом центры тяжести зарядов взаимно смещаются внутри элементарных ячеек, которые расположены теперь преимущественно параллельно, и в результате получается заряд на поверхности [2].

ремонт зажигалки газовой плиты

Но я ставил в нее другой кремень, тоже зиппо покупал вместе с зажигалкой — тоже колесико не вращалось. Я просто не знаю мне продавцу что написать, что он прислал брак и просить вернуть деньги или как поступить. Здравствуйте, вот доехала моя зажигалка zippo satin chrome. Но есть проблема, колесико не крутится, не удается его сдвинуть с места чтобы высечь искру. Открутил винтик, вынул кремень из зажигалки, колесико вращается, вернул кремень на место, закрутил винт — снова не проворачивается. В одноразовой зажигалке стерся кремень, я решил вставить туда новый кремень 2 способа вставить кремень Он выглядит как крохотный черный цилиндр длиной около 6 миллиметров. Чтобы поменять кремень, снимите прикрывающие его металлическую крышку и колесико.

Пьезоэлемент_в_зажигалке_сколько_вольт

Нет недостатка в сенсационных публикациях, приписывающих чудодейственные возможности пьезоэлектричеству. Вот, к примеру, цитата: «Два года назад несколько физиков попытались заново решить формальную задачку: как механическую энергию человека преобразовать в киловатты электрической. Так на свет появился пьезоэлектрический генератор. Сначала первого поколения, потом второго, сегодня в лаборатории уже испытывают восьмую версию. Лёгкое нажатие на генератор и: «Гори оно всё огнём». …и когда всё будет окончательно готово произойдёт своеобразная революция в области альтернативных видов энергии». (teros.org.ru

То, что пьезоэлемент не является источником энергии, — очевидно. Ясно также и то, что как преобразователь механической энергии в электрическую, революцию в энергетике он не произведёт. Ведь к чему сводятся идеи использовать пьезогенераторы в кроссовках, в асфальте, в эспандере, на ногах балерины, чтобы ток давала? Всё это сводится к тому, чтобы получить нетрадиционный электрический ток за счёт механической работы (кстати, с крайне низким кпд), которая, в свою очередь, совершается за счёт сжигания традиционного топлива и съёдания традиционной картошки. Пьезогенератор это преобразователь, но никак не источник электроэнергии. Как преобразователь он занимает достойное место в технике в качестве источника электрических зарядов, источника высокого напряжения для целей воспламенения, контроля изоляции и многих других. В некоторых случаях целесообразно применение в качестве микромощных источников питания. В этой статье речь пойдёт о пьезогенераторах, предназначенных для искрообразования и создания электрических зарядов.

Чтобы понять работу устройства, основной частью которого является пьезогенератор, не требуются обширные теоретические сведения. Достаточно знать лишь две величины, характеризующие пьезоэлектрический материал. Это диэлектрическая проницаемость, поскольку от неё зависит ёмкость пьезоэлемента, и пьезоэлектрический модуль. Пьезомодуль определяет величину электрического заряда на электродах пьезоэлемента при приложении к ним единицы силы. Пьезокерамика описывается тремя пьезомодулями, в зависимости от ориентации прилагаемой силы относительно полярной оси пьезокерамического образца. Нас будет интересовать пьезомодуль Первый подстрочный индекс означает, что полярная ось направлена вдоль оси 3 или Z системы координат (перпендикулярно электродам). Второй индекс говорит, что действующая сила направлена вдоль той же оси. При такой взаимной ориентации пьезоэффект наиболее выражен. Пьезомодуль по величине больше, чем пьезомодули, отвечающие другим комбинациям направлений. Для прямого пьезоэффекта пьезомодуль имеет размерность «К/Н» (кулон:ньютон), а его величина, в зависимости от марки пьезокерамики, находится в интервале от 200 до 500 пикокулон/ньютон (10 -12 К/Н). Пьезомодуль – это характеристика материала. Это означает, что если мы изготовим пьезоэлемент из пьезокерамики с пьезомодулем, например, 240*10 -12 К/Н, то, какие бы ни были размеры пьезоэлемента, какой бы он ни был формы, каким бы образом ни прикладывали силу, то ли в точке, то ли она распределена по всей поверхности электрода, мы всегда получим на электродах заряд 240 пикокулон, если приложим силу 1 ньютон. Какое же при этом будет напряжение на электродах пьезоэлемента? Воспользуемся известной формулой:

Из формулы следует, что напряжение уже зависит от размеров пьезоэлемента, так как входящая в формулу ёмкость C является функцией межэлектродного расстояния и площади электродов. 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 1000Н (100кГ), получим 6 кВ.

Этих сведений вполне достаточно, чтобы проанализировать работу пьезогенератора. Сделаем это на примере пьезоэлектрической зажигалки.

Как работает пьезоэлектрическая зажигалка?

Речь пойдёт о пьезозажигалке нажимного действия, которая по ходу своей клавиши выдаёт серию искр. Есть зажигалки ударного действия, которые выдают одиночную искру при приведении в действие ударного механизма. Пьезоэлектрическая зажигалка – это пример, пожалуй, самого удачного применения пьезогенератора. Это один из самых популярных бытовых приборов в жилищах, оборудованных газовыми плитами для приготовления пищи. Они надёжны, долговечны, не требуют никакого обслуживания и всегда готовы к использованию. На рис.1 представлено фотоизображение раскрытой пьезозажигалки с пьезогенератором. Не будем останавливаться на описании конструкции

Рис.1. Пьезозажигалка в раскрытом виде с пьезогенератором

пьезогенератора, так как в нём нет ничего, выходящего за рамки интеллектуального наследия Архимеда, а рассмотрим упрощённую модель пьезогенератора, изображённую на рис.2. Она представляет собой опору с рычагом, позволяющим прикладывать

значительное усилие на пьезоэлементы. Пьезоэлементы, имеющие форму сплошного цилиндра с электродами на торцевых поверхностях, поставлены друг на друга и вследствие этого подвергаются действию одной и той же силы. Пьезоэлементы ориентированы так, что на электродах соприкасающихся поверхностей наводится заряд одного знака, а на противоположных – другого знака. Противоположные электроды электрически замкнуты элементами рычажного механизма. В таких условиях пьезоэлементы оказываются соединёнными электрически параллельно. Выведем от соприкасающихся электродов токовод с наконечником, желательно, с закруглённым концом и расположим наконечник на некотором расстоянии от металлического основания. Теперь, при нажатии на рычаг, произойдёт пробой воздушного промежутка между наконечником и основанием. Надавив на рычаг сильней можно «высечь» вторую искру, третью и так далее, пока не разрушим пьезоэлементы. Таков, на первый взгляд простой, принцип действия пьезозажигалки. Однако можно посмотреть на это устройство более пристально. Это мы сделаем поставив несколько вопросов и задач. Ответы на них могут оказаться неожиданными.

Пьезоэлемент

Среди множества диэлектрических материалов встречаются и такие, которые обладают так называемым пьезоэффектом. На их поверхности могут возникать электрические заряды под влиянием деформации. Существует и обратный эффект, когда диэлектрики начинают деформироваться под действием внешнего электрического поля. Пьезоэлемент сам по себе не может считаться источником электроэнергии. Он всего лишь преобразует механическую энергию в электрическую, с очень низким КПД. Однако, благодаря своим качествам, пьезоэлементы широко используются в технике, в первую очередь, как источники электрических разрядов.

Физические свойства пьезоэлемента

Пьезоэлектрические материалы по своей сути довольно простые и характеризуются всего лишь двумя физическими величинами – диэлектрической проницаемостью и пьезоэлектрическим модулем. От первой величины зависит емкость пьезоэлемента, а от пьезоэлектрического модуля – электрический заряд, образующийся на электродах, после того как к ним была приложена какая-то сила.

В пьезокерамике для описания процесса применяется три модуля в зависимости от расположения силы, действующей по отношению к полярности оси пьезоэлемента.

Наиболее выраженный эффект проявляется в модуле d₃₃, в котором первая цифра индекса означает направление полярной оси вдоль оси Z традиционной системы координат, а вторая указывает на направление действующей силы вдоль этой же оси. За счет этого пьезоэлемент с величиной модуля d₃₃ существенно превышает значение комбинаций с другими направлениями.

Прямой пьезоэффект модуля измеряется в единицах кулон/ньютон (К/Н). Именно эта величина характеризует материал, из которого он изготовлен. Независимо от приложенной силы и размеров самого элемента, при воздействии силы в 1 ньютон, на электродах будет образовываться один и тот же заряд.

Для определения напряжения на электродах существует формула: U = q/C, в которой в свою очередь q = F d₃₃. Из данной формулы видно, что в отличие от заряда, напряжение будет зависеть от размеров пьезоэлемента, поскольку емкость С связана с площадью электродов и расстоянием между ними. Если в качестве примера взять емкость обычной зажигалки, равной 40 пикофарадам (пф), то приложенная сила в 1 Н даст напряжение 6 В. Соответственно, если сила увеличится до 1000 Н (100 кг), то полученное напряжение составит уже 6 кВ.

Принцип работы

Действие пьезоэлемента наиболее четко просматривается на примере зажигалки нажимного действия. При нажатии на клавишу, зажигалка выдает целую серию искр, что свидетельствует о наиболее удачном использовании пьезогенератора в данной конструкции. Чтобы представить себе принцип работы, рекомендуется рассмотреть схему упрощенной модели этого устройства. Она выполнена в виде опоры с рычагом, создающим большое усилие, воздействующее на пьезоэлемент.

Сами элементы представляют собой сплошные цилиндрические конструкции, на торцах которых расположены электроды. Они соприкасаются друг с другом, поэтому на них воздействует одинаковая сила. Ориентация каждого пьезоэлемента между собой выполнена таким образом, чтобы электроды соприкасающихся поверхностей имели один заряд, например, положительный, а противоположные концы – заряд с другим знаком. Порядок подключения необходимо обязательно соблюдать, особенно при изготовлении подобного устройства своими руками.

Под действием рычага электроды замыкаются, и возникает электрическое параллельное соединение каждого пьезоэлемента между собой. От точки соприкосновения выводится токовод с закругленным наконечником, расположенным от металлической основы на определенном расстоянии. Во время нажатия на рычаг воздушный промежуток между основой и наконечником пробивается электрической искрой. Теперь уже понятно, как работает такая зажигалка. При дальнейшем нажатии усилие возрастает, что приводит к появлению второй и последующей искр. Это будет происходить до тех пор, пока пьезоэлементы не разрушатся полностью.

Применение

Любой пьезоэлемент можно использовать в современных технических устройствах разного назначения. Они применяются в качестве кварцевых резонаторов, миниатюрных трансформаторов, пьезоэлектрических детонаторах, генераторах частоты с высокой стабильностью и во многих других местах. Каждый прибор устроен таким образом, что в нем может использоваться не только кристаллический кварц, но и элементы из поляризованной пьезокерамики.

Однако пьезоэлемент не ограничивается одними лишь зажигалками. В настоящее время ведутся работы по решению задачи, как сделать использование этих материалов более продуктивным. Данный принцип достаточно давно применяется на танцевальных площадках и стоянках автомобилей, где под давлением происходит превращение механической энергии в электрическую.

В перспективе возможно устройство более мощных энергодобывающих систем. В настоящее время разрабатываются генераторы, обладающие небольшими размерами, основой которых служит нитрид алюминия, успешно заменивший традиционный цирконат-титанат свинца. Данное устройство по своей сути является беспроводным температурным датчиком, способным накапливать энергию от различных вибраций и передавать полученные данные через установленные промежутки времени.

В настоящее время преобразователи на базе пьезоэлементов устанавливаются на реактивные самолеты. Данное техническое решение дает возможность экономии до 30% топливных ресурсов, используя колебания крыльев и самого фюзеляжа. Созданы экспериментальные светофоры, работающие от аккумуляторов, заряжающихся от колебаний воздуха, вызванных городским шумом.

В будущем эти разработки позволят ликвидировать дефицит мощностей. С помощью пьезоэлементов станет возможно получать электричество в результате движения автомобилей по специально оборудованным трассам. Даже десять километров такой пьезодороги выдадут около 5 МВт/час. Тротуары для пешеходов также внесут свой вклад в добычу электроэнергии. Данное направление очень интересное и перспективное, привлекающее внимание ученых многих стран.
https://www.youtube.com/watch?v=Kwyt618tbv0

Диммер — что это, принцип действия светорегулятора, преимущества и недостатки, область применения, схема подключения устройства

Как работает механический кнопочный пьезоэлемент (пьеза), откуда электричество для искры?

Пьезоэлемент, который в быту чаще всего встречается в пьезозажигалках для газовых плит, вырабатывает электричество за счет формирования удара (или давления) по пьезопластинке, входящей в состав его конструкции. Пластинка деформируется и на ее поверхности генерируется электрический заряд. Вот этот заряд мы и наблюдаем, когда на конце птезозажигалки появляется искра, если нажать на кнопку зажигалки. Искра возникает можду проводом, закрепленном на конце пьезоэлемента и рассекателем, который расположен на верхнем клапане в конце зажигалки. С помощью этого рассекателя создается газовоздушная смесь, которая и служит средой для образования искры.

Это теоретическое объяснение работы механического кнопочного пьезоэлемента, а наглядное – в прилагаемом видеоролике.