Пьезо что можно сделать. Генератор из пьезоэлемента

Прислал:

Самодельные стельки с пьезоэлементами, которые вырабатывают электричество для питания гаджетов.

Ценю в людях честность, открытость. Люблю мастерить разные самоделки. Нравится переводить статьи. Ведь, кроме того, что узнаешь, что то новое еще и даришь людям возможность, окунуться в мир самоделок.

Знаете ли вы, что можно производить электричество при ходьбе? В данной статье описывается научный эксперимент, который наглядно демонстрирует секрет обувных стелек , с помощью которых можно заряжать USB-устройства.

Задача состоит в том, чтобы сделать стельки, которые смогут производить достаточно электроэнергии для зарядки аккумуляторов.

Стельки , что генерируют электроэнергию – мой первый концептуальный проект. Первый прототип был построен более 5 лет назад. Он состоял из двух пластиковых прокладок, в которых было зажато два пьезоэлектрических диска. Система производила достаточное количество энергии для зарядки Nokia 3310.

Спустя 5 лет я вернулся к этой идее. Для усовершенствования решил интегрировать в систему контроллер заряда и батарейный блок. Кроме того увеличил число дисков на 2 пары. В конце концов, чем больше, тем лучше.

Концепция проекта.

Пьезоэлектричество было открыто в середине 18 века . Эффект заключается в следующем: электрический заряд накапливается в некоторых твердых материалах , таких как: кристаллы, некоторые виды керамики, в ответ на приложения механической нагрузки. Звучит невероятно!

Насколько это, возможно, в своих проектах я пытайтесь избегать использованию динамо. Динамо-машины вырабатывают гораздо больше электроэнергии, но от них много шума.

Хотя это и звучит смешно, но добыча электроэнергии из стелек – далеко не шуточное занятие. К примеру, обувная компания Nike, могла бы использовать стельки для обеспечения электроэнергией фитнес-чипы (внутри обуви), которые бы синхронизировались с телефоном по беспроводной сети.
Таким образом, отпала бы необходимость заряжать смарт-обувь.

Статья показывает, как сделать своими руками электрогенератор с использованием пьезоэлектрических элементов. Шаг 1: Научная часть проекта

Вопросы, которые меня беспокоили.

Почему бы не использовать традиционные возобновляемые источники энергии? Пьезоэлектрика развивается не так быстро, как солнечная энергетика. Но любой изобретатель трепещет перед мысль об открытии нового источник возобновляемой электроэнергии. Скрывать генераторы в обуви, на первый взгляд может показаться сумасшедшей идеей, но не все так просто, как кажется на первый взгляд. Эти тонкие стельки-генераторы вырабатывают достаточно энергии, для зарядки устройств, что потребляют низкую величину тока.

Проблемы.

Угольные электростанция являются наиболее распространёнными источниками электроэнергии на Филиппинах и во всем мире. Поэтому страны мира ищут альтернативные источники электроэнергии. Большинство неразвитых районов не имеют возможности подключится к электросети. Однако, люди нуждаются в возможности заряжать мобильные телефоны и другие устройства, что питаются от аккумуляторов.

Последние годы, мои научные эксперименты касались в основном возобновляемых источников электроэнергии. Первым экспериментом стал маленький автомобиль на солнечной батарее. На последующих научных ярмарках были представлены эксперименты, что были связаны с солнечной, ветро-, гидро- и химической энергией.

Моей целью было найти новый источник энергии, что не зависел бы от погодных явлений. Пройдя через сотни статей, что связаны с альтернативной энергетикой и выполнив десятки экспериментов, однажды, сказав себе, что просто скопировать или взять за основу чужую идею – это не мой путь. Я как настоящий изобретатель, должен придумать и построить все с самого нуля.

Вопросы для размышления .

• Хватит ли энергии для обеспечения питанием карманных устройств?


• Будет ли, производится достаточно энергии для зарядки USB устройств?


• Можно ли выйти на стандарт питания USB?


• Можно ли подключить светодиодную сборку?

• Установка в обувь и одежду модулей для зарядки устройств;


• Питание GPS модулей, что помогут отслеживать путешественников в отдаленных уголках планеты, в случае пропажи туристов в пустыне, лесу и т.д.;


• Отлично подходит для областей планеты, где электроэнергия в дефиците.

В проекте использовались пьезоэлектрические технологии. Некоторые материалы обладают способностью накапливать электрический заряд под воздействием механических сил. В качестве примера выступают несколько видов керамики, сегнетовой соли, а также другие различные виды твердых частиц. Для примера: PbO3 где, 0≤x≤1, также называется Цирконат-титанат-свинца (PZT ), генерирует измеряемое электричество, когда его структура деформируется примерно на 0,1% от первоначального размера.

В этом проекте величина генерируемой электроэнергия будет определяться и записываться, для того, чтобы в дальнейшем определить, возможно ли заряжать литий-ионный аккумулятор или конденсатор большой емкости.

Пьезоэлектрический эффект, с помощью которого материал генерирует электрический потенциал был изучен Карлом Линнем и Францом Эпинуса в средине 18 века. Опираясь на эти знания Рене Жюст Гаюи и Антуан Сезар Беккерель предложили зависимость между механическими нагрузками и электрическими зарядами. Однако их эксперименты потерпели неудачу.

Первая демонстрация прямого пьезоэлектрического эффекта была представлена в 1880 году братьями Пьером и Жаком Кюри. Они объединили свои знания пьезоэффекта с пониманием основ кристаллических структур. Синтез подобных знаний позволил предсказать поведение кристалла и продемонстрировать эффект возникновения электричества используя кристаллы турмалина, кварца, топаза, тростникового сахара и сегнетовой соли (тартрат тетрагидрата калий натрия). Самый лучшей результат был получен при использовании кварца и сегнетовой соли.

Пьезоэлектрический диск генерирует напряжение при деформации (изменение формы сильно преувеличено). Однако Кюри не стали прогнозировать обратный эффект. Обратный эффект был выведен математически из принципов термодинамики Габриэлем Липпманом в 1881 году. Кюри немедленно подтвердили существование обратного эффекта и отправились на получение количественного доказательства полной обратимости электро-упругой-механической деформации в пьезоэлектрических кристаллах.

В течении следующих нескольких десятилетий, пьезоэлектричество оставалось чем-то вроде лабораторного любопытства. Много роботы было проделано для определения и исследования кристаллических структур, которые накапливают электричество. Это привело к тому, что в 1910 году был опубликован труд, в котором описывались более 20 природных кристаллов, что способны генерировать электроэнергию, строго определены константы и т.д.

Метод/тестирование.

Описан в шагах 3 и 14.

Результаты.

Система была подключена к компьютеру через встроенный TTL , что использовался для создания последовательной связи между Arduino и ПК. Полученная связь использовалась для наблюдения за аналоговым входом, через который подключена стелька-генератор. Отдельная программа «processing 2.0 » использовалась для контроля пульсаций, что выходят из генератора.

Выводы/отчет.

Текущие результаты показали, что величина тока генерируемая пьезоэлементом, достаточна для зарядки литий-ионного аккумулятора. Хотя и присутствуют недостатки, текущие положительные результаты дают возможность развивать проект в дальнейшем. Генератор-стелька вырабатывает достаточно энергии, чтобы запитывать маломощные схемы, такие как микроконтроллеры и передатчики TTL Bluetooth. После всего этого, можно с гордостью сказать, что продукт готов к производству и монтажу в одежду/обувь.

Для зарядки USB устройства, одного генератора не будет достаточно.

Использование 3D печати и разработка стандартных чертежей устройства, позволят обществу повсеместно использовать описанное изобретение.

Глоссарий/ Термины с которыми Вы можете столкнутся.

• Пьезоэлектричество – это способность некоторых материалов генерировать переменный ток при
  воздействии механических нагрузок и вибрации или вибрации при
  воздействии переменного напряжения, или того и другого. Наиболее
  распространённым пьезоматериалом выступает кварц. Некоторые виды
  керамики, сегнетовой соли демонстрируют подобный эффект.


• Piezo – сокращение для пьеоэлектрики.


• Переменный ток – поток электрического заряда, периодически меняющее свое направление. Пьезоэлементы производят эти токи.


• Постоянный ток – поток электрического заряда одного направления.


• Диодный мост – состоит из 4 выпрямительных диодов, которые выпрямляют переменный ток в постоянный.


• Пьезо Диск/ Элемент/ Преобразователь – все элементы, относятся к дискретным компонентам.

Шаг 3: Материалы и инструменты

Необходимые материалы:

• батарейный блок с USB;


• Пьезоэлектрические преобразователи– 6 шт ;


• 1N4007 – выпрямительный диод – 4 шт ;


• Провод – 30 см ;


• Старая пара обуви;


• Клей.

Инструменты :

• Цифровой мультиметр;


• Мультитул (плоскогубцы, кусачки и т.д.);


• Фабричный гравер или гравер , что сделан своими руками .

Необязательно :

• Конденсатор емкостью 100 нФ (для тестирования);


• Липучка;


• Светодиодные индикаторы (для тестирования);


• Суперклей (для крепления проводов);


• Спортивная планка для смартфона;


• 5 В импульсный стабилизатор.

• Батарейный блок > старая батарея от телефона + восстановленный 5 В инвертор;


• Пьезоэлектрические преобразователи > пара старых/устаревших наушников;


• Мультитул > плоскогубцы.

Измерим размер и форму стельки. С помощью ножниц вырежем заготовку из пластика. Она будет основой будущей конструкции, на которой в дальнейшем монтируются пьезоэлектрические диски с дополнительными компонентами.

Толщина пластины должна быть в диапазоне 2-5 мм . Если толщина слишком большая пьезоэлемент сломается из-за большого прогиба. Если же материал будет слишком тонким, элемент не будет прогибаться в «полной мере» при этом преобразователь будет выдавать меньше энергии.

Шаг 5: Идеальный материал

Расположим 3 диска на стельке в местах, где пятка давит на подошву. После этого обведём места предполагаемой установки, чтобы зафиксировать их для дальнейшей работы.

Основываясь на концепцию проекта, необходимо было найти пластину в 2-5 мм толщиной, при этом она должна была быть легкой и жесткой, способной выдержать постоянные нагрузки на изгиб. Металлы слишком жесткие, а углеродное волокно слишком тонкое. После экспериментов с большим количеством материалов выбор пал на ПВХ .

ПВХ материалы вокруг нас. Их можно приобрести в ближайшем строительном магазине или попросить у соседа, что недавно делал ремонт и менял сантехнику. Мне повезло, в гараже было полно труб квадратного сечения.

Шаг 6: Вырезаем отверстия ПВХ колодок

На этом этапе следует сделать круглые отверстия в пластиковых стельках. Вырезаем отверстие с помощью гравера. Если же у вас есть сверло нужного диаметра, то задача упрощается. Также можно воспользоваться «старомодным способом», нагревать железный гвоздь и плавить пластик.

Шаг 7: Приклеиваем пьезоэлементы

Крепление дисков должно выдержать многократные изгибы, так как на них будут наступать неоднократно. Не используйте суперклей! При засыхании он твердеет и не проявляет гибкость соединения. Лучшим вариантом в данном случае выступает резиновый клей . Его особенность поддаваться воздействие будет идеальна для проекта.

Шаг 8: Спаиваем пьезоэлементы

Спаиваем элементы параллельно. Не припаивайте их последовательно, так как величина тока вырастит, а напряжения – упадет.

Шаг 9: Изготавливаем диодный мост

Следуем приведенной схеме . Переменный ток не имеет полярности, можно припаивать пьезоэлементы в любом варианте. Нагрузкой (на схеме резистор) будет выступать заряжаемое устройство.

Шаг 10: Добавляем пену

Приклеим небольшие куски пены в центр дисков, они будут выступать в качестве толкателей. С их помощью можно будет выжимать диски во время ходьбы.

Шаг 11: Наблюдение и тестирование

Наконец настало время проверить всю теории в практике. Подключим цифровой мультиметр в режиме амперметра, включив 2-значный диапазон измерения постоянного тока. Помните, что ток в элементах образуется в момент нажатия и держится короткий период времени. Поэтому для более читабельных показаний воспользуемся конденсатором на 100 нФ .

Показания вольтметра:

Нажатие рукой = 15.03 В (2 mA);

Прогулка = 18.53 В (5 mA);

Бег = 27.89 В (11 mA);

Шаг 12: Устанавливаем стельки

Устанавливаем генератор между колодкой и стелькой.

Шаг 13: Добавим батарейный блок

Генератор в пиковых значениях выдает до 28 В . Хотя значение тока и небольшое, но напряжение вполне в состоянии повредить устройство, питающееся от 5В.

Примечание : для безопасной работы устройства необходимо поставить понижающий блок до 5 В.

Шаг 14: Будущие прототипы

Вот такая получалась необычная самоделка . Приятной всем прогулки.

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 d 33 , 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 d 33 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 d 33 . 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.

— способность некоторых материалов генерировать электрический заряд в ответ на приложенное механическое напряжение.

Пьезоэлектрические кристаллы проявляют пьезоэлектрический эффект .
Этот эффект имеет два свойства:
Первый — прямой пьезоэлектрический эффект, который означает, что материал обладает способностью превращать механическую деформацию в электрический заряд.
Второй — обратный эффект, при котором приложенный электрический потенциал преобразуется в механическую энергию деформации. Пьезоэлемент зажигалки — образец этого эффекта.

Пьезоэлектрический преобразователь

Пьезоэлектрическая пластина представляет собой устройство, которое использует пьезоэлектрический эффект для измерения давления, ускорения, деформации или силы путем преобразования их в электрический заряд.

Пьезоэлектричество — это электричество, генерируемое пьезоэлементом, эффект которого называется пьезоэлектрическим эффектом . Это способность некоторых материалов генерировать напряжение переменного тока (переменного тока) при механическом напряжении или вибрации или вибрировать при воздействии переменного напряжения или и то и другое.
Наиболее распространенным пьезоэлектрическим материалом является кварц.

Этот эффект оказывает определенная керамика, соли Рошеля и другие другие твердые вещества. Когда звуковая волна ударяет по одной или обеим сторонам пластин, пластины вибрируют. Кристалл поднимает эту вибрацию, что приводит к слабому напряжению переменного тока. Следовательно, между двумя металлическими пластинами возникает напряжение переменного тока, с формой волны, подобной форме звуковых волн.

И наоборот, если к пластинам подается сигнал переменного тока, это заставляет кристалл вибрировать синхронно с сигнальным напряжением. В результате металлические пластины также вибрируют и создают акустические помехи.
Практически каждый человек хотя бы один раз в жизни пользовался газовой зажигалкой, например моделью IMCO TRIPLEX, с пьезоэлементом. Это простое в исполнении и полезное в быту устройство позволяет добывать огонь всего одним щелчком. Огонь образуется из-за возгорания газа при контакте с электрическим разрядом, производимым пьезоэлементом зажигалки при нажатии на соответствующую клавишу.

При нажатии кнопки на пьезозажигалке мы слышим треск искры, далее газовая горелка разгорается.

Из чего состоит пьезозажигалка?

В пластмассовом корпусе находится блок пьзоэлемента и провода, которые используются как электроды.

Механизм действия пьезоэлемента

Основа - это блок пьезоэлемента, который отправляет от кнопки силу давления на сам пьезоэлемент. Основная составляющая пьезоэлемента - пьезокристалл . Это пластинка, вырезанная из кварцевого кристалла. Ее функция - механическую деформацию превращать в электрическое напряжение . Пластинка очень твердая, способна выдержать значительные изгибы и сжатия и выдавать высокое напряжение.
При плавном нажатии на кристалл, выдаваемое напряжение будет невелико, но оно будет длительным. При нажатии на кристалл с той же силой, но быстро и мгновенно - выдаваемое напряжение сильнее, но оно будет моментальным.
Поэтому для создания искры в пьезозажигалке используется это свойство кристалла . Для изменения силы удара с плавного на резкий в зажигалке имеется механизм: упругая пружина, которая находится под кнопкой пьезозажигалки. Нажимая на кнопку - сжимается и пружина. После нажатия на кнопку до конца - пружина отодвигает рычажок, на который она опирается. После этого пружина резко распрямляется. На другом конце пружины расположен металлический молоточек, который при раскрытии пружины с огромной скоростью ударяет в кристалл. На обратной стороне кристалла имеется металлическая подкладка, которая не дает кристаллу сдвинуться от движения молоточка.
В результате получается мгновенный и сильный удар по кристаллу, который вызывает искру.

Умельцы научились применять его в ремонте (точнее, в «убийстве») смартфонов или мобильных телефонов. Сразу же появляется логичный вопрос: а зачем индивиду со здоровой нервной системой ломать свой смартфон? Ситуация может быть разной. Кто-то желает сдать телефон по гарантии, так как он ему уже разонравился. Кто-то просто решил приколоться над дружком.

Ломать, не делать

Разряд тока, произведенный пьезоэлементом зажигалки, может сломать смартфон. Достаточно будет 8-12 раз «прощелкать» металлические разъемы гаджета, вход для наушников, оголенные части платы. При таком воздействии телефон откажется работать. При этом никаких видимых повреждений или оплавленных элементов не будет. Теперь вы можете с радостью нести сломанный гаджет в салон и требовать возврата денег. В сервисном центре ничего не должны понять.

Но пьезоэлементом газовой зажигалки нельзя вывести из строя обыкновенные «звонилки», сработанные в КНР. Не знаю почему, но даже после 50 ударов слабым током кнопочный телефон продолжил исправно функционировать.

Использование пьезоэлемента для других целей

• в качестве источника высокого напряжения в опытах по физике,
• для вывода из строя домашней электроники (это уже хулиганство!), щелкнув несколько раз по металлическим разъемам техники, мало вероятно, что кто-то догадается в чем причина поломки, так как это будет выглядеть как пробой,
• умельцы могут сделать магнитную пушку.

ОСТОРОЖНО! Не направлять в лицо, не стрелять в людей!

Делаем магнитную минипушку

Необходимые материалы для изготовления минипушки :
1 . любая бутылка

2 . корпус шариковой ручки

3 . пьезоэлемент из старой зажигалки
4 . термоклей
5 . ножницы
6 . спрей для волос

Шаг 1 : Берем ручку и вынимаем колпачки с 2 —ух сторон .

Шаг 2 : Собираем минипушку .

Сначала берем бутылку от лекарства и делаем отверстие для того чтобы вставить туда корпус авторучки, далее с использованием термоклея делаем соединение
герметичным.

• можно вывезти из строя домофон (лучше не портить общественное имущество!),
• можно сделать минишокер , сняв предварительно защиту,

Настоящего электрошокера сделать не получится, а вот подшутить над одноклассниками — вполне реально.

Делаем мини электрошокер

Потребуется:
— пьезоэлемент (вынутый из зажигалки),
— металлическая ручка,
— фольга,
— пассатижи.

Разбираем ручку, все детали ручки должны быть металлические. Выводной провод тока пьезоэлемента подкручиваем и вставляем в стержень пасты. И далее собираем, как показано на видео.
А дальше можете подшутить над другом — предложить ему попользоваться вашей ручкой.
Ток будет слабым, а эффект от неожиданности — очень сильным!

• можно попробовать сделать микросварку ,
• можно искрой нанести надписи ,
• можно сделать устройство активной охраны .

Удачных вам экспериментов, друзья.

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.

Многим людям знакомы пьезоэлементы, называемые иногда пищалками. Они не предназначены для генерации электричества, но подходят в учебных целях для демонстрации эффекта. Простые и дешевые. Если припаять светодиод и тихонько постучать, то получается яркое свечение. А если поставить диодный мостик, то отбор электричества можно удвоить. Только у них мизерный, но для светодиодов в самый раз. Если поставить параллельно конденсатор с выключателем, электроэнергию можно накапливать и использовать в нужный момент. Получается генератор тока. Но главная проблема в том, где взять механическую энергию для деформации пьезокристалла, чтобы не стучать пальцем. И желательно с более высокой частотой.

Пьезоэлементы продаются можно приобрести в интернет-магазине и очень дешево, от 40 рублей за 10 штук. Для экспериментов самое то.

Сразу подумал о звуковых колебаниях. И даже собрал маленький термо звуковой генератор из пробирки. Но несмотря на громкий звук, напряжение на кристалле было крайне низким. Для хорошего эффекта нужна более сильная деформация, например можно наклеить пьезоэлемент на линейку. Заставить вибрировать. Вот это уже другое дело! Теперь бы еще найти дармовой источник энергии для таких колебаний. Но может быть ветер.

Однако потом пришла другая идея. Заламинировал пьезоэлемент скотчем с обеих сторон, припаял длинный провод, поставил мостик и четыре светодиода. А потом опустил в ванную под тонкую струю воды, которая разбивается на капли перед самым падением на пьезоэлементе. Получилось вполне неплохо, учитывая невысокую кинетическую энергию капель. Если разместить много таких элементов на крыше дома, то хороший дождь мог бы генерировать неплохое количество электроэнергии.

Но есть ещё один интересный способ получить механические колебания. В одном из роликов автор канала показывал самобеглый шарик. Если его разогреть и просто положить на сверх ровную поверхность, а лучше в небольшую канавку, то он начинает вибрировать или подпрыгивать. Причём с высокой частотой. Получается термогенератор, который вполне можно скрестить с пьезоэлементом. Хотя вертикальное расположение не самое удачное. Ведь шарик подпрыгивает не на одной точке, а перепрыгивает с одной на другую. А это уже горизонтальное движение.

Идеально было бы подвесить его между двумя свинцовыми конусами, направленными друг к другу своими вершинами. А уже в основании этих конусов поставить пьезоэлементы. И всё это на жестком основании. Шарик бьется между вершинами конусов и превращает механическую энергию в электрическую. Возможно, вы знаете какие-то другие источники механических колебаний, напишите в комментариях.

Видео канала “Игорь Белецкий”.