Разработка автономного радиомаяка
Дипломная работа - Компьютеры, программирование
Другие дипломы по предмету Компьютеры, программирование
?елях внутреннего сгорания, способ получения разности электрических потенциалов, колесо с трансформацией энергии механической деформации в электрическую, пьезоэлектрический генератор, пьезоэлектрический генератор постоянного тока, устройство для преобразования энергии гидравлического потока в электрическую, генератор постоянного тока, пьезоэлектрическая система зажигания для двигателя внутреннего сгорания [15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26].
Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г. братьями Пьером и Жаком Кюри, наблюдавшими возникновение на поверхности пластинок, вырезанных при определённой ориентировки из кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии [27, 28, 29].
Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и возникновение электрической поляризации внутри него в результате воздействия механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим эффектом.
Наряду с прямым существует обратный пьезоэлектрический эффект, заключающиеся в том, что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического кристалла, возникает механическая деформация под действием приложенного к ней электрического поля, причём величина механической деформации пропорциональна напряжённости электрического поля.
Пьезоэлектричество появляется только в тех случаях, когда упругая деформация кристалла сопровождается смещением центров тяжести положительных и отрицательных зарядов элементарной ячейки кристалла, т. е. когда она вызывает индивидуальный дипольный момент, который необходим для возникновения электрической поляризации диэлектрика под действием механического напряжения. В структурах имеющих центр симметрии, никакая однородная деформация не сможет нарушить внутреннее равновесие кристаллической решётки и, следовательно, пьезоэлектрическими являются кристаллы только 20 классов, у которых отсутствует центр симметрии. Отсутствие центра симметрии является необходимым, но не достаточным условием существования пьезоэлектрического эффекта, и поэтому не все ацентричные кристаллы обладают им. Пьезоэлектрический эффект не может наблюдаться в твёрдых аморфных и скрытокристаллических диэлектриках (почти изотропных), так как это противоречит их сферической симметрии. Исключение составляют случаи, когда они становятся анизотропными под влиянием внешних сил и тем самым частично приобретают свойства одиночных кристаллов. Пьезоэффект возможен также в некоторых видах кристаллических текстур.
Существует четыре основные группы материалов, из которых изготавливается пьезокерамика: титанат бария, цирконат-титанат свинца (ЦТС), ниобат свинца, ниобат натрия-калия. Из них наиболее широкое применение получили материалы на основе цирконата-титаната свинца, что объясняется как высокими пьезоэлектрическими параметрами этих материалов, так и возможностью изменять их в широких пределах. В таблице 1.5 приведены характеристики некоторых материалов ООО "Аврора-ЭЛМА". В настоящие время известно много веществ (более 500), обнаруживших пьезоэлектрическую активность. Однако только немногие из них находят практическое применение.
Таблица 1.5
Марка материалаДиэлектрическая проницаемость ?33Пьезомодуль (d) 10-12, Кл/НКоэффициент электромеанической связи KpТочка Кюри T, 0СПлотность ?,кг/м3d31d33ЦТС-19 ЦТС-19М ЦТСтБС-1 ЦТС-24 ЦТС-24М ЦТССт-3 ЦТБС-3 ЦТСНВ-1 ЦТС-35 ЦТС-221700 1900 4100 900 950 1400 2325 2325 1000 700175 183 289 100 100 122 158 200 80 46360410 6003340 255 290 360 425 200 1020,56 0,62 0,65 0,50 0,52 0,53 0,52 0,59 0,45 0,33290 300 170 270 280 280 180 240 300 3207600 7600 7550 7400 7550 7400 7200 7300 7400 7400
В работах [27, 28, 29, 30, 31, 32] процессы в пьезоэлектрической среде обычно описывают посредством матричных пьезоэлектрических уравнений (фундаментальных уравнений элементарного объема пьезоэлектрической среды). Эти уравнения выглядят следующим образом:
, (1.1)
, (1.2)
, (1.3)
, (1.4)
где: D - электрическая индукция;
S - механическая деформация;
Е - электрическое поле;
Т - механическое напряжение;
- модули упругости (модули Юнга), измеренные соответственно при постоянных индукции или поле (тензоры четвертого ранга);
- коэффициенты податливости (тензоры четвертого ранга);
- величины, обратная диэлектрической постоянной (тензоры второго ранга);
- пьезоэлектрический модуль (тензор третьего ранга) численно равен заряду, возникшему на единице поверхности пьезоэлемента при приложении к нему единицы давления [32];
, ,
модули, связывающие в определенных условиях электрические и механические величины (тензоры третьего порядка).
При деформации пьезоэлектрика ему сообщается механическая энергия, при приложении электрического поля - электрическая. Коэффициент электромеханической связи есть квадратный корень из той доли механической энергии, которая преобразуется в электрическую, или наоборот. Остальная энергия во время каждого цикла теряется на упругий или диэлектрический гистерезис или рассеивается [27].
В [17, 21, 24, 25, 26] основным элементом устройства является пьезоэлектрический генератор, который состоит из нажимного элемента, контактирующего с пьезоэлементом и механический привод или магнитострикционный элемент. Привод установлен с возможностью воздействия на нажимной элемент.
Рассмотрим устройство Ч.-К. А. Будревича для преобразования энергии гидравлического потока в электрическую, которое может быть п