Выводы: В результате проделанной работы выяснил, что


Полное название темы работы	Перспективы использования пьезоэлектриков.
Название секции форума	Физика
Тип работы	исследовательская работа
Фамилия имя отчество (полностью) автора, дата рождения (ДД. ММ. ГГГГ)	Авдейчик Иван Андреевич (26. 06. 1998)
Домашний адрес автора (-ов)	1. Красноярск, ул. Щорса д. 63 кв. 4 индекс 660094
Место учебы:	1. Гимназия №10 г. Красноярск
Класс
Место выполнения работы	МУК №3
Руководитель	Баранова Ирина Антоновна, «школа самоопределения», должность: преподаватель физики
Научный руководитель	Фамилия, имя, отчество Баранова Ирина Антоновна СФУ, кафедра ФЕО, контактный телефон 8-913-192-03-20
Ответственный за корректуру текста работы	Баранова Ирина Антоновна
e-mail (обязательно) Контактный телефон	1. автора: Impolito@mail. ru 2. руководителя: работы kuskun@yandex. ru

Содержание

1. Введение 2

2. Практическая часть 3

3. Выводы

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИКОВ

Введение

Проблема ограниченности мировых видов сырья для использования их в качестве источников всё возрастающих потребностей человечества в электрической энергии вызывает озабоченность у ученых, инженеров, поэтому все большее число исследователей занимается поиском альтернативных самовозобновляемых источников электроэнергии. И всё большее внимание уделяется созданию генераторов электроэнергии на основе пьезоэффекта.

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 разности потенциалов. Эффект обратим, т. е. наблюдается и обратное явление: прикладывая к электродам напряжение, образец деформируется. [1]

Именно первым явлением, связанным с генерацией электричества при механическом воздействии, заинтересовались в последние годы инженера и изобретатели. Как из рога изобилия, посыпались сообщения о возможностях получения электрической энергии утилизируя уличный шум, используя движение волн и ветра, нагрузки от перемещения людей и машин.

Сегодня известно несколько примеров практического использования подобной энергии. На станции метро «Марунучи» в Токио установлены пьезогенераторы в зале для приобретения билетов. Скопления пассажиров хватает для управления турникетами.

В Лондоне, в элитной дискотеке, пьезогенераторы питают несколько ламп, которые стимулируют танцующих и... продажу прохладительных напитков. Стали обыденными пьезоэлектрические зажигалки. Сейчас любой курильщик носит в кармане собственную «электростанцию».

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

У нас возникла идея использовать пьезоэлектрики для получения электричества от проезжающего автотранспорта. Для этого необходимо положить пьезогенераторы под полотно автодороги и при движении автомобиля возникает разность потенциалов на концах пьезоэлемента. К сожалению, мы оказались не первыми генераторами этой идеи. Разработкой данной идеи в жизнь занялись израильские ученые из небольшой фирмы Innowattech. Они в 2011 году должны были проложили небольшую трассу в Италии и получить электроэнергию, достаточную для питания 150 индивидуальных домов. По их расчетам 1 километр автобана может генерировать электрическую мощность до 5 МВт. Однако, о прорыве в области создания альтернативных источников энергии сообщений в печати не появилось. И мы поняли, почему это произошло.

Итак, разберемся с физикой процесса. При механическом воздействии на пьезоэлемент происходит смещение атомов в несимметричной кристаллической решетке материала. Это смещение приводит к возникновению электрического поля, которое индуцирует (наводит) заряды на пьезоэлементе.

В отличие от обычного конденсатора, обкладки которого могут сохранять заряды достаточно долго, индуцированные заряды пьезоэлемента сохраняются только до тех пор, пока действует изменяющаяся механическая нагрузка, что мы и обнаружили при своих исследованиях.

В своем исследовании мы хотели сами вырастить пьезоэлектрик, но из доступных нам материалов была только салициловая кислота. Пьезоэлектрик из нее очень хрупкий и, кроме того, нам не удалось бы вырастить монокристалл, поэтому мы взяли готовые пьезоизлучательи ПЗ-22 и ПЗ-3, вид которых представлен на рис. 1. А в таблице 1 представлены их основные характеристики. В таблице 1 приняты следующие обозначения параметров:

L - расстояние от излучателя до измерителя, м

Fрез - диапазон резонансных частот (резонансная частота прибора), кГц

Uраб - максимальная амплитуда питающего напряжения, В

D - максимальный диаметр, мм

H - максимальная высота, мм

По данным таблицы 1 мы рассчитали давление, на которое реагирую пьезоизлучатели, по формуле для уровня звукового давления (англ. SPL, Sound Pressure Level) — измеренное по относительной шкале значение звукового давления, отнесённое к опорному давлению = 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц: [2 ]

, (1)

Из формулы (1) мы определили рабочее давление для для пьезоизлучателей ПЗ-3 и ПЗ-22 по формуле

(2)

Оно равно 0, 112 Па.

Таблица 2

	Масса, кг	Площадь соприкосновения, м²	Давление, Па
человека		0, 030
ребенок	25, кг	0, 008
Автомобиль легковой	1500 кг

Давление Р человека и автомобиля мы оценивали по формуле:

, ` (3)

где m-масса, g- ускорение свободного падения, S- площадь соприкосновения объекта с поверхностью.

Видим, что разность потенциалов мы получим даже при давлении существенно меньшем, чем давление, которое оказывает человек на поверхность земли.

Воодушевленные полученными результатами мы приступили к эксперименту. Максимальное напряжение, которое мы от одного пьезо-излучателя при ходьбе около 0, 450 В. Следующим этапом было собрать достаточное количество пьезо-излучателей, чтобы получить источник тока в 1, 5 В. Для этого пьезо-излучатели собирались последовательно, но, к сожалению, лампочка, подключенная к такому источнику не засветилась. У нас возник вопрос: «Почему»?

Мы попробовали измерить силу тока, но наш прибор не смог зафиксировать это значение. Как известно из курса физики 10 класса [3, с. ], сила тока для замкнутой цепи находиться по формуле:

(4)

Пьезоэлектрик является диэлектриком, диэлектрики не проводят ток, то есть мы получили источник тока практически с бесконечным сопротивлением. Если уменьшать сопротивление, то элементы необходимо собирать параллельно, для увеличения напряжения их необходимо собирать последовательно, поэтому, подводя итоги, можно сделать только один вывод: пьезоэлементы никогда не станут альтернативными источниками электроэнергии в промышленных масштабах. Но их можно использовать для управления и измерения, что люди и успешно делают.

Выводы: В результате проделанной работы выяснил, что

12 Следующая ⇒