Stromerzeugung aus piezoelektrischen Kristallen

Seitdem haben die Menschen herausgefunden, dass die zuverlässigsten Energiequellen irgendwann vom Aussterben bedroht sein werden und uns nach einigen Jahrzehnten oder so die Zeit dafür ausgehen würde und die Erde zu einem Ort ohne Elektrizität würde. Und stellen Sie sich vor, wenn das passieren würde, würden all die Systeme und Technologien, auf die wir so sehr angewiesen sind, nicht mehr funktionieren. Am wichtigsten ist, dass das Internet für immer aufhören wird! Und das wäre ein schwerer Schlag. Noch bevor sie die Bedeutung des Internets erkannten, noch bevor es tatsächlich existierte oder bevor das Internet zu einer Technologie wurde, die das Zentrum aller technologischen Entwicklungen ist, begannen sie, sich für alternative Energiequellen zu engagieren.

Viele der alternativen Quellen sind bereits zu vollwertigen Erzeugungsanlagen geworden und einige befinden sich noch in den Labors, um ihr Potenzial und ihre praktische Anwendung zu testen. Zu diesen alternativen Energiequellen gehört die Piezoelektrizität bzw. Elektrizität aus piezoelektrischen Kristallen, die noch nicht in eine vollwertige Energieerzeugungsindustrie eingetreten ist.

Was sind piezoelektrische Kristalle?

Der piezoelektrische Effekt wurde 1930 entdeckt 1880 von zwei französischen Physikern, den Brüdern Pierre und Paul-Jacques Curie, in Kristallen aus Quarz, Turmalin und Rochelle-Salz (Kaliumnatriumtartrat). Sie haben den Namen vom griechischen Wort „Piezein“ abgeleitet, was „drücken“ bedeutet.

Kristalle, die beim Zusammendrücken, Verdrehen oder Verzerren eine Ladung erhalten, werden als piezoelektrisch bezeichnet. Dadurch entsteht ein praktischer Wandlereffekt zwischen elektrischen und mechanischen Schwingungen.

Quarz weist diese Eigenschaft auf und ist äußerst stabil. Wenn eine äußere Kraft auf einen Quarzkristall ausgeübt wird, ändert sich die an der Oberfläche erzeugte Spannung. Diese Änderung wird anhand des entsprechenden Schall- oder Vibrationswerts gemessen.

Was ist Piezoelektrizität?

Wenn Sie bestimmte Kristalle (z. B. Quarz) zusammendrücken, können Sie sie herstellen Durch sie fließt Strom. Das Gegenteil ist normalerweise auch der Fall: Wenn man Strom durch dieselben Kristalle leitet, „quetschen“ sie sich, indem sie hin und her vibrieren.

Technisch ausgedrückt:

“ Unter Piezoelektrizität (auch piezoelektrischer Effekt genannt) versteht man das Auftreten eines elektrischen Potentials (mit anderen Worten einer Spannung) an den Seiten eines Kristalls, wenn man ihn einer mechanischen Belastung aussetzt (indem man ihn zusammendrückt).“

Wie wird der piezoelektrische Effekt erzeugt?

Für Um den piezoelektrischen Effekt zu erzeugen, muss ein natürlicher Quarzkristall in die Form einer dünnen rechteckigen oder ovalen Platte mit gleichmäßiger Dicke geschnitten werden. Jeder Kristall hat drei Achsensätze – optische Achsen, drei elektrische Achsen OX1, OX2 und OX3 mit einem Winkel von 120 Grad zueinander und drei mechanische Achsen OY1, OY2 und OY3, ebenfalls im Winkel von 120 Grad zueinander. Die mechanischen Achsen stehen im rechten Winkel zu den elektrischen Achsen. Einige der Parameter, die über die Art des Kristalls für die Anwendung entscheiden, sind:

Winkel, in dem der Wafer aus natürlichem Quarzkristall geschnitten wird

Plattendicke

Abmessung der Platte

Befestigungsmittel

Wenn eine elektrische Spannung in Richtung einer elektrischen Achse (X-Achse) ausgeübt wird, entsteht eine mechanische Spannung in Richtung der Y-Achse, die senkrecht zur relevanten X-Achse steht. Wenn entlang der Y-Achse eine mechanische Spannung ausgeübt wird, werden auf den Flächen des Kristalls elektrische Ladungen erzeugt, die senkrecht zur X-Achse stehen, die im rechten Winkel zur Y-Achse steht.

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Inverser piezoelektrischer Effekt

Der piezoelektrische Effekt kann umgekehrt werden, was als bezeichnet wird inverser piezoelektrischer Effekt. Dies entsteht durch Anlegen einer elektrischen Spannung, um einen piezoelektrischen Kristall zum Schrumpfen oder Ausdehnen zu bringen. Die Nutzung des inversen piezoelektrischen Effekts kann bei der Entwicklung von Geräten helfen, die akustische Schallwellen erzeugen und erzeugen. Beispiele für piezoelektrische akustische Geräte sind Lautsprecher (häufig in Handgeräten zu finden) oder Summer.

Vorteile der Piezoelektrizität

Hoher Frequenzgang – Sie bieten einen sehr hohen Frequenzgang, was bedeutet, dass sich die Parameter mit ändern Sehr hohe Geschwindigkeiten können problemlos erfasst werden.

Hohes Einschwingverhalten – Die piezoelektrischen Wandler können Ereignisse im Mikrosekundenbereich erkennen und auch ein lineares Ausgangssignal liefern.

Hohe Ausgangsleistung – Sie bieten eine hohe Ausgangsleistung im elektronischen Schaltkreis gemessen werden.

Kleine Größe – Diese sind sehr kompakt und klein und haben eine robuste, robuste Konstruktion.

Bariumtitanat und Quarz können in jeder gewünschten Form und Gestalt hergestellt werden . Es hat auch eine große Dielektrizitätskonstante. Die Kristallachse kann durch Ausrichten der Orientierungsrichtung ausgewählt werden.

Nachteile der Piezoelektrizität

Die Ausgangsleistung ist gering – Die von den piezoelektrischen Wandlern erhaltene Ausgangsleistung ist gering, weshalb eine externe elektronische Schaltung erforderlich ist angeschlossen werden.

Da das Gerät mit geringer elektrischer Ladung arbeitet, benötigen sie ein hochohmiges Kabel für die elektrische Schnittstelle.

Die relative Luftfeuchtigkeit steigt über 85 % oder fällt unter 35 %, seine Ausgabe wird beeinträchtigt. Wenn ja, muss es mit Wachs oder Polymermaterial beschichtet werden.

In Form bringen – Es ist sehr schwierig, den Kristallen die gewünschte Form mit ausreichender Festigkeit zu geben.

Das ist es Nicht für Messungen im statischen Zustand geeignet. Die Ausgabe kann je nach Temperaturschwankung des Kristalls variieren.

Beispiele für piezoelektrische Wandler

Quarz

Rochelle-Salz

Polarisiertes Barium Titanat

Ammoniumdihydrogen

Lithiumsulfat

Etylendiamintartrat

Das Kollagen im Knochen ist ebenfalls piezoelektrisch

Gewöhnlicher Zucker

Es gibt alle möglichen Situationen, in denen wir mechanische Energie (Druck oder Bewegung irgendeiner Art) in elektrische Signale umwandeln müssen oder umgekehrt. Piezoelektrische Wandler sind perfekte Geräte für deren Umwandlung. Diese Wandler werden in unserem täglichen Leben in vielen Anwendungen eingesetzt, wie unten aufgeführt:

In Ultraschallgeräten wandelt ein piezoelektrischer Wandler elektrische Energie in extrem schnelle mechanische Schwingungen um – so schnell, dass er es schafft Geräusche, aber solche, die zu hoch sind, als dass unsere Ohren sie hören könnten. Diese Ultraschallschwingungen können zum Scannen, Reinigen und für alle möglichen anderen Zwecke verwendet werden.

Aufgrund seines hervorragenden Frequenzgangs wird es normalerweise als Beschleunigungsmesser verwendet, wobei die Ausgabe in der Größenordnung von (1) liegt -30) mV pro Schwerkraftbeschleunigung.

Die piezoelektrischen Wandler sind nützlicher für dynamische Messungen, d. h. Parameter, die sich schnell ändern. Dies liegt daran, dass das unter den statischen Bedingungen entwickelte Potenzial nicht vom Instrument gehalten wird. Daher werden piezoelektrische Kristalle hauptsächlich zur Messung von Größen wie der Oberflächenrauheit sowie in Beschleunigungsmessern und Schwingungsaufnehmern verwendet.

Die Automobilhersteller verwendeten piezoelektrische Wandler, um Detonationen in den Motorblöcken zu erkennen.

Zu Um diese Technologie in vollem Umfang zur Stromerzeugung nutzen zu können, sind die Experimente noch im Gange. Nun, im nächsten Blog würden wir über einige mögliche Einsatzmöglichkeiten der piezoelektrischen Kristalle zur Energieerzeugung in unseren Häusern diskutieren.

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