Scientific journal

Scientific Review. Fundamental and Applied Research

Вот пистолеты уж блеснули,

Гремит о шомпол молоток.

В граненый ствол уходят пули

И щелкнул в первый раз курок.

Вот порох струйкой сероватой

На полку сыплется. Зубчатый,

Надёжно ввинченный кремень

Взведён ещё…

А. С. Пушкин. Евгений Онегин

Издревле было известно свойство некоторых минералов при ударе ими или о них высекать искру. Так добывали огонь и поджигали трут, которым разжигали костёр, трубку. Впоследствии почти несколько сот лет использовали кремень- скрытнокристаллические модификации кварца для поджигания пороха в «кремневых» мушкетах, разновидностях ружей, пистолетах, пищалях и т.п. видах оружия. Для извлечения искры использовался кварц или горный хрусталь и его разновидности-аметист (фиолетово-пурпурный), цитрин (от жёлтого до коричневого), розовый кварц (розовый иногда с блестками), авантюрин (беловатый с сильным зелёным отблеском), праз (луково-зеленый), «тигровый глаз» и ястребиный глаз (полосчатые, от желтого до коричневого и синий-непрозрачные), яшма (темноокрашенная, обычно от красноватой до коричневой, непрозрачная), кварцит (беловатая тонкозернистая порода, непрозрачная), халцедон различной разновидности (агаты, хризопраз, карнеол, огненный агат, оникс, плазма, сард и др. [1, 46-50, 114-115].

Друза кварца

Кварц – пьезоэлектрик.

Пьезоэлектричество было известно давно, но научное изучение пьезоэффекта и фактически его открытие принадлежит братьям П. и Ж. Кюри, начатое в 1880 году.

При воздействии на пьезоэлектрический материал механической силы на поверхностях пластинок пьезоэлектрического материала появляется электрическое напряжение. Имеется и обратный пьезоэффект, когда под воздействием электрического поля возникает механическое напряжение.

Пьезоэлектрический кварц – это стратегический материал, работы с которым до 60-х годов были закрытыми, так как он использовался в кварцевых резонаторах, фильтрах, линиях задержках в радиолокационных станциях и т.п. изделиях оборонного и закрытого характера. В настоящее время изделия пьезоэлектроники используются очень широко, так как отображение частоты и времени делается самым экономичным, простым и дешёвым способом. Наиболее широко для этого используются кварцевые миниатюрные резонаторы частотой 32768 Гц (2х1015). Российские учёные и инженеры, внесли огромный вклад в развитие пьезоэлектроники, в том числе в разработку и производство синтетических пьезоэлектрических материалов, таких как кварц, сегнетова соль, ниобат и танталат лития, пьезокерамика, лангасит, пьезоэлектрические плёнки и др. и изделий из них [2-6].

Многие пьезоэлектрики, в том числе перечисленные, являются пироэлектриками. Все пироэлектрики являются пьезоэлектриками, но не наоборот. Пироэлектричество – возникновение разноимённых электрических зарядов на противоположных поверхностях некоторых диэлектриков, как кристаллических минералов, так пьезокерамики и некоторых полимеров при нагревании или охлаждении [7]. О пироэлектрических материалах, физических свойствах и применении можно найти, например в [8].

Впервые пироэлектрический эффект начал изучать Ф. Эпинус (1756) , после того как в Европу завезли турмалин («цейлонский магнит»). Он установил, что при нагревании кристалла на концах образуются электрические заряды противоположного знака, которые притягивают частицы пепла. Д. Брюстер в1824 г. ввёл термин «пироэлектричество». Кельвин связал пироэлектрический эффект с изменением электрической поляризации при изменении температуры. Т. Аккерман исследовал пироэлектрический эффект в ряде кристаллов в широком интервале температур и обнаружил убывание пироэффекта при понижении температуры. Первая микроскопическая теория пироэлектричества создана С.А. Богуславским в 1915г.[9].

В дальнейшем было установлено, что у сегнетоэлектриков величина пироэффекта вблизи фазового перехода может быть на один-два порядка больше, чем у кристаллических пироэлектриков [10-13].

Уравнение пироэлектрического эффекта описывает приращение спонтанной поляризации

ΔPs кристалла при изменении его температуры ΔТ. В первом приближении величины ΔРs и ΔТ связаны линейно

ΔРs=pΔT,

где p-пироэлектрический коэффициент.

Изменение Ps с температурой может происходить по двум причинам. Прежде всего, при изменении температуры свободный кристалл за счёт эффекта теплового расширения меняет свои размеры: сужается или расширяется. В результате этого даже при условии, что в кристалле не произошло перестройки его структуры из-за изменения температуры, спонтанная поляризация кристалла изменится, так как изменится число зарядов в единице объёма. Таким образом, в пироэлектрическом эффекте должна присутствовать часть обусловленная деформацией кристалла. Эта часть пироэлектрического эффекта трактуется как пьезоэлектрическая. Деформационная, пьезоэлектрическая часть пироэлектрического эффекта называется вторичным пироэлектрическим эффектом. Его коэффициент обычно обозначают как p". А первичный, истинный пироэффект описывается коэффициентом p’. В линейных пироэлектриках, таких как турмалин, истинный пироэффект, как правило, мал и составляет 2-5% от полного эффекта [10; 11, 648-650]. Но в других пьезокристаллах и сегнетоэлектриках первичный пироэффект может достигать 10%.[11,585-592; 12;13].

Уравнение пироэффекта, учитывающее его разделение на первичный и вторичный имеет вид:

Ps=(p’ + p")ΔT=pΔT

Все величины, кроме температуры Т являются векторами, т.е. изменяются в зависимости от кристаллографической ориентации кристалла.

Кристаллический кварц не является пироэлектриком, но индуцирование электрического поля при свободной деформации кристалла за счёт термического расширения реализуется через пьезоэлектрический эффект [14; 15, 24-25,46-50].

В области комнатных температур в линейных диэлектриках пирокоэффициент р, как правило мало зависит от температуры. Абсолютное значение р близко к одной электростатической единице. Для турмалина, например, коэффициент полного пироэффекта составляет – 1,3 ед. СГСЕ.

Электрическое напряжение V возникающее на пластинке кристалла триглицинсульфата площадью Ф=10Х10 мм и толщиной d=1мм, вырезанной перпендикулярно полярной оси при резком изменении его температуры на ΔТ= 10К (пироэлектрическая постоянная ТГС p^σ=45,0 нКл/см²•К), его диэлектрическая постоянная равна 30[14].

V=0,1(см)•45•10^-9 (Кл•см²•К^-1)•10К/30•8,85•10^-14(Кл•В^-1•см^-1)=17,0 кВ.

Аналогично для турмалина (ε=8,2, =1,3•10^-5 Кл/м²•К)

V=0,1 (см)•1,3•10^{-9 (}Кл•см²•К)•10К/8,2•8,85•10^-14(Кл•В^-1•см^-1)=1,7 кВ.

Для кварца у пластины, вырезанной перпендикулярно оптической оси (ε=4,0 =0,69•10^-5 нКл/м²•К).

V=0,1(cм)•0,69•10^-9 (Кл•см²•К^-1)•10К/4,0•8,85•10^-14 (Кл•В^-1•см^-1)=0,19кВ

Данные сведены в таблицу 1. [11-17].

Таблица 1

*В кварце вторичный пироэффект, описываемый p" , возникает при свободной   деформации   кристалла, он индуцируется термическим расширением через       пьезоэлектрический эффект [15, 24-25].

В таблицу добавлены для сравнения расчетные данные по двум синтетическим кристаллам – ниобата лития и танталата лития и пьезокерамики системы ЦТС [16-18].

Из таблицы видно, что пьезоэлементы в соответствии с пьезоэффектом генерируют значительную энергию.

В свою очередь магнит обладает энергией, которая широко используется в науке и технике. В соответствии с концепцией В.С. Леонова, сформулированной в его работах и обобщенной в [20], энергия получаемая через магнит из квантованного пространства теоретически бесконечна.

Если объединить пару – пьезоэлемент-магнит, чтобы магнит периодически качал пьезоэлемент и отдавал энергию, то можно получить электрогенератор.

Схема такого устройства приведена ниже:

Пружины могут быть заменены на другие устройства, например пьезоактюаторы – пьезоэлектрические устройства малых перемещений.

Пьезоактюатор на основе пьезоэлектрических плёнок, когда используется обратный пьезоэффект, выделяет импульс очень небольшой величины. Например, в работах [21,22], показано значение получаемых электрических напряжений и энергий.

Для эффективной работы, учитывая низкий коэффициент преобразования пьезокерамики (d₃₃≈500-600·10^-12 Кл/Н) переменной механической энергии в электрическую, требуется существенное значение переменной силы более чем 106 Па. Пьезогенератор работает только при переменном воздействии и не реагирует на статическое воздействие. Приведенные в статье расчетные соотношения позволяют рассчитать величину образования заряда на многослойном пьезоэлектрическом преобразователе от усилия, созданного постоянным магнитом.

В качестве пьезоэлектрического преобразователя возможно применение серийного многослойного пьезоэлектрического актюатора типа АПМ-2-15М.

Конструктивно актюатор выполнен в виде пьезокерамического блока размером 6×8×41 мм, состоящего из 15 шт. пьезокерамических элементов (6×6×2,7 мм), состоящих из 50 слоев пьезокерамических пленок толщиной 50 мкм.

В качестве пьезокерамики используется специально разработанный пьезокерамический материал ЦТС-46. Основные параметры ЦТС-46:

относительная диэлектрическая проницаемость =2100;

- пьезоэлектрический модуль =450 пКл/Н;

- пьезоэлектрический коэффициент напряжения = 24,2·10^-3 В·м/Н.

Для импульсного давления T=106 Па на обкладках актюатора возникает заряд:

, где

- площадь поверхности многослойного пьезоактюатора.

, где

- площадь сечения пьезоэлемента, =36·10^-6 м2;

- количество пьезоэлементов, .

К.

Возникающее напряжение на обкладках актюатора:

, где

- толщина пленки - 50 мкм;

В.

Генерируемая импульсная энергия Дж.

Авторы делают вывод о невозможности создания электрогенератора с высокой эффективностью из-за малого импульса генерируемой энергии. И этот вывод верен для одного импульса.

Но идея, излагаемая в настоящей статье в том, что необходимо качать энергию в высокочастотном режиме и использовать большое количество отдельных ячеек «пьезоэлемент-магнит»!

Тогда количество добываемой энергии может быть весьма существенным!

Ниже приведены расчётные данные получаемой энергии в зависимости от частоты качания (извлечения) энергии, времени качания и количества ячеек качания!

Энергия в зависимости от частоты импульсов пьезоактюатора при выкачивании её из магнита

Табл.2

Количество импульсов

Энергия в зависимости от времени качания одного импульса

Табл.3

Энергия в зависимости от частоты и времени качания

Табл.4

При комплектации в 1000 шт. ячеек возможно получение энергии в зависимости от частоты и времени качания

Табл.5

В настоящее время проведены и проводятся работы по

Использованию пьезогенераторов для получения электрической энергии за счёт приложения механической силы.

Впервые израильская компания Innowattech начала разработку вариантов использования пьезоэлектрических генераторов путём преобразования энергии давления на пьезоэлементы [23] за счёт давления автомобилей на полотно дороги, движущегося железнодорожного транспорта, самолёта при взлете и посадки.

Предварительные расчёты, проведенные израильской фирмой показывают, что при движении 10-20 поездов с числом вагонов не менее 10 в час возможно получить до 200 квт/ч, способных обеспечить электроснабжением до 300 индивидуальных домов.

Реализация одного из таких проектов на автомобильной трассе Венеция-Триест при интенсивности движения 600 автомобилей в час на двухполосном шоссе длиной 10 км позволяет получить до 5 МВт/ч, что обеспечивает электропитанием освещение дороги, электронные системы управления дорогой (светофоры, табло и т.д.).

Предварительные расчёты использования волновых электростанций путём преобразования механической энергии набегающих прибрежных волн в электрическую , показали их низкую эффективность [24].

Другим направлением применения пьезоэффекта и использование его для преобразования   механического давления в электричество являются мини-пьезогенераторы [25]. Показана перспективность изгибных пьезогенераторов в малогабаритных устройствах беспроводной электроники и устройствах коммуникации – в телефонах сотовой связи, смартфонах, бытовой электромеханики и электротехники. Успехи в создании маломощных СБИС уменьшают требования к питанию до десятков и сотен микроватт.

Извлечение энергии с помощью пьезогенераторов за счёт использования вибрации имеет ряд преимуществ по сравнению с солнечной энергией, литиевыми батарейками и электростатическим преобразованием.

При использовании прямого преобразования механической энергии в электрическую при малом потреблении энергии наиболее эффективно использовать гибкие пьезоэлектрические датчики – пьезобиморфы считают авторы работ [26-27].

Примерами разработки и применения миниатюрных пьезогенераторов , используемых при движение человека во время ходьбы, бега, танцах служат работы описанные, например в [28-29 ].

Микро-пьезогенераторы широко используются в системах измерения давления в автомобильных шинах фирмой Morgan Electro Ceramics (Англия) [30].

Использование вибрации, получаемой от зданий, машин, человека и т.п. реализуется в Европейском исследовательском проекте VIBES (Vibration Energy Scavenging) [31].

Как показано выше, получение энергии за счёт использования пьезоэффекта при приложении механической силы железнодорожных вагонов, автомобилей, движения человека, а также различного рода вибраций и малых перемещений позволяет получать как значительные объёмы электрической энергии для освещения, работы различных табло, светофоров и др. достаточно энергоёмких устройств, так и минимальных количеств электричества для работы устройств телекоммуникационного характера, телефонов, смартфонов, бытовых приборов и т.п. устройств.

Считается, что заряд, или разряд электрического напряжения   в пьезоэлементе занимает время (0,1-0,08)х10Е-12с. Величины мощности при выкачивании энергии пьезоэлементом через магнит одной ячейки достаточно скромные.

Однако при ударном воздействии, например, в импульсе пьезозажигалки по расчётам, сделанным на предприятии Аврора в Волгограде, производящим пьезокерамику и изделия из неё, мощность в импульсе может составлять 750 киловатт[32].

В работе [33] было показано, что при использовании связки пьезоэлемент-магнит можно получить существенные значения бесплатной энергии из квантованного пространства в соответствии с концепцией В.С. Леонова [20-11] о неисчерпаемости энергии космоса, создаваемой сверхсильным электромагнитным взаимодействием.

В теории сверхсильного электромагнитного взаимодействия (СЭВ), показано, что в одном кубическом метре вакуума содержится энергии – 10⁷³ Дж/м³ , достаточной для создания ещё одной вселенной!

Рис. Схематическое представление структуры квантованного пространства-времени [20, 7].

Поэтому ячейку пьезоэлемент-магнит можно рассматривать как форточку в виде магнита в квантованное пространство, а пьезоэлемент- как кран, её открывающий.

Целесообразно оценить создаваемые ячейкой пьезоэлемент – магнит мощности и кпд.

При значениях энергии, получаемой при одиночном и высокочастотном использовании системы пьезоэлемент – магнит на примере связки – пьезоактюатора из пьезокерамики ЦТС-46 и магнита получаются энергии, представленные в таблице 1 [33].

Мощность   N= A/T                              

где

А-энергия,                                          

Т-время.

Соответственно мощности в зависимости от времени импульса будут равны

Табл.6

При формировании блока из 1000 ячеек пьезоэлемент-магнит можно получить энергии и мощности, представленные в табл.6

Табл.7

Если не ограничиваться только одной тысячей ячеек, а использовать значительно большее их количество, то можно строить различной мощности электростанции.

Применение связки пьезоэлемент-магнит для выкачивания энергии из квантованного пространства там, где нужна электрическая или другая преобразованная энергия безгранично. В первую очередь там, где её трудно получать другими способами, например, в беспилотных летательных и морских, в том числе подводных аппаратах.

Как видно из таблиц мощности ячейки пьезоэлемент-магнит возрастают по мере увеличения частоты качания энергии. Это соответствует тем же процессам, которые происходят в лазерной технике, - чем короче импульс, тем больше мощность. Длительность импульса в современных лазерах достигает пико и фемтосекунд (10 ^-15 сек), что обеспечивает гигантские мощности, позволяющие получать миллионы градусов на облучаемой поверхности.

Целесообразно оценить кпд системы пьезоэлемент-магнит. Коэффициент полезного действия - это отношение полезно используемой энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой. Если магнит является связующим звеном между полезной нагрузкой и бесконечным количеством энергии, заключённом в квантованном пространстве [20], то знаменатель является бесконечной величиной и кпд должен быть близок к 1. Магнит является краном, через который пьезоэлемент или пьезоэлементы черпают энергию. Вероятно, всё же кпд такой системы нужно оценивать по потерям в самой этой системе и оперировать не кпд, а коэффициентом передачи.

Таким образом использованием связки пьезоэлемент-магнит можно получать необходимое количество бесплатной квантованной энергии.

Конечно, предстоит большая работа как в фундаментальном научном плане, так и в прикладном.

В фундаментальном плане предстоит изучить способ получения энергии магнитом из квантованного пространства, изучить носители передаваемой энергии, взаимосвязи со структурой, размерами, характеристиками магнита и т.п.

В прикладном научном плане нужно отрабатывать схемы получения энергии, свойства и характеристики пьезоэлементов, оптимальные варианты пьезокерамических и кристаллических пьезоэлектриков, их размеры для различных применений, как крупногабаритных вариантов для получения значительных количеств электричества, так и микросхем для использования в современных электронных миниатюрных устройствах.

Заключение

1 .Предложен способ получения альтернативной дешёвой энергии.

2. Предложена схема получения альтернативной энергии.

3. Соединение пьезоэлемента и магнита при высокочастотном извлечении энергии и объединении их в ячейки позволяет получать значительные величины возобновляемой энергии.

4. Предложенный способ получения энергии позволяет использовать как микроминиатюрные варианты ячеек, так и крупногабаритные варианты на основе пьезокерамики или на других синтетических материалах.

5. Пьезомагнитоника – новая отрасль науки, изучающая свойства и поведение пьезоэлектриков и магнитов, их взаимодействие в фундаментальном и прикладном отношении, а также приборов и устройств на их основе.

6. Новое научное направление – пьезомагнитоника – требует значительного ресурса исследований как в фундаментальном, так и в прикладном отношении, а также приборов и устройств на их основе [34].