電氣工程的一個主要部分側(cè)重于從我們周圍的其他能源發(fā)電的新方法,而另一個主要部分側(cè)重于調(diào)節(jié)它。一種新型傳感器可以直接將機械能轉(zhuǎn)化為電能,而不需要發(fā)電機(壓電發(fā)電機)的典型旋轉(zhuǎn)運動。
因為壓電發(fā)電機不需要運動部件,所以它可以做得非常緊湊、可靠和持久。這也使信號調(diào)整更容易。壓電元件有很多種。如下圖所示,每個元素都有不同的形狀和特征。本文詳細(xì)討論了壓電發(fā)電機的工作原理和特點。
什么是壓電效應(yīng)及其工作原理?
壓電是通過對一些材料施加機械應(yīng)力而產(chǎn)生的電,如晶體(應(yīng)時)、陶瓷(鋯鈦酸鉛),甚至一些生物材料,如骨骼和脫氧核糖核酸。
實際的機制涉及到電偶極子的產(chǎn)生,電偶極子是相隔很短距離的兩個相反的電荷,在晶體結(jié)構(gòu)上可以和條形磁鐵相比。當(dāng)對晶體施加力時,晶格結(jié)構(gòu)的微小變化會導(dǎo)致電偶極子的形成,從而在晶體表面產(chǎn)生電壓。該電壓可提供少量電荷,并可用于為外部電路供電。這種效應(yīng)反過來起作用,施加在壓電元件上的電壓將使其沿平面變形。這就是壓電蜂鳴器和超聲波換能器的工作原理。
讓我們仔細(xì)看看常見的壓電材料應(yīng)時。應(yīng)時是一種晶體形式的復(fù)合二氧化硅,它有一個硅原子和四個氧原子,排列成六邊形。通常,六邊形的每個頂點都有一個交替排列的氧或硅原子。
每個原子攜帶一個小電荷。在應(yīng)時的例子中,氧原子帶負(fù)電荷,硅原子帶正電荷。因為原子的排列距離相等,所以每個頂點的電荷是平衡的,沒有凈偶極矩。
當(dāng)晶體沿著六邊形的兩個相對側(cè)變形時,結(jié)構(gòu)變得平坦,現(xiàn)在兩端相對頂點之間的距離增加。這導(dǎo)致沿著中心軸的電荷不平衡,導(dǎo)致小的偶極矩。這個偶極矩產(chǎn)生一個垂直于施加在晶體上的力的小電壓。