efecte transfer energie

27
UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GH. ASACHI” IAŞI Master CMPA REFERAT EFECTELE DE TRANSFORMARE A ENERGIEI Student: Îndrumător: Barb Tudor Florentin Buium 1

Upload: tudor-barb

Post on 22-Jan-2016

286 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

Cool

TRANSCRIPT

Page 1: Efecte Transfer Energie

UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GH. ASACHI” IAŞI

Master CMPA

REFERAT EFECTELE DE TRANSFORMARE A ENERGIEI

Student: Îndrumător:

Barb Tudor Florentin Buium

IAŞI 2015

1

Page 2: Efecte Transfer Energie

Cuprins

1. Mecanice: - Piezoelectrice- Piezorezistive- Electrostatice- Electroreologic

2. Magnetice:- Hall- Magnetorezistiv- Magnetostrictiv- Magnetoreologic- Memorie de formă magnetică

3. Termice:-Efectul Seebeck- Efectul piroelectric- Efectul termorezistiv- Efectul termoelastic-Efectul de memorie a formei-Efectul Peltier

4. Radiaţie:- Fotoemisivă- Fotoconductivă- Fotovoltaic

5. Exemple practice6. Bibliografie

2

Page 3: Efecte Transfer Energie

Efectele mecanice

Anumite cristale dezvoltă o încărcătură electrică când sunt supuse la stres mecanic.În mod convenabil, aplicarea unui câmp electric asupra unui cristal conduce la deformare fizică.

Efectul piezoelectric a fost descoperit de fraţii Curie în 1880. Prima aplicaţie cu cristale naturale a avut loc în anii 1920. În anii 1950 au apărut materialele din ceramică piezoelectrice. Ceramica piezoelectrică trebuie trecută prin procesul de polarizare pentru ca efectul piezoelectric să aibă loc.

Structura cristalului trebuie să fie asimetrică.Două exemple de materiale ceramice piezoelectrice sunt PbZrO3 şi PbTiO3Figura de mai jos prezintă diferitele stări de transformare a cristalelor su efect piezoelectric. Celula PZT elementară este cea în care depăşeşte temperatura Curie, iar odată cu scăderea acesteia ionii încărcaţi pozitiv de Ti-Zi se deplasează din poziţia lor centrală formând o structură tetragonală.

3

Page 4: Efecte Transfer Energie

Fig 1. Organizarea asimetrică a structurii cristalelor faţă de temperatura Curie

Ceramica piezoelectrică

Din punct de vedere macroscopic, dipolii moleculari se aliniză în zone mici formând momente largi de dipoli.

Domeniile sunt orientate aleator aşadar dipolul electric al reţelei externe este zero. Dacă ceramicele piezoelectrice sunt supuse chiar şi o singură dată la un câmp electric, domeniul dipolilor se aliniază în direcţia apropiată de acel câmp. Din cauza orientărilor alternative a domeniilor, nu este posibilă o alinere perfectă. Atunci când curentul este oprit, domeniile nu îşi revin în totalitate la forma originală, din cauză că materialul rămâne parţial polarizat.

Fig 2. Reprezentare grafică a reţelei ceramice sub efect piezoelectric

4

Page 5: Efecte Transfer Energie

Modele de piezoelectricitate

Modelul liniar:

S=sET +dE

D=dT+εT E

Neglijarea histerensisului.

S – Tensorul de effort

T – Tensorul de stres

E – Vectorul câmpului electric

D – Vectorul de dislocare electric

SE –Matriţa de elasticitate care este supusă la curent electric constant

d – Matriţa de constante piezoelectrice

eT – Permitivitatea măsurată sub stres constant

Efectul piezorezistiv

În efectul piezorezistiv schimbarea relativă în rezistenţă este proporţională cu stresul mecanic. Utilizat în mulţi microsenzori mecanici, cum aer fi senzorii de presiune şi acceleraţie.

Fig 3. Schema unui senzor

Efectul electrostatic

5

Page 6: Efecte Transfer Energie

Originea acestui efect se află în forţa Columbică, de exemplu forţa de atracţie dintre două plăcuţe conductive care au încărcături opuse.

Când un voltaj este aplicat între această plăcuţă, forţa atractivă Fn este care exercitată asupra plăcuţelor este:

FN=12eA (U

d)2

Fn – Forţa de atracţie

d – Distanţa dintre plăcuţe

eA – Polaritatea piezoelectrică

U – Conducţia

Fig 4. Atracţia electrostatică a placuţelor cu forţe opuse

Când o forţă este aplicată asupra unei plăci conductive, capacitanţa dintre plăcuţe se schimbă. Capacitanţa este reactanţa opusă printr-o capacitate a trecerii unui curent alternativ. Aceasta se măreşte odată cu micşorarea distanţei dintre plăcuţe.

Generarea de forţe tangenţiale normale prin aplicarea unui voltaj este utilizată în actuare. Schimbarea de capacitanţă dintre plăcuţele conductive este de asemenea utilizată în multe aplicaţii cu microsenzori mecanici. De pildă, atunci când presiune este aplicată asupra celeilalte plăcuţe metalice, distanţa şi capacitanţa dintre plăcuţe se schimbă.

6

Page 7: Efecte Transfer Energie

Aplicaţii ale acestei metode se găsesc în domeniul senzorilor, în special cele de presiune, forţă şi acceleraţie.

Fig 5. Componenţa unui senzor

Efectul de electrostricţie

Electrostricţia se referă la deformarea materialului atunci când este expus la un câmp electric. Este asemănător cu efectul piezoelectric, dar apare la materialele feroelectrice.Acesta nu necesită o structură asimetrică a cristalului, are un histerensis mai mare şi este dependent de temperatură. Electrostricţia este aplicată la actuatori.

Efectul electroreologic

Fluidele electrorheologice pot schimba starea unui material de la solid la lichid atunci când este aplicat un curent electric.Acest fenomen a fost descoperit de Willis M. Winslow în anii 1940.În funcţie de puterea fluidului electric, fluidul ER se comportă ca apa sau ca mierea.Fluidele ER au în componenţa lor particule micro suspendate într-un lichid non-conductiv.

7

Page 8: Efecte Transfer Energie

Fig 6.Câmp electric de 1000v/mm

Efectul în sine poate fi produs prin aplicarea unui câmp de 1000 volţi/mm asupra fluidului. Atunci când este aplicat curent electric, protonii încărcaţi pozitiv ai unei particule vor fi atraşi către electrodul negativ, iar electronii negativi vor fi atraşi către electrodul pozitiv.

O trăsătură avantajoasă a fluidelor electrorheologice este aceea că reacţionează imediat. Pot trece de la lichid la solid într-un interval scurt de timp, de la 0.1 la 1 milisecundă. În plus, fluidele ER au beneficiul unui design simplu, devreme ce nu sunt necesare componente mecanice adiţionale.

Fluidele ER au aplicaţii în ambreiaje, amortizoare de vibraţii, valve ş.a. În industria auto a adoptat tehnologia ER care permite folosirea componentelor fără părţi mişcătoare

Efecte magnetice

Efectul Hall

Atunci când un electron este introdus într-o foaie conductoare aflată sub un câmp magnetic, electronii în mişcare capătă o forţă magnetică, numită forţă Lorenz. Forţa Lorenz este perpendiculară pe acceleraţie şi pe vectorii câmpului magnetic. Această forţă este dată de formula:

F=q (E+v×B)

q – Sarcină electrică punctiformă E – Câmp electric

v – Viteza B – Câmp magnetic

8

Page 9: Efecte Transfer Energie

Deflectarea electronilor are ca rezultat un câmp electric Eh care, la rândul lui, exercită o forţă asupra electronilor în mişcare egală şi diferită de forţa Lorenz. Relaţia dintre câmpul electric Hall şi densitatea de flux magnetic poate fi exprimată prin formula:

EHy=v xB zDin figura de mai sus putem observa cum câmpul electric (Ehy) rezultă din produsul dintre

viteza (vx) şi câmpul magnetic (Bz).

Fig 7. Exemplu de efect Hall asupra unui senzor

Efectul Hall se poate măsura prin formula de mai jos, utilizând câmpul electric al senzorului (Ehy) şi lăţimea suprafeţei pe care acţionează câmpul magnetic (w).

V H=EHyw

Efectul magnetorezistiv

Acesta constă în schimbarea rezistenţei unui semiconductor în prezenţa unui câmp magnetic şi are la bază forţa Lorenz. La efectul magnetorezistiv, rezistenţa unui semiconductor schimbă prezenţa câmpului magnetic. Deflectarea traseelor curentului conduce la o creştere a rezistenţei semiconductorului.

Magnitudinea schimbării rezistenţei depinde de forma probei, aşadar efectul magnetorezistiv se observă cel mai bine la probele scurte dar late. Aplicaţiile acestui efect sunt regăsite la senzori.

9

Page 10: Efecte Transfer Energie

Efectul magnetostrictiv

Magnetostricţia se referă la o schimbarea formei indusă magnetic în materiale feromagnetice, adică efectul Joule. Efectul Villari este schimbarea stării de magnetizare datorită unei tensiuni mecanice.

Fig 8. Exemplu de efect magnetostrictiv

Efectul magnetorheologic

Fluidele magnetorheologice sunt particule magnetizabile de dimensiuni microscopice, aflate în stare de suspensie în interiorul uleiului. Rata de curgere a fluidelor magnetorheologice poate fi variată prin aplicarea unui câmp magnetic.Fluidele MR sunt analogul magnetic al fluidelor electrorheologice.

Efectul de memorie a formei magnetice

Aceasta constă în schimbarea dimensiunii, formei sau a tensiunii datorită unui câmp magnetic aplicat pe material.

10

Page 11: Efecte Transfer Energie

Proprietăţile acestei inovaţii sunt:

- deformare largă până la 4.5%

- răspuns rapid chiar şi până la 10 kHz

- densitate de putere înaltă până la 10 kW/Kg

- eficienţă de 10-20 %

Fig 9. Procentul de deformare pentru materiale de tip: electrostrictoare, terfenol-D, PZT, MSM

Efecte termice

Efectul Seebeck

Un circuit constituit din două materiale diferite are diferite temperaturi la care recepţionează joncţiuni de referinţă. Aceasta este baza efectului Seebeck, descoperit în 1822 de fizicianul estonian cu acelaşi nume.

Figura următoare arată un circuit în care o joncţiune din două materiale disimilare este menţinut la temperatura (TA) şi cealaltă la temperatura (TB). Un potenţial termoelectric ∆V este generat pe parcursul joncţiunilor. Aplicaţia acestui efect poate fi observată la termocuplele obişnuite.

11

Page 12: Efecte Transfer Energie

Fig 10. Termocuplă cu efect Seebeck

Efectul Peltier

Acesta este efectul revers al celui Seebeck. Descoperit de fizicianul Jean Peltier, acesta constă într-un curent aplicat pe un circuit electric făcut din două materiale disimilare, care rezultă în fie un efect de rîcire sau de încălzire. Acest efect este folosit la încălzirea termoelectrică şi la sisteme de răcire.

Fig 11. Efectul Peltier utilizat la un condensator cu siliciu

Efectul piroelectric

Piroelectricitatea este o variaţie a încărcăturilor electrice de pe suprafaţa unui cristal polarizat atunci când este încalzit. Creşterea temperaturii reduce polarizarea cristalului, dar creşte outputul de voltaj până când încărcătura de suprafaţă este din nou echilibrată. Acest efect crează o creştere a temperaturii şi a voltajului de output.

12

Page 13: Efecte Transfer Energie

Atunci când temperatura scade poate fi observat un semnal revers, de exemplu atunci când outputul voltajului scade. Toate materialele piroelectrice sunt de natură pizoelectrică, însă invers nu este adevărat.

Acest efect se aplică la detectoare de mişcare umană şi la detectoare de incediu.

Fig 12. Efectul piroelectric

Efectul termorezistiv şi termoelastic

Termorezistivitatea se referă la variaţia rezistenţei electrice a metalelor şi a semiconductoarelor cu temperatură.

Efectul termoelastic se referă la expansiunea termică a unui material.

Schimbarea de volum apare doar dacă materialul s-a încălzit sau s-a răcit.

Pentru metale cu rezistivitatea ρ poate fi aproximată după formula:

ρ≈ ρ0(1+αT+ βT 2)

Ρo – rezistivitatea la o temperatură standard de 0°C

α, β – constante de material

Efectul termoelastic este utilizat la actuatori termomecanici.

13

Page 14: Efecte Transfer Energie

Efectul de memorie a formei

Aliaje cu memorie a formei (SMA) sunt materiale metalice care au abilitatea de a “reţine” formele lor originale.Acest efect a fost descoperit în 1950 şi a fost folosit de atunci adesea în aliaje de nichel-titaniu (NiTi) de la începutul anilor 1960. Un număr semnificative de aliaje alternative au fost studiate de atunci însă câteva aliaje de cupru şi cel menţionat mai sus au rămas cele mai folosite în prezent.

Efectul formei cu memorie se referă la fenomenul în care un material deformat aflat la temperatura camerei poate fi readus la forma originală prin încălzire. Acest efect rezultă din faptul că aliajul formei cu memorie are două stări, austenitică şi martensitică.

Fig 13. Raportul stres – temperatură la materiale cu memorie

14

Page 15: Efecte Transfer Energie

Fig 14. Evoluţia martensitei şi a austenitei în materiale cu memorie

Conform figurii anterioare transformarea de la martensită la austenită nu are loc la aceeaşi temperatură ca la transformarea de la austenită la martensită. Aşadar, există un histerensis în comportamentul de încâlzire şi răcire a aliajelor de memorie a formei.

Aliajul de bază binar NiTi are temperaturi de transformare între -50°C şi 110°C cu lungimea variaţiei histerensisului este de 25°C şi 40°C.

Aliajele de cupru au transformări de temperatură până la 200°C şi o variaţie de histerensis între 15 şi 20°C.

Aliajele de memorie a formei sunt cel mai des folosite la actuare. Câteva exemple sunt cuplele de unire a liniilor hidraulice, catetere active pentru navigare în vasele de sânge, roboţi miniaturizaţi şi altele.

Efecte de radiaţie

Există trei tipuri de astfel de radiaţii:

- fotoemisivă (radiaţie ce loveşte suprafaţa pregătită a unui metal şi care emite electroni de la suprafaţă spre spaţiu)

- fotoconductivă (lumina loveşte materialul fotoconductiv şi îi reduce rezistenţa)

- fotovoltaică (când radiaţie este aplicată pe o foaie semiconductoare, fotonii îi fac pe electroni să se deplaseze pe o direcţie a jocţiunii, generând un voltaj, folosit în fotodiode şi celule solare)

Efectul fotoemisiv

La efectul fotoemisiv, radiaţia loveşte o suprafaţă pregătită a unui metal sau a unui semiconductor care dă fuficientă energie la electronii emişi de pe suprafaţă în spaţiu. Energia cinetică a unui electron este legată de energia fotonului incident.

Într-o celulă fotoelectrică ce operează pe acest principiu, electronii emişi sunt colectaţi de un electrod pozitiv. Sub influenţa unui voltaj aplicat aceştia crează un curent electric liniar proporţional cu intensitatea luminii incidente.

15

Page 16: Efecte Transfer Energie

Efectul fotoconductiv

La un efect foto conductiv lumina ce loveşte un material fotoconductiv reduce rezistenţa acestuia. Celulele fotoconductive sunt uneori cunoscute drept rezistori dependenţi de lumină.

În figura de mai jos se ilustrează structura unei celule fotoconductive. Acest afect a fost utilizat în senzori de radiaţie.

Fig 15. Structura unei celule fotoconductive

Efectul fotovoltaic

Acesta se referă la fenomenul la care energia fotonilor este transformată în energie electrică. Atunci când este aplicată radiaţie asupra unei foiţe semiconductoare, fotonii îi provoacă pe electroni să curgă într-o singură direcţie dealungul unei joncţiuni, generând voltaj.

Efectul fotovoltaic a fost folosit la aplicaţii cu senzori de radiaţie, specific fotodiţi, dar şi la celule solare care produc energie electrică din lumina Soarelui.

16

Page 17: Efecte Transfer Energie

Exemple practice

1. Rezonatoare piezoelectrice

Rezonatoarele piezoelectrice sunt dispozitive la care impedanţa electrică de intrare este puternic dependentă de frecvenţă, motiv pentru care sunt utilizate ca circuite rezonante cu factori de calitate mari şi foarte mari.

Funcţionarea rezonatoarelor piezoelectrice se bazează pe efectul piezoelectric şi fenomenul de rezonanţă elastică, caracteristic materialelor cu structură cristalină. Materialele cu structură cristalină sunt materiale solide, anizotrope, monocristaline (cuarţul, sarea Seignette) sau materiale ceramice policristaline (titanatul de bariu, titanatul de plumb) şi care sunt denumite materiale piezoelectrice.

Oscilaţiile (vibraţiile) mecanice care apar în materialele piezoelectrice se manifestă în interiorul cristalului sub forma undelor elastice (mecanice) de volum sau la suprafaţa cristalului sub forma undelor elastice de suprafaţă.

În schemele electrice rezonatorul piezoelectric este reprezentat prin simbolul:

Acesta este prezent în aproape toate componentele structurale ale sistemelor de calcul, sistemelor de radiorecepţie şi a aparaturii de măsură, control şi urmărire automată.

Fig 16. Filtru tip scară cu rezonatoare ceramice

17

Page 18: Efecte Transfer Energie

Fig 17. Oscilatoare cu cuarţ pe frecvenţa de rezonanţă în paralel

a) Oscilator Pierce b) Oscilator Miller

Fig 18. Rezonatoare ceramice pentru sisteme de telecomandă TV

2. Boxe piezo pentru generatoare cu ultrasunete

Boxa se poate lega direct la un amplificator sau la un filtru pentru frecvenţe. Difuzorul are o calotă de aluminiu boltită, dar nu şi membrane conice (obişnuite la difuzoarele cu horn). Datorită calotei de aluminiu presiunea acustică nu este atât de mare ca şi la alte difuzoare de înalte. În schimb, difuzorul are un unghi de emisie extrem de larg şi sunete foarte frumoase.

Datorita razei de inerţie a calotei de aluminiu în relaţie cu masa sa puţin mobilă, sunetele redate se pastrează foarte curate până la circa 45000 Hz. Din acest motiv boxele piezoelctrice sunt potrivite şi in rolul de difuzoare de ultrasunete pentru combaterea dăunatorilor (rozătoare insecte, etc).

Fig 19. Boxă piezoelectrică

18

Page 19: Efecte Transfer Energie

3. Convertorul analog – digital

Un convertor analog – digital (ADC) este un circuit electronic care converteşte o tensiune analogică de la intrare intr-o valoare digitala. Aceasta poate fi reprezentata in mai multe feluri in functie de codificarea datelor : binar, cod Gray sau cod complement al lui doi.

O caracteristică importantă a unui convertor analog-digital o constituie rata de eşantionare. Aceasta depinde de timpul dintre două conversii succesive şi afecteaza modul în care forma de undî originală va fi redată dupa procesarea digitală.

Fig 20. Schemă convertor ADC Atmega 16

În funcţie de modul in care se execută conversia, convertoarele analog-digitale pot fi de mai multe tipuri :

- ADC paralel (Flash)

- ADC cu aproximare succesiva

- ADC cu integrare (single-slope, dual-slope);

- ADC Sigma-delta (delta-sigma, 1-bit ADC sau ADC cu oversampling)

19

Page 20: Efecte Transfer Energie

4. Panourile fotovoltaice

Un panou solar fotovoltaic, spre deosebire de un panou solar termic, transformă energia

luminoasă din razele solare direct în energie electrică. Componentele principale ale panoului solar reprezintă celulele solare.

Fig 21. Celulă solară multicristalină

Panourile solare se utilizează separat sau legate în baterii pentru alimentarea

consumatorilor independenţi sau pentru generarea de curent electric ce se livrează în reţeaua

publică.

Un panou solar este caracterizat prin parametrii săi electrici, cum ar fi tensiunea de mers în gol

sau curentul de scurtcircuit.

Pentru a îndeplini condiţiile impuse de producerea de energie electrică, celulele solare se vor

asambla în panouri solare utilizând diverse materiale, ceea ce va asigura:

protecţie transparentă împotriva radiaţiilor şi intemperiilor

legături electrice robuste

protecţia celulelor solare rigide de acţiuni mecanice

protecţia celulelor solare şi a legăturilor electrice de umiditate

asigurare unei răciri corespunzătoare a celulelor solare

20

Page 21: Efecte Transfer Energie

proteţia împotriva atingerii a elementelor componente conducătoare de electricitate

posibilitatea manipulării şi montării uşoare

5. Generatorul Van de Graff

Generatorul Van de Graaff este un generator electrostatic care se bazează pe încărcarea unei sfere metalice, goale în interior, cu ajutorul unei benzi izolate electrizate, prin contact pe suprafaţa interioară a sferei. Potenţialul electric al acesteia este astfel ridicat până la limita maximă admisă de mediul în care se află sfera.

Acest tip de generator poate fi utilizat ca accelerator de particule. Acceleratorul Van de Graaff este alcătuit din două sfere conductoare S1 şi S2, două benzi transportoare B1 şi B2 şi o sursă de tensiune continuă V.

Pentru a mări tensiunea electrică între cele două sfere (limitată de tensiunea de străpungere a mediului) şi deci energia particulelor accelerate, acestea sunt aşezate într-un mediu de gaz comprimat (până la 10 - 15 atmosfere), cu mare rigiditate dielectrică (de

exemplu: hexaflorură de sulf, SF6).

Fig 22. Stand cu generator Van de Graff Fig 23. Schema de funcţionare

21

Page 22: Efecte Transfer Energie

O variantă îmbunătăţită o constituie acceleratorul tandem sau în două trepte. Accelerarea în cel de-al doilea tub de accelerare este realizată , în acest caz, după ce ionii negativi proveniţi din prima accelerare sunt trecuţi printr-un dispozitiv de schimbare a sarcinii, devenind ioni pozitivi. În acelaşi fel funcţionează acceleratoarele cu trei sau patru trepte.

Bibliografie

1. Quan Zou “Introducere în sisteme micro” – Efectele de transformare a energiei2. Quan Zou “Introducere în sisteme micro” – Ajutor curs3. Corporaţia Tokin „Actuatorul Piezoelectric Multistrat” – Manual de utilizare4. Halsey, T.C & Martin J.E. “Fluide Electroreologice”5. Gardner, J.W. „Microsenzori: Principii şi Applicaţii” 6. Stöckel, D. „Starea şi utilizările tehnologiei de memorie a formei”7. http://ro.wikipedia.org/wiki/Generator_Van_de_Graaff 8. http://ro.wikipedia.org/wiki/Panou_solar 9. http://andrei.clubcisco.ro/cursuri/3pm/lab4.pdf 10. http://vega.unitbv.ro/~nicolaeg/Radio-TV_TSTC+EA_%202014-2015/

Componente-speciale%20RTV/Rezonatoare%20piezoelectrice.pdf

22