Ученые: Электрические сигналы включают в себя фантомную энергию

Прочитано: 84 раз(а)


Возможно, вы не слышали о пьезоэлектрических материалах, но есть вероятность, что вы извлекли из них выгоду.

Пьезоэлектрические материалы представляют собой твердые материалы , такие как кристаллы, кости или белки, которые производят электрический ток, когда подвергаются механическому воздействию.

Материалы, которые собирают энергию из своего окружения (посредством света, тепла и движения), находят применение в солнечных элементах, носимой и имплантируемой электронике и даже в космических кораблях. Они позволяют нам держать устройства заряженными дольше, может быть, даже навсегда, без необходимости подключать их к источнику питания.

Но чтобы эти сборщики энергии работали эффективно, мы должны точно знать, сколько энергии они могут производить.

Теперь, впервые используя простой метод обработки сигналов, наша команда показала, что электрические сигналы , используемые для эталонного тестирования пьезоэлектрических материалов, включают в себя электростатическую (или фантомную) энергию.

Наше исследование, опубликованное в журнале Nano Energy , показало, что электроэнергии производится больше, чем мы ожидали, особенно когда мы извлекаем энергию из движения.

Эту дополнительную или «фантомную» энергию необходимо учитывать при разработке передовой электроники следующего поколения, и до недавнего времени не было способа определить, сколько фантомной энергии (если она вообще есть) присутствует в сборщиках энергии на основе движения. .

Наша исследовательская группа нашла простой способ определить, присутствует ли эта фантомная энергия, — просто взглянув на электрический сигнал, создаваемый материалом, находящимся в движении.

Измерение фантомной энергии

Пьезоэлектрические материалы использовались для сбора и измерения энергии в течение нескольких десятилетий.

Их применение варьируется от очень простых контактных сборщиков энергии до сложных сетей промышленных датчиков вибрации, кардиостимуляторов, устройств мониторинга состояния конструкции и микродвигателей в космических спутниках.

Обычные сборщики энергии на основе движения используют один или несколько принципов преобразования энергии, таких как электромагнитная индукция (например, ветряные турбины), электростатическая индукция (например, генераторы Ван дер Граафа) и пьезоэлектричество.

Последние достижения в области материаловедения ускорили проектирование и разработку функциональных материалов, основанных на явлении пьезоэлектричества.

Пьезоэлектричество преобразует механическую энергию посредством деформации в электрическую энергию (напряжение). Например, достаточно гибкие полимеры могут подвергаться временным физическим изменениям, таким как изгиб или скручивание, прежде чем вернуться к своей прежней форме.

Это, в свою очередь, вызывает движение внутренних полимерных цепей, что в некоторых полимерах приводит к выработке электричества.

Способность этих материалов непрерывно производить электрическую мощность с минимальными усилиями заинтересовала исследователей и производителей из многих областей.

В наши дни пьезоэлектрические материалы (особенно полимеры) широко используются в качестве носимых устройств (таких как умная обувь, часы или перчатки) для преобразования движения в электрическую энергию, которую можно хранить и использовать.

Однако трение, заставляющее пьезоэлектрический материал производить электрический выход, может привести к накоплению электростатических зарядов на поверхности материала.

Статическое электричество — это то, с чем сталкивались многие из нас — удары током после ходьбы в носках по ковру или наблюдения за разрядами молнии во время грозы.

Это называется «трибоэлектрическим» эффектом, который может возникнуть, когда любые два материала соприкасаются друг с другом. В практических приложениях, таких как сбор энергии от движения, понимание этих дополнительных эффектов, вызванных трением, важно, чтобы не подвергать сложные электронные устройства неожиданному увеличению выхода энергии.

К сожалению, чрезвычайно сложно отличить собственные пьезоэлектрические сигналы от сигналов, сдерживаемых трибоэлектричеством. В первую очередь это связано со сходством между пьезоэлектричеством и загадочными трибоэлектрическими сигналами.

Итак, мы экранировали сборщики энергии, обернув оборудование проводящим клеем, например, углеродной лентой, чтобы определить, были ли точны измерения пьезоэлектрических материалов .

Мы обнаружили, что сигналы от экранированных сборщиков энергии (без трибоэлектрических помех) имеют уникальную частотную характеристику по сравнению с сигналами от неэкранированных сборщиков энергии.

Обнаружение фантомной энергии

Мы обнаружили, что, просто беря электрический выходной сигнал от сборщика энергии и преобразовывая его в частотную область, используя распространенный метод обработки сигналов, называемый быстрым преобразованием Фурье, сразу становится очевидным, что в измерениях присутствует фантомная энергия.

Этот метод может использоваться очень простым математическим программным обеспечением, таким как MATLAB.

Быстрое преобразование Фурье берет аналоговый сигнал, например, изменение напряжения во времени, и преобразует его в частотную область, чтобы увидеть, сколько и как часто повторяется один и тот же сигнал.

Сбор энергии на основе движения — относительно простой процесс, поэтому вы ожидаете увидеть простой частотный спектр. Думайте об этом спектре как об одном небоскребе. Однако, когда исследовательская группа намеренно добавила фантомную энергию, этот частотный спектр теперь выглядел как линия горизонта всего города.

Эти так называемые гармонические искажения можно выделить как помехи фантомной энергии, которые в большинстве случаев усиливают исходный сигнал.

Зная, как искать фантомную энергию, инженеры могут быть уверены, что любые материалы для сбора энергии, возможно, находящиеся в открытом космосе или имплантированные в тело, будут производить ровно столько энергии, сколько им нужно — ни больше, ни меньше.

Удаление фантомной энергии

Метод преобразования Фурье регулярно используется при анализе данных для поиска тенденций и аномалий в сигналах, и мы можем использовать этот инструмент для выявления помех в наших пьезоэлектрических измерениях.

На устройствах для сбора энергии есть много небольших мест, где во время испытаний возникает трение, и эти небольшие места могут иметь огромное значение для выходных данных.

Например, они могут получить ожидаемое выходное напряжение от 1 вольта (В) до 10 В или даже 50 В во время эталонного тестирования.

Хотя это может показаться хорошей вещью, вся эта дополнительная энергия не будет собрана. Неожиданный всплеск мощности подобен перегоранию предохранителя во время удара молнии, и устройство не справится с дополнительной энергией.

Не то, что вы хотите в открытом космосе или внутри вашего тела.

Мы протестировали пьезоэлектрические образцы различными способами и показали, используя нашу простую технику быстрого преобразования Фурье, как можно определить фантомную энергию во время сравнительного анализа.

Выявление и измерение фантомной энергии означает, что исследователи могут использовать простые фильтры сигналов для изоляции и устранения любых помех.

Производители пьезоэлектрических сборщиков энергии могут применять его во время строительства — уверенно создавая устройства для бионики, космических кораблей или любых других точных приложений — и производить точное количество энергии, необходимое им для увеличения срока службы устройства. Может быть, навсегда пьезо-жизни.

Ученые: Электрические сигналы включают в себя фантомную энергию



Новости партнеров