ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2012 года по МПК H01G7/06 H01L31/00 

Уровень техники

Эта заявка относится к способам, устройству и химическим составам для генерации электричества. В частности, она относится к способу, устройству и химическим составам, в которых используются механизмы генерации на основе магнитного момента ядра (NMSG, Nuclear Magnetic Spin Generation) и/или генерации на основе остаточной поляризации (RPEG, Remnant Polarization Electric Generation).

Почти во всех аспектах современной жизни необходимы легко доступные и портативные источники электрической энергии. Электрическая энергия приводит в действие широкий круг устройств, которые стали ключевым условием осуществления какой-либо деятельности в современном обществе. Диапазон этих устройств охватывает от электрического осветительного оборудования в доме и бытовых приборов до сложных технических устройств, применяемых в таких областях, как медицина, производство, вооруженные силы и научные исследования.

Во многих областях применения необходимо иметь портативные источники электрической энергии. Эти потребности обычно удовлетворяются за счет использования аккумуляторных батарей различных типов. Аккумуляторные батареи, разумеется, используются для запуска автомобилей и грузовиков, а также применяются для питания электрических устройств, которые необходимо перемещать. Диапазон этих устройств охватывает от карманных электрических фонарей до сотовых телефонов и переносных компьютеров.

Электрическая энергия имеет как крупномасштабные области применения, так и очень небольшого масштаба. В крупном масштабе электричество генерируют при помощи больших электрических генераторов и передают по распределительным линиям конечным пользователям. В малом масштабе электрические заряды небольшой величины используют для обеспечения функционирования электронных схем и запоминающих устройств, которые в современной жизни распространены повсеместно. Каждому из этих устройств и каждой из этих систем требуется надежный и управляемый источник электрической энергии.

Одной из главных технических проблем, связанных с портативными электронными устройствами, является обеспечение надежных и совместимых портативных источников энергии. Как упомянуто выше, это в основном реализуется за счет использования аккумуляторных батарей. Однако аккумуляторные батареи создают множество проблем. Батарейное питание всегда было главным вопросом при использовании таких устройств, как переносные компьютеры. Предметом беспокойства является срок службы батарей, а также надежность батарейного питания.

Следующей проблемой, с которой сталкиваются в случае батарейного питания, является обеспечение поставки достаточного количества аккумуляторных батарей в удаленные места. Это можно рассмотреть на примере военных действий. В ходе военных действий требуется колоссальное множество электронных устройств. Диапазон этих устройств охватывает от переносных компьютеров и связанных с ними устройств до сотовых телефонов и других систем связи. Разумеется, они также включают военное оборудование и вооружение, в которых используются электронные компоненты. Деятельность такого рода сильно зависит от подобных портативных электронных устройств. Чтобы снабжать энергией такие устройства, должны обеспечиваться постоянные поступление и замена аккумуляторных батарей, чтобы гарантировать постоянное функционирование всего оборудования. Очевидно, что главной проблемой логистики будет просто обеспечение адекватным батарейным питанием основной военной операции. Необходимо постоянно получать из источников снабжения и доставлять на поле боя большие количества аккумуляторных батарей.

То же справедливо и для других типов деятельности в области бизнеса, медицины и исследований. Как упомянуто выше, все эти области сильно зависят от портативных электронных устройств. Всем этим устройствам требуется портативный источник электрической энергии. Обеспечение этой энергией является главной задачей.

Таким образом, настоящее изобретение относится к новым способам, устройству и химическим составам для генерации электрической энергии и, если требуется, обеспечения этой энергией при помощи портативного источника. Это выполняется посредством использования генерации на основе магнитного момента ядра (NMSG) и генерации на основе остаточной поляризации (RPEG), которые кратко будут рассмотрены ниже.

Известно, что любое ядро с ненулевым спиновым квантовым числом, помещенное в магнитное поле, может поглощать и испускать энергию в виде электромагнитного излучения. Это излучение может быть обнаружено с использованием принципов ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Применение этого принципа для ядра водорода или протона представляет собой самый ранний и наиболее распространенный способ ЯМР, который, главным образом, используется для исследования органических соединений. Ядро водорода со спином I=½ вращается вокруг своей оси и создает магнитное поле. Когда его помещают во внешнее магнитное поле, ядро водорода стремится сориентироваться в направлении внешнего магнитного поля. Ориентирование в направлении внешнего поля может быть параллельным или антипараллельным, так как вращение можно представить как вращение верхушки волчка, которая вращается с небольшим отклонением от оси, и это вращение известно как "прецессия". Частоту прецессии называют ларморовой частотой (ω). Ларморова частота зависит от напряженности внешнего магнитного поля и магнитных свойств материала. В данном случае ядро водорода имеет ларморову частоту, составляющую 42,6 МГц при напряженности внешнего магнитного поля, равной 1 Тл. Высокая частота, подобранная под напряженность магнитного поля, может вызвать "перескок" ядра из антипараллельного состояния в параллельное состояние, в результате чего высвобождается небольшое количество энергии, которое может быть обнаружено. Высокая частота меняется в зависимости от среды, окружающей ядро водорода, что предоставляет информацию о химических "окрестностях" ядра водорода.

Как описано выше, ядро водорода имеет спин I=½. Другие элементы имеют спины, превышающие ½. Кроме того, ядра атомов, как известно, обладают положительным зарядом Ze, где Z - атомное число, которое отличает один химический элемент от другого, и где e - величина заряда электрона или протона. Химические элементы также имеют массу М, которая может меняться от одного изотопа к другому. Ядра могут также обладать спином, дипольным магнитным моментом μ, электрическим квадрупольным моментом и иногда моментами более высокого порядка. Присущие ядру моменты количества движения квантуются и могут быть выражены как Iħ, где I представляет собой целое или полуцелое число и называется спиновым квантовым числом. Например, говорится, что ядро, у которого I=3/2, имеет спин 3/2. I может отличаться для разных изотопов. Существует ограничение на спин, которым могут обладать ядра. Для ядер с четным массовым числом I должно быть целым или нулевым, в то время как для ядер с нечетным массовым числом I должно быть полуцелым числом. В приведенной ниже Таблице 1 показаны некоторые общие свойства ядер, включая спины для выбранных изотопов.

Таблица 1
Свойства спинов выбранных изотопов Ядро Спин I Магнитный момент,
ядерные магнетоны Резонансная частота,
кГц в поле 1 Э Квадрупольный момент Q, × 10^-24 см² H 1/2 2,79 4,26 - D 1 0,86 0,65 0,0028 ⁴He 0 - - - ¹²C 0 - - - ¹³C 1/2 0,70 1,07 - ¹⁴N 1 0,40 0,31 0,02 ¹⁶O 0 - - - ¹⁹F 1/2 2,63 4,01 - ²³Na 3/2 2,22 1,13 0,1 ³¹P 1/2 1,13 1,72 - ³²S 0 - - - ³⁵Cl 3/2 0,82 0,42 -0,08 ³⁷Cl 3/2 0,68 0,35 -0,06 ³⁹K 3/2 0,39 0,20 0,07 ⁷⁹Br 3/2 2,10 1,07 0,33 ⁸¹Br 3/2 2,26 1,15 0,28 ¹²⁷I 5/2 2,79 0,85 -0,75

Если ядро имеет нулевой спин, то все его моменты являются нулевыми, и не возникает явлений ориентирования ядра. Если спин составляет 1/2 или больше, то ядро обладает магнитным моментом μ. При наличии этого свойства ядро похоже на любой вращающийся заряд. Можно считать, что ядро имеет маленький магнит, направление которого зафиксировано параллельно оси спина. Отрицательный момент означает, что вектор магнитного момента противоположен вектору спина. Единицей измерения, служащей для выражения моментов ядра, является ядерный магнетон, который равен eħ/2πMc. В данном случае M - масса протона. Один ядерный магнетон = 5 × 10^-24 эрг/Гс. Ядро со спином, равным 1 или более, обладает электрическим квадрупольным моментом. Вектор момента количества движения ядра может иметь в пространстве 2I+1 направлений. Эти направления в пространстве, как правило, характеризуются составляющей момента количества движения в заданном направлении. Составляющая момента количества движения обозначается M _I и имеет значения I, I-1,I-2,…,-I+1,-I. Для общего случая I=1/2 M _I =+1/2 или -1/2, переходы допускаются, но разница в энергии настолько мала, что, по сути, не наблюдается. Но, в магнитном поле, существует дополнительная энергия, которую необходимо учитывать. Это аналогично энергии, требующейся для перемещения стрелки компаса на удаление от направления, которое она указывает. Энергия представляет собой -μH cos θ, где H - величина магнитного поля. Энергия магнитного поля устанавливает верхний предел электрической энергии, которая может быть получена от генератора, предлагаемого в этом описании.

Существует частота, связанная с переходом от M _I =-1/2 к +1/2. Эта частота определяется hν = -(μ/I)H(-1/2 -1/2). Эта частота связана с энергией, требующейся, чтобы "перебросить" спин из (+) в (-), или, выражаясь более корректно, потенциальная энергия ориентирования имеет знак (-), когда диполь параллелен полю, и знак (+), когда диполь антипараллелен полю. Энергия всегда в 2 раза больше спина диполя. Пример этого вычисления приведен ниже. Данное уравнение может быть записано при помощи гиромагнитного отношения γ, где γ = μ/Iħ или ω = 2πμ = γH рад/с. В Таблице 1 имеется столбец, демонстрирующий Резонансную частоту (ларморову частоту) для переходов в магнитном поле 1 Э.

Сегнетоэлектричество представляет собой электрическое явление, при котором некоторые материалы могут демонстрировать самопроизвольный дипольный момент, направление которого может переключаться между эквивалентными состояниями при наложении внешнего электрического поля. Внутренние электрические диполи сегнетоэлектрического материала физически привязаны к решетке материала, поэтому все, что изменяет физическую решетку, будет изменять напряженность поля диполей и вызывать поступление заряда в сегнетоэлектрический материал или выход заряда из этого материала (см. рассуждения, приведенные ниже) даже при отсутствии внешней разности потенциалов, приложенной к конденсатору. Двумя побудительными причинами, которые будут менять размеры решетки материала, являются сила и температура. Генерация заряда в ответ на приложение силы к сегнетоэлектрическому материалу называется пьезоэлектричеством. Генерация тока в ответ на изменение температуры называется пироэлектричеством.

Термин "сегнетоэлектричество" используется по аналогии с ферромагнетизмом, при котором материал демонстрирует постоянный магнитный момент. Когда было открыто сегнетоэлектричество, ферромагнетизм был уже известен. Поэтому префикс "ferro", означающий железо, был использован для описания данного свойства, несмотря на то, что большинство сегнетоэлектрических материалов не содержат железа в своей решетке. Для некоторых сегнетоэлектриков железо действует как вредная примесь, ограничивающая сегнетоэлектрические свойства.

Размещение сегнетоэлектрического материала между двумя проводящими пластинами создает сегнетоэлектрический конденсатор. Сегнетоэлектрические конденсаторы демонстрируют нелинейность свойств и обычно имеют очень высокие диэлектрические постоянные. Тот факт, что внутренние электрические диполи можно заставить изменить свое направление за счет приложения внешней разности потенциалов, приводит к возникновению гистерезиса в свойстве "поляризация как функция разности потенциалов" этого конденсатора. Обратитесь к Фиг.7, на которой приведен пример общей формы петли гистерезиса. В этом случае поляризация определяется как суммарный заряд, хранящийся на пластинах конденсатора, деленный на площадь пластин. Вне зависимости от кристаллической структуры, в сегнетоэлектриках также можно найти домены, аналогичные тем, которые можно найти у ферромагнетика. Внутри конкретного домена существует вектор, указывающий в направлении диполей. В объеме конкретного материала, содержащем множество отдельных кристаллических зерен, может существовать сегнетоэлектрический домен и стенка домена, отделяющая векторы ориентации друг от друга. В поляризованных сегнетоэлектриках большая часть доменных векторов выстраивается в направлении, заданном внешним электрическим полем.

Одной из областей применения этого гистерезиса и электрической емкости сегнетоэлектриков является компьютерная память. В других областях используют комбинацию свойств запоминания, пьезоэлектричества и пироэлектричества, чтобы получить некоторые из наиболее полезных технологичных устройств в современном обществе. Сегнетоэлектрические конденсаторы применяют в медицинских ультразвуковых установках (конденсаторы генерируют, а затем детектируют ультразвуковой импульсный сигнал, используемый для создания изображения внутренних органов тела), высококачественных инфракрасных камерах (инфракрасное изображение проецируется на двумерную матрицу сегнетоэлектрических конденсаторов, способных обнаруживать температурные различия, составляющие всего лишь миллионные части градуса Цельсия), пожарных извещателях, эхолотах, датчиках вибрации и даже топливных инжекторах в дизельных двигателях. Инженеры используют высокие диэлектрические постоянные сегнетоэлектрических материалов, чтобы сконцентрировать электрический заряд большой величины в небольших объемах, что приводит к получению очень небольших конденсаторов с поверхностным монтажом. Без экономии пространства, которая становится возможной при использовании конденсаторов с поверхностным монтажом, появление компактных переносных компьютеров и сотовых телефонов просто было бы невозможным. С использованием сегнетоэлектрических материалов создают электрооптические модуляторы, которые являются основой Интернета.

Очевидно, что в данной области техники существует потребность в производстве электричества более рациональным и эффективным образом. Существует конкретная потребность в производстве электричества таким образом, чтобы имелась возможность снабжать энергией портативные электрические устройства. Описанные ниже способы, устройство и химические составы обеспечивают производство электричества и, если требуется, производство такого электричества в условиях портативности.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к способам, устройству и химическим составам для генерации электричества, использующим такое явление, как магнитный момент ядра (генерация за счет магнитного момента ядра, NMSG) и остаточная поляризация (генерация электричества за счет остаточной поляризации, RPEG). Отметим, что генераторы такого рода делают возможным многократное и надежное создание заряда, а также соответствующее обстоятельствам снабжение электрической энергией. Такие генераторы могут использоваться в крупном масштабе для генерации больших количеств электрической энергии с целью распределения посредством электрической распределительной сети. Они также могут использоваться в устройствах очень небольшого масштаба, таких как источники питания для портативных электрических устройств, например переносных компьютеров и сотовых телефонов. Такие генераторы также могут применяться даже в еще более малом масштабе, чтобы снабжать энергией отдельные компоненты внутри электрической схемы. Таким образом, очевидно, что рассмотренные здесь генераторы могут быть приспособлены к масштабу требуемой области применения.

Очевидно, что движущийся электрон, помещенный в магнитное поле, является электрическим генератором. Это общепринятое определение электрического генератора. Настоящим изобретением предлагаются устройство, химические составы и способы для генерации электричества на основе двух альтернативных источников.

Как упомянуто выше, в качестве первого для генерации электричества используется магнитный момент ядра (NMSG), природное свойство многих элементов. Если магнитный момент ядра приводит к появлению большого момента количества движения, то это вынуждает электроны, находящиеся на внешних орбитах, совершать осциллирующее перемещение из-за положительных кулоновских сил, порождаемых ядром. Электрический генератор, не выходящий за пределы объема настоящего изобретения, самопроизвольно и постоянно создает электрический заряд за счет магнитного момента ядра химического элемента.

Второй механизм генерации электрической энергии довольно похож на первый способ, но в нем используются внешние электроны, связанные в сегнетоэлектрических кристаллах, например титанате свинца-циркония, применение которых для генерации электричества за счет пьезоэлектрического эффекта уже известно. В ситуации, которая описана ниже, этот материал самопроизвольно и постоянно создает разность потенциалов и небольшие величины тока.

Оба варианта реализации настоящего изобретения в принципе представляют собой устройства, работа которых обусловлена наличием границы раздела или поверхностной области. Это означает, что электричество более эффективным образом может быть получено в тонких слоях с большими площадями поверхности.

Первый способ, в котором используются рассмотренные выше свойства, связанные с магнитным моментом ядра, в течение многих десятилетий успешно применяется в области спектроскопии и визуализации. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) представляет собой технологию спектрального анализа, которая первоначально использовалась для определения структуры органических молекул с применением спина водородного ядра. Позже эта технология использовалась для определения структуры или специфической ориентации в неорганических материалах, таких как аморфные или кристаллические твердые вещества, с применением спина изотопов кислорода и кремния, O¹⁷, ¹⁹F, ²³N, ³¹P и Si²⁹. Позднее применение технологий спектроскопии на основе ЯМР было расширено на область визуализации, как в обычном на сегодняшний день магнитно-резонансном исследовании (ЯМР-томография).

В одном из вариантов реализации настоящего изобретения в электрическом генераторе на основе магнитного момента ядра используется комбинация из двух материалов, контактирующих друг с другом. При том, что первый материал потенциально мог бы состоять из широкого диапазона химических элементов, в общем случае желательно, чтобы этот материал обладал следующими свойствами: а) высоким магнитным моментом ядра или большим дипольным моментом; b) большим электрическим квадрупольным моментом, который означает наличие большого ядра несферической формы; с) большой распространенностью в природе; d) для применения в коммерческих целях изотоп не должен быть радиоактивным, но для космического или военного применения ограничения по радиоактивности могут быть ослаблены; е) естественной частотой или ларморовой частотой, описывающей скорость прецессии, соответствующей изотопу; f) комбинацией дипольного момента, квадрупольного момента и ларморовой частоты, которая вызывает кулоновское взаимодействие с внешними электронами изотопа. Перемещение этих внешних электронов будет реакцией на несферическую форму ядра. Чем больше перемещение этих внешних электронов, тем больше будет электрическое воздействие на второй материал, являющийся сегнетоэлектриком.

Второй материал будет реагировать на частоту движения материала, обладающего магнитными свойствами ядра, почти как пьезоэлектрический материал будет реагировать на механическое движение, создающее электрический заряд. В общем случае эти материалы будут обладать высокой диэлектрической постоянной, необходимой для хранения заряда. При выборе этого материала желательно наличие высоких значений пьезоэлектрических постоянных.

Чтобы материал, обладающий магнитными свойствами ядра, прецессировал с ларморовой частотой, необходимо наличие магнитного поля. Частота прецессии привязана к напряженности магнитного поля.

При объединении материала, обладающего магнитными свойствами ядра, и сегнетоэлектрика, одновременно находящихся в магнитном поле, требуется, чтобы данный тип устройства имел увеличенную площадь контакта этих двух материалов. Чем больше площадь контакта между двумя материалами, тем больше энергии можно получить на границе раздела в этом устройстве.

Можно также предложить устройство, которое, как предполагается, работает на основе принципов генерации за счет остаточной поляризации (RPEG). Сегнетоэлектрический генератор с остаточной поляризацией получают, в общих чертах, следующим образом. Поляризованный сегнетоэлектрический кристалл может быть получен с первоначальным нагревом материала выше T _c. Затем создают внешнее электрическое поле с достаточно большой напряженностью (выше, чем коэрцитивная сила) и охлаждают сегнетоэлектрический материал ниже T _c. Когда электрическое поле перестает действовать, и материал охлаждается до комнатной температуры, реализуется максимальная поляризация. С течением времени поляризация может ухудшиться, что зависит от стабильности материала. Эта полученная в результате поляризация называется "остаточной поляризацией". Обратитесь к Фиг.8, представляющей собой график остаточной поляризации.

В некоторых случаях остаточная поляризация может оставаться такой же, как и самопроизвольная поляризация. Для обеспечения максимальной производительности генератора на основе остаточной поляризации желательно использовать материал, который имеет высокую, стабильную, прогнозируемую остаточную поляризацию. Это осуществляется за счет сохранения стабильных сегнетоэлектрических доменов между электродами. В данном случае толщина каждого слоя может быть значимым параметром. Это связано с ориентированием векторов сегнетоэлектрических доменов, которые могут быть более эффективным образом распределены в трех измерениях вместо взаимодействий, которые возникают на границе раздела в генераторе на основе магнитного момента ядра.

Одним существенным различием между RPEG и сегнетоэлектрической памятью является необходимость переключения сегнетоэлектрических доменов. Большинство материалов, используемых в качестве памяти, оптимизированы с точки зрения быстрого переключения и стабильности работы в течение более чем 10⁶ циклов, а именно стабильности остаточной поляризации в условиях экстремальных возрастаний температуры, с которыми, по всей вероятности, сталкиваются электронные устройства. Другие значимые параметры включают направление роста сегнетоэлектрических кристаллов и то, является ли материал сегнетоэлектриком или антисегнетоэлектриком.

Антисегнетоэлектрическое состояние определяется как состояние, при котором линии из ионов в кристалле поляризуются самопроизвольно, но при этом соседние линии поляризуются в антипараллельных направлениях. В простых кубических решетках антисегнетоэлектрическое состояние, вероятно, является более стабильным по сравнению с сегнетоэлектрическим состоянием. Диэлектрическая постоянная для температур выше и ниже точки Кюри у антисегнетоэлектриков определена для переходов как первого, так и второго порядка. В любом случае диэлектрическая постоянная не обязательно должна быть высокой; но если переход - второго порядка, то ε проходит через точку Кюри, не прерываясь. Антисегнетоэлектрическое состояние не будет пьезоэлектрическим. Тепловая аномалия поблизости от точки Кюри будет той же природы и величины, что и у сегнетоэлектриков. Варьирование восприимчивости вида С/(Т + θ), которое обнаружено у титаната стронция, не является признаком антисегнетоэлектрика, в отличие от соответствующей ситуации в случае антиферромагнетизма.

Сегнетоэлектрик можно выбирать в двух категориях материалов, прототипом одной из которых, а именно более распространенного типа со смещением, является BaTiO₃. Величина перемещения ионов при смещении описана в других документах. И вторым типом является "порядок-беспорядок", когда полярные молекулы выстраиваются в линию, чтобы создать большой дипольный момент, например, такой полимер, как поливинилиденфторид.

В то время как между двумя типами генераторов существуют отличия, имеет место и сходство, которое могло бы улучшить эффективность обоих типов устройств. В цикле генерации электричества запас заряда мог бы быть увеличен за счет обеспечения непрерывного притока электронов. Как известно, источником электронов является грунтовое заземление. В обоих устройствах, кроме того, обязательно наличие электродов, которые обеспечивают протекание электрического тока. Иногда, как продемонстрировано в Примерах, электродом также может служить активный элемент. Использование электродов с большой площадью поверхности могло бы улучшить работу этих устройств. Ранее при изготовлении конденсаторов использовались углерод и оксид рутения, чтобы увеличить хранящийся заряд или уменьшить размеры устройств. Более эффективные электроды могут быть выбраны из числа тех, которые в зависимости от полярности начинают вести себя как электроды n-типа или электроды p-типа.

Электрические генераторы, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения, можно изготавливать, используя ряд известных технологий. Они могут включать три отдельных группы, а именно способы создания тонких пленок, способы создания толстых пленок и обработка в массе. Способы создания тонких пленок могут включать, не ограничиваясь перечисленным, химическое осаждение из паровой фазы (CVD, Chemical Vapor Deposition), химическое осаждение из паров металлоорганических соединений (MOCVD, Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), металлизацию распылением с использованием ионного потока, лазерную абляцию, эпитаксию молекулярным пучком (MBE, Molecular Beam Epitaxy) и "загонку" примеси с использованием жидких источников. Способы создания толстых пленок могут включать, не ограничиваясь перечисленным, трафаретную печать, пленочное литье, получение покрытий путем полимеризации, обработку в массе, прессование и горячее прессование.

Очевидно, что электрические генераторы, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения, могут использоваться для обеспечения электрического тока постоянной величины, достаточного для непрерывной подзарядки аккумуляторных батарей и конденсаторов, которые снабжают энергией широкий диапазон электронных устройств, таких как сотовые телефоны, КПК (PDA, Personal Digital Assistant), ноутбуки, GPS-устройства (Global Positioning System - система глобального позиционирования), портативные музыкальные плееры, электрические карманные фонари, устройства дистанционного управления, радиоприемники и устройства связи и так далее. Другие электрические генераторы могут обеспечивать питание для микросхем на платах схем с дискретными компонентами и медицинского применения, например медицинских имплантатов для кардиостимуляторов и электрической стимуляции при лечении болевого синдрома.

Электрические генераторы, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения, могут производиться в достаточном масштабе, чтобы обеспечить автономную генерацию электрической энергии для удаленных мест, жилищ, предприятий, автомобилей, лодок и так далее. Военное применение может включать электрические генераторы для спутников, космических зондов и использования в полевых условиях.

Эти и другие отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения могут быть использованы в устройствах, способах и химических составах для генерации электрической энергии и станут более очевидными из приведенного ниже описания и пунктов приложенной Формулы изобретения либо могут быть поняты при применении на практике или внедрении настоящего изобретения. Как описано выше, настоящее изобретение не требует того, чтобы все описанные здесь отличительные особенности были включены в каждый вариант его реализации, как и того, чтобы определенные отличительные особенности использовались с исключением других его особенностей. Устройства, химические составы и способы для генерации электрической энергии, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения, могут включать одну или более комбинаций из описанных здесь отличительных особенностей.

Краткое описание чертежей

Чтобы указанные выше и другие отличительные особенности и преимущества этого изобретения могли быть легче поняты, ниже приведено более конкретное его описание со ссылкой на приложенные чертежи. На этих чертежах изображены только примерные варианты устройств для сосудистого доступа, соответствующих настоящему изобретению, и, таким образом, их нельзя расценивать как ограничивающие объем этого изобретения.

Фиг.1 - график измеренных магнитных дипольных моментов для ядер с четным N и нечетным Z, а также ядер с нечетным N и четным Z.

Фиг.2 - схематичное изображение ядра с четным N и нечетным Z, которое показано с левой стороны, и ядра с нечетным N и четным Z, которое показано с правой стороны.

Фиг.3 - схематичное изображение геометрических характеристик осциллирующего ядра.

Фиг.4 - схематичное изображение сегнетоэлектрического материала, имеющего ориентированные диполи.

Фиг.5 - схематичное изображение электрического генератора, не выходящего за пределы объема настоящего изобретения.

Фиг.6 - схематичное изображение электрического генератора, не выходящего за пределы объема настоящего изобретения, в котором используется множество слоев материалов.

Фиг.7 - график, иллюстрирующий общую форму петли гистерезиса.

Фиг.8 - график, иллюстрирующий остаточную поляризацию.

Фиг.9а и Фиг.9b - схематичные изображения электрических генераторов, не выходящих за пределы объема настоящего изобретения.

Фиг.10 - схематичное изображение электрического генератора с большой площадью поверхности/множеством комплектов, не выходящего за пределы объема настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Без труда станет понятно, что составляющие настоящего изобретения, которые здесь описаны в общем виде и изображены на чертежах, могли бы быть организованы и скомпонованы в широком диапазоне различных конфигураций. Таким образом, не предполагается, что приведенное далее более подробное описание, отраженное на чертежах, ограничивает объем этого изобретения, и просто представляет собой примерные комбинации упомянутых составляющих.

Как рассмотрено выше, одним из аспектов настоящего изобретения является производство устройства для генерации электрической энергии на основе магнитного момента ядра (NMS). Как показано на Фиг.1, спин ядра может быть определен четными и нечетными величинами. На верхнем графике на Фиг.1 приведены измеренные магнитные дипольные моменты для ядер с четным N и нечетным Z. Z - это атомное число, а N - это число нейтронов в атоме или изотопе. Верхняя линия Шмидта представляет собой расчетные значения в том случае, если спин и орбитальные моменты количества движения нечетного протона параллельны друг другу. Нижняя линия Шмидта представляет собой расчетные значения в том случае, если спин и орбитальные моменты количества движения нечетного протона антипараллельны друг другу. На нижнем графике приведены измеренные магнитные дипольные моменты для ядер с нечетным N и четным Z.

Ядра со спином >1 также обладают электрическими квадрупольными моментами, привязанными к оси спина, и при их нахождении в электрическом поле с некоторыми градиентами это приводит к появлению энергетических величин, особенно возникающих из-за наличия валентных электронов. Для ядер электрические дипольные моменты равны нулю и главной электрической величиной, не учитывая самого заряда, является электрический квадрупольный момент. Его можно считать характеристикой несферической формы ядра. Ось спина обязательно является осью цилиндрической симметрии, но ядро может быть вытянуто по оси, проходящей через полюса, в этом случае квадрупольный момент является положительным. В противоположность этому, некоторые ядра сплюснуты на полюсах при удлиненной оси, проходящей через экватор, когда момент является отрицательным. На Фиг.2 приведены обе эти геометрии. Уравнение Q = интеграл от ρr²(3cos²θ - 1)dτ является определением квадрупольного момента Q, где ρ - плотность заряда на единицу объема, r - расстояние в элементе объема, dτ - от начала координат и θ - угол между вектором радиуса и осью квантования спина. Q имеет размерность длины, возведенной в квадрат.

Квадрупольный момент ядра взаимодействует с градиентами электрического поля Е, в котором это ядро находится. Эти градиенты являются вторыми производными от электрического потенциала V. Эти количества обычно обозначаются как q с подходящими нижними индексами для указания направлений. Направление z принимается за направление, где градиент поля максимален. Именно с этим связано повышение эффективности генерации заряда.

Четные значения спина характеризуются более высокими величинами по сравнению с нечетными. Уравновешенные формы могут быть смоделированы, как это показано далее на Фиг.2. Ядро с четным N и нечетным Z показано на Фиг.2 слева, а ядро с нечетным N и четным Z показано на Фиг.2 справа.

Как можно увидеть из Фиг.2, магнитный момент ядра является мерой несферической геометрии ядра. Чем больше величины момента, тем более несферическим является ядро. Наибольший момент количества движения будет возникать у ядер, имеющих характеристики, показанные на схеме справа, ядро с нечетным N и четным Z.

Чтобы воспользоваться преимуществом наличия наибольшего момента количества движения и превратить это движение в осциллирование электрона, нужно учесть влияние, которое осциллирование ядра оказывает на электрон. На Фиг.3 показана геометрия осциллирующего ядра.

Для системы нет возможности рассеять потенциальную энергию ΔЕ ориентирования, в случае магнитного дипольного момента в магнитном поле. Это приводит к тому, что невозможно самостоятельное ориентирование магнитного дипольного момента в магнитном поле. Вместо этого магнитный дипольный момент будет прецессировать вокруг оси B поля. Прецессионное движение это следствие крутящего момента (Т), действующего на диполь. Приведенное ниже уравнение дает величину угловой частоты прецессии μ _ℓ вокруг B.

Уравнение 1

Это явление известно как прецессия Лармора, и ω - это ларморова частота.

Крутящий момент: Уравнение 2

Некоторые из нотаций изменены по сравнению с более ранней частью описания. Это обусловлено изображенным на чертежах и различием нотаций в ссылочной литературе. Но можно распознать, где нотации изменяются, а именно использованное ранее ℓ взято из источника 1 и эквивалентно μ _ℓ, использованному в источнике 2.

Магнетон Бора определяют из следующего уравнения.

Уравнение 3

Уравнение 4 дает среднюю силу, действующую на магнитный диполь.

Уравнение 4

Совокупным результатом этих уравнений является то, что при прецессионном движении ядра, имеющего несферическую форму, в частности имеющего удлиненный "экватор", существует отличающееся от сферического распределение положительного заряда внутри ядра. Это распределение положительного заряда обладает кулоновским воздействием на электроны, особенно валентные электроны, чье движение в магнитном поле будет создавать самопроизвольное постоянное возникновение заряда у сегнетоэлектрического или подобного конденсатору материала.

Величина энергии, которая может возникнуть, аппроксимируется как 2·μ _ℓ·В. Эта формула соответствует количеству энергии, требующейся для "переброса" магнитного диполя в магнитном поле из параллельной ориентации относительно поля В в антипараллельную ориентацию относительно поля В. Если мы предположим, что магнитное поле имеет величину 1 Тл, и мы используем один моль празеодима, магнитный спин которого составляет 5/2, то количество энергии, полученной в этом примере, составляет приблизительно 27,8 Дж. Приведенный ниже пример использования празеодима показывает, каким образом было получено это число.

Энергия, необходимая для ориентирования диполя, определяется уравнением ΔЕ = μ_ℓ·В, где μ_ℓ - магнитный момент ядра (5/2) для празеодима, а В - напряженность магнитного поля, которую мы предположим равной 1 Тл. Тогда μ_ℓ, умноженное на 2, дает полную энергию, требующуюся для ориентирования в направлении или против направления магнитного поля. Тогда для энергии имеем Е = 2(5/2)0,927 × 10^-23 А·м² × 1 Джоуль/А·м² или 4,635 × 10^-23 Джоулей/атом. Число 0,927 × 10^-23 А·м² является значением магнетона Бора. Теперь мы имеем энергию, высвобожденную при изменении ядром празеодима своего спина с ориентированного параллельно магнитному полю на ориентированный антипараллельно магнитному полю. Для 1 моля атомов высвобожденная энергия составляет Е = 4,635 × 10^-23 Джоулей/атом × 6,022 × 10²³ атомов/моль = 27,9 Джоуля/моль. Джоуль × секунда это ватт, поэтому количество энергии, которое мы могли бы потенциально высвободить из моля празеодима, составляет 27,9 ватта.

Существует несколько режимов вибрации внутри атомов и молекул. Режимы с наибольшей степенью вибрации расположены в микроволновом диапазоне и выше, например тепловые вибрации (≈ 10¹³ Гц при комнатной температуре), движение электронов и т.д. Некоторые вибрации находятся в мегагерцовом диапазоне и ниже. Эти вибрации могут оказаться выгодными для генерации электрической энергии. Примерами этих типов устройств являются те устройства, в основе которых лежат пьезоэлектрические свойства, такие как наблюдаемые в поджигающих электродах; а также пироэлектрические генераторы, в которых для создания заряда используется разница температур. Ларморова частота прецессии, которая описана выше, обычно находится в диапазоне от 0,1 до 20 МГц. Это та частота, которую можно использовать, так как она соответствует частотам электронных компонентов, генерирующих заряд, как и в случае других атомных вибраций. Преимуществом этого частотного диапазона является то, что он ранее не использовался. Кроме того, этот частотный диапазон находится внутри диапазона, где для оптимизации внутренних гармонических вибраций можно применять внешние электронные схемы. Применение внешних схем позволило бы получить переменные токи из постоянных токов, возникающих при реакции пьезоэлектрического кристалла. При разработке устройства на основе этого примера можно было бы изготовить устройства с большими площадями поверхностей, аналогичные по структуре конденсаторам, структура которых определяется приведенными ниже уравнениями и описанием. Уравнение электрической емкости выглядит следующим образом:

С = k ε₀ Площадь/толщина Уравнение 5

где С - электрическая емкость, ε₀ - проницаемость свободного пространства и k - диэлектрическая постоянная материала между электродами.

Кроме того:

С = q/V Уравнение 6

И, решая эти уравнения для электрического напряжения, мы получаем следующее уравнение:

V = (q × d)/k ε₀ Площадь Уравнение 7

и

E = ½ CV² Уравнение 8

Эти уравнения связаны с оптимизацией конструктивного исполнения устройства. Устройство должно иметь слои как можно меньшей толщины, а площадь поверхности должна быть большой. Альтернативное конструктивное исполнение может включать наличие атомов с высоким магнитным моментом ядра внутри сегнетоэлектрической основы. Достоинством данного исполнения является то, что имелся бы наиболее тесный контакт между материалом, обладающим спином, и сегнетоэлектрическим материалом.

Сегнетоэлектричество характеризуется наличием перманентного электрического дипольного момента в кристалле. В сегнетоэлектрическом материале диполи случайным образом разбросаны внутри твердой структуры. При поляризации имеет место ориентирование диполей. Поляризованные сегнетоэлектрические материалы являются предпочтительными. Это ориентирование диполей схематично показано на Фиг.4. В принципе электрический генератор, не выходящий за пределы объема настоящего изобретения, должен иметь большую площадь поверхности. Одним из путей получения большой площади поверхности является изготовление электрического генератора с множеством слоев, и эти слои должны быть как можно более тонкими. Многие предлагаемые на рынке сегнетоэлектрики имеют структуру перовскита.

Известно применение сегнетоэлектрических тонких пленок в энергонезависимых сегнетоэлектрических оперативных запоминающих устройствах (NV-FRAM). Известно множество технологий изготовления сегнетоэлектрических тонких пленок. Один из таких способов включает такие технологии нанесения тонких пленок, как напыление или химическое осаждение из паров металлоорганических соединений (MOCVD), при помощи которых получают аморфные пленки с последующим отжигом. В типичном случае кристаллизация развивается через образование промежуточных фаз. Например, при отжиге титаната свинца-циркония (PZT) сначала образуется пирохлорная фаза, за которой следует фаза перовскита.

В Таблице 2 приведены характеристики некоторых сегнетоэлектрических материалов. Величина P_S представляет собой меру плотности поверхностного заряда сегнетоэлектрического материала или его способность хранить заряд.

Таблица 2
Характеристики некоторых сегнетоэлектрических материалов Материал T _c, К P _s, (мкКл/см²)^а Дигидрофосфат аммония (ADP)
NH₄H₂PO₄ 148 0^b Фторид кобальта-бария
BaCoF₄ с   Титанат бария
BaTiO₃ (183)(278)(393) ≈20 Борацит
Mg₃B₇O₁₃Cl 538 0,05 Гексагидрат гуанидиния - сульфата алюминия (GASH)
C(NH₂)₃Al(SO₄)₂∙6H₂O d 3,5 Титанат свинца
PbTiO₃ 763 ≈75 Цирконат свинца
PbZrO₃ 503 0^b Ниобат лития
LiNbO₃ 1473 71 Танталит лития
LiTaO₃ 938 50 Первичный кислый фосфат калия (KDP)
KH₂PO₄ 123 5^e Сегнетова соль
NaKC₄H₄O₆∙4H₂O (255)(297) 0,25^f Ниобат натрия
NaNbO₃ (73)(627) 0^b Молибдат тербия (TMO)
Tb₂(MoO₄)₃ 436 0,2 Триглицинсульфат (TGS)
(NH₂CH₂COOH)₃∙H₂SO₄ 322 2,8 а (10^-2 кулон/м²) Значения Ps даны для отдельных кристаллов при комнатной температуре
b Антисегнетоэлектрик при комнатной температуре
c Плавится ниже T _c
d Разлагается при приблизительно 273 К
e При 100 К
f При 280 К

Конструкция электрического генератора

На Фиг.5 схематично показаны основные компоненты электрического генератора, не выходящего за пределы объема настоящего изобретения. Электрический генератор включает первый материал с высоким магнитным моментом ядра или высокой остаточной поляризацией и поляризованный сегнетоэлектрический материал, тесно связанный с первым материалом. В том виде как здесь принято, материал с высоким магнитным моментом ядра будет иметь спин ½ или более. Это означает, что ядро атома является сплюснутым или вытянутым. Материалы с более высокими значениями спина позволят генерировать энергию в большем количестве. Спин не должен быть настолько высоким, чтобы возникала радиоактивность, за исключением тех областей применения, которые находятся под строгим контролем. Примеры материалов с высоким магнитным моментом показаны на Фиг.1. Предпочтительными являются изотопы с большим спином, имеющие большую распространенность в природе, которые также имеют "нечетные" характеристики спина. В настоящее время предпочтительны химические элементы Pr, Mn и Mg. В том виде как он здесь используется, термин "тесно связанный" включает материалы, расположенные в виде смежных слоев, и материалы, перемешанные в смесь.

Материал с высоким магнитным моментом ядра и сегнетоэлектрический материал располагают между электрическими контактами. Электрические контакты могут представлять собой металлические материалы. В предпочтительном в настоящее время варианте реализации настоящего изобретения один электрический контакт является материалом-акцептором, таким как тантал, золото, платина или другие известные материалы-акцепторы. Другой электрический контакт является материалом-донором, таким как материал с высоким значением работы выхода. Примеры материалов с высоким значением работы выхода включают, не ограничиваясь перечисленным, серебро (4,64 эВ), Ni (5,22 эВ), алюминий (4,20 эВ) и тантал (4,15 эВ). Некоторые примеры металлов с низким значением работы выхода включают (но не ограничиваются ими) щелочные металлы, например натрий (2,36 эВ), или редкоземельные металлы, например европий (2,5 эВ).

Материал с высоким магнитным моментом ядра помещают в магнитное поле. Магнитное поле можно создать путем добавления внутрь общей композиции, из которой изготовлено устройство, магнитного материала либо может быть наложено внешнее магнитное поле. Напряженность магнитного поля может влиять на эффективность взаимных связей в устройстве. В предпочтительном случае магнитное поле может быть настроено на гармонический резонанс, чтобы оптимизировать эксплуатационные характеристики устройства. Типичная напряженность эффективного магнитного поля, которую можно использовать в данном изобретении, может находиться в диапазоне от 0,01 Тл до 10 Тл.

Для генератора, не выходящего за пределы объема настоящего изобретения, который должен использоваться непрерывно, для оптимальных эксплуатационных характеристик может потребоваться индуктор, который хранит заряд в течение короткого времени. Время хранения заряда определяется электрической емкостью и индуктивностью каждого элемента питания. Комбинация электрической емкости и индуктивности дает постоянную времени, типичную для LC-схем. Электрическая емкость и индуктивность будут меняться для каждого варианта применения. Для периодического использования потребность в индукторе менее важна. Для непрерывного использования в каждом элементе питания должен быть индуктор, который либо встроен в устройство, либо установлен как внешняя составная часть устройства.

Устройство, схематично показанное на Фиг.5, может быть реализовано с использованием процесса создания толстых пленок или процесса создания тонких пленок, либо их комбинации. Примеры процессов создания толстых пленок описаны в последующих разделах. Но могут быть применены и процессы создания тонких пленок, чтобы сделать оптимальными размеры и эксплуатационные характеристики устройства.

Фиг.6 - схематичное изображение устройства, содержащего множество слоев, которое не выходит за пределы объема настоящего изобретения. Несколько слоев материала уложены друг на друга. Как и в случае устройства, показанного на Фиг.5, это устройство включает слои из первого материала, обладающего либо высоким магнитным моментом ядра, либо остаточной поляризацией, который обозначен ссылочным номером 1, и поляризованного сегнетоэлектрического материала, который обозначен ссылочным номером 2 и тесно связан с первым материалом. Кроме того, на Фиг.6 изображен слой магнитного материала 3, расположенный рядом, по меньшей мере, с одним из слоев поляризованного сегнетоэлектрического материала или первого материала. Чтобы накапливать выходное напряжение многослойного устройства, предусмотрены электрические контакты. В дополнение к этому, как рассмотрено ранее, показан индуктор.

Фиг.9 и 10 представляют собой схематичные изображения "многокомплектных" устройств большего размера. Повторимся, что эти устройства состоят из множества слоев рассмотренных здесь материалов.

На Фиг.9а и Фиг.9b схематично изображен сегнетоэлектрический генератор, использующий электроды с большой площадью поверхности, например, из оксида рутения. В этом случае активное устройство выращивают на кремниевой подложке. На Фиг.10 показано устройство, созданное путем повторения комплектов, представляющих собой отдельный блок, показанный на Фиг.9. При использовании гибких электродов и тонких пленок эти комплекты можно прокатывать для более эффективной укладки или более эффективного использования пространства.

Далее в общих чертах описана возможная конструкция твердотельного электрического генератора, в котором используются сегнетоэлектрические материалы.

Титанат бария является типичным представителем сегнетоэлектриков, относящихся к типу со смещением. Поляризация вызывает небольшое смещение иона относительно его равновесного положения. Это приводит к асимметричному сдвигу в равновесном положении ионов и вызывает возникновение перманентного дипольного момента. В сегнетоэлектрике типа "порядок-беспорядок" дипольный момент существует в каждой элементарной ячейке. При высоких температурах векторы диполей указывают в случайных направлениях. Для каждого химического состава сегнетоэлектрического материала существует температура фазового превращения, называемая критической температурой и обозначаемая Tc. Если сегнетоэлектрический материал охлаждается от температуры, превышающей Tc, в приложенном извне электрическом поле, то диполи будут упорядочиваться, при этом большинство векторов диполей станет указывать в одном направлении.

Сегнетоэлектрические кристаллы часто имеют несколько температур фазового превращения и гистерезис доменной структуры, аналогично ферромагнитным кристаллам. Природа фазового превращения в некоторых сегнетоэлектрических кристаллах до сих пор еще не очень хорошо понятна.

В 1921 Дж. Валасек (J. Valasek) во время исследования аномальных диэлектрических свойств сегнетовой соли (NaKC₄H₄O₆∙4H₂O) показал, что этот материал проявляет сегнетоэлектрические свойства. Второй сегнетоэлектрический материал, KH₂PO₄, обнаружили только в 1935 году, и за ним последовали некоторые из его изоморфных соединений. О третьем сегнетоэлектрике, BaTiO₃, сообщил А. фон Хиппель (A. Von Hippel) в 1944. С тех пор было открыто приблизительно 250 однофазных материалов и намного больше смешанных кристаллических систем в виде смесей.

Кристалл является сегнетоэлектриком, если он содержит внутренние диполи, которые могут ориентироваться, если наложенное внешнее электрическое поле превышает коэрцитивные силы, фиксирующие векторы диполей в кристалле. P _s является поляризацией насыщения или наивысшей степенью ориентирования диполей. Смена направления диполей на обратное также известна как переключение. Результирующие состояния для каждой ориентации в нулевом внешнем электрическом поле эквивалентны с точки зрения энергии и симметрии. Кристаллические свойства, такие как распределение дефектов и проводимость, вместе с температурой, давлением и параметрами электродов, могут влиять на упомянутую смену направления у сегнетоэлектрика. Большинство сегнетоэлектриков обладает собственными значениями P _s и T _c. Смена направления на обратное или переориентация P _s всегда является результатом атомного смещения.

Самопроизвольная поляризация в большинстве сегнетоэлектрических кристаллов имеет наибольшее значение при температурах значительно ниже T _c и снижается до нуля при T _c. Если высокотемпературная фаза также демонстрирует полярные свойства, то P _s может просто проходить через минимум при T _c; похожим образом, если другая фаза образуется при более низких температурах, то P _s может увеличиваться, уменьшаться или становиться нулевой ниже этого превращения.

Наложение постоянного поля, большего по величине, чем коэрцитивное поле, в некотором направлении для многодоменного сегнетоэлектрического кристалла приводит к параллельному ориентированию всех векторов P _s. Мерой коэрцитивного поля является постоянное поле минимальной величины, требующееся для перемещения стенок доменов. Первоначальное значение P _s в многодоменном кристалле увеличивается с увеличением постоянного поля до максимума, который является характеристикой материала. Смена направления поля на обратное вновь влияет на стенки доменов, так как меняется на обратное направление P _s в разных зонах. Если наложенное извне поле отсутствует, кристалл будет обладать остаточной поляризацией, не превышающей самопроизвольную поляризацию, и обычно меньше P _s. При наличии поля с прямо противоположным направлением окончательная P _s будет иметь величину, равную первоначальной полной P _s, но с противоположным знаком. Наблюдаемый таким образом гистерезис является функцией работы, требующейся для смещения стенок домена, и тесно связан как с распределением дефектов в кристалле, так и с энергетическим барьером, разделяющим разные состояния ориентации.

Самопроизвольная поляризация однодоменных материалов обычно лежит в пределах диапазона 0,001-10 Кл/м². Численные значения традиционно задают в единицах × 10^-2 мкКл/см². Величина P _s в отдельном кристалле непосредственно связана с атомными смещениями, которые возникают при смене направления в сегнетоэлектрике на обратное, и может быть вычислена, исходя из положений атомов внутри элементарной ячейки, если они известны. Если D _i - компонент векторов атомного смещения, соответствующий положениям i-го атома при первоначальной и измененной на обратную ориентациях вдоль направления P _s, Z _i - эффективный заряд, и V - объем элементарной ячейки, то P _s = (½ V) S _i Z _i D _i. Самопроизвольная поляризация может быть экспериментально получена непосредственно из плотности заряда, которую можно определить при проведении тщательных исследований структуры рентгенодифракционным методом.

Размещение атомов в кристаллах сегнетоэлектриков, относящихся к типу со смещением, таково, что небольшие смещения, обычно менее 1 Å, приводят к стабильному состоянию, но с переориентированной P _s. Размещение в промежуточном положении соответствует структуре с более высокой степенью симметрии. Ориентация диполей не обязательно является случайной, так как диполи в этом состоянии либо все нулевые, либо полностью нейтрализованы. Простой пример - BaTiO₃, "прототипом" кристаллической структуры которого является кубическая решетка с атомами бария на углах, атомом титана в центре куба и атомами кислорода в центре граней элементарной кубической ячейки. Ниже температуры Кюри, составляющей 393 К, кристаллическая структура является тетрагональной, так как атом титана смещается приблизительно на 0,05 Å от своего положения в прототипе в с-направлении, а атомы кислорода смещаются с противоположным знаком приблизительно на 0,08 Å, если учитывать положения относительно атомов бария. Результирующие смещения приводят к появлению самопроизвольной поляризации. Электрическое поле, наложенное в направлении оси с, может сместить атом титана приблизительно на 0,1 Å и О - приблизительно на 0,16 Å, изменяет на обратное направление этой оси, а также направление P _s.

Относительное направление P _s в кристалле задается зарядом, появившимся на полярных гранях по мере того, как однодоменный кристалл охлаждается ниже T _c. Это направление может быть соотнесено с размещением атомов, если использовать аномальное рассеяние во время эксперимента по рентгеновской дифракции. Все известные экспериментальные определения абсолютного направления P _s согласуются с направлением, которое вычислено на основе распределения эффективного точечного заряда; поэтому, в тетрагональном BaTiO₃, абсолютное направление задается направлением от слоя кислорода к ближайшему иону Ti. Как только электрическое поле отключено, и отсутствует изменение доменов, P _s равняется остаточной поляризации.

Сегнетоэлектрические материалы могут быть разделены на три класса, исходя из природы векторов D _i смещения, которые создают смену направления P _s на обратное. Одномерный класс включает атомные смещения, все из которых параллельны оси с, как и в случае тетрагонального BaTiO₃. В этом классе P _s составляет приблизительно 0,25 Кл/м². Двумерный класс включает атомные смещения в плоскости, содержащей поляризованную ось. Далее в качестве иллюстрации приведен пример с использованием BaCoF₄.

Этот перовскит имеет диапазон значений P _s от 0,1 Кл/м² до 0,3 Кл/м². Трехмерный класс включает атомные смещения схожей величины во всех трех направлениях. Типичный пример - Tb₂(MoO₄)₃. В этом классе P _s составляет приблизительно 0,5 Кл/м².

Некоторые сегнетоэлектрические материалы приведены в Таблице 3. Первичный кислый фосфат калия (KDP) переходит из орторомбической сегнетоэлектрической фазы в неполярную, но пьезоэлектрическую тетрагональную фазу при 123 К. Сегнетова соль имеет две температуры Кюри, превращаясь из неполярной, но пьезоэлектрической орторомбической при 255 К в сегнетоэлектрическую моноклиническую и возвращаясь при 297 К в орторомбическую, но со слегка измененной структурой. Титанат бария имеет три сегнетоэлектрических фазы и три температуры Кюри: это ромбоэдрическая фаза ниже 183 К, следующая орторомбическая фаза между 183 и 278 К и тетрагональная фаза между 278 и 393 К; и фаза становится кубической выше 393 К. Ниобат натрия переходит из сегнетоэлектрической тригональной фазы в антисегнетоэлектрическую орторомбическую фазу при 73 К, в неполярную орторомбическую при 627 К и в четыре дополнительных неполярных фазы при более высоких температурах.

Таблица 3
Сегнетоэлектрические свойства выбранных материалов Формула T _c, К P _s, (Кл/м²)^а P _r, Кл/м² NH₄H₂PO₄ 148 0^b   BaCoF₄ с 0,8   BaTiO₃ 183, 278, 393 ≈0,2 0,15 Mg₃B₇O₁₃Cl 538 0,0005   BiFeO₃ ≈925 ≈1,5 0,90 PbTiO₃ 63 ≈0,75 0,30 PbZrO₃ 503 0^b ≈0,25 LiNbO₃ 1473 0,71 0,01 LiTaO₃ 938 0,5   KH₂PO₄ 123 0,05^e   SrBi₂Nb₂O₉     0,38-0,50 NaNbO₃ 73, 627 0^b   Tb₂(MoO₄)₃ 436 0,0002   (NH₂CH₂COOH)₃∙H₂SO₄ 322 0,028   а Значения P _s даны для отдельных кристаллов при температуре 25°С, если не указано иное
b Сегнетоэлектрик при комнатной температуре
c Плавится ниже T _c
d Разлагается при приблизительно 273 К
e Разлагается при 100 К

Поляризованный сегнетоэлектрический кристалл может быть получен с первоначальным нагревом материала выше T _c. Затем создают внешнее электрическое поле с достаточно большой напряженностью (выше, чем коэрцитивная сила) и охлаждают сегнетоэлектрический материал ниже T _c. Когда электрическое поле перестает действовать, и материал охлаждается до комнатной температуры, реализуется максимальная поляризация. С течением времени поляризация может ухудшиться, что зависит от стабильности материала. Эта полученная в результате поляризация называется "остаточной поляризацией". В некоторых случаях остаточная поляризация может оставаться такой же, как и самопроизвольная поляризация. Для обеспечения максимальной производительности генератора на основе остаточной поляризации желательно использовать материал, который имеет высокую, стабильную, прогнозируемую остаточную поляризацию. Это осуществляется за счет сохранения стабильных сегнетоэлектрических доменов.

Чтобы оценить, какое количество энергии может сгенерировать сегнетоэлектрическое устройство со структурой в виде слоев, мы будем использовать давно известные уравнения и величины из общих представлений о конденсаторах. В этом случае выберем один из материалов, обладающих наибольшей остаточной поляризацией.

Например, BiFeO₃, выращенный на ZnO, имеет P _r, составляющую приблизительно 0,90 Кл/м².

Определения:

1 Кл = кулон = 1 ампер × секунда

2 Кл = 1 фарада (Ф) × 1 вольт (В)

4 джоуль/секунда = ватт

5 джоуль = ½ (вольт)² × кулон

6 джоуль = (Кл × В)/2

На основе приведенного выше можно сказать, что BiFeO₃ имеет P _r, составляющую приблизительно 0,90 Кл/м².

Если мы предположим, что имеется потенциал 20 вольт на слой, то из Определения 2 получим, что на слой приходится 0,90 Кл/м²/20 вольт = 0,045 Ф.

Из Определения 6 можно получить, что сгенерированная энергия на слой будет: Энергия = [20 В × 0,045 Ф]/2=9,0 джоулей.

Если мы предположим, что время зарядки (t) для конденсатора эквивалентно времени зарядки генератора, тогда допускаем применение следующего уравнения:

t (секунды) = омы × электрическая емкость.

Теперь необходимо допустить наличие некоторых внутренних потерь, поэтому, если внутренне сопротивление составляет приблизительно 10 Ом/м², то: 10 ом × 0,045 фарад = 0,45 секунд. Тогда из Определения 4 находим, что энергия составляет приблизительно 9,0 джоулей/0,45 секунд = 20 ватт непрерывной мощности.

Затем для всего устройства с 1000 слоев при 20 ваттах на слой можно получить на выходе 20000 ватт. Таким образом, непрерывно работающий генератор электрической энергии может быть изготовлен с использованием механизма остаточной поляризации (RPEG).

В Таблице 4 приведена ссылочная информация для выбранных химических элементов, которые являются кандидатами для использования в настоящем изобретении.

Примеры

Приведенные ниже примеры даны, чтобы проиллюстрировать различные варианты реализации настоящего изобретения, не выходящие за пределы его объема. Они даны только в качестве примера, и необходимо понимать, что приведенные ниже примеры не являются всеобъемлющими или исчерпывающими из всего множества вариантов реализации настоящего изобретения, не выходящих за пределы его объема.

Пример 1 Добавление празеодима - Генерация на основе магнитного момента ядра (NMSG)

Лист тантала шириной приблизительно 1,5 дюйма, длиной приблизительно 8 футов и толщиной приблизительно 0,002 дюйма был уложен на стол вместе с похожим листом, изготовленным из алюминия, только алюминий имел толщину приблизительно 0,001 дюйма. Активная композиция из титаната бария и оксида празеодима была создана путем перемешивания их в молярных отношениях от 90:10 до 50:50 с шагом 5%. К этой композиции было примешано вяжущее вещество на основе слюды под названием Resbond 907, предлагаемое компанией Coltronics, Inc., штат Нью-Йорк. Отношение вяжущего вещества к активному порошку составляло 50:50 в весовых процентах. К некоторым смесям также добавлялся железный порошок в количестве до 0,2 молярных процентов за счет оксида празеодима. Дистиллированная вода была добавлена, чтобы получить густую пастообразную суспензию, которую впоследствии наносили кистью или щеткой на две металлических фольги. Эти две фольги затем были помещены друг на друга и прокатаны с использованием ½ -дюймовой раскатки. Алюминиевая фольга была подсоединена к отрицательному электроду, а танталовая фольга была подсоединена к положительному электроду. Полученная в результате объединения катушка была нагрета до 460°С в вакууме и поляризована с использованием напряжения 6000 вольт при небольшом токе, составлявшем приблизительно 1 миллиампер.

После того, как катушка была поляризована, собранный генератор обеспечил разность потенциалов 3,5 В. Чтобы проверить ток, между электродами был установлен светодиод (LED, Light Emitting Diode), который светился непрерывно. Светодиоду потребовалось напряжение включения приблизительно 2,2 вольта и приблизительно 10 миллиампер.

Пример 2 Добавление марганца - Генерация на основе магнитного момента ядра (NMSG)

Лист тантала шириной приблизительно 1,5 дюйма, длиной приблизительно 8 футов и толщиной приблизительно 0,002 дюйма был уложен на стол вместе с похожим листом, изготовленным из алюминия, только алюминий имел толщину приблизительно 0,001 дюйма. Активная композиция из титаната бария и оксида марганца была создана путем перемешивания их в молярных отношениях от 90:10. К этой композиции было примешано вяжущее вещество под названием Resbond 907, предлагаемое компанией Coltronics, Inc., штат Нью-Йорк. Отношение вяжущего вещества к активному порошку составляло 50:50 в весовых процентах. К некоторым смесям также добавлялся железный порошок в количестве 0,2 молярных процента за счет оксида празеодима. Дистиллированная вода была добавлена, чтобы получить густую пастообразную суспензию, которую впоследствии наносили кистью или щеткой на две металлических фольги. Эти две фольги затем были помещены друг на друга и прокатаны с использованием ½ -дюймовой раскатки. Алюминиевая фольга была подсоединена к отрицательному электроду, а танталовая фольга была подсоединена к положительному электроду. Полученная в результате объединения катушка была нагрета до 460°С в вакууме и поляризована с использованием напряжения 6000 вольт при небольшом токе, составлявшем приблизительно 1 миллиампер.

После того, как катушка была поляризована, собранный генератор обеспечил разность потенциалов приблизительно 5 вольт. Чтобы проверить ток, между электродами был установлен светодиод, который светился непрерывно. Светодиоду потребовалось напряжение включения приблизительно 2,2 вольта и приблизительно 10 миллиампер.

Пример 3 Титанат бария - Генерация на основе остаточной поляризации (RPEG)

Лист тантала шириной приблизительно 1,5 дюйма, длиной приблизительно 8 футов и толщиной приблизительно 0,002 дюйма был уложен на стол вместе с похожим листом, изготовленным из алюминия, только алюминий имел толщину приблизительно 0,001 дюйма. Активная композиция из титаната бария была создана путем перемешивания в молярном отношении 50:50. К этой композиции было примешано вяжущее вещество под названием Resbond 907, предлагаемое компанией Coltronics, Inc., штат Нью-Йорк. Отношение вяжущего вещества к активному порошку составляло 50:50 в весовых процентах. Дистиллированная вода была добавлена, чтобы получить густую пастообразную суспензию, которую впоследствии наносили кистью или щеткой на две металлических фольги. Эти две фольги затем были помещены друг на друга и прокатаны с использованием ½ -дюймовой раскатки. Алюминиевая фольга была подсоединена к отрицательному электроду, а танталовая фольга была подсоединена к положительному электроду. Полученная в результате объединения катушка была нагрета до 460°С в вакууме и поляризована с использованием напряжения 6000 вольт при небольшом токе, составлявшем приблизительно 1 миллиампер.

После того, как катушка была поляризована, собранный генератор обеспечил разность потенциалов приблизительно 3 вольта. Чтобы проверить ток, между электродами был установлен светодиод, который светился непрерывно. Светодиоду потребовалось напряжение включения приблизительно 2,2 вольта и приблизительно 10 миллиампер.

Пример 4 Добавление празеодима - Генерация на основе магнитного момента ядра (NMSG)

Лист тантала шириной приблизительно 1,5 дюйма, длиной приблизительно 8 футов и толщиной приблизительно 0,002 дюйма был уложен на стол вместе с похожим листом, изготовленным из алюминия, только алюминий имел толщину приблизительно 0,001 дюйма. Активная композиция из титаната бария и оксида празеодима была создана путем перемешивания их в молярном отношении 90:10. К этой композиции было примешано вяжущее вещество под названием Resbond 907, предлагаемое компанией Coltronics, Inc., штат Нью-Йорк. Отношение вяжущего вещества к активному порошку составляло 50:50 в весовых процентах. К некоторым смесям также добавлялся железный порошок в количестве 0,2 молярных процента за счет оксида празеодима. Дистиллированная вода была добавлена, чтобы получить густую пастообразную суспензию, которую впоследствии наносили кистью или щеткой на две металлических фольги. Эти две фольги затем были помещены друг на друга и прокатаны с использованием ½ -дюймовой раскатки. Алюминиевая фольга была подсоединена к отрицательному электроду, а танталовая фольга была подсоединена к положительному электроду. Полученная в результате объединения катушка была нагрета до 460°С в вакууме и поляризована с использованием напряжения 6000 вольт при небольшом токе, составлявшем приблизительно 1 миллиампер.

После того, как катушка была поляризована, собранный генератор обеспечил разность потенциалов приблизительно 100 вольт. Чтобы проверить ток, между электродами был установлен светодиод, который светился непрерывно. Светодиоду потребовалось напряжение включения приблизительно 2,2 вольта и приблизительно 10 миллиампер.

Пример 5 Титанат свинца-циркония плюс титанат бария - Генерация на основе остаточной поляризации (RPEG)

Лист тантала шириной приблизительно 1,5 дюйма, длиной приблизительно 8 футов и толщиной приблизительно 0,002 дюйма был уложен на стол вместе с похожим листом, изготовленным из алюминия, только алюминий имел толщину приблизительно 0,001 дюйма. Активная композиция из титаната бария и титаната свинца-циркония была создана путем перемешивания их в молярном отношении 50:50. К этой композиции было примешано вяжущее вещество под названием Resbond 907, предлагаемое компанией Coltronics, Inc., штат Нью-Йорк. Отношение вяжущего вещества к активному порошку составляло 50:50 в весовых процентах. Дистиллированная вода была добавлена, чтобы получить густую пастообразную суспензию, которую впоследствии наносили кистью или щеткой на две металлических фольги. Эти две фольги затем были помещены друг на друга и прокатаны с использованием ½ -дюймовой раскатки. Алюминиевая фольга была подсоединена к отрицательному электроду, а танталовая фольга была подсоединена к положительному электроду. Полученная в результате объединения катушка была нагрета до 460°С в вакууме и поляризована с использованием напряжения 6000 вольт при небольшом токе, составлявшем приблизительно 1 миллиампер.

Это устройство создавало разность потенциалов 50 вольт, которая медленно уменьшались до приблизительно 5 вольт в течение двухнедельного периода времени. Это уменьшение объяснялось поглощением воды, которое вызвало снижение внутреннего сопротивления.

Пример 6 Напыленный ванадий - Генерация на основе магнитного момента ядра (NMSG)

Металлический ванадий был напылен в вакуумной камере высокочастотного (RF) магнетрона на диск из титаната свинца-циркония (PZT), полученный от компании EDO Ceramics, Солт Лейк Сити, штат Юта. Диск имел толщину приблизительно 0,020 дюймов и диаметр приблизительно 1,5 дюйма. С одной стороны диск был покрыт серебром, а ванадий служил другим электродом. Диск был помещен внутрь внешнего магнита 0,5 тесла. Повторимся, что устройство со слоем ванадия не демонстрировало напряжения или тока, кроме ожидаемого емкостного эффекта.

После поляризации диска собранный генератор дал отрицательный результат, заключающийся в отсутствии генерации напряжения или тока. Это объясняется тем фактом, что ванадий, хотя и обладает большой распространенностью в природе в качестве материала с высоким магнитным моментом ядра, спин ядра имел "четную" конфигурацию. Поэтому был сделан вывод, что только ядра с "нечетным" спином обеспечивают достаточное кулоновское взаимодействие с внешними электронами, оказывающее большее влияние на сегнетоэлектрический материал.

Пример 7 Напыленный молибден - Генерация на основе магнитного момента ядра (NMSG)

Металлический молибден был напылен в вакуумной камере высокочастотного (RF) магнетрона на диск из титаната свинца-циркония (PZT), полученный от компании EDO Ceramics, Солт Лейк Сити, штат Юта. Диск имел толщину приблизительно 0,020 дюймов и диаметр приблизительно 1,5 дюйма. С одной стороны диск был покрыт серебром, а молибден служил другим электродом. Толщина напыленного серебра составляла приблизительно 200 нм, а толщина молибдена составляла приблизительно 800 нм. Диск был помещен внутрь внешнего магнита 0,5 тесла. Полученная для устройства со слоем молибдена разность потенциалов составляла приблизительно 0,5 вольта, а измеренный ток находился в диапазоне 3-6 микроампер. Ток и напряжение оставались постоянными в течение приблизительно 6 месяцев. Был сделан поперечный разрез этого устройства, чтобы проанализировать границу раздела "электрод - титанат свинца-циркония" на наличие выделившихся фаз или диффузии компонента. На границе раздела никаких аномалий обнаружено не было.

Пример 8 Марганец с добавлением дейтерия - Генерация на основе магнитного момента ядра (NMSG)

Слой из металлического марганца толщиной 800 нм был создан путем напыления в вакуумной камере высокочастотного (RF) магнетрона на диск из титаната свинца-циркония (PZT), полученный от компании EDO Ceramics, Солт Лейк Сити, штат Юта. Диск имел толщину приблизительно 0,020 дюймов и диаметр приблизительно 1,5 дюйма. С другой стороны диск был покрыт слоем серебра толщиной 200 нм. Серебро и марганец служили электродами. Диск с созданным покрытием был помещен в камеру установки для ионного распыления на основе высокочастотного (RF) магнетрона, где в слой марганца за счет химической реакции в ходе распыления был введен дейтерий. Приблизительно 7% марганца прореагировало с образованием соединения с дейтерием. Диск был помещен внутрь внешнего магнита 0,5 тесла. Полученная для марганца с добавлением дейтерия разность потенциалов составляла приблизительно 1 вольт, а измеренный ток составлял 6 микроампер.

Пример 9 - Генерация на основе остаточной поляризации (RPEG)

В этом случае был разобран ультраконденсатор, иногда называемый псевдоконденсатором, чтобы удалить составные части, которые должны использоваться при изготовлении электрического генератора на основе остаточной поляризации. Несколько из них были получены с использованием разобранных конденсаторов емкостью 20-50 фарад. Материал активного электролита был удален и заменен поливинилиденфторидом. Этот полимер был растворен в тетрагидрофуране в объемном отношении 20/80 соответственно. В раствор были погружены два электродных слоя, состоящие из оксида рутения. Раствор на этих двух электродных слоях был высушен воздухом при температуре 60°С. Из этих слоев, имеющих покрытие, путем прокатки и нагрева до 170°С с выдержкой в течение 2 часов, при котором поливинилиденфторид расплавился, было изготовлено устройство. При охлаждении два электродных слоя были электрически изолированы друг от друга за счет внутреннего сопротивления приблизительно 2 мегаома. В данном конкретном случае имел место процесс кристаллизации и самостоятельной поляризации, в ходе которого происходила организация заряженных функциональных групп в положительные и отрицательные области, почти так же, как это можно наблюдать при электрической поляризации сегнетоэлектрика. В устройстве самопроизвольно возникал заряд, при этом ток и напряжение можно было бы измерить путем создания соответствующих соединений с электродами. Измерение эксплуатационных характеристик устройства показало напряжение 0,354 вольт и создаваемый ток 2 миллиампера. Электроды этого устройства замыкались накоротко несколько раз и на долгий период времени, до 2 недель, и во всех случаях устройство самопроизвольно и непрерывно перезаряжалось до значений, указанных выше. Никогда не было отмечено ухудшения процесса дозарядки или моментов разрядки.

Исходя из результатов описанных выше экспериментов небольшого масштаба становится очевидным, что можно изготовить и другие устройства, в которых используются многослойные или полученные путем прокатки конструкции, которые создают по существу более высокие электрические токи и напряжения. Очевидно, что электрические генераторы, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения, могут быть использованы для обеспечения электрического тока постоянной величины, достаточного для непрерывной подзарядки аккумуляторных батарей и конденсаторов, которые снабжают энергией широкий диапазон электронных устройств, таких как сотовые телефоны, КПК, ноутбуки, GPS-устройства, портативные музыкальные плееры, электрические карманные фонари, устройства дистанционного управления, радиоприемники и устройства связи, и так далее. Другие электрические генераторы могут обеспечивать питание для микросхем на платах схем с дискретными компонентами и медицинского применения, например медицинских имплантатов для кардиостимуляторов и электрической стимуляции при лечении болевого синдрома.

Электрические генераторы, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения, могут производиться в достаточном масштабе, чтобы обеспечить автономную генерацию электрической энергии для удаленных мест, жилищ, предприятий, автомобилей, лодок и так далее. Военное применение может включать электрические генераторы для спутников, космических зондов и использования в полевых условиях.

Предполагается, что приведенное выше описание охватывает множество отдельных изобретений с независимой полезностью. В то время как каждое из этих изобретений описано в его предпочтительной форме, конкретные варианты его реализации, которые здесь описаны и проиллюстрированы, не должны восприниматься в ограничительном смысле, так как возможны многочисленные изменения. Предмет этих изобретений включает полностью новаторские и неочевидные комбинации и подкомбинации различных элементов, средств, функций и/или свойств, которые здесь описаны. Если в описании, в пунктах зарегистрированной в настоящее время Формулы изобретения или в пунктах впоследствии регистрируемой Формулы изобретения указан элемент в единственном числе или "первый" элемент, либо его эквивалент, очевидно, что за пределы объема представленных изобретений не должно выходить включение в подобное описание или пункты одного или более таких элементов, при этом наличие двух или более таких элементов не требуется, но и не исключается.

Заявители приложили Формулу изобретения и сохранили за собой право представлять на рассмотрение пункты этой Формулы изобретения, предлагающие определенные комбинации и подкомбинации, которые используются для одного из описанных изобретений и которые, как считают заявители, обладают новизной и неочевидностью. Путем внесения поправок в упомянутые пункты или предложения новых пунктов в этой или связанной заявке могут быть заявлены изобретения, воплощенные в других комбинациях или подкомбинациях средств, функций, элементов и/или свойств. Такие исправленные или новые пункты Формулы изобретения, предназначены ли они для отличающегося изобретения или того же изобретения, являются ли они отличающимися, более широкими, более узкими или равнозначными по объему защиты в сравнении с первоначальными пунктами, также считаются включенными в предмет изобретений, рассмотренных в настоящем описании.

Настоящее изобретение может быть воплощено в других конкретных формах, которые не будут выходить за пределы предлагаемых им конструкций и способов или других его существенных характеристик, которые пространно здесь описаны и указаны ниже в пунктах приложенной Формулы изобретения. Описанные варианты реализации настоящего изобретения должны восприниматься во всех отношениях только как иллюстративные и не накладывающие ограничений. Таким образом, объем настоящего изобретения определен пунктами приложенной Формулы изобретения, а не приведенным выше описанием. Все изменения, находящиеся в пределах смысла и диапазона эквивалентности пунктов приложенной Формулы изобретения, должны содержаться в пределах его объема.

Изобретение относится к способам, химическим составам и устройству для генерации электричества. Техническим результатом изобретения является создание надежного портативного источника электроэнергии. Согласно изобретению электричество генерируют посредством механизмов, основанных на магнитном моменте ядра и остаточной поляризации. Устройство может включать материал, обладающий высоким магнитным моментом ядра или высокой остаточной поляризацией, который соединен в пару с поляризованным сегнетоэлектрическим материалом. Устройство также может включать пару электрических контактов, расположенных с противоположных сторон от поляризованного сегнетоэлектрического материала и материала, обладающего высоким магнитным моментом ядра или высокой остаточной поляризацией. Кроме того, на материал, обладающий высоким магнитным моментом ядра, может быть наложено магнитное поле. 4 н. и 31 з.п. ф-лы, 4 табл., 11 ил., 9 пр.

1. Электрический генератор, содержащий:
- материал, обладающий высоким магнитным моментом ядра;
- поляризованный сегнетоэлектрический материал, тесно связанный с материалом, обладающим высоким магнитным моментом ядра;
- пару электрических контактов, расположенных на противоположных сторонах поляризованного сегнетоэлектрического материала и материала, обладающего высоким магнитным моментом ядра; и
- магнитное поле, наложенное на материал, обладающий высоким магнитным моментом ядра.

2. Электрический генератор по п.1, в котором поляризованный сегнетоэлектрический материал и материал, обладающий высоким магнитным моментом ядра, представляют собой смежные материалы в виде слоев.

3. Электрический генератор по п.1, в котором поляризованный сегнетоэлектрический материал и материал, обладающий высоким магнитным моментом ядра, представляют собой перемешанные материалы.

4. Электрический генератор по п.1, в котором электрические контакты представляют собой металлические материалы.

5. Электрический генератор по п.1, в котором один электрический контакт представляет собой материал-акцептор, а другой электрический контакт представляет собой материал-донор.

6. Электрический генератор по п.1, в котором магнитное поле находится в диапазоне от приблизительно 0,01 тесла до приблизительно 10 тесла.

7. Электрический генератор по п.6, в котором материал-акцептор выбирают из тантала, золота, платины и полупроводников р-типа.

8. Электрический генератор по п.6, в котором материал-донор выбирают из материалов с высоким значением работы выхода и полупроводников n-типа.

9. Электрический генератор по п.1, в котором магнитное поле создают путем смешивания магнитного материала с материалом, обладающим высоким магнитным моментом ядра.

10. Электрический генератор по п.1, в котором магнитное поле создают в качестве внешнего магнита.

11. Электрический генератор по п.2, в котором внешнее магнитное поле создают, размещая слой магнитного материала рядом, по меньшей мере, с одним из слоев поляризованного сегнетоэлектрического материала или материала, обладающего высоким магнитным моментом ядра.

12. Электрический генератор по п.1, в котором магнитное поле имеет напряженность, подобранную таким образом, чтобы оптимизировать генерацию электрической энергии.

13. Электрический генератор по п.1, обеспечивающий уровень электрической энергии, достаточный для непрерывной подзарядки электронного устройства.

14. Электрический генератор по п.1, дополнительно содержащий схему-индуктор, электрически соединенную с генератором.

15. Электрический генератор по п.1, дополнительно содержащий множество слоев из материала, обладающего высоким магнитным моментом ядра, причем каждый слой материала, обладающего высоким магнитным моментом ядра, расположен между парой слоев поляризованного сегнетоэлектрического материала.

16. Электрический генератор по п.1, в котором материал, обладающий высоким магнитным моментом ядра, имеет спин +1/2 или больше.

17. Электрический генератор по п.1, в котором материал, обладающий высоким магнитным моментом ядра, имеет спин -1/2 или меньше.

18. Электрический генератор по п.1, в котором материал, обладающий высоким магнитным моментом ядра, радиоактивен.

19. Электрический генератор, содержащий:
- материал, обладающий высокой остаточной поляризацией;
- поляризованный сегнетоэлектрический материал, тесно связанный с материалом, обладающим высокой остаточной поляризацией;
- пару электрических контактов, расположенных с противоположных сторон от поляризованного сегнетоэлектрического материала и материала, обладающего высокой остаточной поляризацией; и
- магнитное поле, наложенное на материал, обладающий высокой остаточной поляризацией.

20. Электрический генератор по п.19, в котором поляризованный сегнетоэлектрический материал и материал, обладающий высокой остаточной поляризацией, представляют собой смежные материалы в виде слоев.

21. Электрический генератор по п.19, в котором поляризованный сегнетоэлектрический материал и материал, обладающий высокой остаточной поляризацией, представляют собой перемешанные материалы.

22. Электрический генератор по п.19, в котором электрические контакты представляют собой металлические материалы.

23. Электрический генератор по п.19, в котором один электрический контакт представляет собой материал-акцептор, а другой электрический контакт представляет собой материал-донор.

24. Электрический генератор по п.23, в котором материал-акцептор выбирают из тантала, золота, платины и полупроводников р-типа.

25. Электрический генератор по п.23, в котором материал-донор выбирают из материалов с высоким значением работы выхода и полупроводников n-типа.

26. Электрический генератор по п.19, в котором магнитное поле создают путем смешивания магнитного материала с материалом, обладающим высоким магнитным моментом ядра.

27. Электрический генератор по п.19, в котором магнитное поле создают в качестве внешнего магнита.

28. Электрический генератор по п.19, в котором внешнее магнитное поле создают, размещая слой магнитного материала рядом, по меньшей мере, с одним из слоев поляризованного сегнетоэлектрического материала или материала, обладающего высоким магнитным моментом ядра.

29. Электрический генератор по п.19, в котором магнитное поле имеет напряженность, подобранную таким образом, чтобы оптимизировать генерацию электрической энергии.

30. Электрический генератор по п.19, обеспечивающий уровень электрической энергии, достаточный для непрерывной подзарядки электронного устройства.

31. Электрический генератор по п.19, дополнительно содержащий схему-индуктор, электрически соединенную с генератором.

32. Электрический генератор по п.19, дополнительно содержащий множество слоев из материала, обладающего высокой остаточной поляризацией, причем каждый слой материала, обладающего высокой остаточной поляризацией, расположен между парой слоев поляризованного сегнетоэлектрического материала.

33. Электрический генератор, содержащий:
- пару электрических контактов, находящихся в контакте с материалом, который независимым образом генерирует электричество посредством механизма, основанного на магнитном моменте ядра или остаточной поляризации.

34. Электрический генератор по п.33, в котором упомянутый материал выбирают из группы, состоящей из празеодима, марганца, титаната бария и титаната свинца-циркония.

35. Способ изготовления устройства для генерации электрической энергии, содержащий следующие этапы:
- получают первый материал, который представляет собой либо материал, обладающий высоким магнитным моментом ядра, либо материал, обладающий высокой остаточной поляризацией;
- получают поляризованный сегнетоэлектрический материал и размещают его в тесной связи с упомянутым первым материалом;
- устанавливают пару электрических контактов с противоположных сторон поляризованного сегнетоэлектрического материала и упомянутого первого материала; и
- прикладывают магнитное поле на упомянутый первый материал.