اقرأ في هذا المقال
- الكهرباء الانضغاطية في حياتنا
- ما هي الكهرباء الانضغاطية؟
- ما الذي يسبب الكهرباء الانضغاطية؟
- ما هي استخدامات الكهرباء الانضغاطية؟
- حصاد الطاقة بالكهرباء الانضغاطية
- من اكتشف الكهرباء الانضغاطية؟
الكهرباء الانضغاطية في حياتنا:
ربما تكون قد استخدمت الكهرباء الانضغاطية عدة مرات اليوم. إذا كان لديك ساعة كوارتز، فإنّ الكهرباء الانضغاطية هي التي تساعدها في الحفاظ على الوقت المعتاد. إذا كنت تكتب رسالة أو مقالاً على جهاز الكمبيوتر الخاص بك بمساعدة برنامج التعرف على الصوت، فمن المحتمل أن يكون الميكروفون الذي تحدثت فيه قد استخدم الكهرباء الانضغاطية لتحويل الطاقة الصوتية في صوتك إلى إشارات كهربائية يمكن لجهاز الكمبيوتر الخاص بك تفسيرها.
ما هي الكهرباء الانضغاطية؟
اضغط على بلورات معينة (مثل الكوارتز) ويمكنك جعل الكهرباء تتدفق من خلالها. والعكس صحيح أيضاً: إذا مررت الكهرباء عبر نفس البلورات، فإنّها “تضغط على نفسها” بالاهتزاز ذهاباً وإياباً. إنّها كهروضغطية إلى حد كبير باختصار، ولكن من أجل العلم، دعونا نحدد تعريفاً رسمياً:
الكهرباء الانضغاطية (تسمى أيضًا التأثير إلكهروإجهادي) هي: “ظهور جهد كهربائي “فولتية” عبر جوانب البلورة عندما تتعرض لضغط ميكانيكي (عن طريق الضغط عليها)”.
عملياً، تصبح البلورة نوعاً من البطاريات الصغيرة بشحنة موجبة على وجه واحد وشحنة سالبة على الوجه المقابل، يتدفق التيار إذا وصلنا الوجهين معاً لعمل دائرة. في التأثير إلكهروإجهادي العكسي (reverse piezoelectric effect)، تصبح البلورة مضغوطة ميكانيكياً (مشوهة في الشكل) عندما يتم تطبيق جهد عبر أوجهها المعاكسة.
ما الذي يسبب الكهرباء الانضغاطية؟
فكر في بلورة وربما تتخيل كرات (ذرات) مثبتة على روابط “الروابط التي تجمعها معًا”. الآن، بالبلورات، لا يعني العلماء بالضرورة قطعًا مثيرة للاهتمام من الصخور التي تجدها في متاجر الهدايا: البلور هو الاسم العلمي لأيّ مادة صلبة يتم ترتيب ذراتها أو جزيئاتها بطريقة منظمة للغاية بناءً على التكرار اللانهائي لنفس المادة الذرية الأساسية. لبنة (تسمى خلية الوحدة). لذا فإنّ قطعة الحديد هي قدر بلورة مثلها مثل قطعة كوارتز.
في معظم البلورات “مثل المعادن”، تكون الخلية الواحدة متناظرة. في البلورات الكهرضغطية، فهي ليست كذلك. عادةً ما تكون البلورات الكهرضغطية متعادلة كهربائياً: قد لا تكون الذرات الموجودة بداخلها مرتبة بشكل متماثل، ولكن شحناتها الكهربائية متوازنة تماماً: الشحنة الموجبة في مكان ما تلغي الشحنة السالبة القريبة.
ومع ذلك، إذا ضغطت أو مدت بلورة كهرضغطية، فإنّك تشوه الهيكل، وتدفع بعض الذرات إلى بعضها أو تباعد بعضها عن بعض، مما يخل بالتوازن الموجب والسالب، ويتسبب في ظهور شحنات كهربائية صافية. ينتقل هذا التأثير عبر الهيكل بأكمله، لذا تظهر الشحنات الموجبة والسالبة الصافية على الوجوه الخارجية المتقابلة من البلورة.
متى يحدث التأثير الكهروضغطي العكسي؟
يحدث التأثير الكهروضغطي العكسي في الاتجاه المعاكس. ضع جهداً عبر بلورة كهرضغطية وستتعرض الذرات الموجودة بداخلها لـ “ضغط كهربائي”. يجب عليهم التحرك لإعادة التوازن إلى أنفسهم، وهذا ما يتسبب في تشوه البلورات الكهروإجهادية “تغيير طفيف في الشكل” عندما تضع جهداً عبرها.
كيفية حدوث الكهرباء الانضغاطية؟
- عادةً، تكون الشحنات في بلورة كهرضغطية متوازنة تماماً، حتى لو لم تكن مرتبة بشكل متماثل.
- تلغي تأثيرات الشحنات تماماً، ولا تترك أي شحنة صافية على الوجوه الكريستالية. وبشكل أكثر تحديداً، فإنّ لحظات ثنائي القطب الكهربائي، تكون خطوط متجهة تفصل الشحنات المعاكسة تلغي بعضها البعض تماماً.
- إذا ضغطت على البلورة، فإنّك تجبر الشحنات على عدم التوازن.
- الآن لم تعد تأثيرات الشحنات “لحظات ثنائية القطب” تلغي بعضها البعض وتظهر الشحنات الموجبة والسالبة الصافية على الوجوه البلورية المعاكسة. عن طريق الضغط على البلورة، تكون قد أنتجت جهداً عبر الوجوه المقابلة، وهذا هو التأثير الكهرضغطي.
ما هي استخدامات الكهرباء الانضغاطية؟
هناك الكثير من المواقف التي نحتاج فيها إلى تحويل الطاقة الميكانيكية “الضغط أو الحركة من نوع ما” إلى إشارات كهربائية أو العكس. في كثير من الأحيان يمكننا القيام بذلك باستخدام محول طاقة كهرضغطية. محول الطاقة هو ببساطة جهاز يحول كميات صغيرة من الطاقة من نوع إلى آخر، على سبيل المثال، تحويل الضوء أو الصوت أو الضغط الميكانيكي إلى إشارات كهربائية.
تطبيقات الكهرباء الانضغاطية في حياتنا اليومية:
في معدات الموجات فوق الصوتية، يحول محول الطاقة الكهرضغطية الطاقة الكهربائية إلى اهتزازات ميكانيكية سريعة للغاية، وهي سريعة جداً، في الواقع، تُصدر أصواتاً، لكنّها ذات نغمات عالية جداً بحيث لا يمكن أن تسمعها آذاننا. يمكن استخدام اهتزازات الموجات فوق الصوتية هذه للمسح والتنظيف وجميع أنواع الأشياء الأخرى.
في الميكروفون، نحتاج إلى تحويل الطاقة الصوتية “موجات الضغط التي تنتقل عبر الهواء” إلى طاقة كهربائية، وهذا شيء يمكن أن تساعدنا البلورات الكهرضغطية فيه. ما عليك سوى لصق الجزء المهتز من الميكروفون على بلورة، وعندما تصل موجات الضغط من صوتك، فإنّها ستجعل البلورة تتحرك ذهاباً وإياباً، وتولد إشارات كهربائية مقابلة.
تعمل “الإبرة” في الجراموفون تسمى أحياناً “مشغل الأسطوانات” في الاتجاه المعاكس. نظراً لأنّ الإبرة ذات الرؤوس الماسية تسير على طول الأخدود اللولبي في (LP) الخاص بك، فإنّها تتصاعد لأعلى ولأسفل. تدفع هذه الاهتزازات وتسحب بلورة كهرضغطية خفيفة الوزن، وتنتج إشارات كهربائية يحولها جهاز الاستيريو الخاص بك إلى أصوات مسموعة.
في ساعة الكوارتز، يتم استخدام التأثير الكهروضغطي العكسي للحفاظ على الوقت بدقة شديدة. يتم تغذية الطاقة الكهربائية من البطارية في بلورة لجعلها تتأرجح آلاف المرات في الثانية. تستخدم الساعة بعد ذلك دائرة إلكترونية لتحويل ذلك إلى نبضات أبطأ بمعدل مرة واحدة في الثانية يستخدمها محرك صغير وبعض التروس الدقيقة لتشغيل عقارب الثانية والدقائق والساعة حول وجه الساعة.
كما تُستخدم الكهرباء الانضغاطية، في ولاعات الإشعال لمواقد الغاز وحفلات الشواء. اضغط على مفتاح ولاعة وستسمع صوت طقطقة وترى شرارات تظهر. ما تفعله، عندما تضغط على المفتاح، هو الضغط على بلورة كهرضغطية، وتوليد جهد، وتطير شرارة عبر فجوة صغيرة.
إذا كان لديك طابعة نافثة للحبر، فإنّها تستخدم “محاقن” دقيقة لبث قطرات الحبر على الورق. تقوم بعض نفث الحبر بضخ محاقنها باستخدام بلورات كهرضغطية يتم التحكم فيها إلكترونياً، والتي تضغط على “الغطاسات” للداخل والخارج، تطلق (Canon Bubble Jets) الحبر عن طريق تسخينه بدلاً من ذلك.
حصاد الطاقة بالكهرباء الانضغاطية:
إذا كان بإمكانك إنتاج قدر ضئيل من الكهرباء عن طريق الضغط على بلورة كهرضغطية مرة واحدة، فهل يمكنك إنتاج كمية كبيرة بالضغط على العديد من البلورات مراراً وتكراراً؟ ماذا لو قمنا بدفن البلورات تحت شوارع المدينة وأرصفتها للحصول على الطاقة مع مرور السيارات والأشخاص؟ هذه الفكرة، التي تُعرف باسم “حصاد الطاقة”.
هل حصاد الطاقة فكرة جيدة؟
للوهلة الأولى، أي شيء يقلل من الطاقة المهدرة ويحسن الكفاءة يبدو معقولاً حقاً. إذا كان بإمكانك استخدام أرضية محل بقالة للحصول على الطاقة من أقدام المتسوقين المتسرعين الذين يدفعون عرباتهم الثقيلة، واستخدام ذلك لتشغيل أضواء المتجر أو خزانات التبريد، فمن المؤكد أنّ ذلك سيكون شيئاً جيداً؟ في بعض الأحيان، يمكن أن يوفر حصاد الطاقة بالفعل قدراً لائقاً، وإن كان قليلاً إلى حد ما، من الطاقة.
من اكتشف الكهرباء الانضغاطية؟
تم اكتشاف التأثير الكهروضغطي في عام (1880م) من قبل اثنين من الفيزيائيين الفرنسيين، الأخوان “بيير وبول جاك كوري”، في بلورات الكوارتز والتورمالين وملح روشيل “طرطرات صوديوم البوتاسيوم”. لقد أخذوا الاسم من كلمة (piezein) اليونانية، والتي تعني “الضغط”. لخص “جاك” هذه الملاحظة في ورقة بحثية صدرت عام (1889م) في (Annales de Chimie et de Physique):
“إذا سحب المرء أو ضغطه على طول المحور الرئيسي “لكتلة كوارتز”، تظهر في نهايات هذا المحور كميات متساوية من الكهرباء لعلامات معاكسة، متناسبة مع القوة المؤثرة ومستقلة عن أبعاد الكوارتز.”
