ما هي البيزوكهرباء، ومن مكتشفها

2 إجابتان

تنشأ كلمة كهروضغطية من الكلمة اليونانية “Piezein” ، والتي تعني الضغط, فالكهرباء الضغطية هي عملية استخدام البلورات لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية، أو العكس, وهي قدرة مواد معينة على توليد جهد تيار متردد (تيار متناوب) عند تعرضه لضغط ميكانيكي أو اهتزاز، أو توليد اهتزاز عند تعرضه لجهد تيار متردد. توجد الكهرباء الضغطية في الكثير من الأجهزة الإلكترونية التي نستخدمها في حياتنا اليومية, من ساعات الكوارتز إلى السماعات والميكروفونات.

اكتشف جاك و بيير كوري التأثير الكهروضغطي عام 1880. حيث وجدوا أن الضغط المطبق على بلورة الكوارتز يولد شحنة كهربائية في البلورة، وهي الخاصية المباشرة لهذا التأثير, في وقت لاحق، تحققوا أيضًا من أن المجال الكهربائي المطبق على البلورة يؤدي إلى تشوه المادة وبذلك اكتشفوا الخاصية العكسية لهذا التاثير.

يحول التأثير البيزوكهربائي (الكهربائي الانضغاطي) الطاقة الحركية الاهتزازية إلى طاقة كهربائية أي هي قدرة مواد معينة على توليد شحنة كهربائية استجابة للضغط الميكانيكي المطبق, حيث توفر المولدات البيزوكهربائية (حصادات الطاقة) حل قوي وموثوق من خلال تحويل طاقة الاهتزاز المهدرة في البيئة إلى طاقة كهربائية قابلة للاستخدام, بالتالي هي مثالية في التطبيقات التي تحتاج إلى شحن بطارية أو مكثف فائق أو أنظمة استشعار عن بعد تعمل بالطاقة مباشرة, هذا التأثير البيزوكهربائي له خاصيتان, الأولى هي التأثير المباشر أي أن المادة لديها القدرة على تحويل الإجهاد الميكانيكي إلى شحنة كهربائية, أما الثانية هي التأثير العكسي، حيث يتم تحويل الإمكانات الكهربائية المطبقة إلى طاقة إجهاد ميكانيكية.

هناك مجموعة متنوعة من المواد الكهربائية الانضغاطية التي يمكنها توصيل التيار الكهربائي، منها الطبيعية ومنها الصنعية. أول مادة كهروضغطية تستخدم في الأجهزة الإلكترونية و المادة الأكثر استخداما هي بلورة الكوارتز. تشمل المواد الكهرضغطية الأخرى الطبيعية سكر القصب وملح روشيل والتوباز والتورمالين وحتى العظام.

إذا قمت بالضغط الميكانيكي على البلورة الكهربائية الانضغاطية، فإن الهيكل يتشوه، ويتم دفع الذرات حولها، وفجأة نحصل على بلورة يمكنها توصيل التيار الكهربائي. إذا أخذت نفس البلورة الكهرابئية الانضغاطية وقمت بتطبيق تيار كهربائي عليها، فسوف تتوسع البلورة وتتقلص، وتحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية عندئذ.

السمة الأكثر تميزا لهذا التأثير هو أنه يعمل بطريقتين, حيث يمكنك تطبيق الطاقة الميكانيكية أو الطاقة الكهربائية على نفس المواد الكهروضغطية والحصول على نتيجة عكسية.

يسمى تطبيق الطاقة الميكانيكية على البلورة بتأثير كهروضغطي مباشر ويعمل على النحو التالي:

يتم وضع الكريستال الكهروضغطي بين لوحين معدنيين, و عند هذه النقطة تكون المادة في حالة توازن مثالي والتيار الكهربائي ساكن يكون, عند تطبيق الضغط الميكانيكي على المواد عن طريق الصفائح المعدنية، تندفع الشحنات الكهربائية داخل البلورة إلى حالة عدم التوازن حيث تظهر الشحنات السلبية والإيجابية الزائدة على جانبي الوجه البلوري.

تجمع الصفائح المعدنية هذه الشحنات، والتي يمكن استخدامها لإنتاج جهد وإرسال تيار كهربائي من خلال دائرة تأثير كهرضغطية.

للكهرباء الانضغاطية أفق واسع مستقبلا, يؤكد المخترعون أن الهدف الأساسي لتجاربهم هو توظيف استخدام الكهرباء الانضغطية لحصاد الطاقة, مستقبلا قد نجد أجهزة كهروضغطية في الهاتف الذكي يمكن تنشيطها من الحركة البسيطة لجسمك لإبقائها مشحونة.

وعند التفكير بشكل موسع أكثر ، قد يتم تضمين نظام كهروضغطي تحت رصيف الطريق السريع الذي يمكن تنشيطه بواسطة عجلات السيارات المتنقلة، يمكن عندئذ استخدام هذه الطاقة في أعمدة الإضاءة أو غيرها من الأجهزة القريبة.

أكمل القراءة

عندما تبحث في خصائص المواد ستجد أنّ كلًا من الخشب والعظام والكوارتز هي مواد بيزوكهربائية أو مواد كهرضغطية، ولكن ماذا يعني ذلك؟ وبماذا تفيد هذه الخاصية أو كيف تعمل؟

الكهرباء الانضغاطية هي ظاهرة تربط بين الحالة الميكانيكية للمادة والحالة الكهربائية، بكلماتٍ أخرى عندما نشوه مادة كهرضغطية ميكانيكيًا كأن نعرضها للظغط مثلًا سيبدأ تيار كهربائي بالتدفق ويشحن وجوه المادة وبالعكس تتشوه المادة ميكانيكيًا عند تعريضها لتيار كهربائي. ووقد اكتشف هذه الظاهرة في عام 1880 كلٌ من بول جاك كوري وشقيقه الأصغر بيير كوري (زوج ماري كوري).

بالإضافة للمواد السابق ذكرها يوجد العديد من المواد التي تمتلك الخاصية البيزوكهربائية مثل السكروز والحرير وملح روشيل وثنائي فلوريد متعدد الفينيليدين (PVDF)، والسبب الذي يجعل بعض المواد تمتلك هذه الخاصية دون غيرها هو أنّها تحتاج لأن تكون المادة متبلورة دون أن تمتلك مركزًا للتناظر.

نشأة تأثير البيزوكهرباء

إنّ نشأة التيار المتحرض عن التشوه الميكانيكي ينجم عن إعادة ترتيب الشحنات داخل المادة، في حالة التوازن وعندما تكون المادة غير مشحونة يكون ترتيب الشحنات في المادة شبكيًا كما هو موجود في الشكل المجاور (A)، ولكن عندما تتعرض المادة لتشوه ميكانيكي سيحدث إعادة توزيع للشحنات ضمن الخلايا، هذا التوزيع الجديد سوف يؤدي لتشكل شحنات سالبة أو موجبة وينتج عنها عزم ثنائي القطب.

يوضح الرسم A في الشكل 1 المادة في حالة التوازن وعند الضغط يظهر العزم ثنائي القطب في الاتجاه العمودي، أما عند الشد فإنّ العزم ثنائي القطب يظهر في الاتجاه الأفقي. وسيؤدي مجموع التغيرات لكل واحدة من الخلايا إلى تغيير استقطاب المادة ككل وهو ما يُشترط عدم وجود مركز تناظر من أجل تحققه.البيزوكهرباء

في الشكل 2 نُلاحظ كيفية تأثير التشوه الميكانيكي على المواد ذات البنية البلورية ذات مركز التناظر ونلاحظ أنّ إعادة ترتيب الشحنة هنا لا يؤدي إلى نشأة عزم ثنائي القطب.

البيزوكهرباء

 استخدامات البيزوكهرباء

تُستخدم الخاصية البيزوكهربائية اليوم على نطاق واسع كما يوجد العديد من التطبيقات الجديدة التي توشك على الظهور، فمنذ اكتشافها منذ أكثر من قرن بدأت استخداماتها تظهر في مجالات مختلفة مثل التحكم في الترددات والساعات ومضخمات الصوت والموازين الدقيقة (التي تُستخدم لوزن الأشياء شديدة الصغر بأوزان قريبة من جزء من مليون من الغرام) والتي يمكن أن تكون مفيدة في مراقبة التغيرات في الكتلة.

ولكن الأمر لا يتوقف هنا فالبيزوكهربائية هي من التقنيات المرشحة لتأمين الطاقة الكهربائية المستدامة لتُضاف إلى القائمة التي تتضمن توليد الكهرباء بالاهتزازات. وقد تكون إحدى الطرق المحتملة لاستخدام التأثير البيزوكهربائي لتوليد الطاقة الكهربائية هي حصاد الطاقة الحركية للبشر عبر بلاط الشوارع أو الأرصفة بحيث تحول طاقة الخطوات إلى تيار كهربائي يمكن استخدامه في تشغيل أضوية الشوارع وغيرها من المعدات التي لا تتطلب جهدًا عاليًا.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما هي البيزوكهرباء، ومن مكتشفها"؟