How to squeeze electricity out of crystals - Ashwini Bharathula

المترجم: Ahmed Mohd المدقّق: Hani Eldalees

This is a crystal of sugar.

هذه بلورة من السكر.

If you press on it, it will actually generate its own electricity.

إذا ضغطت عليها، ستولد الكهرباء الخاصة بها.

How can this simple crystal act like a tiny power source?

كيف بإمكان هذه البلورة البسيطة أن تكون مصدرًا للطاقة؟

Because sugar is piezoelectric.

لأن السكر كهروضغطي.

Piezoelectric materials turn mechanical stress,

الأدوات الكهروضغطية تتحول إلى جهد مكانيكي،

like pressure,

مثل الضغط،

sound waves,

والموجات،

and other vibrations

والاهتزازت الأخرى

into electricity and vice versa.

إلى كهرباء والعكس صحيح.

This odd phenomenon was first discovered

تم اكتشاف هذه الظاهرة الغريبة

by the physicist Pierre Curie and his brother Jacques in 1880.

بواسطة الفيزيائي بيير كوري وشقيقه جاك سنة 1880.

They discovered that if they compressed thin slices of certain crystals,

اكتشفوا أنهم إذا ضغطوا شرائح رقيقة من بلورات معينة،

positive and negative charges would appear on opposite faces.

ستظهر الشحنات الإيجابية والسلبية على الوجوه المقابلة.

This difference in charge, or voltage,

هذا الاختلاف في الشحنة أو الجهد،

meant that the compressed crystal could drive current through a circuit,

يعني أن البلورة المضغوطة يمكنها نقل التيار من خلال الدائرة الكهربائية

like a battery.

مثل البطارية.

And it worked the other way around, too.

كما أن العملية قابلة للعكس كذلك.

Running electricity through these crystals made them change shape.

تشغيل الكهرباء من خلال هذه البلورات جعلها تغير الشكل.

Both of these results,

جميع هذه النتائج،

turning mechanical energy into electrical,

والتي تحول الطاقة الميكانيكية إلى كهربائية

and electrical energy into mechanical,

والطاقة الكهربائية إلى مكانيكية،

were remarkable.

كانت رائعة.

But the discovery went uncelebrated for several decades.

لكن هذا الاكتشاف لم ينتشر لعدة عقود.

The first practical application was in sonar instruments

التطبيق العملي الأول كان في أدوات السونار

used to detect German submarines during World War I.

استُخدمت للكشف عن الغواصات الألمانية خلال الحرب العالمية الأولى.

Piezoelectric quartz crystals in the sonar's transmitter

بلورات الكوارتز الكهروضغطية في جهاز الإرسال السونار

vibrated when they were subjected to alternating voltage.

اهتزت عندما تعرضت لتبديل الجهد.

That sent ultrasound waves through the water.

مما أرسل موجاتٍ فوق الصوتية من خلال المياه.

Measuring how long it took these waves to bounce back from an object

لقياس كم من الوقت استغرقت هذه الموجات لترتد مرة أخرى

revealed how far away it was.

واكتشفت مدى بعدها.

For the opposite transformation,

للتحولات المعاكسة،

converting mechanical energy to electrical,

تحويل الطاقة الميكانيكية إلى كهربائية،

consider the lights that turn on when you clap.

لنأخذ مثلاً الضوء الذي يعمل عندما تصفق.

Clapping your hands send sound vibrations through the air

التصفيق بيديك يرسل موجاتٍ صوتيةٍ من خلال الهواء

and causes the piezo element to bend back and forth.

ويتسبب في التواء عنصر بيزو ذهابًا وإيابًا.

This creates a voltage that can drive enough current to light up the LEDs,

هذا يصنع الجهد الذي باستطاعته التأثير بما فيه الكفايه لإضاءة المصابيح.

though it's conventional sources of electricity that keep them on.

بالرغم من أنها مصادر تقليدية للكهرباء التي تبقيهم مضيئة.

So what makes a material piezoelectric?

إذًا، ما الذي يجعل المادة كهربية إجهادية؟

The answer depends on two factors:

الإجابة تعتمد على عاملين:

the materials atomic structure,

التركيب الذري للمواد،

and how electric charge is distributed within it.

وكيف وزعت الشحنة الكهربائية داخله.

Many materials are crystalline,

العديد من المواد بلورية،

meaning they're made of atoms or ions

يعني أنهن مصنوعات من ذرات أو أيونات

arranged in an orderly three-dimensional pattern.

مرتبة في نمطٍ منظمٍ ثلاثي الأبعاد.

That pattern has a building block called a unit cell

هذا النمط له كتلة بناء تسمى وحدة الخلية

that repeats over and over.

التي تعاد مرارًا وتكرارًا.

In most non-piezoelectric crystalline materials,

في معظم المواد البلورية غير الكهروضغطية،

the atoms in their unit cells are distributed symmetrically

الذرات في وحدة الخلية انتشرت بشكلٍ متناظرٍ

around a central point.

حول نقطة الوسط.

But some crystalline materials don't possess a center of symmetry

ولكن بعض المواد البلورية لا تمتلك مركز التماثل

making them candidates for piezoelectricity.

مما يجعلهم مرشحين للكهروضغطية.

Let's look at quartz,

دعونا نشاهد الكوارتز،

a piezoelectric material made of silicon and oxygen.

مادة كهروضغطية مصنوعة من السيليكون والأكسجين.

The oxygens have a slight negative charge and silicons have a slight positive,

الأكسجين فيه شحنة سلبية طفيفة والسيليكون لديه شحنة إيجابية طفيفة،

creating a separation of charge,

مما يؤدي إلى فصل الشحنة،

or a dipole along each bond.

أو ثنائي القطب من خلال كل رابط.

Normally, these dipoles cancel each other out,

عادةً تلغي هذه الثنائيات القطبية بعضها البعض،

so there's no net separation of charge in the unit cell.

لذلك ليس هناك انفصال نقي من الشحنة في وحدة الخلية.

But if a quartz crystal is squeezed along a certain direction,

لكن إذا تم ضغط بلورة الكوارتز نحو اتجاه معين،

the atoms shift.

تتحول الذرات.

Because of the resulting asymmetry in charge distribution,

بسبب أن نتائج عدم التماثل في توزيع الشحن،

the dipoles no longer cancel each other out.

لم تعد الثنائيات القطبية تلغي بعضها البعض.

The stretched cell ends up with a net negative charge on one side

ينتهي امتداد الخلية مع شحنة سلبية على جانبٍ واحدٍ

and a net positive on the other.

وشحنة إيجابية على الجانب الآخر.

This charge imbalance is repeated all the way through the material,

هذه الشحنة غير المتوازنة تتكرر في كافة الأرجاء من خلال المادة،

and opposite charges collect on opposite faces of the crystal.

والشحنات المتعاكسة تظهر على الجهات المتعاكسة للبلورة.

This results in a voltage that can drive electricity through a circuit.

مما يُنتج الجهد الذي باستطاعته إنتاج الكهرباء من خلال الدائرة الكهربائية.

Piezoelectric materials can have different structures.

تستطيع الأدوات الإجهادية أن تمتلك هياكل مختلفة.

But what they all have in common is unit cells which lack a center of symmetry.

ولكن الشيء المشترك بينهم جميعًا أن وحدة الخلية تفتقر إلى مركز التماثل.

And the stronger the compression on piezoelectric materials,

كلما كان الضغط أقوى على المواد الكهروضغطية،

the larger the voltage generated.

كان إنتاج الجهد أكبر.

Stretch the crystal, instead, and the voltage will switch,

ولكن إن مددنا الكريستال بدلًا من ذلك فإن الجهد سوف ينعكس،

making current flow the other way.

مما يجعل التدفق الحالي في الاتجاه الآخر.

More materials are piezoelectric than you might think.

غالبية المواد كهروضغطية أكثر مما تتخيل.

DNA,

الحمض النووي

bone,

والعظم

and silk

والحرير

all have this ability to turn mechanical energy into electrical.

جميعهم لديهم القدرة على تحويل الطاقة الميكانيكية إلى كهربائية.

Scientists have created a variety of synthetic piezoelectric materials

وقد اخترع العلماء مجموعة متنوعة من المواد الاصطناعية الكهروضغطية

and found applications for them in everything from medical imaging

ووجدوا التطبيق لهم في كل شيء من التصوير الطبي

to ink jet printers.

وصولًا لحبر الطابعات.

Piezoelectricity is responsible for the rhythmic oscillations

الكهرباء الضغطية هي المسؤولة عن التذبذبات الإيقاعية

of the quartz crystals that keep watches running on time,

لبلور الكوارتز الذي يجعل الساعات تنتظم بالوقت،

the speakers of musical birthday cards,

وأغاني بطاقات أعياد الميلاد الموسيقية،

and the spark that ignites the gas in some barbecue grill lighters

والشرارة التي تشعل الغاز في بعض أماكن الشواء

when you flick the switch.

عندما تضغط الزناد.

And piezoelectric devices may become even more common

والأجهزة الكهروضغطية ربما تصبح أكثر شيوعًا

since electricity is in high demand and mechanical energy is abundant.

لأن الطلب على الكهرباء في ازدياد والطاقة الميكانيكية وفيرة.

There are already train stations that use passengers' footsteps

هناك بالفعل محطات قطار تستخدم خطوات الركاب

to power the ticket gates and displays

لتشغيل بوابات التذاكر والشاشات

and a dance club where piezoelectricity helps power the lights.

ونوادي الرقص عندما تساعد الكهروضغطية في تشغيل الأضواء

Could basketball players running back and forth power the scoreboard?

باستطاعة لاعبي كرة السلة الجري إلى الأمام والخلف لتشغيل اللوحة؟

Or might walking down the street charge your electronic devices?

أو ربما أن تمشي في الشارع ويشحن أجهزتك الإلكترونية؟

What's next for piezoelectricity?

ماذا بعد للكهروضغطية؟