How to squeeze electricity out of crystals - Ashwini Bharathula

چگونه از کریستال‌ها الکتریسیته استخراج کنیم؟

Translator: Nima Pourreza Reviewer: sadegh zabihi

This is a crystal of sugar.

این کریستال شکر است.

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

اگر شما بر آن فشار وارد کنید، نیروی الکتریسیته تولید خواهد کرد.

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

چگونه این کریستال ساده همانند یک منبع نیرو عمل می‌کند؟

Because sugar is piezoelectric.

بخاطر اینکه شکر دارای خاصیت پیزوالکتریک است.

Piezoelectric materials turn mechanical stress,

اشیاء پیزوالکتریک، تنش مکانیکی

like pressure,

همچون فشار،

sound waves,

امواج صدا

and other vibrations

و لرزش‌های دیگر را

into electricity and vice versa.

به نیروی الکتریکی وبالعکس تبدیل می‌کند.

This odd phenomenon was first discovered

این پدیده منحصربه‌فرد اولین بار توسط

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

فیزیکدانان پیر کوری و برادرش ژاک در سال ۱۸۸۰ کشف شد.

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

آن‌ها کشف کردند اگر بر صفحات کریستال‌های خاصی فشار وارد کنیم،

positive and negative charges would appear on opposite faces.

بارهای مثبت و منفی در دو طرف آن ایجاد می‌شود.

This difference in charge, or voltage,

این اختلاف بار یا همان اختلاف ولتاژ،

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

به این معنی است که کریستال تحت فشار می‌تواند جریان الکتریکی را در مدار

like a battery.

همچون باتری تولید کند.

And it worked the other way around, too.

و این عمل معکوس پذیر نیز هست، یعنی:

Running electricity through these crystals made them change shape.

اعمال اختلاف پتانیل در دو سر این کریستال‌ها باعث تغییر شکل آن‌ها می‌شود.

Both of these results,

هر دو این نتایج،

turning mechanical energy into electrical,

تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی

and electrical energy into mechanical,

و انرژی الکتریکی به مکانیکی،

were remarkable.

ارزشمند بودند.

But the discovery went uncelebrated for several decades.

اما این کشف برای دهه‌ها مورد توجه قرار نگرفت.

The first practical application was in sonar instruments

اولین استفاده عملی آن در تجهیزات سونار بود

used to detect German submarines during World War I.

که برای تشخیص زیردریایی‌های آلمانی در طول جنگ جهانی اول استفاده شد.

Piezoelectric quartz crystals in the sonar's transmitter

کریستال‌های کوارتزی پیزوالکتریک در فرستنده‌های سونار

vibrated when they were subjected to alternating voltage.

در هنگام اعمال ولتاژ متناوب می‌لرزیدند.

That sent ultrasound waves through the water.

این لرزش باعث تولید و فرستادن امواج فراصوتی در طول آب می‌شد.

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

با اندازه‌گیری مدت زمان برخورد امواج به شیء و برگشت آن

revealed how far away it was.

فاصله آن را مشخص می‌کرد.

For the opposite transformation,

برای کارکرد معکوس آن نیز

converting mechanical energy to electrical,

یعنی تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی،

سنسورهای صوتی را در نظر بگیرید که با دست زدن چراغ را خاموش می‌کنند.

consider the lights that turn on when you clap.

Clapping your hands send sound vibrations through the air

دست‌زدن شما اواج صوتی را در طول هوا می‌فرستد

and causes the piezo element to bend back and forth.

و باعث فشرده و بازشدن شدن جسم پیزوالکتریک می‌شوند.

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

این باعث تولید ولتاژی با جریان کافی که بتواند رله لامپ را فعال کند می‌شود

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

تا جریان برق شهری بتواند آن را روشن نگه‌ دارد.

So what makes a material piezoelectric?

چه چیزی باعث به‌وجود آمدن خاصیت پیزوالکتریکی اجسام می‌شود.

The answer depends on two factors:

پاسخ این سوال به دو چیز بستگی دارد:

the materials atomic structure,

ساختار اتمی مواد

and how electric charge is distributed within it.

و چگونگی توزیع بار در آن ساختار.

Many materials are crystalline,

اکثر مواد بلورین هستند،

meaning they're made of atoms or ions

بدین معنی که آن‌ها از اتم‌ها و یون‌هایی

arranged in an orderly three-dimensional pattern.

که در الگوهای سه‌بعدی منظمی قرارگرفته‌اند، تشکیل شده‌اند.

That pattern has a building block called a unit cell

آن الگو، واحد سازنده‌ای به نام ساختار واحد دارد

that repeats over and over.

که بارها و بارها تکرار می‌شود.

In most non-piezoelectric crystalline materials,

در اغلب مواد کریستاله غیر پیزوالکتریک،

the atoms in their unit cells are distributed symmetrically

اتم‌ها در ساختار واحدشان به طور متقارنی

around a central point.

در حول یک نقطه مرکزی توزیع شده‌اند.

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

اما برخی مواد کریستاله نقطه مرکزی تقارن ندارند

making them candidates for piezoelectricity.

که آن‌ها را برای پیزوالکتریک شدن مناسب می‌گرداند.

بیایید نگاهی به کوارتز بیاندازیم،

Let's look at quartz,

a piezoelectric material made of silicon and oxygen.

ماده پیزوالکتریکی که از سیلیسیم و اکسیژن تشکیل شده‌است.

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

اتم‌های اکسیژن بار جزئی منفی و اتم سیلیسیم بار جزئی مثبتی دارد،

creating a separation of charge,

که این بارهای جزئی باعث جدایش بار

or a dipole along each bond.

یا تشکیل یک دو قطبی در طول هر پیوند آن می‌شود.

Normally, these dipoles cancel each other out,

در حالت عادی این دوقطبی‌ها همدیگر را خنثی می‌کنند

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

و هیچ شبکه‌ای از این جدایش باری در ساختار واحد کوارتز وجود ندارد.

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

اما اگر کوارتز از جهتی خاص فشرده شود،

the atoms shift.

اتم‌ها تغییر مکان می‌دهند

Because of the resulting asymmetry in charge distribution,

و این فشار باعث ایجاد عدم تقارن در توزیع بارها می ‌شود

the dipoles no longer cancel each other out.

که باعث می‌شود پیوندهای دوقطبی دیگر یکدیگر را خنثی نکنند.

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

ساختار تحت فشار در یک طرفش قطب منفی

and a net positive on the other.

و در طرف دیگرش قطب مثبت تشکیل می‌شود.

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

این عدم هماهنگی بار در طول کوارتز تکرار می‌شود

and opposite charges collect on opposite faces of the crystal.

و بارهای مخالف در سطوح مخالف کریستال جمع می‌شوند.

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

و این باعث ولتاژی می‌شود که می‌تواند در مدار جریان یابد.

Piezoelectric materials can have different structures.

مواد پیزوالکتریک می‌توانند ساختاری متفاوت داشته باشند.

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

اما چیزی که به یکسان دارند، نداشتن مرکز تقارن است.

And the stronger the compression on piezoelectric materials,

با فشار هرچه بیشتر بر روی مواد پیزوالکتریک،

the larger the voltage generated.

آن‌ها ولتاژ بیشتری نیز تولید خواهند کرد

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

با کشیدن کریستال نیز، ولتاژ منفی و جهت جریان در مدار

making current flow the other way.

معکوس خواهد شد.

More materials are piezoelectric than you might think.

مواد بسیاری بیش از آنچه به ذهنتان می‌رسد خواص پیزوالکتریک دارند.

DNA,

DNA،

bone,

استخوان،

and silk

و ابریشم

all have this ability to turn mechanical energy into electrical.

تماماً دارای امکان تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی هستند.

Scientists have created a variety of synthetic piezoelectric materials

محققان اشکال گوناگونی از مواد پیزوالکتریک مصنوعی ساخته‌اند

and found applications for them in everything from medical imaging

و برای آن‌ها کاربردهایی از همه چیز شامل

عکس‌برداری پزشکی تا پرینترهای جوهری پیداکرده‌اند.

to ink jet printers.

Piezoelectricity is responsible for the rhythmic oscillations

خاصیت پیزوالکتریک در تولید پالس‌های منظم

of the quartz crystals that keep watches running on time,

در قطعه کوارتز مدار ساعت‌ها برای حفظ زمان،

the speakers of musical birthday cards,

خواننده کارت‌های تبریک‌ تولد

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

و جرقه‌ای که گاز را در برخی فندک‌های منقلی و سیار

when you flick the switch.

با فشار دادن زبانه آتش می‌زند، َنقشی اساسی دارد.

And piezoelectric devices may become even more common

دستگاه‌های پیزوالکتریکی شاید بسیار شایع شوند

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

چراکه انرژی الکتریسیته بسیار مورد نیاز است و انرژی مکانیکی فراوانی نیز رها شده داریم.

There are already train stations that use passengers' footsteps

هم‌اکنون ایستگاه‌های قطاری داریم که از فشار پای مسافران

to power the ticket gates and displays

برای فعال کردن ورودی‌ها و نمایشگرها استفاده می‌کنند.

and a dance club where piezoelectricity helps power the lights.

و باشگاه‌های رقصی که پیزوالکتریک برای روشن کردن نورها کمک می‌کند.

آیا عقب و جلو رفتن بازیکنان بسکتبال می‌تواند برای صفحه نتایج انرژی تولید کند؟

Could basketball players running back and forth power the scoreboard?

Or might walking down the street charge your electronic devices?

یا شاید پیاده‌روی در کوچه‌ها بتواند باعث شارژ دستگاه‌های الکترونیکی‌تان شود؟

What's next for piezoelectricity?

آینده پیزوالکتریک چه خواهد بود؟