How to squeeze electricity out of crystals - Ashwini Bharathula

Fordító: Péter Pallós Lektor: Reka Lorinczy

This is a crystal of sugar.

Ez itt cukorkristály.

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

Ha összenyomjuk, villamos feszültség keletkezik.

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

Miért viselkedik e közönséges kristály parányi energiaforrásként?

Because sugar is piezoelectric.

Azért, mert a cukor piezoelektromos anyag.

Piezoelectric materials turn mechanical stress,

A piezoelektromos anyagok a mechanikai feszültség változását,

like pressure,

pl. a nyomást,

sound waves,

hanghullámokat

and other vibrations

és egyéb rezgéseket

into electricity and vice versa.

villamos feszültséggé alakítják; de fordítva is igaz.

This odd phenomenon was first discovered

E különös jelenséget elsőként

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

Pierre Curie és testvére, Jacques Curie fizikusok fedezték fel 1880-ban.

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

Megfigyelték, hogy egyes vékony kristályok összenyomásakor

positive and negative charges would appear on opposite faces.

a kristály szemben álló lapjain pozitív és negatív töltések halmozódnak fel.

This difference in charge, or voltage,

E töltésszétválás, más néven feszültség

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

az összenyomott kristályban áramot hoz létre;

like a battery.

mint az akkumulátorban.

And it worked the other way around, too.

A jelenség fordítva is végbemegy.

Running electricity through these crystals made them change shape.

Ha villamos áram folyik át a kristályon, alakja megváltozik.

Both of these results,

Mindkét eredmény:

turning mechanical energy into electrical,

mechanikai energia villamos energiává alakítása

and electrical energy into mechanical,

és villamos energia mechanikai energiává alakítása

were remarkable.

figyelemre méltó volt.

But the discovery went uncelebrated for several decades.

De a fölfedezést több évtizedig nem hasznosították.

The first practical application was in sonar instruments

A gyakorlatban elsőként szonárokban alkalmazták

used to detect German submarines during World War I.

az első világháborúban német tengeralattjárók földerítésére.

Piezoelectric quartz crystals in the sonar's transmitter

A piezoelektromos kvarckristályok a szonár adóegységében

vibrated when they were subjected to alternating voltage.

váltakozó áram hatására rezegnek,

That sent ultrasound waves through the water.

és ultrahangot továbbítanak a vízben.

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

Ha megmérjük a hullám visszaverődési idejét bizonyos tárgyról,

revealed how far away it was.

kiderül, milyen távol van.

For the opposite transformation,

Nézzünk példát a fordított jelenségre,

converting mechanical energy to electrical,

mechanikai energia villamos energiává alakítására:

consider the lights that turn on when you clap.

villanykapcsolás tapssal.

Clapping your hands send sound vibrations through the air

A tapsolás a levegőben hanghullámokat kelt,

and causes the piezo element to bend back and forth.

ami a piezoelemet rezgésbe hozza.

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

A létrejött feszültség hatására keletkező áram bekapcsolja a LED-fényt,

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

noha hagyományos áramforrások miatt marad égve.

So what makes a material piezoelectric?

Milyen anyagok piezoelektromosak?

The answer depends on two factors:

A válasz két tényezőtől függ:

the materials atomic structure,

az anyag atomszerkezetétől

and how electric charge is distributed within it.

és a töltések anyagban való eloszlásától.

Many materials are crystalline,

Sok anyag kristályos szerkezetű,

meaning they're made of atoms or ions

azaz térben valamely szabály szerint elrendeződő

arranged in an orderly three-dimensional pattern.

atomokból és ionokból állnak.

That pattern has a building block called a unit cell

A térrácsot háromdimenziós elemi cellák hozzák létre,

that repeats over and over.

amelyek minta szerint ismétlődnek.

In most non-piezoelectric crystalline materials,

A legtöbb nem piezoelektromos kristályos anyagban

the atoms in their unit cells are distributed symmetrically

az atomok szimmetrikusan helyezkednek el az elemi cellákban

around a central point.

a középpont körül.

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

De egyes kristályos anyagoknak nincs szimmetria-középpontjuk,

making them candidates for piezoelectricity.

ami piezoelektromos tulajdonságúvá teszi őket.

Let's look at quartz,

Nézzük a kvarcot,

a piezoelectric material made of silicon and oxygen.

a szilíciumból és oxigénből álló piezoelektromos anyagot.

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

Az oxigén gyenge negatív, a szilícium gyenge pozitív töltésű,

creating a separation of charge,

amely töltésszétválasztást,

or a dipole along each bond.

más néven dipólust hoz létre minden kötés mentén.

A dipólusok általában kioltják egymást,

Normally, these dipoles cancel each other out,

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

ezért nincs töltésszétválasztás az elemi cellában.

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

De ha bizonyos irányban összenyomjuk a kvarckristályt,

the atoms shift.

az atomok elmozdulnak.

Because of the resulting asymmetry in charge distribution,

A töltéseloszlás aszimmetriája miatt

the dipoles no longer cancel each other out.

a dipólusok már nem képesek egymást kioltani.

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

A deformálódott cella egyik végén negatív töltések gyűlnek össze,

and a net positive on the other.

a másikon pedig pozitívak.

E töltésegyenlőtlenség az egész anyagban ismétlődik,

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

and opposite charges collect on opposite faces of the crystal.

és az ellentétes töltések a kristály szemben álló lapjain halmozódnak fel.

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

Ez feszültséget generál, amely hatására áram folyik.

Piezoelectric materials can have different structures.

A piezoelektromos anyagok különféle szerkezetűek lehetnek.

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

De közös vonásuk, hogy egyiknek sincs szimmetria-középpontja.

And the stronger the compression on piezoelectric materials,

Minél jobban összenyomjuk a piezoelektromos anyagokat,

the larger the voltage generated.

annál nagyobb feszültség keletkezik bennük.

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

Ha a kristályt megnyújtjuk,

making current flow the other way.

a feszültség előjelet, s az áram irányt vált.

More materials are piezoelectric than you might think.

Több anyag piezoelektromos, semmint gondoljuk.

DNA,

A DNS,

bone,

a csont

and silk

és a selyem

all have this ability to turn mechanical energy into electrical.

képes mechanikai energiát villamos energiává alakítani.

Scientists have created a variety of synthetic piezoelectric materials

Számos szintetikus piezoelektromos anyagot hoztak létre kutatók,

and found applications for them in everything from medical imaging

és mindenféle alkalmazást fejlesztettek ki:

orvosi képalkotástól tintasugaras nyomtatókig.

to ink jet printers.

Piezoelectricity is responsible for the rhythmic oscillations

Piezoelektromossággal érhető el, hogy a kvarckristály ritmikusan rezegjen,

of the quartz crystals that keep watches running on time,

és így az óra pontosan járjon,

the speakers of musical birthday cards,

a zenés üdvözlőlapok megszólaljanak,

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

és kerti sütögetéskor

a gázt egy kattintással begyújthassuk.

when you flick the switch.

And piezoelectric devices may become even more common

A piezoelektromos eszközök még népszerűbbek lehetnek,

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

mert villamos energiára nagy az igény, mechanikai pedig bőségesen van.

There are already train stations that use passengers' footsteps

Már léteznek pályaudvarok, ahol utasok lépései vezérlik

to power the ticket gates and displays

a beengedő kapukat és a kivetítőket,

and a dance club where piezoelectricity helps power the lights.

táncos klubok, ahol a fényeket piezoelektromosság vezérli.

Vezérelhetnek-e futkosásukkal kosarasok eredményjelző táblát?

Could basketball players running back and forth power the scoreboard?

Or might walking down the street charge your electronic devices?

Vagy tán utcán járás közben elektronikus eszközünket feltölthetjük-e?

What's next for piezoelectricity?

Mit hoz még a piezoelektromosság?