How to squeeze electricity out of crystals - Ashwini Bharathula

איך למצות חשמל מגבישים- אשוויני בהראתולה

תרגום: Ido Dekkers עריכה: Tal Dekkers

This is a crystal of sugar.

זהו גביש סוכר.

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

אם אתם לוחצים עליו, הוא ייצר למעשה חשמל משלו.

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

איך הגביש הפשוט הזה פועל כמו מקור כוח זעיר?

Because sugar is piezoelectric.

בגלל שסוכר הוא פיזואלקטרי.

Piezoelectric materials turn mechanical stress,

חומרים פיאזואלקטריים הופכים לחץ מכאני,

like pressure,

כמו דחיסה,

sound waves,

גלי קול,

and other vibrations

ותנודות אחרות

into electricity and vice versa.

לחשמל ולהפך.

This odd phenomenon was first discovered

התופעה המוזרה התגלתה לראשונה

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

על ידי הפיזיקאי פייר קירי ואחיו ז'אק ב 1880.

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

הם גילו שאם הם דוחסים פרוסות דקות של גבישים מסויימים,

positive and negative charges would appear on opposite faces.

מטענים שליליים וחיוביים יופיעו על פאות מנוגדות.

This difference in charge, or voltage,

ההבדל במטען, או המתח,

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

משמעו שהגביש הדחוס יכול להניע זרם דרך מעגל,

like a battery.

כמו סוללה.

And it worked the other way around, too.

וזה עובד גם לכיוון ההפוך.

Running electricity through these crystals made them change shape.

העברת חשמל דךר הגבישים האלה גורמת להם לשנות צורה.

Both of these results,

שתי התוצאות הלו,

turning mechanical energy into electrical,

הפיכת אנרגיה מכאנית לחשמלית,

and electrical energy into mechanical,

וחשמלית למכאנית,

were remarkable.

היו יוצאות דופן.

But the discovery went uncelebrated for several decades.

אבל הגילוי לא נחגג במשך מספר עשורים.

The first practical application was in sonar instruments

השימוש הפרקטי הראשון היה במכשירי סונאר

used to detect German submarines during World War I.

שהיו בשימוש כדי לזהות צוללות גרמניות במהלך מלחמת עולם ראשונה.

Piezoelectric quartz crystals in the sonar's transmitter

גבישי קווארץ פיאזואלקטריים במשדרי הסונאר

vibrated when they were subjected to alternating voltage.

רטטו כשהם היו נתונים למתח משתנה.

That sent ultrasound waves through the water.

זה שלח גלי אולטרסאונד דרך המים.

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

מדידת כמה זמן לקח לגלים האלה לחזור מעצם

revealed how far away it was.

גילה כמה רחוק הוא.

For the opposite transformation,

לשינוי ההפוך,

converting mechanical energy to electrical,

המרת אנרגיה מכאנית לחשמלית,

consider the lights that turn on when you clap.

חשבו על אורות שנדלקים כשאתם מוחאים כפיים.

Clapping your hands send sound vibrations through the air

מחיאת כפיים שולחת רטיטות קול דרך האויר

and causes the piezo element to bend back and forth.

וגורמת לאלמנט הפיאזואלקטרי להתעקם קדימה ואחורה.

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

זה יוצר מתח שיכול להניע מספיק זרם להאיר לדים,

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

למרות שזה מקור חשמל רגיל שגורם להם להמשיך לדלוק.

So what makes a material piezoelectric?

אז מה הופך חומר לפיאזואלקטרי?

The answer depends on two factors:

התשובה תלויה בשני גורמים:

the materials atomic structure,

המבנה האטומי של החומר,

and how electric charge is distributed within it.

ואיך מתח חשמלי מתחלק בתוכו.

Many materials are crystalline,

הרבה חומרים הם גבישיים,

meaning they're made of atoms or ions

מה שאומר שהם עשויים אטומים או יונים

arranged in an orderly three-dimensional pattern.

שמסודרים בתבנית תלת מימדית מאורגנת.

That pattern has a building block called a unit cell

לתבנית הזו יש אבן בניין שנקראת תא יחידה

that repeats over and over.

שחוזר על עצמו שוב ושוב.

In most non-piezoelectric crystalline materials,

ברוב החמרים הגבישיים הלא פיאזואלקטריים,

the atoms in their unit cells are distributed symmetrically

האטומים ביחידת הבסיס שלהם מפוזרים בצורה סימטרית

around a central point.

מסביב לנקודה מרכזית.

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

אבל כמה חומרים גבישיים שאינם בעלי סימטריה מרכזית

making them candidates for piezoelectricity.

מה שעושה אותם מועמדים לפיזואלקטריות.

Let's look at quartz,

הבה נביט בקווארץ,

a piezoelectric material made of silicon and oxygen.

חומר פיאזואקטרי עשוי מצורן וחמצן.

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

לאטומי החמצן יש מטען מעט שלילי ולצורן יש מעט חיובי,

creating a separation of charge,

מה שיצור הפרדה של מטען,

or a dipole along each bond.

או דיפול לאורך כל קשר.

Normally, these dipoles cancel each other out,

באופן נורמלי, הדיפולים האלה מבטלים אחד את השני,

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

אז אין הפרדה נטו של מטענים בתא הבסיס.

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

אבל אם גביש קווארץ נדחס לאורך כיוון המסויים,

the atoms shift.

האטומים נעים.

Because of the resulting asymmetry in charge distribution,

בגלל חוסר הסימטריה שנוצרת בפיזור המטען,

the dipoles no longer cancel each other out.

הדיפולים לא מבטלים יותר אחד את השני.

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

התאים המתוחים יוצרים מטען שלילי נטו בצד אחד

and a net positive on the other.

ומטען חיובי נטו בצד השני.

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

חוסר שיווי המשקל במטען מיוצד לכל אורך החומר,

and opposite charges collect on opposite faces of the crystal.

ומטענים מנוגדים שאסופים בפנים מנוגדות של הגביש.

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

התוצאה של זה היא מתח שיכול להניע חשמל דרך מעגל.

Piezoelectric materials can have different structures.

לחומרים פיאזואלקטריים יכולים להיות מבנים שונים.

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

אבל מה שמשותף לכולם הוא תא יחידה שאין לו סימטריה מרכזית.

And the stronger the compression on piezoelectric materials,

וככל שהדחיסה חזקה יותר על חומרים פיאזואקלטריים,

the larger the voltage generated.

נוצר יותר מתח.

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

אם מותחים את הגביש במקום, המתח מתחלף,

making current flow the other way.

מה שגורם לזרם לזרום לכיוון השני.

More materials are piezoelectric than you might think.

יותר חומרים הם פיאזואלקטריים ממה שאתם חושבים.

DNA,

DNA,

bone,

עצמות,

and silk

ומשי

all have this ability to turn mechanical energy into electrical.

לכולם יש את היכולת להפוך אנרגיה מכאנית לחשמלית.

Scientists have created a variety of synthetic piezoelectric materials

מדענים יצרו מגוון של חומרים פיאזואלקטריים סינטטיים

and found applications for them in everything from medical imaging

וגילו שימושים עבורם בהכל החל מדימות רפואי

to ink jet printers.

להדפסות דיו.

Piezoelectricity is responsible for the rhythmic oscillations

פיאזואלקטריות אחראית לרטיטות הקצביות

of the quartz crystals that keep watches running on time,

של גביש קווארץ שגורמים לשעונים שלנו להמשיך לעבוד,

the speakers of musical birthday cards,

הרמקולים של כרטיסי ברכה ליום הולדת,

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

והניצוץ שמדליק את הגז בכמה מציתי גרילים מבוססי גז

when you flick the switch.

כשאתם לוחצים על הכפתור.

And piezoelectric devices may become even more common

ומכשירים פיאזואלקטריים אולי יהפכו לאפילו יותר נפוצים

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

מאחר וחשמל בדרישה גדולה ואנרגיה מכאנית נפוצה.

There are already train stations that use passengers' footsteps

יש כבר תחנות רכבת שמשתמשות בצעידה של נוסעים

to power the ticket gates and displays

כדי להפעיל את שערי הכרטיסים והתצוגות

and a dance club where piezoelectricity helps power the lights.

ומועדון ריקוד שם פיאזואלקטריות עוזרת לתת כוח לתאורה.

Could basketball players running back and forth power the scoreboard?

האם שחקני כדורסל שרצים קדימה ואחורה יכולים להאיר את לוח התוצאות?

Or might walking down the street charge your electronic devices?

או אולי הליכה במורד הרחוב טוענת מכשירים אלקטרוניים?

What's next for piezoelectricity?

מה הלאה עבור פיאזואלקטריות?