How to squeeze electricity out of crystals - Ashwini Bharathula

Tłumaczenie: Monika Rauflajsz Korekta: Agnieszka Fijałkowska

This is a crystal of sugar.

To jest kryształek cukru.

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

Pod wpływem nacisku wytworzy on własną elektryczność.

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

Jak taki prosty kryształ może być małym źródłem energii?

Because sugar is piezoelectric.

To dlatego, że cukier jest piezoelektryczny.

Piezoelectric materials turn mechanical stress,

Materiały piezoelektryczne zmieniają naprężenia mechaniczne,

like pressure,

takie jak nacisk,

sound waves,

fale dźwiękowe,

and other vibrations

i inne wibracje

into electricity and vice versa.

na elektryczność i odwrotnie.

This odd phenomenon was first discovered

To dziwne zjawisko odkrył fizyk Piotr Curie

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

razem z bratem Jakubem w 1880 roku.

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

Odkryli, że gdy ścisną cienkie kawałki pewnych kryształów,

positive and negative charges would appear on opposite faces.

po przeciwnych stronach pojawią się dodatnie i ujemne ładunki.

This difference in charge, or voltage,

Ta różnica ładunków, czy napięcie,

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

oznaczała, że ściśnięty kryształ mógł przewodzić prąd w zamkniętym obiegu,

like a battery.

tak jak bateria.

And it worked the other way around, too.

Działało to też w drugą stronę.

Running electricity through these crystals made them change shape.

Puszczenie przez te kryształy prądu sprawiało, że zmieniały kształt.

Both of these results,

Oba te efekty,

turning mechanical energy into electrical,

zmiana energii mechanicznej w elektryczną

and electrical energy into mechanical,

i elektrycznej w mechaniczną,

were remarkable.

były czymś godnym uwagi,

But the discovery went uncelebrated for several decades.

ale ich odkrycie pozostało niezauważone przez kilka dziesięcioleci.

The first practical application was in sonar instruments

Zastosowano je po raz pierwszy w sonarach do wykrywania

used to detect German submarines during World War I.

niemieckich łodzi podwodnych podczas I Wojny Światowej.

Piezoelectric quartz crystals in the sonar's transmitter

Piezoelektryczne kryształy kwarcowe w nadajnikach sonarnych wibrowały,

vibrated when they were subjected to alternating voltage.

gdy poddawano je działaniu napięcia zmiennego.

That sent ultrasound waves through the water.

Tak wysyłano ultradźwięki poprzez wodę.

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

Zmierzenie czasu, w którym fale wracały po odbiciu się, ujawniało,

revealed how far away it was.

jak daleko znajdował się dany obiekt.

For the opposite transformation,

Odwrotna transformacja,

converting mechanical energy to electrical,

przemiana energii mechanicznej w elektryczną,

consider the lights that turn on when you clap.

zachodzi w sytuacji, gdy klaskaniem zapalamy światło.

Clapping your hands send sound vibrations through the air

Klaskanie wzbudza w powietrzu wibracje dźwiękowe

and causes the piezo element to bend back and forth.

i powoduje, że element piezoelektryczny zgina się i odgina.

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

To tworzy napięcie, które emituje prąd wystarczający do zapalenia diód,

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

choć to konwencjonalne źródła elektryczności powodują, że nie gasną.

So what makes a material piezoelectric?

Co czyni materiał piezoelektrycznym?

The answer depends on two factors:

To zależy od dwóch czynników:

the materials atomic structure,

budowy atomowej materiału

and how electric charge is distributed within it.

oraz tego, jak ładunek elektryczny jest w nim rozłożony.

Many materials are crystalline,

Wiele materiałów jest krystalicznych,

meaning they're made of atoms or ions

czyli są zbudowane z atomów lub jonów

arranged in an orderly three-dimensional pattern.

ułożonych w uporządkowany trójwymiarowy wzór.

That pattern has a building block called a unit cell

Ten wzór utworzony jest z komórek jednostkowych

that repeats over and over.

i powtarza się w całym krysztale.

In most non-piezoelectric crystalline materials,

W większości niepiezoelektrycznych materiałów krystalicznych

the atoms in their unit cells are distributed symmetrically

atomy w komórkach jednostkowych są rozłożone symetrycznie

around a central point.

wokół centralnego punktu.

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

Ale niektóre materiały krystaliczne nie posiadają centrum symetrii,

making them candidates for piezoelectricity.

co sprawia, że potencjalnie mogą być piezoelektryczne.

Let's look at quartz,

Spójrzmy na kwarc,

a piezoelectric material made of silicon and oxygen.

piezoelektryczny materiał zbudowany z krzemu i tlenu.

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

Tlen ma niewielki negatywny ładunek, a krzem niewielki dodatni,

creating a separation of charge,

co powoduje rozdzielenie ładunku

or a dipole along each bond.

lub utworzenie dipola wzdłuż każdego wiązania.

Normally, these dipoles cancel each other out,

Zazwyczaj dipole wzajemnie się znoszą,

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

tak że nie ma rozdzielenia ładunku w komórce jednostkowej.

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

Ale jeśli kryształ kwarcu jest ściśnięty w pewnym kierunku,

the atoms shift.

atomy przemieszczają się,

Because of the resulting asymmetry in charge distribution,

bo w wyniku powstałej asymetrii w rozmieszczeniu ładunku,

the dipoles no longer cancel each other out.

dipole już się nie znoszą.

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

Zakończenia rozciągniętych komórek mają z jednej strony ładunek netto ujemny,

and a net positive on the other.

a z drugiej netto dodatni.

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

Ten brak równowagi ładunków powtarza się w całym materiale

and opposite charges collect on opposite faces of the crystal.

i przeciwne ładunki zbierają się na przeciwnych stronach kryształu.

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

To tworzy napięcie, które może wzbudzić prąd elektryczny w obwodzie.

Piezoelectric materials can have different structures.

Materiały piezoelektryczne mogą mieć różne struktury,

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

ale łączą je komórki jednostkowe, którym brakuje centrum symetrii.

And the stronger the compression on piezoelectric materials,

Im większemu naciskowi poddane są materiały piezoelektryczne,

the larger the voltage generated.

tym większe napięcie się wytworzy.

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

Gdy zamiast tego kryształ się rozciągnie, zmieni się napięcie

making current flow the other way.

i prąd popłynie w drugą stronę.

More materials are piezoelectric than you might think.

Jest więcej materiałów piezoelektrycznych niż nam się wydaje.

DNA,

DNA,

bone,

kości

and silk

i jedwab

all have this ability to turn mechanical energy into electrical.

mają zdolność przetwarzania energii mechanicznej w elektryczną.

Scientists have created a variety of synthetic piezoelectric materials

Naukowcy stworzyli wiele syntetycznych materiałów piezoelektrycznych

and found applications for them in everything from medical imaging

i znaleźli dla nich zastosowania od obrazowania medycznego

to ink jet printers.

po drukarki atramentowe.

Piezoelectricity is responsible for the rhythmic oscillations

Wytworem piezoelektryczności są rytmiczne drgania kryształów kwarcu,

of the quartz crystals that keep watches running on time,

sprawiające, że zegarki dobrze wskazują czas,

the speakers of musical birthday cards,

głośniki w kartkach urodzinowych grają

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

i strzelają iskry zapalające gaz w niektórych zapalniczkach,

when you flick the switch.

gdy naciśnie się włącznik.

And piezoelectric devices may become even more common

Urządzenia piezoelektryczne mogą stać się jeszcze bardziej popularne,

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

bo potrzebujemy energii elektrycznej, a mamy mnóstwo energii mechanicznej.

There are already train stations that use passengers' footsteps

Są już dworce kolejowe wykorzystujące kroki pasażerów

to power the ticket gates and displays

do zasilania bramek biletowych i wyświetlaczy,

and a dance club where piezoelectricity helps power the lights.

oraz kluby taneczne,

gdzie piezoelektryczność pomaga zasilać światła.

Could basketball players running back and forth power the scoreboard?

Czy koszykarze biegający po boisku mogliby zasilać tablicę z wynikami?

Or might walking down the street charge your electronic devices?

A czy chodzenie po ulicy mogłoby ładować twoje urządzenia elektroniczne?

What's next for piezoelectricity?

Do czego jeszcze wykorzystamy piezoelektryczność?