How to squeeze electricity out of crystals - Ashwini Bharathula

Как извлечь электричество из кристаллов — Ашвини Баратула.

Переводчик: Riana Abl Редактор: Yulia Kallistratova

This is a crystal of sugar.

Это кристалл сахара.

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

Если на него надавить, он фактически создаст собственное электричество.

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

Почему же такой простой кристалл ведёт себя как маленький источник энергии?

Because sugar is piezoelectric.

А потому, что сахар — пьезоэлектрик.

Piezoelectric materials turn mechanical stress,

Пьезоэлектрики преобразуют механические напряжения,

like pressure,

такие как давление,

sound waves,

звуковые волны

and other vibrations

и другие вибрации,

into electricity and vice versa.

в электричество и наоборот.

This odd phenomenon was first discovered

Это странное явление было впервые обнаружено

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

физиками Пьером и Жаком Кюри в 1880 году.

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

Они обнаружили, что при сжимании тонких пластин некоторых кристаллов

positive and negative charges would appear on opposite faces.

на противоположных гранях будут появляться положительные и отрицательные заряды.

This difference in charge, or voltage,

Это различие в заряде или напряжении

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

означало, что сжатый кристалл мог пропускать ток через контур,

like a battery.

как батарейка.

And it worked the other way around, too.

Аналогичные результаты достигались и наоборот.

Running electricity through these crystals made them change shape.

Форма кристаллов менялась при пропускании через них электричества.

Both of these results,

Оба эти результата,

turning mechanical energy into electrical,

преобразовывающие механическую энергию в электрическую

and electrical energy into mechanical,

и электрическую в механическую,

were remarkable.

были удивительны.

But the discovery went uncelebrated for several decades.

Но это открытие не использовалось несколько десятилетий.

The first practical application was in sonar instruments

Впервые оно было применено в сонарах, которые использовались

used to detect German submarines during World War I.

для обнаружения немецких подлодок во время Первой мировой войны.

Piezoelectric quartz crystals in the sonar's transmitter

Пьезоэлектрические кристаллы кварца в передатчике сонара

vibrated when they were subjected to alternating voltage.

начинают вибрировать, когда подвергаются переменному напряжению.

That sent ultrasound waves through the water.

Кристаллы передают ультразвуковые волны по воде.

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

Измеряя время возвращения волн от объекта,

revealed how far away it was.

можно рассчитать его расстояние.

For the opposite transformation,

Для обратного преобразования

converting mechanical energy to electrical,

механической энергии в электрическую

consider the lights that turn on when you clap.

рассмотрим пример включения света по хлопку́.

Clapping your hands send sound vibrations through the air

Хлопки в ладоши отправляют сигнал вибрации по воздуху,

and causes the piezo element to bend back and forth.

что заставляет пьезоэлемент вибрировать.

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

Это создаёт напряжение, необходимое для включения лампы,

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

хотя удерживают их включёнными обычные источники электроэнергии.

So what makes a material piezoelectric?

Так что же такое пьезоэлектрик?

The answer depends on two factors:

Ответ зависит от двух факторов:

the materials atomic structure,

от атомарной структуры материала

and how electric charge is distributed within it.

и от распространения электрического заряда внутри материала.

Many materials are crystalline,

Многие материалы имеют кристаллическую структуру,

meaning they're made of atoms or ions

то есть состоят из атомов и ионов,

arranged in an orderly three-dimensional pattern.

упорядоченных в трёхмерном пространстве.

That pattern has a building block called a unit cell

Данная модель представляет собой куб, называемый элементарной ячейкой,

that repeats over and over.

которая повторяется снова и снова.

In most non-piezoelectric crystalline materials,

В большинстве непьезоэлектрических кристаллических материалов,

the atoms in their unit cells are distributed symmetrically

атомы в их элементарных ячейках распределены симметрично

around a central point.

относительно центра.

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

Но у некоторых кристаллических материалов нет центра симметрии,

making them candidates for piezoelectricity.

что делает их кандидатами для пьезоэлектричества.

Let's look at quartz,

Рассмотрим кварц —

a piezoelectric material made of silicon and oxygen.

это пьезоэлектрический материал, состоящий из кремния и кислорода.

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

Кислород обладает отрицательным зарядом, а кремний — положительным зарядом,

creating a separation of charge,

что создаёт разделение заряда,

or a dipole along each bond.

или диполь, вдоль каждой связи.

Normally, these dipoles cancel each other out,

Обычно диполи компенсируют друг друга,

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

поэтому не происходит разделения заряда в элементарной ячейке.

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

Но если кристалл кварца сжать в определённом направлении,

the atoms shift.

то атомы сместятся.

Because of the resulting asymmetry in charge distribution,

Благодаря асимметрии в распределении зарядов

the dipoles no longer cancel each other out.

диполи не могут компенсировать друг друга.

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

На одном конце растянутой ячейки образуется отрицательный заряд,

and a net positive on the other.

а на другом — положительный.

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

Данный дисбаланс зарядов повторяется по всему материалу,

and opposite charges collect on opposite faces of the crystal.

и противоположные заряды скапливаются на противоположных гранях кристалла.

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

Это приводит к напряжению, которое способно создавать электричество в цепи.

Piezoelectric materials can have different structures.

Пьезоэлектрические материалы обладают разными структурами.

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

Но их объединяет отсутствие центра симметрии.

And the stronger the compression on piezoelectric materials,

И чем сильнее сжимать пьезоэлектрические материалы,

the larger the voltage generated.

тем больше генерируется напряжение.

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

Если же кристалл будут растягивать,

making current flow the other way.

то напряжение поменяет направление.

More materials are piezoelectric than you might think.

Пьезоэлектриков больше, чем вы думаете.

DNA,

ДНК,

bone,

кость

and silk

и шёлк

all have this ability to turn mechanical energy into electrical.

обладают способностью преобразовывать механическую энергию в электрическую.

Scientists have created a variety of synthetic piezoelectric materials

Учёные создали множество синтетических пьезоэлектриков

and found applications for them in everything from medical imaging

и нашли им применение, начиная от медицины

to ink jet printers.

и заканчивая струйными принтерами.

Piezoelectricity is responsible for the rhythmic oscillations

Пьезоэлектричество отвечает за ритмические колебания

of the quartz crystals that keep watches running on time,

кристаллов кварца, поддерживающих точность часов,

the speakers of musical birthday cards,

музыкальных поздравительных открыток,

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

искр, воспламеняющих газ, в некоторых зажигалках для барбекю

when you flick the switch.

при щелчке выключателя.

And piezoelectric devices may become even more common

Пьезоэлектрические устройства могут стать ещё более распространёнными,

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

так как электричество пользуется большим спросом,

а механическая энергия имеется в изобилии.

There are already train stations that use passengers' footsteps

Уже существуют вокзалы, использующие шаги пассажиров

to power the ticket gates and displays

для управления воротами и дисплеями,

and a dance club where piezoelectricity helps power the lights.

и клубы, где пьезоэлектричество управляет светом.

Could basketball players running back and forth power the scoreboard?

Могут ли баскетболисты заряжать табло, бегая по полю?

Or might walking down the street charge your electronic devices?

Или вы, шагая по улице, заряжать свои электронные устройства?

What's next for piezoelectricity?

Какое будет новое применение для пьезоэлектричества?