Jak można wycisnąć elektryczność z kryształów - Ashwini Bharathula

Zobacz całą lekcję: http://ed.ted.com/lessons/how-to-squeeze-electricity-out-of-crystals-ashwini-bharathula

To brzmi jak science-fiction, ale pod wpływem nacisku kryształek cukru wytworzy własną elektryczność. Ten zwykły kryształ może zachowywać się jak malutkie źródło energii, ponieważ tak się składa, że cukier jest piezoelektryczny. Ashwini Bharathula wyjaśnia, w jaki sposób materiały piezoelektryczne zmieniają naprężenie mechaniczne takie jak nacisk, fale dźwiękowe i inne wibracje w elektryczność i odwrotnie.

Lekcja: Ashwini Bharathula, animacja: Karrot Animation.

To jest kryształek cukru.

Pod wpływem nacisku
wytworzy on własną elektryczność.

Jak taki prosty kryształ może być
małym źródłem energii?

To dlatego, że cukier
jest piezoelektryczny.

Materiały piezoelektryczne
zmieniają naprężenia mechaniczne,

takie jak nacisk,

fale dźwiękowe,

i inne wibracje

na elektryczność i odwrotnie.

To dziwne zjawisko
odkrył fizyk Piotr Curie

razem z bratem Jakubem w 1880 roku.

Odkryli, że gdy ścisną
cienkie kawałki pewnych kryształów,

po przeciwnych stronach
pojawią się dodatnie i ujemne ładunki.

Ta różnica ładunków, czy napięcie,

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

tak jak bateria.

Działało to też w drugą stronę.

Puszczenie przez te kryształy prądu
sprawiało, że zmieniały kształt.

Oba te efekty,

zmiana energii mechanicznej w elektryczną

i elektrycznej w mechaniczną,

były czymś godnym uwagi,

ale ich odkrycie pozostało niezauważone
przez kilka dziesięcioleci.

Zastosowano je po raz pierwszy
w sonarach do wykrywania

niemieckich łodzi podwodnych
podczas I Wojny Światowej.

Piezoelektryczne kryształy kwarcowe
w nadajnikach sonarnych wibrowały,

gdy poddawano je działaniu
napięcia zmiennego.

Tak wysyłano ultradźwięki poprzez wodę.

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

jak daleko znajdował się dany obiekt.

Odwrotna transformacja,

przemiana energii mechanicznej
w elektryczną,

zachodzi w sytuacji,
gdy klaskaniem zapalamy światło.

Klaskanie wzbudza w powietrzu
wibracje dźwiękowe

i powoduje, że element
piezoelektryczny zgina się i odgina.

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

choć to konwencjonalne źródła
elektryczności powodują, że nie gasną.

Co czyni materiał piezoelektrycznym?

To zależy od dwóch czynników:

budowy atomowej materiału

oraz tego, jak ładunek elektryczny
jest w nim rozłożony.

Wiele materiałów jest krystalicznych,

czyli są zbudowane z atomów lub jonów

ułożonych w uporządkowany
trójwymiarowy wzór.

Ten wzór utworzony jest
z komórek jednostkowych

i powtarza się w całym krysztale.

W większości niepiezoelektrycznych
materiałów krystalicznych

atomy w komórkach jednostkowych
są rozłożone symetrycznie

wokół centralnego punktu.

Ale niektóre materiały krystaliczne
nie posiadają centrum symetrii,

co sprawia, że potencjalnie
mogą być piezoelektryczne.

Spójrzmy na kwarc,

piezoelektryczny materiał
zbudowany z krzemu i tlenu.

Tlen ma niewielki negatywny ładunek,
a krzem niewielki dodatni,

co powoduje rozdzielenie ładunku

lub utworzenie dipola
wzdłuż każdego wiązania.

Zazwyczaj dipole wzajemnie się znoszą,

tak że nie ma rozdzielenia ładunku
w komórce jednostkowej.

Ale jeśli kryształ kwarcu
jest ściśnięty w pewnym kierunku,

atomy przemieszczają się,

bo w wyniku powstałej asymetrii
w rozmieszczeniu ładunku,

dipole już się nie znoszą.

Zakończenia rozciągniętych komórek
mają z jednej strony ładunek netto ujemny,

a z drugiej netto dodatni.

Ten brak równowagi ładunków
powtarza się w całym materiale

i przeciwne ładunki zbierają się
na przeciwnych stronach kryształu.

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

Materiały piezoelektryczne
mogą mieć różne struktury,

ale łączą je komórki jednostkowe,
którym brakuje centrum symetrii.

Im większemu naciskowi
poddane są materiały piezoelektryczne,

tym większe napięcie się wytworzy.

Gdy zamiast tego kryształ się rozciągnie,
zmieni się napięcie

i prąd popłynie w drugą stronę.

Jest więcej materiałów piezoelektrycznych
niż nam się wydaje.

DNA,

kości

i jedwab

mają zdolność przetwarzania
energii mechanicznej w elektryczną.

Naukowcy stworzyli wiele syntetycznych
materiałów piezoelektrycznych

i znaleźli dla nich zastosowania
od obrazowania medycznego

po drukarki atramentowe.

Wytworem piezoelektryczności
są rytmiczne drgania kryształów kwarcu,

sprawiające, że zegarki
dobrze wskazują czas,

głośniki w kartkach urodzinowych grają

i strzelają iskry zapalające gaz
w niektórych zapalniczkach,

gdy naciśnie się włącznik.

Urządzenia piezoelektryczne
mogą stać się jeszcze bardziej popularne,

bo potrzebujemy energii elektrycznej,
a mamy mnóstwo energii mechanicznej.

Są już dworce kolejowe
wykorzystujące kroki pasażerów

do zasilania bramek
biletowych i wyświetlaczy,

oraz kluby taneczne,

gdzie piezoelektryczność
pomaga zasilać światła.

Czy koszykarze biegający po boisku
mogliby zasilać tablicę z wynikami?

A czy chodzenie po ulicy mogłoby
ładować twoje urządzenia elektroniczne?

Do czego jeszcze wykorzystamy
piezoelektryczność?