Как извлечь электричество из кристаллов — Ашвини Баратула.

Просмотр полного урока: http://ed.ted.com/lessons/how-to-squeeze-electricity-out-of-crystals-ashwini-bharathula

Это может звучать как научная фантастика, но если вы сожмёте кристалл сахара, он сгенерирует собственное электричество. Этот простой кристалл может вести себя как источник энергии, так как сахар является пьезоэлектриком. Ашвини Баратула объясняет, как пьезоэлектрические материалы преобразуют механические напряжения, такие как давление, звуковые волны и другие вибрации, в электричесвто и наоборот.

Урок — Ашвини Баратула, анимация — Кэррот Анимейшн.

Это кристалл сахара.

Если на него надавить, он фактически
создаст собственное электричество.

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

А потому, что сахар — пьезоэлектрик.

Пьезоэлектрики преобразуют
механические напряжения,

такие как давление,

звуковые волны

и другие вибрации,

в электричество и наоборот.

Это странное явление
было впервые обнаружено

физиками Пьером и Жаком Кюри в 1880 году.

Они обнаружили, что при сжимании
тонких пластин некоторых кристаллов

на противоположных гранях будут появляться
положительные и отрицательные заряды.

Это различие в заряде или напряжении

означало, что сжатый кристалл мог
пропускать ток через контур,

как батарейка.

Аналогичные результаты
достигались и наоборот.

Форма кристаллов менялась
при пропускании через них электричества.

Оба эти результата,

преобразовывающие механическую энергию
в электрическую

и электрическую в механическую,

были удивительны.

Но это открытие не использовалось
несколько десятилетий.

Впервые оно было применено
в сонарах, которые использовались

для обнаружения немецких подлодок
во время Первой мировой войны.

Пьезоэлектрические кристаллы кварца
в передатчике сонара

начинают вибрировать, когда подвергаются
переменному напряжению.

Кристаллы передают
ультразвуковые волны по воде.

Измеряя время возвращения волн от объекта,

можно рассчитать его расстояние.

Для обратного преобразования

механической энергии в электрическую

рассмотрим пример
включения света по хлопку́.

Хлопки в ладоши отправляют сигнал
вибрации по воздуху,

что заставляет пьезоэлемент вибрировать.

Это создаёт напряжение,
необходимое для включения лампы,

хотя удерживают их включёнными
обычные источники электроэнергии.

Так что же такое пьезоэлектрик?

Ответ зависит от двух факторов:

от атомарной структуры материала

и от распространения электрического заряда
внутри материала.

Многие материалы имеют
кристаллическую структуру,

то есть состоят из атомов и ионов,

упорядоченных в трёхмерном пространстве.

Данная модель представляет собой куб,
называемый элементарной ячейкой,

которая повторяется снова и снова.

В большинстве непьезоэлектрических
кристаллических материалов,

атомы в их элементарных ячейках
распределены симметрично

относительно центра.

Но у некоторых кристаллических материалов
нет центра симметрии,

что делает их кандидатами
для пьезоэлектричества.

Рассмотрим кварц —

это пьезоэлектрический материал,
состоящий из кремния и кислорода.

Кислород обладает отрицательным зарядом,
а кремний — положительным зарядом,

что создаёт разделение заряда,

или диполь, вдоль каждой связи.

Обычно диполи компенсируют друг друга,

поэтому не происходит разделения заряда
в элементарной ячейке.

Но если кристалл кварца сжать
в определённом направлении,

то атомы сместятся.

Благодаря асимметрии
в распределении зарядов

диполи не могут компенсировать друг друга.

На одном конце растянутой ячейки
образуется отрицательный заряд,

а на другом — положительный.

Данный дисбаланс зарядов
повторяется по всему материалу,

и противоположные заряды скапливаются
на противоположных гранях кристалла.

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

Пьезоэлектрические материалы обладают
разными структурами.

Но их объединяет отсутствие
центра симметрии.

И чем сильнее сжимать
пьезоэлектрические материалы,

тем больше генерируется напряжение.

Если же кристалл будут растягивать,

то напряжение поменяет направление.

Пьезоэлектриков больше, чем вы думаете.

ДНК,

кость

и шёлк

обладают способностью преобразовывать
механическую энергию в электрическую.

Учёные создали множество
синтетических пьезоэлектриков

и нашли им применение,
начиная от медицины

и заканчивая струйными принтерами.

Пьезоэлектричество отвечает
за ритмические колебания

кристаллов кварца,
поддерживающих точность часов,

музыкальных поздравительных открыток,

искр, воспламеняющих газ,
в некоторых зажигалках для барбекю

при щелчке выключателя.

Пьезоэлектрические устройства могут стать
ещё более распространёнными,

так как электричество пользуется
большим спросом,

а механическая энергия имеется в изобилии.

Уже существуют вокзалы,
использующие шаги пассажиров

для управления воротами и дисплеями,

и клубы, где пьезоэлектричество
управляет светом.

Могут ли баскетболисты
заряжать табло, бегая по полю?

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

Какое будет новое применение
для пьезоэлектричества?