اتصال کوتاه

.

.

همه‌ی ما راه‌های زیادی را برای تولید برق می‌شناسیم. برق را می‌توان به وسیله‌ی نیروگاه آبی (نیروگاه هیدروالکتریک)، نیروگاه هسته‌ای، جمع‌آور (کلکتور) خورشیدی، نیروگاه بادی و مانند این‌ها تولید کرد. حالا در این‌جا با پروژه‌ای آشنا می‌شویم که با نیروی مکانیکیِ فشار الکتریسیته تولید می‌کند. تبدیل مستقیمِ فشار مکانیکی به الکتریسیته با استفاده از پدیده‌ای که به نام «اثر پیزوالکتریک» خوانده شده، انجام می‌گیرد.

.

پیزوالکتریسیته چیست؟

پیزوالکتریسیته «بار الکتریکی»ای است که در برخی از مواد جامد، مانند بلورها، انواعی از سرامیک‌ها و در مواد زیستی همچون استخوان، دی.ان.اِی. و پروتئین‌های مختلف، در واکنش به قرار گرفتن تحت یک «بار مکانیکی»، تجمّع پیدا می‌کند. نام «پیزوالکتریک» به معنای برقی است که از فشار ناشی شده باشد. واژه‌ی یونانی «پیزو» به مفهوم فشردن و زیر فشار له‌کردن است، و الکتریک یا الکترون نام دیگر «کهربا»، این چشمه‌ی کهنسال بارهای الکتریکی است.

پدیده یا اثر پیزوالکتریک واکنشِ الکترومکانیکیِ خطیِ متقابل میان وضعیت مکانیکی و الکتریکی در یک ماده‌ی بلورین است. اثر پیزوالکتریک، یک فرآیند بازگشت‌پذیر و دوسویه در موادی است که بی‌واسطه از خود پدیده‌ی پیزوالکتریک را بروز می‌دهند، به این معنی که بر اثر قرار گرفتن زیر یک فشار مکانیکی، در درون آن‌ها بار الکتریکی پیدا می‌شود، و همچنین بر عکس، با قرار گرفتن زیر میدان الکتریکی، یک تنش مکانیکی در ساختار اتمی آن‌ها ایجاد می‌گردد.

جوهره‌ی اثر پیزوالکتریک ارتباط تنگاتنگی با پدیدار شدن «گشتاورهای الکتریکیِ دوقطبی^[1]» در مواد جامد دارد. این گشتاور‌ها یا در شبکه‌های بلوری دارای بارهای نامتقارن پیدا می‌شوند و یا مستقیم از دسته‌های ملکولی نشات می‌گیرند. چگالی یا پلاریزاسیون دوقطبی (بر حسب سانتی‌متر/مترمکعب) را می‌توان به سادگی برای بلورها محاسبه کرد، به این ترتیب که گشتاور‌های دوقطبی در حجم معینی از «سلول واحد کریستالوگرافی^[2]» با هم جمع زده می‌شوند. چون هر دوقطبی یک بُردار است، چگالی دوقطبی‌ها (P) یک «میدانِ بُرداری^[3]» خواهد بود. دوقطبی‌های نزدیک به هم تمایل پیدا می‌کنند که در مناطقی منظم شوند که به آنها «حوزه‌های وایس^[4]» گفته می‌شود. این حوزه‌ها در حالت عادی نظمی اتفاقی دارند، اما می‌توان با استفاده از روندهای قطبیدن، مثلاً با قرار دادن یک میدان الکتریکی قوی بر ماده‌ی پیزوالکتریک، یا تغییردادن دمای آن، حوزه‌های گفته شده را به دلخواه منظم کرد. البته، همه‌ی مواد پیزوالکتریک قابلیت قطبیده شدن را ندارند.

از مهم‌ترین نتایج اثر پیزوالکتریک، تغییر پلاریزاسیون P هنگام به کار گیری یک تنش مکانیکی بر آن است. این امر می تواند یا به صورت یک آرایش جدید در پیرامون دوقطبی‌ها القا گردد، و یا به صورت یک جهت‌گیری تازه در اجزای ملکولی دوقطبی‌ها خودنمایی کند. در نتیجه، پیزوالکتریسیته ممکن است به تغییری در شدت پلاریزاسیون، راستای آن و یا هر دو منتج شود که جزییات آن به نکات زیر وابسته است:

1-     راستای P در درون بلور،

2-     تقارن بلور، و

3-     فشار مکانیکی ای که اِعمال شده است.

تغییر در P خود را به صورت تغییر در «چگالی بارهای سطحی» بر وجه‌های بلور نشان می‌دهد. به عبارت دیگر، بر اثر تغییر در چگالی بارها که در جرم بلور به وجود آورده می‌شود، میدان‌های الکتریکی که میان سطوح منتشر می‌شوند دچار تغییراتی می‌گردند. به عنوان مثال، اگر مکعبی از جنس کریستال کوارتز با حجم یک سانتی‌متر مکعب به صورت صحیح زیر یک بار مکانیکی 2 کیلونیوتونی قرار گیرد، ولتاژی برابر 12500 ولت تولید خواهد کرد.

.

چگونه یک بلور پیزوالکتریک می‌سازند؟

بلور پیزوالکتریکی که به فراوانی مورد استفاده قرار می‌گیرد، «کریستال راشل» است که نام شیمیایی آن «تارترات مضاعف سدیم و پتاسیم» است. روش ساختن بلوری از این ماده به شرح زیر است:

.

مواد لازم:

.

.

فرآیند ساخت

1-     بکینگ پودر را در یک سینی اجاق ریخته و آن را به طور یکنواخت در آن پخش و صاف می‌کنیم.

2-     سینی حاوی بکینگ پودر را به مدت 4 ساعت در اجاق قرار می‌دهیم و دمای اجاق را به این ترتیب تنظیم می‌کنیم: یک ساعت اول در دمای 65 درجه‌ی سانتی‌گراد، یک ساعت دوم در دمای 120 درجه‌ی سانتی‌گراد، یک ساعت سوم در دمای 175 درجه‌ی سانتی‌گراد، و یک ساعت آخر در دمای 230 درجه‌ی سانتی‌گراد.

3-     در فواصل بین این 4 ساعت می توانیم مراحل دیگر این پروژه را به انجام برسانیم.

4-     مقدار 250 میلی‌لیتر آب مقطر را در یک لیوان شیشه‌ای آزمایشگاه (بِشِر) به جوش می‌آوریم.

5-     کرم تارتار را داخل این آب ریخته و به طور کامل حل می‌کنیم.

6-      یک ظرف سس حاوی کمی آب برمی‌داریم. بشر آب جوشی که کرم تارتار در آن حل شده را داخل این ظرف قرار می‌دهیم طوری که بشود محلول را به طور غیرمستقیم گرم کرد.

7-     حالا ظرف سس را روی شعله قرار می‌دهیم. پس از دقایقی، وقتی که آب داخل ظرف شروع به جوشیدن کرد، بکینگ پودر داغ شده را کم کم به بشر اضافه می‌کنیم تا موقعی که محلول صافی به رنگ طلایی حاصل شود. این مرحله در حدود 50 دقیقه زمان می‌برد.

8-     حالا بشر را از ظرف خارج کرده، محلول را از کاغذ فیلتر می‌گذرانیم.

9-     ماده‌ی حاصل «تارترات مضاعف سدیم و پتاسیم» است. می‌گذاریم تا سرد شود و آن را به مدت دو هفته به حال خود رها می‌کنیم.

10- پس از گذشت دو هفته، وقتی به سراغ بشر برویم ساختارهای کریستالی درون آن را خواهیم دید. این‌ها بلورهای پیزوالکتریک هستند.

.

.

چگونه با استفاده از بلورهای پیزوالکتریک برق تولید کنیم؟

1-     بلورها را برداشته و خشک می‌کنیم و به دو طرف آن‌ها زرورق آلومینیومی قرار می‌دهیم. روی هر زرورق سیمی قرار داده و مجموعه را با پیچیدن نوار چسب به دور آن در جای خود ثابت می‌کنیم.

2-     سر سیم‌ها را به یک مولتی‌متر وصل می‌کنیم. حالا با فشردن یا ضربه زدن روی بلورها شاهد ضربان‌ها و پالس‌های ولتاژی خواهیم بود.

3-     امکان دریافت ولتاژهایی تا حد 2 ولت امکان‌پذیر می‌باشد.

.

چگونه این ولتاژ را بالاتر ببریم؟

1-     می توان از یک مدار «ژول دزد» برای بالاتر بردن ولتاژ استفاده کرد.

2-     نمونه‌ای از این مدار در اینجا آمده است.

.

کاربردها

1-     از این بلورها به تعداد زیاد می‌توان برای ساختن کاشی‌هایی برای پوشاندن کف مسیرهای پر رفت و آمد در منزل یا محل کار استفاده کرد و از برق تولیدشده برای تامین روشنایی بهره‌گیری نمود.

2-     با نصب بلورها در جاده‌ها می‌توان روشنایی مسیر را به رایگان تامین کرد.

.

.

مطالب مرتبط:

کباب تابه ای با مخلفاتی از جنس فیزیک -1

آسیب زدن به این ماده ی جنگیِ حیاتی، خرابکاری محسوب می شود (فیلم)

.

.

منابع:

https://fa.wikipedia.org

https://article.tebyan.net

.

.

.

.

.