كهرباء انضغاطية

قرص كهربائي انضغاطي يولد فرق جهد عند توليد ضغط عليه (تغير الشكل مكبر كثيرا لغرض التوضيح)

خطأ في إنشاء صورة مصغرة: تعذر حفظ الصورة المصغرة للوجهة

الكهرباء الانضغاطية Piezoelectricity ( //) هوقدرة بعض المواد (وخصوصا الكريستال، وبعض المواد السيراميكية، بما فيها العظم) على توليد كمون كهربائي استجابة لتطبيق إجهاد ميكانيكي. هذا قد يأخذ شكل لفصل الشحنة الكهربائية عبر البنية البللورية. إذا كانت هذه المواد غير مقصورة الدارة، فإن الشحنة المطبقة ستولد جهد كهربائي في المادة.

تأثير الكهرباء الانضغاطية هوتأثير عكوس، بحيث يتولد إجهاد ميكانيكي في المادة عند إخضاعها لفرق جهد كهربائي.

لهذا الأثر تطبيقات مفيدة مثل إنتاج واستشعار الصوت، وتوليد جهد كهربائي عالي، توليد تردد إلكتروني، الموازين الدقيقة.

التاريخ

اكتشفت ظاهرة الكهرباء الانضغاطية في العام 1880 بواسطة الأخوين پيير كوري وپول-جاك كوري. وذلك من خلال عملهما وخبرتهما في الكهرباء الحرارية pyroelectricity (توليد الكهرباء بواسطة التسخين) وعلاقة ذلك بالهجريب البلوري حيث تسقطا حتىقد يكون للضغط أيضا تأثير لتوليد الكهرباء.

وقد اُكتشف هذا المفعول عندما وُضعت أثنطق فوق بلورات مثل الكوارتز وملح روشيل - الذي هوليس إلا طرطرات البوتاسيوم والصوديوم - فوُجد حتى شحنات كهربائية تتولد على سطحي البلورة، وقد تحقق العالمان كوري في العام التالي من حدوث المفعول المعاكس. ولازال الكوارتز يستخدم حتى اليوم في الهزازات الإلكترونية، وكذلك شأن ملح روشيل الذي يُستخدم حالياً في خلق مكبرات الصوت (المكروفونات)؛ وذلك لتميُّزه بتوليد العمل الكهرضغطي بشدة عالية، إلا حتى مجال عمله الحراري محدود حتى الدرجة 23 ْم.

يشار إلى أنه كي تولِّد بلورة ما مفعولاً كهرضغطياً لابد من حتى تخلوبنيتها البلورية من مركز تناظر، وإلى أنه من بين أصناف التناظرات في البلورات، وعددها 32 صنفاً، يبدي عشرون صنفاً منها فقط مفعولاً كهرضغطياً.

إن خضوع بلورة لاتمتلك مركز تناظر للضغط الميكانيكي يسبب انزياح الأيونات في الشبكة البلورية عن مواضعها، الأمر الذي ينجم عنه توليد حقل كهربائي، وتبلغ شدة الحقل الكهربائي في بعض البلورات القيمة (1010 فولط/متر).

الحرب العالمية الأولى

اُستخدم المفعول الكهرضغطي إبان الحرب العالمية الأولى عام 1917 لكشف الغواصات بالأمواج فوق الصوتية، حين قام العالم الفرنسي لانجفان P.Langevin وزملاؤه بصنع محوِّل طاقة transducer مؤلَّفٍ من مصفوفة من شرائح الكوارتز الرقيقة ألصقت بين صفيحتين فولاذيتين بحيث تؤلف المجموعة جملة مهتزة ذات تجاوب resonant عند التواتر 50 كيلوهرتز، واختير الحامل الملائم لها كي تعمل تحت الماء. وبانتهاء الحرب العالمية الأولى خضعت الجملة المهتزة تلك للتعديل بحيث غدت تعمل عند ترددات أعلى بكثير، واستخدمت في أغراض كشف الصدى وأنظمة السونار sonar، أي الرادار الصوتي، الذي يكشف الأجسام تحت الماء كأسراب السمك، ويصوِّر قاع المحيطات بل ويرسم تضاريسها. وقد استخدمت مجاوبات من الكوارتز تعمل عند ترددات تقدر بالميغا هرتز أي 610 هرتز ومضاعفاتها، لتوليد أمواج إذاعية ذات تردد عالي الاستقرار، وهوأمر مرغوب فيه جداً في ميدان البث الإذاعي.

طُوِّرت مواد ووسائل اختبار تعتمد على انتشار الأمواج فوق الصوتية لدراسة خواص السوائل والغازات مثل المرونة واللزوجة، كما استخدمت هذه الأمواج لكشف التشققات أوالتشوُّهات في السبائك المعدنية من دون تعريضها للتلف فيما يسمى بالاختبارات اللاإتلافية non- destructive testing التي يرمز لها اختصاراً بـ NDT، ويظهر في الشكل (2) اختبار من هذا القبيل.

الحرب العالمية الثانية وما بعدها

آلية العمل

Piezoelectric plate used to convert audio signal to sound waves

في بلورة المادة الكهربائية الانضغاطية تكون الشحنات السلبية والموجبة مفصولة، ولكن موزعة بشكل متناظر، بحيث تكون الشبكة البلورية متعادلة كهربائيا بشكل عام. يشكل جميع من هذه الأطراف ثنائي أقطاب كهربائي، وعادة تميل ثنائيات الأقطاب القريبة من بعضها البعض إلى حتى تكون متسقة في مناطق تدعى "مجالات ڤايس" Weiss domains. تكون هذه المجالات عادة موجهة عشوائيا، ولكن يمكن حتى تكون متسقة خلال الاستقطاب (يختلف هذا عن عملية الاستقطاب المغناطيسي)، والذي يتم من خلال تطبيق مجال كهربائي قوي عبر المادة عادة في درجات حرارة مرتفعة.

عند تطبيق جهد ميكانيكي يتشوه التوضع المتناظر للشحنات وهذا يؤدي إلى توليد الجهد الكهربائي عبر المادة. على سبيل المثال إذا طبق 2 كيلونيوتن من القوة على 1 سم³ من الكوارتز يمكن حتى تنتج من الجهد 12500 فولت.

طبقات الكريستال

Any spatially separated charge will result in an electric field, and therefore an electric potential. Shown here is a standard dielectric in a capacitor. In a piezoelectric device, mechanical stress, instead of an externally applied voltage, causes the charge separation in the individual atoms of the material, .

المواد

تكون البلورات طبيعياً

العظام

غيرها من المواد الطبيعية

البلورات الاصطناعية

السيراميك الاصطناعي

Tetragonal unit cell of lead titanate

Lead-free piezoceramics

البوليمرات

الاستخدامات

الجهد العالي ومصادر الطاقة

وقد استخدُمت محوِّلات طاقة بأشكال هندسية مختلفة (كرات، أسطوانات) وبحجوم متفاوتة من مواد سيراميكية مصنَّعة لتوليد أنظمة سونار عالية الطاقة لأغراض مختلفة تجارية وعسكرية وطبية. كما انتشرت الولاعات الكهرضغطية التي تشعل الغاز عن طريق شرارة تنبجس بين وجهي قرص سيراميكي من مواد كهرضغطية عندما يتعرض للإجهاد الميكانيكي. وصنعت مكبرات صوت (مكروفونات) حساسة صغيرة، لا تستهلك طاقة تُذكر، وتعمل عند جهود كهربائية ضعيفة، كما صنعت أقراص سيراميكية محصورة بين قرصين من معدنين رقيقين لتعمل عمل مكبر صوت ولتصدر نغمات موسيقية استجابة لإشارات تردها من دارات منطقية.

كما استخدمت المواد الكهرضغطية لصنع مرشِّحات للترددات العالية في التجهيزات التي تعمل بالأمواج فوق الصوتية السطحية surface acoustic waves التي يرمز لها اختصاراً بـ SAW. كما استخدمت البلورات الكهرضغطية لقياس الظواهر الميكانيكية العابرة transient لسرعة استجابتها التي تقارب الميكروثانية، أي 10-6 ثانية. ومن بين هذه الظواهر دراسة حوادث احتراق وقود الصواريخ والصدم والتسارعات والاهتزازات الميكانيكية السريعة.

إن الدراسة الرياضية للمفعول الكهرضغطي معقدة، وخلاصتها أنه إذا تألفت مكثفة من مادة كهرضغطية ثابت نفوذيتها ε بحيثقد يكون السطح المشهجر بين لبوسيها S وإذا طُبِّق عليها جهد كهربائي U فإن الشحنة التي تتوضَّع عليها Q، تعطى بدلالة أبعاد المكثفة والقوة F المطبقة عليها بالعلاقة:

حيث KQ معامل الشحنة الكهرضغطية ويقدر بالكولون/نيوتن وقيمته بالنسبة للكوارتز 10-12 كولون/نيوتن، وe الشحنة العنصرية.

المجسات

Piezoelectric disk used as a guitar pickup

Many rocket-propelled grenades used a piezoelectric fuze. For example: RPG-7

المحركات

Metal disk with piezoelectric disk attached, used in a buzzer

معيار التردد

محركات كهرضغطية

A slip-stick actuator.

الحد من الاهتزازات والضوضاء

علاج العقم

الجراحة

انظر أيضاً

Charge amplifier
Electronic component
Electret
Electrostriction
Energy harvesting, methods of converting other forms of energy to electricity.
Ferroelectricity
Flexoelectricity
Magnetostriction
Photoelectric effect
Piezomagnetism
Piezosurgical
Piezoresistive effect
Sonomicrometry
Surface acoustic wave
Triboluminescence

مكون إلكتروني

المصادر

^ "Sensor Sense: Piezoelectric Force Sensors". Machine Design. Penton Media, Inc. 2008-02-04. Retrieved 2008-11-04.
^ أحمد حصري. "الكهرباء الضغطية". الموسوعة العربية.
^ Speck, Shane. (2004-03-11) How Rocket-Propelled Grenades Work by Shane Speck. Science.howstuffworks.com. Retrieved on 2012-05-04.

المعايير الدولية

ANSI-IEEE 176 (1987) Standard on Piezoelectricity
IEEE 177 (1976) Standard Definitions & Methods of Measurement for Piezoelectric Vibrators
IEC 444 (1973) Basic method for the measurement of resonance freq & equiv series resistance of quartz crystal units by zero-phase technique in a pi-network
IEC 302 (1969) Standard Definitions & Methods of Measurement for Piezoelectric Vibrators Operating over the Freq Range up to 30 MHz

وصلات خارحية

Gautschi, Gustav H., 2002, Piezoelectric Sensorics, Springer, ISBN 3-540-42259-5,
Fundamentals of Piezoelectrics
Piezo motor based microdrive for neural signal recording
History of Piezoelectricity
Research on new Piezoelectric materials
Piezo Equations
Piezo in Medical Design
Video demonstration of Piezoelectricity
DoITPoMS Teaching and Learning Package – Piezoelectric Materials
Piezo Motor Types