גבישים פיזואלקטריים זוהו לאחרונה כגורם לתופעת טבע שעיצבה את עלייתן ונפילתן של ציוויליזציות. גם ישנם מאמצים תכופים למצוא עבורם יישומים שימושיים, אם כי רבים מהם מסתיימים כקוריוזים. כמה דוגמאות לשימוש בתופעה כוללות: ייצור תדר מדויק למערכות אלקטרוניות (כמו תדר שעון), הפיכת קול לאות אלקטרוני (מיקרופון) או להפך (רמקול או מתמר אולטראסוני), שחרור דיו במדפסות, מנועים זעירים (למשל למיקוד עדין ומדויק של עדשות), ייצור מתח גבוה (למשל במצת גז ביתי), מרעומי הקשה לרקטות וטילים.
אז מהי פיזואלקטריות, ולמה גבישים שיש להם אותה מתנהגים בדרכם הייחודית?
חומרים מסוימים, כאשר הם נמצאים תחת לחץ פיזי, מפתחים חוסר איזון של מטענים. אלקטרונים מצטברים בחלקים מסוימים, ויוצרים פוטנציאל חשמלי שלילי; בעוד אזורים אחרים מדולדלים באלקטרונים, וכך יוצרים פוטנציאל חיובי.
קוורץ, החומר הנפוץ ביותר המציג פיזואלקטריות, הוא כל כך נפוץ עד שסביר להניח שאנשים רבים שמו לב שכאשר לוחצים עליו, הוא יכול להיות מסוגל למשוך אובייקטים טעונים. כמובן, קוורץ לא קל ללחוץ, וזו אולי הסיבה לכך שאין תיעוד לתצפיות אלה לפני שפייר קירי ואחיו ז'אק פרסמו מחקר על כך ב-1880.
האחים קירי הראו שגבישים מסוימים הופכים למקוטבים חשמלית כאשר מופעל עליהם לחץ, ועוצמת השדה היא פרופורציונלית לכוח המופעל. השם בא מהמילה היוונית העתיקה piézō, "ללחוץ". עבור ז'אק, זו היתה גולת הכותרת של הקריירה המדעית שלו, בעוד פייר המשיך והפך יותר מפורסם בזכות דברים רבים אחרים.
בתקופה שבה ההבנה שלנו בחשמל הייתה בחיתוליה, ורק מספר יישומים מעשיים פותחו, התגלית סייעה ליצירת התרגשות מהתופעה הכללית, אך בתחילה זה היה רק קוריוז. כאשר שדה חשמלי מוחל על חומר פיזואלקטרי, הוא יתעוות, תופעה המכונה האפקט הפיזואלקטרי ההפוך (converse piezoelectric effect). השינוי הוא בדרך כלל זעיר - אולי חלק אחד מאלף - אבל זה מספיק לכמה יישומים מעשיים.
פיזואלקטריות נצפתה בתחילה בגבישים. האחים קירי ניסו ללחוץ כל מיני חומרים גבישיים כדי לראות אילו מהם הוכיחו את עצמם כפיאזואלקטריים וכדי למצוא את האפקט החזק ביותר. מלח רושל (Rochelle salt), סוג של חומצה טרטרית, וקוורץ היו הדוגמאות שכיכבו אצלם.
למרות הידע המצומצם שהיה קיים באותה תקופה על האופן שבו אטומים מסתדרים בגבישים, האחים הצליחו להסיק כי המאפיין המשותף של הגבישים הפיאזואלקטריים קשור לצירי הסימטריה שלהם. התנהגות פיזואלקטרית דורשת שלגביש יהיה קשר קוטבי, שבו אטומים מסוימים מחזיקים באלקטרונים שלהם חזק יותר מאחרים. הם גם חייבים שלא תהיה בהם סימטריית היפוך, כלומר הם אינם זהים כאשר מרכיבים ממוקמים בצד הנגדי של מרכז סימטריה, למרות שיותר סוגים של גבישים הם פיזואלקטריים מאשר לא, אלה שמראים אפקטים פיזואלקטריים חזקים נדירים בטבע, קוורץ הוא היחיד שנפוץ.
בגבישים פיזואלקטריים, הלחץ גורם לדיפולים חשמליים להתיישר, במקום להיות מסודרים באופן אקראי, כך שההשפעה המצטברת שלהם מייצרת שדה. מאז למדנו שפיזואלקטריות אינה מוגבלת לגבישים. קרמיקה פרו-אלקטרית (Ferroelectric - כזו שמקוטבת חשמלית בדרכים המתנגדות להיפוך משדות חיצוניים) עם גרגירים בעלי אוריינטציה אקראית יכולה להיות פיזואלקטרית. זה כולל את סוג החומרים הידועים כפרובסקיטים שכנראה מייצגים את עתיד האנרגיה הסולארית.
גם חלק מהפולימרים מציגים התנהגות פיזואלקטרית חלשה מכיוון שמטענים חשמליים מצטברים סביב חללים בתוך החומר, ומתרכזים כאשר החללים מתעוותים. ההפתעה הגדולה בתחום הזה הגיעה במקרה כאשר התגלו נוזלים פיזואלקטריים, שהדהימו את החוקרים פשוטו כמשמעו.
פיזואלקטריות משמשת ביישומים רבים. ברוב החומרים, האפקט הפיאזואלקטרי כל כך חלש עד שקשה מדי לרתום אותו. ישנם חריגים, עם זאת - לחץ מתאים על גבישי קוורץ יכול לייצר הפרשי פוטנציאל חשמליים של אלפי וולט, ללא צורך לסחוב מכשיר גדול באופן בלתי מעשי. פרץ החשמל הנוצר מלחץ פתאומי על גביש קוורץ יכול לייצר ניצוצות שקופצים מעל רווח, והוא הבסיס למציתים והתקני הצתה לתנורי גז ותנורים.
מצד שני, על ידי שינוי השדות החשמליים סביב גבישים פיזואלקטריים, האפקט ההפוך יכול לגרום ללוחות מתכת המודבקים לקריסטלים לרטוט במהירות רבה. כאשר מתבצעות אלפי פעמים בשנייה, נעשה שימוש בתנודות אלה להפקת הסונאר הראשון, אשר מיפה את קרקעית האוקיינוס וזיהה צוללות. במהלך מלחמת העולם השנייה. גישה דומה אפשרה לייצר משדרי רדיו קלים יותר, המאפשרים למטוסים לתקשר זה עם זה בזמן טיסה.
מאמר שפורסם לאחרונה חושף כי התכונות הפיזואלקטריות של הקוורץ עשויות להיות הסיבה לכך שהזהב שוקע בעורקי קוורץ ויוצר גוש מרוכז. ההשפעות הכלכליות של הגושים האלה - והאופן שבו נוכחותם גרמה לאימפריות לקום וליפול - אומר שאם זה נכון, ייתכן שהפיזואלקטריות הטבעית עיצבה את ההיסטוריה שלנו יותר מכל יישום שבני אדם תכננו.
יש כנראה אפקטים פיזואלקטריים חשובים עוד יותר, אבל אנחנו עדיין לא מבינים אותם לגמרי. חלקי גוף רבים, כגון עצמות, הם פיזואלקטריים, וחושבים שהם משתמשים בזה כדי לגדול. ייתכן שזו הסיבה לניוון עצמות במסלול, למשל; הלחצים שנוצרים בכוח הכבידה של כדור הארץ גורמים להם להתחדש באמצעות פיאזואלקטריות.
פיזואלקטריות ריתקה מספיק מדענים שחלקם רואים פוטנציאל ליישומים יותר משמעותיים. לדוגמה, רעיונות לכסות כבישים בחומרים פיזואלקטריים ולהפיק כמויות גדולות של אנרגיה ממכוניות שנוסעות עליהם, או נעליים לייצור חשמל שמושכות תשומת לב מדי פעם. עם זאת, דיווחים אלו בדרך כלל אינם מביאים בחשבון את חוסר היעילות של הגישה, עוד לפני שמגיעים לעלות העצומה. גרסאות צנועות יותר משמשות כמכשירים שיווקיים, כמו מועדוני לילה שמפעילים את התאורה מאנשים שרוקדים על רצפה פיזואלקטרית.
מקורות:
Комментарии