الخاصية الكهروضغطية

في 1880 م اكتشف الأخوان بيير وجاك مواد تتواجد في الطبيعة ؛تنتج تيار كهربائي عند تعرضها للضغط أو للطرق ، وبعد اختبار اشتمل جميع المواد؛ توصل العالمان إلى أن هذه التأثير تختص به البلورات ، فما هي تلك الخاصية و كيف نتج عن اكتشاف كهذا ظهور المايكروفون السونار وتوسع ليشمل تقنيات الطاقة المستدامة كأرضيات الطاقة هذا ما سنتعرف عليه هنا

للبلورات بنية منتظمة ومتكررة أكسبتها ميزة تراصف الأيونات السالبة من جهة والموجبة من جهة أخرى عندما تتعرض لضغط وبذلك ينتج فرق جهد يتحول لتيار كهربائي أي استقطاب ذاتي والعكس أيضا صحيح ؛ فعندما يتم تسليط تيار كهربائي على مادة من المواد ذات تأثير الكهرباء الانضغاطية سوف ينتج تغير في الحجم ب 4 بالمئة من حجمها الأصلي

من بين 32 من أنواع البلورات ، 20 منها تمتلك خاصية الكهرباء الانضغاطية , وما يجمع بينهم هو انعدام تواجد مركز للتناظر مثل سكر القصب التورمالين، الكوارتز ، توباز وملح الروشيل ، أما من لها مركز للتناظر كبقية البلورات ؛ بإمكانها انتاج توليد جهد عند التعرض لتغيير في درجة الحرارة وليس الضغط أي أنهم يملكون خاصية الكهرباء الحرارية ويتم استخدامهم عادة في المجسات الحرارية

وتم بذلك تصنيف أنواع البلورات على حسب الظروف التي تساهم في توليد الجهد في كتاب الفيزياء البلورية للكاتب الألماني فولدمار فولكت، بالإضافة لمواد أخرى غير البلورات وهي السيراميك والبوليمرات ،ولم يشهد اكتشاف هذا التأثير أي تطبيقات تقنية أو تجارية لسنوات عديدة

مؤخرا تم التوصل إلى أن الحمض النووي للكائنات الحية والعظام بها الخاصية الكهروانضغاطية بالإضافة إلى أنسجة القلب وهو ما يفسر عودة القلب للحياة عند ضغط القلب عند الانعاش

خلال الحرب العالمية الأولى ، تم استغلال هذه الميزة من قبل بريطانيا في الكشف عن الغواصات الألمانية، وذلك بصنع شريحة من السيراميك تحيط بها صفيحة من مادة موصلة للكهرباء ،هذه الأداة يطلق عليها حاليا المحول {يحول الطاقة الميكانيكية لكهربائية} أي أنه عندما يصل اهتزاز الأمواج الصوتية إلى طبقة السيراميك تنحني محدثة تيار كهربائي متصل بمادة موصلة وبسلك يصل إلى سطح السفينة، ثم تترجم هذه النبضات بواسطة أنظمة حاسوب لأصوات تمكنهم من معرفة موقع المصدر وسرعته من خلال سرعة التردد الموجي وحجمه وهو ما يسمى بالمايكروفون المائي، كانت قد استخدمته ألمانيا في غواصات اليوبوت التابعة لها، مكّن هذا الاختراع بريطانيا من تحديد مواقع اليوبوت الألمانية و التصدي لها ولا زال المايكروفون المائي يستخدم إلى الآن ولكن في اكتشاف المحيط وتتبع انشطة الزلازل

أما عن كيفية ترجمة الموجات الصوتية إلى بيانات عبر المحول فهي أن الأصوات تنتقل على هيئة موجات لها تردد معين عبر الاوساط الثلاثة {المائية والهوائية والصلبة } ، وهذه الموجات تتسبب في حدوث ضغط للهواء ينتشر عبر الوسط، حين يصل ذلك الضغط إلى مادة لها تأثير كهروجهدي فإنها تنتج تيار كهربائي يطلق إشارة بحسب شدة ضغط الموجة الصوتية

تقنية تحاكي أذن الإنسان ، فحين يصل الصوت لإذن الإنسان تهتز الطبلة ثم يتحرك السائل في القوقعة والذي بدوره يحرك الشعيرات المرتبطة بالأعصاب ثم ترسل سيالات عصبية إلى الدماغ وهكذا،

تم التوصل فيما بعد لتقنية اصدار الأصوات باستخدام تاثير البايزوالكتريك المعاكس وهو بتطبيق الكهرباء من مصدر خارجي ليتحرك الحجاب الحاجز وبذلك يُصدر تردد صوتي تبعاً للإشارة ،والذي ادى إلى اختراع مكبر الصوت ثم السونار أو الكشف الصوتي الذي يقتصر مبدأه في ارسال الاصوات ثم استقبالها

تطورت المايكروفونات حاليا لتشمل تقنية الحث الكهرومغناطيسي وهي تقنية تستخدم ضغط الحجاب الحاجز الذي تسببه موجات الصوت في تحريك السلك الموصل الملتف حول مغناطيس في التسبب بارسال تيار كهربائي وهو نوع المايكروفون الديناميكي

تقنية الحث الكهرومغناطيسي للميكروفون المتحرك

ساعة الكوارتز

بها يتم استخدام الكوارتز كمتذبذب، يهتز حين يصله تيار كهربائي من البطارية وفي كل 32768 اهتزازة بالضبط ترسل تيار عبر المايكروشيب للملف الاسطواني المرتبط بالمغناطيس و الذي تتغير اقطابهه مسببا دوران للعجلة وهي الثانية

أعقب ذلك اختراع الحساسات ثم ولاعة المطبخ إلا أن كل ذلك ما هي إلا تطبيقات قديمة للتقنية ، ف خلال سنوات مضت استغلت هذه التقنية في الطرق والأرصفة ، بدأ ذلك من خلال تطبيق التقنية في أرضيات الرقص للطاقة المستدامة في إحدى نوادي هولندا عام 2008 م بحيث أن البقعة تنير حين يتم الضغط عليها وتسمى ، بحيث أن خطوة لشخص يزن 80 كجم تولد 5 واط

Piezoelectricity: Now dance to get “Charged Up” | UrbanCaricatures

ألهمت هذه الفكرة محطة القطار في اليابان، بحيث تم تركيب أرضيات كهروضغطية لتحويل طاقة الضغط الميكيانيكية ل كهربائية لتوليد ، 1400 كيلو واط من الطاقة يوميًا بما يكفي لتشغيل بوابات التذاكر وشاشات العرض

Energy-Generating Floors to Power Tokyo Subways — محطة طوكيو اليابان

Elegant Floors Hardwood Flooring — Eco-Enegry Flooring System by Stephen Chan Wing...

كانت البداية في مدينة تولوز بفرنسا تقوم بتركيب أرضيات كهروضغطية لتوليد ما يكفي لتشغيل انارة الشارع وبالمثل قامت بريطانيا أيضا بتركيب محولات الطاقة في شارع الطيور الذي يمتد من أكسفورد بلندن أكثر مواقع التسوق ازدحاما في أوروبا لاضاءة محطات الحافلات وعبور المشاة، أيضا إسرائيل طبقت هذه الفكرة بتركيب شرائح من الأسفلت في طريق سريع مكون من أربع حارات استطاعت به توليد 1 ميغاواط ساعي، وهناك ممر في ساندتون سيتي مول في جنوب أفريقيا يتم تخزين الطاقة والتبرع بها لتشغيل تقنيات التدريس فصل دراسي في قرية ريفية في مدرسة سن رايس، وشاشات العرض في محطة طوكيو في شرق اليبان بواسطة اشخاص يمشون على أرضيات كهروضغطية

مؤخرا ابتكرت شركة بافيجن طريقة أخرى في أرضيات الطاقة وهي باستخدام الحث الكهرومغناطيسي فعندما يخطو الناس على السطح العلوي ، يتسبب وزنهم في دوران المولدات الموجودة أسفل البلاط ، مما يؤدي إلى توليد طاقة خارج الشبكة عن طريق الحث الكهرومغناطيسي

Pavegen, paving the way to sustainability. Interview with Laurence Kemball-Cook - Impakter — ممرات بافيجين للطاقة المستدامة

من بين استخداماتها العدة الممرالتفاعلي الذي يفصل بين المبنيين 1 و 3 في مطار أبوظبي والذي يُسهم في جمع خطوات حوالي 8000 مسافر يومياً، وتحويلها إلى طاقة كهربائية تعمل على تشغيل شاشات العرض، وتوفير الطاقة اللازمة لإضاءة الممر،. وتتضمن شاشات العرض معلومات حول عدد الخطوات ومقدار الطاقة الحالي، إضافة إلى لعبة تفاعلية خاصة بالأطفال تُظهر طائرات ترتفع وتنخفض وفقاً لكمية الطاقة الجاري توليدها.

2018-12-5 Abu Dhabi International Airport Becomes First Transport Hub to Harvest Energy and Data from Passengers’ Footsteps in Middle East — الممر الذي يفصل بين مبنى ١ و ٣ في مطار أبوظبي الدولي، الإمارات العربية المتحدة

الخلاصة

من المتوقع أن يزيد الطلب على الطاقة ب 44بالمئة في 2050 م مقارنة بحاليا بحسب وكالة الطاقة الدولية ، والتنوع في مصادر الطاقة هو شيء ضروري لتلبية الاحتياج المتزايد، بحيث تستثمر دول من دخلها السنوي في ابتكار وتطوير تقنيات جديدة لمصادر الطاقة ، وفكرة كمحولات الطاقة الكهروضغطية تعتبر من الحلول الذكية للطاقة المستدامة إن هي استغلت في شحن البطاريات والإنارة اللازمة للمرافق العامة المكتظة