על חשמל סטטי וגבישים פיאזו-אלקטריים

האם חייבים שדה מגנטי?

כל מי שלמד פיסיקה (או ביקר בתערוכת חשמל במוזיאון המדע בירושלים) יודע שבמנוע חשמלי יש סלילים דרכם זורם זרם. זרם זה יוצר שדה מגנטי המושך או דוחה מגנט או סליל אחר. כך הופכת האנרגיה החשמלית לאנרגיה של תנועה. אך האם זוהי תמיד השיטה המוצלחת ביותר לעשות זאת, האם אי אפשר לוותר על תיווכו של השדה המגנטי ולהפוך את "כוחו של החשמל" ישירות לתנועה?

מטענים חשמליים הרי דוחים או מושכים זה את זה גם כאשר אינם זורמים. זהו העיקרון שמאחורי מרבית התופעות שאנו רואים בניסיונות בחשמל סטטי. אולי אפשר לנצל כוחות אלו להזזת חפצים. נכון שמדובר בכוחות חלשים יחסית שקשה להפעיל בעזרתם מנועים רבי עוצמה, אך במערכות טכנולוגיות רבות יש צורך בכוחות ובתזוזות קטנים יחסית.

כוחו של הסטטי

מכונות צילום מסמכים ומדפסות הלייזר מוכרות לכולנו, אך האם ידעתם שעקרון פעולתם מבוסס על חשמל סטטי? את גרגרי אבקת הצבע (הטונר) טוענים במטען חשמלי הגורם להם להימשך לתוף שעליו מוקרן הדף המצולם. כוח משיכה זה אינו גדול אומנם, אך גם גרגרי הצבע קטנים וקלים ובעזרת המטען החשמלי אפשר "לתפוס" כל אחד מהם בנפרד ו"להדביקו" בדיוק למקום המתאים.

מקומות נוספים בהם נעזרים בחשמל סטטי ל"תפיסת" גרגרים הם מסנני עשן בארובות. מתקינים בתוך הארובה מעין "מתזי" מטענים ה"יורים" מטענים חשמליים לכיוון חלקיקי העשן והפיח. מטענים אלו "נדבקים" לחלקיקים, טוענים אותם וגורמים להם להימשך ולהידבק לרשת או ללוח מתכת הטעונים במטען הפוך וכך אינם יוצאים מהארובה.

דוגמאות אלו עוסקות באיסוף גרגרים זעירים, שמשקל כל אחד מהם פחות מאלפית הגרם, אך ניתן גם לנצל את כוח המשיכה והדחייה האלקטרו-סטטים להזזה של חפצים קצת יותר גדולים. בכדי לעשות זאת מקובל להשתמש בחומרים מיוחדים המשנים את צורתם כאשר מחברים אליהם מתח חשמלי. חומרים אלו מכונים חומרים "פיאזו-אלקטרים" (פיאזו - לחץ, אלקטרי - חשמלי). הסוד בחומרים אלו הוא בצורה בה מסודרים בתוכם המטענים החשמליים. בכל אטום יש מספר שווה של מטענים חיוביים (בגרעין) ושליליים (באלקטרונים המקיפים את הגרעין). בדרך כלל המטענים השליליים מסתובבים באופן סימטרי מסביב למטענים החיוביים כך שמכל כיוון ש"נסתכל" על החומר, הוא יראה ניטראלי מבחינה חשמלית. בחומרים הפיאזו-אלקטרים, תנועת האלקטרונים אינה סימטרית והם נמצאים זמן רב יותר בצד אחד של הגרעין (ראו איור).

תנועת האלקטרון מסביב לגרעין באטום חומר "רגיל" ובחומר פיאזו-אלקטרי

הצד בו נמצאים האלקטרונים זמן רב יותר טעון למעשה במטען חשמלי שלילי ואילו הצד השני בו נמצאים האלקטרונים פחות זמן טעון במטען חיובי. מבנה זה של אטום, בו המטענים החשמליים מופרדים זה מזה צד אחד הוא חיובי ביחס לשני, מכונה דו-קוטב ובלעז דיפול (DIPOL) ואפשר למצוא אותו בחומרים רבים ולא רק בחומרים פיאזו-אלקטריים. המיוחד בחומרים הפיאזו-אלקטריים הוא שכל האטומים מסודרים באותו הכיוון, כפי שמופיע באיור.

חומר הבנוי מדיפולים חשמליים

במצב זה, פועלים על החומר שני כוחות. כוח אחד הוא כוח המשיכה האלקטרו-סטטי המושך את המטענים החשמליים השליליים והחיוביים שבכל אטום זה לזה. כוח זה "מנסה" לדחוס ולכווץ את החומר. מצד שני, פועלים בחומר כוחות פנימיים אשר מרחיקים את המטענים החשמליים ויוצרים בעצם את הדיפולים. במצב רגיל, שני הכוחות מאזנים זה את זה והחומר שומר על צורתו, אך כאשר מחברים אותו למתח חשמלי, מתווספים, או נגרעים מטענים חשמליים מהאטומים שבשכבה החיצונית. מטענים אלו "מחזקים" או "מחלישים" את הכוחות החשמליים הפנימיים וגורמים לחומר "להתכווץ" או "להימתח" כפי שרואים באיור. בכדי להבטיח שהמטענים החשמליים מהסוללה יגיעו לכל שטח הפנים של החומר, מקובל לצפות שטחים אלו בשכבת חומר מוליך.

חיבור מתח חשמלי

יתרונות המטענים הכלואים

לשימוש בחומרים פיאזו-אלקטריים בכדי לקבל תנועה מספר יתרונות:

• מכיוון שבעצם לא זורם כמעט זרם חשמלי בחומר, אין כמעט חימום ובזבוז אנרגיה בתוך הגביש הפיאזו-אלקטרי ונדרשת כמות קטנה יחסית של חשמל בכדי לבצע את התנועה המכנית.
• התנועה המכנית מתרחשת בתוך גוש החומר עצמו ואין צורך בתוספת של מגנט או אלקטרו-מגנט.
• תהליך ה"כיווץ" וה"מתיחה" מתרחש בעצם בכל אטום ואטום ולכן ניתן לבנות מחומר פיאזו-אלקטרי התקני תנועה קטנים מאוד. באופן תיאורטי ניתן אף ליצר מכשיר בגודל של אטום בודד, אך במציאות גודלם של התקנים אלו נע בין פחות ממילימטר אחד לכמה סנטימטרים.
• גודלם הקטן של ההתקנים הפיאזו-אלקטרים מאפשר לכווץ ולמתוח אותם במהירות רבה ובקצב גבוה ועל ידי כך להפיק צלילים בתדירויות גבוהות. גבוהות בהרבה מאלו שיכול, למשל, להפיק רמקול רגיל.
• מידת הכיווץ והמתיחה של החומר נקבעת באופן מדויק בהתאם למתח החשמלי המסופק לו. בצורה זו ניתן לשלוט, ע"י שינוי המתח, על גודלו של החומר ועל "תנועתו".
• בנוסף לכל היתרונות הללו, ההתקן הפיאזו-אלקטרי הוא בסך הכול גוש חומר המחובר בשני מוליכים למקור מתח. לכן ניתן ליצרו בקלות רבה ובמחיר זול יחסית.

מה אפשר לעשות עם זה?

לגבישים פיאזו-אלקטריים שימושים רבים:
זמזמים
מחוללי גלי קול בתדר גבוה
מערכות הנעה מדויקות

זמזמים

דוגמה של תנועה מכנית המוכרת לכולנו הם גלי הקול. קיים בשוק מגוון רחב של זמזמים וצפצפות המבוססים על שימוש בחומרים פיאזו-אלקטריים המרעידים את האוויר. צריכת הזרם הנמוכה של זמזמים אלו מאפשרת להשתמש בהם גם במכשירים הפועלים על סוללות כמו: שעוני יד, כרטיסי ברכה מנגנים, צעצועים קטנים, מכשירי מדידה ניידים, יומנים אלקטרוניים וכולי.

בכדי לחסוך מקום, מיצרים זמזמים אלו מפיסה שטוחה מאוד (פחות ממילימטר) של חומר פיאזו-אלקטרי המוצמדת לדסקית דקה של מתכת. דסקית זו משמשת גם כמגע חשמלי וגם כממברנה המרעידה את האוויר ויוצרת את גלי הקול. חסרונם של הזמזמים הפיאזו אלקטריים הוא שתחום התדירויות שהם מסוגלים להפיק קטן יחסית ולכן אינם שימושיים במכשירים המשמיעים קולות או מוזיקה באיכות גבוהה.

מבנה זמזם פיאזו-אלקטרי

מחוללי קול בתדר גבוה

התקנים פיאזו-אלקטרים, מיוחדים, ניתן להרעיד בקצב גבוה ולהפיק גלי קול שתדירותם גבוהה בהרבה מהתדירות שאנו מסוגלים לשמוע (כ- 15,000 תנודות בשניה). גלים אלו, המכונים גלי "על-קול" Ultra-Sound, שימושים במכשירים למדידת מרחק, בחישני מערכות אזעקה, ביחידות שליטה מרחוק ואף במכשירי אדים "קרים" המבוססים על הרעדת המים, ע"י "ריסוקם" והפיכתם לאדים. במעבדות ואצל צורפים ותכשיטנים, משתמשים ב"אמבטיות על קוליות" לניקוי. באמבטיות אלו תהליך הניקוי מבוסס על גלי על קול המרעידים את המים ומסירים את הלכלוך מהחפצים הטבולים בהם.
גלי על קול דומים משמשים במכשירי בדיקה רפואיים (מכשירי אולטרה סאונד) בכדי "לחדור" לתוך גוף האדם ו"לקרוא" מתוכו את מבנה וצורת האברים הפנימיים. במכשירים אלו תדירות גלי הקול היא מיליוני תנודות בשניה.

מערכות הנעה מדוייקות

חומרים פיאזו-אלקטריים משמשים גם במערכות מכניות עדינות ומדויקות בהן יש צורך להתקדם בצעדים קטנטנים של אלפית מילימטר (מיקרומטר) ואף פחות. מדובר בעיקר במערכות אופטיות מדויקות ובמיקרוסקופים מיוחדים כמו מיקרוסקופ המינהור הסורק (SCANNING TUNNELING MICROSCOPE). מיקרוסקופ זה משמש לסריקת פני השטח של החומר ומסוגל "לזהות" בו אטומים בודדים. תחום נוסף בו יש צורך בתנועה מדויקת הוא ההדפסה. קיימות כיום בשוק מדפסות הזרקת דיו, אפילו ברמה ביתית, בהן חלק מתנועת ראש ההדפסה מבוססת על התקן תזוזה פיאזו-אלקטרי. טכנולוגיה זו מאפשרת להגיע לכושר הפרדה (רזולוציה) של 1000 נקודות לאינץ ( 1,000dpi ) ואף יותר.