کوارتز: سنگِ زمانسنج و جریانساز
کوارتز را بیشتر بشناسیم
کوارتز بعد از فلدسپات، دومین کانی فراوان در پوسته زمین است. فرمول شیمیایی ساده آن $SiO_2$ (دیاکسید سیلیسیم) است و در مقیاس سختی موس، سختی آن 7 است (الماس سختی 10 دارد). این کانی در رنگهای بسیار متنوعی مانند شفاف، سفید، صورتی، بنفش (آمتیست) و دودی یافت میشود. اما آنچه کوارتز را برای صنعت بسیار ارزشمند کرده، ساختار اتمی منظم و خاص آن است.
| ویژگی | مشخصات | توضیح |
|---|---|---|
| فرمول شیمیایی | $SiO_2$ | ترکیبی از اتمهای سیلیسیم و اکسیژن |
| سختی (مقیاس موس) | 7 | مقاوم و در مقابل خراش بسیار بادوام است |
| رنگها | شفاف، سفید، صورتی، بنفش، دودی | تنوع رنگ به دلیل ناخالصیهای فلزی موجود در آن است |
| خاصیت ویژه | پیزوالکتریک | تبدیل فشار به الکتریسیته و بالعکس |
اثر پیزوالکتریک: ضربهای که جریان میسازد
در سال 1880، دو برادر فیزیکدان فرانسوی به نامهای پیر و ژاک کوری، هنگام آزمایش روی بلورهایی مانند کوارتز و تورمالین، پدیدهای شگفتانگیز کشف کردند. آنها متوجه شدند اگر به این بلورها فشار وارد شود، در دو طرف آنها بارهای الکتریکی مثبت و منفی ظاهر میشود و یک اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) ایجاد میگردد. به این پدیده اثر پیزوالکتریک مستقیم میگویند. ریشه این کلمه از یونانی و به معنای «فشردن» گرفته شده است.
اما جالبتر این که این اثر، دوطرفه است! یعنی اگر به همان بلور، ولتاژ بدهیم، بلور به مقدار بسیار کوچکی تغییر شکل میدهد (منقبض یا منبسط میشود). به این حالت، اثر پیزوالکتریک معکوس میگویند. این رابطه دوطرفه بین فشار و الکتریسیته، کلید اصلی کاربردهای گسترده کوارتز است.
کوارتز چگونه زندگی ما را دقیق و آسان کرده است؟
حالا که با این خاصیت آشنا شدیم، بیایید ببینیم چگونه وارد زندگی روزمره ما شده است. بیشترین شناخت ما از کوارتز، احتمالاً مربوط به ساعتهای کوارتز است. درون این ساعتها یک تراشه کوچک و برشخورده از کوارتز مصنوعی وجود دارد. باتری ساعت به این تراشه ولتاژ بسیار پایداری میدهد. به لطف اثر معکوس، کوارتز در پاسخ به این ولتاژ شروع به لرزش میکند. اما این یک لرزش معمولی نیست؛ این لرزش با فرکانسی بسیار دقیق و ثابت، معمولاً 32768 بار در ثانیه انجام میشود! مدار الکتریکی ساعت، این لرزشهای منظم را میشمارد و هر 32768 بار لرزش، یک پالس برای حرکت یک ثانیه عقربهها تولید میکند. به همین دلیل است که ساعتهای کوارتز آنقدر دقیق هستند.
کاربرد جالب دیگر، در فندکهای پیزوالکتریک اجاق گاز یا باربیکیو است. وقتی دکمه فندک را فشار میدهید، یک چکش کوچک با سرعت به یک بلور کوارتز (یا سرامیک پیزو) ضربه میزند. طبق اثر مستقیم، این ضربه ناگهانی باعث ایجاد یک ولتاژ بسیار بالا (چند هزار ولت) بین دو سر بلور میشود. این ولتاژ آنقدر زیاد است که میتواند در یک فاصله کوچک هوایی، یک جرقه ایجاد و گاز را شعلهور کند.
| وسیله | نقش کوارتز/پیزو | کدام اثر؟ |
|---|---|---|
| ساعت مچی و دیواری کوارتز | ایجاد لرزش بسیار منظم برای اندازهگیری دقیق زمان | معکوس |
| فندک اجاق گاز (پیزو) | تبدیل ضربه به جرقه برای اشتعال گاز | مستقیم |
| میکروفون و بلندگوهای قدیمی | تبدیل امواج صوتی به سیگنال الکتریکی و بالعکس | هر دو |
| حسگرهای فشار و ضربه | تشخیص فشار و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی | مستقیم |
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. هر ماده بلوری که ساختار اتمی نامتقارن داشته باشد میتواند این خاصیت را نشان دهد. از دیگر مواد طبیعی میتوان به تورمالین و نیشکر اشاره کرد. همچنین امروزه سرامیکهای صنعتی مانند تیتانات باریم و زرکونات-تیتانات سرب (PZT) ساخته شدهاند که اثر پیزوالکتریک قویتری هم دارند.
پاسخ: بله، معمولاً متفاوت است. کوارتز مورد استفاده در وسایل الکترونیکی، غالباً در آزمایشگاه و به صورت مصنوعی کشت میشود. این کار امکان کنترل دقیق روی اندازه، خلوص و جهتگیری بلور را فراهم میکند تا فرکانس لرزش دقیقاً مطابق نیاز دستگاه (مثلاً همان 32768 هرتز) باشد. در طبیعت پیدا کردن بلوری با چنین دقتی تقریباً غیرممکن است.
پاسخ: خیر، ولتاژ تولیدشده اگرچه ممکن است عدد بزرگی باشد (مثلاً چند هزار ولت)، اما جریان الکتریکی بسیار ناچیزی دارد و انرژی کافی برای روشن کردن حتی یک لامپ LED کوچک را فراهم نمیکند. این ولتاژ بالا اما کمجریان، برای ایجاد جرقه در فاصله هوایی کوچک (مثل فندک) مناسب است، نه برای تامین انرژی پایدار.
پاورقی
۱. پیزوالکتریک (Piezoelectricity): خاصیتی در برخی مواد که در اثر اعمال فشار مکانیکی، الکتریسیته تولید میکند و برعکس.
۲. فرکانس (Frequency): تعداد تکرار یک رویداد در واحد زمان (معمولاً ثانیه). واحد آن هرتز (Hz) است.
۳. اختلاف پتانسیل الکتریکی (Electric Potential Difference): همان ولتاژ که عامل رانش جریان الکتریکی بین دو نقطه است.
۴. هرتز (Hertz): واحد اندازهگیری فرکانس. یک هرتز یعنی یک بار تکرار در ثانیه.
۵. کانی (Mineral): مادهای طبیعی، جامد، غیرآلی و بلوری که ترکیب شیمیایی مشخصی دارد.
