كل ما تجهلة عن بلورة المرو ''الكورتز'' استخدامات 2018

قد كان للمعادن دور هام وبارز على مدى التاريخ حيث استخدم الانسان قديما الصوان لصنع ادواته اليومية والمنزلية, كما اكتشف المقاشط والبلط اليدوية في الكهوف. كما استخدم الانسان قديما الفلزات لاول مرة كمواد للتجميل والزينة مثل الذهب والنحاس. وهكذا تدرج الانسان على مر السنين باستخدام واكتشاف المعادن والصخور المختلفة واستخدم مختلف الوسائل الطبيعية والكيميائية لاستخلاص وتنقية وصهر هذه المعادن والصخور لاستخدامها لحاجاته اليومية وفي الصناعة.
ومن المعدن المهمة

معدن كوارتز

الصيغة الكيميائية سيليكا (ثاني أكسيد السيليكون(SiO2
اليتميز
اللون : صافي (إذا انعدمت الشوائب (also see Varieties
عادة التبلور : 6-sided prism ending in 6-sided pyramid (typical)
نظام التبلور: سداسي
Cleavage None
مقياس موهو للصلادة : 7 - lower in impure varieties
البريق : Vitreous/glossy
معامل الإنكسار : 1.544-1.553 - DR +0.009 (B-G interval)
Pleochroism None
تعريق أبيض
الوزن النوعي : 2.65 constant; variable in impure varieties
نقطة الإنصهار : 1650 (±75 °C )
نقطة الغليان : 2230 °C
قابلية الذوبانه في : H2O غير قابل للذوبان
اكتشاف الكوارتز
يعود اكتشاف الكوارتز إلى الفرنسي ( بيير كوري ) وأخوه ( جاك ) واللذان كانا يدرسان عينة من الرمل في عام 1880 حيث لاحظا ظاهرة غريبة ، وهي انه عند تعريض الكوارتز ( ثاني أكسيد السيليكون ) لجهد آلي فإنه يتولد تيار كهربائي ، وبالعكس ففي حال تعرضت بلورة الكوارتز لمجال كهربائي ، فإنها تتذبذب وتهتز بتردد معين ، كما وجد أن هذا الاهتزاز والتذبذب يتسم بالانتظام والدقة العالية. هذه الظاهرة والتي عرفت بالبيزوكهربائية
وتعتبر البرازيل و الأوروجواي من أهم الدول المنتجة لأنواع الكوارتز المختلفة و أفضل الأنواع هي المتواجدة في صخور المحاليل الساخنة و صخور البجماتيت
استخدامات حربية الكترونية وطبية جد هامة لهدا المعدن
كوني جيولوجي وهاوي للالكترونيات واحب البحث كثيرا في مجال الالكترونيات جمعت هدا البحث القيم الدي هو حقيقة بحاجة للمواصلة من عدة مواقع كبحث بحاجة للدراسة اكثر

الكريستال ( الكوارتز أ, المرو ) هو من بين المواد الطبيعية التي لها مغعول كهروضغطي piézoélectrique
والتي نجد من بينها أيضا أملاح روشال والأحجار الكهربائية Tourmoline حيث أن هذه المواد تهتز عندما نطبق عليها توترا كهربائيا بشكل يتناسب (يتجاوب) مع تردد هذا التوتر المطبق ولهذا فهي تستعمل في تثبيت التردد . يتواجد المرو في الطبيعة على شكل موشور ولا يتم استعماله بهذا الشكل بل يتم قطعه على شكل متوازي مستطيلات . ونظرا لوفرته في الطبيعة فهو الأكثر استعمالا .
وتوجد عدة طرق لقطع المرو منها : قطع X , قطع Y , قطع XY , قطع AT إلى غير ذلك .
بعدها يتم وضع قطعة المرو بين لبوسين معدنيين ويتعلق تردد اهتزاز المرو بطريقة القطع وكذا سمك قطعة المرو . كما هو مبين في الجدول :



إن أدنى تردد يمكن أن تهتز معه البلورة يسمي التردد الاساسي كما يمكن للبلورة أن تهتز تحت مضاعفات هذا التردد تدعي هذه الترددات بالانسجاميات
مثلا : بإمكان بلورة ذات تردد أساسي 2 ميقاهرتز أن تهتز مع
الانسجاميات4 ميقاهرتز و 8 و ميقاهرتز .
عبارة التردد الآساسي هي n= k/b
K=  ثابت يتعلق بطريقة القطع .
B= سمك قطعة المرو .
كلما قل سمك البلورة إرتفعت قيمة ترددها الاساسي لكنها تصبح أكثر قابلية
للعطب .
يمكن أن يصل التردد الآساسي للمرور إلي 10 ميقاهرتز.
للوصول إلى ترددات أكبر تستعمل بلورة مركبة خاصة أو تستعمل مادة أكثر متانة كالأحجار الكهربئية حيث يصل التردد إلى 100 ميقاهرتز .
- ماذا تكافئ بلورة الكوارتز .
في حالة التيار المستمر تشبه البلورة مكثف سعته س لأن لها لبوسين يفصلهما عازل ( المرو) أما في حالة الاهتزاز فهي تكافئ الدارة التالية .




هذه صورة للكريستال قبل وبعد القطع


وبهاته المعلومة لتدركوا اكثر استخدام جد مهم للغاية وسري للغاية لهدا المعدن العام المتوافر بالطبيعة
في كل من:
فكرة عمل الأمواج فوق
الصوتية (Ultrasound) وتطبيقاتها
حيث بدأت اول الابحاث في الموجات الصوتية منذ عام 1822 عندما سعى عالم الفيزياء (دانيل كولادين) السويسري الأصل لحساب سرعة الصوت عن طريق جرسه المائي في مياه بحيرة (جنيفا). والتي ادت لوضع ( نظرية الصوت ) في عام 1877 بجهود العالم ( لورد ريليه ) والتي شرحت الأساسيات الفيزيائية لموجات الصوت وانتقاله وارتداده. وتوالت الأبحاث تباعاً حتى كان تصميم أول نظام رادار صوتي والمعروف باسم (Sonar) في الولايات المتحدة عام 1914 لأغراض الملاحة البحرية ولتحديد أماكن المارينز الألماني في الحرب العالمية الأولى. ولم توظف الموجات فوق الصوتية لخدمة الأغراض الطبية حتى بداية الأربعينات على يد دكتور الأعصاب النمساوي (كارل ثيودو) والذي يعتبر أول طبيب استخدم الموجات فوق الصوتية في التشخيص الطبي وقد واجه في ذلك صعوبات بسبب امتصاص عظام الجمجمة لمعظم طاقة الموجات فوق الصوتية.
الالتراساوند

الالتراساوند هي تكنولوجيا تستخدم الامواج فوق الصوتية في التصوير الطبي
وتستخدم امواج صوتية ذات ترددات اكبر 20 كيلو هرتز اي اكبر من الترددات
التي تسمعها اذن الانسان وتعتمد فكرة عمل تلك الاجهزة الطبية على الامواج
الفوق صوتية التي تسقط على الجسم وتنعكس عنه مثل ما يقوم الخفاش الذي يطير
في الليل مستعينا بالامواج الفوق صوتية التي يحدثها لتسقط على الاجسام
امامه وتنعكس عنها ويسمعها فيحدد مساره دون الحاجة الى حاسة الابصار
لليستدل على الطريق ولذلك يستطيع الطيران في الليل. كما تستخدم الحيتان في
البحر الامواج فوق الصوتية وتستخدمها الغواصات البحرية كجهاز رادار يعمل في
اعماق المحيطات لكشف العواصات المعادية. وتعتمد فكرة استخدام الامواج فوق
الصوتية
ويعتبر هدا المعدن مثالي لعمل هدا الاصدرار العفوي  وتعتمد فكرة عمل المجس على ظاهرة فيزيائية مهمة هي البيزوالكترك piezoelectric effect والتي تعني ظاهرة الضغط لتوليد الكهرباء والتي اكتشفها العالم بير وكيوري Pierre and Jacques Curie في عام 1880. وهي عبارة عن بلورة كوارتز عند تطبيق تيار كهربائي على بلورة الكوارتز قإن البلورة يتغير شكلها بسرعة في صورة اهتزازات سريعة جداً تصدر امواج صوتية. والعكس يحدث عندما تصطدم امواج صوتية تؤدي البلورة للاهتزاز فإن تيار كهربي يتولد عنها. وبهذا يمكن استخدام نفس بلورة الكوارتز لاصدار الامواج فوق الصوتية واستقبالها، مع تزويد المجس بمادة تمتص الصوت حتى لا يحدث تشويش بين الصوت الصادر والصوت المنعكس.

الكهرباء الإنضغاطية - الضغط الكهربائي
Piezoelectricity


ظاهرة الكهرباء الإنضغاطية والتي تعرف باسم Piezoelectricity هي ظاهرة فيزيائية طبيعية تظهرها بعض المواد وبالأخص البلورات وبعض أنواع السيراميك حيث تمتلك هذه المواد قدرة على توليد فرق جهد كهربي عندما تتعرض لإجهاد ميكانيكي. حيث انه إذا ما تم الضغط على سطح المادة بقوة فان انفصال للشحنات الكهربي يحدث عبر الشبكة البلورية للمادة. ونتيجة للانفصال في الشحنات ينتج على طرفي المادة فرق جهد كهربي. ومصطلح الكهرباء الإنضغاطية جاء من تعريب كلمة piezo وهي كلمة يونانية piezein والتي تعني الضغط ومن هنا كانت التسمية تعكس طبيعة الظاهرة نفسها حيث ان الكهرباء تنتج بالضغط على المادة.
كما إن هذه المواد إذا ما تعرضت لمجال كهربي خارجي فان المادة نفسها تنضغط أو تنكمش بقدر يتناسب مع شدة المجال الكهربي، بمعنى أخر انه إذا وضعت المادة التي لها خاصية الكهرباء الإنضغاطية Piezoelectricity بين طرفي فرق جهد كهربي فإنها تنكمش. وعلى سبيل المثال بلورة lead zirconate titanate تتغير أبعادها بنسبة 0.1% عن حجمها الأصلي.

هذه الظاهرة لها تطبيقات مفيدة جداً فمثلا تستخدم في إنتاج الصوت أو مجسات للصوت، أو لتوليد الجهد الكهربي، وتستخدم في أجهزة توليد الموجات الالكترونية electronic frequency generator، كما إنها تستخدم في صناعة الموازين الحساسة microbalance، وفي تحديد أدق بؤرة للأنظمة البصرية من خلال التحكم الدقيق في مكانها على المحور البصري. كما إنها تدخل في الأجهزة الدقيقة التي تعمل على الأبعاد الذرية مثل جهاز الميكروسكوب الالكتروني بأنواعه المختلفة (STM, AFM, MTA, SNOM)، هذا بالإضافة إلى استخدامها في العاب الأطفال وأيضا في الولاعة لتوليد الشرارة الكهربية.

قرص piezoelectric يولد فرق جهد عندما يتعرض لتغير في شكله
ومن استخداماتها أيضا في تنظيف الأسطح المستخدمة لتصنيع الأغشية الرقيقة thin films لإزالة الدقائق الصغيرة جدا من على السطح، وذلك لان البلورة الإنضغاطية إذا ما تعرضت لفرق متردد وعالي فإنها تنتج تتذبذب وتصدر أمواج فوق صوتية تنتشر عبر السائل المنظف وتساعد في التنظيف لتلك الأسطح التي يتطلب ان تكون على درجة عالية جدا من النقاء قبل ترسيب الأغشية الرقيقة عليها.

معلومات تاريخية
اكتشفت ظاهرة الكهرباء الإنضغاطية Piezoelectricity في العام 1880 بواسطة الأخوين Pierre Curie و Jacques Curie. وذلك من خلال عملهما وخبرتهما في الكهرباء الحرارية pyroelectricity (توليد الكهرباء بواسطة التسخين) وعلاقة ذلك بالتركيب البلوري حيث توقعا أن يكون لتأثير الضغط أيضا توليد كهرباء وبالفعل تمكنا من إثبات ذلك على بلورة الكوارتز والتورمالين والتوباذ والسكر والملح، ووجدا إن بلورة الكوارتز والملح تظهرا الخواص الكهربية بالضغط اكثر من غيرهم.
واستمر هذا الاكتشاف لعشرات الأعوام محل دهشة العلماء والباحثين في محاولة فهم هذه الظاهرة وعلاقتها بالتركيب البلوري للمادة. وفي العام 1910 توجت هذه الأبحاث بكتاب نشره العالم Woldemar Voigt’s عن فيزياء البلورات ووصف في كتابه 20 بلورة طبيعية لها القدرة على إنتاج الكهرباء وتمكن من حساب ثابت الكهرباء الإنضغاطية بواسطة التحليل الرياضي tensor analysis.
وقد مرت مواد الكهرباء الإنضغاطية بمرحلتين من التطوير المرحلة الأولى كانت في الحرب العالمية الأولى والمرحلة الثانية كانت في الحرب العالمية الثانية. وفيما يلي سوف نتحدث عن هاتين المرحلتين
المرحلة الأولى
أول تطبيق استخدمت فيه البلورات الإنضغاطية هو في جهاز السونار sonar، والذي تم تطويره أثناء الحرب العالمية الأولى في فرنسا في العام 1917 بواسطة العالم Paul Langevin وزملاؤه، حيث كان اول استخدام لبلورات الكهرباء الإنضغاطية هو مجس يعمل الأمواج الفوق صوتية في الغواصات الحربية. يحث تكون المجس من ترانسديوسر transducer مصنوع من بلورة الكوارتز موضوعة بين لوحين معدنيين بعناية فائقة، وكذلك ميكرفون حساس لالتقاط صدى الأمواج الفوق صوتية المرتدة. يعمل هذا المجس عن طريق إصدار أمواج فوق صوتية وقياس زمن ارتدادها عن الأجسام التي اصطدمت بها ومنها يتم حساب المسافة بين الغواصة وهذه الأجسام.
ولقد كان لنجاح السونار في الكشف عن الغواصات المعادية اثر كبير في الاهتمام بظاهرة الكهرباء الإنضغاطية Piezoelectric وتطوير الكثير من الأجهزة التي تعتمد عليها.
المرحلة الثانية

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]



في أثناء الحرب العالمية الثانية قام فريق بحثي مستقل في الولايات المتحدة وروسيا واليابان باكتشاف مواد مصنعة لها خصائص الكهرباء الإنضغاطية. هذه المواد تعرف باسم الفروكهربية ferroelectric وتتميز بقدرة اكبر عدة مرات من البلورات الطبيعية في لتوليد الكهرباء الإنضغاطية. هذه المواد المكتشفة كانت السبب في توجه الكثير من العلماء لإجراء بحوث مكثفة مواد بخصائص مميزة ولتطبيقات معينة ومن هذه المواد bariun titanate و lead zirconate titanate
وهنا لاحظ معي المفارقة في الطريقة الأمريكية في التعامل مع الاكتشافات العلمية والطريقة اليابانية
في الولايات المتحدة حرصت الشركات الداعمة لأبحاث الكهرباء الإنضغاطية على سرية أبحاثهم طمعا في الاستفادة من براءات الاختراعات التي تسجل لهم. وبالفعل توصلوا لاكتشاف مواد ذات خواص كهرباء إنضغاطية أفضل من بلورات الكوارتز ولكن عندما طرحت هذه المواد في السوق الأمريكية لم يكون لها النجاح المتوقع لان تسويق هذه المواد يعتمد على التطبيقات العملية التي تحتاجها. وبدون هذه تطبيقات جديدة لن يكون هناك رواجا لهذه المواد ولهذا كان اثر كبير على تقدم الصناعة المعتمدة على مواد الكهرباء الإنضغاطية.
ولكن في المقابل في اليابان شاركت الشركات الداعمة لأبحاث الكهرباء الإنضغاطية معلوماتها التي توصلت إليها مع المؤسسات الصناعية، فكانت النتيجة تطوير ومتلازم بين اداء المواد الجديدة والتطبيقات الصناعية لها. فتطورت بسرعة منتجات حديثة وجديدة مثل مرشحات خاصة للراديو والتلفزيون piezoceramic filters وأجراس piezo buzzers وترانسديوسر transducers لتطبيقات الكترونية مختلفة، ومولدات شرارة كهربية استخدمت في ولاعات السجائر. هذا بالإضافة إلى مجسات خاصة لشركات السيارات لتنبيه السائق إذا ما اقتربت سيارته من عائق في الطريق ليعد مساره
نلاحظ هنا انه بالرغم من التطور الكبير الذي شهدنه مواد الكهرباء الإنضغاطية في الولايات المتحدة عنها في اليابان إلا إن هذه المواد كانت في الولايات المتحدة تمتلك براءة اختراع في حين في اليابان كانت متاحة مجانا للاستخدام مما كانت النتيجة انطلاق تكنولوجيا كاملة تعتمد على مواد الكهرباء الإنضغاطية وأصبحت منتجاتها في مكان مما عاد بالفائدة العظمى على الدولة التي كانت سياستها مفتوحة أمام الجميع.
خلاصة البحث
أول تطبيق استخدمت فيه البلورات الإنضغاطية هو في
جهاز السونار sonar، والذي تم تطويره أثناء الحرب العالمية الأولى في فرنسا
في العام 1917 بواسطة العالم Paul Langevin وزملاؤه، حيث كان اول استخدام
لبلورات الكهرباء
الإنضغاطية هو مجس يعمل الأمواج الفوق صوتية في الغواصات الحربية. يحث تكون
المجس من ترانسديوسر transducer مصنوع من بلورة الكوارتز موضوعة بين لوحين
معدنيين بعناية فائقة، وكذلك ميكرفون حساس لالتقاط صدى الأمواج الفوق
صوتية المرتدة. يعمل هذا المجس عن طريق إصدار أمواج فوق صوتية وقياس زمن
ارتدادها عن الأجسام التي اصطدمت بها ومنها يتم حساب المسافة بين الغواصة
وهذه الأجسام ومنها انتقلت هاته التكنولوجيا الى الاستخدامات الطبية واجهزة الفحص الصوتية مع الاستخدامات في انصاف النواقل والترانزيتزرات
عند تعريض الكوارتز ( ثاني أكسيد السيليكون ) لجهد آلي فإنه يتولد تيار كهربائي ، وبالعكس ففي حال تعرضت بلورة الكوارتز لمجال كهربائي ، فإنها تتذبذب وتهتز بتردد معين ، كما وجد أن هذا الاهتزاز والتذبذب يتسم بالانتظام والدقة العالية.
هذه الظاهرة والتي عرفت بالبيزوكهربائية ، مكنت الباحثين من تصنيع الكثير من الأجهزة الحساسة ، من أهمها الساعات المصممة لقياس الوقت بدقة عالية ، حيث بلغ نصيب الكوارتز في صناعة الساعات اكثر من 85 % من سوق الساعات العالمية.
ويعود أول نموذج لساعة مصنوعة من الكوارتز إلى عام 1967 حيث تم إنتاج هذه الساعة من قبل الباحثين في مركز الساعات الإلكترونية في نويشتل في سويسرا ، وفي عام 1969 تمت صناعة أول ساعة كوارتز في اليابان من قبل سيكو اليابانية تحت اسم أسترون.
ومبدأ عمل ساعات الكوارتز يقوم على تزويد رقاقة من الكوارتز بتيار كهربائي مصدره بطارية صغيرة ، ويتسبب هذا التيار في إحداث اهتزاز أو ذبذبة لبلورة الكوارتز والتي تنقل هذه الحركة إلى عقارب الساعة ، ويبلغ عدد هذه الذبذبات لرقاقة الكوارتز حوالي 8192 ذبذبة في الثانية ( هيرتز) للساعات القديمة ، أما المصنعة حاليا فقد تمت زيادة مقدار تذبذبها لتصل إلى 32768 ذبذبة في الثانية ( هيرتز ) .
ويعتبر الكوارتز من المواد التي تتميز بثبات اهتزازها ضمن مدى حراري يتراوح بين الصفر و 60 درجة سيلسيوس ، بينما المواد الأخرى والتي تمتلك خاصية البيزوكهربائية ، فإنها تتشوه كثيرا عند تعرضها لدرجات حرارة مختلفة .
وبالإضافة إلى دقة وانتظام اهتزاز الكوارتز والذي يؤدي إلى أن تتميز ساعات الكوارتز بدقة عالية تبلغ مجال تأخير يبلغ دقيقة واحدة في العام ، فان هذه المادة تتميز برخص ثمنها وتوفرها بشكل كبير .
وبلورة الكوارتز والتي هي عبارة عن أكسيد السيليكون ذات شكل رباعي الأوجه وتستخرج خاماته في العديد من دول العالم ، أهمها البرازيل .
أيضا فان الكوارتز لا يستخدم فقط في صناعة الساعات ، بل يدخل في الكثير من الصناعات الكهربائية الهامة ، كصناعة بعض الدوائر العالية الحساسية والدقة ، وتقدر بعض الدراسات انه يتم إنتاج اكثر من ثمانية مليارات رقاقة من الكوارتز سنويا..
اترككم مع هدا الفلم الدي يوضح احد خصائص هدا المعدن الدي هو لا يزال بحاجة الى دراسة مستجادة للتفكير في استخدامات اخرى
معدن الكوارتز عند تطبيق الجهد الكهربائي العالي هاته التجربة جد خطرة


للتحميل المباشر
get the same voltage but crystal cells work different

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]