Hiệu Ứng Áp Điện Là Gì?: Khám phá bí mật của áp lực và điện
Định nghĩa Hiệu ứng áp điện
Hiệu ứng áp điện, một hiện tượng kỳ thú trong vật lý. Là khả năng của một số vật liệu tạo ra điện áp khi chịu tác động của áp lực cơ học. Khám phá này, được thực hiện bởi hai nhà khoa học người Pháp, Jacques và Pierre Curie vào năm 1880. Đã mở ra một lĩnh vực mới trong khoa học vật liệu.
Sự khởi đầu của khám phá này xuất phát từ việc hai anh em Curie nhận thấy rằng việc tạo áp lực lên thạch anh hoặc một số tinh thể nhất định đã tạo ra điện tích trong vật liệu. Hiện tượng này, được gọi là hiệu ứng áp điện, đã chứng minh mối liên hệ bất ngờ giữa áp lực và điện.
Thêm vào đó, các nhà khoa học này cũng phát hiện ra hiệu ứng áp điện đảo ngược. Hiệu ứng này xảy ra khi một điện trường tác động lên vật liệu, dẫn đến sự biến dạng hoặc rối loạn cấu trúc của nó.
Thuật ngữ “áp điện” bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “piezo”, có nghĩa là “bóp” hoặc “nhấn”, và “elektron”. Có nghĩa là “hổ phách”. Hổ phách, một loại nhựa hóa thạch, từng được biết đến như một nguồn điện.
Hiệu ứng áp điện đã tạo ra một cuộc cách mạng trong công nghệ hiện đại.
Ngày nay, áp điện được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện tử, từ micrô sử dụng trong phần mềm nhận dạng giọng nói đến cảm biến âm thanh trong điện thoại thông minh. Hiệu ứng này cho phép biến đổi năng lượng âm thanh thành tín hiệu điện, giúp chúng ta giao tiếp với máy móc một cách hiệu quả hơn.
Ngoài ra, áp điện còn được ứng dụng trong các thiết bị tiên tiến như sonar “sonobuoy”, bộ chuyển đổi âm thanh gốm sứ, và nhiều loại thiết bị khác. Với những nghiên cứu và phát triển không ngừng, chúng ta đang chứng kiến sự ra đời của nhiều vật liệu và thiết bị áp điện tiên tiến hơn, mở ra những khả năng mới trong nhiều lĩnh vực ứng dụng.
Hiệu ứng áp điện trực tiếp được tạo ra từ các vật liệu gốm hoặc tinh thể đặt giữa hai tấm kim loại. Khi chịu áp lực cơ học, vật liệu này sẽ tạo ra điện tích.
Hình 2 minh họa rõ ràng quá trình này: Áp lực lên vật liệu gốm piezo sẽ tạo ra điện thế tiềm năng giữa hai tấm kim loại bao quanh. Các tấm kim loại này sẽ thu thập điện tích, dẫn đến sự hình thành điện áp. Do đó, hiệu ứng áp điện hoạt động tương tự như một pin nhỏ, sản xuất ra năng lượng.
Các ứng dụng của hiệu ứng áp điện trực tiếp rất đa dạng, bao gồm micrô, cảm biến áp lực, hydrophone và nhiều thiết bị cảm biến khác.
Hiệu ứng áp đảo là gì?
Hiệu ứng áp điện có thể được đảo ngược, gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo. Năng lượng điện được áp dụng vào tinh thể áp điện, khiến nó co lại hoặc giãn nở (Hình 2), chuyển hóa năng lượng điện thành năng lượng cơ học.
Hiệu ứng áp điện nghịch đảo tạo điều kiện cho sự phát triển của các thiết bị tạo ra và truyền tải sóng âm thanh. Ví dụ điển hình là loa (thường thấy trong thiết bị cầm tay) và còi báo động. Ưu điểm của các loa này là độ mỏng, phù hợp cho nhiều loại điện thoại.
Ứng dụng của hiệu ứng áp điện nghịch đảo còn được thấy trong các thiết bị y tế như đầu dò siêu âm và sonar. Ngoài ra, động cơ và bộ truyền động cũng dựa trên nguyên lý này, tuy không phát ra âm thanh.
Các vật liệu Áp điện (piezoelectric) là gì?
Vật liệu áp điện là những chất liệu độc đáo, sở hữu khả năng biến đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện và ngược lại. Khi chịu tác động của lực nén, chúng tạo ra điện áp, đồng thời cũng có thể biến dạng khi được cấp điện.
Để hiện tượng áp điện diễn ra hiệu quả, vật liệu áp điện phải là chất cách điện. Chúng được chia thành hai nhóm chính: tinh thể và gốm sứ.
Trong số các vật liệu áp điện, PZT (chì zirconate titanate). Bari titanate và niobat lithium là những đại diện tiêu biểu. So với các chất liệu tự nhiên như thạch anh. Những vật liệu nhân tạo này cho thấy hiệu quả chuyển đổi năng lượng vượt trội.
Vật liệu áp điện
PZT nổi bật với khả năng tạo ra điện áp cao hơn thạch anh khi chịu cùng một lực tác động. Ngược lại, khi được cấp điện, PZT cũng tạo ra chuyển động lớn hơn thạch anh. Thạch anh, được biết đến là vật liệu áp điện đầu tiên. Vẫn giữ một vị trí quan trọng trong lĩnh vực này.
PZT, được tạo ra bằng cách kết hợp chì và zirconium với titanate. Có công thức hóa học (Pb [Zr (x) Ti (1-x)] O 3). Nó được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất đầu dò siêu âm. Tụ điện gốm và các cảm biến, thiết bị truyền động khác, đồng thời sở hữu nhiều tính năng đặc biệt. PZT được Viện Công nghệ Tokyo phát triển vào năm 1952.
Bari titanate, một vật liệu gốm sắt điện, cũng được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng áp điện. Công thức hóa học của nó là BaTiO 3. Vật liệu này được phát hiện vào năm 1941 trong thời kỳ Thế chiến II.
Niobat lithium, một hợp chất kết hợp oxy, lithium và niobi, có công thức hóa học LiNbO 3. Cũng giống như bari titanate, niobat lithium là một loại vật liệu gốm sắt điện, sở hữu tính chất áp điện.
Xem thêm: Top 10 hãng máy phát điện công nghiệp tốt nhất hiện nay
Ứng dụng Hiệu ứng điện áp
Hệ thống định vị âm thanh dưới nước – Sonar
Sonar, công nghệ đột phá ra đời vào đầu thế kỷ XX. Là sản phẩm trí tuệ của nhà phát minh Lewis Nixon. Ban đầu, sonar được thiết kế để phát hiện các tảng băng trôi nguy hiểm. Tuy nhiên, khi Chiến tranh Thế giới thứ nhất nổ ra, ứng dụng của sonar trong việc phát hiện tàu ngầm dưới nước trở nên vô cùng quan trọng. Ngày nay, sonar đã trở thành công cụ đa năng. Được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Từ đánh bắt cá, điều hướng dưới nước đến nghiên cứu khoa học.
Cơ chế hoạt động của sonar dựa trên việc truyền và nhận sóng âm. Máy phát sonar, hoạt động dựa trên hiệu ứng áp đảo nghịch đảo. Tạo ra sóng âm được truyền đi trong môi trường nước. Khi sóng âm gặp một vật thể, nó sẽ phản xạ lại. Được máy thu sonar tiếp nhận. Máy thu, dựa trên nguyên lý áp điện trực tiếp, chuyển đổi sóng âm phản xạ thành tín hiệu điện. Tín hiệu này được xử lý bởi hệ thống điện tử. Giúp xác định khoảng cách đến vật thể thông qua thời gian truyền và nhận sóng âm.
