Hiệu ứng áp điện là gì
Hiệu ứng áp điện được phát hiện vào năm 1880 bởi hai anh em nhà khoa học người Pháp Jacques và Pierre Curie. Họ phát hiện ra hiện tượng áp điện sau khi nhận ra rằng áp lực lên thạch anh và thậm chí một số tinh thể nhất định sẽ tạo ra điện tích trong vật liệu. 1 Sau đó, họ gọi hiện tượng khoa học kỳ lạ này là hiệu ứng áp điện.
Anh em nhà Curie nhanh chóng phát hiện ra tác động to lớn. Đó là khi họ chứng minh rằng khi một điện trường được áp dụng trên sự dẫn điện của tinh thể, nó sẽ khiến các tinh thể chì bị biến dạng hoặc trở nên mất trật tự – ngày nay được gọi là hiệu ứng điện áp ngược.
Thuật ngữ “piezo” bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp piezo, có nghĩa là ép hoặc ép. Thật thú vị, điện có nghĩa là hổ phách trong tiếng Hy Lạp. Hổ phách cũng từng là một nguồn năng lượng. 2
Nhiều thiết bị điện tử ngày nay sử dụng áp điện. Ví dụ: khi bạn đang sử dụng một số loại phần mềm nhận dạng giọng nói hoặc thậm chí là siri trên điện thoại thông minh của mình, micrô nói chuyện với bạn có thể sử dụng hiệu ứng áp điện. Loại tinh thể năng lượng mặt trời này biến năng lượng âm thanh trong giọng nói của bạn thành tín hiệu điện mà máy tính hoặc điện thoại của bạn có thể hiểu được. 3 Áp điện làm cho tất cả đều có thể.
Việc tạo ra các công nghệ tiên tiến hơn có thể bắt nguồn từ việc phát hiện ra hiện tượng áp điện. Ví dụ, sonar thu nhỏ nhạy cảm với sonar “sonobuoy” và bộ chuyển đổi âm thanh gốm đều được làm bằng vật liệu áp điện. Ngày nay, chúng ta thấy sự phát triển của nhiều vật liệu và thiết bị áp điện hơn.
Một vật liệu hiệu ứng áp điện không mang điện áp bao gồm gốm hoặc tinh thể được đặt giữa hai tấm kim loại. Để tạo ra áp điện, vật liệu cần được nén hoặc ép. Áp suất cơ học tác dụng lên vật liệu gốm áp điện sẽ tạo ra năng lượng điện.
Như trong Hình 1, có một thế năng trên vật liệu. Tấm kim loại kẹp giữa hai tinh thể áp điện. Tấm kim loại thu điện tích, tạo ra/tạo ra điện áp (ký hiệu tia sét), là áp điện. Bằng cách này, hiệu ứng áp điện hoạt động giống như một cục pin nhỏ vì nó tạo ra điện. Đây là hiệu ứng áp điện trực tiếp. Các thiết bị sử dụng hiệu ứng áp điện trực tiếp bao gồm micrô, bộ chuyển đổi áp suất, ống nghe dưới nước và nhiều loại thiết bị cảm biến khác.
Hiệu ứng áp đảo
Hiệu ứng áp điện có thể đảo ngược, được gọi là hiệu ứng áp điện nghịch đảo. Điều này được tạo ra bằng cách đặt một điện áp để làm cho tinh thể áp điện co lại hoặc giãn ra (Hình 2). Hiệu ứng áp đảo chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học.
Việc sử dụng hiệu ứng siêu năng lượng có thể giúp phát triển các thiết bị tạo và phát sóng âm thanh. Ví dụ về các thiết bị áp suất âm thanh là loa (thường được tìm thấy trong các thiết bị di động) hoặc còi. Ưu điểm của việc có những chiếc loa như vậy là chúng rất mỏng, điều này khiến chúng hữu ích cho mọi loại điện thoại. Ngay cả đầu dò siêu âm và sonar y tế cũng sử dụng hiệu ứng triệt tiêu ngược. Đơn vị biến tần im lặng bao gồm động cơ và bộ truyền động.
Chất liệu
Vật liệu áp điện là vật liệu có thể tạo ra điện thông qua áp suất cơ học, chẳng hạn như nén. Những vật liệu này cũng biến dạng khi có điện áp.
Tất cả các vật liệu áp điện đều không dẫn điện để hiệu ứng áp điện xảy ra và hoạt động. Chúng có thể được chia thành hai loại: pha lê và gốm.
Một số ví dụ về vật liệu áp điện là pzt (còn được gọi là titanate zirconate chì), bari titanate và lithium niobate. Những vật liệu nhân tạo này có hiệu ứng rõ rệt hơn (vật liệu tốt hơn để sử dụng) so với thạch anh và các vật liệu áp điện tự nhiên khác.
So sánh pzt với thạch anh. Đối với cùng một ứng suất cơ học được áp dụng, pzt có thể tạo ra nhiều điện áp hơn. Ngược lại, đặt một điện áp vào pzt thay vì thạch anh sẽ tạo ra nhiều chuyển động hơn. Thạch anh là một vật liệu áp điện nổi tiếng và là vật liệu áp điện đầu tiên được biết đến.
pzt được tạo ra (ở nhiệt độ cao) từ hai thành phần hóa học là chì và zirconium, kết hợp với một hợp chất gọi là titanate. Công thức hóa học pzt là (pb [zr(x)ti (1-x)] o 3 ). Nó thường được sử dụng trong sản xuất đầu dò siêu âm, tụ gốm và các cảm biến và bộ truyền động khác. Nó cũng thể hiện một tập hợp đặc biệt các thuộc tính khác nhau. Năm 1952, Viện Công nghệ Tokyo đã phát triển pzt.
Bari titanat là một vật liệu sắt điện áp điện. Kết quả là bari titanat có nhiều ứng dụng làm vật liệu áp điện hơn hầu hết các vật liệu khác. Công thức hóa học của nó là batio 3 . Barium titanate được phát hiện vào năm 1941 trong Thế chiến II.
Lithium niobate là một hợp chất kết hợp oxy, lithium và niobi. Công thức hóa học của nó là linbo 3 . Nó cũng là một vật liệu gốm sắt điện, có tính chất áp điện tương tự như bari titanat.
Thiết bị hiệu điện thế
Siêu âm
Sonar, cho đến những năm 1900, được phát minh bởi Lewis Nixon. Ban đầu, ông đã phát triển sonar để giúp phát hiện các tảng băng trôi. Tuy nhiên, trong Thế chiến I, sự quan tâm đến sonar tăng lên để giúp xác định tàu ngầm dưới nước. Tất nhiên, sonar có nhiều mục đích và cách sử dụng ngày nay, từ định vị cá đến điều hướng dưới nước và hơn thế nữa.
Trong Hình 3, sonar sử dụng một máy phát để phát sóng âm thanh (tín hiệu) nhằm tìm kiếm các vật thể phía trước. Máy phát điện sử dụng hiệu ứng đảo ngược công suất, tức là máy phát điện sẽ sử dụng điện áp để giúp nó tạo ra sóng âm thanh. Khi một sóng âm thanh chạm vào một vật thể, nó sẽ dội ngược trở lại. Các sóng âm thanh phản xạ sẽ được phát hiện bởi máy thu.
Không giống như máy phát, máy thu sử dụng hiệu ứng áp điện trực tiếp. Thiết bị áp điện nhận được nén bởi sóng âm trở lại. Nó gửi một tín hiệu (điện áp) đến thiết bị điện tử xử lý tín hiệu, thiết bị này sẽ nhận sóng âm thanh phản xạ và bắt đầu xử lý nó. Nó sẽ xác định khoảng cách của đối tượng bằng cách tính toán tín hiệu thời gian từ bộ phát và bộ thu.
Xem thêm: So sánh máy phát điện chạy xăng và chạy dầu diesel
