Hiệu ứng áp điện Là Gì? Nguyên Lý Hoạt động Của Hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện (hay còn gọi là hiệu ứng điện cực) là hiện tượng vật lý mà một chất dẫn điện được đặt trong một trường điện có thể tạo ra một điện thế giữa hai đầu của nó. Cùng Bình Minh tìm hiểu rõ hơn về hiệu ứng này trong bài viết dưới đây nhé!

Hiệu ứng áp điện là gì

Hiệu ứng áp điện được phát hiện bởi hai anh em nhà khoa học người Pháp, Jacques và Pierre Curie, vào năm 1880. Họ phát hiện ra về áp điện sau khi nhận ra rằng áp lực áp dụng cho thạch anh hoặc thậm chí một số tinh thể nhất định tạo ra điện tích trong vật liệu đó. 1 Sau đó họ gọi hiện tượng kỳ lạ và khoa học là hiệu ứng áp điện.

Các em trai Curie sớm phát hiện ra hiệu ứng áp đảo ngược. Đó là sau khi họ xác minh rằng khi một điện trường đã được thi hành trên dẫn tinh thể, nó đã dẫn đến dị dạng hoặc rối loạn với tinh thể chì – bây giờ được gọi là hiệu ứng điện áp đảo ngược.

Thuật ngữ “áp điện” xuất phát từ tiếng Hy Lạp từ piezo có nghĩa là bóp hoặc nhấn. Thật thú vị, điện trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là hổ phách. Amber cũng đã từng là một nguồn điện. 2

Nhiều thiết bị điện tử ngày nay sử dụng áp điện. Ví dụ: khi bạn sử dụng một số loại phần mềm nhận dạng giọng nói hoặc thậm chí Siri trên điện thoại thông minh của bạn, micrô bạn đang nói có thể sử dụng áp điện. Loại tinh thể mặt trời này biến năng lượng âm thanh trong giọng nói của bạn và biến nó thành tín hiệu điện cho máy tính hoặc điện thoại của bạn để giải thích. 3 Tất cả điều đó trở nên có thể với áp điện.

Việc tạo ra nhiều công nghệ tiên tiến hơn có thể được bắt nguồn từ việc phát hiện ra áp điện. Ví dụ, các sonar cực nhỏ nhạy cảm sonar “sonobuoy”, và bộ chuyển đổi âm thanh gốm sứ, được thực hiện bằng áp điện. Hôm nay chúng ta đang chứng kiến ​​sự phát triển của các vật liệu và thiết bị áp điện nhiều hơn.

Hình 1. Hiệu ứng áp áp xảy ra thông qua việc nén một vật liệu áp điện

Vật liệu của hiệu ứng điện áp không mang điện áp bao gồm gốm hoặc tinh thể-được đặt giữa hai tấm kim loại. Đối với các piezoelectricity được tạo ra, nó cần các tài liệu để được nén hoặc squeezed.Áp lực cơ học áp dụng cho vật liệu gốm áp điện tạo ra điện.

Như thể hiện trong hình 1, có một điện thế tiềm năng trên vật liệu. Hai tấm kim loại bánh sandwich pha lê piezo. Các tấm kim loại thu thập các chi phí, tạo ra / sản xuất điện áp (lightning bolt symbol), tức là áp điện. Bằng cách này, hiệu ứng áp điện hoạt động như một pin nhỏ, bởi 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, cảm biến áp lực, hydrophone và nhiều loại thiết bị cảm biến khác.

Hiệu ứng áp đảo

Hiệu ứng áp điện có thể được đảo ngược, được gọi là hiệu ứng áp đảo nghịch đảo. Điều này được tạo ra bằng cách áp dụng điện áp để tạo ra một tinh thể áp điện co lại hoặc giãn nở  (Hình 2) . Hiệu ứng áp đảo nghịch đảo năng lượng điện thành năng lượng cơ học.

2. Sự đảo ngược hiệu ứng áp điện

Sử dụng hiệu ứng áp đảo có thể giúp phát triển các thiết bị tạo ra và tạo ra sóng âm thanh.Ví dụ về các thiết bị âm thanh áp là loa (thường thấy trong các thiết bị cầm tay) hoặc buzzers. Ưu điểm của việc có những loa như vậy là chúng rất mỏng, điều này làm cho chúng trở nên hữu ích trong một loạt điện thoại. Ngay cả đầu dò siêu âm và sonar y tế cũng sử dụng hiệu ứng áp đảo ngược. Các thiết bị áp đảo ngược không âm thanh bao gồm động cơ và bộ truyền động.

Vật liệu 

Các vật liệu piezoelectric là vật liệu có thể sản sinh ra điện do áp suất cơ học, chẳng hạn như nén.Những vật liệu này cũng có thể biến dạng khi áp dụng điện áp.

Tất cả các vật liệu áp điện là không dẫn điện để cho hiệu ứng áp điện xảy ra và hoạt động. Chúng có thể được tách thành hai nhóm: tinh thể và gốm sứ.

Một số ví dụ về các vật liệu áp điện là PZT (còn gọi là chì zirconate titanate), bari titanate và niobat lithium. Những vật liệu nhân tạo này có tác dụng rõ nét hơn (chất liệu tốt hơn sử dụng) hơn thạch anh và các vật liệu áp điện tự nhiên khác.

So sánh PZT với thạch anh. PZT có thể sản xuất nhiều điện áp hơn cho cùng một lượng ứng suất cơ học ứng dụng. Ngược lại, áp dụng điện áp cho PZT thay vì thạch anh cung cấp nhiều chuyển động hơn. Quartz, một vật liệu áp điện nổi tiếng, cũng là vật liệu áp điện đầu tiên được biết đến.

PZT được tạo ra và sản xuất (dưới nhiệt độ cao) với hai thành phần hóa học-chì và zirconium- và kết hợp với một hợp chất hóa học được gọi là titanate. Công thức hóa học PZT là (Pb [Zr (x) Ti (1-x)] O 3 ). Nó thường được sử dụng để sản xuất siêu âm đầu dò, tụ điện gốm, và các cảm biến khác và thiết bị truyền động. Nó cũng evinces một phạm vi đặc biệt của tài sản khác nhau. Năm 1952, PZT được sản xuất bởi Viện Công nghệ Tokyo.

Bari titanat là một vật liệu gốm sứ sắt có tính áp điện.Vì lý do đó, bari titanate đã được sử dụng như một loại vật liệu áp điện còn hơn hầu hết những người khác. Công thức hóa học của nó là BaTiO 3 . Bari titanate được phát hiện vào năm 1941 trong Thế chiến II.

Lithium niobat là một hợp chất kết hợp oxy, lithium, và niobi. Công thức hóa học của nó là LiNbO 3 . Ngoài ra một loại vật liệu gốm sắt điện nó chỉ như titanat bari ở chỗ nó có tính chất áp điện, quá.

Thiết bị hiệu ứng điện áp

Sonar

Sonar, đến những năm 1900, được phát minh bởi Lewis Nixon. Ông bước đầu phát triển sonar để giúp phát hiện các tảng băng trôi. Sự quan tâm đến sonar tăng trong Thế chiến I, tuy nhiên, để giúp xác định tàu ngầm dưới nước. Tất nhiên, sonar có nhiều mục đích và sử dụng ngày nay, từ việc định vị cá đến điều hướng dưới nước và như vậy.

Hình 3. Sonar áp điện

Trong hình 3, sonar đang gửi ra, thông qua máy phát, một sóng âm (tín hiệu) để tìm kiếm các đối tượng phía trước. Máy phát sử dụng hiệu ứng áp đảo nghịch đảo, đó là khi máy phát sẽ sử dụng điện áp để giúp nó phát ra sóng âm. Một khi sóng âm chạm một vật thể, nó sẽ quay trở lại. Sóng âm thanh bị trả về phía sau sẽ được phát hiện bởi người nhận.

Máy thu, không giống như máy phát, sử dụng hiệu ứng áp điện trực tiếp. Thiết bị áp điện nhận được nén bởi sóng âm trở lại. Nó gửi tín hiệu (điện áp) tới các thiết bị điện tử xử lý tín hiệu, nó sẽ lấy sóng âm bị bật lại và bắt đầu xử lý nó. Nó sẽ xác định khoảng cách của đối tượng bằng cách tính các tín hiệu thời gian từ máy phát và máy thu.

Xem thêm :

• So sánh máy phát điện chạy xăng và máy phát điện chạy dầu
• Tủ chuyển nguồn tự động ATS: Cấu tạo, chức năng và một số điều cần biết