Hiệu ứng áp điện là gì? Nguyên lý hoạt động cua hiệu ứng áp điện

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 áp điện sau khi nhận ra rằng áp suất được đặt lên thạch anh hoặc thậm chí rằng một số tinh thể nhất định tạo ra điện tích trong vật liệu đó. Sau đó, họ gọi hiện tượng kỳ lạ và khoa học là hiệu ứng áp điện.

anh em curie sớm phát hiện ra hiệu ứng áp đảo. đó là sau khi họ xác minh rằng khi một điện trường được đặt qua đường dẫn tinh thể, nó tạo ra sự biến dạng hoặc rối loạn trong tinh thể chì, ngày nay được gọi là hiệu ứng điện áp ngược.

Thuật ngữ “áp điện” bắt nguồn từ từ tiếng Hy Lạp piezo có nghĩa là ép hoặc ép. Điều thú vị là điện trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là hổ phách. 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 sử dụng một số loại phần mềm nhận dạng giọng nói hoặc thậm chí Siri trên điện thoại thông minh của mình, micrô bạn đang nói có thể sử dụng áp điện. Loại tinh thể mặt trời này chuyển đổi năng lượng âm thanh trong giọng nói của bạn và chuyển nó thành tín hiệu điện để máy tính hoặc điện thoại của bạn diễn giải. 3 mọi thứ có thể thành hiện thực nhờ áp điện.

Việc tạo ra các công nghệ tiên tiến hơn bắt nguồn từ việc khám phá ra áp điện. ví dụ: microsonars nhạy cảm với sóng siêu âm “sonobuoy” và bộ chuyển đổi âm thanh bằng gốm được làm từ áp điện. ngày nay chúng ta đang chứng kiến ​​sự phát triển của nhiều vật liệu và thiết bị áp điện hơn.

một vật liệu tạo hiệu ứng áp điện không mang điện áp bao gồm gốm hoặc thủy tinh được kẹp giữa hai tấm kim loại. Để tạo ra áp điện, vật liệu cần được nén hoặc ép. Áp lực cơ học tác dụng lên vật liệu gốm áp điện sẽ tạo ra điện.

như thể hiện trong hình 1, có một tiềm năng trong toàn bộ vật liệu. hai tấm kim loại bánh sandwich tinh thể áp điện. tấm kim loại nhận điện tích, tạo ra / tạo ra điện áp (ký hiệu tia sét), tức là áp điện. theo cách này, hiệu ứng áp điện hoạt động như một 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, cảm biến áp suất, micrô 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 ngược. điều này được tạo ra bằng cách đặt điện áp để tạo ra sự co lại hoặc giãn nở của một tinh thể áp điện (hình 2). hiệu ứng áp đảo chuyển năng lượng điện thành năng lượng cơ học.

Sử dụng hiệu ứng lớp phủ có thể giúp phát triển các thiết bị tạo và tạo ra sóng âm thanh. Một số ví dụ về thiết bị áp suất âm thanh là loa phóng thanh (thường 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 trở nên hữu ích trên nhiều loại điện thoại. ngay cả các đầu dò siêu âm và sonar y tế cũng sử dụng hiệu ứng triệt tiêu ngược. thiết bị đảo chiều im lặng, bao gồm động cơ và bộ truyền động.

vật liệu

Vật liệu áp điện là vật liệu có thể tạo ra điện do áp suất cơ học, chẳng hạn như nén. những vật liệu này cũng có thể biến dạng khi đặt điện áp vào chúng.

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 nhóm: pha lê và gốm sứ.

Một số ví dụ về vật liệu áp điện là pzt (còn gọi là titanat chì zirconat), bari titanat và liti niobat. những vật liệu nhân tạo này có tác dụng 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. pzt có thể tạo ra nhiều điện áp hơn cho cùng một lượng ứng suất cơ học. ngược lại, áp dụng điện áp pzt thay vì thạch anh cho nhiều chuyển động hơn. thạch anh, 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 (ở 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 chế tạo đầu dò siêu âm, tụ điện gốm, các cảm biến và thiết bị truyền động khác. nó cũng cho thấy một loạt các thuộc tính khác nhau. vào năm 1952, viện công nghệ tokyo đã sản xuất pzt.

bari titanate là một vật liệu sắt áp điện. vì lý do đó, bari titanate đã được sử dụng làm vật liệu áp điện nhiều hơn cả. công thức hóa học của nó là batio 3. Bari titanate được phát hiện vào năm 1941 trong Thế chiến thứ hai.

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, nó giống như bari titanate ở chỗ nó cũng có tính chất áp điện.

thiết bị hiệu ứng điện áp

thăm dò

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, sự quan tâm đến sonar tăng lên trong Thế chiến thứ nhất để giúp xác định tàu ngầm dưới nước. Tất nhiên, sonar ngày nay có nhiều mục đích và cách sử dụng, từ định vị cá đến định vị dưới nước, v.v.

Trong hình 3, sóng âm thanh (tín hiệu) gửi thông qua bộ phát để tìm kiếm các vật thể phía trước. Máy phát điện sử dụng hiệu ứng nguồn điện ngược, đó là khi máy phát điện sử dụng điện áp để giúp nó phát ra sóng âm thanh. một khi sóng âm thanh chạm vào một vật thể, nó sẽ bị dội ngược trở lại. máy thu sẽ phát hiện ra sóng âm thanh bị trả lại.

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

xem thêm: so sánh máy phát điện chạy xăng và máy phát điện chạy dầu