Liên hiệp các hội khoa học và kỹ thuật Việt Nam
Thứ hai, 26/11/2007 23:49 (GMT+7)

Áp điện

Hiệu ứng khi tác dụng lực lên vật sinh ra điện gọi là hiệu ứng áp điện thuận. Ngược lại khi tác dụng lên hiệu điện thế thì xuất hiện lực cơ làm vật biến dạng. Đó là hiệu ứng áp điện nghịch. Tiếng Anh, tính áp điện là piezo electric, piezo xuất phát từ tiếng Hy Lạp piezein có nghĩa là ép (nén), làm co lại.

Trong tự nhiên có những vật liệu có tính áp đạên, điển hình là tinh thể thạch anh, tiếng Anh là quartz. Danh từ quarz đi đôi với đồng hồ điện tử dùng phổ biến hiện nay, liên quan đến hiện tượng áp điện. Người ta đã làm ra vật liệu áp điện nhân tạo dạng gốm, khi tác dụng điện thế có thể thay đổi kích thước (giãn ra hoặc co vào) đến 0,1% kích thước ban đầu. Vật liệu gốm áp điện vào loại tốt nhất này có tên là gốm PZT. (P: chì Pb, Z: zirconi Zr, T: Titan Ti),

Hình 1

Hình 1

Có thể xét một kiểu ô mạng điển hình của tinh thể áp điện để hiểu tại sao lực sinh ra điện (hình 1). Lúc không có lực tác dụng, ô mạng dạng lập phương, tâm của các ion dương và các ion âmtrùng nhau, không bị phân cực điện. Khi có lực tác dụng, ô mạng bị biến dạng, co lại theo chiều này, giãn ra theo chiều kia, hình lập phương trở thành khối chữ nhật. Lúc đó tâm của các ion dương vàcác ion âm dịch chuyển đối với nhau, ô mạng từ trung hoà điện trở nên một lưỡng cực điện. Người ta đặc trưng tác dụng của một lưỡng cực điện bằng véctơ phân cực điện véc tơ P trong đó p = qr, điệntích q nhân với khoảng cách r giữa hai điện tích còn chiều của véctơ P là chiều của véctơ r nối từ điện tích âm đến điện tích dương.

Hình 2

Hình 2

Có thể có nhiều lưỡng cực nhỏ như vậy có véctơ P song song cùng chiều với nhau ứng với một miền gồm nhiều ô mạng. Người ta gọi đó là một miền điện Weiss, có véctơ P = åvéctơ P (hình 2).

Nhiều tính chất của vật liệu áp điện được giải thích theo các tính chất của miền điện Weiss tương tự như giải thích tính chất từ của vật liệu từ nhờ miền từ. Tinh thể cũng như gốm áp điện có rất nhiều ứng dụng trong khoa học và đời sống hàng ngày. Với vật liệu áp điện có thể tạo tia lửa điều khiển cháy, nổ, làm các bộ dao động chuẩn, làm đồng hồ, làm động cơ và các bộ điều khiển chuyển động tinh vi, làm kính hiển vi, đặc biệt có nhiều ứng dụng trong công nghệ nanô. Ta xét một số ứng dụng cụ thể từ đơn giản đến phức tạp.

Đánh lửa ở bật lửa ga

Trước đây cái bật lửa có một bánh xe nhỏ bằng thép cứng, phía dưới có một cái lò xo nhỏ đẩy cho viên đá lửa áp sát vào bánh xe. Khi lấy tay quay bánh xe, do cọ xát với đá lửa nên có tia lửa phun ra. Tia lửa bắt gặp hơi xăng ở đầu bấc, bốc cháy tạo ra ngọn lửa. Bật được một số lần, đá lửa mòn hết, phải thay đá mới. Ở bật lửa ga (gaz) ngày nay người ta dùng chất áp điện để tạo ra tia lửa mồi cháy hơi ga.

Khi ấn vào nút ở bật lửa, lò xo bị nén lại, đến một lúc lò xo bật ra tác dụng lực rất mạnh lên cái áp điện (nhỏ như hạt gạo). Điện thế rất cao sinh ra ở đó làm cho phóng điện: tia lửa nhỏ làm hơi ga cháy thành ngọn lửa. Về nguyên tắc cái đánh lửa áp điện hoạt động lâu dài, chỉ phải nạp ga cho bật lửa, không cần lưu tâm đến cái đánh lửa. Chỉ trừ khi để quá bẩn, hai điện cực không còn cách điện tốt, không có tia lửa. Chỉ cần lau sạch cho cách điện, bật lửa hoạt động bình thường.

Tự động mồi lửa ở bếp ga

Ở bếp ga loại cũ khi xoay núm để mở cho hơi ga bay ra phải đánh que diêm mồi cho hơi ga cháy thành ngọn lửa.

Ở các bếp ga loại mới khi xoay núm để mở cho hơi ga ra thì trước hết là làm quay nén một lò xo (do đó hơi nặng tay một chút). Đến một lúc lò xo bật ra tạo thành lực lớn tác dụng vào cái áp điện, gây ra điện thế cao, phát ra tia lửa điện. Lúc đã quay đến đó cũng là lúc hơi ga bắt đầu phun ra nên bắt ngay tia lửa để cháy. Khi nấu nướng để thức ăn, nước mặn trào ra có thể làm cho cách điện giữa hai điện cực trở thành dẫn điện. Lúc đó xem như nối đã tắt, có dòng nhưng không có điện thế cao để phóng điện được. Lau sạch sứ cách điện, việc đánh lửa sẽ tốt lại như thường. Cũng theo nguyên tắc này, trong vũ khí mới có những loại bom, đạn cối được điều khiển nổ bằng áp điện. Đầu đạn, đầu bom có gắn một cái áp điện nhỏ. Khi bom, đạn rơi chạm đất, thanh truyền lực đập mạnh vào cái áp điện, tia lửa phóng ra và kích nổ bom đạn…

Loa, míc áp điện

Loa, míc (micro) chế tạo lâu nay hoạt động theo nguyên tắc cảm ứng điện từ. Ở các loa (điện từ) màng loa bằng giấy gắn liền với một ống dây điện mảnh, nằm trong khe của một nam châm mạnh. Khi có dòng điện nhỏ đi vào ống dây, tác dụng lực điện từ làm cho ống dây dao động kéo theo màng loa rung động phát ra âm thanh. Cái mic có cấu tạo tương tự như cái loa, khi có âm thanh, màng của mic rung lên và rung động đó làm cho cuộn dây rung động theo. Vì rung động trong từ trường nên trong cuộn dây sinh ra dòng cảm ứng. Dòng cảm ứng này được khuyếch đại và đưa về loa để phát ra lại âm thanh. Vì cuộn dây, có nam châm nên loa cũng như mic điện từ đều không làm gọn gàng, kích thước nhỏ và mỏng được.

Hình 3

Hình 3

Loa áp điện chỉ có màng loa làm bằng chất liệu dẻo trên đó có lớp áp điện mỏng, hai bên áp điện có phủ lớp dẫn điện làm điện cực. Cho điện thế tác dụng lên hai điện cực, màng loa co giãn,rung động phát ra âm thanh (hình 3). Trái lại ở mic áp điện, cấu tạo y hệt như loa, rung động của sóng âm làm cho màng của mic rung động vì là chất áp điện nên tạo ra điện thế ở hai cực bên, từ đókhuyếch đại lên đưa về loa, âm thanh mic đã thu được sẽ phát lại qua loa.

Như vậy loa và mic có thể làm rất nhỏ, đặc biệt là rất mỏng. Ta thường thấy loại thiệp chúc mừng gập lại như tấm bìa mỏng nhưng khi mở ra nghe rõ từ thiệp phát ra bài hát, lời chúc mừng. Ở đấy phải có một con chíp rất mỏng và tấm tròn to bằng đồng xu nhưng mỏng hơn, đó là loa áp điện. Ta cũng thấy cấu tạo của loa và mic giống nhau nên có thể kết hợp hai làm một, vừa là loa vừa là mic.

Theo nguyên tắc áp điện này người ta làm các máy phát ra âm thanh rồi thu lại âm thanh phản xạ lại để đo đạc khoảng cách, để thăm dò kiểu như ra đa. Chú ý là tuỳ thuộc vào tần số sử dụng, các loại máy móc này có thể làm việc ở tần số âm rất thấp (hạ âm) để thăm dò, đo đạc dưới nước, dưới biển hoặc ở tần số rất cao (siêu âm) để nghiên cứu nhiều hiện tượng trong chất rắn. Đặc biệt là dùng áp điện để làm đầu phát và thu siêu âm để chụp các bộ phận trong cơ thể như đã nói ở Vật lý và Tuổi trẻ số 47 tháng 7 năm 2007.

Xem Thêm

An Giang: 8 giải pháp thực hiện đột phá phát triển khoa học công nghệ
Đến nay, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh (Liên hiệp hội tỉnh) đã tập hợp được 40 hội, tổ chức thành viên với 9.554 hội viên cá nhân, trong đó có hơn 3.451 hội viên trí thức. An Giang xác định và đề ra mục tiêu về đột phá phát triển khoa học công nghệ, đổi mới sáng tạo, chuyển đổi số (KHCN, ĐMST, CĐS) đến năm 2030.
Thanh Hoá: Hội thảo KH về giải quyết tình trạng thiếu lao động ở nông thôn, lao động trực tiếp tham gia SX nông nghiệp
Sáng ngày 27/5/2025, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh (Liên hiệp hội) phối hợp với Sở Khoa học và Công nghệ, Viện Nông nghiêp tổ chức Hội thảo khoa học với chủ đề “Giải pháp giải quyết tình trạng thiếu lao động sản xuất ở khu vực nông thôn, lao động có kỹ thuật, tay nghề cao trực tiếp tham gia sản xuất nông nghiệp, nhất là nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao, nông nghiệp hữu cơ”.
Bình Thuận: Đẩy mạnh ứng dụng khoa học, công nghệ vào sản xuất
Sáng ngày 27/5, tại thành phố Phan Thiết, tỉnh Bình Thuận, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh phối hợp với Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh tổ chức hội thảo khoa học với chủ đề “Giải pháp đột phá trong ứng dụng tiến bộ khoa học, công nghệ vào thực tiễn quản lý và sản xuất trên địa bàn tỉnh Bình Thuận”.

Tin mới

Hà Giang: Góp ý dự thảo sửa đổi Luật Chất lượng sản phẩm
Ngày 13/6, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật (Liên hiệp hội) tỉnh đã tổ chức hội thảo góp ý dự thảo Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật Chất lượng sản phẩm, hàng hoá (CLSPHH). Tham dự hội thảo có lãnh đạo đại diện các Sở, ban ngành của tỉnh, các hội thành viên Liên hiệp hộivà các chuyên gia TVPB.
Đại hội thi đua yêu nước Liên hiệp Hội Việt Nam lần thứ V
Đây là sự kiện chính trị quan trọng và có ý nghĩa sâu sắc trong công tác của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Liên hiệp Hội Việt Nam), là ngày hội tôn vinh điển hình tiên tiến các tập thể, cá nhân nhà khoa học trong hệ thống Liên hiệp Hội Việt Nam đã nỗ lực phấn đấu, đóng góp cho công tác hội và sự nghiệp KH&CN nước nhà.