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 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

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.