Vật liệu áp điện là vật liệu sinh ra điện áp khi bị ép, uốn hay gõ, và ngược lại sẽ co giãn khi được đặt điện áp vào. Hiệu ứng này do hai anh em Pierre và Jacques Curie phát hiện năm 1880 trên tinh thể thạch anh và một số tinh thể khác. Ngày nay nó có mặt trong bật lửa ga, đồng hồ thạch anh, đầu dò siêu âm y tế, loa còi báo và đầu phun máy in, dù rất ít người biết tên nó.
Cú bấm bật lửa: hàng nghìn vôn từ một ngón tay
Bật lửa ga loại bấm nút không có pin, cũng không có đá lửa. Khi bạn ấn nút, một lò xo được nén dần rồi đột ngột nhả ra, đẩy một búa nhỏ đập mạnh vào một khối gốm áp điện. Cú va chạm làm khối gốm tạo ra một xung điện áp cao, cỡ hàng nghìn vôn, đủ để phóng tia lửa qua khe hở giữa hai đầu dây và đốt cháy dòng ga.
Xung điện này có điện áp cao nhưng năng lượng rất nhỏ và kéo dài cực ngắn. Bạn có thể đã từng bị "giật tách" một cái khi chạm vào đầu bếp ga lúc bấm đánh lửa. Cảm giác giật rõ nhưng thường không gây hại với người khoẻ mạnh. Dù vậy, không nên tháo bật lửa ga ra để lấy khối áp điện: bình ga có áp suất, dễ rò rỉ và bắt lửa.
Bên trong tinh thể: vì sao ép lại ra điện
Trong nhiều tinh thể như muối ăn, các ion dương và âm sắp xếp đối xứng hoàn hảo. Ép chúng lại, trọng tâm điện tích dương và âm vẫn trùng nhau, không có gì xảy ra về điện.
Tinh thể áp điện thì khác: cấu trúc của chúng không có tâm đối xứng. Khi bị ép theo một hướng nhất định, các ion dương dịch một chút về một phía, ion âm dịch về phía kia. Trọng tâm điện tích tách nhau ra, tạo nên một lưỡng cực điện. Hàng tỷ lưỡng cực như vậy cộng lại làm xuất hiện điện tích trái dấu trên hai mặt tinh thể, đo được thành điện áp.
Hiệu ứng chạy theo cả hai chiều:
- Hiệu ứng thuận: lực cơ học sinh ra điện áp. Dùng để làm cảm biến, bộ đánh lửa, micro.
- Hiệu ứng nghịch: điện áp làm vật liệu co giãn. Dùng để làm loa còi, bộ rung, động cơ siêu nhỏ, đầu phun mực.
Năm 1880, Pierre và Jacques Curie chứng minh hiệu ứng thuận trên thạch anh, tourmaline, muối Rochelle và một số tinh thể khác. Năm sau, nhà vật lý Gabriel Lippmann dùng lý thuyết nhiệt động học dự đoán phải có hiệu ứng nghịch, và anh em Curie nhanh chóng xác nhận bằng thí nghiệm. Đây là ví dụ đẹp về lý thuyết và thực nghiệm đi cùng nhau.
Từ thạch anh đến gốm PZT
Hiệu ứng áp điện của thạch anh tự nhiên khá yếu. Bước ngoặt cho ứng dụng đại trà đến vào giữa thế kỷ 20 với các loại gốm áp điện. Đầu tiên là bari titanat, rồi tới PZT (chì zirconat titanat), phát triển vào đầu thập niên 1950. Gốm PZT cho hiệu ứng mạnh hơn thạch anh nhiều lần, dễ đúc thành mọi hình dạng, rẻ, và cho tới nay vẫn là vật liệu áp điện phổ biến nhất.
Gốm vừa nung xong chưa áp điện ngay. Các vùng nhỏ bên trong nó có lưỡng cực xếp lộn xộn, triệt tiêu lẫn nhau. Người ta phải "phân cực" khối gốm bằng cách đặt điện trường mạnh khi nó còn ấm, để các lưỡng cực quay về cùng một hướng. Nếu bị nung quá một nhiệt độ gọi là điểm Curie, trật tự này mất và gốm hết áp điện.
| Vật liệu | Đặc điểm | Dùng ở đâu |
|---|---|---|
| Thạch anh | Hiệu ứng yếu nhưng cực ổn định theo nhiệt độ và thời gian | Bộ dao động trong đồng hồ, máy tính, điện thoại |
| Gốm PZT | Hiệu ứng mạnh, dễ tạo hình, có chứa chì | Bật lửa, đầu dò siêu âm, loa còi, bộ truyền động chính xác |
| Gốm không chì (KNN, bari titanat…) | Đang thay dần PZT ở một số ứng dụng vì lý do môi trường | Linh kiện điện tử dân dụng, nghiên cứu |
| Polymer PVDF | Màng mỏng, dẻo, nhẹ | Cảm biến rung, cảm biến đeo trên người, hydrophone |
Những nơi vật liệu áp điện đang làm việc quanh bạn
Đồng hồ và thiết bị điện tử
Một mẩu thạch anh nhỏ được cắt thành hình âm thoa, đặt điện áp xoay chiều thì rung với tần số rất ổn định. Mạch điện đếm số dao động để giữ nhịp. Gần như mọi đồng hồ điện tử, máy tính, điện thoại đều có ít nhất một tinh thể như vậy.
Siêu âm y tế
Đầu dò máy siêu âm chứa các phần tử áp điện. Dùng hiệu ứng nghịch, chúng rung ở tần số hàng triệu lần mỗi giây, phát sóng siêu âm vào cơ thể. Sóng dội lại từ các mô làm phần tử rung theo, và hiệu ứng thuận biến rung động ấy thành tín hiệu điện để máy dựng hình. Cùng một miếng vật liệu vừa làm loa vừa làm tai.
Máy in phun và còi báo
Nhiều đầu in phun dùng phần tử áp điện co bóp buồng mực, bắn ra từng giọt mực cực nhỏ theo xung điện. Loa còi trong lò vi sóng, máy giặt, đồng hồ báo thức thường là một đĩa kim loại dán lớp gốm áp điện, rung lên khi có điện áp xoay chiều.
Ô tô và công nghiệp
Cảm biến kích nổ trên động cơ ô tô dùng vật liệu áp điện để "nghe" tiếng gõ bất thường trong xi lanh. Kim phun nhiên liệu áp điện trên một số động cơ diesel mở đóng nhanh hơn kim phun điện từ. Trong nhà máy, cảm biến rung áp điện gắn trên máy móc để phát hiện ổ bi sắp hỏng.
Sàn nhảy phát điện: kỳ vọng và thực tế
Thỉnh thoảng có tin về sàn nhà, vỉa hè, đường phố "phát điện từ bước chân". Ý tưởng hấp dẫn, nhưng nên hiểu đúng quy mô. Năng lượng một bước chân truyền vào sàn là rất nhỏ, và chỉ một phần nhỏ của nó chuyển thành điện. Tổng cộng đủ thắp đèn LED trình diễn hay cấp cho cảm biến không dây, nhưng còn rất xa mới thay được một tấm pin mặt trời hay lưới điện.
Cũng cần biết: không phải sàn phát điện nào cũng dùng vật liệu áp điện. Một số sản phẩm thương mại dùng máy phát điện từ thu nhỏ, chuyển chuyển động lún của tấm sàn thành chuyển động quay. Vì vậy khi đọc tin, hãy hỏi: thu được bao nhiêu watt-giờ mỗi ngày, so với chi phí lắp đặt ra sao.
Ứng dụng thu năng lượng áp điện có ý nghĩa thật là cấp điện cho các cảm biến nhỏ ở nơi khó thay pin, như cảm biến trên cầu, trên đường ống, trên máy móc rung liên tục.
Góc nhìn hôm nay: tự quan sát hiệu ứng áp điện an toàn
Bạn có thể thấy hiệu ứng áp điện mà không cần đụng tới bật lửa ga. Mua một đĩa còi áp điện loại rẻ ở cửa hàng linh kiện điện tử, nối hai dây của nó vào đồng hồ vạn năng để ở thang đo điện áp. Gõ nhẹ ngón tay lên đĩa, kim hoặc số trên màn hình sẽ nhảy lên rồi về không. Nối hai dây vào một bóng LED nhỏ, gõ mạnh hơn một chút, bạn có thể thấy LED loé sáng trong phòng tối. Đó là điện sinh ra từ chính cú gõ của bạn. Đĩa còi là linh kiện điện áp thấp, an toàn cho thí nghiệm này.
Điều đáng mang về là cách nhìn: cơ và điện trong vật liệu áp điện là hai mặt của cùng một chuyện. Một miếng gốm vừa là loa, vừa là micro, vừa là cảm biến, vừa là động cơ, tuỳ bạn đưa vào nó lực hay điện. Rất nhiều thiết bị "thông minh" quanh ta thật ra là những miếng gốm nhỏ được nối dây đúng cách.
Muốn tìm hiểu lịch sử, các tài liệu về Pierre Curie, người về sau cùng Marie Curie nghiên cứu phóng xạ, thường nhắc tới giai đoạn ông và anh trai Jacques nghiên cứu tinh thể. Bảo tàng Curie ở Paris lưu giữ nhiều dụng cụ đo của gia đình Curie, trong đó có thiết bị dựa trên thạch anh áp điện mà họ dùng để đo dòng điện cực nhỏ.
Câu hỏi thường gặp
Vật liệu áp điện là gì?
Vật liệu áp điện sinh ra điện áp khi bị ép, uốn hoặc gõ, và co giãn khi được đặt điện áp vào. Ví dụ quen thuộc là thạch anh và gốm PZT.
Ai phát hiện hiệu ứng áp điện?
Anh em Pierre và Jacques Curie phát hiện hiệu ứng áp điện năm 1880 trên thạch anh và một số tinh thể khác. Năm 1881, Gabriel Lippmann dự đoán hiệu ứng nghịch và anh em Curie đã xác nhận bằng thí nghiệm.
Bật lửa ga tạo tia lửa bằng cách nào?
Khi bấm nút, một búa nhỏ được lò xo đẩy đập vào khối gốm áp điện, tạo xung điện áp hàng nghìn vôn trong thời gian rất ngắn. Xung này phóng tia lửa qua khe hở và đốt cháy ga.
Vì sao vật liệu áp điện ép lại sinh ra điện?
Tinh thể áp điện không có tâm đối xứng. Khi bị ép, ion dương và ion âm dịch lệch nhau, tạo lưỡng cực điện và làm xuất hiện điện tích trái dấu ở hai mặt tinh thể.
Sàn phát điện từ bước chân có hiệu quả không?
Lượng điện thu được rất nhỏ, đủ cho đèn LED hoặc cảm biến nhưng không thể thay pin mặt trời hay lưới điện. Một số sàn thương mại còn dùng máy phát điện từ chứ không phải vật liệu áp điện.
Máy siêu âm dùng vật liệu áp điện thế nào?
Đầu dò siêu âm chứa phần tử áp điện vừa phát vừa thu. Điện áp làm phần tử rung phát sóng siêu âm vào cơ thể, sóng dội lại làm nó rung và sinh tín hiệu điện để máy dựng hình.
