Hiệu ứng áp điện và ứng dụng của nó trong công nghệ
Năm 1880, anh em Jacques và Pierre Curie phát hiện ra rằng khi một số tinh thể tự nhiên bị nén hoặc kéo dài, điện tích phát sinh ở các cạnh của tinh thể. Hai anh em gọi hiện tượng này là "áp điện" (từ tiếng Hy Lạp "piezo" có nghĩa là "ép"), và chính họ gọi những tinh thể như vậy là tinh thể áp điện.
Hóa ra, các tinh thể tourmaline, thạch anh và các tinh thể tự nhiên khác, cũng như nhiều tinh thể phát triển nhân tạo, có hiệu ứng áp điện. Những tinh thể như vậy thường xuyên được thêm vào danh sách các tinh thể áp điện đã biết.
Khi một tinh thể áp điện như vậy bị kéo căng hoặc nén theo hướng mong muốn, các điện tích trái dấu với sự chênh lệch điện thế nhỏ sẽ xuất hiện trên một số bề mặt của nó.
Nếu chúng ta đặt các điện cực được kết nối với nhau trên các mặt này, thì tại thời điểm nén hoặc kéo dài tinh thể, một xung điện ngắn sẽ xuất hiện trong mạch được hình thành bởi các điện cực.Đây sẽ là biểu hiện của hiệu ứng áp điện... Ở áp suất không đổi, xung lực như vậy sẽ không xảy ra.
Các đặc tính vốn có của các tinh thể này giúp tạo ra các dụng cụ chính xác và nhạy cảm.
Tinh thể áp điện có tính đàn hồi cao. Khi bị lực làm biến dạng, tinh thể trở lại thể tích và hình dạng ban đầu mà không có quán tính. Bạn nên thử lại hoặc thay đổi những gì đã được áp dụng và nó sẽ ngay lập tức đáp lại bằng một xung lực hiện tại mới. Nó là máy ghi âm tốt nhất để đạt được các rung động cơ học rất yếu. Dòng điện trong mạch của tinh thể dao động nhỏ và đây là trở ngại trong quá trình khám phá ra hiệu ứng áp điện của anh em nhà Curie.
Trong công nghệ hiện đại, đây không phải là một trở ngại, bởi vì dòng điện có thể được khuếch đại hàng triệu lần. Hiện nay người ta đã biết rằng một số tinh thể có hiệu ứng áp điện rất đáng kể. Và dòng điện thu được từ chúng có thể được truyền qua dây dẫn ở khoảng cách xa mà không cần khuếch đại trước.
Tinh thể áp điện đã được sử dụng trong phát hiện lỗ hổng siêu âm để phát hiện các khuyết tật trong các sản phẩm kim loại. Trong các bộ chuyển đổi cơ điện để ổn định tần số vô tuyến, trong các bộ lọc của liên lạc điện thoại đa kênh khi một số cuộc đàm thoại được thực hiện đồng thời trên một dây, trong cảm biến áp suất và khuếch đại, trong bộ điều hợp, tại hàn siêu âm — trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật, tinh thể áp điện đã chiếm vị trí không thể lay chuyển của chúng.
Một tính chất quan trọng của tinh thể áp điện cũng là hiệu ứng áp điện ngược... Nếu các điện tích trái dấu được đặt lên một số bề mặt của tinh thể, thì bản thân tinh thể sẽ bị biến dạng trong trường hợp này.Nếu các rung động điện của tần số âm thanh được áp dụng cho một tinh thể, nó sẽ bắt đầu rung động ở cùng tần số đó và sóng âm thanh sẽ được kích thích trong không khí xung quanh. Vì vậy, cùng một tinh thể có thể hoạt động như một micrô và loa.
Một tính năng khác của tinh thể áp điện khiến chúng trở thành một phần không thể thiếu của công nghệ vô tuyến hiện đại. Sở hữu tần số rung động cơ học tự nhiên, tinh thể bắt đầu rung động đặc biệt mạnh vào thời điểm tần số của điện áp xoay chiều đặt vào trùng với tần số của nó.
Đây là một biểu hiện của cộng hưởng điện cơ, trên cơ sở tạo ra các bộ ổn định áp điện, nhờ đó tần số không đổi được duy trì trong các máy phát dao động liên tục.
Chúng phản ứng theo cách tương tự với các rung động cơ học có tần số phù hợp với tần số rung động tự nhiên của tinh thể áp điện. Điều này cho phép bạn tạo các thiết bị âm thanh chọn từ tất cả các âm thanh truyền tới chúng chỉ những âm thanh cần thiết cho mục đích này hay mục đích khác.
Toàn bộ tinh thể không được dùng cho các thiết bị áp điện. Các tinh thể được cắt thành các lớp được định hướng nghiêm ngặt đối với các trục tinh thể của chúng, các lớp này được tạo thành các tấm hình chữ nhật hoặc hình tròn, sau đó được đánh bóng theo một kích thước nhất định. Độ dày của các tấm được duy trì cẩn thận vì tần số cộng hưởng của dao động phụ thuộc vào nó. Một hoặc nhiều tấm được nối với nhau bằng các lớp kim loại trên hai bề mặt rộng được gọi là phần tử áp điện.