Hiệu ứng áp điện được phát hiện bởi các nhà khoa học Pháp, anh em nhà Curie vào cuối thế kỷ 19. Vào thời điểm đó, còn quá sớm để nói về ứng dụng thực tế của hiện tượng được phát hiện, nhưng hiện tại, nguyên tố áp điện được sử dụng rộng rãi cả trong công nghệ và đời sống hàng ngày.
Nội dung
Bản chất của hiệu ứng áp điện
Các nhà vật lý nổi tiếng đã xác định rằng khi một số tinh thể (tinh thể đá, tourmaline, v.v.) bị biến dạng, các điện tích phát sinh trên mặt của chúng. Đồng thời, sự khác biệt tiềm ẩn là nhỏ, nhưng nó được cố định một cách tự tin bởi các thiết bị tồn tại vào thời điểm đó và bằng cách kết nối các phần có điện tích phân cực đối lập bằng cách sử dụng dây dẫn, có thể thu được điện lực. Hiện tượng này chỉ được cố định trong động lực học, tại thời điểm nén hoặc kéo căng. Sự biến dạng ở chế độ tĩnh không gây ra hiệu ứng áp điện.
Chẳng bao lâu, hiệu ứng ngược lại đã được chứng minh về mặt lý thuyết và được phát hiện trong thực tế - khi một điện áp được đặt vào, tinh thể bị biến dạng.Hóa ra là cả hai hiện tượng đều có mối liên hệ với nhau - nếu một chất thể hiện hiệu ứng áp điện trực tiếp, thì điều ngược lại cũng vốn có trong nó, và ngược lại.
Hiện tượng này được quan sát thấy trong các chất có mạng tinh thể kiểu dị hướng (có tính chất vật lý khác nhau tùy theo hướng) với tính bất đối xứng vừa đủ, cũng như một số cấu trúc đa tinh thể.
Trong bất kỳ vật rắn nào, ngoại lực tác dụng gây ra biến dạng và ứng suất cơ học, và trong chất có hiệu ứng áp điện, chúng cũng gây ra sự phân cực của điện tích và sự phân cực phụ thuộc vào hướng của lực tác dụng. Khi thay đổi hướng tiếp xúc, cả hướng phân cực và hướng phân cực của các điện tích đều thay đổi. Sự phụ thuộc của phân cực vào ứng suất cơ là tuyến tính và được mô tả bằng biểu thức P = dt, trong đó t là ứng suất cơ, và d là hệ số được gọi là môđun áp điện (piezo electro module).
Hiện tượng tương tự cũng xảy ra với hiệu ứng áp điện ngược. Khi chiều của điện trường tác dụng thay đổi thì chiều biến dạng cũng thay đổi. Ở đây sự phụ thuộc cũng là tuyến tính: r = dE, trong đó E là cường độ điện trường và r là biến dạng. Hệ số d như nhau đối với hiệu ứng áp điện trực tiếp và nghịch biến đối với mọi chất.
Trong thực tế, các phương trình trên chỉ là ước tính. Các phụ thuộc thực tế phức tạp hơn nhiều và cũng được xác định bởi hướng của các lực liên quan đến các trục tinh thể.
Chất có hiệu ứng áp điện
Lần đầu tiên, hiệu ứng áp điện được tìm thấy trong tinh thể đá (thạch anh). Cho đến ngày nay, vật liệu này rất phổ biến trong sản xuất các phần tử áp điện, nhưng không chỉ vật liệu tự nhiên mới được sử dụng trong sản xuất.
Nhiều piezoelectric được tạo ra từ các chất có công thức ABO.3, ví dụ: BaTiO3, РbТiO3. Những vật liệu này có cấu trúc đa tinh thể (bao gồm nhiều tinh thể), và để tạo cho chúng khả năng thể hiện hiệu ứng áp điện, chúng phải được phân cực bằng cách sử dụng điện trường bên ngoài.
Có những công nghệ làm cho nó có thể thu được điện áp màng (polyvinylidene fluoride, v.v.). Để cung cấp cho chúng các đặc tính cần thiết, chúng cũng cần được phân cực trong một thời gian dài trong điện trường. Ưu điểm của các vật liệu như vậy là độ dày rất nhỏ.
Tính chất và đặc điểm của chất có hiệu ứng áp điện
Vì sự phân cực chỉ xảy ra trong quá trình biến dạng đàn hồi nên một đặc tính quan trọng của vật liệu áp là khả năng thay đổi hình dạng dưới tác dụng của ngoại lực. Giá trị của khả năng này được xác định bởi sự tuân thủ đàn hồi (hoặc độ cứng đàn hồi).
Các tinh thể có hiệu ứng áp điện có tính đàn hồi cao - khi lực (hoặc ứng suất bên ngoài) bị loại bỏ, chúng sẽ trở lại hình dạng ban đầu.
Piezocrystals cũng có tần số cộng hưởng cơ học của riêng chúng. Nếu bạn làm cho tinh thể dao động ở tần số này, biên độ sẽ đặc biệt lớn.
Vì hiệu ứng áp điện được biểu hiện không chỉ bởi toàn bộ tinh thể mà còn bởi các tấm của chúng được cắt trong những điều kiện nhất định, nên có thể thu được các mảnh chất áp điện có cộng hưởng ở các tần số khác nhau, tùy thuộc vào kích thước hình học và hướng của vết cắt.
Ngoài ra, các đặc tính dao động của vật liệu áp điện được đặc trưng bởi một yếu tố chất lượng cơ học. Cho biết biên độ dao động ở tần số cộng hưởng tăng lên bao nhiêu lần với một lực tác dụng bằng nhau.
Có một sự phụ thuộc rõ ràng của các đặc tính của áp điện vào nhiệt độ, điều này phải được tính đến khi sử dụng tinh thể. Sự phụ thuộc này được đặc trưng bởi các hệ số:
- Hệ số nhiệt độ của tần số cộng hưởng cho biết mức độ cộng hưởng biến mất khi tinh thể được làm nóng / làm lạnh;
- hệ số giãn nở nhiệt độ xác định kích thước tuyến tính của tấm áp điện thay đổi bao nhiêu theo nhiệt độ.
Ở một nhiệt độ nhất định, piezocrystal mất tính chất. Giới hạn này được gọi là nhiệt độ Curie. Giới hạn này là riêng cho từng vật liệu. Ví dụ, đối với thạch anh, nhiệt độ là +573 ° C.
Ứng dụng thực tế của hiệu ứng áp điện
Ứng dụng nổi tiếng nhất của các phần tử áp điện là như một phần tử đánh lửa. Hiệu ứng áp điện được sử dụng trong bật lửa bỏ túi hoặc bộ đốt bếp cho bếp gas. Khi tinh thể được ép, một sự khác biệt tiềm năng phát sinh và một tia lửa xuất hiện trong khe hở không khí.
Khu vực ứng dụng của phần tử áp điện này không bị cạn kiệt. Các tinh thể có tác dụng tương tự có thể được sử dụng làm đồng hồ đo biến dạng, nhưng lĩnh vực sử dụng này bị giới hạn bởi đặc tính của hiệu ứng áp điện chỉ xuất hiện trong động lực học - nếu các thay đổi dừng lại, tín hiệu sẽ ngừng tạo ra.
Piezocrystals có thể được sử dụng như một micrô - khi tiếp xúc với sóng âm, các tín hiệu điện sẽ được hình thành. Hiệu ứng áp điện ngược cũng cho phép (đôi khi đồng thời) sử dụng các phần tử như bộ phát âm thanh. Khi một tín hiệu điện được đưa vào tinh thể, phần tử áp điện sẽ bắt đầu tạo ra sóng âm.
Các bộ phát như vậy được sử dụng rộng rãi để tạo ra sóng siêu âm, đặc biệt, trong công nghệ y tế. Tại đây các đặc tính cộng hưởng của tấm cũng có thể được sử dụng.Nó có thể được sử dụng như một bộ lọc âm thanh chỉ chọn các sóng tần số tự nhiên. Một lựa chọn khác là sử dụng phần tử áp điện trong máy phát âm thanh (còi báo động, máy dò, v.v.) đồng thời làm phần tử thiết lập tần số và phát ra âm thanh. Trong trường hợp này, âm thanh sẽ luôn được tạo ra ở tần số cộng hưởng và có thể thu được âm lượng lớn nhất mà ít tiêu tốn năng lượng.
Đặc tính cộng hưởng được sử dụng để ổn định tần số của máy phát điện hoạt động trong dải tần số vô tuyến điện. Các tấm thạch anh đóng vai trò tạo mạch dao động chất lượng cao và ổn định cao trong mạch xác lập tần số.
Vẫn có những dự án tuyệt vời để chuyển đổi năng lượng của biến dạng đàn hồi thành năng lượng điện trên quy mô công nghiệp. Bạn có thể sử dụng sự biến dạng của mặt đường dưới tác động của trọng lực của người đi bộ hoặc ô tô, chẳng hạn, để chiếu sáng các phần của đường ray. Bạn có thể sử dụng năng lượng biến dạng của cánh máy bay để cung cấp cho mạng máy bay. Việc sử dụng như vậy bị hạn chế bởi hiệu suất không đủ của các phần tử áp điện, nhưng các nhà máy thí điểm đã được tạo ra và chúng cho thấy hứa hẹn cải thiện hơn nữa.
Các bài tương tự:
