Chúng tôi có các vật liệu cụ thể phù hợp với các ứng dụng áp điện, nhưng quy trình này hoạt động chính xác như thế nào?Với hiệu ứng áp điện.Đặc điểm độc đáo nhất của hiệu ứng này là nó hoạt động theo hai cách.Bạn có thể áp dụng năng lượng cơ học hoặc năng lượng điện cho cùng một vật liệu áp điện và nhận được kết quả ngược lại.
Áp dụng năng lượng cơ học cho tinh thể được gọi là hiệu ứng áp điện trực tiếp và hoạt động như sau:
-
Một tinh thể áp điện được đặt giữa hai tấm kim loại.Tại thời điểm này, vật liệu ở trạng thái cân bằng hoàn hảo và không dẫn điện.
-
Sau đó, áp suất cơ học được các tấm kim loại tác dụng lên vật liệu, lực này khiến các điện tích bên trong tinh thể mất cân bằng.Các điện tích âm và dương dư thừa xuất hiện ở hai phía đối diện của mặt tinh thể.
-
Tấm kim loại thu các điện tích này, có thể được sử dụng để tạo ra điện áp và truyền dòng điện qua mạch điện.
-
Thế là xong, một ứng dụng đơn giản của áp suất cơ học, ép một tinh thể và đột nhiên bạn có một dòng điện.Bạn cũng có thể làm ngược lại, áp dụng tín hiệu điện cho vật liệu dưới dạng hiệu ứng áp điện ngược.Nó hoạt động như thế này:
-
Trong tình huống tương tự như ví dụ trên, chúng ta có một tinh thể áp điện được đặt giữa hai tấm kim loại.Cấu trúc của tinh thể ở trạng thái cân bằng hoàn hảo.
-
Năng lượng điện sau đó được áp dụng cho tinh thể, làm co lại và mở rộng cấu trúc của tinh thể.
-
Khi cấu trúc của tinh thể mở rộng và co lại, nó chuyển đổi năng lượng điện nhận được và giải phóng năng lượng cơ học dưới dạng sóng âm thanh.
-
Hiệu ứng áp điện ngược được sử dụng trong nhiều ứng dụng.Lấy một chiếc loa làm ví dụ, đặt một điện áp lên gốm áp điện, làm cho vật liệu này rung động không khí dưới dạng sóng âm thanh.
Khám phá về áp điện
Áp điện lần đầu tiên được phát hiện vào năm 1880 bởi hai anh em nhà khoa học người Pháp, Jacques và Pierre Curie.Trong khi thử nghiệm với nhiều loại tinh thể, họ phát hiện ra rằng áp dụng áp suất cơ học lên các tinh thể cụ thể như thạch anh sẽ giải phóng điện tích.Họ gọi đây là hiệu ứng áp điện.
30 năm tiếp theo chứng kiến Áp điện được dành phần lớn cho các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và cải tiến thêm.Mãi cho đến Thế chiến I khi áp điện được sử dụng cho các ứng dụng thực tế trong sonar.Sonar hoạt động bằng cách kết nối điện áp với máy phát áp điện.Đây là hiệu ứng áp điện nghịch đảo đang hoạt động, chuyển đổi năng lượng điện thành sóng âm thanh cơ học.
Sóng âm di chuyển trong nước cho đến khi chúng chạm vào một vật thể.Sau đó, chúng quay trở lại máy thu nguồn.Máy thu này sử dụng hiệu ứng áp điện trực tiếp để chuyển đổi sóng âm thanh thành điện áp, sau đó có thể được xử lý bằng thiết bị xử lý tín hiệu.Sử dụng thời gian giữa khi tín hiệu rời đi và khi tín hiệu quay trở lại, khoảng cách của một vật thể có thể dễ dàng được tính toán dưới nước.
Với sự thành công của sonar, áp điện đã thu hút được sự chú ý của giới quân sự.Chiến tranh thế giới thứ hai đã nâng cao công nghệ này hơn nữa khi các nhà nghiên cứu từ Hoa Kỳ, Nga và Nhật Bản làm việc để chế tạo các vật liệu áp điện nhân tạo mới gọi là sắt điện.Nghiên cứu này dẫn đến hai vật liệu nhân tạo được sử dụng cùng với tinh thể thạch anh tự nhiên, bari titanat và chì zirconat titanat.
áp điện hôm nay
Trong thế giới điện tử ngày nay, áp điện được sử dụng ở khắp mọi nơi.Yêu cầu Google chỉ đường đến một nhà hàng mới sử dụng áp điện trong micrô.Thậm chí còn có một tàu điện ngầm ở Tokyo sử dụng sức mạnh của bước chân con người để cung cấp năng lượng cho các cấu trúc áp điện trong lòng đất.Bạn sẽ thấy áp điện đang được sử dụng trong các ứng dụng điện tử này:
thiết bị truyền động
Bộ truyền động sử dụng áp điện để cung cấp năng lượng cho các thiết bị như máy đan và chữ nổi, máy quay video và điện thoại thông minh.Trong hệ thống này, một tấm kim loại và một thiết bị dẫn động kẹp một vật liệu áp điện với nhau.Sau đó, điện áp được đặt vào vật liệu áp điện, làm giãn nở và co lại.Chuyển động này làm cho bộ truyền động cũng chuyển động theo.
Loa & Còi
Loa sử dụng áp điện để cấp nguồn cho các thiết bị như đồng hồ báo thức và các thiết bị cơ khí nhỏ khác yêu cầu khả năng âm thanh chất lượng cao.Các hệ thống này tận dụng hiệu ứng áp điện nghịch đảo bằng cách chuyển đổi tín hiệu điện áp âm thanh thành năng lượng cơ học dưới dạng sóng âm thanh.
trình điều khiển
Trình điều khiển chuyển đổi pin điện áp thấp thành điện áp cao hơn, sau đó có thể được sử dụng để điều khiển thiết bị áp điện.Quá trình khuếch đại này bắt đầu với một bộ tạo dao động tạo ra các sóng hình sin nhỏ hơn.Những sóng hình sin này sau đó được khuếch đại bằng bộ khuếch đại áp điện.
cảm biến
Cảm biến được sử dụng trong nhiều ứng dụng như micrô, đàn guitar khuếch đại và thiết bị hình ảnh y tế.Một micrô áp điện được sử dụng trong các thiết bị này để phát hiện các biến thể áp suất trong sóng âm thanh, sau đó có thể chuyển đổi thành tín hiệu điện để xử lý.
Quyền lực
Một trong những ứng dụng đơn giản nhất của áp điện là bật lửa điện.Nhấn nút của chiếc bật lửa sẽ giải phóng búa lò xo vào tinh thể áp điện.Điều này tạo ra một dòng điện đi qua khe hở tia lửa điện để làm nóng và đốt cháy khí.Hệ thống năng lượng áp điện tương tự này được sử dụng trong các lò đốt gas và lò nướng lớn hơn.
động cơ
Tinh thể áp điện là hoàn hảo cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao, chẳng hạn như chuyển động của động cơ.Trong các thiết bị này, vật liệu áp điện nhận tín hiệu điện, tín hiệu này sau đó được chuyển thành năng lượng cơ học để buộc một tấm gốm di chuyển.
Áp điện và tương lai
Tương lai giữ gì cho áp điện?Các khả năng rất nhiều.Một ý tưởng phổ biến mà các nhà phát minh đang đưa ra là sử dụng áp điện để thu năng lượng.Hãy tưởng tượng có các thiết bị áp điện trong điện thoại thông minh của bạn có thể được kích hoạt từ chuyển động đơn giản của cơ thể bạn để giữ cho chúng được sạc.
Nghĩ xa hơn một chút, bạn cũng có thể nhúng một hệ thống áp điện bên dưới vỉa hè đường cao tốc có thể được kích hoạt bằng bánh xe ô tô đang di chuyển.Năng lượng này sau đó có thể được sử dụng để thắp sáng đèn giao thông và các thiết bị lân cận khác.Kết hợp điều đó với một con đường đầy ô tô điện và bạn sẽ thấy mình đang ở trong tình trạng tràn đầy năng lượng tích cực.
