Khi vặn núm đánh lửa của bếp ga, một tia lửa nhỏ bật ra cùng tiếng “tách”. Không có pin, cũng chẳng có ổ cắm, chỉ riêng lực của ngón tay bấm nút đã tạo ra tia lửa. Rốt cuộc bên trong thiết bị nhỏ này đang xảy ra điều gì?
Bí mật nằm ở một mảnh tinh thể đặc biệt. Một số chất rắn tích điện trên bề mặt ngay khi bị ép hoặc kéo giãn, và hiện tượng này được gọi là “hiệu ứng áp điện (Piezoelectric Effect)”. Điểm cốt lõi của hiện tượng là con đường biến lực thành điện và con đường biến điện trở lại thành lực cùng nằm trong một vật liệu.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu nguyên lý sinh ra hiệu ứng áp điện, ý nghĩa ẩn trong tên gọi, hiệu ứng theo chiều ngược lại khi cấp điện làm vật thể biến đổi, và các ứng dụng như bộ đánh lửa, đồng hồ, sonar, siêu âm.
Nguyên lý của tinh thể đổi lực lấy điện
Tinh thể bị ép là tích điện
Hiệu ứng áp điện không thể hiện rõ ở mọi vật liệu mà nổi bật ở những vật liệu có cách sắp xếp hạt cấu tạo nên tinh thể đặc biệt.
(1) Quá trình điện tích lệch về một phía
Bên trong tinh thể, các hạt mang điện dương và điện âm xếp thành hàng đều đặn. Khi tinh thể bị ép và méo hình dạng, tâm của điện dương và điện âm lệch nhau đôi chút, kết quả là hai mặt đối diện của tinh thể tụ lại các điện tích trái dấu.
(2) Điều kiện không có đối xứng
Nếu tinh thể đối xứng hoàn toàn theo chiều trên dưới hay trái phải, thì dù bị méo, sự lệch điện tích cũng tự triệt tiêu nhau. Vì vậy, hiệu ứng áp điện chỉ xuất hiện ở các tinh thể không có tâm đối xứng. Thạch anh là ví dụ tiêu biểu, và người ta biết rằng hiệu ứng này cũng xuất hiện yếu ở đường hay các vật liệu sinh học như xương.
(3) Ý nghĩa ẩn trong tên gọi
Từ “áp điện” bắt nguồn từ một từ tiếng Hy Lạp cổ nghĩa là “ép” và một từ nghĩa là “hổ phách”. Hổ phách là loại đá quý sinh ra tĩnh điện khi cọ xát nên từng được dùng như biểu tượng của điện, còn cái tên “điện sinh ra do ép” do Wilhelm Hankel người Đức đặt vào năm 1881.
Con đường đi ngược lại cũng thông
Hiệu ứng áp điện không chỉ xảy ra theo một hướng. Nếu có con đường ép để lấy điện, thì cũng có con đường cấp điện để làm vật thể biến đổi.
(1) Hiệu ứng áp điện thuận và hiệu ứng áp điện nghịch
Tác dụng lực để thu được điện gọi là hiệu ứng áp điện thuận, còn đặt điện trường để làm tinh thể biến dạng gọi là hiệu ứng áp điện nghịch. Hai hiệu ứng cùng có trong một vật liệu, và tùy mục đích sử dụng mà người ta chọn khai thác một trong hai.
(2) Phát hiện của anh em nhà Curie
Năm 1880, hai anh em Pierre Curie và Jacques Curie người Pháp lần đầu chứng minh hiệu ứng áp điện thuận ở các tinh thể như tourmaline, thạch anh và muối Rochelle. Năm sau, Gabriel Lippmann dựa trên nguyên lý nhiệt động lực học chỉ ra về mặt lý thuyết rằng phải có hiệu ứng theo chiều ngược lại, và anh em nhà Curie đã nhanh chóng xác nhận bằng thí nghiệm.
(3) Biến đổi vô cùng nhỏ
Chì zirconat titanat (PZT), một loại gốm áp điện, sinh ra lượng điện đo được dù kích thước chỉ thay đổi rất ít, chưa tới 0,1%. Ngược lại, khi cấp điện thì kích thước thay đổi nhiều nhất cũng chỉ khoảng 0,1%, rất nhỏ, nhưng chính nhờ thế mà người ta có thể điều khiển chính xác những chuyển động cực kỳ tinh vi.
Linh kiện áp điện ẩn trong đời sống thường ngày
Linh kiện áp điện được dùng ở những nơi gần gũi hơn ta nghĩ. Chia thành loại biến lực ép thành điện và loại dùng điện để tạo rung động thì sẽ dễ hiểu hơn.
- Bộ đánh lửa (Igniter): Khi bấm nút, chiếc búa nhỏ có lò xo đập vào tinh thể áp điện, điện áp cao sinh ra tức thời làm tia lửa bật qua khe hẹp và đốt cháy khí ga.
- Đồng hồ thạch anh (Quartz Clock): Khi đặt điện áp vào một mảnh thạch anh, nó rung đều với tốc độ do hình dạng tinh thể quyết định, và sự rung đều đặn này trở thành tín hiệu để đếm thời gian. Đồng hồ đeo tay thường dùng thạch anh rung 32.768 lần mỗi giây.
- Micro và đầu thu rung (Microphone and Pickup): Khi rung động của âm thanh ép lên linh kiện áp điện, tín hiệu điện được tạo ra tương ứng với cường độ đó, và được dùng trong đầu thu của đàn guitar điện hay micro tiếp xúc.
- Máy in phun (Inkjet Printer): Một số máy in cấp điện cho linh kiện áp điện, dùng lực biến dạng của nó để đẩy mực ra thành những giọt rất nhỏ.
Ứng dụng mở rộng từ sonar đến kính hiển vi
Hiệu ứng áp điện từ lâu chỉ là hiện tượng kỳ lạ trong phòng thí nghiệm, nhưng từ khi sản phẩm thực tế đầu tiên ra đời, phạm vi ứng dụng đã mở rộng nhanh chóng.
(1) Ứng dụng thực tế đầu tiên: sonar
Năm 1917, trong Thế chiến thứ nhất, Paul Langevin người Pháp cùng các đồng nghiệp đã phát siêu âm bằng thiết bị gồm những lát thạch anh mỏng dán giữa các tấm thép, và nhờ đó tìm ra tàu ngầm. Sonar, thiết bị đo khoảng cách bằng thời gian âm thanh quay trở lại, là ứng dụng thực tế đầu tiên của hiệu ứng áp điện.
(2) Sự xuất hiện của vật liệu mạnh hơn
Khoảng thời gian Thế chiến thứ hai, các nhà nghiên cứu ở Mỹ, Liên Xô và Nhật Bản đã phát hiện ra vật liệu tổng hợp gọi là chất sắt điện. Các loại gốm như bari titanat và PZT, có hiệu ứng áp điện lớn hơn tinh thể tự nhiên hàng chục lần, sau đó được phổ biến rộng rãi, và đến nay phần lớn đầu dò của máy siêu âm chẩn đoán y tế vẫn dùng linh kiện áp điện.
(3) Đầu ngón tay đọc nguyên tử
Kính hiển vi quét đầu dò, loại quan sát từng nguyên tử một, tận dụng hiệu ứng áp điện nghịch. Đó là vì chỉ cần thay đổi điện áp thật nhẹ là có thể di chuyển mũi dò với độ chính xác nhỏ hơn một micromet.
(4) Thách thức chưa được giải quyết
Từng có những nỗ lực thu điện từ bước chân khi đi bộ, nhưng nghiên cứu phát điện trong ủng quân đội của Cơ quan Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến Hoa Kỳ đã bị dừng vì gây gánh nặng quá lớn cho người mang. Các nghiên cứu thu điện từ chuyển động của con người hay rung động của máy móc để chạy các cảm biến nhỏ vẫn đang tiếp tục cho đến nay.
Hiệu ứng áp điện là hiện tượng lực và điện qua lại với nhau trong một tinh thể. Tia lửa của bộ đánh lửa, nhịp rung đều của đồng hồ, siêu âm phát xuống dưới con tàu, tất cả đều xuất phát từ cùng một nguyên lý, điều đó thật thú vị.
Biết rằng lực ép và điện sinh ra lẫn nhau, đó là bước đầu tiên để hiểu hiệu ứng áp điện.
